为什么电网成不了互联网？

传统依赖煤炭和石油的时代正在悄然发生改变，风能、太阳能等清洁能源正铺天盖地而来。在这个大背景下，科技界流行起了一个时髦的词——“能源互联网”。很多人展开了浪漫的想象：是不是以后我们发电设备里的电，也能像发微信、发邮件一样，精准地“邮寄”给某一个特定的人？

作者篇文章用严谨的科学逻辑给我们泼了一盆清醒的冷水：电力系统不是因特网，更科学的名字应该叫“综合能源网络”（Comprehensive Energy Network）。

人类为了发展，向大自然排放了大量的污染物。如果生态负载超过了自然的自我修复能力，大自然的报复就会接踵而至，甚至可能带来大面积停电或更严重的灾难。为了把生态环境控制在安全范围内，我们需要完成两场重大的“绿色替代”：

（1）生产端的替代：在能源生产环节，用风能、太阳能等清洁能源，逐步替代传统的化石能源（煤炭、石油）。

（2）消费端的替代：在千家万户的消费环节，用电能去替代直接燃烧的化石燃料。比如正在推行的电动汽车、智能城市等。

这场替代运动中，电力系统和电网成了绝对的核心主角。风、光、水等能量须先转化为电能，才能被大规模输送和分享。

然而，风电和光伏有个致命的问题——间歇性和随机性。风什么时候刮、太阳什么时候出，可不听人类指挥。一旦未来清洁能源发电占比达到50%甚至80%以上，如果因不确定性出现能源停摆几分钟，整个社会的电力供应就会面临巨大考验。要解决这个难题，电网需要与天气预报、储能技术、甚至是天然气网络进行深度交互。未来的电力系统，是一个向外无限延伸的“超级朋友圈”。它与自然环境、经济环境、政策法规交织在一起。论文中给出了一张清晰的框架图：

这个图展示了物理电力系统（Physical power system）不是孤立存在的。它向上受到“自然环境”（如极端天气、雷电）和“一次能源供应”的制约，向右连接着“经济环境”与“运营管理决策”，向下由“数字二级系统”（信息网络）和“电力市场”提供支撑。彼此之间通过紧密相连形成了一个动态的生态圈。

传统上，我们的停电防御系统只盯着电网内部。但面对全球气候变暖带来的极端灾害，我们必须把视线向前推，甚至要提前预测雷电和台风，在灾害来临前给电网争取到宝贵的防御时间。这个庞大的系统运作时又是怎样一幅场景呢？

这幅图用清晰的层级展示了能源的流动。左侧是“一次能源的转换”（Converting of primary energy），包括煤炭、水能、核能、油气以及分布式可再生能源。中间的红色枢纽就是“电网”（Electrical power grids）。右侧则是“末端能源的相互替代”（Replacement among various kinds of end-use energy），电能在这里被分流给不间断用户、可中断用户、蓄电池以及热能转换，完美扮演了桥梁角色。

通过这幅图可以直观地看到，电网像一个庞大的能量中转港口，左边吃进各种混乱、不稳定的能源，右边吐出稳定、清洁的电能供人类享用。既然它也是个网络，为什么不能叫“能源互联网”呢？

现在，让我们回到最核心的科学争议上：为什么不能直接把互联网（Internet）的概念套用在能源上？论文指出了信息互联网与物理电网在物理定律上的本质区别：

（1）因特网（信息流）是“可以缓冲的”：一封邮件因网络堵塞，数据包可以在路由器里存一会儿，延迟几秒送达，可以精准指定某个IP地址接收。

（2）电网（电力流）是“瞬时平衡的”：电网必须遵循严格的基尔霍夫定律（Kirchhoff Law）。在空间中的任何一个节点，这一条线上进来的电和出去的电，在任何微小的时刻都必须绝对相等。电网本身无法把电能直接“缓存在电线上”延迟发送的。一旦打破平衡，电网就会崩溃。

在物理层面上，所有的发电厂都是把电“倒进”同一个电网的大池子里，而所有的用户都是从这个大池子里“舀水”喝。理论上，我们不可能追踪到“某一特定发电机产生的那颗电子，究竟流进了哪家用户的灯泡里”。机械地把互联网的“IP地址”、“路由器”、“通信协议”等概念搬到电力流上，不仅对技术发展没有实际好处，反而会混淆视听。

论文强调未来的方向是“智能电网（Smart Grid）”的进一步外延。我们要研究的，不仅是电力系统内部的螺丝钉，更是要跳出电力，研究气网、热网、交通网、生态环境以及经济政策对电网的综合影响。

作者简介：薛禹胜，中国工程院院士，稳定性理论及电力系统自动化专家，长期从事电力系统稳定性量化理论、大电网停电防御系统及能源领域信息—物理—社会系统研究，提出电力系统暂态稳定 EEAC 理论与算法，主持研发 WARMAP 大电网停电防御体系。

ORCID：0000-0002-5765-078X

DOI：10.1007/s40565-015-0111-5

已收藏 0

点赞 0