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清华大学曹军威:电力物联网与新基建

日期:2020-10-21    来源:中国储能网

国际电力网

2020
10/21
10:16
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关键词: 电力基础设施 电力物联网 曹军威

9月24—26日,由中国化学与物理电源行业协会联合200余家机构共同支持的第十届中国国际储能大会在深圳鹏瑞莱佛士酒店召开。此次大会主题是“共建储能生态链,开启应用新时代”。 来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的1621人参加了本届大会。

在26日上午的“电力物联网 ”专场,清华大学信息技术研究院副院长曹军威分享了主题报告《电力物联网与新基建》。会务组对发言人的演讲速记做了梳理,方便大家会后交流、学习,以下是速记全文:

曹军威:非常高兴刚才听到之前的专家讲的新基建的典型的场景,和我的PPT有点重复,因为我主要准备的内容最后一项也是讲主要的场景,这块可能就可以略过。从大学的角度是从能源互联网、新基建理念的层面做了一些梳理,也给大家汇报一下。

新基建的提出有一定逻辑的新意,新基建是以信息基础设施为基础,大家看到很多像互联网公司在主导数字基础设施的建设,但是新基建又不仅仅是数字基础设施,它还包括像智慧能源基础设施跟交通融合、智慧交通基础设施,统称为融合基础设施,在这个基础上新基建还要强调创新基础设施,在基础设施层面我们也要强调创新。所以新基建的提法实际上是颠覆了之前我们对传统基础设施认知的体系,真正把信息基础设施纳入进来,在这个基础上再去做融合和创新基础设施。

从基础设施的角度,传统上把水、气、热、电、交通作为基础设施的本质,它的特点包括源头资源、管道、利用方面都有主要的特点,比如使用方面,作为基础设施的使用必须是方便、便宜、安全、可靠。2000年以后大家开始反思,21世纪新型基础设施是什么?美国最先提出来,他们认为数字空间会兴起基础设施的建设。到2020年我们国家提出来数字基础设施 印证了这样的理念和趋势。2008年的时候出版了了这本书《Cyber Infrastructure Technologies And  Application》,当时总结数字基础设施由这样几个层面构成,包括底层通讯、数据存储、高性能计算到上层传输层、服务层和应用层,这方面我们清华大学信息技术研究院从2008年往后着重在做信息基础设施和能源基础设施的研究。基础设施的主要特点包括集中统一,基础设施不管来源在哪儿,用户只要访问就可以访问到,比如电网的模式,云计算、网格计算计算机的模式也在效仿电网的模式。还有分散协同,微网,大家协同操作。互联网领域到2.0阶段就出现了社交网络、Web2.0大家共享信息、消费信息。这是基础设施层面的理念。

我们做信息基础设施越来越多的关注能源基础设施,主要的起因是2004年以后当数据中心的规模达到一定程度以后,它的能源从业者的瓶颈。现在包括基站方面的瓶颈。比如2012年左右做数据中心的能耗性能的优化,不是说性能越高越好,性能越高耗电越大,这里面有折中的选择。我们国家2008年以后都在做智能电网,在能源电力领域希望把能源电力基础设施越来越多的信息化、智能化,所以这样的趋势在国外叫Big Switch,看到能源电力信息技术的理念层面上的相互碰撞和影响,我们在2015年的时候提出来,当时提出来能源互联网的初衷就是从信息与能源基础设施一体化的角度去提出来的。到今年大家又开始认识到基础设施层面确实有这样大的趋势。

未来信息能源基础设施融合的趋势,首先画出来信息基础设施大的场景图,底层物联网、数据中心,上层再去逻辑或者虚拟化之外,云平台,然后再做AI大数据的分析,包括现在的区块链,统称为云大物移智链,未来信息基础设施的典型场景。未来能源互联网,现在交直流互联,包括风光储电、微网、冷热电结合,包括园区的需求侧管理的响应组成能源互联网的典型场景。这两方面互相叠加互相结合构成信息能源基础设施一体化的场景。

前几年从能源互联网的角度我们做了一些探索和尝试,包括到现在能源互联网成为主流趋势,2016年和2018年分别出版了两本书,《能源互联网与能源系统》、《能源互联网技术与产业》,2017年国家电网公司提出建设一流的能源互联网企业,在产业界储能和做能源服务的业态兴起都是从能源互联网的理念出发,形成一些新的增长点。能源互联网的基本理念是从互联网的理念叫自下而上构建能源基础设施,底层有分布式能源、再生能源、储能,上层构建能源微网、能源互联网,国家电网公司提出全球能源互联网,有这样的能源基础设施构建任何上层的应用,大家觉得想象空间很大是因为上面会有层出不穷的应用、商业模式,再加上我们按照能源电力体制改革,大家认为机会非常大。

能源互联网效仿互联网的架构,从园区做起,甚至楼宇家庭做起,逐渐组成一些广域互联的网络跟主干网、大电网衔接。最大限度把灵活性和坚强可靠性结合在一起。它的本质是开放、对等、互联、分享,基础设施层面在能量、信息、业务、价值四个层面都实现,强调价值驱动、用户中心,也是和改革方向相结合。功能层次结构和物理系统、传感通讯、能量控制等。能量互联网的关键技术,包括底层的储能、柔性直流、能量路由器到上层的大数据分析、传感通讯甚至是交易层面区块链的技术都是能源互联网的相关技术,可能不是全新的技术,但是在这样的场景里面提出全新要求。

