能源互联网综述研究

 刘晓明，牛新生，王佰淮，林济铿，张杰，汪湲

（1．国网山东省电力公司经济技术研究院，山东济南250021；

2．天津大学电气与自动化工程学院，天津  300072；

3．同济大学电子与信息工程学院，上海  201 804）

摘要：为了解决能源枯竭和环境污染问题，能源互联网这一新兴课题受到专家学者及政府部门的高度重视。首先对能源互联网进行了全面的综述及展望，阐述了能源互联网受到关注的原因及相关内涵、定义；其次，对围外、国内能源互联网研究现状做了全面的综述，并从能源互联网架构设计、能源互联网控制策略及能源互联网概念等方面进行了分类分析：最后，分析了能源互联网发展所面临的挑战及发展趋势。对能源互联网的研究进行了总结、概括，分析提出了能源互联网的研究的发展方向，可供未来能源互联网建设参考。

关键词：能源互联网；控制策略；能源危机：互联网；分布式能源；发展趋势及挑战

0引言

 随着经济的快速发展，人们牛活水平、生活质量的提高，能源需求（电力需求、燃气需求等）变得越来越重要。中国能源总储量比较多而人均占有量非常低：分布极不均衡：经济发展程度与能源供求关系极不协凋。此外，为解决环境污染及温室效应等问题，中围政府大力支持并鼓励开发、利用清洁能源。为实现分布式可再生能源的大规模利用并解决资源在空间上的分布不均衡问题，很多学者提出了微网技术、智能电网技术。随着分布式能源的多样化，分布式设备的海量化，能源分布的广域化，微网技术、智能电网技术呈现出“力不从心”的状态。如智能电网的物理实体为电力系统，未考虑电气化交通等系统的相关性：智能电网内能量流动主要为电能，而用户还需要热能、化学能等；智能电网对分布式电源采用局部消纳，难以实现分布式能源的大规模高效利用。有鉴于此，提出了能源互联网技术。

 美国政府提出了基于互联网技术及智能制造的制造业重振计划；德罔及欧盟等提出了以互联网及智能制造为核心的工业4.0计划等。李克强总理在2015年政府工作报告中提出了“互联网+”行动汁划。可以说．能源互联网技术是对于正处于方兴未艾快速发展的智能电网体系的整体提升及发展，以实现各种形式的能源生产、传输及消费的更加科学化和合理化。而且能源产业是社会生产及发展的支柱产业，其对于其他相关产业的发展影响巨大，冈此，能源互联网技术的发展被不少研究人员及专家学者看作引发第三次工业革命的核心技术。能源互联网的实现，需要技术创新支撑，政策机制的支持，应引起各国政府、地区及学者的协同合作及高度重视。

 鉴于上述缘由，本文对于能源互联网发展的原因．围内外发展状况进行全面和深入的综述，并对不同研究的侧重点进行了分类分析：进而指出其所面临的挑战问题，以期促进该研究领域的发展。

1  能源互联网定义讨论及其发展必然性

 能源互联网作为一新兴技术．在短时间内得到了较快发展。从RIFKIN J在《第三次工业革命中首次提出能源互联网概念和构想后，不少研究人员从各自关注角度提出了能源互联网技术的内涵和特点．但尚没有形成统一的内涵和定义。学者RIFKIN J认为能源互联网应具有以下内涵：实现不可再生能源向分布式可再生能源利用的转型：实现分布式可再生能源的大规模并网、高效利用：实现分布式储能装置（氢储能等）的大规模应用；以互联网技术为支撑．实现电力系统的升级改造：实现交通系统向电气化交通系统的转变。董朝阳、查亚兵及曹军威等认为能源互联网是以网络信息技术为支撑，以电力网络为核心，以风能、太阳能等分布式可再生能源大规模消纳为日的，实现电力网络、天然气网络、交通网络及信息网络的强联系、多种能量和多种网络的复杂系统。Alex Q Huang等提出能源互联网是具有即插即用接口、能源路由器及标准的开放性的操作系统的新一代的整合电力电子技术、通信技术的高效电力系统。

 从上述各种不同的能源互联网内涵及特点不难看出，能源互联网的实质是借助于互联网技术，实现一次能源系统、智能电网及智能交通网的紧密耦合，以达到能源生产及利用的科学化、可持续化及环保化。

