高清PDF带书签《智能电网与能源网融合技术》 李立浧 郭剑波 饶宏主编

前 言
目前我国是世界上最大的能源消费国， 传统的能源生产和消费模式已难以适应当前形势。 在经济增速换档、 资源环境管理趋紧的形势下， 推动能源革命势在必行、 刻不容缓。 2014 年 6 月， 习近平总书记在中央财经领导小组会议提出我国能源安全发展的 “四个革命” 和 “一个合作” 战略思想， 包括能源消费、供给、 技术和体制四个革命和国际能源合作， 明确了能源革命的发展方向， 深化了能源革命的内涵， 同时希望借助能源革命大力推动新能源和可再生能源的发展， 逐步建成多元化、 低碳化、 无碳化的智能、 安全、 清洁、 高效的新能源系统， 保障经济社会发展需求的能源供给。 在能源革命的大背景下， 国家正加紧推进能源改革， 积极部署能源各个领域、 各个产业的结构调整。 《电力发展“十三五” 规划》 明确强调， 电力规划的基本原则之一是智能高效、 创新发展，通过加强系统集成优化、 改进调度运行方式、 提高电力系统效率、 大力推进科技装备创新、 探索管理运营新模式等方式， 促进能源系统的转型升级。
此外， 迅速发展的互联网行业正以巨大的力量逐步颠覆多个传统产业的生产和经营方式， 能源行业的互联网化为能源革命带来了新的机遇和挑战。 2016年 2 月， 国家发改委发布 《关于推进 “互联网+” 智慧能源发展的指导意见》，明确了 “互联网+” 智慧能源的发展核心是能源互联网的建设， 指出了 “互联网+” 智慧能源发展的指导思想： 以改革创新为核心， 以 “互联网+” 为手段， 以智能化为基础， 围绕构建绿色低碳、 安全高效的现代能源体系， 促进能源和信息深度融合， 推动能源互联网新技术、 新模式和新业态发展， 推动能源领域供给侧结构性改革， 支撑和推进能源革命。 2016 年 4 月， 国家发改委、 国家能源局发布 《能源技术革命创新行动计划 （2016 ～ 2030 年）》， 将能源互联网技术创新列为一项重点任务， 并明确提出能源互联网架构设计、 能源与信息深度融合、能源互联网衍生应用等 3 项具体创新行动。
在此大背景下， 本书对智能电网与能源网融合的必要性、 技术特性和技术发展方向体系等一系列问题展开研究。 在探究智能电网与能源网的融合模式方面， 编者认为， 可以从电力行业、 其他能源行业和互联网行业等不同视角， 看待形成智能电网 2. 0、 互联能源网和 “互联网+” 能源网 3 种融合模式。 不同的融合模式， 代表不同行业市场竞争的结果， 是在国家政策、 行业需求、 关键技术以及地域限制等因素的综合影响下形成的。 智能电网与能源网的融合， 可以促进能源供给侧优化能源结构、 提升可再生能源比例， 消费侧实现多能互补、提高能源综合利用效率以及市场侧还原能源商品属性。
新材料新装备和信息通信技术是智能电网与能源网融合的物理基础和关键技术。 一方面， 新材料新装备的研发， 为打造更加安全可靠、 高效经济、 绿色环保的智能电网及其与能源网的融合提供了坚实的保障； 另一方面， 以移动互联网、 物联网、 云计算和大数据为代表的信息通信技术的发展， 极大地促进了能源系统的智能化和自动化， 加速了智能电网与能源网的融合。 在智能电网与能源网融合的趋势下， 结合不同地域环境优势， 开展合适的智能电网与能源网的融合模式建设， 形成广域互联能源网、 区域与用户级智能能源网和 “互联网+” 智慧能源的典型应用场景。 本书分析了这些典型应用场景的现状、 发展趋势、 形态特征、 技术需求和技术发展方向。 最终结合我国能源系统的发展现状， 基于对技术需求和技术发展方向的论述， 提出我国 2020 年、 2030 年以及 2050 年智能电网与能源网融合的形态演变及关键发展技术。
本书第 1 章、 第 2 章和第 8 章由华南理工大学蔡泽祥、 张勇军、 韩永霞、 陈泽兴和刘平执笔， 第 3 章由中国科学院电工研究所肖立业和齐智平执笔， 第 4 章由南方电网科学研究院许爱东、 蒋屹新和李鹏执笔， 第 5 章由中国电力科学研究院刘超群、 赵强和宋燕敏执笔， 第 6 章由天津大学王成山、 王丹和贾宏杰执笔， 第 7 章由清华大学曾嵘、 张波和庄池杰执笔。 全书由李立浧、 郭剑波和饶宏统筹和校对。
本书得到了中国工程院重大咨询项目 （2015-ZD-09-09） 的大力支持， 在此深表谢意。 由于编写时间及编者水平所限， 书中疏漏及谬误之处在所难免，还望读者不吝赐教。
编 者

