孫宏斌，潘昭光，孫 勇，李寶聚，4，郭慶來

（1.清華大學電機工程與應用電子技術系，北京市 100084；2.電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設備安全控制和仿真國家重點實驗室（清華大學），北京市 100084；3.國網吉林省電力有限公司，吉林省長春市 130000；4.哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院，黑龍江省哈爾濱市 150006）

0 引言

能源互聯(lián)網是能源系統(tǒng)和互聯(lián)網深度融合的產物，有助于最大限度地開發(fā)和利用可再生能源、提高能源安全水平和綜合利用效率、降低用能成本、推進電力能源市場化改革［1-3］，是實現中國能源綠色低碳轉型的重要途徑，能夠有效支撐以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的建設，助力中國2030年碳達峰、2060年碳中和目標（下稱雙碳目標）的達成。

自2015年能源互聯(lián)網香山科學會議以來，能源互聯(lián)網在國內外得到蓬勃發(fā)展。在國內，2016年國家三部委聯(lián)合發(fā)布了《關于推進“互聯(lián)網＋”智慧能源發(fā)展的指導意見》［4］，2017年國家能源局啟動了首批55項國家級能源互聯(lián)網示范工程項目［5］，國家科技部和國家自然科學基金委支持了一批重點科研項目。眾多企業(yè)也提出了能源互聯(lián)網發(fā)展戰(zhàn)略，如國家電網有限公司2020年確立了建設具有中國特色國際領先的能源互聯(lián)網企業(yè)的戰(zhàn)略目標。在國際上，2017年首屆IEEE能源互聯(lián)網與能源系統(tǒng)集成會議召開［6］，2020年IEEE PES能源互聯(lián)網協(xié)調委員會成立［7］。

跨界思維是重要的互聯(lián)網思維之一［8］?？缃缢季S的一種定義是“用多角度、多視野看待問題和提出解決方案的一種思維方式。釋義為交叉、跨越”［9］?？缃缢季S突破原有行業(yè)范圍和慣例，借鑒其他行業(yè)的理念和技術，創(chuàng)新性地解決原行業(yè)舊方法難以解決或解決起來成本過高的問題?？缃缢季S有助于打破當前條塊分割的學科和產業(yè)現狀，回歸本質和基礎原理，找到另辟蹊徑的有效解決方案。在科學研究上，眾多創(chuàng)新和技術突破均是在學科的跨界交叉融合中實現的。在產業(yè)界，在跨界思維指引下，“互聯(lián)網＋”深刻改變了零售、餐飲、出行、金融等眾多行業(yè)，提高了這些行業(yè)的效率。

能源互聯(lián)網的提出和發(fā)展借鑒了互聯(lián)網思維。跨界思維在能源互聯(lián)網中也發(fā)揮了破除能源系統(tǒng)各項壁壘的重要作用。近幾年來，中國實施了大量能源互聯(lián)網項目。不少成功案例體現了跨界思維的重要作用，既有理論技術上的跨學科之界，又有產業(yè)應用上的跨行業(yè)、體制、市場之界。但目前尚缺乏跨界思維在能源互聯(lián)網中應用價值的共識，跨界思維在能源互聯(lián)網中發(fā)揮作用的模式尚不清晰。

本文總結了跨界思維在能源互聯(lián)網中應用的必要性，并提出能源互聯(lián)網跨界思維應用的3個維度的要素：目標維度、對象維度和手段維度。在此基礎上，分析了中國已實施的若干能源互聯(lián)網項目在跨界思維3個維度要素的體現，為能源互聯(lián)網建設提供了參考借鑒。

互聯(lián)網思維已深入能源創(chuàng)新領域，并得到了廣泛關注和應用，但目前中國的學科設置與這種發(fā)展趨勢相比，尚存在有待改進之處。為此，本文探討了學科跨界交叉融合若干方向的科學問題和關鍵技術，為能源互聯(lián)網發(fā)展提供了理論和技術支撐。

