能源互联网技术挑战与机遇——访清华大学信息技术研究院研究员曹军威

  • 能源互联网技术挑战与机遇
    ——访清华大学信息技术研究院研究员曹军威
    来源:科技日报 2012-12-19 高艳鹏

      ■人物介绍

      曹军威 博士,清华大学信息技术研究院研究员、院务委员会副主任,清华信息科学与技术国家实验室(筹)公共平台与技术部主任。1991年至1998年,清华大学自动化系本科、硕士毕业;2001年英国华威(Warwick)大学计算机博士毕业;2002年至2006年先后在德国NEC欧洲实验室和美国MIT/LIGO实验室任研究科学家(Research Scientist);2006年回清华工作至今,主要从事分布式计算技术及其在能源电力等领域的应用研究。

      美国著名经济学家杰里米•里夫金的第三次工业革命和能源互联网的提法最近在社会上引起广泛关注。杰里米•里夫金认为:“在即将到来的时代,我们将需要创建一个能源互联网,让亿万人能够在自己的家中、办公室里和工厂里生产绿色可再生能源。多余的能源则可以与他人分享,就像我们现在在网络上分享信息一样。”他还提出,“互联网技术和可再生能源将结合起来所构成的能源互联网,将是实现能源分布式供应的一种有效模式。”中国正处于工业化、信息化和城镇化的关键阶段,能源将是未来发展的主要制约因素,能源的可持续发展是需要迫切解决的问题。但能源互联网真的能够彻底解决能源可持续发展的问题吗?从技术发展的角度能源互联网的实现离我们还有多远?带着这些问题,笔者走访了清华大学信息技术研究院研究员曹军威博士,他的科研团队近年来在能源电力和信息技术的交叉领域进行了深入研究。我们有幸和大家一起分享一下他的心得与体会。

      笔者:里夫金在《第三次工业革命》一书中提出了互联网通信技术与能源体系交汇的设想,描述了“人人发电、人人用电”的能源互联的理想场景,您和您的团队长期从事能源电力和信息技术的交叉领域研究,如何看待这个问题呢?

      曹军威:正如里夫金自己曾经提到的那样,他作为经济学家,能源互联网的提出更多的是来源于经济学或者哲学层面上的深入思考,并没有提出与之相应的技术体系与实现,而这恰恰是我们作为研究和技术人员的工作重点。能源是人类生存发展的重要物质基础,但从世界范围来看,能源可持续发展的问题始终没有得到根本解决。基于现有的能源基础设施,可再生能源资源在传输和利用等方面仍存在瓶颈,因此,我们尝试运用先进的信息和互联网的理念、方法和技术,与可再生能源技术相结合,构建能源互联网,希望提出一条实现能源可持续发展的可预见的、具有可行性的技术路线。这也是近年来我们致力于能源电力和信息技术的交叉领域研究的主要动力。

      笔者:能否介绍一下您的团队的研究工作,为什么如此关注能源与信息技术的交叉领域研究?

      曹军威:我所在的清华大学信息技术研究院是清华信息科学与技术国家实验室(筹)的组成部分,作为高等院校中的独立实体科研机构,我们更强调面向国家战略和产业发展的重大需求开展学科交叉研究。我本人一直从事分布式计算系统技术研究,一个有趣的现象是,十几年来我们一直需要关注能源电力方面的研究和进展。比如十年前从学术届兴起的网格计算到现在产业上力推的云计算,都是分布式计算的具体形式,其中的核心思想在于基础架构化,就是信息技术发展到一定阶段希望也能像能源电力一样构建基础设施,通过基础设施提供安全、可靠、经济、便捷的服务,这样终端用户就不用关心具体的软件、硬件、文件、数据等,而仅仅是付费接受服务。随着云计算模式的不断推广,数据中心成为信息基础设施的核心,随着数据中心规模的不断扩大,能源电力的供应成为主要瓶颈,这就是为什么Google,IBM,Microsoft(微软)等IT公司开始关注能源领域并投入大量资金研发更加经济、高效、绿色、环保的能源问题解决方案,Google在美国甚至申请了能源运营牌照。而几年前当我们真的开始研究能源电力相关问题时,从美国到中国又掀起了建设智能电网的热潮,电网的建设也越来越需要信息技术的支撑,实现智能化,这使得我们更加坚信能源与信息基础设施的一体化是大势所趋,能源与信息技术的交叉领域大有作为,而能源互联网的提出并受到广泛关注再一次验证了我们的判断是正确的。

