, 陈启鑫 4 1.清华大学 电子工程系, 北京 100084;
2.国家计算机网络应急技术处理协调中心, 北京 100029;
3.中国互联网协会, 北京市 100086;
4.清华大学 电机工程与应用电子技术系, 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室, 北京 100084
收稿日期: 2016-03-23
作者简介: 施陈博(1984-),男,博士后
通讯作者: 苗权,中级工程师,E-mail:miaoq@tsinghua.org.cn
摘要：基于互联网的新技术、新模式的快速发展，对可再生能源的开发利用具有积极影响。以能源互联网为核心的第三次工业革命开始兴起，通过以信息、通信和传感技术为代表的信息物理系统（cyber physical system，CPS）与以电力技术为代表的能源系统深度融合，促进分布式可再生能源的充分利用与共享。在之前的能源互联网研究中，对于信息物理系统与能源领域的融合较少探讨。在此背景下，该文从CPS的概念出发，阐述能源互联网的技术体系与技术特征，围绕能源生产、传输、存储和分享深入探讨互联网与能源系统的融合，对基于CPS的能源互联网应用前景进行研究，分析制约其发展的困难与挑战，并提出发展建议。
关键词： 信息物理系统 能源互联网 技术体系
Key technology and application of the energy internet based on cyber physical systems
SHI Chenbo1, MIAO Quan2,3
, CHEN Qixin41.Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2.National Computer Network Emergency Response Technical Team/Coordination Center of China, Beijing 100029, China;
3.Internet Society of China, Beijing 100086, China;
4.State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract:Many new internet systems and patterns are being developed that will positively influence the development and use of renewable energy. The rise of the third industrial revolution based on the energy internet will use cyber physical systems (CPS) combining information, communication and sensors integrated with energy systems in the electrical grid. The resulting cyber energy systems can optimize renewable energy use; however, the integration of CPS and energy systems is not well understood. This paper describes the structure and characteristics of the energy internet. The internet and energy systems are integrated for the production, transmission, storage and sharing of energy. The new application and recent trends in the energy internet are discussed along with challenges and suggestions on how to promote the system development.
Key words: cyber physical systemenergy internettechnology system