 能源互联网受到广泛关注及热点研究的原因，大致可以归纳为5个方面：

 (1)能源危机急需提高能源利用效率。人类社会的快速发展，导致石油、煤炭等不可再生能源的消耗急剧增加和不可再生能源需求规模的持续扩大。而不可再生资源的总量有限，随着人类的不断利用，会日益减少使供求关系越来越紧张。因而提高能源的利用效率迫在眉睫。根据2013全球能源工业效率研究报告，能源平均利用效率仅为41.1%．各个国家的能源利用效率总体上并不高，有很大的挖掘空间以提高其利用效率。能源互联网可将能源的生产、制造、存储、运输等实现互联．最大限度地使资源得到最优配置和利用．实现其利用效率的显著提高，应对日益枯竭的化石能源。

 (2)环境污染问题促进能源结构调整。全球化石能源消费总量从1965年的51亿t标准煤增加到2013年的158亿t标准煤，半个世纪就增长了2倍多。大量化石能源在生产、运输、使用的各环节对空气、水质、土壤等造成越来越严重的污染和破坏。大多数发达同家都曾发生重大污染事件．发展中国家也面临日益突出的大气污染问题。中国煤炭占能源消费比重高达66%,高出世界平均水平37个百分点。煤炭的过度开采，导致地而下沉，耕地资源减少，地下水位下降，对生态系统造成恶劣影响。同时，中国燃烧煤炭等化石能源产生大量的二氧化硫、氮氧化物及烟尘，导致空气中细微颗粒物( PM2.5)的浓度严重超标，雾霾频发，对人们的生活产生极大的影响。虽然多数国家为解决环境污染问题已经制定了相应的减排机制，如欧盟的《碳排放权交易体系》，但节能减排任务仍然十分艰巨。依靠能源互联网技术，可实现水能、风能、太阳能等分布式可再生能源的大规模、高效率利用，进而实现能源结构的战略性调整，实现能源的可持续发展。

 (3)清洁替代和电能替代提出对能源互联网的需求。清洁能源替代、电能替代是缓解及彻底解决能源危机和环境污染的迄今最好的选择策略。刘振亚等认为实现人类社会的可持续发展必须加快推进在能源生产领域实现清洁替代和在能源消费领域实现电能替代（“两个替代”），并强调“两个替代”是解决人类能源危机和环境污染的根本之路。通过大规模建设及接纳可再生能源发电，并实现其“即插即用”，是实现电能生产清洁替代的最好策略：通过一次能源消耗的电能替代，如大规模发展电动汽车等，是实现降低甚至消除能源消费所产生的环境污染的最好措施，、而若要实现上述“两个替代”，必须实现一次能源系统、电力系统及交通系统的紧密耦合和良好互联。

 (4)大规模可再生能源的接入迫切需要能源互联网提供支撑。由于分布式能源的海量化、广域化，若实现其大规模、高效利用，并网则势在必行。同时可再生能源的问歇性、随机性等特点，如何实现其“即插即用”是实现其充分利用及可持续发展的关键。基于可预期时限内的大容量电能存储的困难，要实现以风、光等分布式可再生能源的“即插即用”，其有效的解决途径是利用互联网技术及市场规律．进行不同局部（或国家）电网与电网之间、电网与用户之间、不同用户之间、电网与交通网、电网与一次能源网之间的信息及物理的良好互联．则可在克服各种电能质量问题的前提下．实现把电能富裕区的电能有效地送到电能匮乏区．将富余电能转换成天然气（电制气技术．P2G）存储于一次能源网中，或通过交通网把富余的电能存储在大量的电动汽车电池上。

 风、光等可再生能源出力的问歇性、不稳定性、电能无法实现大容量的存储以及分布式可再生能源的大规模并网等问题，是智能电网发展的瓶颈．即单纯的智能电网是无法消纳及适应分布式可再生能源、分布式储能装置的大规模接入。而具有局域自治消纳和厂+域对等互联功能的能源互联网．可最大限度地动态适应分布式可再生能源、分布式储能装置的接人，实现分布式可再生能源、分布式储能装置的“即插即用”。

