售电侧改革背景下“互联网+”电能替代发展路线

　　售电侧改革为“互联网+”智慧能源这一技术概念的落实提供了新的环境和契机。针对新技术背景及市场环境下的电能替代发展路线进行了深入的分析阐述，首先分析了“互联网+”智慧能源发展的整体需求，进而提出了“互联网+”电能替代的概念并对其特征进行阐述，并结合售电侧改革背景提出了总体的发展路线，最后对其关键技术及多主体的运营模式收益进行剖析，为我国“互联网+”电能替代的发展和全球能源互联网的建设实施提供参考。

　　关键词：“互联网+”电能替代;售电侧改革;技技术路线;多主体效益分析

　　孙毅 1，许鹏 1，单葆国 2，祁兵 1

　　(1. 华北电力大学 电气与电子工程学院;2.国网能源研究院，)

　　引言

　　能源是现代社会发展的重要推动力，也是新一轮科技革命的重点关注对象。尤其进入 21 世纪以来，随着互联网、先进通信信息及可再生能源等相关技术与能源产业的深度融合，互联网+智慧能源、能源互联网成为我国能源革命的重要支撑[1]。

　　推动能源革命的必要性在于： 1)能源产业结构不合理，化石能源过剩产能导致环境性问题日益突出; 2)能源形式可持续发展力不足，可再生能源接入受到多方面因素的影响限制，亟待合理接入方式及灵活辅助调节机制支持可再生能源充分利用; 3)“互联网+”技术推进能源利用形式向更加智能化方向发展。

　　在此前提下，供给侧的清洁替代、电网网架的坚强支撑、需求侧的电能替代以及双向互动的灵活性资源利用是必然发展趋势[2]，其中，电能替代是改善环境、提升电气化水平的关键手段。我国在电能替代推进实施方面给予了高度重视：《关于推进电能替代的指导意见》 [3]中将电能替代对象明确为年消费高达 7~8 亿 t 的散烧煤用户，主要应用领域为居民采暖、生产制造、交通运输和电力供应;《 2016 年能源工作指导意见》 [4]指出，在下一步的发展中，要大力发展非化石能源，并且要着力提升电网调峰能力，促进可再生能源的就地消纳利用，启动实施“互联网+”智慧能源，推广实施电能替代;此外，发改委、能源局、工信部也联合推出了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》 [5]，明确指出要促进可再生能源智能化，推动对散烧煤等低效化石能源的清洁替代;同时鼓励整合多类型的分布式储能设备，通过互联网监管运营实现调峰调频等服务。

　　然而目前的电能替代发展模式，虽然对电网和社会发展的角度而言有着良好的环境性收益，但其推行过程中用户侧电能替代的经济性成本高，即使政府补贴设备更换费用，后续的用电成本也高于传统的化石能源方式[6]，这也成为电能替代深入推广的一大阻碍。

　　《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》 [7]颁布实施后，售电侧改革下的电力市场中主体更加多元化，市场机制更加丰富，为电能替代发展模式带来更多可能性。因此，如何在新市场环境下推进实施电能替代，形成多方均衡的良性可持续替代方案，是能源改革发展的必然需求;同时，随着电能替代的大规模推广，将出现大量的增量负荷，以“互联网+”思维深入挖掘这些新增负荷的可调控特性，参与电网动态调度，消纳以风电为代表的可再生能源，对于能源互联网的推进发展也具有重要意义。

　　本文基于新形势下的能源发展需求和市场环境，提出售电侧改革背景下“互联网+”电能替代的概念特征及整体技术发展路线，对其涉及的关键技术进行阐述，从多元主体角度进行经济效益分析，形成了适应市场多主体需求的“互联网+”电能替代发展思路，并对下一步研究方向进行了探讨。

