作者簡介：

慈松，博士，美國University of Nebraska-Lincoln終身副教授，清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院特聘研究員，國家能源局中國能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略研究課題組首席科學家，國家能源互聯(lián)網(wǎng)行動計劃戰(zhàn)略預研課題“能源互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)特征與系統(tǒng)架構(gòu)”負責人，入選中科院百人計劃。主要從事復雜系統(tǒng)建模、控制與優(yōu)化理論研究，并致力于將其研究成果應用于網(wǎng)絡(luò)通信與分布式儲能等領(lǐng)域，迄今在這些領(lǐng)域已發(fā)表近二百篇學術(shù)論文, 其中包括國際著名學術(shù)期刊《ACM Transactions on Modeling》、《IEEE Journal of Selected Areas of Communications (JSAC)》、《IEEE Transactions on Energy Conversion (ITEC) 》、《IEEE Transactions on Automactic Control (ITAC) 》等。獲國際會議最佳論文獎2次，并曾應邀在美國國家基金會的能量管理科學年會上做特邀亮點報告。慈松博士主持承擔多項美國和中國的科研項目，并曾受邀擔任多個科學基金會及研究機構(gòu)的評審專家。

能量信息化與互聯(lián)技術(shù)及其在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應用

1. 背景

當下能源行業(yè)經(jīng)歷著巨大變革——分布式發(fā)電大量興起，用電需求呈現(xiàn)多樣性并快速增長，以不斷增加化石能源消耗的能源供給方式不可持續(xù)。在人們不斷探尋有效的能源革命路徑的同時，以實現(xiàn)最大范圍的信息互聯(lián)共享為基本目標的互聯(lián)網(wǎng)，正以前所未有的速度與力度影響著人類社會?；ヂ?lián)網(wǎng)在改變?nèi)祟惿a(chǎn)生活方式的同時也顛覆了許多傳統(tǒng)行業(yè)保持了數(shù)十年的運行方式，推動了“工業(yè)4.0”和“互聯(lián)網(wǎng)+”的快速興起。以互聯(lián)網(wǎng)為載體的信息資源作為當今時代的一種新型生產(chǎn)資料，催化衍生出不同形態(tài)的產(chǎn)品、效益與價值?！　?/span>

互聯(lián)網(wǎng)的成功在于借助信息技術(shù)實現(xiàn)了“人，機，物”的三元融合與互聯(lián)共享，極大地激發(fā)了產(chǎn)業(yè)價值鏈上每個智能單元的創(chuàng)新能動性，進而推動了各行各業(yè)的創(chuàng)新與變革。隨著互聯(lián)網(wǎng)思想與應用潛移默化地滲透到人類社會活動的各個角落，第三次工業(yè)革命和能源互聯(lián)網(wǎng)應時而生并成為“互聯(lián)網(wǎng)＋智慧能源”的實現(xiàn)平臺技術(shù)，其核心思想是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)模式與相應基礎(chǔ)設(shè)施碎片化后進而通過信息技術(shù)進行優(yōu)化重組融合。具體來說，在能源領(lǐng)域中第三次工業(yè)革命和能源互聯(lián)網(wǎng)表現(xiàn)為由現(xiàn)代化大工業(yè)催生出的集中式即發(fā)即用的單向發(fā)電供電模式，將轉(zhuǎn)向與工業(yè)4.0 為代表的定制化生產(chǎn)相匹配的大規(guī)模分布式發(fā)電和用電，同時將產(chǎn)生以滿足用戶定制化能量需求為目標的虛擬電網(wǎng)和電廠等新的業(yè)態(tài)。通過能量的信息化與互聯(lián)共享技術(shù)對現(xiàn)存能源系統(tǒng)進行優(yōu)化配置，達到盤活存量提高效率的目的。

2. 能量信息化與互聯(lián)的思想

要真正實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)，需要思想、技術(shù)與模式的創(chuàng)新，甚至顛覆?？梢灶A見的是能源互聯(lián)網(wǎng)首先要解決的問題是用戶側(cè)千差萬別的用電需求和海量分布式電源的接入所帶來的波動性、隨機性與不確定性。為了消除能量產(chǎn)生、傳輸、使用過程中的不確定性，能量的存儲技術(shù)，尤其是儲電技術(shù)，將成為能源互聯(lián)網(wǎng)得以實現(xiàn)的核心使能技術(shù)。但是，目前電池儲能面臨著成本、性能、應用模式等諸多方面的制約和挑戰(zhàn)，電池能量管控技術(shù)還停留在較為傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)（BMS）的層面，無法對單體電池進行精準的能量管控。全生命周期數(shù)據(jù)的缺失造成電池應用模式的“煙囪式”應用模式，無法有效根據(jù)應用特點動態(tài)復用?！　?/span>

