01、全球能源數(shù)字化技術發(fā)展態(tài)勢
當前，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)字化技術與能源產(chǎn)業(yè)有機相融，成為引領能源產(chǎn)業(yè)變革、實現(xiàn)創(chuàng)新驅動發(fā)展的源動力。目前，世界各國紛紛采取措施，推動數(shù)字化進程，將大數(shù)據(jù)分析及機器學習、區(qū)塊鏈、分布式能源管理和云計算等數(shù)字技術，應用到能源生產(chǎn)、輸送、交易、消費及監(jiān)管等各個環(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間、合適的地點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》預測，數(shù)字技術的大規(guī)模應用將使油氣生產(chǎn)成本減少10%～20%，使全球油氣技術可采儲量提高5%，頁巖氣有望獲得最大收益。僅在歐盟，增加存儲和數(shù)字化需求響應就可以在2040年將太陽能光伏發(fā)電和風力發(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，數(shù)字化還可以使碳捕獲和儲存等特定的清潔能源技術受益。
2018年全球能源數(shù)字化技術涵蓋了油氣勘探開發(fā)、加工、運輸、儲存，能源分配，廢物利用、能源貿(mào)易等環(huán)節(jié)，這些技術達到了優(yōu)化生產(chǎn)、提高能源供應可靠性和提升能源安全性的目的。
數(shù)字化可以管理更復雜的能源系統(tǒng)，有助于開發(fā)各種新技術。數(shù)字化是能源的發(fā)展趨勢，未來規(guī)模更大。根據(jù)彭博新能源財經(jīng)（BNEF）的數(shù)據(jù)，數(shù)字技術在能源領域應用廣泛，2017年的市場規(guī)模達到520億美元，約占全球數(shù)字技術應用市場的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)字技術的智能化會發(fā)生重大轉變，預計到2025年，全球能源領域的數(shù)字化市場規(guī)模將增長到640億美元，該數(shù)字技術應用包括大數(shù)據(jù)、機器學習/人工智能、云計算、區(qū)塊鏈等。其中，電網(wǎng)自動化預計將占100億美元，家庭用能系統(tǒng)的規(guī)模也將達到110億美元，超過風電光伏運行以及間歇性接入60億美元的市場規(guī)模。
02、國外能源數(shù)字化技術典型應用
隨著大數(shù)據(jù)與人工智能、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)和信息通信等技術在能源領域的深入應用，全球能源領域的科技創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，實踐應用變得更加多元化，本文精選了國外能源數(shù)字化技術的典型應用及案例，供參考。
（一）大數(shù)據(jù)與人工智能實現(xiàn)智能分析與運營
大數(shù)據(jù)與人工智能可以實現(xiàn)能源流的智能分析與管理，通過收集大量有關天氣、環(huán)境、大氣條件以及新能源電站和電網(wǎng)運行情況的數(shù)據(jù)建立預測模型，解決能源流的預測和管理問題，確保供需始終處于均衡狀態(tài)，以便實時匹配空間和時間的需求變化。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)、建筑物信息等結合起來，經(jīng)過深度分析挖掘后，實現(xiàn)商業(yè)智能分析，從而輔助管理人員進行決策，對生產(chǎn)業(yè)務進行智能調(diào)控。德國E.ON電力公司基于大數(shù)據(jù)技術實現(xiàn)實時用電查詢，除了能夠監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)和測量用戶用電，還可將歷史24個月電表數(shù)據(jù)存儲并加密保護，提供實時用電消費計算及實時查詢。英國國家電網(wǎng)公司完成了基于大數(shù)據(jù)技術測量設備資產(chǎn)信息、設備運行數(shù)據(jù)、天氣信息、腐蝕速率等相關信息，并實現(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，實現(xiàn)了實時用電消費計算及呈現(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，竊電檢測及節(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能源領域制造方式的變革。其中，通過智慧電廠的建設可以建立現(xiàn)代能源電力系統(tǒng)，實現(xiàn)安全、高效、綠色、低碳的發(fā)電，其特點表現(xiàn)為生產(chǎn)過程可以自主優(yōu)化，相關系統(tǒng)能夠采集、分析、判斷和規(guī)劃自身行為，智能地在線動態(tài)優(yōu)化配置設備及其參數(shù)。例如以色列初創(chuàng)公司Raycatch利用人工智能技術進行太陽能發(fā)電廠的管理與運營。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)，并對日常管理進行優(yōu)化和指導。該公司目前在全球范圍內(nèi)管理著約1吉瓦的光伏項目，覆蓋35000個逆變器和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)塊鏈技術實現(xiàn)資源共享