　　1 “互联网+”智慧能源发展需求

　　“互联网+”智慧能源的总体发展背景下，能源产业的变革主要体现在供给侧改革、电网侧调度、需求侧响应以及储能设备应用[8];其总体发展需求则主要包含以下 3 方面。 1) 节能减排，发展可再生能源。能源变革的长期目标在于提高能源的利用率，减少非环保性排放[9-10]。电能是实现这一目标的能源转换枢纽：①将化石能源等传统能源实现集中高效转换，减少非必要性排放;②将风能、太阳能等可再生能源充分利用，改善能源结构，以电能管理为枢纽，实现传统能源与可再生能源的协调互补。2)源网荷储多环节协调，优化配置。能源互联网概念下，从源端到终端的全过程均具备物理信息融合的交互特性;因而能源的调控也不局限于简单的点对点应答或局部协商，而是全局的资源配合优化配置，供需双向能够通过合理的运行机制达到平衡。3)鼓励灵活柔性需求侧资源[11]，发挥其优化配置作用。需求侧资源是实现能源优化配置的主要手段，鼓励灵活柔性负荷类型能加强负荷的可调控性，提升需求侧响应潜力;在“互联网+”电能替代的技术背景下，需求响应的概念从传统的价格/激励信号响应模式，扩展为“集中调控、分布自治、远程协作”的智能调控模式，更利于深度发挥灵活性需求侧资源的优化配置作用。

　　2 “互联网+”电能替代的概念及特征

　　2.1 “互联网+”电能替代概念

　　“互联网+”电能替代是在能源互联网、互联网+技术概念下的延伸，即借鉴互联网的思维模式，以广泛分布式的高聚合性电力负荷替代低环保性化石能源设备，并依托互联网、大数据分析、信息物理融合等技术手段，形成允许跨界融合的运营模式，实现能源消费端向广泛可再生能源长尾的动态匹配，改善能源产业结构。

　　2.2 “互联网+”电能替代特征

　　2.2.1 “互联网+”特征

　　1)技术特征。互联网的技术特征可以概括为全球互联互通、平等开放接入、公开规范运行、多样透明访问等。文献[12]在此基础上对能源互联网的技术特征总结为泛在互联、对等开放、低碳高效、多源协同、安全可靠。

　　2)模式特征。

　　长尾理论：如果把足够多的非热门产品组合到一起，实际上就可以形成一个堪与热门市场相匹敌的大市场[13]。“互联网+”为处于长尾的小众产品提供了广泛的市场空间，通过柔性的生产来匹配大量、零散、平滑的用户购买需求，互联网平台可聚集这些用户形成一个与主流市场相匹敌的新市场。跨界融合： 得益于互联网平台的广泛互联，“互联网+”模式下的主体不再局限于某一种职能，多个行业之间可以形成跨界的融合经营，以更广泛的形式平衡市场主体收益[14]，典型的如淘宝等电子商城已经超越传统的商品销售，形成了集销售、金融、物流以及娱乐等多元化的经营模式。

　　2.2.2 “ 互联网+”电能替代特征

　　1)技术特征。

　　广义泛在互联：本文中所提出的“互联网+”电能替代，是对从互联网的全球互联，到能源互联网中的泛在互联的进一步阐述，即广义泛在互联。不仅包含从能源生产到消费、从供给到终端的全过程中各主体相互连接交互，而且是具备信息流、能量流、业务流多层次的互联。

　　低碳环保：低碳环保是电能替代的重要目的，也是“互联网+”电能替代的基本特征。“互联网+”电能替代的发展路线的主旨在更好地消纳可再生能源，改善终端能源消费结构、提升能源利用效率。

　　高聚合性：高聚合性是“互联网+”电能替代的必要特征。“互联网+”电能替代的优势不仅在于终端能源消费更加清洁，更重要的是在高技术水平下电力负荷所具备的集群调控潜力，而电能替代增量负荷的高聚合性是充分发挥分散设备集群效应的关键。