 (5)互联网技术的深度应用及发展成为能源互联网的技术支撑。互联网历经多年的发展，已经成为一项具有开放、互联、对等和共享的技术，其从形成之初的军事科研专用，至今已渗透到各行各业并成为其基本要素之一。互联网具有的特点，例如信息的随时随地接入与获取、基于局域网之问的规模化互联、互联网巾节点的对等特性以及方便灵活的信息分享机制等，与期望中的能源互联网所应有的特性非常接近，从而基于此可实现可再生分布式能源、储能设施及电动汽车等的“即插即用”及与电网的良好互动。通过以能源局域网为基本单位的不同规模、不同地区能源网络的对等互联，实现多种能源形式的灵活转换及基于信息的全局能量管理的调度及优化。

2能源互联网研究现状

 能源互联网技术研究是广受能源相关领域关注的热点、本文对国内外进展分别进行综述．并对其所研究的侧重点进行r分析，国外方而，美国学者(团体）主要侧重研究能源互联网的架构设计．德国学者（政府）侧重于研究能源互联网的支撑网络——信息通信网络，其他团体研究能源路南器、同态变压器及能源互联网的管理控制策略；罔内方面，学者们主要侧重于能源互联网的概念、架构、组成元件等研究。

2.1  国外研究现状

 能源关系着工业的发展和社会的进步，能源的变革，势必会对工业及社会产生深远影响。鉴于此，许多发达国家和机构，包括美国、德国及跨国公司纷纷投入了大笔资金．组织大批专家学者及研究团队对能源互联网进行了广泛的初始探索研究．但目前仍处于起步阶段。

2.1.1  美国能源互联网研究现状及实践

在美国，许多学者对能源互联网的研究主要侧重于能源互联网的架构（原型）设计。在NSF支持下，美国FREEDM研究巾心于2008年建立，以Alex Q Huang为代表的研究人员研发JFREEDM系统，该系统可实现分布式设备即插即用功能，并且被拟作为下一代电力系统一能源互联网的原型进行推广，如图1所示。在该系统中，用户可通过标准化的即插即用界面控制他们的能源需求，而这些能源由小型化、模块化的分布式可再生能源（太阳能、风能、电池、电动／燃料电池汽车）提供。这些小型模块南该系统的核心器件一能源路由器（又称智能能量管理装置）统一调度和管理：虽然各个终端的运行状态由终端本身控制，如光伏发电阵列的输出功率主要由板载最大功率点跟踪算法决定，但是能源路由器能够协调各个模块的正常运行及相互配合．实现能源的合理分配和利用。该系统的特点是：实现分布式可再生能源、分布式储能装置在任何时问、任何地点的即插即用功能：通过智能配电系统软件实现分布式能源、分布式储能装置和负荷的管理：通过固态变压器实现分布式能源、分布式储能装置和负荷的接入；拥有基础通信设施骨干网：拥有革新性的保护装置：智能故障隔离设备：具有自动从主电网隔离功能及孤岛运行能力，提高电力系统的效率。

 伯克利分校的研究团队设计了一种“以信息网络为中心的能源网络”架构，如图2所示。

其目的是通过结合智能传输协议及电能传输协议．并采用与集中式控制相异的分布式控制策略．实现对电量信息或电价信号的灵活响应。同时以信息的采集、传输和利用为重点，实现信息传输网络对整个配电网络的全覆盖，遍布各个区域，并以区域为主要界限划分子网．各个子网之间通过“智能电源开关(IPS)”进行通信。该团队将基于能源互联网思想的分布式储能技术应用于数据巾心．提出并实践了一套解决数据中心能量供应与能量消耗问题的措施．研究深度需求响应与供电量的相互影响机理．接着进一步拓展了这种智能负荷概念的应用范围。能源公司Stem开发r一种智能电池．将高密度锂离子电池与电力电子装置相结合，当布置在建筑物巾时，它以电价为依据在充电和放电两种状态中切换，降低了电能的使用成本。整个计算分析过程是靠大数据技术来实现的．这项技术成为能源互联网要求的智能分布式储能技术的典型代表。

