杜 韞
(中央軍委后勤保障部軍需能源技術(shù)服務(wù)中心,北京100036)
能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和軍事行動(dòng)的重要物資基礎(chǔ)。隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高,能源的需求量急劇增加。能源大量消耗帶來一系列問題,例如化石能源枯竭、環(huán)境污染及全球變暖,導(dǎo)致傳統(tǒng)能源的消費(fèi)模式與清潔低碳高效應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)之間沖突加劇[1-2]。為此,一方面要積極探尋清潔的可再生能源,如太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能等,實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的低碳排放;另一方面進(jìn)行能源的高效利用,將能源流和信息流結(jié)合起來,構(gòu)建一個(gè)全新的能源體系——能源互聯(lián)網(wǎng),來滿足社會(huì)發(fā)展過程中的能源需求。近年來,以能源互聯(lián)網(wǎng)為核心的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)成為人們研究的熱點(diǎn),相關(guān)的新興產(chǎn)業(yè)也在蓬勃發(fā)展[3]。隨著軍用信息化、智能化武器裝備的大量列裝和實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用,加上多域、“馬賽克”等新型作戰(zhàn)模式的運(yùn)用,給我軍戰(zhàn)時(shí)能源的快速補(bǔ)給帶來巨大挑戰(zhàn)。因此,應(yīng)充分利用能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高軍事能源保障的信息化、智能化水平,提升軍事能源后勤保障能力,實(shí)現(xiàn)軍事能源保障的安全、高效和可持續(xù)。
能源互聯(lián)網(wǎng)以電力系統(tǒng)為核心,以互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)為輔助,利用分布式可再生能源,與工業(yè)系統(tǒng)緊密耦合形成多網(wǎng)流系統(tǒng)[4]。20 世紀(jì)70 年代,巴克敏斯特在世界游戲模擬(World Game Simulation) 大會(huì)上提出能源互聯(lián)網(wǎng)的概念,認(rèn)為“全球互聯(lián)網(wǎng)能源戰(zhàn)略”是最佳選擇。1986 年彼得·麥森創(chuàng)立了全球能源網(wǎng)絡(luò)學(xué)會(huì),特別關(guān)注國(guó)與國(guó)之間的電力網(wǎng)絡(luò)傳輸,強(qiáng)調(diào)利用可再生能源[5]。2011 年杰里夫·里夫金在《第三次工業(yè)革命——新經(jīng)濟(jì)模式如何改變世界》一書中提出第三次工業(yè)革命是以信息技術(shù)來推動(dòng)全球化,但首要問題是解決能源問題,通過聯(lián)網(wǎng)的可再生能源進(jìn)行共享,能源應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)化,有效解決能源問題[6]。
2015 年9 月26 日習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)發(fā)展峰會(huì)上發(fā)表重要講話,倡議探討構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng),推動(dòng)以清潔和綠色方式滿足全球電力需求。
全球能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)是以清潔可再生能源為根本,利用豐富的太陽能、風(fēng)能及水能等主要清潔能源,實(shí)現(xiàn)綠色低碳目標(biāo);特高壓電網(wǎng)是骨架,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模以及遠(yuǎn)距離的電力傳輸,實(shí)現(xiàn)全球的用電地區(qū)和能源基地都在特高壓的覆蓋范圍內(nèi);智能電網(wǎng)是基礎(chǔ),適應(yīng)各種分布式清潔能源的靈活接入,通過信息的智能調(diào)配來滿足多樣化的需求[7]。通過構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)能源的高效利用,通過清潔可再生能源來替代傳統(tǒng)化石能源,以此改善目前嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題。