1 能源互聯(lián)網跨界思維

1.1 必要性

在雙碳目標的約束下，中國能源綠色低碳轉型任務艱巨，面臨重大挑戰(zhàn)，包括：①煤炭占比高，進一步提高可再生能源占比難度大；②單位國內生產總值（GDP）能耗高，設備利用率低，高耗能企業(yè)增收節(jié)支壓力持續(xù)加大；③能源生態(tài)不佳，帶動上下游產業(yè)鏈的潛力挖掘不足。隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的建設和發(fā)展，電力系統(tǒng)亟需更多的靈活性資源和先進控制技術，以保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經濟運行。

傳統(tǒng)的慣性思維和電力行業(yè)內部的智能電網技術解決上述問題的難度大或成本高。例如，在大型城市中新建線路、電源、儲能面臨著空間、環(huán)境、公眾認可等諸多限制，投資成本也較高。因此需要跨界思維，低成本地從電力行業(yè)之外尋找潛在資源，重塑能源生態(tài)，以更寬廣的生態(tài)系統(tǒng)的研究思路去解決所面臨的問題，使得能源綠色低碳轉型成為社會各行業(yè)廣泛參與的系統(tǒng)性變革。能源互聯(lián)網從電力系統(tǒng)跨界到能源系統(tǒng)，并積極融合互聯(lián)網、經濟金融等行業(yè)，是構建新型電力系統(tǒng)的重要可行方向。

能源互聯(lián)網跨界思維體現為突破傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中的諸多壁壘和界限，促進能源系統(tǒng)更好地互聯(lián)互通和開放共享，釋放能源領域的先進生產力和創(chuàng)新力，形成新觀念、新技術和新機制。

1.2 要素

能源互聯(lián)網跨界思維應用的要素有3個維度，如圖1所示，包括目標維度、對象維度和手段維度。

圖1 能源互聯(lián)網跨界思維應用的要素Fig.1 Key elements in application of transboundary thinking in Energy Internet

1.2.1 目標維度

跨界思維圍繞解決問題實施，因此目標維度是跨界思維應用的首要要素。目標維度主要包括綠色、低碳、安全、高效、優(yōu)質等。

1）綠色：無污染，包括化石能源燃燒過程中消除一氧化碳、氮氧化物、臭氧、硫氧化物、顆粒物質等污染物，也包括鋰電池等設備的生產和回收過程中無污染等。

2）低碳：低碳是當前能源系統(tǒng)面臨的重要任務，需要減少化石能源使用，發(fā)展水電、風電、光電等清潔能源，推進低碳電能替代等。

3）安全：安全是能源系統(tǒng)運行的基礎，既包括能源系統(tǒng)運行的安全，又包括國家整體能源供應安全，以及能源生產、使用過程中的安全。

4）高效：能源使用效率高，從源、網、荷各個環(huán)節(jié)進行節(jié)能，并通過協(xié)同實現整體節(jié)能；經濟效率高，降低能源轉型過程中的成本；能源基礎設施的利用效率高。

5）優(yōu)質：滿足用戶對用能更多樣化的需求，既有電壓、頻率、停電時間、供熱溫度、供氣壓力、舒適度等傳統(tǒng)需求，又有降低電動汽車充電時間、綠色用能等新型需求。

1.2.2 對象維度

能源互聯(lián)網的實施離不開具體對象，跨界思維重點要突破對象之間的界限，包括部門間、主體間、行業(yè)間的界限。

1）部門間：企業(yè)、單位的部門之間存在界限，如電網的調度、營銷、市場等部門之間尚未有效共享數據，規(guī)劃沒有與運行充分結合。這樣雖然有利于明晰責任，但限制了協(xié)同效益的提升。

2）主體間：不同主體之間可以打破界限，如多余光伏發(fā)電/余熱賣給空間相鄰主體以減少遠距離傳輸和能源浪費，通過大型網絡互聯(lián)實現源-網-荷-儲的協(xié)同及行業(yè)上下游之間的協(xié)同等。

3）行業(yè)間：不同行業(yè)間的協(xié)同是更高層面的跨界，如電、熱/冷、氣、氫、交通、煤炭、建筑、工業(yè)、商業(yè)、居民、農業(yè)等行業(yè)之間的跨界融合。