      笔者:按照里夫金的观点,工业革命总是与技术革命相伴而生。蒸汽机的出现促成了近代集约化生产方式的形成,大大促进了生产力的发展,引发了第一次工业革命,同时也极大促进了化石能源的开采和利用。发电机、电动机的发明以及远距离输电技术的出现,将人类带入大批量生产的电气时代,造就了第二次工业革命,同时也形成目前现代电网中集中电力生产传输的格局。第一次、第二次工业革命的模式是,技术革命引发生产方式的革命,而生产方式的革命又导致了能源供给体系的变革。按照这种逻辑,第三次工业革命和能源互联网的兴起是否就是一种必然呢?

      曹军威:我很认同里夫金的观点。技术的进步与工业革命的关系应该有客观规律可循,但我本人不是经济学家,对目前技术的发展程度是否真能引发新一轮工业革命没有研究。我们主要关注能源互联网技术本身,有人可能认为能源互联网就是智能电网,我们认为不确切。智能电网还是现有电网架构上通过信息化和智能化的手段,解决设备利用率,安全可靠性、供电质量、新能源接入等基本问题;而能源互联网不同在于采用互联网理念、方法和技术实现能源基础设施架构本身的重大变革,构建新型的信息能源融合网络。里夫金就能源互联网做出了非常深刻的提炼和概括,我们也非常认同能源和信息技术的融合将从根本上改变能源的生产和利用方式,能源供应将向分散生产和网络共享的方式转变的大趋势是不容置疑的。

      笔者:您提到能源互联网将构建新型的信息能源融合网络,您对能源互联网的基本构架有什么构想呢?

      曹军威:能源互联网是以互联网理念构建的新型信息能源融合“广域网”,它以大电网为“主干网”,以微网为“局域网”,以开放对等的信息能源一体化架构真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用,因此可以最大限度的适应新能源的接入。微网是能源互联网中的基本组成元素,通过新能源发电、微能源的采集、汇聚与分享以及微网内的储能或用电消纳形成“局域网”。能源互联网是微网的广域连接形式,是分布式能源的接入形式,是从分布式能源的大型、中型发展到了任意的小型、微型的“广域网”实现。大电网的形成有其必然性,在传输效率等方面仍然具有无法比拟的优势,将来仍然是能源互联网中的“主干网”。电能源仅仅是能源的一种,但电能在能源传输效率等方面具有无法比拟的优势,未来能源基础设施在传输方面的主体必然还是电网,因此未来能源互联网基本上是互联网式的电网。能源互联网把一个集中式的、单向的、生产者控制的电网,转变成大量分布式辅助较少集中式的和与更多的消费者互动的电网。

      笔者:能否具体介绍一下国际上能源互联网研究领域都做了哪些技术层面上的探索?