内容索引：

目 录
前言
第 1 章 绪论 ……………………………………………………………………… 1
1. 1 能源转型面临的挑战 ……………………………………………………… 1
1. 1. 1 能源结构亟待转型………………………………………………………… 1
1. 1. 2 新能源消纳面临瓶颈 ……………………………………………………… 3
1. 1. 3 能源利用效率亟待提升 …………………………………………………… 4
1. 1. 4 能源系统独立运行的局限性问题 ………………………………………… 5
1. 2 能源技术取得的突破 ……………………………………………………… 7
1. 2. 1 新能源成本的快速降低 …………………………………………………… 7
1. 2. 2 能源领域新材料取得的新突破 …………………………………………… 9
1. 2. 3 互联网技术在能源领域的应用优势 ……………………………………… 10
1. 3 智能电网与能源网融合的优越性 ……………………………………… 11
1. 3. 1 推动能源供给革命， 提高新能源消纳能力 ……………………………… 11
1. 3. 2 推动能源消费革命， 提高能源综合利用效率……………………………… 12
1. 3. 3 推动能源体制革命， 提供市场化所需技术支撑 …………………………… 13
1. 4 本章小结 ………………………………………………………………… 13
参考文献 ………………………………………………………………………… 14
第 2 章 智能电网与能源网的融合模式 ………………………………………… 15
2. 1 国内外发展现状 ………………………………………………………… 15
2. 2 融合模式的三种形态 …………………………………………………… 19
2. 2. 1 视角 A： 智能电网 2. 0 ………………………………………………… 20
2. 2. 2 视角 B： 互联能源网 …………………………………………………… 22
2. 2. 3 视角 C： “互联网+” 能源网……………………………………………… 25
2. 2. 4 融合模式的异同 ………………………………………………………… 27
2. 3 融合模式的支撑技术 …………………………………………………… 28

2. 3. 1 材料装备技术 …………………………………………………………… 29
2. 3. 2 信息通信技术 …………………………………………………………… 32
2. 4 融合模式的典型场景 …………………………………………………… 32
2. 4. 1 广域互联能源网 ………………………………………………………… 33
2. 4. 2 区域与用户级智能能源网 ……………………………………………… 33
2. 4. 3 “互联网+” 智慧能源…………………………………………………… 34
2. 5 本章小结 ………………………………………………………………… 34
参考文献 ………………………………………………………………………… 35
第 3 章 新材料新装备支撑技术 ………………………………………………… 38
3. 1 提升电能传输效率的新型材料与装备 ………………………………… 38
3. 1. 1 超导材料与装备 ………………………………………………………… 38
3. 1. 2 新型导电材料 …………………………………………………………… 43
3. 1. 3 特高压设备绝缘防护 …………………………………………………… 47
3. 2 促进可再生能源消纳的新型储能材料与装备 ………………………… 48
3. 2. 1 储能技术的基本类型 …………………………………………………… 48
3. 2. 2 储能材料与装置的技术发展方向 ………………………………………… 48
3. 3 未来先进电工装备的新型电工磁性材料 ……………………………… 51
3. 3. 1 电工磁性材料的基本类型 ……………………………………………… 51
3. 3. 2 电工磁性材料的技术发展方向 …………………………………………… 55
3. 4 未来电力电子化能源系统的新型半导体材料和器件 ………………… 57
3. 4. 1 宽禁带半导体材料的基本类型 …………………………………………… 57
3. 4. 2 宽禁带半导体材料与器件的技术发展方向 ……………………………… 65
3. 5 推进能源系统发展的智能 （功能） 材料 ……………………………… 67
3. 5. 1 非线性绝缘材料 ………………………………………………………… 68
3. 5. 2 自愈合绝缘材料 ………………………………………………………… 69
3. 6 本章小结 ………………………………………………………………… 71
参考文献 ………………………………………………………………………… 71
第 4 章 信息通信支撑技术 ……………………………………………………… 74
4. 1 促进透明电网的信息感知技术 ………………………………………… 74
4. 1. 1 芯片级传感技术 ………………………………………………………… 74
4. 1. 2 芯片化保护控制技术 …………………………………………………… 76