　　2)模式特征。

　　逆向长尾理论：不同于传统的互联网市场，能源市场中生产端的可再生能源波动性强、可控制柔性差，因而不能以传统的长尾理论解读;相反，能源消费端的电力负荷则愈渐呈现柔性化的趋势，诸如空调、电采暖设备、热水器以及电动汽车等大功率耗电设备，在规模化的市场范围内，具有强大的可控柔性，以需求侧这些高聚合性的柔性负荷来逆向匹配生产端的可再生能源长尾，则是“互联网+”电能替代的主要特征，见图 1。

　　多元主体跨界融合是“互联网+”电能替代的重要特征。 与传统意义的电能替代发展模式不同，“互联网+”电能替代的特征在于，能源服务商的角色定位不再局限于自己所提供的能源类型; 如推广电锅炉广泛替代散烧煤， 服务商提供的能源形式是电能，但其计费形式可以是采用供暖费用的形式收取。 因而用户不再需要受额外用电量和电价的约束，只需关注自身的供暖需求即可; 其中服务商所承担的价格差则可通过其他收益方式进行平衡，具体关系在后文中进行了详细分析。 这一角色形式的转变，为能源服务提供了更多样化的市场运营模式，激活了能源的商品属性。

　　3 售电侧改革背景下的“互联网+”电能替代技术路线

　　售电侧改革为“互联网+”智慧能源路线的发展延伸提供了市场环境，允许多元主体根据发展需求开拓新型市场。基于前述发展现状和需求分析，以能源产业发展为目标、电能替代为手段、“互联网+”为支撑、用户服务为主旨，提出售电侧改革背景下的“互联网+”电能替代技术路线，如图 2所示。其特点在于以下方面：

　　1)以具备售电能力的聚合商为枢纽，协调新背景下多方收益关系。

　　在售电侧改革的新背景下，负荷聚合商可以将地理位置分散的某一类型可中断或可转移负荷(如电取暖锅炉、商用电热水器、电动汽车等)聚合到自己的一条虚拟母线上，通过公众信息通信基础设施对这些虚拟母线上的聚合负荷进行集中控制来提高其对电网需求的整体响应能力。聚合的负荷愈多，其响应电网波动的能力及消纳突发性可再生能源电量的能力就愈强，聚合商通过为电网提供辅助服务来平衡收益的能力也就愈强。与此同时，聚合商可通过供暖费、热水费等变通方法实现其收益，亦可通过获取政府的需求响应补贴、未来的碳交易收益或直购价格低廉的新能源(如弃风)电量来平衡其收益。

　　2)以高聚合性电力负荷替代化石能源设备。

　　能源改革的推进中，清洁可替代性成为关键话题，电能替代的首要对象即为分散的低效化石能源设备，如散烧供暖、商业锅炉等;而主要的替代手段应采用高聚合性电力负荷，即能源利用率高、功率范围大、可调节能力强、具备智能通信信息支撑的新型负荷，如智能化电锅炉、电动汽车等，为增强电网调峰调频能力和消纳可再生能源能力提供支持。根据目前电能转换技术情况，电锅炉的热效率已经达 95%以上，而电动汽车的传动转换效率也已达 70%左右，远高于传统化石燃料方式;同时，化石能源集中性转化为电能的效率和环保性也远高于原有的散烧型方式，从整体上有效节能减排。

　　3)充分利用弃风、弃光电量。目前新能源的装机量虽然稳步上升，但由于能源结构、储能规模和需求侧柔性的限制，仍然存在局部地区 10%以上的弃风现象及 20%以上的弃光现象[15-16]。

　　“互联网+”电能替代的发展模式下，增量的高聚合性负荷为风电消纳提供了良好的调控能力，有学者称之为负荷的虚拟储能特性[17]。互联网+电能替代模式下，该类资源不再局限于对面向削峰填谷需求的电网价格或激励响应，还可以充分利用负荷柔性对可再生能源出力的波动性进行跟踪拟合，可提升能源利用率，减少弃风、弃光现象。

　　4)动态集群利用高聚合性负荷的可调控潜力。

　　高聚合性负荷可调控潜力的挖掘需要大规模集群化的调控实现[18]， 且为满足应急调控等短时调控需求， 集群调控应具备时间尺度[19]的动态灵活性;大规模集群情况下，还应具有多空间尺度的广域协调互补机制，均衡各用户的参与度，达到整体最优化。