1.2.3 手段維度

能源互聯(lián)網的實現手段分為能量層、信息層、價值層3層結構。每個層面要打破相應的壁壘，釋放跨界的效益。

1）能量層：打破物理壁壘實現互補資源互聯(lián)。能量層是能源互聯(lián)網的基礎，為信息層和價值層的跨界提供物理載體。打破物理壁壘，促進能量在更大范圍（能源形式、空間和時間）內高效的互聯(lián)互通，發(fā)揮資源的互補性，減少能源浪費。熱電聯(lián)產（CHP）、電制冷、電制氫、燃料電池、能量路由、充電樁、多類型儲能等能量轉換和存儲設備使能量得以高效互補和梯級利用；電網、熱網、天然氣網等能源傳輸網絡使空間分散的能源生產（尤其是豐富的新能源、工業(yè)余熱等資源）及各類型用戶能夠互聯(lián)、互通、互補；電、熱/冷、氣、氫各類儲能實現時間上的互補。在技術上，需要發(fā)展高效的能量轉換、傳輸、使用和存儲的裝備，以及協(xié)同規(guī)劃等方法；在實踐中，需要尋找不同能量形式和能源主體之間的互補性，尤其是挖掘各種余熱回收利用、新能源就地消納等方式，并解決物理上的壁壘，如新建熱電聯(lián)產、供熱網絡、儲能等設施。

2）信息層：打破信息壁壘打造靈活協(xié)同智慧。信息層基于能量層的信息化和數字化，打破信息壁壘，建設智慧大腦，以低成本的方式匹配能源生產、傳輸、消費、存儲等環(huán)節(jié)的不同主體，協(xié)同各類靈活性資源?；ヂ?lián)網、物聯(lián)網具有廣域互聯(lián)的特點，人工智能、大數據、區(qū)塊鏈、云計算等新技術提升了信息處理能力，為信息層的跨界提供了技術基礎。在技術上，需要發(fā)展“分布自治-集中協(xié)同”的智能能量管理和運行控制方法和系統(tǒng)，尤其是要適應海量異質資源、空間分散、多主體的特點，滿足隱私保護、多邊互動、分布式協(xié)作等需求；在實踐中，需要分析不同主體的靈活性，尤其是要從不同行業(yè)中尋找互補性并進行協(xié)同，同時也可以將電力系統(tǒng)成熟先進的理念和方法應用到其他行業(yè)中，推動各行業(yè)能源的數字化和智能化升級。

3）價值層：打破價值壁壘構建多方共贏生態(tài)。推動能源互聯(lián)網可持續(xù)發(fā)展需要多方受益，形成開放、共享的能源互聯(lián)網生態(tài)。需要打破現有能源體制、市場機制、商業(yè)模式、管理方式等價值壁壘，一方面激活現有資源和挖掘新的價值，另一方面合理分配價值，形成共建、共享、共治的新機制。在技術上，需要從經濟學、金融學、管理學等角度開展研究和機制設計，在確保能源安全、數據安全的基礎上提升能源市場活力；在實踐中，需要探討多方合作的可能，探索各種商業(yè)模式［10］，激發(fā)社會各主體參與的積極性，通過建設數據基礎平臺降低參與門檻。

2 能源互聯(lián)網跨界案例

下文通過若干個能源互聯(lián)網跨界案例，分析不同案例對應上述能源互聯(lián)網跨界應用3個維度的要素。

2.1 綜合能源系統(tǒng)

從智能電網到能源互聯(lián)網，在能量流層面發(fā)生了實質性的變化，即從智能電網的純電能流拓展為能源互聯(lián)網的電、熱、冷、氣耦合的多能流，形成綜合能源系統(tǒng)，如圖2所示。傳統(tǒng)電網能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）只管控電一種能流，而綜合能量管理系統(tǒng)（integrated energy management system，IEMS）同時管控電、熱、冷、氣等多種能流。隨著風光等間歇式可再生能源的快速發(fā)展，需要通過挖掘氣、熱、冷系統(tǒng)中的慢動態(tài)特性蘊含的靈活性促進可再生能源消納。國內綜合能源系統(tǒng)的典型示范工程有吉林、北京北科產業(yè)園、廣州從化明珠工業(yè)園、上海迪士尼度假區(qū)、天津中新生態(tài)城等，下文介紹其中部分項目。

