摘要：區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種新的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，可增加能源互聯(lián)網(wǎng)中多利益主體的相互信任，其去中心化、公開、透明等特性與能源互聯(lián)網(wǎng)的理念相符，并且在能源領(lǐng)域獲得了越來越多的關(guān)注。虛擬電廠是一種通過先進(jìn)信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)DG、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動(dòng)汽車等DER的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，以作為一個(gè)特殊電廠參與電力市場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)，在歐美國家已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?。在解決由新能源的分散性所帶來的發(fā)電量不可控的問題上，利用信息技術(shù)可以將分散的新能源發(fā)電單元協(xié)調(diào)組織起來，形成一個(gè)大型的虛擬電場(chǎng)。

01全球能源數(shù)字化技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命加速興起，“大云物智移鏈”等數(shù)字化技術(shù)與能源產(chǎn)業(yè)有機(jī)相融，成為引領(lǐng)能源產(chǎn)業(yè)變革、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的源動(dòng)力。目前，世界各國紛紛采取措施，推動(dòng)數(shù)字化進(jìn)程，將大數(shù)據(jù)分析及機(jī)器學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈、分布式能源管理和云計(jì)算等數(shù)字技術(shù)，應(yīng)用到能源生產(chǎn)、輸送、交易、消費(fèi)及監(jiān)管等各個(gè)環(huán)節(jié)。能源和資源數(shù)字化后，將得以智能化分配，并明確如何能夠在合適的時(shí)間、合適的地點(diǎn)以最低的成本提供能源，效率得到大幅提升。

根據(jù)IEA《數(shù)字化和能源》預(yù)測(cè)，數(shù)字技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用將使油氣生產(chǎn)成本減少10%～20%，使全球油氣技術(shù)可采儲(chǔ)量提高5%，頁巖氣有望獲得最大收益。僅在歐盟，增加存儲(chǔ)和數(shù)字化需求響應(yīng)就可以在2040年將太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的棄電率從7%降至1.6%，從而到2040年避免3000萬噸二氧化碳排放。與此同時(shí)，數(shù)字化還可以使碳捕獲和儲(chǔ)存等特定的清潔能源技術(shù)受益。

2018年全球能源數(shù)字化技術(shù)涵蓋了油氣勘探開發(fā)、加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)存，能源分配，廢物利用、能源貿(mào)易等環(huán)節(jié)，這些技術(shù)達(dá)到了優(yōu)化生產(chǎn)、提高能源供應(yīng)可靠性和提升能源安全性的目的。

2018年全球能源領(lǐng)域數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用情況


數(shù)字化可以管理更復(fù)雜的能源系統(tǒng)，有助于開發(fā)各種新技術(shù)。數(shù)字化是能源的發(fā)展趨勢(shì)，未來規(guī)模更大。根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)（BNEF）的數(shù)據(jù)，數(shù)字技術(shù)在能源領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，2017年的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到520億美元，約占全球數(shù)字技術(shù)應(yīng)用市場(chǎng)的44%。在這520億美元中，有46%（240億美元）用于化石能源電廠的運(yùn)行管理（如傳感器、數(shù)字采集和解析以提高電廠效率），35%用于智能電表（180億美元）。從現(xiàn)在起到2025年，能源數(shù)字技術(shù)的智能化會(huì)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，預(yù)計(jì)到2025年，全球能源領(lǐng)域的數(shù)字化市場(chǎng)規(guī)模將增長到640億美元，該數(shù)字技術(shù)應(yīng)用包括大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)/人工智能、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等。其中，電網(wǎng)自動(dòng)化預(yù)計(jì)將占100億美元，家庭用能系統(tǒng)的規(guī)模也將達(dá)到110億美元，超過風(fēng)電光伏運(yùn)行以及間歇性接入60億美元的市場(chǎng)規(guī)模。

02國外能源數(shù)字化技術(shù)典型應(yīng)用

隨著大數(shù)據(jù)與人工智能、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)和信息通信等技術(shù)在能源領(lǐng)域的深入應(yīng)用，全球能源領(lǐng)域的科技創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，實(shí)踐應(yīng)用變得更加多元化，本文精選了國外能源數(shù)字化技術(shù)的典型應(yīng)用及案例，供參考。

