智慧能源到底聪明在哪？
来源:高科技与产业化 作者:苗韧 于松泰 陈润泽 2016/5/31
关键词:智慧能源 电网运行 售电侧改革
在能源生产与消费革命的大背景下，能源系统的运行方式、组织结构、利益格局都将面临深刻变化，新技术、新模式、新市场将应运而生。其中，智慧能源将是能源革命的重要支撑：运行层面，智慧能源能够深入挖掘能源系统效率提升空间，支持可再生能源大范围接入，保证系统安全稳定运行；机制层面，智慧能源技术通过精确计量等支持能源市场化改革，同时还能够支持需求侧响应、负荷量交易等新商业模式。考虑到目前智慧能源系统建设还处于初级阶段，明确智慧能源技术路线、阐明智慧能源产业发展途径对于智慧能源系统建成和发挥效益都有巨大的作用。
对于未来智慧能源系统的技术框架和具体功能，目前很多机构都已开展了广泛而深入的研究。各方共识是：在未来，通过信息技术在能源生产、转化、传输、储存、消费各环节的深入融合，能源系统运行将更加协调、高效。然而需要认识到，智慧能源体系十分复杂精细，建设和运营都需要很高成本。在目前能源信息化水平较低，能源系统各环节条块分离的条件下，从无到有地建设智慧能源技术体系，需要科学谋划和整体设计。
本文基于对能源系统和信息系统融合的基本认识，从发挥能源信息价值的角度，初步设计了构建智慧能源技术体系的主要途径。通过本文的相关分析，可以得到智慧能源产业建设的发展脉络和运行模式：能源生产、传输和消费者都可以按照相同的技术框架，分别部署智慧能源，然后按照一定的产品/服务规范和技术标准连接起来；而信息在智慧能源系统中的流动和共享，并依赖于一系列的商业模式和市场机制实现能源信息价值的兑现。
智慧能源系统=能源系统+信息系统
智慧能源系统就是能源系统与信息系统的深度耦合，依托信息技术来推进能源系统的高效和优化运行。鉴于能源系统和信息系统复杂性和各自运行规律，两个系统的耦合是系统工程，自上而下的顶层设计十分重要。
能源系统是能源生产和消费所有技术体系的总称，包括能源的生产、加工转换、传输配送、存储、终端消费等各个环节，是十分庞杂繁复的。目前，能源系统内部信息流动不够及时、通畅是能源系统面临的主要问题之一。这可能导致一系列问题。以电力系统为例说明：在电力系统内，发电企业发电机组出力要动态匹配负荷侧需求，这使得用电低谷时段发电机组发电效率低下，单位电量煤耗增加。如果能够将发电侧的信息传导到需求侧，切实推进需求侧响应，实现电网削峰填谷，则可以进一步提升电网运行效率。因而，能源系统迫切需要信息系统的支撑，实现系统内信息的有效互联。
有了信息系统的精准量测、互联互通、数据挖掘等不同类型功能的支持，能源系统运行将更加精细化、系统化、智能化，运行效率将得到进一步的提升，这会在系统内各个环节得到体现。在终端消费环节，用能企业能够依托信息化手段，通过用能对标、技术改造等手段，实现更加精细的用能管理；在传输环节，信息化系统将降低输电网络、天然气管网的网络传输损耗，切实提升系统稳定性；在加工转换环节，可通过有效捕捉热力需求，可以在热电联产过程中调整热电比，使能效达到最优；在生产环节，风电场等新能源也将在信息化条件下进一步提升发电小时数，火力发电厂通过与需求侧的互动，实现削峰填谷，提升设备使用率，同时信息化手段对煤矿里的安全生产等起到积极作用。
未来，智慧能源系统将在能源系统-信息系统-能源系统闭环结构下运行，这样的反馈结构使得系统更加高效。
积水成渊——罗织智慧能源的网络体系
从上面的分析可以看出，智慧能源系统将是一个十分复杂的系统。这一方面是因为能源系统和信息系统本身就十分复杂，两者的耦合更使得智慧能源系统复杂度急剧增加；另一方面也是由于智慧能源系统集成了多种功能和应用，还对接政府和能源市场，这使得智慧能源系统的运行变得繁复。智慧能源的复杂性，决定了从无到有的建设智慧能源系统需要高屋建瓴的顶层设计和细致全面的实施路径规划。
要建设这样一个复杂的系统绝非一蹴而就，需要多方通力合作，“独立建设，连接成网”将是智慧能源系统发展的必然路径。无论从投资层面，还是从执行层面上看，任何企业以及政府部门，都无法独自完成整个系统的建设。同时，由于不同的企业通过智慧能源系统获得的效益不同，企业的实际情况也各不相同，也难以通过统一投资的方式推进智慧能源系统的建设。智慧能源系统内，政府负责搭建统一的技术规范、市场平台等，而各个企业则依据自身的能源消费特点、能源管理需求，设计、实现满足自身需求的能源信息管理平台，在此基础上与外部对接，连成智慧能源网络。
