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能源枯竭？在能源互联网时代不存在！

百家作者：人工智能学家 2019-05-12 12:12:56

曹军威

清华大学信息技术研究院研究员、副院长

北京智中能源互联网研究院首席科学家

来源：DeepTech深科技

演绎inSite第十一期节目

能量路由器离我们还远吗？

曹军威@演绎inSite演讲视频链接：

以下为曹军威老师演讲文字稿：

（根据演讲现场整理，基于原意有所删减，完整版请看视频）

非常高兴有机会跟大家交流有关能源的话题，谈到能源大家可能第一反应就是能源好像跟我没太大关系，家里用电用气是接入了能源，但交电费、交煤气费都是非常被动的过程，所以大家会感觉能源跟日常生活离得非常遥远。

我是做信息技术研究的，来自清华大学信息技术研究院。令我印象深刻的是在 90 年代，当时我正好上大学，那时刚刚开始可以在大学宿舍里攒自己的计算机，攒自己的网络。大家真的需要用计算机网络交换信息吗？其实当时并没有这么强的需求，但是大家都很愿意去连网。其实互联网的本质，是信息或人的个性的自由化。

能源行业正处在这样的一个启蒙阶段，叫能源自由化的阶段。

有一天是不是每个人在家里就可以攒出一个能源系统？是不是需要一个能量路由器？是不是能像计算机网络一样即插即用就可以把一个能源系统搭建起来？所有这些畅想其实离我们并不遥远，作为研究人员，我们已经开始做这项工作了。

“能源+互联网”实现能源自主可控

首先给大家展现一个场景，现在给手机充电的是一个很小的充电宝，如果这个充电宝变大一些是不是能给整个家庭充电？比如家里有一个屋顶光伏发电系统，未来电动汽车普及以后车也可以在家里充电，这本质上就形成了一个能量系统。

图片来源：Pixabay

有了能量系统我们能在家里做什么？

比如我会选择在晚上来给电动汽车充电，因为晚上的电价最便宜。在欧美电力市场比较发达的地区有峰谷电价差，在白天用电高峰期电价比较贵，在晚上用电低谷期甚至有电费为负的情况。所以让储能系统晚上吸取低价电量白天放出电量，这就不用给电网交高价的电费。

我们可以有一个集中的运行控制中心，这个控制中心甚至可以在手机上来操控，这样的意义就是能源的自主可控，我的能源我做主，如果隔壁家的电源电能不够还可以卖给他,这些都是能源互联网展现给我们的未来场景。

所以家庭式的能源互联网跟我们每个人息息相关，如果把类似的场景拓展到更大的园区场景就会更加丰富化。

有一种情况叫源网荷协同，在一个系统里电源、电网和负荷协同工作，如果整个社区都跟电网互动，就可以把电网的高峰期削减、低谷期填平。我们知道电、能量的基本属性是发了多少能源就必须用多少，除非有大规模的储能，否则整个稳定性就会受到影响，所以有一个稳定的负荷非常重要。

有了能量系统在园区里还可以做什么？

比如发配售一体，目前我们国家在能源系统上是垂直管理，到了一个小园区甚至一个楼宇，所有不同的能源形式和系统都是独自管理，它们之间没有更多的协调关系，也没有区域的运营商。未来能源互联网可以从边缘做起变成区域的运营，这样的运营实体有利于区域能效的提升，甚至解决我们现在遇到的其他问题，如节能、减排、环保等等。

未来如果这种分布式的光伏或者风能，能够逐渐地以分布式、互联网的形式普及，就可以通过区域能源的形式，推出一种自下而上构建的能源基础设施，以区域为中心来运营的能源形式。

刚讲到的两个最基本的场景，从家庭到区域，实际上未来可以扩展到一个城市变成一个自治的能源系统。我们关于能源互联网的基本理解，实际上是借鉴了互联网的理念，本质上就是能量的分发。

手机没电了？等等我马上给你转发一份能量

如果 90 年代是互联网启蒙的阶段，那么我们说现在是能源系统，尤其是分布式的能源互联网系统启蒙的阶段。能源和互联网类比起来大家会看到惊人的相似性，也许未来十年、二十年能源系统所走的路就跟前二十年互联网走的路惊人的相似。

在 2011 年美国学者里夫金的《第三次工业革命》这本书里边提到，第三次工业革命的一个重要标志就是能源互联网的发展，他用一句话来概括：在即将到来的时代，我们需要创建一个能源互联网，让亿万人能够在自己的家中、办公室或者工厂里生产可再生能源。

大家在面对能源问题时会跟互联网类比，在互联网上很难想象信息会枯竭，但在能源领域会想到能源的可持续发展问题。对于化石能源有的人说 50 年，有的人说 100 年就没了，相反在互联网领域大家唯一担心的是信息爆炸。为什么在能源领域我们觉得有些封闭、遥远？而互联网会跟我们离得近、更开放？

现在我们转发一条消息有人看，如果我转发一份能量有人用，这件事是不是很酷？

实际上这是能源互联网的一个起因，能源枯竭的一个原因是能源生产中没有把大家的积极性都发挥出来,如果每个人都发动起来，你也发电，他也发电，这样的能量汇聚起来是不是就能实现能源的可持续发展?