（一）大數(shù)據(jù)與人工智能實(shí)現(xiàn)智能分析與運(yùn)營

大數(shù)據(jù)與人工智能可以實(shí)現(xiàn)能源流的智能分析與管理，通過收集大量有關(guān)天氣、環(huán)境、大氣條件以及新能源電站和電網(wǎng)運(yùn)行情況的數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)模型，解決能源流的預(yù)測(cè)和管理問題，確保供需始終處于均衡狀態(tài)，以便實(shí)時(shí)匹配空間和時(shí)間的需求變化。在歐美國家，一些大數(shù)據(jù)公司已經(jīng)將電力企業(yè)大量、龐雜、無序的智能儀表數(shù)據(jù)與天氣數(shù)據(jù)、建筑物信息等結(jié)合起來，經(jīng)過深度分析挖掘后，實(shí)現(xiàn)商業(yè)智能分析，從而輔助管理人員進(jìn)行決策，對(duì)生產(chǎn)業(yè)務(wù)進(jìn)行智能調(diào)控。德國E.ON電力公司基于大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)用電查詢，除了能夠監(jiān)測(cè)電網(wǎng)狀態(tài)和測(cè)量用戶用電，還可將歷史24個(gè)月電表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并加密保護(hù)，提供實(shí)時(shí)用電消費(fèi)計(jì)算及實(shí)時(shí)查詢。英國國家電網(wǎng)公司完成了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)測(cè)量設(shè)備資產(chǎn)信息、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、天氣信息、腐蝕速率等相關(guān)信息，并實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)戰(zhàn)略管理。加拿大BCHydro公司基于大數(shù)據(jù)的用戶行為分析，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)用電消費(fèi)計(jì)算及呈現(xiàn)，客戶用電模式分析及呈現(xiàn)，用電斷供通知以及快速恢復(fù)，竊電檢測(cè)及節(jié)能管理。

目前，具備信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智慧工廠等智能制造正在引領(lǐng)能源領(lǐng)域制造方式的變革。其中，通過智慧電廠的建設(shè)可以建立現(xiàn)代能源電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全、高效、綠色、低碳的發(fā)電，其特點(diǎn)表現(xiàn)為生產(chǎn)過程可以自主優(yōu)化，相關(guān)系統(tǒng)能夠采集、分析、判斷和規(guī)劃自身行為，智能地在線動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置設(shè)備及其參數(shù)。例如以色列初創(chuàng)公司Raycatch利用人工智能技術(shù)進(jìn)行太陽能發(fā)電廠的管理與運(yùn)營。該公司推出了基于AI的診斷和優(yōu)化解決方案，可獲取并分析太陽能發(fā)電廠所有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)日常管理進(jìn)行優(yōu)化和指導(dǎo)。該公司目前在全球范圍內(nèi)管理著約1吉瓦的光伏項(xiàng)目，覆蓋35000個(gè)逆變器和400萬塊控制面板，客戶包括Enlight、ARAVA POWER、EDF、通用電氣等大型公司。

（二）區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源共享

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種新的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，可增加能源互聯(lián)網(wǎng)中多利益主體的相互信任，其去中心化、公開、透明等特性與能源互聯(lián)網(wǎng)的理念相符，并且在能源領(lǐng)域獲得了越來越多的關(guān)注。根據(jù)美國能源咨詢公司Indigo Advisory的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在能源領(lǐng)域使用區(qū)塊鏈技術(shù)的案例總數(shù)已超過100個(gè)，其中40%為分布式發(fā)電，20%為電網(wǎng)管理和電動(dòng)汽車充電，另外10%為能源基礎(chǔ)設(shè)施和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接。分布式能源共享模式是目前區(qū)塊鏈在能源行業(yè)的主要應(yīng)用場(chǎng)景，區(qū)塊鏈的去中心化和分布式特點(diǎn)，可以大幅度降低電力的交易成本，提升交易效率，同時(shí)為社區(qū)、城市及其他地區(qū)的能源交易奠定基礎(chǔ)。

瑞典國營電力公司大瀑布電力（VattenFall）投資了荷蘭阿姆斯特丹的初創(chuàng)公司（PowerPeers），在當(dāng)?shù)貥?gòu)建數(shù)字化、互動(dòng)式的能源區(qū)塊鏈平臺(tái)，PowerPeers不僅可以通過連接荷蘭數(shù)家太陽能、風(fēng)力與水力發(fā)電企業(yè)，讓社區(qū)的住戶自由選擇電力供給渠道，組成自己的能源社區(qū)；同時(shí)可以讓社區(qū)的住戶分享或交易他們多余的太陽能電力。也就是說，PowerPeers的區(qū)塊鏈平臺(tái)并不只是讓住戶直接進(jìn)行電力的交易，還能夠強(qiáng)化使用者之間的交流，透過PowerPeers，消費(fèi)者可以輕松的邀請(qǐng)他人來使用自己生產(chǎn)的電力，消費(fèi)者可以自由的選擇要購買哪些人的電力，同時(shí)他自己也可以成為一個(gè)生產(chǎn)者。