当前，化石能源的持续大量开采导致资源日益枯竭，很难满足未来发展的需求，特别是发展中国家的崛起进一步加剧了对能源的需求。同时，化石能源广泛利用引起气候变化，其燃烧产生的二氧化碳占全球人类活动温室气体排放的56.6%，引起全球气候变暖。此外，化石能源在生产、传输和消费过程中对土壤和水质造成了严重的污染。以上情况对能源的持续发展和利用造成了巨大的困难和挑战，能源问题已经关系到人类的生存和发展，全球能源格局亟需深刻调整。对水能、风能、太阳能、生物能、海洋能、地热能在内的可再生能源的开发和利用，已经经过了长期的努力，仍面临很多问题如开发的技术难度大和成本高、可再生能源本身分布地域不均衡等[1]。
互联网技术的系统性发展产生了新的能力、功能和手段，正以前所未有的广度和深度，改变着人们的生活，推动着国家的发展和社会的进步。移动互联网、云计算、大数据、物联网等技术和产品研发取得了重大突破，互联网与传统行业不断融合创新。在万物互联的大环境下，产品在设计、研发、制造、营销等各个环节都会与互联网技术相融合。最近几年，信息物理系统(CPS)成为信息技术领域的重点研究方向，也是最前沿的交叉研究领域之一。
CPS是集成计算、通信与控制于一体的综合性复杂系统[2-3]，通过将虚拟网络世界和现实世界融合，将人、机、物连接在一起，改变人与现实物理世界之间的交互方式。 CPS正在成为各类大规模工业系统的基础[4-6]，未来将在制造、能源、电力、交通等重要行业得到充分利用。
煤和石油等化石能源与印刷、电信的结合，引领了第一和第二次工业革命。未来，由互联网所引领的第三次工业革命将成为世界性潮流。美国提出了工业互联网革命[7]，通过智能机器间的连接并最终将人机连接，结合软件和大数据分析，开启工业领域的巨大效益； 德国政府将工业4.0[8]上升为国家战略，建设信息物理系统网络，研究智能工厂和智能生产，实现个性化定制； 中国正在大力推动信息化与工业化深度融合，把发展智能制造作为战略重点。互联网再度激活了传统工业生产和能源的巨大发展空间，互联网技术和可再生能源的不断融合，为第三次工业革命提供了强大的基础设施。文[9]指出： “当我们把互联网技术和可再生能源联合起来打造一个能源互联网时，我们发现它将改变能源的整个生产和社会分配方式。”
目前，很多国家都在进行能源互联网化改革创新。 2008年，美国在北卡州立大学建立了研究中心，对其国家科学基金项目“未来可再生电力能源传输与管理系统”[10]进行研发，提出了能源路由器的概念，利用电力电子技术实现对变压器的控制，路由器之间利用通信技术实现对等交互[11]。德国在2008年提出了E-Energy理念和能源互联网计划[12]，项目涵盖风力发电、水力发电、家电供电等，提出在2020年能源网络中各个环节都能够基于互联网通信协作。中国正在建设丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路(一带一路)，覆盖的地域蕴藏着丰富的风能、海洋能、太阳能等可再生能源，通过推进特高压、智能电网、清洁能源等技术发展，构建绿色低碳、安全可靠的能源共享平台[13-15]。
通过将CPS与能源系统的深度融合，基于能源互联网化的理念建立信息能源系统[16]，促进分布式可再生能源的充分利用与共享，将为全球提高产业增速，提高生产效率，实现节能环保低碳，推动经济结构转型，带来一系列巨大的经济、社会、民生效益。本文基于CPS的体系特点，对互联网技术与能源系统融合过程中的关键技术进行探讨，并对能源互联网在能源生产、传输、存储和分享等环节的应用前景进行研究，结合目前的困难提出发展建议。
1 基于CPS的能源互联网关键技术1.1 CPS简介作为一种大规模、分布型、异构化和深度嵌入式的复杂系统，CPS涉及信息通信、计算机和控制技术(Computing、Communication、Control，3C)等多个学科，如图 1所示。 CPS通过互联网将物理设备、信息、资源以及人紧密连接，使系统的实时感知、嵌入式计算、网络通信和动态控制更加可靠、高效、灵活、安全和协同。
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| 图 1 CPS的“3C”核心概念 |