2.1.2欧洲能源互联网研究现状及实践

 在欧洲，德国学者们对能源互联网的研究及其侧重点与美国的学者们不同，他们侧重于研究信息通信网络，、即利用信息通信网络收集信息，分析决策后指导能源网络的运行调度，以2008年德国联邦经济和技术部发起了一个名为“E-Energy”的技术创新促进计划最具有代表性。此计划从一开始的建设目标就并非局限于智能电网的发展，而是创建基于ICT技术（网络通信技术）的高效能源系统，为实现能源传输和消费的优化制定了信息流路径，且在整个能源供应体系中采用智能表计和智能预测系统用于实现数字化互联及计算机控制和监测。由此可见．此项设想即为以信息为导向的能源互联网的原型之一。E-Energy通过采用新型网络通信技术解决方案．可使能源系统从发电厂、电力传输，到电力分配、电力消费环节都实现相互贯通．形成具有全新结构和功能的综合电力信息网络。2013年．E-Energy总结大会在柏林召开，大会总结了在6个地区试点的能源互联网模型，其中分布式可再生能源、电动汽车、基于互联网的电力交易和服务平台贯穿了德国的六大能源互联网示范项目，并提出了E-Energy计划进一步在德国全面推广的宏伟计划。瑞士联邦理工学院的研究人员设计了一种称为“EnergyHub的信息中心和能量监控中心，它通过实时在线监测配电网巾各类电源供电量、储能装置的储电量、网络潮流分布以及对负荷进行超短期预测，从而实现对分布式电源、储能装置和受控负荷的协同管理及控制。“Energy Hub”的覆盖范围大至城市，小至家庭。“Energy Hub”本质上是一个广义的多端口网络节点，提供了分布式电源、储能装置与负荷的能量交换接口．可实现配电网的能量补偿、能量缓冲、能量变换、能量控制和能量储存，其输入端口的能量一部分来自于配电网的电能．另一部分来自于各分布式能源的不同形式的能量（电能、热能）。输出端口的能量一部分供给各种不同形式的用户（电／热、冷），另一部分以电能的形式反馈给配电网。

2.1.3其他团队的独立研究现状

 很多学者及独立研究团队对能源互联网的关键组成元件：能源路由器、固态变压器展开深入研究，同时也有学者对能源互联网的管理、控制模式（策略）等方面进行了深入研究。

 Yi Xu等认为未来电力系统必然会接人大量的分布式可再生能源，而分布式能源的大规模的接入主电网及实现电网的动态供需平衡，必须依靠能源路由器。基于此，作者从发、输、变、配、用等环节，详述了能源路由器在各环节的功能。并根据能源路由器安装在电网巾的位置（终端用户侧和电源侧）2个方面论述了能源路由器的功能，并对典型场景进行了叙述。在对能源路由器所涉及的电力电子技术、通信技术、智能配电技术详细论述后．对能源路由器的架构进行了设计，并将其划分为3个子模块：电力电子技术模块、通信模块及配电模块。最后．作者对能源路由器的通信模块进行了实验验证．并测算了通信延迟等数据，指出了未来能源互联网的研究方向：固态变压器控制器的研制、优化通信模块、缩短通信延迟及智能配电的深入研究。

Jianhua 2hang等旨在设计能够实现以下日标的能源互联网：设计一种新颖的能够允许多种分布式能源、负荷接入的能源路由器：开发一种开放性的规范．以便即插即用界面适用于多种通信技术，如Wifi，Zigbee，Ethernet及3G蜂窝技术：为能源路南器设计一种涵盖能源转换控制技术和能源管理系统的轻便的操作系统。并进一步分析了能源互联网有2个必不可少的部分：终端用户和能源路由器。同时没计了涵盖能源路由器、终端用户、ELAN (energy  local area network)的能源互联网模型．如图3所示、其中ELAN是指能源路由器连接多种终端用户（家庭用户、电动汽车、分布式可再生能源、储能装置）而组成的能源局域网．并且ELAN可以通过能源路由器与其他ELAN实现互联。进一步对具有多输入多输出功能的能源路由器的内涵、功能需求进行了详细分析，并设计了含有4个模块的能源路由器结构：系统控制共亨的操作系统、电网白适应模块、400 V可控直流母线、标准的即插即用接口。

 Dong Chen等提出了一种适合FREEDM系统的分布式的、自动的电能管理策略，此策略不需要与电网巾的所有设施进行通信．只需要利用本地的电压、频率作为与其相关设施实现通信的一种方式。同时在中压母线和分布式电源、分布式储能装置间采用白下而上、自上而下的循环控制方式．此控制策略可以满足FREEDM系统在任何一种模式下运行时都可以实现能量的智能管理。