圖2 從智能電網的純電能流到能源互聯(lián)網的多能流Fig.2 From pure electricity energy flow of smart grid to multi-energy flow of Energy Internet

1）吉林項目屬于城市級的大規(guī)模綜合能源利用，是國網吉林省電力有限公司承擔的國家科技支撐計劃課題“消納風電的熱電聯(lián)合優(yōu)化規(guī)劃及運行控制技術”示范項目。項目通過熱電聯(lián)合優(yōu)化規(guī)劃和控制，利用城市供熱系統(tǒng)的熱慣性消納風電：在風電出力低時增加熱電聯(lián)產機組的出力和供熱量，將熱量存儲到管網和建筑中；在風電出力高時啟用儲熱式電采暖增加電負荷，同時減少熱電聯(lián)產機組的出力和供熱量，為風電消納提供空間，同時存儲在管網和建筑中的熱量能夠維持室內溫度在用戶舒適范圍內。項目通過東北調峰輔助服務市場為熱電聯(lián)產調節(jié)提供補償。示范范圍覆蓋長熱集團2 000萬m2供熱面積，包括6臺熱電聯(lián)產機組、5座風電場和2座儲熱式電采暖供熱站，在2017年至2018年供熱季，累計削減棄風電量83.99 GW·h，棄風電量同比減少12.65%［11］。

2）北京北科產業(yè)園項目屬于園區(qū)級綜合能源利用，通過綜合能源系統(tǒng)的建設解決園區(qū)負荷增長后供電容量受限的問題，由中電智慧綜合能源有限公司受園區(qū)委托負責建設和運營。建有內燃機、溴化鋰制冷機、燃氣鍋爐、螺桿式制冷機、電制冷機、光伏發(fā)電、風力發(fā)電、電儲能、電網、熱網、冷網等能源設備，并由清華大學建設應用了國內外首套IEMS，接入了各種能源設備的實時運行數據，實現了涵蓋電、熱/冷、氣等多種能源形式的圖模庫一體化綜合建模，多場景適配的多能園區(qū)在線狀態(tài)估計和能流分析，以及考慮用戶靈活性和熱慣性的多能園區(qū)優(yōu)化調度和閉環(huán)控制，可降低典型日運行能耗3%，節(jié)約日運行成本1 403元［12］。

下面結合能源互聯(lián)網跨界應用3個維度的要素進行分析。

1）目標維度。通過提高可再生能源消納實現低碳，通過安全評估保障安全，通過降低運行能耗和節(jié)約成本實現高效，通過保障用戶室溫實現優(yōu)質。

2）對象維度。電、熱/冷、氣跨能源行業(yè)的協(xié)同，如吉林項目是電力公司和供熱公司合作，而北科產業(yè)園項目是由一家運營商統(tǒng)一管理多種能源。

3）手段維度。在能量層新建多種能源設備，實現不同能源之間的轉換，使得多能互補協(xié)同成為可能。能量層的建設離不開綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃［13］，實現電、熱/冷、氣的一體化協(xié)同規(guī)劃，包括冷熱電負荷預測、能源供需平衡分析、規(guī)劃方案優(yōu)化、全面綜合評估等功能，減少各自能源單獨規(guī)劃按照最高功率設計導致的浪費。在信息層建設IEMS［14-15］，保障綜合能源系統(tǒng)按照目標運行，將傳統(tǒng)的電網能量管理變革為面向電、熱/冷、氣的多能流能量管理，將綜合能源系統(tǒng)從“被動式數字監(jiān)控”提升到“主動式智能調控”，有效解決了目前國內外多個綜合能源項目“綜合有余、智慧不足”的運行難題。在價值層，吉林項目是利用東北調峰輔助服務市場激勵熱電聯(lián)產機組參與風電消納，而北科產業(yè)園項目則是通過能源管理方式引入綜合能源服務公司進行建設和運營，探索了多種商業(yè)模式。

