能源互联网的路由策略研究解析.docx
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能源互联网的路由策略研究解析
能源互联网的框架研究
一、信息—能源融合的能源互联网
1.1、研究背景
能源是现代社会赖以生存和发展的基础。
20世纪70年代石油危机后，能源问题一直受到世界各国的普遍关注。
各国积极研究新能源技术，特别是太阳能、风能、生物能等可再生能源。
可再生能源具有取之不竭，清洁环保等特点，受世界各国的高度重视。
可再生能源存在地理上分散、生产不连续、随机性、波动性和不可控等特点，传统电力网络的集中统一的管理方式，难于适应可再生能源大规模利用的要求。
对于可再生能源的有效利用方式是分布式的“就地收集，就地存储，就地使用”。
但分布式发电并网并不能从根本上改变分布式发电在高渗透率情况下对上一级电网电能质量，故障检测，故障隔离的影响，也难于实现可再生能源的最大化利用。
2016年，美国未来学家杰里米·里夫金在其新著《第三次工业革命》中预言，世界正处于第二次工业革命和石油世纪的最后阶段，以分散式可再生能源为基础的第三次工业革命正在全世界范围内兴起，一种新的经济社会模式将改变人们现在的生产和生活方式。
里夫金认为第三次工业革命有五大支柱：
一是化石能源向可再生能源转型；二是将建筑物转化为微型发电厂，以便就地收集可再生能源；三是在每一栋建筑物以及基础设施中使用氢和其他存储技术，以存储间歇式能源；四是利用互联网技术将电力网转化为能源互联网，实现能源共享；五是将运输工具转为插电式以及燃料电池动力车。
不难看出，里夫金所列的五大支柱没有一个不与新能源相关，因此第三次工业革命的本质或者说核心就是能源革命，第三次工业革命也可称为能源革命。
五大支柱中的第四个支柱，是解决如何将数以百万计的建筑物生产的能源收集起来，并将多余的能源送回电网与他人分享的问题，里夫金认为途径是建设能源共享网络，也就是能源互联网。
里夫金在《第三次工业革命》中为我们描述了能源互联网的实现方式：
使用可再生能源，采用分布式能源采集系统，充分采集散落在地球各个角落的微小可再生能通过氢或其他存储技术存储间歇式能源，聚少成多，利用互联网和智能终端技术构建智能能享网络。
事实上，在能源互联网提出之前，各主要国家已开始在这一领域探索并着手规划和实施智能电网、智能能源网等。
（1）美国：
以智能电网建设为先导推动能源网络建设
2001年，美国提出名为“智能电网”的新电力能源供应系统概念，并于2003年正式展开研究。
智能电网采用先进的材料技术、高温超导技术、储能技术、可再生发电技术、微型燃气轮机发电技术等，旨在构建一张全美骨干电网、区域性电网、地方电网型电网等多层次的电力网络，以实现自动化、高效安全、稳定可靠、可灵活应变及品质有保电力供应。
该计划将在2030年完成。
（2）英国：
规划智能电网的长远发展
近两年，英国政府大力支持智能电网建设，制定了详细的以实现可能源发电和强互动性智能配电为主要目的的智能电网建设计划，并制定出到2050年的智能电网线路图及实施方案。
该输电网多采取互动供电模式，需求侧可将剩余的电力逆向输入电网，对电网实施双向保护，给电网的稳定控制和调度管理带来很大困难，技术尚待突破。
（3）德国：
大力发展E－Energy
在美英智能电网建设热火朝天之际，德国另辟蹊径，提出了E－Energy概念，并于2008年年底开始投资实施该计划。
有观点认为，这是德国的智能电网，其实上，德国意在借此打造一个基于信息和通信技术的能源供应系统，这更像是里夫金能源互联网构一个实践。
为此，德国专门开设了一个网站，向公众宣传E－Energy优势，并及时公布该项目的进度，使E－Energy计划更广泛地被接受。
（4）中国：
率先推出智能能源网
2009年11月27日，“国家‘十二五’中国智能能源网发展模式和实施方案课题组”成正式开始筹划智能能源网。
2010年7月15日，由中国工程院、中国能源研究会、国家能源专家咨询委等机构的有关专家组成委员会，评审并通过了《中国智能能源网模式及实施方案》课题研究成果。