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图 2中，CPS通过“感知层—网络层—认知层—控制层”的体系架构，实现了物理世界和信息世界的高度融合。感知层主要由具有自我感知和执行能力的物理设备如各类传感器、采集器和终端等组成，感知用户感兴趣的物理环境和物理属性。网络层的功能是连接物理世界和信息世界，实现数据信息的动态传输和实时的网络服务。在信息世界，认知层对接收的感知数据完成各种计算任务，通过高级建模分析和推理，更加深入地认识物理世界，并将认知结果传递给控制层。控制层形成智能决策并发布远程指令，控制物理层的设备终端改造物理世界。 CPS具有以下特征： 自感知、自愈性、智能化、可控性、灵活性、融合性和安全性。
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| 图 2 CPS实现物理世界和信息世界的深度融合 |
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CPS的应用前景非常广阔，小到智能家居、智能导航和智能机器人，大到工业过程控制、智能交通、航空航天等。基于CPS与能源领域相融合的能源互联网，将重构能源产业价值链新体系。
1.2 基于CPS的能源互联网发展理念与技术体系能源互联网是互联网与能源行业的全面深度融合。围绕互联网思维，综合利用云计算、大数据、物联网等技术，为能源赋予新的信息属性，推动能源流高效快速网状流动，实现能源的智能化生产、传输、存储和消费，继而构建基于互联网的新格局、新业态。
能源互联网的发展基于一个核心的发展逻辑： 低碳环保和高效利用能源[17]。推进全球信息能源系统建设，需要实现“两个替代”： 清洁替代、电能替代[18-19]。在能源开发方面，清洁能源逐步替代化石能源，低碳化石能源逐步替代高碳化石能源，高碳化石能源洁净化利用。在动力革命方面，电能作为优质、清洁、高效的二次能源将成为主要燃料来源和动力，电能逐步替代石油在终端能源消费的主导地位，绝大多数能源需求都可由电能替代，如以电代煤、以电代油，电能将成为能源基础设施的传输主体[20-21]。《2014年世界能源统计年鉴》[22]数据显示，石油在全球能源的占比连续第14年下降，2000年以来，风电及太阳能发电总量年均增长28%。“两个替代”已成为建设信息能源系统的重要途径。具体地，在现有配电网基础上通过先进的电力电子技术和信息技术，融合大量分布式可再生能源发电装置和分布式储能装置，实现能量和信息双向流动[23-25]。
能源技术与互联网技术相融合，构成了信息能源系统创新发展的基础。互联网传输信息，能源互联网传输电能； 信息在网站追溯，电能在电站生产； 网络技术需要路由器，电力电子技术通过能源路由器控制变压器； 输电线路相当于通信线路。能源信息系统是传统能源技术与互联网技术、CPS交叉融合后的系统工程，关联着能源生产、传输、存储和分享的各个方面,如图 3所示。
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| 图 3 基于CPS的能源互联网技术体系 |
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基于CPS的能源互联网通过“感知层—网络层—认知层—控制层”的紧密联系，实现了能源生产、传输、存储和分享的协同联动。在能源生产环节，感知层将传感网络技术与物联网不断融合，利用O2O理念发展新能源与可再生能源接入技术，推动化石能源向可再生能源转型； 在能源传输过程中，网络层将电力技术和信息通信技术结合，传递能源和数据信息，并对能源传输路径实现动态优化； 在能源存储部分，认知层基于云存储的大容量储能技术在每一栋建筑物以及基础设施中存储间歇式能源，催生 “云能源”，通过云计算推动电力系统仿真技术的发展； 在能源分享环节，控制层利用智能配电网技术对在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据等进行集成，实现对系统的监测、保护和配电管理，并围绕电网调度控制技术实现可感可控和自我决策，让能源在网络中互联共享。
1) 大规模新能源接入技术与O2O相结合。
大规模新能源主要包括水能、风能、太阳能、海洋能等可再生能源和以页岩气为代表的新型能源。对新能源的接入技术，主要包括高效发电技术、动力与能源转换技术、电力系统保护技术、运行控制技术等。
O2O是互联网发展的新理念，强调线上与线下相结合。在线下接入新能源后，通过在线上进行智能化调度和控制，实时跟踪能源状态，并促进分享和交易。
2) 先进传感网络技术。
