1能源互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化能源集成思路

近來, 繼智能電網(wǎng)之后, 能源互聯(lián)網(wǎng)成為人們關(guān)注的熱門話題。文中將能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)實質(zhì)歸納為一種網(wǎng)絡(luò)化能源集成技術(shù), 并將智能電網(wǎng)定位為能源互聯(lián)網(wǎng)的核心中樞。總的來說, 網(wǎng)絡(luò)化集成技術(shù)是通過將對等、獨立、自由的實體互聯(lián)互通, 并根據(jù)節(jié)點特性協(xié)調(diào)分工, 以促進(jìn)某種物理量在實體間彼此傳輸和交互, 從而提高對該物理量利用的規(guī)模和效益。信息互聯(lián)網(wǎng)就是將這種理念應(yīng)用于信息領(lǐng)域, 將計算機作為實體進(jìn)行互聯(lián), 促進(jìn)其彼此間信息的傳輸和交互。同理, 將這一理念應(yīng)用于能源領(lǐng)域, 將各能源生產(chǎn)、傳輸和消費實體作為對等、自治和開放的節(jié)點進(jìn)行互聯(lián)互通, 促進(jìn)能量在實體間的自由傳輸與交互, 進(jìn)而大幅提高能源利用的效率與效益, 改善能源供應(yīng)的安全性與可靠性, 這種技術(shù)即為網(wǎng)絡(luò)化能源集成技術(shù), 而所形成的能源集成網(wǎng)絡(luò)就是人們心目中的能源互聯(lián)網(wǎng)。

傳統(tǒng)電網(wǎng)在以下方面不具備網(wǎng)絡(luò)化能源集成的特征:

(1) 節(jié)點關(guān)系嚴(yán)重不對等: 電網(wǎng)中的電源節(jié)點與負(fù)荷節(jié)點的角色差異巨大, 發(fā)電、輸電、配電以及用電分工明確, 相應(yīng)的能源供應(yīng)模式結(jié)構(gòu)單一, 靈活性較差。

(2) 節(jié)點自治能力差: 自治能力是指節(jié)點通過自我協(xié)調(diào)與管理而對外呈現(xiàn)可預(yù)測、可控制、可調(diào)度(predictable, controllable, schedulable)的特性。 傳統(tǒng)電網(wǎng)中負(fù)荷節(jié)點以及一些新能源發(fā)電節(jié)點并不具備這些特性。

(3) 自由度嚴(yán)重不均衡: 負(fù)荷節(jié)點在用電上享有較高的自由度, 而發(fā)電節(jié)點被動追蹤負(fù)荷的變化而被嚴(yán)格壟斷和管控, 電能的交易和交互也受到了這種機制的極大束縛。

2三層雙向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具有一種三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 即能量交互網(wǎng)絡(luò)、信息交互網(wǎng)絡(luò)以及社會經(jīng)濟交互網(wǎng)絡(luò)。三者通過各節(jié)點深度融合相互作用。而信息網(wǎng)絡(luò)更是為能源網(wǎng)絡(luò)和社會經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò)的運行交互提供信息支撐和橋梁作用, 是節(jié)點接入能源互聯(lián)網(wǎng)的必要條件。

基于這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu), 我們可以將原CPS(Cyber Physical Systems)的概念進(jìn)一步擴展為新一代的CPS(Cyber, Physical and Socioeconomic)系統(tǒng)。在新一代CPS系統(tǒng)中, 社會經(jīng)濟交互活動與物理系統(tǒng)深度耦合, 物理系統(tǒng)的動態(tài)特征和狀態(tài)將影響社會經(jīng)濟交互的決策與實施, 而社會經(jīng)濟交互將影響甚至改變物理系統(tǒng)的進(jìn)程。

在新一代CPS系統(tǒng)中, 基于三層網(wǎng)絡(luò)的深度融合, 社會經(jīng)濟交互網(wǎng)絡(luò)與能量交互網(wǎng)絡(luò)和信息交互網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)建模與分析將是未來研究的重點。而以往CPS中, 較為強調(diào)信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的深度融合和相互作用, 而沒有明確意識到隱藏在信息系統(tǒng)背后的社會經(jīng)濟行為及其作為一種交互網(wǎng)絡(luò)的特征。因此, 未來的三層網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)建模首先要在社會經(jīng)濟交互網(wǎng)絡(luò)中合理模擬社會經(jīng)濟交互的機制、模式和決策過程。要明確社會經(jīng)濟交互網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與能量交互網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以及信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的映射關(guān)系。在能量流和信息流的相互轉(zhuǎn)化作用研究基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步定義社會經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò)中的資金流或財富流與前兩者的相互作用。