智能能源网是通过将水、电、气甚至热力等不同的能源品种网络进行有机整合，形成跨能源品种的能源生产、流通（交易）、消费网络，并采用信息化集成技术，一个生产输送侧与需求侧相对称、相互动的智能能源运转体系。
它包括智能化的集中分层式生产和输送系统、先进的储能系统、智能终端能源系统、智能能源服务系统等四大系统，涉能燃气网、智能电网、智能热力网等八个子网络建设。
根据测算，智能能源网将把我国能源效高至少15%。
1.2、研究内容
里夫金在书中谈到第三次工业革命的支柱时，对“能源互联网”有这样两段文字：
（1）“利用互联网技术将每一大洲的电力网转化为能源共享网络，这一共享网络的工作原理类似于互联网（成千上万的建筑物能够就地生产出少量的能源，这些能源多余的部分既可以被电网回收，也可以被各大洲之间通过联网而共享）”。
（2）“在新时代，数以亿计的人们将在自己家里、办公室里、工厂里生产出自己的绿色能源，并在‘能源互联网’上与大家分享，就像现在我们在网上发布、分享信息一样。
”
实际上，能源互联网是以现有电网为基础，利用新型清洁能源与互联网技术，通过微电网，实现能源存储与共享的多级分布式开放系统。
能源互联网可理解是综合运用先进的电力电子技术，信息技术和智能管理技术，将大量由分布式能量采集装置，分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络节点互联起来，以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。
从政府管理者视角来看，能源互联网是兼容传统电网的，可以充分、广泛和有效地利用分布式可再生能源的、满足用户多样化电力需求的一种新型能源体系结构；从运营者视角来看，能源互联网是能够与消费者互动的、存在竞争的一个能源消费市场，只有提高能源服务质量，才能赢得市场竞争；从消费者视角来看，能源互联网不仅具备传统电网所具备的供电功能，还为各类消费者提供了一个公共的能源交换与共享平台。
能源互联网具备如下五大特征：
（1）可再生
可再生能源是能源互联网的主要能量供应来源。
可再生能源发电具有间歇性、波动性，其大规模接入对电网的稳定性产生冲击，从而促使传统的能源网络转型为能源互联网。
（2）分布式
由于可再生能源的分散特性，为了最大效率的收集和使用可再生能源，需要建立就地收集、存储和使用能源的网络，这些能源网络单个规模小，分布范围广，每个微型能源网络构成能源互联网的一个节点。
（3）互联性
大范围分布式的微型能源网络并不能全部保证自给自足，需要联起来进行能量交换才能平衡能量的供给与需求。
能源互联网关注将分布式发电装置、储能装置和负载组成的微型能源网络互联起来，而传统电网更关注如何将这些要素“接进来”。
（4）开放性
能源互联网应该是一个对等、扁平和能量双向流动的能源共享网络，发电装置、储能装置和负载能够“即插即用”，只要符合互操作标准，这种接入是自主的，从能量交换的角度看没有一个网络节点比其它节点更重要。
（5）智能化
能源互联网中能源的产生、传输、转换和使用都应该具备一定的智能。
1.3、能源互联网的技术特征
能源互联网与其他形式的电力系统相比，具有以下4个关键技术特征：
（1）可再生能源高渗透率
能源互联网中将接入大量各类分布式可再生能源发电系统，在可再生能源高渗透率的环境下，能源互联网的控制管理与传统电网之间存在很大不同，需要研究由此带来的一系列新的科学与技术问题.
（2）非线性随机特性
分布式可再生能源是未来能源互联网的主体，但可再生能源具有很大的不确定性和不可控性，同时考虑实时电价，运行模式变化，用户侧响应，负载变化等因素的随机特性，能源互联网将呈现复杂的随机特性，其控制，优化和调度将面临更大挑战.
（3）多源大数据特性
能源互联网工作在高度信息化的环境中，随着分布式电源并网，储能及需求侧响应的实施，包括气象信息，用户用电特征，储能状态等多种来源的海量信息。
而且，随着高级量测技术的普及和应用，能源互联网中具有量测功能的智能终端的数量将会大大增加，所产生的数据量也将急剧增大.