4. 1. 3 光纤传感网络技术 ……………………………………………………… 78
4. 1. 4 泛在网络技术 …………………………………………………………… 78
4. 1. 5 感知信息技术的发展方向 ……………………………………………… 81
4. 2 适应分布式处理的信息处理技术 ……………………………………… 83
4. 2. 1 云计算技术 ……………………………………………………………… 83
4. 2. 2 大数据应用技术 ………………………………………………………… 86
4. 2. 3 高性能计算技术 ………………………………………………………… 89
4. 2. 4 信息处理技术的发展方向 ……………………………………………… 90
4. 3 面向智能决策的信息交互技术 ………………………………………… 91
4. 3. 1 人工智能技术 …………………………………………………………… 91
4. 3. 2 虚拟现实技术 （VR） …………………………………………………… 93
4. 3. 3 物联网技术 ……………………………………………………………… 96
4. 3. 4 移动互联网技术 ……………………………………………………… 100
4. 3. 5 信息交互技术的发展方向 ……………………………………………… 102
4. 4 保障能源系统可靠性的信息安全技术 ………………………………… 103
4. 4. 1 云计算信息安全技术 …………………………………………………… 103
4. 4. 2 物联网信息安全技术 …………………………………………………… 104
4. 4. 3 能源工业控制系统安全技术 …………………………………………… 106
4. 4. 4 信息安全技术的发展方向 ……………………………………………… 109
4. 5 本章小结 ………………………………………………………………… 110
参考文献 ……………………………………………………………………… 110
第 5 章 广域互联能源网 ……………………………………………………… 113
5. 1 电力发展趋势 …………………………………………………………… 113
5. 1. 1 电力需求预测 ………………………………………………………… 113
5. 1. 2 电力供应预测 ………………………………………………………… 115
5. 1. 3 可再生能源发电预测 …………………………………………………… 117
5. 1. 4 电力流和输电需求预测 ………………………………………………… 118
5. 2 广域互联能源网的形态特征 …………………………………………… 120
5. 3 广域互联能源网的技术需求 …………………………………………… 121
5. 3. 1 远距离输电能力提升的技术需求 ……………………………………… 122
5. 3. 2 大电网安全稳定运行的技术需求 ……………………………………… 122