 Wencong Suc等认为FREEDM系统为间歇性可再牛能源高渗透的接入主电网与新兴智能电网技术的协渊带来了曙光。作为一种未来自动、柔性的电力分配系统．FREEDM系统使用户可以充分的参与到自由化的电力市场中。用户不再仅仅是消费者，还可以通过运行、管理自己的分布式发电装置、分布式储能装置及不可分配的负荷而成为电能供应者。作者为自由化的电力市场设计了一种新颖的架构，并使能源互联网在居民配电系统中成为现实，、此架构通过允许用户最大化自己的收益及与其他用户间的竞争来实现灵活的电能分配．并采用博弈论实现自由化电力市场的纳什平衡。

 Lefteri H．Tsoukalas126-271等意识到现在的能源传输系统是以机组为中心且依靠严格的管理和控制来保持其稳定性。这样的模式难以获得最佳的效果，而未来的能源传输网络必须是高效的、高可靠性的。能源互联网通过利用信息技术的优势和以人为巾心的自动化技术来实现能源的智能分配和利用，以提高效率和可靠性。能量在能源互联网中的流动就像信息在因特网中流动一样，但它们最大的区别是：电能并不能像因特网中的数据那样作为其副产品大规模的存储，即能源互联网必须有储能装置。为Lr解决大规模的储能问题，作者提出了通过预测而实现“虚拟”储能的概念。具体地：利用内部设有用户消费模式、具有预测功能且能预测用户能源需求及能够接受实时电价信息并全权代理用户的智能电表，当电价合理时，智能电表就会代表客户购电：否则，将会智能的重新安排用电计划。一旦购电命令被售电方接受，此客户就被当作能源互联网中的一个真实的储能装置。作者进一步讨论了能源互联网的两个关键元素：预测功能和短期弹性机制。两者的结合使得能源节十约在能源互联网巾成为可能。进一步讨论了此构想的实现方法及原型，通过多方案代理机制形成了一种新的以人为中心的自动化架构，而此复杂系统需要经济学、法规、资源管理以及市场结构下的资金分配和风险管理等多学科的交叉融合。

 K.A. Corzine等在人们习惯于把能源互联网与因特网相提并论的启发下，提出了“能量包”的概念。“能量包”包括PCS为能源转换系统、ES为储能装置和PRM能源请求模块，当储能装置的电能不足时，由PRM通过通信链路提出能量请求。这种请求由于依赖于负荷和可再生能源，不具有周期性的特点。作者进一步设计了实现“能量包”传递的电路，并进行了仿真实验，验证了其可行性。

 对于能源互联网这一新的概念及发展方向，因其对能源领域的强大冲击力．以及对各种工业领域的影响．从而受到各国政府及研究人员的关注。可以看出，国外的相关研究人员及团队已经取得了一定的研究成果．但总体上讲尚处于研究的起步阶段。

2.2  国内能源互联网研究现状

 中国研究人员在国家电网的支持下，也对能源互联网这一新兴技术进行了研究及探索．纷纷成立了研究院及研究专题，如清华大学、浙汀大学等均拟成立能源互联网研究院，国家电网发起了能源互联网研究专题等。但总体上我国的能源互联网研究相比于国外而言，起步稍晚．但势头很好。曰前相关成果还较少，大多还处于起步、跟踪及相关概念的讨论阶段阶段。

 白建华等认为开发和利用分布式可再生能源是解决能源紧张、环境污染及气候变暖的重要手段。作者在计及分布式电源的间歇性、随机性等特点的情境下．建立了适应高比例可再生能源发展的新型电力规划及生产模拟模型．并针对未来中国实现高比例再牛能源的电源结构、跨区电力流动等开展了实证研究。

 查亚兵等从不同的视角：政府管理者视角、运行者视角及消费者视角等讨论了能源互联网应具有的特征：可再生、分布式、联起来、开放式及融进去。进一步讨论了能源互联网的功能结构，同时分析了能源互联网与其他电力系统相比所具有的关键特征。

 于慎航等从分布式可再生能源利用的角度阐述了能源互联网的内涵、特征等，并设计了基于分布式可再生能源发电的能源互联网系统。讨论了能源互联网系统的组成部分未来能源互联网的主要研究方向：控制策略、电力电子变流技术和储能技术等。

