第1章 信息能源系统与智慧能源概述
1.1 引言
能源对于全球经济社会的发展具有重要的推动意义，其与人类社会、经济、文化等各个方面都有着密切的联系。每一次人类社会的变革都伴随着能源的发展，新型能源的利用推动经济社会从第一次工业革命到第二次工业革命以及现在的第三次工业革命。人类的需求使其对社会经济发展的要求越来越高，促使其对能源的依赖性越来越大，而全球传统化石能源为不可再生能源，其本身的消耗速度已远远超过了自身的供应速度，致使传统化石能源面临枯竭的境况，同时由于能源的不充分利用，其产生的有害物质对环境也造成了巨大的影响。从长远的可持续发展角度出发，用清洁的可再生能源替代传统的化石能源将是能源结构改革的重要方针路线。
当前与综合能源相关的主要概念如下：
1）信息能源系统，来自于2006年美国国家科学基金会提出的信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS），是以区域综合能源系统为核心网络，在信息层融入互联网的基础设施和技术，在物理层以能源站为枢纽、下级能源传输网络为路由通道、终端负荷为供能对象的综合能源系统，其范围涵盖能源站及下级输配网络。新一代信息能源系统在横向实现电-气-热-冷的多源耦合互补，纵向实现“源-网-荷-储”的资源协调控制，是一种面向用户的高效综合能源共享系统。
2）综合能源系统，又称多能系统，是指高比例可再生能源下的电-气-冷-热等多种能源耦合的能源体系。美国在2001年提出了综合能源系统发展计划，目标是促进分布式能源和热电联供（Combined Heating and Power，CHP）技术的推广应用以及提高清洁能源使用比重。综合能源系统具体是指一定区域内利用先进的物理信息技术和创新管理模式，整合区域内煤炭、石油、天然气、电能、热能等多种能源，实现多种异质能源子系统之间的协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济，在满足系统内多元化用能需求的同时，有效地提升能源利用效率，促进能源可持续发展的新型一体化的能源系统。
3）能源互联网，是建立在互联网基础上构建的多能耦合的“广域网”，它将大电网作为“主干网络”，以开放对等的信息能源一体化架构，实现能源的双向流动和按需分配，以此提高能源利用率，并降低对传统能源的依赖，完成能源结构的生产方式及消费模式。在传统能源系统中，多种能源耦合并不紧密，不同能源系统之间较为独立，其混合系统中的电力系统、热力系统、天然气系统等分属不同能源系统管理和经营，迫使能源的应用效率不高。在能源和环境问题的日益严峻的情况下，如何提高能源效率以及对可再生能源的消纳能力问题备受关注，因此，急需实现多类能源协调运行和相互融合。美国学者杰里米·里夫金（Jeremy Rifkin）于2011年在其著作《第三次工业革命》中预言，以新能源技术和信息技术的深入结合为特征，一种新的能源利用体系即将出现，他将他所设想的这一新的能源体系命名为能源互联网（Energy Internet）。杰里米·里夫金认为，“基于可再生能源的、分布式、开放共享的网络，即能源互联网”。随后，随着我国政府的重视，杰里米·里夫金及其能源互联网概念在我国得到了广泛传播。
4）全球能源互联网，是坚强智能电网发展的高级阶段。其核心是以清洁能源为主导，以特高压电网为骨干网架，各国各洲电网广泛互联，能源资源全球配置，各级电网协调发展，各类电源和用户灵活接入的坚强智能电网；功能是将风能、太阳能、海洋能等可再生能源输送到各类用户；优势是服务范围广、配置能力强、安全可靠性高、绿色低碳；特征是网架坚强、广泛互联、高度智能、开放互动。全球能源互联网=特高压电网+泛在智能电网+清洁能源。全球能源互联网能够连接“一极一道”和各大洲、各国大型能源基地及各类分布式电源，突破资源瓶颈、环境约束和时空限制，将太阳能、风能、水能、海洋能等清洁能源转换为电能送到各类用户。2014年，中国提出了能源生产与消费革命的长期战略，并以电力系统为核心试图主导全球能源互联网的布局。2016年3月全球能源互联网发展合作组织成立，由国家电网独家发起成立，这是中国在能源领域发起成立的首个国际组织，也是全球能源互联网的首个合作、协调组织。
5）其他，如泛能网，是在泛能（从用户需求出发，以能量全价值链开发利用为核心，因地制宜，清洁能源优先、多能互补的用供能一体化的能源系统）理念的指导下，将能源设施互联互通，利用数字技术，为能源生态各参与方提供智慧支持，为用户提供价值服务，实现信息引导能量有序流动的能源生态操作系统；微能网，是为了解决大规模分布式生产的应用问题，提升分布式生产的应用而提出的具有并网运行和孤岛运行模式的小型电/热/气综合能源系统；智慧能源，是充分开发人类的智力和能力，通过不断技术创新和制度变革，在能源开发利用、生产消费的全过程和各环节融会人类独有的智慧，建立和完善符合生态文明和可持续发展要求的能源技术和能源制度体系，从而呈现出的一种全新能源运行形式，拥有自组织、自检查、自平衡、自优化等人类大脑功能，满足系统、安全、清洁和经济要求的能源形式。