5. 3. 3 大规模可再生能源集中消纳的技术需求 ………………………………… 123
5. 4 远距离输电能力提升的技术发展方向 ………………………………… 124
5. 4. 1 特高压交流输电技术 …………………………………………………… 124
5. 4. 2 特高压直流输电技术 …………………………………………………… 126
5. 5 大电网安全稳定运行的技术发展方向 ………………………………… 127
5. 5. 1 基于运行轨迹的电力系统稳定分析与控制 ……………………………… 127
5. 5. 2 新一代特高压交直流仿真平台 ………………………………………… 129
5. 5. 3 交直流大电网系统保护技术 …………………………………………… 133
5. 5. 4 气象及能源大数据综合利用 …………………………………………… 136
5. 6 大规模可再生能源集中消纳的技术发展方向 ………………………… 138
5. 6. 1 柔性直流输电技术……………………………………………………… 138
5. 6. 2 大容量储能技术 ……………………………………………………… 139
5. 6. 3 适应大规模可再生能源接入的大电网调度技术 ………………………… 140
5. 7 本章小结 ………………………………………………………………… 146
参考文献 ……………………………………………………………………… 146
第 6 章 区域与用户级智能能源网 …………………………………………… 147
6. 1 现状及发展趋势 ………………………………………………………… 147
6. 2 智能能源网的形态特征 ………………………………………………… 148
6. 3 区域与用户级智能能源网的技术需求 ………………………………… 151
6. 3. 1 多能流耦合的关键支撑技术与设备……………………………………… 151
6. 3. 2 多能流耦合的规划设计技术 …………………………………………… 157
6. 3. 3 高比例可再生能源就地消纳的技术需求 ………………………………… 159
6. 3. 4 终端能源利用效率提升的技术需求……………………………………… 159
6. 4 多能流耦合的技术发展方向 …………………………………………… 160
6. 4. 1 电-气耦合技术 ………………………………………………………… 160
6. 4. 2 电-热耦合技术 ………………………………………………………… 161
6. 4. 3 电-氢耦合技术 ………………………………………………………… 163
6. 4. 4 互联信息保障技术……………………………………………………… 164
6. 5 多能流耦合规划设计技术的发展方向 ………………………………… 164
6. 6 高比例可再生能源就地消纳的技术发展方向 ………………………… 165
6. 6. 1 可再生能源发电功率预测技术 ………………………………………… 165

6. 6. 2 主动配电网 （能量管理） 技术 ………………………………………… 166
6. 6. 3 直流配电网与直流微网技术 …………………………………………… 168
6. 6. 4 分布式储能技术 ……………………………………………………… 169
6. 7 终端能源利用效率提升的技术发展方向 ……………………………… 170
6. 7. 1 需求侧综合管理技术 …………………………………………………… 170
6. 7. 2 智能能源网运行优化技术 ……………………………………………… 171
6. 8 本章小结 ………………………………………………………………… 172
参考文献 173 ………………………………………………………………………
第 7 章 “互联网+” 智慧能源 175 …………………………………………………
7. 1 现状及发展趋势 ………………………………………………………… 175
7. 2 “互联网+” 智慧能源的形态特征 ……………………………………… 177
7. 3 “互联网+” 智慧能源的技术需求 ……………………………………… 178
7. 3. 1 能源生产智慧化的技术需求 …………………………………………… 178
7. 3. 2 能源网络智慧化的技术需求 …………………………………………… 179
7. 3. 3 能源消费智慧化的技术需求 …………………………………………… 179
7. 4 能源生产智慧化的技术发展方向 ……………………………………… 180
7. 4. 1 基于互联网的能源生产信息公共服务网络 ……………………………… 180
7. 4. 2 基于大数据的生产调度智能化 ………………………………………… 180
7. 4. 3 支持可再生能源消纳和分布式能源接入能源网络 ……………………… 181
7. 4. 4 多能流生产协同的分析控制技术 ……………………………………… 181
7. 4. 5 虚拟发电厂技术 ……………………………………………………… 181
7. 5 能源网络智慧化的技术发展方向 ……………………………………… 181
7. 5. 1 透明电网/ 能源网 ……………………………………………………… 181
7. 5. 2 泛在信息能源网 ……………………………………………………… 183
7. 5. 3 基于互联网的能量管理技术 …………………………………………… 184
7. 6 能源消费智慧化的技术发展方向 ……………………………………… 186
7. 6. 1 基于互联网的能源交易 ………………………………………………… 186
7. 6. 2 基于互联网的用能设施的推广 ………………………………………… 188
7. 6. 3 基于互联网的能源领域商业新模式……………………………………… 190
7. 7 本章小结 ………………………………………………………………… 193
参考文献 ……………………………………………………………………… 193

第 8 章 我国智能电网与能源网融合的技术路线 …………………………… 194
8. 1 我国能源体系分析 ……………………………………………………… 194
8. 2 能源利用体系的演变 …………………………………………………… 195
8. 3 智能电网、 能源网融合定位及形态的演变 …………………………… 197
8. 4 智能电网与能源网融合的关键技术 …………………………………… 198
8. 5 智能电网与能源网融合的形态演变及技术路线 ……………………… 199
8. 6 本章小结 ………………………………………………………………… 199
参考文献 ……………………………………………………………………… 202

投稿会员：可爱莹