從能量與信息的本質(zhì)關(guān)系上看，能量與信息的內(nèi)在聯(lián)系被長期割裂。能量從信息領(lǐng)域的角度看通常只是一個模擬連續(xù)變量，即只關(guān)注其物理屬性（如開/關(guān)，電流，電壓，功率等）而忽略其內(nèi)在的信息屬性，更無法從信息領(lǐng)域進行能量的動態(tài)時空可變粒度調(diào)配。要實現(xiàn)類似于互聯(lián)網(wǎng)中信息共享那樣的能量互聯(lián)共享，首先需要基于信息物理融合系統(tǒng)（cyber-physical system，CPS）實現(xiàn)能量的信息化，即通過電力電子半導體技術(shù)在物理上把能量進行離散化存儲在單體電池中，并通過信息技術(shù)將離散化存儲的能量在時空可變控制粒度的層面進行處理和調(diào)度。能量信息化技術(shù)改變了傳統(tǒng)電網(wǎng)即發(fā)即用的集中管控模式，極大提升了用戶側(cè)海量雙向電源的接納能力；其次，基于能量的離散化存儲，將能量系統(tǒng)與負載系統(tǒng)通過信息化統(tǒng)一整合，使能量轉(zhuǎn)化成同計算資源、帶寬資源及信息存儲資源等信息領(lǐng)域中可以精細管控和計量的資源一樣，進而通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行靈活的網(wǎng)絡(luò)化管理與調(diào)控，催生出能量云與能量大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，支撐能量C2C/C2B的運營模式。

3. 動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)

自從2006年以來，慈松教授團隊一直在研究能量與信息深度融合技術(shù)及其在分布式儲能系統(tǒng)中的應用，并獲得了美國國家科學基金會（NSF）的多項資助。通過采用能量信息化思想，以電池單體作為能量離散化存儲裝置，進而采用數(shù)字化與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)化的分布式處理管控思想，將數(shù)千節(jié)電池單體互聯(lián)成電池網(wǎng)絡(luò)，通過電池網(wǎng)絡(luò)處理專用ASIC進行電池網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)，實現(xiàn)了基于能量信息化與互聯(lián)技術(shù)的能量數(shù)字化處理和管控，進而從根本上徹底解決了傳統(tǒng)電池組管理中的一系列關(guān)鍵問題，如效率、均衡、可靠性與安全性等問題。　　

動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計如圖1所示，單體電池通過電力電子半導體開關(guān)器件組合形成可重構(gòu)拓撲的電池網(wǎng)絡(luò)，稱為第一級分布式電池網(wǎng)絡(luò)單元，其中電池信息采集傳感器通過并行多路采集，對每個電池單體的電流、電壓、溫度等信息進行實時感知。通過電池網(wǎng)絡(luò)控制芯片在線精確估算電池的荷電容量SOC與健康狀態(tài)SOH等信息，動態(tài)形成電池網(wǎng)絡(luò)拓撲控制策略，最后控制開關(guān)狀態(tài)形成當前最優(yōu)的電池網(wǎng)絡(luò)拓撲。第一級分布式電池網(wǎng)絡(luò)單元可以通過同樣的組網(wǎng)方式和電池網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進一步構(gòu)成第二級、第三級…….以及超大規(guī)模的電池網(wǎng)絡(luò)，以類似于構(gòu)建云計算中心的形式迅速構(gòu)建滿足不同應用場景與領(lǐng)域的儲能需求。 目前慈松教授團隊已經(jīng)成功研制出世界首套基于能量信息化與互聯(lián)技術(shù)的分布式能量管控系統(tǒng)，該電池網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有管控節(jié)點1792個（同互聯(lián)網(wǎng)一樣，電池網(wǎng)絡(luò)理論上的可擴展能力為無窮大），實現(xiàn)了能量與信息的緊密融合，并可通過互聯(lián)網(wǎng)管控每一節(jié)單體電池，實現(xiàn)了毫秒級電池網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)重構(gòu)和納秒級單體電池通斷（能量的線上和線下），實現(xiàn)了電池儲能系統(tǒng)非線性的線性近似，極大提高了系統(tǒng)的效率、安全性、可靠性、可擴展性和易用性。