（4）多尺度动态特性能源互联网是一个物质，能量与信息深度耦合的系统，是物理空间、能量空间、信息空间乃至社会空间耦合的多域，多层次关联，包含连续动态行为、离散动态行为和混沌有意识行为的复杂系统。
作为社会/信息/物理相互依存的超大规模复合网络，与传统电网相比，具有更广阔的开放性和更大的系统复杂性，呈现出复杂的，不同尺度的动态特性.
1.4、能源互联网的技术瓶颈
尽管能源互联网的构想给了我们一个美好的愿景，但要真正实现能源的互联互通，尚需解决
众多的技术难题。
（1）高效、低能耗能源采集和转换设备亟待突破
分布式可再生能源系统使得能源采集和生产小型化，并更贴近需求，其实依赖于低能耗、高转换效率的可再生能源的采集和转换设备。
现有设备和技术远不能满足要求。
一是太阳能的采集、转换为电能的效率仍较低。
目前，在实验室研发的硅太阳能电池中，单晶硅电池的最高转换效率为29%，即便采用太阳能电池堆叠技术，也仅实现41.1%的转换率。
二是小容量、低损耗的变压器、稳压器、逆变器等转换设备亟待开发。
我变压器的总损耗占发电量的10%左右，每年有近千亿度电浪费在升压降压转换中。
在能源互联网时代，分布式源系统的普及，尤其是安装在建筑物上的太阳能电池板输出电力均为低电压直电，需要巨量小容量的转换设备支撑。
现有技术条件的大量换转设备将消耗海量能源，这将完蚕食掉分布式能源系统中微小能源采集单元生产的电力。
（2）能源互联传输所需的超导材料和技术突破尚没有时间表
发展新型输电材料——常温超导材料是能源互联网实现的关键。
能源互联的一个关键设想，就是充分利用太阳能和风能等可再生能源，使每栋建筑都成为一个微型发厂，除供本建筑使用外，还可对主干网输出多余的电力。
这个大胆的设想，需要有新的电力传材料和技术加以支撑。
采用常规材料和低电压传输方式，能源互联网中各个分散在生活或生产元的发电单元的微小余电将在传输线路上损耗殆尽，根本无法上传到主干网，无法实现能源的收，能源的互联便无从谈起。
所以，要实现电力在低压传输过程中有效输送和回收，充分利用分布式小功率能源采集和生产单元的余电并网，必须使用常温超导体。
但在可预见的未来几十年内，常温超导材料（工作温区在355K，即80℃左右）很难取得实质性突破。
高温超导体需要消耗巨大能源将其工作温度维持在低温状态，利用超导体实现能源的互联不具现实意义。
（3）能源互联互通仍存在技术障碍
利用电力网加载高频信号实现信息通信，是当前研究热点之一。
尽管小范小规模的传输数据已进入实际应用，如电力猫可以实现电力线传输数据，但局限于同一个电内，大规模、广域网的大数据传输尚有待于技术突破。
一是输送速度低，难以承载海量数据源互联网实现时，将产生千万亿甚至上万亿的能源采集生产单元和用能终端。
对这些终端实时反控制，实现电力智能调度，将产生当前人类难以想像数量级的海量数据，即便下一代互联网恐也难以承受。
尽管未来技术可能会实现更高的传输速度，但突破尚需时日。
二是传输范围有限，无法实现全网传输。
在常温超导未实现的情况下，为少线损，电力传输必须通过变压器层层升压，再层层降压来完成。
高频信号无法通过变压器传信息只能在同一个变压器的电力子网内传输。
在可以预见的未来几十年内，这将是信息在全传输不可逾越的鸿沟。
（4）新型能源存储材料发展面临瓶颈
如何对间歇式的可再生能源进行洁净存储和提取，保持能源供应系统的稳定性，是能源互联网面临的又一挑战。
一是小型化、大功率、安全性好的电池研发和商用尚需时大功率锂电池尚未进入实用阶段，且安全性仍有待提高。
钒电池虽具有功率大、容量大、效高、寿命长等特点，但不适合作为分布式能源系统的小型化存储设备。
钠硫电池虽具储量大、量和功率密度大、充放电效率高、不受场地限制、维护方便等特点，但正、负极活性物质的强侵性，对电池资料、电池构造及运转前提的要求苛刻，且存在安全、寿命、处置难等问题。