先进传感网络技术包括数据感知、采集、传输、处理、服务等技术。先进传感网络技术通过物联网获取系统运行状态数据及用户侧分布式电源及微电网的有关参数，对数据经过综合、处理、分析并围绕能源生产提供服务和决策。在数据采集标准方面，日前国际标准化组织ISO/IEC/SC正式发布了全球首个能源互联网国际标准——IEEE 1888[26]，相当于能源互联网领域的TCP/IP标准，解决了能源互联网最重要的入口问题。利用IPv6 网络，加强用户与能源互联网之间的交互，促进端到端业务发展，推动能源转换为电能和智能机器设备的即插即用。
3) 电力通信技术。
电力通信技术主要解决通过可再生能源发电后的远距离传输问题。将信息通信技术与直流输电技术、海底电缆技术、电网技术相结合，优化能源传输方式和路径，以特高压骨干网为基础，使地域分布不均衡的能源实现远距离、大规模、安全稳定、灵活可控的传输。
4) 大容量储能技术。
未来，大容量储能技术会在能源互联网以及电力系统中得到广泛应用，确保发电、输电、配电和用电的持续性和可靠性，便于及时的储存和释放能量，并且对环境变化鲁棒。相关技术主要包括压缩空气储能、超导储能、氢存储、电池储能、超级电容器储能等，实现大容量和长周期电能存储、加强充放电控制、电网频率控制和输出功率改善。
5) 电力系统仿真技术。
电力系统仿真技术主要包括动态模拟仿真技术、数模混合式仿真技术和全数字仿真技术，对电力系统的动态行为进行跟踪。
云计算的核心理念是： 通过互联网将程序运行从用户个人设备移至大规模集群服务器中，并对计算能力和数据存储空间进行有效保障。结合云计算的电力系统仿真，将厂房及生产设备的有关参数传至云端，通过互联网随时随地、按需获取服务器、存储空间、计算服务等资源，实现需要的高性能计算。
6) 智能配电网技术。
大数据技术通过数据整合分析和人工智能，发现规律并创造价值，为各个环节提供预测、决策和管控等方面的支持，形成有价值的数据信息资源。
结合大数据的智能配电网技术对在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据等进行集成，实现对系统的监测、保护和配电智能化管理。
7) 电网调度控制技术。
电网调度控制技术依据反馈的数据信息和运行参数，对电网安全运行、可靠供电等进行有效管理。云共享理念是依托互联网为每个终端用户提供资源分享以及信息交互。
结合云共享的电网调度控制根据开放网络协议，实现用户与系统间能源价格、用户个性选择和能源信息的双向交互，满足用户需求侧响应，支持能源提供商、网络运营商、售电公司和用户等多种市场主体随时随地的共享和交易。
1.3 基于CPS的能源互联网技术特征图 3中，能源互联网通过微网进行局部能源消纳，将风能、太阳能、海洋能等可再生能源转换成电能，并在一定范围内对其进行存储、传输和分享，再以开放对等的信息—能源架构与广域网实现能量和信息双向传输和动态平衡使用，搭建全球能源配置平台，通过能量交换和调度控制优化配置，满足用户多样化需求，主要具备如下技术特征：
1) 互联共享。
万物互联将是未来的发展趋势，这同时也构成了能源互联的基础。借助先进的传感器和领先的信息网络技术和软件应用程序，信息能源系统将生产、传输、转换、存储、分享各个环节的数以百亿计的设备连接起来，将其产生的海量数据进行格式统一，实现能量和信息双向流动的能源互联共享网络。对于局部网络，多种形式的可再生能源以电能为基础进行转换和调度使用，达到内部的资源优化配置； 同时，局部网络内部很难保持自身能源的自给自足，全局网络实现局部网络的大规模互联并进行能量交换，实现跨区域、跨国、跨洲的能源衔接和协调，最终打造全球能源配置平台。
2) 平等开放。
对能源的实时交换和高速传输要求决定了能源互联网要具备开放的体系架构。局部网络与全局网络的连接无障碍，局部网络的接入、替代、更新等不影响整个体系的运转，储能、用能装置随时接入随时可用。类比互联网中网络节点都是平等的，各个局部网络都是自主接入，在能量传输中处于平等地位。
3) 高度智能。
一是能源配置智能化。例如，处于黑夜的半球通过互联网将其剩余能源转移到处于白昼的半球。二是传输路径选择智能化。在安全、可靠、简洁的网络协议下，传输路由是动态优化的结果，同时保证整个体系的冗余和利用率。三是提升用户体验。能源的大规模互联在不影响用户使用的前提下，尽可能让用户高效利用能源。四是系统鲁棒性强。信息能源系统广泛利用云计算、大数据、智能控制、物联网等前沿技术，提高自身在线学习、智能决策、自愈故障的能力。