另外一個(gè)是基于區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)的充電樁共享經(jīng)濟(jì)模式，這種模式能夠解決多家充電公司支付協(xié)議復(fù)雜、支付方式不統(tǒng)一、充電樁相對(duì)稀缺、充電費(fèi)用計(jì)量不精準(zhǔn)等問題。該區(qū)塊鏈的組成節(jié)點(diǎn)包括多個(gè)運(yùn)營商運(yùn)營的充電樁、交易平臺(tái)、運(yùn)營商節(jié)點(diǎn)和充電車輛。例如德國能源巨頭Innogy和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)企業(yè)Slock.it合作推出基于區(qū)塊鏈的電動(dòng)汽車點(diǎn)對(duì)點(diǎn)充電項(xiàng)目。用戶無需與電力公司簽訂任何供電合同，只需在智能手機(jī)上安裝Share&Charge APP，并完成用戶驗(yàn)證，即可在Innogy廣布?xì)W洲的充電樁上進(jìn)行充電，電價(jià)由后臺(tái)程序自動(dòng)根據(jù)當(dāng)時(shí)與當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)負(fù)荷情況實(shí)時(shí)確定。由于采用了區(qū)塊鏈技術(shù)，整個(gè)充電和電價(jià)優(yōu)化過程是完全可追溯和可查詢的，因此極大地降低了信任成本。需要充電時(shí)，從APP中找到附近可用的充電站，按照智能合約中的價(jià)格付款給充電站主人。不過，這種收費(fèi)方式目前還沒有得到普及，即使在德國，以太坊錢包只是一部分人的選擇。

（三）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備互聯(lián)、聯(lián)通

華為預(yù)測(cè)，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量將接近1000億個(gè)，每小時(shí)將有200萬個(gè)傳感器被部署；且55%的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將集中在工商業(yè)領(lǐng)域，如智能電網(wǎng)、智能制造、智慧城市等。

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)在能源行業(yè)的應(yīng)用主要集中在智能電網(wǎng)、智能家居、智慧能源管理系統(tǒng)、智能合約（智能電表）和智慧能源環(huán)保等方面。而智能電表是物聯(lián)網(wǎng)流行的應(yīng)用之一，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、監(jiān)測(cè)，提升利用效率，減少能源損耗等?？梢怨?jié)省運(yùn)營成本，能夠快速、準(zhǔn)確地收集電力消耗的數(shù)據(jù)。

歐盟委員會(huì)提出，到2020年，歐洲80%的家庭必須安裝智能電表。美國、德國等發(fā)達(dá)國家正在積極安裝智能電表，這是因?yàn)橹悄茈姳淼牟渴饘⒏纳葡蛳M(fèi)者提供的公用事業(yè)服務(wù)，同時(shí)也將幫助政府實(shí)現(xiàn)能效目標(biāo)并減少碳排放。“德國高科技策略”2006年頒布并實(shí)施，然而這一政策不斷更新變化。德國智能基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模發(fā)展始于2016年，當(dāng)時(shí)采用的德國能源數(shù)字化法案，其主要目的是向分布式數(shù)字電網(wǎng)過渡。2014年，德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部計(jì)算出，使用智能電網(wǎng)可以將該國的電力傳輸成本降低40%。

日本東京電力公司委托瑞士電表廠商Landis+Gyr架設(shè)的智能電網(wǎng)已是目前全世界規(guī)模最大的公用事業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程，這項(xiàng)電網(wǎng)工程預(yù)定于2020年完工。負(fù)責(zé)架設(shè)東京電力公司智能電網(wǎng)工程的Landis+Gyr目前已完成1000萬套智能電表與裝置的安裝。當(dāng)電網(wǎng)部署完成后，將涵蓋超過2700萬套電表以及其他物聯(lián)網(wǎng)裝置。這套電網(wǎng)系統(tǒng)使用了Landis+Gyr的IPv6多重技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，并透過RFMesh、G3PLC以及蜂巢式網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)所提供的Wi-SUN聯(lián)機(jī)，連接公用事業(yè)及消費(fèi)者裝置。目前東京電力公司智能電網(wǎng)每天可傳輸5.13億筆讀取數(shù)據(jù)，并且還在向13億筆的目標(biāo)邁進(jìn)，而這所有的信息都會(huì)通過Landis+Gyr的前端（head-end）系統(tǒng)以及電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理解決方案進(jìn)行處理。

（四）信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)分散電源的協(xié)調(diào)和管理

虛擬電廠是一種通過先進(jìn)信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)DG、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動(dòng)汽車等DER的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，以作為一個(gè)特殊電廠參與電力市場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)，在歐美國家已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒臁?br />
基于虛擬電廠的理論研究，國外相繼開展了一系列虛擬電廠工程示范項(xiàng)目。2005～2009年，在歐盟第6框架計(jì)劃下，由來自歐盟8個(gè)國家的20個(gè)研究機(jī)構(gòu)和組織合作實(shí)施和開展了FENIX項(xiàng)目，旨在將大量的分布式電源聚合成虛擬電廠并使未來歐盟的供電系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性、安全性和可持續(xù)性。