上述名词都是针对综合能源，建立在信息与能源密切耦合的基础之上，但其核心均追求高占比可再生能源的有效消纳和多种类别能源的高效利用，通过先进的能源和信息技术解决能源可持续供应以及环境污染等问题。在很多场景下，它们表达的含义是接近的，由于本章中重点综述国内外相关领域的研究现状和进展情况，我们会尊重其原始定义，而在本书的其他章节，重点探讨与信息能源相关的技术部分，所以统称为信息能源系统。当其中涉及某一个子系统时，则称之为电力子系统、热力子系统和天然气子系统等。
电力系统的发展与能源密切相关，随着能源结构的变化以及清洁能源的渗透率提高，电力系统的结构及优化运行也将随之进行调整，同时也延伸出电能、天然气、热能之间的协同利用。此外，经济社会对电力的需求也日渐增多，传统的发电方式呈现出供不应求的趋势，同时也出现故障停电等情况，使系统的稳定性和可靠性得不到完全保障。为此，各国采取相应的政策将能源供应向可再生能源方向转移，并在科研领域掀起新一轮的研究热潮。
杰里米·里夫金在2011年所出版的《第三次工业革命》书中提到能源问题是第三次工业革命的重要研究问题，其主要讨论如何实现能源互联网中的可再生能源和传统能源协调供能，以及能源互联网的开放性，使得能源互联网中用户能够积极参与到能源生产过程中。
据英国石油公司（BP）的统计数据，2020年全球一次能源消费量达137.9×108t（油当量），比2000年增长约37.2%，比1900年增长约16倍；1900年以来GDP增长约160%，人均能源消费量增长约80%；世界人口从1800年的10亿发展到2022年约80亿。从图1.1中可以看出，新能源占比非常之少，世界各大洲的清洁能源分布情况见表1.1。能源结构的转型最重要的趋势为集中式向分布式的转变。分布式能源系统相比于传统能源系统的特点为环境成本低、能源损耗小，能源可利用率高，其主要包括风能、太阳能、潮汐能等清洁能源。
图1.1 1925—2020年全球一次能源消费结构变化趋势图
表1.1 世界水能、风能、太阳能资源分布情况
由表中可以看出，全球的清洁能源资源具有较大的储备量，每年粗略计算其可开发利用值为150000万亿kW·h。但资源的地区分布差异较大，水能资源主要分布在亚洲、南北美洲、非洲等地区；风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，8级以上的风能高值区主要分布于南半球中高纬度洋面和北半球的北大西洋、北太平洋以及北冰洋的中高纬度部分洋面上，大陆上风能则一般不超过7级，其中以美国西部、西北欧沿海、乌拉尔山顶部和黑海地区等多风地带风能较大；太阳能资源多集中在距离赤道较近的中低维度地区。并且清洁能源的分布地区大多较为偏远。
目前，全球每年向大气排放约510亿t的温室气体，要避免气候灾难，人类需停止向大气中排放温室气体，实现零排放。《巴黎协定》所规定的目标，是要求联合国气候变化框架公约的缔约方，立即明确国家自主贡献减缓气候变化，碳排放尽早达到峰值，在21世纪中叶，碳排放净增量归零，以实现在21世纪末将全球地表温度相对于工业革命前上升的幅度控制在2℃以内。多数发达国家在实现碳排放达峰后，明确了碳中和的时间表，芬兰确认在2035年，瑞典、奥地利、冰岛等国家在2045年实现净零排放，欧盟、英国、挪威、加拿大、日本等将碳中和的时间节点定在2050年。作为世界上最大的发展中国家和最大的煤炭消费国，中国尽快实现碳达峰以及与其他国家共同努力到21世纪中叶左右实现二氧化碳净零排放，对全球气候应对至关重要。
改革开放以来，我国经济加速发展，目前已成为全球第二大经济体、绿色经济技术的领导者，全球影响力不断扩大。事实证明，只有让发展方式绿色转型，才能适应自然规律。同时，我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾，而对优美生态环境的需要则是对美好生活需要的重要组成部分。为此，2020年，我国基于推动实现可持续发展的内在要求和构建人类命运共同体的责任担当，宣布了碳达峰、碳中和目标愿景。习近平在2021年3月15日主持召开的中央财经委员会第九次会议上强调：“要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局；要推动绿色低碳技术实现重大突破，抓紧部署低碳前沿技术研究，加快推广应用减污降碳技术，建立完善绿色低碳技术评估、交易体系和科技创新服务平台。”未来，我国将着眼于建设更高质量、更开放包容和具有凝聚力的经济、政治和社会体系，形成更为绿色、高效的以消费与生产力为主要特征的可持续发展模式，共同谱写生态文明新篇章。
在这样的背景下，信息能源系统的概念应运而生。信息能源系统作为一种新型能源一体化的开放型系统，是能源互联网的主要载体。信息能源系统集多种能源的生产、输送、分配、转换、存储和消费各环节于一体，能够实现对电、热、气等的综合管理和经济调度，为实现能源的综合利用提供了一种重要解决方案。在信息能源系统下，各类能源转换设备如热电联产机组、电热锅炉和燃气锅炉等使电力、热力和天然之间紧密耦合，实现了多能源的互动及转换。
可再生能源高速发展、信息智能技术深度融合及终端用能的多样化需求使得能源生产、分配及消费形式均出现显著变化，呈现出时空异步、信能融合、多能互补以及智物协同的新趋势，这使得终端信息能源系统的平衡、协同、管控必须与之相适应。如何在需求侧通过源网荷储协同、多种能源互补、信息能源耦合实现终端的能源绿色高效利用成为全球广为关注的焦点问题。