“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源是一種互聯(lián)網(wǎng)與能源消費(fèi)各種環(huán)節(jié)以及能源市場(chǎng)深度融合的產(chǎn)業(yè)新型態(tài)[3],達(dá)到多能源資源合理互補(bǔ)利用的目的,具有設(shè)備智能、信息對(duì)稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、多能協(xié)同、交易開放等特征。2016 年,我國(guó)發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》,利用互聯(lián)網(wǎng)及其他先進(jìn)的信息技術(shù),推進(jìn)能源應(yīng)用智能化,構(gòu)建綠色低碳、高效安全的能源體系,為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。一批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源示范項(xiàng)目相繼落地,進(jìn)一步推進(jìn)了對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的認(rèn)識(shí)。如在2019 年,南方電網(wǎng)廣東珠?!盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智慧能源示范項(xiàng)目成功投運(yùn),是目前世界上容量最大、電壓等級(jí)最多、采用諸多自主創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)的多端柔性直流配電網(wǎng)工程,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白。在“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源理論及技術(shù)的發(fā)展過程中,不能局限于能源資源種類和技術(shù)方案,而應(yīng)該盡可能強(qiáng)調(diào)多能源技術(shù)集成應(yīng)用,各類能源設(shè)施資源開放共享,保證能源資源各盡所能,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量、靈活調(diào)控、效率最優(yōu)、系統(tǒng)魯棒性更高[8]。
隨著社會(huì)發(fā)展以及人口數(shù)量增加,在建筑集中、人口集中的區(qū)域,由于不同功能和模式對(duì)能源的需求數(shù)量、種類有著不同的要求,因此在構(gòu)建區(qū)域型能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)要實(shí)現(xiàn)多種能源互補(bǔ)利用,考慮各種能源(如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?的利用時(shí)間、利用方式等不同特性,實(shí)現(xiàn)各類能源的梯級(jí)利用,確保系統(tǒng)的效益達(dá)到最大化,為該區(qū)域提供穩(wěn)定的能源供給[9]。
人們基于不同特點(diǎn)對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的概念和內(nèi)涵進(jìn)行了研究,表明能源互聯(lián)網(wǎng)具有以下四個(gè)特征:(1)為了解決嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題,實(shí)現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo),能源端的供應(yīng)以可再生能源為主要能源;(2)由于可再生能源具有分散的特點(diǎn),為高效率收集并利用可再生能源,需要根據(jù)具體環(huán)境就地建立可以收集、存儲(chǔ)并利用能源的網(wǎng)絡(luò),需要支持分布式發(fā)電系統(tǒng)與分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入;(3)能源互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)對(duì)等的能源共享網(wǎng)絡(luò),大范圍的分布式能源網(wǎng)絡(luò)也不能保證自給自足,因此在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)廣域能源共享;(4)各種交通設(shè)備的能源正逐漸從燃油向電動(dòng)轉(zhuǎn)變,因此需要支持交通系統(tǒng)的電氣化。在這些特征的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)。
能源互聯(lián)網(wǎng)是將傳統(tǒng)的能源行業(yè)進(jìn)行智慧化升級(jí),實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)深度融合[10],為了保障能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性,分布式能源是能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分。要設(shè)計(jì)一個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng),需要考慮供給能源的品級(jí)、峰谷規(guī)律、電站容量等問題,而在單個(gè)獨(dú)立的分布式能源系統(tǒng)中沒辦法從根本上解決這些問題,導(dǎo)致其無法最大程度地發(fā)揮本身價(jià)值,因此分布式能源系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)是發(fā)展的必然[11]。