在解決由新能源的分散性所帶來的發(fā)電量不可控的問題上，利用信息技術(shù)可以將分散的新能源發(fā)電單元協(xié)調(diào)組織起來，形成一個(gè)大型的虛擬電場(chǎng)。德國初創(chuàng)公司Next Kraftwerke運(yùn)營著一個(gè)集中控制的“虛擬發(fā)電廠”，目前已經(jīng)接入4000多個(gè)新能源發(fā)電單元，總體發(fā)電功率已經(jīng)達(dá)到2.7吉瓦，相當(dāng)于幾個(gè)核電站。其運(yùn)行模式是在每個(gè)發(fā)電單元上安裝一個(gè)叫作“Next Box”的通信和控制組件，Next Box通過一個(gè)專門的加密GPRS（通用分組無線服務(wù)）信道與中央服務(wù)器相連，一方面將發(fā)電單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到中央服務(wù)器，另一方面接收服務(wù)器的控制指令，這樣就可以對(duì)電網(wǎng)以及電力市場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)。2017年Next公司三分之一的股份被荷蘭公用事業(yè)公司Eneco收購。Eneco公司正在為虛擬發(fā)電廠開發(fā)家用電池網(wǎng)絡(luò)，采用CrowdNett家用電池產(chǎn)品平臺(tái)，此平臺(tái)可以作為一個(gè)基于云計(jì)算的虛擬電廠管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將其太陽能優(yōu)化器和逆變器機(jī)群變成分布式能源控制平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)。

03結(jié)語

近年來，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字信息技術(shù)得到迅猛發(fā)展，能源數(shù)字技術(shù)成為引領(lǐng)能源產(chǎn)業(yè)變革、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的源動(dòng)力，綜觀國際能源數(shù)字化格局，能源將逐步向低碳化、清潔化、分散化和智能化轉(zhuǎn)型。對(duì)此，歐盟、美國、日本都提出了高比例發(fā)展非化石能源的戰(zhàn)略目標(biāo)，大力發(fā)展低碳能源領(lǐng)域的新材料、新工藝、新技術(shù)，特別是與信息技術(shù)與數(shù)字技術(shù)的深度融合，搶占未來能源科技的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。例如在歐盟科研創(chuàng)新資助計(jì)劃“地平線2020”2018～2020年度支出方案中，“低碳和適應(yīng)氣候變化的未來”領(lǐng)域?qū)@33億歐元預(yù)算，按年度工作計(jì)劃，可再生能源、能效建筑、電動(dòng)運(yùn)輸和儲(chǔ)存方案4個(gè)清潔能源領(lǐng)域的項(xiàng)目將獲22億歐元撥款。英國投入2800萬英鎊資助可再生能源創(chuàng)新、低碳工業(yè)創(chuàng)新、核能創(chuàng)新等能源創(chuàng)新項(xiàng)目，作為能源創(chuàng)新計(jì)劃(2016～2021年)的一部分。

隨著數(shù)字化技術(shù)與能源行業(yè)的高度融合，能源發(fā)展也日趨分散化和智能化。智能化發(fā)展可以基于海量大數(shù)據(jù)分析和人工智能為能源行業(yè)提供技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和有價(jià)值的信息，大幅提高能源各領(lǐng)域的效率、降低成本，提高能源行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。例如，在石油勘探領(lǐng)域智能機(jī)器人的應(yīng)用，將解禁全球之前大量無法開采或者高成本開采的油氣田，全球能源可開采量將發(fā)生巨大變化。同時(shí)，智能化電網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展將可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析、分配和決策等，實(shí)現(xiàn)電力分配、使用的效率最大化。

此外，分布式能源具有利用效率高、環(huán)境負(fù)面影響小、經(jīng)濟(jì)效益好以及功能可靠性高等特點(diǎn)，是未來能源發(fā)展的重要方向，將在電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。特別是發(fā)展移動(dòng)（或固定）分布式的低碳能源網(wǎng)絡(luò)，如建筑、人、車、包等既是能源的消耗者，又可成為能源的生產(chǎn)者，與集中式的智能能源網(wǎng)（集成電、熱、冷、水、氣象網(wǎng)）結(jié)合并互動(dòng)，以大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)管理，實(shí)現(xiàn)橫向的多能互補(bǔ)與縱向的“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)—用”優(yōu)化結(jié)合，提供多樣化的電能服務(wù)并提高能源利用的綜合效率。