二作为终极储能的“氢储能”，由于氢制备成本高、存储困难，仍属于亟攻克的技术难题，“氢储能”之路仍很遥远。
气态储氢能量密度低，安全性差；氢液化消耗量巨大，是氢热值的30%，对储罐的绝热性能要求高，能源可再利用率低。
金属氢化物、配位氢化物、米材料吸附等固态储氢技术仍处于实验室阶段，且可逆性差，能源提取难度大。
1.5、本文研究内容
本文的主要内容是能源互联网的框架研究。
随着越来越多电动设备的成熟，电能将成为未来人们直接使用的主要能源形式，电力网络将是未来能源互联网的主要载体。
然而，当前电网运营还保持二元结构特点，生产、配送与消费相互割裂，个性化消费需求和分布式能源供给还不能被很好地支持;生产、配送过分依赖预测，缺乏高效的通信通道实现信息共享，能源利用率处于较低层次。
此外，太阳能、风能、潮汐能及生物质能等可再生能源都具有较大的利用潜力，但是，环境因素和生产效率使得间歇性和不稳定性成为了它们的共同特点，对它们的高效利用存在诸多挑战。
因此，以现有电网为基础，对可再生能源生产和存储进行恰当调度是实现能源互联网的基本要求，研发支持便捷双向能源流和信息流融合的技术和设备是构建能源互联网的关键。
按照能源互联网的愿景，通信系统承担信息采集，信息传输和信息处理业务，信息及时采集、优化处理和有用信息及时准确到达是其必须具备的能力。
然而，一方面，现有Internet采用链路共享和接收转发的基本运行原则，数据拥塞等严重影响信息处理效率，时效性和兼容性等要求使得直接利用Internet支撑能源互联网的调度和控制面临巨大挑战。
另一方面，我国现有电网通信网络主要采用预留专门通道方式保证关键业务的信息需求，存在巨大的资源浪费。
因此，综合利用Internet和电网通信系统设施，构建具有带宽保障，海量计算和灵敏反应能力的信息架构是能源互联网的基本要求。
针对能源互联网在能源接入、能源控制和能源传输等面临的挑战，借鉴Internet中交换设备的设计理念，设计能够实现能源网络互联、调度和控制的“能量路由器”（energyrouter）是构建能源互联网的一种直观可行的方案，但详细的实现方法仍亟需探讨。
本文将在理解能源互联网需求的基础上,分析能量路由器构建能源互联网的优势和关键技术，以及能量路由器功能和实现方法。
二、能源互联网与能量路由器
2.1、信息—能源融合的能源互联网架构
2.1.1、Internet发展的启示
Internet已经超越了技术范畴，成为了一种具有超强融合能力的生态环境，正以巨大的力量逐步颠覆多个传统产业的生产和经营方式。
能源互联网旨在实现可再生能源高效利用，满足日益增长的能源需求和减少能源利用过程中对环境造成破坏，分布式能源供应和共享是其主要特征，调动各能源单元的主观能动，形成具有自我服务，自我维护和自我更新的生态环境是它的目标。
该部分将分析Internet的发展经验，说明能源互联网的设计和实现过程中应采纳的方法。
2.1.2、能源互联网发展模式
Internet通过采用开放对等理念，在创新服务模式的基础上提供了多种多样的信息服务，使Internet成为了支撑当前社会发展的基础设施；能源互联网旨在实现能源的高效传输、分享与利用，为经济社会发展提供坚实的能源基础架构，因此，Internet的发展模式对能源互联网的发展具有良好的借鉴作用。
IP技术曾经是推动Internet飞速发展的重要动力，但是随着网络服务内容的日益丰富，基于IP机制的Internet通信效率越来越难以支撑人们对网络的需求，关于构建非（后）IP的下一代互联网的呼声越来越高，鉴于此，关于能源互联网的发展模式存在两种不同的观点：
革命式和演进式。
所谓革命式，强调较少地考虑现有能源网络的束缚，从未来能源需求的特征出发，探讨合适的通信、能源和控制技术，给出基于可再生能源的能源供应体系。