我们发现在互联网的发展中有一些局部的、专用的网络，从 90 年代开始 Internet 上各种应用层出不穷，惊人相似的是现在已经有了很多分布式的可再生能源。我们已经把这些系统示范性地连接很多能源微网，在一个小的微网里既有电源也有用户，这样的系统连起来就变成一个能源互联网，甚至国家电网公司也提出了全球能源互联网的概念。

全球各个国家的能源系统是不是也能连在一起？这里面想象的空间非常大，因为这两个行业的体量不可同日而语，一个简简单单的信息转发就构建出这么大的一个工业体系，未来如果整个能源系统朝这样的方向发展，它的体量也非常巨大。

图 | 园区能源互联网场景（来源：曹军威）

我们做过一些小园区的能源基础设施研究，从它的建设、运行到最后运营，都是上亿上十亿上百亿的体量。所以能源行业是第一大工业，它的体量使得大家认为如果有这样的基础设施，如果有这么多的商业的创新模式，可以便捷地转发能量，还可以有这么多用户参与进来，它未来发展的空间会很大。

网络路由器传递信息，而能量路由器分发能量！

能源互联网建设需要能量路由器。建互联网时有很多路由器在底层分发信息，未来是不是也需要一个基于能量路由器的能源互联网架构？我们现在就是按照这样的思路去做研究，能量路由器之间通过交流或直流电网的技术连接，形成一个互联系统后既能保证分布式的能源和用户运营的灵活性，又可以保证整个系统的安全性、稳定性。

对于能源系统安全、可靠、稳定是最大的前提，不能因为互联而互联，而是要更大程度上保障它的可靠性。

实际上 2004 年英国的《经济学人》杂志就提出了 building the energy internet 的设想， 2003 年在美国东部地区爆发了一次大面积停电，美国东部三分之一的地区都停电，那时候是分布式屋顶光伏刚刚发展的阶段。

它提出来把能源也按互联网的形式建立，因为跟互联网对比很少听说有互联网网络大面积的崩溃，它是分散式的结构，一个两个路由器坏了对信息的转发没有影响。那未来能源是不是也可以由分布式的能源系统互联起来？即便一个两个坏了也不影响整个能源系统的分发，所以基于能量路由器的能源互联网是有理论支撑和实际意义的。

图 | 网络路由器典型架构

网络路由器是怎么来分发信息的？最简单的核心原理叫存储转发，信息来了先用缓存存起来，然后根据不同的机制从特定的端口出去。这和能源可以非常好地对应起来，把数据的缓存变成储能的系统，能量进来以后先把它存起来，把决策的机制变成类似数据中心的处理机制来决定能量从哪来到哪去。

整个架构上既有信息的接口、能量的接口，也有更高级应用的接口，这就形成了信息、能量融合的系统。如果未来要实现信息能源基础设施一体化，就不需要单独的信息基础设施和单独的能源基础设置，这两套基础设施一体化实现的效益是最好的。

网络之所以能互联是因为有一个互联信息交换的标准，而这样的标准有多个层级，不同层级完成不一样的任务，比如最著名的网络七层结构。能量路由器交换、分发能量是不是也能用分层来实现？我们有物理层来交换能量储能，建立传输层、各种各样的应用层，一旦实现了分层的目标也可以制定相应的标准。

图 | 能量路由器分层架构

能量路由器还有很多辅助功能，比如电能质量功能。在工业界有些负荷对电压的高低、频率的快慢非常敏感，在半导体行业一旦电压跌落了可能整个生产线都会停掉。类似这样的电能质量问题还包括谐波、无功等，但能量分发出去后就可以控制它的电压等级、频率，可以形成电能质量治理效果。

我们平时看到的网络路由器是非常边缘的一部分，实际上到了主干网以后有主干的路由器和功能更强的路由器。同样我们也可以设计有更高电压等级、更大容量的连接两个楼宇、两个小区，甚至连接两个不同城市的能量路由器，它们的实现基于电力电子、储能、嵌入式系统技术等。

什么叫电力电子技术？电子就是我们的手机、笔记本，电子产品的逻辑非常复杂但它的电流非常小，因为它要传递的仅仅是信息，如果要传递能量就要求电压上万伏、电流上百安，这时就变成了电力电子这样的技术。充电宝是一个小电池，把一万个充电宝并联串联以后就可能变成一个巨大的储能系统，类似这样的技术在产业上也在推进，最后会形成像能源互联网、能量路由器这样的产品。

目前能量路由器的发展用三句话来概括：能量路由器工业样机的实现我们已经完成，需要进行的是产业化的推广工作，也就是它的规模、成本、应用场景，它是不是被更大多数的场景所接受？运营以后是不是能够从投资回报率上具有经济可行性？

图 | 能量路由器样机（来源：曹军威）

这是我们研制的能量路由器的样机，既可以作为控制的终端，又可以作为计量的终端。

能量路由器现阶段有可能实现一些场景，比如家庭能源或园区能源，把电网、光、储、充等集成在一起，通过能量路由器形成集成化的解决方案，包括光伏的逆变器、储能的双向变流器、并网的变流器、充电模块等功能。同时也可以集成能量管理和电能质量管理等功能，在成本上如果具有一定的可行性，尤其是比如电动汽车充电电费比我们日常的电费更贵的话，在这样的经济可行性下能源互联网的能量路由器就可能就有产业化的意义。

我们在北京市科委的支持下，与京能集团合作进行了初步尝试，未来清华大学跟北京智中能源互联网研究院会继续推动相关工作的开展，推动它的产业化运行和成本的下降，把这项工作持续地做下去。