　　4 “互联网+”电能替代关键技术

　　“互联网+”电能替代发展路线不仅依托于能源互联网发展的基本技术需求，如新能源发电技术[20]、先进输配电技术[21]、云平台技术、区块链技术[22]以及先进信息通信技术等。由于售电改革背景下发展模式的多元化，对于承担售电角色的聚合商而言，需要更加智能、精准、科学的需求侧资源调控策略，所涉及的关键技术架构见图 3。

　　4.1 提升增量负荷可响应/可消纳潜力评估精确度

　　增量负荷的调控目标一方面可以是消纳风电，通过大量分布式的电暖设备以热能的形式进行存储，主要考量其面向风电出力波动性的可消纳潜力;另一方面可以是为电网提供调峰调频等辅助服务，即考虑可响应潜力。两者在评估中所涉及的外部因素和场景虽有不同，但基本理论和方法相近。

　　潜力评估是需求侧资源调控策略制定的基础。

　　用户响应潜力受到技术、政策、客观条件等多种因素的影响，影响机理复杂，其评估的精确性必然存在一定限制，因此评估技术的优化旨在于一定的颗粒度下尽可能提升评估的全面性和精确性。现有评估方法可大致分为 2 类：一类是从负荷出发，根据负荷模型分析进行理想化的负荷可响应能力评估，辅以影响因素分析修正[23];另一类则是从用户出

　　发，分析各外界因素对用户能动性的影响，根据用户历史响应水平和外界因素的关联性分析，进行预测性可响应量估计[24]。但上述 2 类方法更多地关注日前计划等带有预测性的负荷评估，对于负荷的实时运行状态考虑不足;但在应对调峰调频等实时性服务需求时，负荷的运行状态从根本上决定了其剩余的可调节空间，如设空调可调节边界为[24,30]℃，实际运行状态处于 26℃和 28℃， 可响应潜力显然不同，而该问题在前述模型中并未体现。

　　因此，在目前已有潜力评估技术研究基础上，为实现更加精细化的评估，需从 2 方面进行提升：1)负荷的精细化模型建立。深入探讨负荷设定参数变化量与功率变量的耦合关系以及温湿度等外部因素对这一关系的影响作用，建立离散化负荷状态模型。 2)大数据技术的深化应用。大数据技术旨在分析海量数据中的关联性，目前已有研究主要考虑的多为结构化数据，以数据挖掘的方式对可响应潜力进行评估[25];但对于海量的外部关联性非结构化数据，如政策影响、经济指数等， 缺乏相应的深入研究，亟待展开全面深层次的潜力分析。

　　4.2 基于实时需求的负荷群动态集群优化

　　集群技术最早出现在计算机学科中，旨在通过高速网络将一群相互独立的计算机互联，形成一个具有独立服务器功能的系统，从而在付出较低成本的情况下获得在可靠性、灵活性、可伸缩性等方面相对较高的收益[26]。目前集群技术在需求侧的应用主要是针对不同类型的负荷进行聚类，预先将负荷划分为若干类进而提出针对性策略。

　　电能替代增量负荷可聚合性强、数量大、分布离散、单一功率额有限、运行状态相对独立且负荷的类型相对较少，因此分布式的集群处理能有升其调控效率。然而现有集群方法为前期固定聚类，对负荷所处动态离散状态空间的考虑不足，且缺乏面向实时供需差额的动态集群过程。实现基于电网供需变化和负荷实时状态的动态集群优化是下一步发展的关键之一。这一技术的基础是统一云端信息处理平台以及深度应用的大数据分析技术，而通过因果分析与统计分析相结合的大数据思维[27-28]形成全方位负荷状态集分析技术、近实时动态集群机制则是实现的关键。