Rifkin认为第三次工业革命可能率先发展中国家发生正是基于该种观点，认为只要建立起以可再生能源为供应主体、以建筑物为能源共生产和存储主体、以电力网络为共享平台、以即插即用的电力交通工具输方式的能源系统即可成为能源互联网，为能源互联网的发展提供了足够多的自由发挥空间，但与当前能源体系的脱离势必导致该种模式动力不足。
相对地，演进式发展能源互联网强调对现有能源系统的向前兼容，在不影响现有能源供应的基础上，探讨各种技术手段实现能源供应逐步转向以可再生能源为主，保证能源利用率的进一步提高。
智能电网可以认为是这种观点的直接产物，首先通过探讨基于高效通信手段的能源供销平衡控制提高能源的利用率;智能电网2.0阶段则更多强调可再生能源的接入，强调能源生产方与消费方的交互，其发展轨迹强调对现有基础设施的利用，收益分配模式等经济因素将制约该种发展模式的效率。
鉴于上述分析，我们认为能源互联网的发展应采取两者相结合的发展模式。
一方面，鼓励开展相关关键技术的先导性研究，探讨综合一体化的解决方案，在传统能源供应相对不足的地区开展小范围的示范工程;另一方面，结合实际情况，开展基于现有能源基础设施能源调控、可再生能源接入、需求信息采集与分析、能源供需双向通信等方面的研究，积累能源互联网的建设经验。
2.1.3、能源互联网架构
为了满足未来电网对电能控制的复杂性和多样性要求，有学者提出未来电网将在局部消纳的基础上，以微网、智能小区为自治单元，形成自下而上的能量单元的互联。
日本学者提出了数字电网概念，将庞大的同步电网拆分成异步、自治的互联电力局域网，并通过数字电网路由器（digitalgridrouter，DGR）进行能量调配和网络互联。
美国北卡罗来纳州州立大学FREEDM中心提出以能量路由器为核心的能源互联网，同样致力于提供更好的新能源接入方案。
针对可再生能源的日益普及，FREEDM系统的理念是在电力电子、高速数字通信和分布控制技术的支撑下，建立具有智慧功能的革命性电网构架吸纳大量分布式能源。
通过综合控制能源的生产、传输和消费各环节，实现能源的高效利用和对可再生能源的兼容。
FREEDM是多技术融合的产物，固态变压器为实现与信息网络融合奠定了基础，市场经济模型考虑加快了市场化步伐。
其中，固态变压器实现four-quadron功率流控制，使得分布电站变得即插即用，并同时保证电网中用户储能及负载的增加不会相互影响;系统设计激励策略确保绿色能源的最大化利用，大幅提升整个系统的能源利用率.
能源互联网必然要具有对能量流控制和信息流融合的能力，利用信息通道及时反馈能量流状态，根据信息流反馈及时调整对能量流的控制，实现信息—能源一体化是能源互联网的发展趋势。
2.2、能量路由器
能量路由器是一种集成融合了信息技术与电力电子变换技术、实现分布式能量的高效利用和传输的电力装备。
电力电子变换技术使能量路由器为各种类型的分布式电源、储能设备和新型负载提供所需的电能接口形式，包括各种电压、电流量的直流或交流形式等。
同时，由于电力电子装置的高可控性，配电网络内各节点的能量流方向和大小可按用户所需精确地控制，为电力市场化的实现提供技术基础。
信息技术使能量路由器实现智能化，配电网在其控制下实行自律运行，上层电力调度中心只需向网内发送较长时间尺度的优化运行参数，以实现全网的优化运行。
能量路由器可作为电力局域网与主干网的交互接口，一方面负责局域网内部各个设备的运行和能量管理，同时接收上层电力调度中心的指令并上传局域网的运行状态。
2.2.1、功能需求
能量路由器是本文能源互联网架构的核心部件，我们从能源、信息、定制化和系统运行需求几个方面阐述能量路由器应该具备的功能。
（1）能源控制
在能源互联网中，骨干网络仍将承担能源远距离传输的功能;分布式能源单元不仅是能源负荷，也是重要的能源供应来源，实现不同特征能源流融合是能量路由器必须具备的功能。
一方面，能量路由器必须要保证流入能源的质量满足需求要求;另一方面，应能够保证能源的合理流动，实现恰当数量的能源流向恰当的负荷;第三方面，能够及时监控能源流的质量，实时调节保证能源流的安全流动。
