分析| 全球能源数字化技术发展方向及应用趋势

摘要：区块链技术作为一种新的数据库技术，可增加能源互联网中多利益主体的相互信任，其去中心化、公开、透明等特性与能源互联网的理念相符，并且在能源领域获得了越来越多的关注。虚拟电厂是一种通过先进信息通信技术和软件系统，实现DG、储能系统、可控负荷、电动汽车等DER的聚合和协调优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统，在欧美国家已经相当的成熟。在解决由新能源的分散性所带来的发电量不可控的问题上，利用信息技术可以将分散的新能源发电单元协调组织起来，形成一个大型的虚拟电场。

01全球能源数字化技术发展态势

当前，新一轮科技革命和产业革命加速兴起，“大云物智移链”等数字化技术与能源产业有机相融，成为引领能源产业变革、实现创新驱动发展的源动力。目前，世界各国纷纷采取措施，推动数字化进程，将大数据分析及机器学习、区块链、分布式能源管理和云计算等数字技术，应用到能源生产、输送、交易、消费及监管等各个环节。能源和资源数字化后，将得以智能化分配，并明确如何能够在合适的时间、合适的地点以最低的成本提供能源，效率得到大幅提升。

根据IEA《数字化和能源》预测，数字技术的大规模应用将使油气生产成本减少10%～20%，使全球油气技术可采储量提高5%，页岩气有望获得最大收益。仅在欧盟，增加存储和数字化需求响应就可以在2040年将太阳能光伏发电和风力发电的弃电率从7%降至1.6%，从而到2040年避免3000万吨二氧化碳排放。与此同时，数字化还可以使碳捕获和储存等特定的清洁能源技术受益。

2018年全球能源数字化技术涵盖了油气勘探开发、加工、运输、储存，能源分配，废物利用、能源贸易等环节，这些技术达到了优化生产、提高能源供应可靠性和提升能源安全性的目的。

2018年全球能源领域数字技术的应用情况


数字化可以管理更复杂的能源系统，有助于开发各种新技术。数字化是能源的发展趋势，未来规模更大。根据彭博新能源财经（BNEF）的数据，数字技术在能源领域应用广泛，2017年的市场规模达到520亿美元，约占全球数字技术应用市场的44%。在这520亿美元中，有46%（240亿美元）用于化石能源电厂的运行管理（如传感器、数字采集和解析以提高电厂效率），35%用于智能电表（180亿美元）。从现在起到2025年，能源数字技术的智能化会发生重大转变，预计到2025年，全球能源领域的数字化市场规模将增长到640亿美元，该数字技术应用包括大数据、机器学习/人工智能、云计算、区块链等。其中，电网自动化预计将占100亿美元，家庭用能系统的规模也将达到110亿美元，超过风电光伏运行以及间歇性接入60亿美元的市场规模。

02国外能源数字化技术典型应用

随着大数据与人工智能、区块链、物联网和信息通信等技术在能源领域的深入应用，全球能源领域的科技创新不断涌现，实践应用变得更加多元化，本文精选了国外能源数字化技术的典型应用及案例，供参考。

（一）大数据与人工智能实现智能分析与运营

大数据与人工智能可以实现能源流的智能分析与管理，通过收集大量有关天气、环境、大气条件以及新能源电站和电网运行情况的数据建立预测模型，解决能源流的预测和管理问题，确保供需始终处于均衡状态，以便实时匹配空间和时间的需求变化。在欧美国家，一些大数据公司已经将电力企业大量、庞杂、无序的智能仪表数据与天气数据、建筑物信息等结合起来，经过深度分析挖掘后，实现商业智能分析，从而辅助管理人员进行决策，对生产业务进行智能调控。德国E.ON电力公司基于大数据技术实现实时用电查询，除了能够监测电网状态和测量用户用电，还可将历史24个月电表数据存储并加密保护，提供实时用电消费计算及实时查询。英国国家电网公司完成了基于大数据技术测量设备资产信息、设备运行数据、天气信息、腐蚀速率等相关信息，并实现资产战略管理。加拿大BCHydro公司基于大数据的用户行为分析，实现了实时用电消费计算及呈现，客户用电模式分析及呈现，用电断供通知以及快速恢复，窃电检测及节能管理。

