1能源互联网的网络化能源集成思路
近来, 继智能电网之后, 能源互联网成为人们关注的热门话题。文中将能源互联网的技术实质归纳为一种网络化能源集成技术, 并将智能电网定位为能源互联网的核心中枢。总的来说, 网络化集成技术是通过将对等、独立、自由的实体互联互通, 并根据节点特性协调分工, 以促进某种物理量在实体间彼此传输和交互, 从而提高对该物理量利用的规模和效益。信息互联网就是将这种理念应用于信息领域, 将计算机作为实体进行互联, 促进其彼此间信息的传输和交互。同理, 将这一理念应用于能源领域, 将各能源生产、传输和消费实体作为对等、自治和开放的节点进行互联互通, 促进能量在实体间的自由传输与交互, 进而大幅提高能源利用的效率与效益, 改善能源供应的安全性与可靠性, 这种技术即为网络化能源集成技术, 而所形成的能源集成网络就是人们心目中的能源互联网。
传统电网在以下方面不具备网络化能源集成的特征:
(1) 节点关系严重不对等: 电网中的电源节点与负荷节点的角色差异巨大, 发电、输电、配电以及用电分工明确, 相应的能源供应模式结构单一, 灵活性较差。
(2) 节点自治能力差: 自治能力是指节点通过自我协调与管理而对外呈现可预测、可控制、可调度(predictable, controllable, schedulable)的特性。 传统电网中负荷节点以及一些新能源发电节点并不具备这些特性。
(3) 自由度严重不均衡: 负荷节点在用电上享有较高的自由度, 而发电节点被动追踪负荷的变化而被严格垄断和管控, 电能的交易和交互也受到了这种机制的极大束缚。
2三层双向网络结构
能源互联网应该具有一种三层网络结构, 即能量交互网络、信息交互网络以及社会经济交互网络。三者通过各节点深度融合相互作用。而信息网络更是为能源网络和社会经济网络的运行交互提供信息支撑和桥梁作用, 是节点接入能源互联网的必要条件。
基于这种网络架构, 我们可以将原CPS(Cyber Physical Systems)的概念进一步扩展为新一代的CPS(Cyber, Physical and Socioeconomic)系统。在新一代CPS系统中, 社会经济交互活动与物理系统深度耦合, 物理系统的动态特征和状态将影响社会经济交互的决策与实施, 而社会经济交互将影响甚至改变物理系统的进程。
在新一代CPS系统中, 基于三层网络的深度融合, 社会经济交互网络与能量交互网络和信息交互网络的协调建模与分析将是未来研究的重点。而以往CPS中, 较为强调信息系统与物理系统的深度融合和相互作用, 而没有明确意识到隐藏在信息系统背后的社会经济行为及其作为一种交互网络的特征。因此, 未来的三层网络协调建模首先要在社会经济交互网络中合理模拟社会经济交互的机制、模式和决策过程。要明确社会经济交互网络节点与能量交互网络节点以及信息网络节点的映射关系。在能量流和信息流的相互转化作用研究基础上, 进一步定义社会经济网络中的资金流或财富流与前两者的相互作用。
3统一对等的节点模型
如信息互联网中各节点的物理本质可归纳为一种计算机系统, 在能源系统的运行和调度过程当中, 应将各连接入网的能源节点归纳为具备一致属性的统一的物理模型, 只是由于各属性取值不同从而显现出不同的特征, 从而进行相应的协调分工。
图2给出了统一对等节点模型的示意图。如图所示, 与信息互联网节点同时拥有信息输入输出、信息生成与利用, 信息处理和信息存储类似,能源互联网的某一集成节点可同时拥有供能(发电)和用能(用电)、储能以及能量转换等不同属性, 只是基于不同的物理特征, 其各属性取值不同。
网络化能源集成中的对等节点, 另一个重要特征就是其相对的自治能力, 通过可预测、可控制和可调度三个特征来描述。因此, 在统一节点模型中要包括对这三项特征的量化描述和分级。节点的可预测特征是指对其供能、用能和储能等进行量化预测, 节点需要向外呈现出这种预测的功率范围、时间范围以及预测精度。节点的可控制特性是指节点的供能、用能和储能可根据调度指令而改变, 从而参与调频调压和安全控制等, 不同类型的节点在功率控制范围和响应速度上具有差异。节点的可调度特性是指节点按照调度规划的时间、数量或范围供能、用能或储能。
4能源集成接口体系(Energy Integrator)
文中提出的网络化能源集成中, 统一对等的节点模型是其重要特征, 但是单一的能源实体, 难以实现可预测、可控制和可调度的特性。通过单一实体的集成和内部的协调互补之后, 从而使其整体对外呈现出可预测、可控制和可调度的特性, 再以统一节点方式接入能源互联网是较为可行的解决方案。这样, 接入不同类型的能源实体便需要一种统一的接口体系。
与能源路由器采用一致的技术和装置实现能量的灵活互动不同, 不同的能源节点虽然向上对系统可呈现相似特征, 但由于内部机理迥异, 难以通过统一的技术和装置实现。因此, 节点入网的统一接口体系应该是一个开放概念, 只针对功能和协议层面进行统一, 而对具体实施技术开放。因此, 将其称为能源集成接口体系(Energy Integrator), 以区别于具体装置。而能源路由器可以是其某种具体实施技术, 或技术方案的一部分。
能源集成接口体系应该具有一般性、适应性和安全性的特征。一般性是指接口体系对外呈现一致特征, 避免应用场景和控制对象的差异对交互方式的影响; 适应性是指在各类节点享有即插即用高度灵活和自由度的情况下, 系统自动适应网络构成和状态的变化; 安全性是指在网络化能源集成条件下, 确保节点间的自由交互不以牺牲系统运行的安全可靠为代价。
5结语
文中提出了能源互联网的三层双向网络结构, 尤其强调了社会经济交互网络在网络整体运行中所起到的关键作用。将CPS系统概念扩展为“Cyber, Physical and Socioeconomic”。进一步将网络化能源集成的关键技术概括为统一对等的节点模型、能源集成接口体系、网络化集成条件下的运行与控制。
在今后的工作中, 将进一步就三层网络的一体化建模, 能源流、信息流、资金流或财富流的集成分析作深入研究。尤其是基于社会经济网络与能源网络之间通过物联网和大数据的交互, 开展能源互联网环境下新一代扩展需求响应技术的研究。此外, 进一步研究能源集成接口体系的具体构成和协调机制; 进一步研究基于统一对等的节点模型的自适应灵活运行控制技术。