2.2 需求響應和虛擬電廠

在大型城市負荷峰谷差不斷增加、強波動性和間歇性可再生能源快速發(fā)展的背景下，電力系統(tǒng)運行的安全性和經濟性受到了重大挑戰(zhàn)，2020年以來發(fā)生了美國加州停電［16］以及中國湖南、江西、浙江等省的限電事件［17］。因此，通過需求響應、虛擬電廠等技術挖掘，利用用戶側的靈活性成為重要課題。

中國城市工業(yè)用能的占比超過70%［18］，具有可觀的靈活性。高耗能企業(yè)能源成本占比高，降低能源成本意愿大，但許多工業(yè)用戶因缺乏資金、技術、人才等而無法升級改造現有的能源系統(tǒng)。電網供電只到用戶關口，并不了解用戶的實際生產流程和安排，無法在不影響用戶正常生產的前提下進行精細化調控，有序用電措施給企業(yè)的生產造成了負面影響。

近幾年來，江蘇、上海、冀北、廣州、甘肅等地實施了需求響應和虛擬電廠項目，探索了負荷側靈活性利用的技術路線，下面介紹其中的3個項目。

1）廣州供電局承擔的國家重點研發(fā)計劃“工業(yè)園區(qū)多元用戶互動的配用電系統(tǒng)關鍵技術研究與示范”在廣州從化明珠工業(yè)園進行示范，其核心目標之一是通過用戶互動削減峰值負荷。該項目建設了電網-園區(qū)-用戶多層級互動的調度體系，用戶通過需求響應為園區(qū)提供靈活性，而園區(qū)通過虛擬電廠為電網提供靈活性［19］。在工業(yè)用戶內，根據萬力輪胎密煉工藝的實際運行曲線，優(yōu)化多臺密煉機的工作啟動時間以實現錯峰控制，在不影響用戶正常生產的情況下，最大功率可從6 200 kW降至5 000 kW，削峰比例為19%［20］，用戶降低了容量費，電網公司通過削減峰值負荷減少了線路等投資，實現了雙贏。

2）國網甘肅省電力公司承擔的科技支撐計劃課題“基于大規(guī)模風/光電/高載能并網的荷-網-源協(xié)調控制關鍵技術”是利用高載能工業(yè)負荷的靈活性消納可再生能源。高載能工業(yè)負荷對電價非常敏感。研究發(fā)現，通過調控無功電壓、自備電廠使用等方式可以改變工業(yè)負荷的功率大小。同時，甘肅地區(qū)存在大量新能源棄風。因此，通過調節(jié)高載能負荷消納棄風，將新能源站由此新增的部分收益補貼給高載能負荷新增的調節(jié)成本，最終達到雙贏，如圖3所 示。在2017年1月1日—2018年12月31日 期間，新能源消納電量增量為1 250 GW·h，取得了3.5億元的新增利潤。

圖3 甘肅省荷-網-源協(xié)同調控的補貼方式Fig.3 Subsidy mode of load-grid-source coordinated dispatch and control in Gansu Province

3）國網冀北電力有限公司建設了中國首個國家能源局批復的市場化運營的虛擬電廠示范工程，工程一期接入與實時控制張家口、秦皇島、廊坊3個地（市）的蓄熱式電采暖、可調節(jié)工商業(yè)、智能樓宇、智能家居、儲能、電動汽車充電站、分布式光伏等11類19家可調資源，容量約160 MW。負荷側資源通過虛擬電廠平臺集群后參與華北電力調峰輔助服務市場，虛擬電廠運營商從輔助服務市場獲得收益，并將部分收益補貼給用戶，實現電力用戶、電網公司和發(fā)電企業(yè)的多方降本共贏。截至2020年4月底，商業(yè)運營共獲得總收益160.4萬元，日最高收益近9萬元［21］。