在这样的发展模式下，智慧能源系统就需要一个通用的框架。推进智慧能源建设的初期，就要考虑连接成网的问题。如果缺乏统一的框架，那么不同的企业就难以对接：在技术层面，标准的缺乏使得信息的传输面临问题；在运行层面，功能不对接、框架不匹配会使得企业各自为政，难以组成网络框架。同时，统一的框架使得管理系统的标准化建设和运营成为可能，这将催生专门的智慧能源系统建设公司，在不同的企业内推广具有相同架构的子系统，从而在系统层面上避免重复建设，节约成本。
信息系统仍然存在一个具有普适性的基础架构。对照信息系统的基本功能需求，结合信息系统的运行逻辑，这个普适性的基础架构可以分为感知控制层、平台层和应用层等三个层次。
连接成网——智慧能源的网络化发展
从能源系统的分工角度来看，智慧能源体系中各个用户是立体分布的。然而，从信息化系统的角度而言，这些主体的分布却是高度扁平化的——他们都通过接入互联网而实现与外部的交互。因此，在设计智慧能源的体系框架时要遵循互联互通的基本原则，在实践中可借鉴互联网的发展思路。
在前文所介绍的智慧能源普适性架构下，可以预见各用户连接成网变得更加便捷和高效：系统可拓展性强，应用智慧能源系统可以满足用户不同的需求，其中诸如需求侧响应等功能需求必须与外界对接，用户有动力联网；系统架构和标准统一，不必专门开发与外部通信的模块，降低各用户的联网成本。因而，智慧能源系统内用户采用统一的架构是联网的重要基础，也是为了智慧能源网络落地生根的切实保障。
然而现阶段智慧能源的实践大多是面向个案的。智慧能源的互联特性通常不是项目用户和开发者的重点关注。考虑智慧能源连接成网切实的功能需求，智慧能源网络应具备以下特征：
接口开放
每个接入网络的智慧能源子系统应当将接口的开放以及交互协议的标准化考虑在设计中。接口的开放是基于功能定位的，例如，一个企业级能源管理系统应当开放其一级计量数据、污染物排放检测数据的访问接口，以便于政府和相关机构开展监管工作；若企业将其可中断负荷加入到当地的需求侧响应/管理项目中，企业的能源管理系统还要开放相应的负荷控制接口。
即插即用
即插即用是互联网的一个显著特征，任何一台互联网设备，只要接入网络，就可以方便的获取网络资源和网络中的其他设备实现交互。即插即用的基础除了上文提到的兼容性接口外，还有个体的自描述、自配置。也就是说，要建立一套通用的“语言”使得联网的个体能够自我明确自己的身份、基本特性和功能。
高效、安全的信息管理
智慧能源的联网应当关注数据量和信息安全。能源系统的数据是天量的，这些数据如果在未来都涌入互联网，产生的影响是难以预知的。一个经典的案例发生在电力系统中，电力调度目前使用的是专网，电力调度部门借助这一网络实现内部通讯，同时从各变电站、开关站获取量测数据，并通过这一网络下发控制指令。同时，智慧能源本质上是一个信息-物理耦合系统，一旦信息安全问题（信息系统故障，信息攻击等）直接或间接引起物理系统的安全问题，代价可能是极其高昂的。这些问题在学术界已经被广泛讨论，在智慧能源发展、能源系统信息化程度不断提高的环境下，也应当引起工业界和政策部门的高度重视。
结合分析，我们发现，智慧能源系统内的网络在结构设计、功能需求、运行逻辑上与现有的互联网具有非常高的相似性。以互联网架构为基础，描绘智慧能源网络架构如上图。
规圆矩方——智慧能源的规范化和标准化
构建智慧能源系统，本质上是将系统内无数的智慧体连接成网。前文梳理了这些子系统的框架，这为连网提供了必要的架构基础。然而，仅仅具有相似的框架是远远不够的，这些子系统能够有效对接、连接成网，还需要更多层面上实现标准化。
规范化和标准化不是一句空泛的口号，而要切实服务于智慧能源系统的运行，以支撑各智慧体有效对接。在智慧能源系统内，企业主要从四个方面彼此对接，标准化体系也主要服务于这四个方面：功能服务、层次模块、通信协议、市场机制。
功能服务，智慧能源体系内很多功能服务是多个智慧体对接实现的，诸如能源监管、财务统计等需要在统一的模式下进行；层次模块，承接智慧能源智能体框架设计，针对不同的层次进行更加细致的标准化；通信协议，通信是智慧能源信息传递的基础，不同智慧体之间的互联互通需要统一的信息格式、数据标准；市场机制，市场将是智慧能源系统内的重要组成，买卖报价、成交价格、期货价格等信息需要在同一标准下才能有效对接。
在上述四个层面上的规范化和标准化，将避免出现智慧能源成网过程中各智慧体无法对接的问题，从网络层面增强系统的可行性，降低系统的建设成本，这将是智慧能源体系落地生根中十分关键的一步。