　　4.3 多时空域协同控制策略

　　多时空域的协同控制关键技术涵盖两方面的技术发展需求：从研究角度而言，需要考虑多时空维度的负荷群最优组合调控策略及跨区域互补优化机制、计及可再生能源出力不确定性和负荷响应随机性[29]的微网到大电网全面稳定性分析[30]、面向不同时间片需求的灵活降负荷任务分配机制、具有可追溯性的层次化控制效果评价指标体系[31]及可自学习的多轮调控方法[32]等关键技术;从技术实现角度而言，需要深化发展信息物理融合技术，实现信息流、电力流和能量流之间的集成交互，形成具有自适应性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性的信息物理系统，提供动态开放接入机制及分布式异构的协作控制实现，支撑基于系统实时状态需求的智能化决策计算的实现。

　　4.4 研究多元主体跨界融合运营模式

　　售电改革背景的“互联网+”电能替代发展路线下，电能的交易由购售电差价利润转化为以具备售电能力的负荷集成商为枢纽的多元主体跨界融合运营模式。因而新运营模式下各主体的职能、定价以及收益模式都有所转变，在计及电能替代外部成本、增量负荷服务增收、可再生能源利用率提升等新增成本和收益的情况下，如何基于合理定价、职能交叉融合和灵活多样的服务增收形成多方共赢的均衡可持续发展运营模式，是亟待研究的关键技术之一。

　　5 多主体效益分析

　　售电侧改革为“互联网+”电能替代的实施提供了更加灵活的市场环境，在新市场背景下，多元主体之间的收益方式和平衡关系也呈现新的态势。从本文发展路线的总体上而言， 成本主要在于电能替代负荷设备推广和控制平台系统建设的投资成本以及因电能替代推广导致的散烧煤供应商的收益损失等外部成本;总体的收益来源为可再生能源的利用提升所创造的收益、发电企业污染性外部成本降低、以及用电侧电能替代所带来的环保性外部效益;此外，前期推广规模较小的情况下，市场局部环节收益可能不足以平衡投资成本，因此需要一定程度的政策扶持，如可再生能源发电补贴、清洁型设备推广补贴。具体路线中所涉及各个主体的收益关系如图 4 所示。

　　黑龙江省发展现状为例， 据 2015 黑龙江统计年鉴，生活电能消费量为 163.85 亿 kW?h， 生活型煤炭消费量(以散烧煤为主)达 425.5 万 t，取生活电能消费与煤炭消费比值作为终端电能替代的体现指标，则其指标值为 0.385，较上一年增加了 0.08，但从长期统计而言其增速较低;此外，据估计， 省弃风累计损失达 1.6 亿元。在本文所提发展模式下，首先以智能家用电锅炉对生活端散烧煤设备进行替代，为加大替代推广力度，可将用户前期使用成本压低至与燃煤方式相近，主要通过智能化集中控制，匹配风电出力情况，以消纳风电为主，降低发电成本;设将原弃风损失折算 50%利用率，则增收0.8 亿元，鼓励发电企业将该部分增收投资到前期建设中，从而减轻负荷商和用户压力;增发电量为电网也可带来增量过网收入;在能够吸引社会资本和政策支持的情况下，可以预期电能替代指标能大幅提升，形成长期发展模式。

　　在本路线下各主体的具体收益关系分析如下。

　　1)发电企业。

　　可再生能源发电企业的收益组成包含 4 方面：①常规用电时段售电收益;②清洁性能源发电补贴收益，即上网电价补贴;③可再生能源保障性收购增益;④电能替代增量负荷所消纳的原弃风电量售电收益。其成本则主要包括发电设备的成本均摊和运行维护费用。

　　传统火电企业的收益则并未受到影响，主要由售电收益、 调峰调频辅助服务收益、 集中供暖等周边服务费用组成。成本则由化石燃料消耗、备运维费用及设备成本均摊组成。

　　2)电网。电网企业在售电改革市场环境下，其收益包括了上网电量传输所产生的过网费用以及供给侧和需求侧多方协调参与间接降低的电网调度成本;而主要的成本则在于电网基础设施的运行维护费用。