 黄如等提出利用信息技术对传统电网加以改造，将分布式可再生能源网络、信息通信网络进行高度融合．构建可再生能源互联网，实现分布式可再生能源跨区域、大范围的优化配置和高效利用，最终实现电网和信息网的变革。可再生能源互联网是由各种规模不同的分布式局域网组成．局域网问可实现电能流动的双向性及电能配置的高效性。作者进一步设计了固态变压器原理图、超级电容电池原理图及射频充电白供能原理图等．最后阐述了微电子技术在可再生能源互联网中应用所面临的难题、挑战、及发展趋势。

曹军威等探讨了以能源路由器为核心交换装置的能源互联网实现模型，从能源、通信、人性化和系统安全运行等方面阐述了能源路由器的内涵，同时设计了两层架构的能源路由器结构，如图4所示。

 刘宝龙等对能源互联网的核心部件——同态变压器的原理进行了详细分析，同时对实现同态变压器的几种关键技术如基于SiC新型宽禁带材料的研制、基于SiC的同态功率器件和同态变压器设计与实现、同态变压器的先进控制策略研究等进行了阐述。

 慈松等把能源互联网思维的分布式储能设计及其优化管理理论与技术引入数据巾心，总结了一套适用于分布式储能的大规模电池网络优化管理的理论与方法，该研究为能源互联网重要基础支撑一分布式储能技术的研究与应用提供了方法指导与技术支撑。

 周海明等研究了与未来能源资源约束条件和应用技术水平相匹配的能源供应与消费技术框架，用于满足未来提高可再生能源应用比例，减少环境污染等能源供用要求。相对于传统的能源供应体系，这种基于先进信息技术的“能源互联网”技术框架能够发挥能源综合应用和负荷侧互动技术优势，整体优化能源供给与消费，提高能源的整体利用效能。

 2015年3月21日，苏州协鑫工业应用研究院项目天然气分布式能源站成功并网发电。这标志着国内首个六位一体能源互联网项目正式投入运行。协鑫“六位一体”能源互联网的核心技术综合应用光伏、天然气热电冷联产、风能、低位热能、LED、储能系统6种能源系统，有机结合组成微能源网，满足用户的多种能源需求。该能源网能在单体建筑中实现智能化、网络化的区域能源生产、计量、调度、控制和风险管理，提供能源管理服务，为消费者提供多重能源保障，比传统能源系统利用效率提升40%以上。与此同时，协鑫集团利用天然气，太阳能、风能、生物质能、地热能等多种清洁能源技术，通过智能化控制系统、储能系统，将各种绿色能源有机结合，构建区域型微型能源网，满足商场、住宅、医院、学校、工厂等不同用户的冷、热、电需求。

3能源互联网面临的挑战及发展趋势

 能源互联网技术及研究从总体上而言，尚处于起步及探索阶段。能源互联网技术要得到全面的深化及推广，还面临着诸多问题和挑战。

3.1  适应不同类型分布式电源和其他能源终端的新型配网形态设计

作为电网的终端，分布式可再生电源、分布式电能存储设备以及负荷通过配电网实现互联。如何根据各种负荷的特性，分布式电源特性和用户、设备及电网之间的良好互动等，如不同电压等级容量的交直流负荷共存，不同随机特性及运行特性差异很大的分布式能源共存，用户、设备及电网之间的无间隙的互动及反馈等，确定最佳的配网结构形态、运行形态、控制形态、设备形态及信息安全形态等，如图5所示，并制定出其科学合理的设计规范，是能源互联网需要克服的难题之一。

 结构形态方面，能源互联网中的配电网将面对大规模多种分散能源和储能装置的接入以及电动汽车、智能家居等柔性负荷的规模化应用，为了保证配电网络规划的经济性和合理性，针对配电网的结构形态规划设计方法的提出是研究配电网新型结构形态的关键。可以通过当前的设计规范，分别设计纯交流供电、纯直流供电以及交直流混合供电3种网络结构形态，然后根据配电网的分布式电源数量、性质、电动汽车并网量和并网位置，以及不同负荷性质（直流、交流）的种类和比例，对其从技术可行性进行校核，包括短路电流、节点电压、线路负载率、网损、谐波含量、可靠性指标、保护方案等，若出现不满足情况，则采取相应措施，包括添加滤波设备、变换线路／电缆类型及长度、添加或减少变电母线以及添加或减少储能设备等方式进行相应参数及结构的调整，使其满足要求。最后得到在技术上满足要求的数个方案。进而采用如基于DEA/AHP等评估方法进行综合效益和技术经济评估，确定其最佳的供电模式和网络结构。