區(qū)塊鏈技術作為一種新的數(shù)據(jù)庫技術，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，并且在能源領域獲得了越來越多的關注。根據(jù)美國能源咨詢公司Indigo Advisory的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在能源領域使用區(qū)塊鏈技術的案例總數(shù)已超過100個，其中40%為分布式發(fā)電，20%為電網(wǎng)管理和電動汽車充電，另外10%為能源基礎設施和物聯(lián)網(wǎng)設備的連接。分布式能源共享模式是目前區(qū)塊鏈在能源行業(yè)的主要應用場景，區(qū)塊鏈的去中心化和分布式特點，可以大幅度降低電力的交易成本，提升交易效率，同時為社區(qū)、城市及其他地區(qū)的能源交易奠定基礎。
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?shù)貥嫿〝?shù)字化、互動式的能源區(qū)塊鏈平臺，PowerPeers不僅可以通過連接荷蘭數(shù)家太陽能、風力與水力發(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)塊鏈平臺并不只是讓住戶直接進行電力的交易，還能夠強化使用者之間的交流，透過PowerPeers，消費者可以輕松的邀請他人來使用自己生產(chǎn)的電力，消費者可以自由的選擇要購買哪些人的電力，同時他自己也可以成為一個生產(chǎn)者。
另外一個是基于區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)的充電樁共享經(jīng)濟模式，這種模式能夠解決多家充電公司支付協(xié)議復雜、支付方式不統(tǒng)一、充電樁相對稀缺、充電費用計量不精準等問題。該區(qū)塊鏈的組成節(jié)點包括多個運營商運營的充電樁、交易平臺、運營商節(jié)點和充電車輛。例如德國能源巨頭Innogy和物聯(lián)網(wǎng)平臺企業(yè)Slock.it合作推出基于區(qū)塊鏈的電動汽車點對點充電項目。用戶無需與電力公司簽訂任何供電合同，只需在智能手機上安裝Share&Charge APP，并完成用戶驗證，即可在Innogy廣布歐洲的充電樁上進行充電，電價由后臺程序自動根據(jù)當時與當?shù)氐碾娋W(wǎng)負荷情況實時確定。由于采用了區(qū)塊鏈技術，整個充電和電價優(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，從APP中找到附近可用的充電站，按照智能合約中的價格付款給充電站主人。不過，這種收費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)技術實現(xiàn)智能設備互聯(lián)、聯(lián)通
據(jù)華為預測，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)量將接近1000億個，每小時將有200萬個傳感器被部署；且55%的物聯(lián)網(wǎng)應用將集中在工商業(yè)領域，如智能電網(wǎng)、智能制造、智慧城市等。
當前物聯(lián)網(wǎng)在能源行業(yè)的應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)流行的應用之一，可以實現(xiàn)遠程抄表、監(jiān)測，提升利用效率，減少能源損耗等?？梢怨?jié)省運營成本，能夠快速、準確地收集電力消耗的數(shù)據(jù)。
歐盟委員會提出，到2020年，歐洲80%的家庭必須安裝智能電表。美國、德國等發(fā)達國家正在積極安裝智能電表，這是因為智能電表的部署將改善向消費者提供的公用事業(yè)服務，同時也將幫助政府實現(xiàn)能效目標并減少碳排放?！暗聡呖萍疾呗浴?006年頒布并實施，然而這一政策不斷更新變化。德國智能基礎設施的大規(guī)模發(fā)展始于2016年，當時采用的德國能源數(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)濟和能源部計算出，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，這項電網(wǎng)工程預定于2020年完工。負責架設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多重技術網(wǎng)絡，并透過RFMesh、G3PLC以及蜂巢式網(wǎng)絡通訊技術所提供的Wi-SUN聯(lián)機，連接公用事業(yè)及消費者裝置。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13億筆的目標邁進，而這所有的信息都會通過Landis+Gyr的前端（head-end）系統(tǒng)以及電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理解決方案進行處理。
（四）信息通信技術實現(xiàn)分散電源的協(xié)調(diào)和管理
虛擬電廠是一種通過先進信息通信技術和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)DG、儲能系統(tǒng)、可控負荷、電動汽車等DER的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網(wǎng)運行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)，在歐美國家已經(jīng)相當?shù)某墒臁?