分布式能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是以可再生能源為主體,以儲(chǔ)能系統(tǒng)為支撐,在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動(dòng)下,將各種類型的分布式能源網(wǎng)絡(luò)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互聯(lián),保障不同的分布式能源有效接入,形成開放共享網(wǎng)絡(luò),然后與其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(如電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)等)進(jìn)行協(xié)同控制。為了保障系統(tǒng)穩(wěn)定性,利用多智能系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制使分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有序化[12]。目前比較典型的應(yīng)用項(xiàng)目,如國(guó)家電網(wǎng)公司在河北張北建成的風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程,是目前世界上規(guī)模最大,集風(fēng)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能及智能輸電為一體的能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程。
智能電網(wǎng)被認(rèn)為是能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)框架。近年來,我國(guó)大力推進(jìn)以特高壓輸電為代表的智能電網(wǎng)建設(shè),已經(jīng)建成“八交十三直”21 項(xiàng)特高壓工程,線路長(zhǎng)度達(dá)3.8 萬千米,輸電能力超1.4 億千瓦,這為能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建提供了堅(jiān)實(shí)的“硬連接”基礎(chǔ)。2019 年,國(guó)家電網(wǎng)公司也提出了以堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)為抓手,打造“樞紐型、平臺(tái)型和共享型”的世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)愿景[13]。
在能源互聯(lián)網(wǎng)的科學(xué)研究領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)部分高校和科研院所已布局相關(guān)研究。國(guó)防科技大學(xué)張濤教授團(tuán)隊(duì)將能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究成果運(yùn)用到軍事能源保障領(lǐng)域,針對(duì)高原海島、邊防哨所、無人值守站、部隊(duì)野外用電、國(guó)防工程等在傳統(tǒng)能源保障上存在的防護(hù)弱、存儲(chǔ)難、耗能高、隱蔽性差、不可再生等問題,自主研發(fā)分布式儲(chǔ)能、能量集線器、智能能量管理等技術(shù),為未來實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)能量互聯(lián)、野外不間斷供電和“孤島”模式下的營(yíng)區(qū)用電提供了可能。清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院致力于以電力系統(tǒng)為核心與紐帶,構(gòu)建多種類型能源的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),利用互聯(lián)網(wǎng)思維與技術(shù)改造能源行業(yè),積極聚集“政、產(chǎn)、學(xué)、研、金、用”各方,推動(dòng)能源與信息高度融合的新型生態(tài)化能源體系構(gòu)建。
2003 年,瑞士啟動(dòng)“未來能源網(wǎng)絡(luò)愿景”(Vision of Future Energy Networks)項(xiàng)目,該項(xiàng)目著重研究多能源傳輸系統(tǒng)的利用及分布式能源的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ),建立混合能源系統(tǒng)。
2008 年,美國(guó)啟動(dòng)“未來可再生電能傳輸與管理系統(tǒng)”項(xiàng)目。該項(xiàng)目在電力系統(tǒng)中引入信息技術(shù)和電子技術(shù),通過在配電網(wǎng)層面構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源發(fā)電和分布式儲(chǔ)能并網(wǎng)的高效配電系統(tǒng)。
2008 年,德國(guó)啟動(dòng)能源技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃,著手研究以信息通信技術(shù)(Information and Communication Technology,ICT)為基礎(chǔ)構(gòu)建未來能源系統(tǒng),開發(fā)和測(cè)試能源互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。