以电力能源为例，承担局域能源单元与骨干网络互联的能量路由器必须能够实现骨干高源流到低压适用的能源流的变压调节、交流能源和直流能源的相互转换;局域能源单元互联的能量路由器必须具备消纳可再生能源生产，尽可能地保证可再生能源的高效利用，因此，变压、整流、存储和消纳功能是能量路由器必须具备的功能。
保证能源流的适时流动要求路由器必须能够感知负荷和能源供应变化，具备改变能源流动方向和数量的功能，负荷监控和自动调节使其需具备的功能，多级别变压和能源存储管理技术能够较好的支撑该功能。
电流质量的细微变化都有可能造成整个能源供应体系的崩溃，及时发现和处理能源质量问题是主要解决办法，在路由器上实现能源质量的监控和调节是分布式保证能源质量问题的有效方法，能源质量感知和自动安全保护功能也应该在能源路由其中加以设置。
（2）信息保障
信息是决定能量路由器控制策略恰当与否的关键，准确性和时效性尤为重要，一方面，要求所有策略的选择都能够受最最广泛信息的支持，避免片面信息引起决策失误;另一方面，要求所有信息必须被及时传送，避免过时信息的影响。
兼容（或具备）信息通信和信息处理功能是能量路由器有效运行的必然要求，要求各能量路由器不仅能够分享其管理范围内所集的实时信息，还能够对得到的信息进行处理和利用。
信息保障的实现需要能量路由器具有两方面的功能：
通信和计算。
通信功能要求能量路由器应具有通信接口，能够与通信链路连接实现信息的接收与发送。
为保证信息的传输时延、可靠性和安全性，能量路由器可以设置为支持多种通信模式，不仅能够便于在多种情况下保证通信功能的实现，还为通过冗余传输保证通信可靠性提供了基础。
此外，设计有针对性的通信协议和安全防护机制也是通信功能保障必须考虑的问题。
计算功能要求能量路由器具有信息处理模块，一方面可以联合信息采集设备，完成原始数据的收集和存储，并进行冗余信息的过滤和初步处理;另一方面，设计高效的信息处理架构或借用数据中心完成数据的深层次处理，并把有用信息发送到相应的控制单元。
在信息采集阶段可以借用物联网的研究成果，云计算和大数据方面的研究成果可以较好地支撑信息的高效计算。
此外，信息模型也是值得关注的方面，它将保证各种信息流的有序高效流动。
（3）定制化需求管理
支持用户个性化能源使用策略是能源互联网的主要功能之一，其实现基础在于支持用户和能源互联网的交互。
一方面，用户可以根据当前的能源供应形势调整自己的能用使用策略，能源互联网根据所有用户能源策略制定能源供应模式满足用户需求;另一方面，能源互联网会搜集不同用户的能源使用数据，从中计算出相应的能源使用规律，制定合理的能源使用策略，作为一个最佳使用策略反馈给用户，供用户选择。
因此，能量路由器应具有接收和处理所管理区域内用户请求的能力，并且能够及时准确地用能源价格等反映当前的能源供应形势的信息反馈给用户，涉及交互和需求管理等功能模块。
未来的能源单元从范围上来看，可以包括单一设备、家庭、建筑物、小区、甚至一个区域或国家,定制化服务保障具有明显的范围特征要求，所需的信息和能源支撑方法存在差异，要求路由器具有针对性的解决方案。
对于特定设备，如电动汽车，其对应的用电策略可能仅包括充供电管理，其仅需要能源网络提供当前的电压、电流水平和能源价格等信息，并能够接收和识别它的策略，设备移动性支持要求能量路由器之间具有协同工作机制;随着能源单元范围的扩大，包含的设备数量、类型都将大幅度提高，以家庭为例，它可以包括能源存储设备、能源生产设备（太阳能、燃气等）和能源消耗设备，能量路由器的工作重点在于协调各设备间联合工作，按照即定的目标安排能源生产、存储和消费。
此外,为适应能源管理企业需求，能量路由器还必须设计有必要的开放接口，允许第三方根据需求更有效地完成它们之间的协同工作。
（4）网络运行管理
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