 运行形态方面，包括大量分散电源、多微网、可控负荷、电动汽车等相适应的配网运行方法，如分布式电源协调调度、考虑电动汽车充放电的负荷供电优化、配网故障恢复和白愈等，将成为研究的热点；配电网的交直流混合供电、多微网、虚拟电厂、能效电厂和充电站／充电桩等，均对配电网的安伞，可靠运行起着重要的影响。其每一没备、子系统、子模块乃至系统的运行，均反应于系统的系统信息，以及设备、子系统、子系统模型本身等的信息，、在此场景下，配网CPS理应成为其运行、控制及协调的技术支撑。研究适应交直流混合供电、多微网、虚拟电厂、能效电厂和充电站／充电桩之问协调共存和有序发展的配网CPS系统．将从根本上．解决配电网运行形态中的问题。

 控制形态层而，由于大量分布式电源、微网、虚拟电厂、电动汽车、智能设备等控制对象的出现，传统的集中式控制方式已经无法满足要求，因此需要研究应对未来配电网控制对象的分层、分敞、分布式控制策略。

 没备形态方面，配电网中的设备形态应是智能化自治设备，或称之为子系统，它既能反应于本身的状态，又反应于周围、环境及系统信息。这些设备是信息与物理过程的深度融合．可以采用嵌入式系统设计方法实现对设备本身的可靠性、安全性和隐私性进行控制，采用冗余技术设计并反应于配网CPS统一的时间标志信息、设备本身信息、系统信息，包括自动重组和重配置，以及若某个电气设备的当前通信元件发生故障，则自动启用备用通信元件，并通知控制中心等。

 信息安全形态方面，能源互联网的目的是协调广域内海量能量生产与消耗设备．而配电网是能源互联网的重要组成元素。信息在各种设备之间的有效双向传递是实现协调的基础。因此，必须深入研究信息系统的信息质量对物理系统性能的影响，从完整性、准确性和及时性等方面对信息质量进行评估，从而确保配电网的信息安全。此外．需要对信息系统和物理系统2方面进行安全性分析，确保配电网的安全可靠运行。

3.2大功率能源路由器制造及电能质量控制和能源储存及优化

 能源路由器是能源互联网中的核心部件．能源路由器必须保证用户侧的电能质量、热能质量在规定水平；确保电能、热能的合理流动，实现能量供给与能量需求的一一对应：实时跟踪能源流的质量变化．实时控制能源流的安全流动，能源路由器把分布式电源、储能装置和可控负荷等设备接入形成能源局域网．能源局域网再通过能源路由器进行互联形成能源互联网．

 为保证能源流的适时、安全、可靠流动，能源路由器必须具备能源供应及能源需求预测、及时调整能源流动方向和数量的功能。因此，大功率兆瓦级的大型及超大型的路由器的研发，以满足对于大功率电能的灵活控制及变换．是能源互联网技术发展的关键、相应对电力电子器件及控制技术提出了挑战。

3.3-次能源网络、二次能源网络及交通网络的联合规划

 近些年中国夏季供电高峰季节出现了电荒问题，使人们深刻认识到能源生产、能源网络（天然气网络、电气化交通网络）结构和输电网络传输容量在保障电力正常供应上的重要性．任何一个环节出现瓶颈问题，都会带米负面的影响。因此，需要进行一次能源，二次能源及交通网络等的联合规划，这样才有可能实现能源在广域的优化生产、传输及利用，并实现可冉生能源的大规模消纳。联合规划的核心思想是将一次能源网络、输电网络和交通网进行统一协调规划。联合规划问题在数学E可以抽象成一个多阶段混合整数非线性规划模型。优化目标采用最小化一次能源网络、输电网络和交通网等3个系统的投资成本与运行成本之和。其约束除了各自网络的白有特性约束之外，还要考虑其耦合约束等。

 该模型非常复杂，为超大型非线性混合整数规划问题．直接求解计算量非常大．甚至无法求解。可以采用各种求解策略．实现模型的降维及快速求解。

3.4  能源互联网的物理安全和信息安全问题

 能源互联网的诸多功能和应用需要依托信息通信系统才能实现，而且能源互联网是一个复杂大规模的信息一物理系统(CPS)。能源互联网的开放、兼容和互联，必然伴随着风险、各种人为破坏以及敌对分子的恐怖攻击：在此场景下，仍须确保其安全性、完整性和可用性。