2010 年,日本啟動(dòng)了“智能能源共同體”計(jì)劃,開展能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的研究。2011 年啟動(dòng)“智慧能源網(wǎng)”計(jì)劃,通過智能化的信息交換與控制系統(tǒng),協(xié)調(diào)電力、熱能與運(yùn)輸方面的能源使用。
2011 年,歐盟啟動(dòng)了未來智能能源互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。該項(xiàng)目核心在于構(gòu)建未來能源互聯(lián)網(wǎng)的信息通信技術(shù)平臺(tái),支撐配電系統(tǒng)的智能化;通過分析智能能源場(chǎng)景,識(shí)別信息通信技術(shù)需求,開發(fā)參考架構(gòu)并準(zhǔn)備在歐洲范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),最終形成歐洲智能能源基礎(chǔ)設(shè)施的未來能源互聯(lián)網(wǎng)信息通信技術(shù)[14]。
歐、美、日等的能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建方式雖然有很大差異,但都是將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到能源系統(tǒng),把傳統(tǒng)集中式的、單向的、生產(chǎn)者控制的能源系統(tǒng),轉(zhuǎn)變成大量分布式、輔以較少集中式的新能源與更多消費(fèi)者互動(dòng)的能源系統(tǒng),提高可再生能源的比重,實(shí)現(xiàn)多元能源的有效互聯(lián)和高效利用。
能源互聯(lián)網(wǎng)目前尚無全面、系統(tǒng)的解決方案,基本架構(gòu)主要分為供應(yīng)端、調(diào)配側(cè)和負(fù)荷端。供應(yīng)端為發(fā)電側(cè),以分布式能源發(fā)電站為基礎(chǔ),建設(shè)過程中考慮能源的收集、儲(chǔ)備、接入、管理等問題。調(diào)配側(cè)為管控側(cè),立足電網(wǎng)已有基礎(chǔ)設(shè)施,承載分布式電源的接入以及各種信息的采集,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最佳組合以及能量的多目標(biāo)優(yōu)化。負(fù)荷端為用電側(cè),通過各種能效模型對(duì)用電需求、能效進(jìn)行分析,進(jìn)行優(yōu)化管控。三者相互緊密聯(lián)系,協(xié)同合作實(shí)現(xiàn)整個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最優(yōu)化運(yùn)行。
未來能源互聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)物理配電網(wǎng)與信息通信網(wǎng)的高度融合,實(shí)現(xiàn)多種能源的共享和供需匹配。作為其物理部分的配電網(wǎng),隨著分布式電源、儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車、供熱(冷)系統(tǒng)等新型單元的大量接入,將逐步演變?yōu)殡?、氣、?冷)等多種能源耦合形成的多能源系統(tǒng)。
信息技術(shù)飛速發(fā)展,人工智能與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相互結(jié)合,將在很大程度上改變今后的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,特別是單兵班組的信息化武器裝備和智能化裝備的大量使用,對(duì)能源保障的要求日益提高。通過能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),建立分布式可再生能源發(fā)電和分布式儲(chǔ)能并網(wǎng)的高效配電系統(tǒng),使每一個(gè)分布式能源點(diǎn)都在互聯(lián)網(wǎng)上做好定位,擴(kuò)展單兵班組的軍用能源獲取途徑,快速便捷地尋找最近補(bǔ)給點(diǎn),通過軍用能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)快速進(jìn)行能源補(bǔ)給,避免出現(xiàn)能源補(bǔ)給不足造成的聯(lián)絡(luò)中斷、失聯(lián)情況,大幅提高邊防安全和分隊(duì)持續(xù)作戰(zhàn)能力。
通過綜合利用風(fēng)電、光伏、地?zé)岷托∷姷榷喾N可再生能源,構(gòu)建局域微電網(wǎng)系統(tǒng),解決邊防海島部隊(duì)全天候全時(shí)段用電難題,給武器裝備提供穩(wěn)定的能源保障,大幅縮短練兵戰(zhàn)備準(zhǔn)備時(shí)間,裝備運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠,實(shí)現(xiàn)24 h 執(zhí)勤守備,大幅度提升管邊控邊能力。