4) 双向互动。
本文指的是能源信息与用户的双向互动。文[9]指出，能源互联网可以让亿万人生产绿色可再生能源，多余的能源则可以与他人分享。因此，用户是能源的使用者，同时也是能源的创造者。能源互联网实现的是能源、信息的双向流动和交换，有利于满足用户的多样化需求。
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| 图 4 基于CPS的能源互联网技术特征和框架模型 |
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2 基于CPS的能源互联网应用前景基于CPS的能源互联网应用前景包括以下几方面：
1) 全球能源自由交易。
基于互联共享的特点，打造能源互联网有利于打通全球能源交易环节。比如，对风能、太阳能等新能源发电设备匹配相应硬件设备、软件程序和网络技术； 借鉴淘宝、亚马逊的商业模式，搭建在全球范围内的B2B、B2C、C2C能源平台，实现能源共享和自由交易。这样，能源转化为可视化信息流在互联网上传输，不同区域之间实现能源互补，有利于资源节约和环境保护。
2) 线上线下相互融合。
用户既是能源的使用者，也是能源的提供者。引入能源互联网中的谷歌和百度，实现能源供给与需求信息的搜索； 对于家里剩余的能源，用户通过手机APP应用软件卖给其他用户，系统综合移动支付、O2O业务、地图导航等业务； 基于买卖双方的位置信息、能源交易数量圈定最佳交易范围。
3) 基于大数据的实时能源监测。
能源互联网搭建能源企业与用户之间的交互平台，面向用户发布能源价格、使用方式等内容，同时实时收集用户使用能源的相关数据信息，如能源使用记录、使用习惯、缴费记录，通过大数据技术进行实时监测和数据分析，进而预测未来一段时间能源使用情况，支持政府能源监测，优化能源管理，提供人性化服务。
4) 引领智慧生活。
一是推动智慧城市的建设，主要是智慧的服务、智慧的治理。智慧的服务是指能源储备的优化配置、在能源领域使用大数据提供公共服务，以及能源流、信息流和业务流的协调配合，应用到城市办公、交通、商业、综合信息服务、公益设施、生态灌溉、工业生产等各个方面，提升城市综合能源利用效率； 智慧的治理是指将能源互联网与城市环境治理结合，如将能源消耗、二氧化碳排放与城市天气相关联并进行综合分析，提倡能源绿色消费，推动低碳化城市建设。二是发展智慧家居。具体到每个家庭单元，用户通过手机、平板电脑等移动终端了解家用电器使用情况、生成能耗曲线并进行远程遥控，自动设置开关时间和功能状态； 每台家电对用户的使用习惯进行记录分析，提出建议并及时调整消费习惯。三是促进智能终端产品发展。未来，终端也将不仅仅局限于手机、电脑，越来越多的终端将以不同形式涌现，比如新能源汽车。在实际使用过程中，汽车根据用户的行程和驾驶习惯自动安排充电时间，用新能源互联模式替代找充电桩的传统思维。
3 基于CPS的能源互联网研究展望3.1 困难与挑战未来基于CPS的能源互联网技术发展和应用推广主要存在以下问题和困难：
1) 核心技术有待发展。
能源互联网是能源技术与互联网技术融合创新的结果，跨越多学科领域。尽管互联网新技术和新产品不断发展和涌现，仍然存在技术瓶颈，各个环节都需要突破。
在能源生产环节，互联网中的数据、信息无处不在，随时都能够产生和创造，能源互联网的载体主要是电能，需要通过风能、太阳能等可再生能源进行转换。对可再生能源进行实时采集、分析、处理从技术上完全实现还有难度。
在能源传输环节，互联网传输信息的门槛和成本都比较低，但能量运输还达不到高效普及，同时带来的损耗问题严重，油气管道、特高压技术建设周期长，资金规模大； 相比于互联网中的光纤、通讯协议、路由器、交换机，能源传输通道、能源传输标准、能源路由器等无疑需要更多的技术储备和积累。
在能源存储和分享环节，对于电能的高密度存储还无法取得满意的效果； 对能源的调配和控制也需要更加深入的研究。
同时，能源同互联网跨界融合发展处于起步阶段，相互融合发展的观念不足、信心不强。互联网与传统产业既互相融合，又彼此竞争，是一个反复博弈的过程。能源作为传统行业，在过去一段时间形成了比较固定的发展模式和理念，发展信息能源系统在短期内又难以获得回报，因此产业转型和思维转变并不容易，目前互联网与能源行业间的交叉融合程度不高，物联网、云计算、大数据等技术和理念如何更好地应用在能源领域，需要进一步思考。