下面結合能源互聯(lián)網跨界應用3個維度的要素進行分析。

1）目標維度。通過促進可再生能源消納實現低碳排放，通過降低用能成本和減少投資實現高效。

2）對象維度。跨電力與工業(yè)用戶之界，跨電源、電網和用戶主體之界，電網公司深入用戶內部了解生產工藝，為用戶提供個性化、精細化、專業(yè)化的服務，并將電網調節(jié)需求和用戶側靈活性高效匹配。

3）手段維度。能量層挖掘利用已有負荷側資源，投入較低；信息層分別在用戶、園區(qū)、虛擬電廠運營商、電網調度中心等建設相應的能量管理與運行控制系統(tǒng)，實現多層級、多主體間的信息互動；價值層探索需求響應、虛擬電廠等新的模式，參與輔助服務市場，但許多機制仍有待繼續(xù)完善和推廣。

2.3 電動汽車智能引導

截至2019年底，全球電動汽車保有量已逾720萬輛，其中中國以340萬輛位列世界第一［22］。交通網中，各道路的擁堵情況與管制措施會影響電動汽車的行駛路徑與充電位置選擇，從而影響充電負荷時空分布與電網潮流分布；充電站排隊時間與充電價格、充電導航信息將影響電動汽車的行駛路徑，進而影響交通網車流分布?？臻g上無序的充電負荷可能造成電網局部過載、電壓偏移等問題，也可能造成交通網局部擁堵。2018年5月20日，深圳市部分地區(qū)受錯峰用電影響導致充電站無法使用，共波及約2 700輛出租車，多個片區(qū)的電動出租車無法正常充電甚至被迫停運，部分車輛被迫空駛至周邊充電站，大幅增加了相關充電站的排隊等候時間［23］。

電動汽車的充電行為具有時間和空間的可平移性。從電力系統(tǒng)視角看，電動汽車是可移動儲能集群，對消納可再生能源、緩解電網負荷時空分布不均、提高電網彈性意義重大。如果對電動汽車充電進行有序協(xié)同優(yōu)化，充分利用其空間可平移性，能夠優(yōu)化交通網絡流量負載。因此，在未來城市高比例電動汽車場景下，利用電動汽車實現電力與交通兩個網絡的協(xié)調優(yōu)化，有助于實現電力網-交通網的融合發(fā)展與綜合價值［24］。

廣州供電局承擔了能源局首批55個能源互聯(lián)網示范項目之一，建成了國內外首個大型城市能源互聯(lián)網示范工程。項目建設了面向全廣州市的充電設施智能管理平臺和羊城充App，接入了近百家充電樁的運營商。項目為電動汽車有序充電開發(fā)了智能充電管控裝置，在部分充電站實現了配電變壓器削峰填谷和有序充電，提升了配電變壓器的利用率。在此基礎上，廣州供電局繼續(xù)完善電動汽車充電智能引導功能，通過向車輛用戶發(fā)布由通行時間、排隊時間與充電時間之和構成的充電總時間，引導電動汽車前往充電總時間最少的位置，在減少用戶充電時間的同時緩解電網擁塞與交通擁堵。該系統(tǒng)架構如圖4所示，共有4個模塊：電網控制中心、交通控制中心、充電站和電動汽車終端。其中，電網控制中心根據配電網運行數據和安全約束評估每個充電站支持的最大充電功率。充電站根據最大充電功率優(yōu)化各充電樁充電功率，并預測未來電動汽車的充電功率。交通控制中心接收來自充電站的運行信息和交通網的實時交通信息，將充電站信息和導航信息發(fā)布給電動汽車終端。電動汽車終端在接收到信息后，將各充電站的充電總時間發(fā)送給用戶，供用戶決策。

圖4 車-網協(xié)同的電動汽車智能引導系統(tǒng)架構Fig.4 Architecture of intelligent guidance system for electric vehicles based on vehicle-grid coordination

