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【电力新视界】中国电科院盛万兴等:能量路由器—构建能源互联网的神经元(上)

电网技术 2019-10-13 12:13:27

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能量路由器—构建能源互联网的神经元(上)

为应对全球能源安全、环境污染和气候变化的挑战,电网正在进入以“分布式能源+互联网”为特征的低碳时代,未来电网结构将会像计算机网络产业的发展路线一样向能源互联网方向发展。积极发展能源互联网,是中国应对下一次能源革命的主要策略之一。

虽然关于能源互联网的定义还未形成一致的认识,但是以电网作为能源互联网的核心网络已取得广泛的共识[1]目前大家听得最多的是关于未来构建能源互联网的关键装备叫做“能量路由器”,那么能量路由器到底是什么,它是如何构建能源互联网的呢?

要了解能量路由器,我们先从能源互联网的相关知识讲起,理清几种概念,从而更地理解能量路由器的定义和功能。


 能源互联网

能源互联网的概念其实可以追溯到数十年前。20世纪70年代,巴克敏斯特·福乐(Rid Buckminster Fuller)在世界游戏模拟(world game simulation)大会便提出,“全球能源互联网战略”是能源的最高优选战略。

1986年,由彼得·迈森(Peter Meisen)创立的全球能源网络学会(global energy network institute,GENI),关注国家与国家之间的电力传输网络连接,强调利用丰富的再生能源资源,利用季节性变化、气候变化和日照变化等的差异收集再生能源,以供全球使用。

2010年美国沃顿商学院的著名经济学家、未来学家、政治顾问杰里米•里夫金(Jeremy Rifkin)教授在其专著《第三次工业革命》中提出了“能源互联网”的概念。由于“能源互联网”与当前需求和技术发展相适应,引起了世界各国的广泛关注,并被看作未来能源电力系统建设的发展方向之一。


 狭义能源互联网

(经典定义)

其实能源互联网最初是针对电网而言的,其实质就是互联网式的电网,它是一种在现有电网基础上通过先进的电力电子技术和信息技术,融合了大量分布式可再生能源发电装置和分布式储能装置,能够实现电能和信息双向流动的对等共享网络,这是能源互联网朴素的经典定义,我们在此把它称为狭义能源互联网。狭义能源互联网把一个集中式的、单向的电网,转变成双向的、与更多消费者互动的电网;是以互联网理念构建的新型信息、能源融合的“广域网”;以大电网为“主干网”,以新型微电网为“局域网”,以开放对等的信息、能源一体化架构,真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用,可以最大限度地适应新能源的接入。它是下一代智能电网的一种实现形式,也可以称为Internet式的智能电网[2]

狭义能源互联网 VS 计算机互联网

(a)  计算机互联网典型架构

(b)狭义能源互联网架构

与计算机互联网典型结构相对比,狭义能源互联网具有与计算机互联网相似的结构形态。计算机互联网通过集线器、交换机等局域网设备将个人计算机、终端、计算机服务器等组成计算机局域网,局域网中还包含子网,再通过路由器、网关等网间设备接入计算机互联网。而能源互联网通过新能源发电,微能源的采集、汇聚与分享,以及储能和负荷用电消纳形成层次化结构的“狭义能源局域网”,其中狭义能源局域网中又包含了“能源子网”[3]。而组成狭义能源互联网的核心设备将是与电压容量等级相对应的高压能量路由器中压能量路由器低压能量路由器


广义能源互联网

有狭义必然也就有广义,广义能源互联网是以电力系统为核心,以互联网及其他前沿信息技术为基础,以分布式可再生能源为主要一次能源,与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统,这些系统以电能流和信息流为纽带,紧密耦合——即电力网系统、电气交通网系统、天然气网络系统和信息网络系统,还可进一步集成供热、制冷网络等其他二次能源网络。控制的对象已不仅仅是包含电力系统,而是多种能源的协调控制和相互转化,而能量路由器也将向能源路由器进行演进,如下图所示。

融合多种能源互联的广义能源互联网结构

关于能源互联网的定义上虽然还存在着一定争议,但无论是哪种定义的能源互联网,其核心都是以电力网络为基础的新型多能源融合的新一代能源电力系统,这已经得到广泛认同,因此狭义能源互联网应是当前研究的核心方向之一。由于受当前技术的限制,狭义能源互联网的研究和建设首先从配用电端开始,也就是中压能量路由器和低压能量路由器的研制及其多机组网控制技术。可以看出系列能量路由器将是构建下一代能源系统、能源互联网的关键装备,是构建能源互联网的神经元。


能量路由器(energy-router)