      曹军威:事实上,能源互联网从技术的层面早就提出了,美国和欧洲早就有相关的研究计划。2008年美国NSF在北卡州立大学建立了FREEDM系统中心,有17个科研院所和30余个工业伙伴共同参与,希望将电力电子技术和信息技术引入电力系统,在未来配电网层面实现能源互联网理念。效仿网络技术的核心路由器,他们提出了能源路由器的概念并且进行了原型实现,利用电力电子技术实现对变压器的控制,路由器之间利用通信技术实现对等交互。FREEDM基本上是从电力电子技术的角度出发,希望以分布对等的系统控制与交互,实现能源互联网的理念。再有上个月MIT的科技创业(Technology Review)报导了一个位于加州的叫做Stem的新兴能源公司,开发了一款用于商业建筑的智能电池,将精简型的汽车锂离子电池和电力电子设备相连接,这些电力电子设备在向楼宇供电和从电网中充电这两种状态间快速切换,而大量的智能分析是通过云计算来完成。这样的智能电池稍加拓展实现相互间的通信与控制,就完全符合里夫金描述的以建筑楼宇为单元的能源互联网原型,这是从储能的角度实现能源互联网的典型例子。另外德国BDI也提出了E-Energy理念和能源互联网计划,并早在2008年年底开始投资实施该计划。德国是借此打造一个基于信息和通信技术的能源供应系统,并在六个区域实现示范应用形成能源需求和供给的互动,在能源互联网基础上实现一个连接能源供应链各个环节业务流程的互动系统。

      笔者:您刚才从电力电子、储能和能量管理等角度讲述了能源互联网实现所涉及的具体技术,那么您觉得能源互联网的实现还存在哪些主要的技术挑战呢?

      曹军威:能源互联网关键技术的实现可以借鉴现有技术,但同时对现有技术也提出了更高更多的要求。首先,能源互联网系统体系架构和其中的信息能源融合机制还需要深入研究,比如可以借鉴未来网络体系结构研究的相关最新成果。传统网络强调机器的连接,而现在互联网是以内容为中心,借鉴内容中心网络(CCN)的架构,可以更好在能源互联网中实现信息流支撑能源流的管理。刚才提到的能源路由器是能源互联网实现的核心,但能源的路由比信息要复杂的多,主要体现在存储和控制的难度上。储能相当于能源互联网中的缓存,经济可行的大规模储能仍然是技术难点,效率,充放电次数,成本,容量等问题还有待解决。电力电子技术是实现能源互联网控制的主要手段,按照用户的需要以指定电压和频率控制电力的传输仍然是技术难点,电力电子变压器和传统变压器相比仍然有效率、容量和可靠性等方面的瓶颈问题,需要材料等方面的技术突破。最后是分散协同式的能量管理,传统的能量管理系统在消纳大规模可再生能源发电方面遇到瓶颈,需要在能源互联网的基础上实现一个能源信息实时采集、处理、分析与决策的新一代源—网—荷协同的能量管理系统。总之,我们认为要彻底实现能源互联网关键性技术的产业化还的确有很长的路要走。但从我们已掌握的技术看,从小规模到大范围,从简单到复杂,逐步集成创新来实现能源互联网的原型系统和示范工程还是具有一定的现实可行性的。

      笔者:挑战总是与机遇并存。您认为能源互联网技术的发展能带来哪些机遇?

      曹军威:是的,挑战的背后总是蕴藏着巨大的发展空间和机遇。互联网精神的核心在于开放对等,这使得互联网发展到现在新的应用方式和商业模式层出不穷,显示出极强的生命力,尤其是近年来移动互联网和社交网络的兴起,又一次显示出被里夫金喻为“横向力量”的强大,而将这种在信息领域率先实现的“横向力量”运用于制造、能源等传统工业领域,给人以巨大的想象空间。从技术的层面,我们始终坚信信息与其他领域技术的深度融合才仅仅是一个开始,能源互联网为这一方向提供了一个非常适宜的技术发展载体,信息技术所带来的人们生产和生活方式的变革将被进一步放大。反过来能源技术本身所面临的瓶颈和可持续发展等方面的重要问题,也需要新理念、新方法和新思路的指导,能源互联网不仅仅是电网的信息化和智能化,而是互联网理念引导下的能源基础设施变革,最终实现信息能源基础设施的一体化进程。具体信息请大家关注新浪微博——能源互联网研究小组。

     

    摘自清华新闻网
     
     


【发布时间:2016-12-19】【浏览次数:447】