4) 应用推广存在困难。
目前，针对能源互联网的新型产品研发和推广力度较小，新能源汽车等代表性产品的普及范围有限，产品性能、指标没有发挥明显的比较优势，对技术的反馈促进作用不突出，产学研结合程度低，产业链有待进一步完善。
发展能源互联网的市场主体缺乏活力，创新驱动力量不足，创新人才较为匮乏，社会氛围需要进一步营造，商业模式有待探索，市场体系尚未成型，整体产业化程度不高，客户的认可程度低，缺乏示范工程引领带动。
随着能源系统与信息系统的不断融合，能源互联网的网络信息安全问题将逐渐凸显。对物理系统的网络攻击，很可能削弱或破坏对应信息系统的正常运行。能源互联网对物理设备的控制与协调源于信息系统的运算和处理结果，面向信息系统的攻击会导致能源系统发生规定外的交互过程，并最终影响整个能源互联网的安全。
3.2 发展建议3.2.1 关键技术领域1) 体系架构。
以绿色低碳为方向，深入研究信息能源系统主体技术框架，借鉴互联网思维，构建以数字化、信息化、自动化、智能化的互联开放体系架构。围绕体系架构明确建设信息能源系统的重点领域和重点创新方向，如可再生能源收集与转化、分布式能源、能源储存、能源传输、智能控制，以及新的生产设备、动力设备、新材料等。
2) 技术创新。
促进互联网技术创新发展，开展对基于CPS的能源互联网信息能源融合机制的深入研究，推动物联网、云计算、大数据、移动互联网等技术与能源相关领域深度融合，带动产业升级，促进能源传感器、能源传输标准、能源路由器、能源服务器的研制。充分利用大数据技术，通过对能耗数据的收集并上传至系统进行数据分析，减少能源的浪费行为。通过改变能源消耗中的不良习惯，把生产制造过程中的能源浪费降到最低。
3) 模式协同。
充分发挥能源、互联网、电信、IT的协同优势，在技术、标准、政策等多个方面实现互联网与能源行业的充分对接，吸纳各领域创新主体，共同推动核心关键技术研发和成果转化工作，鼓励和支持互联网企业跨界能源行业。创新商业模式，推动互联网和能源实现线上线下深度融合，开展互动营销； 推动互联网应用与服务普及，注重用户体验，在能源行业充分利用互联网拓展应用，惠及民生。
3.2.2 应用推广方面1) 交流合作。
大型发电基地往往远离电力负荷中心，会存在输电成本的问题。各国各洲通常会就近开发可再生能源，并且在一定范围内进行联网输送。因此，在研究构建信息能源系统的过程中，应联合国内外研究机构，建立多方合作机制。先在国内开发可再生能源，提出几种可能的实施方案，并从中选择技术可行、成本最低的方案； 中远期再扩大开发范围，沿着跨国—洲际—全球的路径，不断发展壮大。中国“一带一路”覆盖区域蕴藏着丰富的风能、太阳能、海洋能可再生能源，对于搭建绿色低碳、高效可持续的能源互联平台具有重要价值，基础设施的互联互通有利于能源的传输共享。有必要将信息能源系统建设与实施“一带一路”战略综合考虑，在建设电力、通信、交通物流等基础设施和推动示范性工程等方面统筹兼顾。同时，将“一带一路”战略与建设智慧城市结合起来，针对城市特点优势有针对性挖掘能源互联网发展潜力，再用能源互联网化的发展理念和成果促进“一带一路”战略深入实施。
2) 新型产品推广。
通过加快新型产品的研制和推广，加速技术变革，完善产业链。跟踪新技术和新应用的发展和延伸，鼓励和支持互联网企业围绕信息能源系统研制动力系统、智能操作系统、车联网系统、新能源汽车等新产品并推广应用，推动能源互联网技术产业化。
3) 网络安全。
将信息安全和能源安全置于统一的理论框架下，分析信息系统和能源系统交互影响机理，特别是网络攻击对于整个能源互联网动态安全的影响，并研究相应的信息物理安全防护措施以及各种措施之间的协调配合。同时，注重对云存储、云计算、云共享等虚拟空间的保护，促进数据加密和认证技术的创新，确保信息资源的安全使用。
4 结 论基于CPS的能源互联网通过“感知层—网络层—认知层—控制层”的紧密联系，实现能源生产、传输、存储和分享的协同联动，主要具备互联共享、平等开放、高度智能、双向互动的技术特征。未来，将在全球能源自由交易、线上线下相互融合、基于大数据的实时能源监测、引领智慧生活、促进智能终端产品发展和能源消耗可视化等方面具有广阔的应用前景。目前，发展能源互联网在核心技术、产业化、市场体系、新应用推广和网络安全等方面存在困难。本文提出了相应的发展建议，为未来能源互联网的发展提供参考和支持。
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