目前，具备信息物理系统的智能装备、智慧工厂等智能制造正在引领能源领域制造方式的变革。其中，通过智慧电厂的建设可以建立现代能源电力系统，实现安全、高效、绿色、低碳的发电，其特点表现为生产过程可以自主优化，相关系统能够采集、分析、判断和规划自身行为，智能地在线动态优化配置设备及其参数。例如以色列初创公司Raycatch利用人工智能技术进行太阳能发电厂的管理与运营。该公司推出了基于AI的诊断和优化解决方案，可获取并分析太阳能发电厂所有的生产数据，并对日常管理进行优化和指导。该公司目前在全球范围内管理着约1吉瓦的光伏项目，覆盖35000个逆变器和400万块控制面板，客户包括Enlight、ARAVA POWER、EDF、通用电气等大型公司。

（二）区块链技术实现资源共享

区块链技术作为一种新的数据库技术，可增加能源互联网中多利益主体的相互信任，其去中心化、公开、透明等特性与能源互联网的理念相符，并且在能源领域获得了越来越多的关注。根据美国能源咨询公司Indigo Advisory的统计数据，在能源领域使用区块链技术的案例总数已超过100个，其中40%为分布式发电，20%为电网管理和电动汽车充电，另外10%为能源基础设施和物联网设备的连接。分布式能源共享模式是目前区块链在能源行业的主要应用场景，区块链的去中心化和分布式特点，可以大幅度降低电力的交易成本，提升交易效率，同时为社区、城市及其他地区的能源交易奠定基础。

瑞典国营电力公司大瀑布电力（VattenFall）投资了荷兰阿姆斯特丹的初创公司（PowerPeers），在当地构建数字化、互动式的能源区块链平台，PowerPeers不仅可以通过连接荷兰数家太阳能、风力与水力发电企业，让社区的住户自由选择电力供给渠道，组成自己的能源社区；同时可以让社区的住户分享或交易他们多余的太阳能电力。也就是说，PowerPeers的区块链平台并不只是让住户直接进行电力的交易，还能够强化使用者之间的交流，透过PowerPeers，消费者可以轻松的邀请他人来使用自己生产的电力，消费者可以自由的选择要购买哪些人的电力，同时他自己也可以成为一个生产者。

另外一个是基于区块链生态系统的充电桩共享经济模式，这种模式能够解决多家充电公司支付协议复杂、支付方式不统一、充电桩相对稀缺、充电费用计量不精准等问题。该区块链的组成节点包括多个运营商运营的充电桩、交易平台、运营商节点和充电车辆。例如德国能源巨头Innogy和物联网平台企业Slock.it合作推出基于区块链的电动汽车点对点充电项目。用户无需与电力公司签订任何供电合同，只需在智能手机上安装Share&Charge APP，并完成用户验证，即可在Innogy广布欧洲的充电桩上进行充电，电价由后台程序自动根据当时与当地的电网负荷情况实时确定。由于采用了区块链技术，整个充电和电价优化过程是完全可追溯和可查询的，因此极大地降低了信任成本。需要充电时，从APP中找到附近可用的充电站，按照智能合约中的价格付款给充电站主人。不过，这种收费方式目前还没有得到普及，即使在德国，以太坊钱包只是一部分人的选择。

（三）物联网技术实现智能设备互联、联通

华为预测，到2025年，物联网设备的数量将接近1000亿个，每小时将有200万个传感器被部署；且55%的物联网应用将集中在工商业领域，如智能电网、智能制造、智慧城市等。

当前物联网在能源行业的应用主要集中在智能电网、智能家居、智慧能源管理系统、智能合约（智能电表）和智慧能源环保等方面。而智能电表是物联网流行的应用之一，可以实现远程抄表、监测，提升利用效率，减少能源损耗等。可以节省运营成本，能够快速、准确地收集电力消耗的数据。

欧盟委员会提出，到2020年，欧洲80%的家庭必须安装智能电表。美国、德国等发达国家正在积极安装智能电表，这是因为智能电表的部署将改善向消费者提供的公用事业服务，同时也将帮助政府实现能效目标并减少碳排放。“德国高科技策略”2006年颁布并实施，然而这一政策不断更新变化。德国智能基础设施的大规模发展始于2016年，当时采用的德国能源数字化法案，其主要目的是向分布式数字电网过渡。2014年，德国联邦经济和能源部计算出，使用智能电网可以将该国的电力传输成本降低40%。