我们做的几件事:能量路由装置,自下而上以电力电子的技术为基础,构建出设备级的电力电子为基础的新的能源互联网的核心装备。它的构建思路也是从网络路由器的思路衍生出来的,网络路由器主要的功能叫信息的存储转化,能量路由器的主要功能是能量存储转化,也就是可以把能量缓存进来,通过智能处理决定能量的分配、功率的分配,通过电力电子的端口分发出去,这是能量路由器的基本概念。我们也形成了基本的设计,实现这样的功能可能是分层、分级实现,自下而上的来形成能量的双向有效传输。一方面可以做功率的开关切换,同时还可以做一定的质量调减。在信息层面也可以提供信息的服务,本质上是信息系统,它的输入输出有各种各样的封装,微网也包括各种各样的负荷,能量路由的语境下把它对等化,无论是电网还是负荷还是发电、用电都是对等化,互联的理念。在这方面目前我们参与中电能量互联网专项标准制定,包括能量路由器的标准也在制定过程中。

技术特点方面,我们率先实现百千瓦级、楼宇级用户侧的样机,可以看到四象限电力电子的变换、交直流的变换,而最大可能的实现即插即用的功能,无论是负载还是发电能够即插即用,能够多端口可拓展,甚至包括电能质量的调节功能,而且接入储能可以进行能量平衡,最后单点集中多点能源,这是单点集中的装置,容易维护,也是信息融合的装置,可以把能量管理、能量交易、计量甚至信息服务都可以纳入到能量路由的装置范畴内,甚至还可以有很多公司做,跟其他能源形式结合在一起,变成这样的装置。这样的装置在2018年结题北京市科委的科技项目,现在包括青岛深圳在积极开展应用示范。

能源互联网、电力互联网的语境下我们在做能量管理平台的研发,平台级的概念不仅仅是针对终端的用户,同时还是源、网、荷、中间商、运营商、服务商的中间平台,实现多元属性的接入,多方协同在能源互联网的场景下接入,这样就可以有全景数据,既有电源数据,又有电网数据,又有用户数据,然后在这个层面上能量信息是完全透明化的,有这样透明化信息作为基础,就可以实现智能化大数据分析,通过互联网化的手段去运营这样的平台。

我们制定了相关的标准,这样的平台底层更多是本地服务,比如能量交换方面的服务,上层更多是互联网化的平台,所以它可以分成能量交通系统,根据五个层面将相应的功能规范都做了梳理的定义,可以看到供方、网方、己方,不仅仅是电,也可以是冷热等多种能源形式,还有需求方,功能最底层是和能量相关的功能,最上层是增值服务等相关的功能,然后中间方他们提供哪些增值服务。平台未来可能是以用户接入,各种终端手机上可以接入的平台,平台本身又会形成生态圈,以互联网平台的方式运行。有这样的平台就可以有各种各样的高级应用,大数据分析、智能分析等,包括负荷、电能质量分析、故障、风险研判、态势感知,甚至跨界,把能源电力的数据和交通甚至经济的数据相结合衍生出来新的模式和应用。

平台效应可以通过互联网运营的方式体现,未来可以有些免费的模式,O2O、跨界的模式去收集长尾效应,有各种各样的用户在上面就可以有社群的功能和商业模式。本质上是通过平台可以寻找低效点、提质增效,可以打破传统的能源电力行业有的问题,层层分包,中间无效的环节把它打破。最终提升用户的体验、用户中心、价值驱动、体验提升,行业本身自我创新、主动跨界的效果。

技术的层面主要是从能量路由器、能量管理平台两个角度做了举例,未来要发展能源互联网、电力互联网可能也是园区级入手的全景图,可以从冷热链、风光储、电动汽车微网、智能需求层管理的相应入手,跟电网友好互动,然后多方面协调。包括综合能源的服务也都是以这个为蓝本在推动。刚才讲过典型的应用场景我就不展开,多站合一的模式,包括基站微电网也讲过,它会有储能、光储充的模式,如果采用能量路由器为核心的解决方案,它本身就会有各种各样方面的优势,我不详细展开。包括轨道交通方面,在厂站也都有以能量路由为核心的牵引用电、新能源的接入、能量的回馈,这些都是我们认为未来新基建融合基础设施的典型场景。

总结,从新基建入手,新基建是以信息基础设施为基础,实现信息、能源和交通的融合,从能源互联网的角度是信息能源基础设施一体化的趋势表现,也是融合基础设施的典型代表。能源互联网里面有一层衔接信息和能源之间的电力物联网,是把信息能源基础设施融合的桥梁,可以把信息采集上来,里面的体现,包括核心装备层面上,能量路由器层面,包括平台级的能量管理平台的层面使得它的信息透明和价值创造都成为载体。刚才讲到的典型场景,包括能量路由器的使用、能量管理平台,把信息、5G、信息中心和能源基础设施相结合衍生出来的融合基础设施的典型场景。清华大学比较早的结合信息基础设施的研究,提出信息能源基础设施一体化理念,开展能源互联网和电力物联网关键技术攻关、应用示范推广和产业化合作。我们本身也是技术团队,跟今天参会的很多产业化的公司有很强的互补的关系,希望开展相关方面的合作,尤其在示范应用和产业化合作推广方面我们都非常感兴趣,希望和在座的各位做好的合作和交流。

我的分享就到这里,谢谢大家!


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