多域和智能化作戰(zhàn)模式下,智能化裝備具有“載荷”的特性,其特征性、任務(wù)屬性和功能均可隨時(shí)定義,那么服務(wù)于新型作戰(zhàn)模式的能源保障具有“不確定”特點(diǎn),包括時(shí)域與空域的不確定性,裝備對(duì)能源的需求也有不確定性、非連續(xù)性、非對(duì)稱性、泛在性、偶發(fā)性(波動(dòng)性)。因此,在能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐下,后勤保障部隊(duì)一方面依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需要以及人員與裝備數(shù)量快速計(jì)算作戰(zhàn)單元所需能源物資、快速定位附近匹配補(bǔ)給點(diǎn),實(shí)現(xiàn)快速就近補(bǔ)給保障;另一方面充分利用能源物聯(lián)網(wǎng)分布式、可再生能源發(fā)電和分布式儲(chǔ)能并網(wǎng)的高效配電系統(tǒng),基于有線和無線傳能技術(shù)形成耦合的全域供電網(wǎng)絡(luò),降低軍事行動(dòng)對(duì)汽油、柴油的過度依賴,減少發(fā)電用油消耗,降低油料運(yùn)輸占用兵力和油料補(bǔ)給頻率,減輕后勤保障負(fù)擔(dān),提高戰(zhàn)場(chǎng)能源保障效率。
依托能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的軍需能源互聯(lián)網(wǎng)保障系統(tǒng),快速準(zhǔn)確定位作戰(zhàn)區(qū)域的能源供應(yīng)情況,在緊急情況下對(duì)周邊的能源供應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度,自動(dòng)協(xié)調(diào)所需的能源資源;實(shí)時(shí)監(jiān)控能源的消耗、調(diào)度及庫存情況,快速制定后勤保障的計(jì)劃安排,有利于戰(zhàn)場(chǎng)能源及時(shí)高效補(bǔ)充。
(1)戰(zhàn)場(chǎng)的快速組建與前伸
優(yōu)化分布式可再生能源發(fā)電、儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì),提高戰(zhàn)場(chǎng)的快速組建與前伸能力,實(shí)現(xiàn)快速并網(wǎng)使用;進(jìn)行便攜式小型化光伏、風(fēng)能、高效儲(chǔ)能等發(fā)供電裝置的研發(fā)應(yīng)用,滿足單兵班組戰(zhàn)場(chǎng)的應(yīng)急電力供應(yīng)。
(2)抗毀傷與反偵察的能力
對(duì)分布式能源發(fā)電、儲(chǔ)存裝置及局域微電網(wǎng)裝置做好隱蔽措施,提高抗摧毀和反偵察能力;提高能源互聯(lián)網(wǎng)信息完整性,完善自主能源互聯(lián)網(wǎng)體系建設(shè)、芯片設(shè)計(jì)與軟件開發(fā),加強(qiáng)信息通道管理,強(qiáng)化信息安全管控,嚴(yán)防敵對(duì)勢(shì)力網(wǎng)絡(luò)攻擊,確保能源互聯(lián)網(wǎng)信息安全。
(3)通訊協(xié)議與設(shè)備共享
加強(qiáng)芯片及軟件系統(tǒng)的自主研發(fā),實(shí)現(xiàn)對(duì)能源信息的自主控制,通過通訊協(xié)議與設(shè)備共享,提高地方能源互聯(lián)網(wǎng)軍事適用性,建立完善軍用能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),一方面擴(kuò)大軍事能源的供應(yīng)范圍,另一方面減少重復(fù)建設(shè),避免不必要的資源浪費(fèi)。
(4)裝備用能負(fù)荷與作戰(zhàn)支撐能力
針對(duì)軍用裝備高電壓、大電流、長(zhǎng)航時(shí)的特殊要求,構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí),優(yōu)化設(shè)計(jì)方案或多套方案并存,必要時(shí)可靈活切換,在敏感地區(qū),提高儲(chǔ)能裝置的供配電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),預(yù)留軍用裝備典型接口,提高軍用裝備用能負(fù)荷與作戰(zhàn)支撐能力。
構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng),對(duì)中國(guó)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義,既順應(yīng)新一輪能源科技革命,又具有顯著的軍事應(yīng)用前景;基于軍地“共建、共治、共享”理念,打破遍及能源系統(tǒng)物理層、信息層和應(yīng)用層“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的各環(huán)節(jié),以及在政策、規(guī)劃、運(yùn)維和供需等鏈條中的“泛在壁壘”,實(shí)現(xiàn)全局全域貫通和軍民多方“共贏”。因此,需加強(qiáng)對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的前瞻性規(guī)劃,加速全國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定,加大對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)芯片技術(shù)和軟件系統(tǒng)的自主開發(fā)力度,加快對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的設(shè)施建設(shè)步伐,推進(jìn)我軍能源保障體系的快速、高效化建設(shè)。