智慧能源系统的运行机理和机制创新
价值创造是智慧能源系统运行的根本目标。智慧能源系统本质上是一个与物理系统紧密耦合、相互依存的信息系统，智慧能源系统的运行正是通过在价值目标的导向下驱动信息的合理流动来实现能源生产和消费的价值最大化的过程。因此，智慧能源系统的运行机理本质上就是能源信息的流动。通过分析能源系统信息流动的驱动力，可以将智慧能源系统运行模式归纳为运行驱动、交易驱动、监管驱动和辅助服务驱动等四大类。
未来智慧能源系统的运行依赖于一系列商业模式或典型应用驱动信息的流动，并通过信息采集、传输、分析、利用实现系统的功能。这个特点将随着能源市场化改革的不断推进而逐渐凸显。在市场化的环境下，能源的消费者和供应者还需要通过优化交易来实现自身利益的最大化。这就需要各个参与个体根据自身的用能特性和市场的供需特性做出策略性和竞价和生产活动安排。市场从各个参与者获取需求和供给信息，并在相应的制度安排下撮合交易，实现市场出清，并将价格信号反馈给各个参与者。这些价格信号一方面直接决定了参与者现金流，也指导了市场参与者改变行为，实现整个能源系统资源的优化配置。能源市场远比普通的商品市场要复杂，从时间尺度上看，分为年度、月度、周前、日前等各类前向市场以及不断刷新的实时市场，不同的市场对数据的及时性和可靠性要求不同；从标的物的角度，又分为实物市场和衍生市场；从参与者的类型来看，又分为上游市场和下游市场、大用户市场和终端消费市场等。这些市场的存在是为了充分挖掘能源的不同属性，匹配不同的市场安排以实现社会效益的最大化。市场不仅涉及竞价信息，还包括部分需求预测、供给预测数据，后两者还需要市场的组织者通过精细而可靠的模型计算或从第三方获取。此外，能源市场因为交易量庞大，参与者特征复杂，以及潜在的市场力因素，应当在监管部门的密切监视下运行。监管者一方面可以直接干预市场，另一方面也可以通过上述的行政管理渠道直接对相应的市场参与者实施监管。
需要特别指出的是，除了能源消费者、生产者、市场和监管部门外，以行业协会以及其他的能源服务提供商为代表的能源系统参与者则没有固定的运行模式形态。他们可以广泛收集能源系统中的公开数据，并进行行业调研，和能源系统的直接参与者开展双边合作，以建立具有附加价值的行业数据库。这些参与者的重要贡献是将综合性的能源信息转变为影响个体和行业决策的知识，并反馈到能源系统中，对整个能源系统起到了润滑和推动的作用。
在具有统一架构、连接成网的系统内，信息高效流通将催生诸多商业模式和典型应用，具体如下图所示：除了上述介绍的智慧能源运行模式外，还应注意智慧能源系统的运行模式不是固有的。随着智慧能源技术以及能源技术本身的进步、制度的改革、商业模式创新等等，智慧能源系统会不断呈现出新的运行模式。
在技术进步方面，需求侧管理/响应是近年来能源技术进步带来能源系统运行模式改变的典型案例。通过主动管理，需求侧也能够参与系统运行和市场交易，改善系统的供需匹配水平。这项技术的推广首先对需求侧的信息化程度提出了更高要求，另一方面也衍生出了需求侧管理平台、需求侧响应交易平台等信息化工具以及相应的运行模式。类似的技术进步还包括综合能源网络、储能、分布式电源等。
制度的变革往往会带来更为激烈的冲击。2014年，习近平总书记提出了要开展“能源生产与消费革命”，其中特别强调要“还原能源的商品属性”。这意味着我国将在未来一段时间内对包括电力、油气、煤炭、热力等在内的能源商品进行阶段化的市场化改革。其中售电侧改革引起了业界的集中关注；与此同时，面向电力大用户的双边市场也开始逐渐开放。这些制度变革不仅催生了新的系统角色，也颠覆了传统的运行模式。
制度的改革也伴随着活跃的商业模式创新，近年来，共享经济、互联网金融、P2P等商业模式在短时间内席卷了各个传统的商业领域，也同样会影响到能源市场，尤其是能源消费侧市场。新的商业模式的出现势必也会对智慧能源系统的运行模式提出新的要求。
结论
本文重点从宏观层面上关注智慧能源系统的建设和运行模式。通过本文的分析，可以看到，智慧能源系统建设过程中，能源生产、传输和消费者都将遵循“独立建设，连接成网”的原则，按照相同的技术框架，分别部署智慧能源，然后按照一定的产品/服务规范和技术标准连接起来；在智慧能源系统运行过程中，信息在智慧能源系统中的流动、共享和利用将是智慧能源运行的主要驱动力量，在智慧能源体系下信息价值得到充分开发和挖掘，并最终依赖于一系列的商业模式和市场机制实现能源信息价值兑现。