日本东京电力公司委托瑞士电表厂商Landis+Gyr架设的智能电网已是目前全世界规模最大的公用事业物联网工程，这项电网工程预定于2020年完工。负责架设东京电力公司智能电网工程的Landis+Gyr目前已完成1000万套智能电表与装置的安装。当电网部署完成后，将涵盖超过2700万套电表以及其他物联网装置。这套电网系统使用了Landis+Gyr的IPv6多重技术网络，并透过RFMesh、G3PLC以及蜂巢式网络通讯技术所提供的Wi-SUN联机，连接公用事业及消费者装置。目前东京电力公司智能电网每天可传输5.13亿笔读取数据，并且还在向13亿笔的目标迈进，而这所有的信息都会通过Landis+Gyr的前端（head-end）系统以及电网数据管理解决方案进行处理。

（四）信息通信技术实现分散电源的协调和管理

虚拟电厂是一种通过先进信息通信技术和软件系统，实现DG、储能系统、可控负荷、电动汽车等DER的聚合和协调优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统，在欧美国家已经相当的成熟。

基于虚拟电厂的理论研究，国外相继开展了一系列虚拟电厂工程示范项目。2005～2009年，在欧盟第6框架计划下，由来自欧盟8个国家的20个研究机构和组织合作实施和开展了FENIX项目，旨在将大量的分布式电源聚合成虚拟电厂并使未来欧盟的供电系统具有更高的稳定性、安全性和可持续性。

在解决由新能源的分散性所带来的发电量不可控的问题上，利用信息技术可以将分散的新能源发电单元协调组织起来，形成一个大型的虚拟电场。德国初创公司Next Kraftwerke运营着一个集中控制的“虚拟发电厂”，目前已经接入4000多个新能源发电单元，总体发电功率已经达到2.7吉瓦，相当于几个核电站。其运行模式是在每个发电单元上安装一个叫作“Next Box”的通信和控制组件，Next Box通过一个专门的加密GPRS（通用分组无线服务）信道与中央服务器相连，一方面将发电单元的实时数据传送到中央服务器，另一方面接收服务器的控制指令，这样就可以对电网以及电力市场进行实时响应。2017年Next公司三分之一的股份被荷兰公用事业公司Eneco收购。Eneco公司正在为虚拟发电厂开发家用电池网络，采用CrowdNett家用电池产品平台，此平台可以作为一个基于云计算的虚拟电厂管理系统，该系统可以将其太阳能优化器和逆变器机群变成分布式能源控制平台的节点。

03结语

近年来，移动互联网、大数据、云计算、物联网等数字信息技术得到迅猛发展，能源数字技术成为引领能源产业变革、实现创新驱动发展的源动力，综观国际能源数字化格局，能源将逐步向低碳化、清洁化、分散化和智能化转型。对此，欧盟、美国、日本都提出了高比例发展非化石能源的战略目标，大力发展低碳能源领域的新材料、新工艺、新技术，特别是与信息技术与数字技术的深度融合，抢占未来能源科技的战略制高点。例如在欧盟科研创新资助计划“地平线2020”2018～2020年度支出方案中，“低碳和适应气候变化的未来”领域将获33亿欧元预算，按年度工作计划，可再生能源、能效建筑、电动运输和储存方案4个清洁能源领域的项目将获22亿欧元拨款。英国投入2800万英镑资助可再生能源创新、低碳工业创新、核能创新等能源创新项目，作为能源创新计划(2016～2021年)的一部分。

随着数字化技术与能源行业的高度融合，能源发展也日趋分散化和智能化。智能化发展可以基于海量大数据分析和人工智能为能源行业提供技术、经验和有价值的信息，大幅提高能源各领域的效率、降低成本，提高能源行业的竞争力。例如，在石油勘探领域智能机器人的应用，将解禁全球之前大量无法开采或者高成本开采的油气田，全球能源可开采量将发生巨大变化。同时，智能化电网系统的应用发展将可以实现对电力系统实时监测、分析、分配和决策等，实现电力分配、使用的效率最大化。

此外，分布式能源具有利用效率高、环境负面影响小、经济效益好以及功能可靠性高等特点，是未来能源发展的重要方向，将在电力系统转型发展中发挥重要的作用。特别是发展移动（或固定）分布式的低碳能源网络，如建筑、人、车、包等既是能源的消耗者，又可成为能源的生产者，与集中式的智能能源网（集成电、热、冷、水、气象网）结合并互动，以大数据等信息技术管理，实现横向的多能互补与纵向的“源—网—荷—储—用”优化结合，提供多样化的电能服务并提高能源利用的综合效率。