 对能源互联网的恐怖攻击可以分为物理攻击和数字攻击．其巾物理攻击是直接对能源互联网中的一次能源网络、二次网络、交通网络以及各自网络的耦合部分等进行攻击：而数字攻击是直接对信息系统进行攻击．包括篡改和伪造信息，使相关信息失真而影响能源互联网运行人员的决策，严重扰乱能源互联网的正常运行．无论采用哪种攻击手段，从恐怖分子的角度来看，必然是尽可能在有限资源利用的条件下采用最小投入和对最小范围的攻击来实现最大的破坏．属于主动性问题：而能源互联网调度员是在攻击后通过采取相应的措施来尽量减小能源互联网的危害，同时也需要采取有效措施减小攻击对一次能源网络、二次能源网络以及交通网络的破坏，属于被动性问题。

 对于物理攻击．能源互联网的恐怖攻击问题可以用一个双层混合整数非线性规划的问题来描述。在双层模型中，外层是在攻击者攻击如输电线路和能源传输管线成本一定的前提下最大化对能源互联网造成的损失，是一个0-1组合问题，内层是一个以实现切机切负荷的成本最少同时保证系统能量损耗最少和能源供应缺失量最小的多目标非线性优化问题。而对如此大规模的非线性、混合整数多目标优化问题，现有的求解算法速度和精度都无法满足要求，亟待研究适应于该模型的求解策略和优化算法。

 对于数字攻击．除r加强防火墙技术．及时修复能源互联网络的安全漏洞外，可以通过能源互联网状态估计技术辨识错误的信息，实现错误信息的准确修正。但当关键信息被攻击或者某一范围内的信息大面积被攻击时，现有状态估计方法往往存在较大的误辨识和漏辨识情况，并且对于信息的判断结果通常是非对即错，使得对大面积攻击信息的状态估计不可观。通过基于多维核密度估计方法．对不同的信息采用不同的核带宽，并在迭代估计过程中对核带宽进行白适应修正，减少错误信息的带宽．从而实现可疑信息的辨识和修正．避免非对即错导致的不可观问题。

3.5信息通信系统对能源互联网的影响研究

 在能源互联网中，信息通信系统起到统筹及支撑的作用。其包含的电力系统、电气化交通系统及燃料供给网络的协同控制的实现，需要信息通信系统的全而配合、协调及控制。因此，实现信息通信系统的安全可靠运行．减少甚至避免信息通信系统故障．对能源互联网而言至关重要。

 信息通信系统故障，包括通信延迟、数据丢失、通信设备故障等，都将对能源互联网的可靠性带来不利影响。可参照电力系统可靠性分析，从确定性和随机性2个角度对信息通信系统的可靠性进行分析。

 对于确定性的可靠性分析．采用“N-l”准则，随机移出一台路由器、通信线路等，然后判断信息通信系统中的信息流的延时和数据丢失率等情况。当能源互联网中设备（能源牛产、传输、消费设备）的控制信号的传输延时或数据丢失率超过阈值，则认为其失去控制，则将该设备移除，计算总体的能源供应缺失量等指标。

 对信息通信系统的随机性的可靠性分析，首先基于信息通信系统各设备的历史数据统计获得其通信故障的概率分布模型。在此基础上，采用蒙特卡洛抽样方法模拟各种通信故障．再采用确定性的可靠性分析方法的思路计算总体的能源供应缺失量等指标。

4结语

 能源互联网作为第三次工业革命的核心技术，借助于互联网及信息技术为支撑，实现一次能源网络、电力系统及交通网络的紧密耦合和直接互联，从而实现能源在大范围的优化生产、优化传输及优化利用．以实现能源利用效率的最大化和科学化，实现能源生产及消费的可持续化和环保化。由于能源产业在国民经济及社会发展中的支柱地位，随着能源互联网技术研究的深入、成熟及推广应用，必将引起整个工业系统的深度变革．其影响深远。

 目前，应该说国内外研究的差距并不大，对于中国的能源领域来说，是一极好的机会．经过全面深入的研究及发展．非常有机会实观对于国外技术的全面赶超并处于国际领先地位．本着这一目的，本文在分析国内外研究现状的基础上，对能源互联网所而临的挑战及发展趋势进行了详细分析。为此，笔者愿与有志于深入开展能源互联网研究的同仁协作探索。