下面結合能源互聯(lián)網跨界應用3個維度的要素進行分析。

1）目標維度。通過降低配電變壓器峰谷差緩解電網阻塞（安全），同時緩解交通阻塞，減少用戶充電總時間（優(yōu)質）。

2）對象維度?？珉娏εc交通之界，跨電網、充電站/樁、交通、電動汽車用戶主體之界，實現全局優(yōu)化。

3）手段維度。能量層發(fā)展電動汽車和充電樁，但項目只利用已有資源而沒有新建物理設施。信息層建設充電設施智能管理平臺、羊城充App、電動汽車智能引導系統(tǒng)等，將分散到不同行業(yè)、主體之間的信息進行集成和協(xié)同優(yōu)化。價值層探索電動汽車智能引導模式，以減少用戶充電總時間。

2.4 信息物理聯(lián)合分析與優(yōu)化

隨著先進信息技術在能源系統(tǒng)中的應用，信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)深度耦合，能源互聯(lián)網成為典型的信息物理系統(tǒng)。在物理層面上，電力通信網的骨干網基于光纖復合架空地線，與輸電線路在網架結構上有高度的一致性，極端天氣引發(fā)倒塔會導致信息物理耦合故障。在業(yè)務層面上，作為現代能源系統(tǒng)大腦的能量管理系統(tǒng)是典型的信息流與能量流深度耦合的體現。如圖5所示，在量測、決策、控制過程中能量流和信息流相互影響，數據傳輸、信息攻擊等造成的錯誤信息會導致控制決策出現錯誤，進而對物理的能量系統(tǒng)造成重要影響。

圖5 信息流與能量流的耦合示意圖Fig.5 Schematic diagram of coupling between information flow and energy flow

廣東電網正示范“保底通信網”項目。該項目根據關聯(lián)負荷區(qū)分了不同信息的重要性，通過優(yōu)化調度“信息流”，調整電力通信網傳輸層重要業(yè)務的路由方式，將電力通信網中重要的信息（如實時性要求高的繼電保護、安全穩(wěn)定控制等）分配到更可靠的鏈路上，在極端場景下優(yōu)先保障重要業(yè)務的信息通信需求，提升信息物理耦合韌性。在該方法中，首先建立信息流及通信網模型，然后定義一種考慮信息-物理耦合的信息流關聯(lián)負荷度指標及通信網關聯(lián)負荷度指標來量化評估信息的重要性，最后通過優(yōu)化傳輸層路由方式降低高風險區(qū)域信息流的負荷關聯(lián)度［25］。

下面結合能源互聯(lián)網跨界應用3個維度的要素進行分析。

1）目標維度。通過降低高風險區(qū)域信息流提高電力信息物理系統(tǒng)的抗災能力和韌性，實現信息物理系統(tǒng)整體安全。

2）對象維度。跨電網內部調度和信息通信部門的界限，打破一次側能流量調度和二次側信息流調度界限。

3）手段維度。能量層不需要重大改動，而信息層建設信息決策系統(tǒng)，實現傳輸層路由方式的優(yōu)化。該案例在同一個企業(yè)內，尚未涉及價值層內容。

3 學科跨界交叉融合

能源互聯(lián)網跨界需要理論和技術的支撐。不同學科的跨界交叉融合是理論和技術突破最主要的來源，在融合中產生新手段，從而支撐能源互聯(lián)網目標的實現。學科主要按照研究對象劃分，因此，本章從對象維度簡要探討學科跨界交叉融合若干方向的科學問題和關鍵技術。

3.1 電-熱/冷-氣/氫能源學科融合

電、熱/冷、氣/氫等不同能源行業(yè)分別基于電氣工程、能源與動力、建筑與環(huán)境等不同學科，不同能源之間物理機理差異大，數學建模和分析方法迥異，需要解決跨學科的理論技術難題。目前大部分綜合能源系統(tǒng)的研究中，不同能源網采用不同的數學方程刻畫，形成混合的偏微分-微分-代數方程組，然后通過聯(lián)合求解相關方程或優(yōu)化問題實現多能協(xié)同的分析和優(yōu)化［26-29］，為綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展作出了重要貢獻。