2008年,美国北卡莱罗纳州立大学Alex Q. Huang主持开展美国国家科学基金项目FREEDM (The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management Systems),希望将电力电子技术和信息技术引入电力系统,在未来配电网层面实现能源互联网理念,效仿计算机网络技术的核心路由器,他们提出了能量路由器(energy-router)的理念。

中国电力科学研究院配电研究所经研究和提炼后,将“能量路由器”定义为:它是融合电网信息物理系统的具有计算、通信、精确控制、远程协调、自治,以及即插即用的接入通用性的智能体,具有如下基本特点:采用全柔性架构的固态设备;兼具传统变压器、断路器、潮流控制装置和电能质量控制装置的功能;可以实现交直流无缝混合配用电;分布式电源、柔性负荷(分布式储能、电动汽车)装置即插即用接入;具有信息融合的智能控制单元,实现自主分布式控制运行和能量管理;集成坚强的通信网络功能[2]。中国电科院的研究人员根据不同电压、容量和应用功能的不同将其重新命名为:“能量路由器(energy router)”、“电能交换器(energy switcher)”和“电力集能器(energy hub)”

能量路由器集成功能示意图

能量路由器系统结构:融合电网信息物理系统,能量路由器系统结构如下图所示,分为2个层面:电气物理层和电气信息层。

能量路由器系统结构与外部电气、信息接口示意图

电气物理层主要包含电力电子固态模块、电能接口模块、内部供电模块和储能模块(可选),其中核心模块为电力电子固态模块,该层主要是能量路由器的电能控制和传递的主要物理装置,是整个能量路由器的核心,是实现电能灵活控制和传递的主要装置,实现电能参数的转变,从而达到变压、变流和电能质量控制。电气信息层主要包含智能控制模块、通信模块和上层管理与应用模块,该层主要将电气物理模块和通信模块收集的信息加以处理和标准化,从而实现能源局域网内部的能量管理和调度、网间的协调、状态监测,并通过设备内部信息总线或通信模块下发控制和管理调度指令,真正起到能源互联网的神经元作用[4]

能量路由器多机组网运行

示意图中的红色线路为交流配用电线路,而蓝色线路为直流配用电线路,以中压能量路由器和低压能量路由器为关键配电装备构建了3个典型能源局域网。中压能量路由器同时提供了多种电压等级的交流配用电线路和直流配用电线路,其中在中压能量路由器1构建的能源局域网1中详细呈现了能源局域网的架构,还分别在工频交流用电线路和中压直流配电线路上连接了以交、直流并网型低压能量路由器为核心的能源子网1和能源子网2。

多机多级能量路由器组网运行示意图

能源子网1较详细地呈现了能源子网的结构,低压能量路由器提供了低压直流用电线路以方便分布式电源、柔性负荷的接入。这种结构清晰地指明了中压能量路由器和低压能量路由器的应用范围和能源局域网、能源子网的构建方法。能源局域网的信息通信主要包括能源局域网间信息、能源局域网内信息和能量路由器内部信息3个层面的信息通信,为应对不同的通信需求,通信模块提供面向电网信息物理系统信息网络的内部和外部实时通信连接,并提供多种通信协议的转换和多种信息接入接口,实现通信和信息的即插即用[5]

该架构是融合信息流、电能流、控制流的层次化能源系统,并由能源互联网能量管理系统进行管理,如果将能源互联网能量管理系统比作“大脑”,那么能量路由器就是“神经元”。

能源局域网将是未来构建能源互联网中配电系统的核心节点,该节点通过分布式能源发电、微能源的采集、汇聚与分享以及储能和负荷用电消纳,形成交直流无缝混合的、网格状对等的、集中与分布相结合的、分层递进控制的广域能源互联网


参考文献


[1] 段青,盛万兴,孟晓丽,等.面向能源互联网的新型能源子网系统研究[J].中国电机工程学报,2016,36(2):388-398. 

[2] 盛万兴,段青,梁英,等.面向能源互联网的灵活配电系统关键装备与组网形态研究[J].中国电机工程学报,2015,35(15):3760-3769.

[3] 盛万兴,刘海涛,曾正,等. 一种基于虚拟电机控制的能量路由器[J]. 中国电机工程学报,2015,35(14):3541-3549.

[4] 段青,盛万兴,孟晓丽,等. 一种基于信息物理系统融合的能量路由器[P]. 中国:CN103973559B,2017.01.25

[5] 盛万兴,兰征,段青,等. 自储能型能量路由器研究[J]. 电网技术,2017,41(2):387-393.

供稿:盛万兴、段青

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