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目。2005～2009年，在歐盟第6框架計劃下，由來自歐盟8個國家的20個研究機構和組織合作實施和開展了FENIX項目，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，形成一個大型的虛擬電場。德國初創(chuàng)公司Next Kraftwerke運營著一個集中控制的“虛擬發(fā)電廠”，目前已經(jīng)接入4000多個新能源發(fā)電單元，總體發(fā)電功率已經(jīng)達到2.7吉瓦，相當于幾個核電站。其運行模式是在每個發(fā)電單元上安裝一個叫作“Next Box”的通信和控制組件，Next Box通過一個專門的加密GPRS（通用分組無線服務）信道與中央服務器相連，一方面將發(fā)電單元的實時數(shù)據(jù)傳送到中央服務器，另一方面接收服務器的控制指令，這樣就可以對電網(wǎng)以及電力市場進行實時響應。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，采用CrowdNett家用電池產(chǎn)品平臺，此平臺可以作為一個基于云計算的虛擬電廠管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將其太陽能優(yōu)化器和逆變器機群變成分布式能源控制平臺的節(jié)點。
03、結語
近年來，移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字信息技術得到迅猛發(fā)展，能源數(shù)字技術成為引領能源產(chǎn)業(yè)變革、實現(xiàn)創(chuàng)新驅動發(fā)展的源動力，綜觀國際能源數(shù)字化格局，能源將逐步向低碳化、清潔化、分散化和智能化轉型。對此，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，大力發(fā)展低碳能源領域的新材料、新工藝、新技術，特別是與信息技術與數(shù)字技術的深度融合，搶占未來能源科技的戰(zhàn)略制高點。例如在歐盟科研創(chuàng)新資助計劃“地平線2020”2018～2020年度支出方案中，“低碳和適應氣候變化的未來”領域將獲33億歐元預算，按年度工作計劃，可再生能源、能效建筑、電動運輸和儲存方案4個清潔能源領域的項目將獲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)新項目，作為能源創(chuàng)新計劃(2016～2021年)的一部分。
隨著數(shù)字化技術與能源行業(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、經(jīng)驗和有價值的信息，大幅提高能源各領域的效率、降低成本，提高能源行業(yè)的競爭力。例如，在石油勘探領域智能機器人的應用，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，智能化電網(wǎng)系統(tǒng)的應用發(fā)展將可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)實時監(jiān)測、分析、分配和決策等，實現(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)境負面影響小、經(jīng)濟效益好以及功能可靠性高等特點，是未來能源發(fā)展的重要方向，將在電力系統(tǒng)轉型發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。特別是發(fā)展移動（或固定）分布式的低碳能源網(wǎng)絡，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)）結合并互動，以大數(shù)據(jù)等信息技術管理，實現(xiàn)橫向的多能互補與縱向的“源—網(wǎng)—荷—儲—用”優(yōu)化結合，提供多樣化的電能服務并提高能源利用的綜合效率。
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原文首發(fā)于《電力決策與輿情參考》2019年9月13日第34、35期