這些方法存在數學形式不統(tǒng)一的“多網多?！眴栴}，尚未實現學科深度融合，因此，研究人員提出了統(tǒng)一分析方法［30-33］。其中的統(tǒng)一能路理論［34］基于傅里葉變換引入“相量”，將偏微分方程組轉換為代數方程組，實現從“場”到“路”的轉變，構建了電網、熱網、冷網、氣網從傳統(tǒng)“時域分析”到“頻域分析”的方法論，相比于傳統(tǒng)差分法，在誤差可控的同時顯著提升了求解效率，為大規(guī)模綜合能源系統(tǒng)的分析和優(yōu)化提供了理論基礎。

3.2 電-交通-社會學科融合

電力、交通也分屬于不同學科，電動汽車的快速發(fā)展亟需電力-交通的融合建模與協(xié)同優(yōu)化。電力網、交通網具有迥異的動態(tài)特征，高比例電動汽車接入后2個系統(tǒng)相互影響。如何構建融合分析模型，并揭示這2個復雜異構動態(tài)系統(tǒng)的相互影響機理，是重要的科學問題［35］。

考慮到電動汽車形成的交通流與充電負荷背后是大量駕乘用戶的微觀復雜社會化行為，因此需要結合社會學科知識，利用多類價格杠桿實現“人在回路”智能決策，通過對車輛出行與充電行為的引導，實現電力網與交通網的協(xié)同優(yōu)化［36-37］。

由于電力-交通協(xié)同優(yōu)化涉及電網、交通、充電樁、車主等多方利益主體，如何在保護各自隱私信息的前提下實現上述協(xié)同優(yōu)化、聯(lián)合定價與互動決策，也成為一類關鍵科學問題［38-39］。

3.3 信息-物理學科融合

隨著信息物理系統(tǒng)（cyber-physical system，CPS）的發(fā)展，信息-物理學科的融合正在不斷加強，其中存在以下關鍵科學問題。

1）信息擾動對物理系統(tǒng)的影響評估，包括信息攻擊的影響、信息重要性量度等［40］。首先，需要對信息、物理系統(tǒng)進行聯(lián)合建模和分析。由于信息、物理系統(tǒng)傳統(tǒng)模型和分析方法差異大，常規(guī)方法采用信息、物理系統(tǒng)各自的仿真計算工具，近期混合分析模型和方法也得到了發(fā)展。在此基礎上，通過靈敏度等方式可以分析信息重要性。

2）信息物理系統(tǒng)優(yōu)化，包括信息物理協(xié)同恢復［41］、防御［42］、信息傳輸路由［25］等。這需要在前一個問題基礎上，定義度量指標作為優(yōu)化目標，然后建立優(yōu)化模型進行求解。

3）參與者的信息隱私保護。為了實現信息保護，目前已經有全分布式計算、信息偽裝［43］、安全多方計算等多種方式。

4 結語

能源互聯(lián)網是能源系統(tǒng)和互聯(lián)網深度融合的產物。作為互聯(lián)網思維之一的跨界思維對能源互聯(lián)網具有重要價值，有助于破除限制能源綠色低碳轉型的各種壁壘。為了解決能源轉型中的挑戰(zhàn)，能源互聯(lián)網需要從電力行業(yè)之外尋找新的低成本資源，助力構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，支撐中國雙碳目標的實現。

國內若干成功的能源互聯(lián)網項目體現了跨界思維。能源互聯(lián)網跨界思維應用有3個維度的要素：目標維度的綠色、低碳、安全、高效、優(yōu)質；對象維度的部門之間、主體之間、行業(yè)之間跨界；手段維度的能量層打破物理壁壘實現互補資源互聯(lián)、信息層打破信息壁壘打造靈活協(xié)同智慧、價值層打破價值壁壘構建多方共贏生態(tài)。

能源互聯(lián)網的跨界思維進一步提升到科學層面即為學科的跨界交叉融合，包括電、熱/冷、氣能源學科融合、電-交通-社會學科融合、信息-物理學科融合等。