4. 動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的實踐與應用

圖2給出的分布式儲能系統(tǒng)由上千節(jié)電池單體組成的電池網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可擴展至兆瓦時級，并已在國內(nèi)通信基站和第三方互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機房應用。該系統(tǒng)通過數(shù)字化手段對電池單體進行動態(tài)管控，重構(gòu)電網(wǎng)絡(luò)拓撲，達到充分利用電池充放電的非線性，動態(tài)隔離單體故障電池，屏蔽電池的差異性，實現(xiàn)了電池能量信息化與互聯(lián)網(wǎng)化管控的目的，具有極高的系統(tǒng)效率、經(jīng)濟性、安全性和可靠性。同時，通過能量信息化與互聯(lián)技術(shù)使能量變?yōu)榭梢杂嬎悖╟omputable）的資源，實現(xiàn)了信息能量緊密融合一體化調(diào)度的能力，為支撐未來能源互聯(lián)網(wǎng)與可持續(xù)ICT打下了堅實基礎(chǔ)。

5. 能量信息化與互聯(lián)網(wǎng)化管控思想的延拓——互聯(lián)網(wǎng)化C端能量運營模式

能量信息化與網(wǎng)絡(luò)化管控可以將C端存在的數(shù)量巨大而利用率極低、碎片化存在的電池儲能能力進行存量負資產(chǎn)盤活，通過互聯(lián)網(wǎng)化能量管控和運營來提高有效利用率，實現(xiàn)uber形式的大規(guī)模儲能系統(tǒng)。舉例來說，全國移動通信基站中大約有180多億Ah的儲能電池，通過能量信息化與互聯(lián)網(wǎng)化的分布式能量管控與協(xié)同，根據(jù)峰谷電價的波動與用電負載變化，將這些碎片化的儲能能力盤活，做到在峰電價時放電，谷電價時儲電，達到削峰填谷，降低移動通信網(wǎng)絡(luò)用電成本的目的?！　?/span>

能量的信息化與網(wǎng)絡(luò)化管控將有力支撐以用戶需求為中心的定制化的能量運營模式，可以極大豐富售電公司的商業(yè)模式，顛覆多種新能源行業(yè)的現(xiàn)有生產(chǎn)和運營模式。例如，通過能量信息化與網(wǎng)絡(luò)化管控，可以將電動車電池碎片化重組，形成一種全新的不依賴于充電樁的“能源互聯(lián)網(wǎng)電動車”，電池可以做到用戶自選物流配送，實現(xiàn)“能量跟著用戶走”的“互聯(lián)網(wǎng)＋智慧能源”的能量運營方式，從而極大提高了電動車的效率，降低用戶購買與使用電動車的成本，避免了充電樁等重資產(chǎn)的建設(shè)投入，同時也可以實現(xiàn)電池資產(chǎn)在能量需求層面的細粒度復用，實現(xiàn)系統(tǒng)級電池梯次利用，貫穿新能源產(chǎn)業(yè)鏈。

6. 結(jié)論

能源互聯(lián)網(wǎng)作為可再生能源平等、開放、高效地融入傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的核心技術(shù)手段，是信息互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中產(chǎn)生的開源創(chuàng)造和分布架構(gòu)兩種重要思想融入傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的必然產(chǎn)物，是生產(chǎn)關(guān)系和生產(chǎn)要素互聯(lián)網(wǎng)化之后傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)演進的必然結(jié)果，是工業(yè)文明向信息文明邁進的核心理念和技術(shù)體系。能量信息化與互聯(lián)網(wǎng)化思想和技術(shù)為能源互聯(lián)網(wǎng)研究與實現(xiàn)提供了重要的理論和技術(shù)支撐，并將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上向更多的領(lǐng)域與行業(yè)擴展。

聲明：本文摘自《中國電機工程學報》的官方微信號，“中國電機工程學報”，特此感謝！