3統(tǒng)一對等的節(jié)點模型

如信息互聯(lián)網(wǎng)中各節(jié)點的物理本質(zhì)可歸納為一種計算機系統(tǒng), 在能源系統(tǒng)的運行和調(diào)度過程當(dāng)中, 應(yīng)將各連接入網(wǎng)的能源節(jié)點歸納為具備一致屬性的統(tǒng)一的物理模型, 只是由于各屬性取值不同從而顯現(xiàn)出不同的特征, 從而進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)調(diào)分工。

圖2給出了統(tǒng)一對等節(jié)點模型的示意圖。如圖所示, 與信息互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點同時擁有信息輸入輸出、信息生成與利用, 信息處理和信息存儲類似,能源互聯(lián)網(wǎng)的某一集成節(jié)點可同時擁有供能(發(fā)電)和用能(用電)、儲能以及能量轉(zhuǎn)換等不同屬性, 只是基于不同的物理特征, 其各屬性取值不同。

網(wǎng)絡(luò)化能源集成中的對等節(jié)點, 另一個重要特征就是其相對的自治能力, 通過可預(yù)測、可控制和可調(diào)度三個特征來描述。因此, 在統(tǒng)一節(jié)點模型中要包括對這三項特征的量化描述和分級。節(jié)點的可預(yù)測特征是指對其供能、用能和儲能等進(jìn)行量化預(yù)測, 節(jié)點需要向外呈現(xiàn)出這種預(yù)測的功率范圍、時間范圍以及預(yù)測精度。節(jié)點的可控制特性是指節(jié)點的供能、用能和儲能可根據(jù)調(diào)度指令而改變, 從而參與調(diào)頻調(diào)壓和安全控制等, 不同類型的節(jié)點在功率控制范圍和響應(yīng)速度上具有差異。節(jié)點的可調(diào)度特性是指節(jié)點按照調(diào)度規(guī)劃的時間、數(shù)量或范圍供能、用能或儲能。

4能源集成接口體系(Energy Integrator)

文中提出的網(wǎng)絡(luò)化能源集成中, 統(tǒng)一對等的節(jié)點模型是其重要特征, 但是單一的能源實體, 難以實現(xiàn)可預(yù)測、可控制和可調(diào)度的特性。通過單一實體的集成和內(nèi)部的協(xié)調(diào)互補之后, 從而使其整體對外呈現(xiàn)出可預(yù)測、可控制和可調(diào)度的特性, 再以統(tǒng)一節(jié)點方式接入能源互聯(lián)網(wǎng)是較為可行的解決方案。這樣, 接入不同類型的能源實體便需要一種統(tǒng)一的接口體系。

與能源路由器采用一致的技術(shù)和裝置實現(xiàn)能量的靈活互動不同, 不同的能源節(jié)點雖然向上對系統(tǒng)可呈現(xiàn)相似特征, 但由于內(nèi)部機理迥異, 難以通過統(tǒng)一的技術(shù)和裝置實現(xiàn)。因此, 節(jié)點入網(wǎng)的統(tǒng)一接口體系應(yīng)該是一個開放概念, 只針對功能和協(xié)議層面進(jìn)行統(tǒng)一, 而對具體實施技術(shù)開放。因此, 將其稱為能源集成接口體系(Energy Integrator), 以區(qū)別于具體裝置。而能源路由器可以是其某種具體實施技術(shù), 或技術(shù)方案的一部分。

能源集成接口體系應(yīng)該具有一般性、適應(yīng)性和安全性的特征。一般性是指接口體系對外呈現(xiàn)一致特征, 避免應(yīng)用場景和控制對象的差異對交互方式的影響; 適應(yīng)性是指在各類節(jié)點享有即插即用高度靈活和自由度的情況下, 系統(tǒng)自動適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成和狀態(tài)的變化; 安全性是指在網(wǎng)絡(luò)化能源集成條件下, 確保節(jié)點間的自由交互不以犧牲系統(tǒng)運行的安全可靠為代價。

5結(jié)語

文中提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的三層雙向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 尤其強調(diào)了社會經(jīng)濟交互網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)整體運行中所起到的關(guān)鍵作用。將CPS系統(tǒng)概念擴展為“Cyber, Physical and Socioeconomic”。進(jìn)一步將網(wǎng)絡(luò)化能源集成的關(guān)鍵技術(shù)概括為統(tǒng)一對等的節(jié)點模型、能源集成接口體系、網(wǎng)絡(luò)化集成條件下的運行與控制。

在今后的工作中, 將進(jìn)一步就三層網(wǎng)絡(luò)的一體化建模, 能源流、信息流、資金流或財富流的集成分析作深入研究。尤其是基于社會經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò)與能源網(wǎng)絡(luò)之間通過物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的交互, 開展能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下新一代擴展需求響應(yīng)技術(shù)的研究。此外, 進(jìn)一步研究能源集成接口體系的具體構(gòu)成和協(xié)調(diào)機制; 進(jìn)一步研究基于統(tǒng)一對等的節(jié)點模型的自適應(yīng)靈活運行控制技術(shù)。