　　3)聚合商。 聚合商不再拘泥于传统的电价差别或激励补贴的收益方式，可以通过为用户提供能源服务收取服务费用，不仅可以以售电的形式实现，还可以包括供暖费用或其他类似服务费用的形式;此外，通过对用户负荷状态的分析和优化调控，参与电网辅助服务亦可获取补贴费用;而通过对所聚合用户负荷的信息数据分析也可开展优化服务、定向推送、业务咨询等增值服务获取收益。而其运营成本则由所承担的过网费用以及电厂直购电费用构成。

　　4)电力用户。对用户而言，参与“互联网+”电能替代模式的增益在于：①减少散烧煤成本;②参与紧急服务的收益;③清洁替代设备补贴。而所付出成本则包含了参与初期更换设备的投入均摊成本和使用过程中所缴纳的服务费用。

　　5)社会层面。 从社会层面而言，主要收益体现在：①社会化的能源利用清洁性增益，即减少环境污染以缩减治理费用，减少碳排放以释放碳交易空间;②产业结构良性发展长期可持续收益;③能源利用效率提升以降低化石能源浪费，减缓能源衰退问题。同时国家政府层面在发展初期需要提供一定的补贴成本，如新能源发电补贴及居民侧清洁替代设备补贴等。

　　6)第三方企业。“互联网+”电能替代在激活电力市场主体活力的同时，也为第三方的生产服务企业提供了更广泛的市场环境。第三方企业通过业务咨询实现与用户需求相匹配的产品推广，为其争取增量负荷设备提升竞争力。

　　6 下一步发展方向

　　售电侧改革背景下的“互联网+”电能替代技术路线的提出，为其相关技术的发展方向提供了良好的借鉴作用，在下一步的工作中，需在基础建设、技术研究、经济模式、实践检验等环节进行深入发展：

　　1)大力发展新能源发电、大数据深度分析、云平台安全集成、信息物理融合等支撑技术，奠定实施基础。

　　2)深入研究关键技术，就前述潜力评估、动态集群、广域调控、组合优化、效果评价等多方面的关键技术进行精细化的研究，建立高效模型和优化策略库，实现需求侧资源利用效果的综合提升。

　　3)探索更多元化的交易模式，在开放市场环境下，允许更加多元的交易和盈利机制，充分发挥互联网思维，开拓新型市场交易机制;充分挖掘能源产业与其他产业的相关性，开拓信息增值机制，建立环保性交易，如绿色证书、碳交易等。

　　4)全面分析实践过程中存在的非理想化影响因素及附加需求，研究信息物理融合过程中存在的实践性困难，检验理论依据的适用性，推进“互联网+”电能替代发展进程。

　　7 结论

　　“互联网+”电能替代是以可再生能源为动力，以互联网技术、大数据分析、信息物理融合等先进信息通信技术为基础，以互联网运营思维模式为指导，以高聚合性电力负荷为主要手段，替代以散烧煤等低效能源形式的能源发展模式。

　　电力市场改革为“互联网+”电能替代的市场化实现创造了空间， 售电侧改革带来的增量负荷不仅体现为电网结构上的增量， 在“互联网+”电能替代模式下更多的增量体现在电能替代等电网业务上。售电主体担任负荷聚合商的职能，在发电厂、电网、用户之间起到枢纽的作用， 挖掘大量高聚合性增量负荷可调控潜力实现逆向长尾匹配，消纳可再生能源。为实现多主体的长期可持续共赢发展，需要精确可调控潜力评估技术、动态集群方法以及基于信息物理系统的广域协同控制策略等关键技术支撑，深度挖掘电能替代增量负荷的可调控潜力。在此发展路线下，聚合商以跨界融合的服务运营模式平衡收益;同时，电网企业获得了过网费用增收及调峰调频等辅助服务，使其能够以更开放的心态拥抱电改，实现多方共赢;而电能替代的推进也对国家能源结构调整、环境改善以及碳排放缩减意义重大。