PDF《适合多元用户互动的信息 — 物理融合能源 USB 系统》

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a e p s - i n f o . c o m 适合多元用户互动的信息―物理融合能源 U S B系统 余涛1,

2 ,谈竹奎3 ,程乐峰1,

2 ,江浩荣1,

2 ,张志义1,

2 ,王克英1,

2 ( 1.华南理工大学电力学院,广东省广州市

5 1

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4 1;

2.广东省绿色能源技术重点实验室,广东省广州市

5 1

0 6

4 1;

3.贵州电网有限责任公司电力科学研究院,贵州省贵阳市

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0 0

0 2 ) 摘要:能源互联网接入设备是用能设施接入能源互联网的媒介.文中阐述了适用于多元用户互动 的能源互联网接入设备的基本概念和特征, 并基于计算机领域 通用串行总线( U S B) 的理念, 研发 了信息―物理融合的能源互联网接入设备, 即能源 U S B系统( E U S B S ) .首先, 阐述了 E U S B S的信 息―物理融合内涵和功能, 并设计了总体架构和应用拓扑结构.基于此, 对其软硬件系统进行研 发, 重点介绍了其中的硬件架构搭建、 五类主要能源 U S B装置研发和实验测试.软件研发则简要 介绍了其总体架构和主要功能模块.此外, 以某商业楼宇为对象, 通过安装 E U S B S和配置分布式 设备, 对其进行了能量管理分析, 初步验证了 E U S B S可对接入设备进行实时监测和协调控制, 实 现了能量流和信息流的双重流通.最后, 对EUSBS未来应用进行了展望. 关键词:能源互联网接入设备;

多元用户互动;

能源 U S B系统;

信息―物理融合系统;

即插即用;

综合能量管理 收稿日期:

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0 9;

修回日期:

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2 6. 上网日期:

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0 5. 国家自然科学基金资助项目(

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7 8 ) ;

中国南方电网有限 责任公司重点科技项目( G Z K J QQ

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0 4

1 9 ) .

0 引言 目前, 传统的依靠化石能源( 煤炭、 石油、 天然气 等) 的发展模式将难以持续[ 1] , 安全高效、 绿色低碳、 可持续发展的现代可再生能源技术将是人类社会解 决能源利用这一重大难题的必然选择[

2 - 3] . 在上述背景下,

2 0

0 4年美国《 经济学人》 杂志一 篇题为 B u i l d i n gt h eE n e r g yI n t e r n e t 的文章中首 次出现了 E n e r g yI n t e r n e t 一词, 其核心话题就是 可再生能源的兴起与未来能源系统的发展[

4 ] ;

2 0

0 8 年美国 F R E E DM( f u t u r er e n e w a b l ee l e c t r i ce n e r g y d e l i v e r ya n dm a n a g e m e n t ) 项目则初步提出了建设 能源互联网的实施方案[

5 ] ;

2 0

1 1年美国著名经济学 家Rifkin从能源信息融合的角度出发, 首次提出了 发展 能源互联网 的美好愿景[

6 ] .2

0 1

2 年欧盟明 确提出了发展 第三次工业革命( I n d u s t r i e s3. 0) 的核心在于发展和加快建设能源互联网.为此, 德 国率先提出了 E - E n e r g y 计划, 试图建设新型能源 网络[ 7] .此外, 日本也提出了 D i g i t a lG r i d 的发展 理念[ 8] . 国内方面,

2 0

1 1年中国电力科学研究院就中国 电网未来发展形态进行了初步研究, 提出了 灵活配 电系统 的理念[ 9] , 并于2

0 1 3年联合提交了 能源互 联网初步调研报告[

1 0 ] ;

2 0

1 4年国网公司首次提出 了发展 全球能源互联网 的理念和初步实施方案[

1 1] ;

2 0

1 6年国家发改委等明确了中国能源互联网 的发展计划和目标, 力争在2

0 2 5年前初步建成能源 互联网的产业体系[

1 2 ] . 在能源互联网发展背景下, 能源系统的参与者 越发多元化[

1 3 ] , 电网侧和用户侧的信息交互也越发 重要和频繁[

1 3 -

1 6] .为了形成良好的供需互动交易机 制, 实现能源互联网对供需信息的实时匹配, 切实使 每个用户主动成为能源的 产消者( p r o s u m e r ) 之时, 也在无时无刻进行交易电力.这仅靠当前的用 能设备自身是无法实现的, 而依靠能源互联网的核 心设备― ― ―能源路由器(energyr o u t e r ) [

1 7 ] 也无法做到.因此, 需要提供一种既能将用户各类用能设 备 即插即用 式统一接入电网, 又能实现电网―用 户信息及时交互, 还具有自主管理、 自动控制、 远程 响应、 人性化智能管控等功能的用能设施作为媒介 设备有效接入能源互联网, 即适用于多元用户互动 的能源互联网接入设备. 基于此, 在文献[

1 4 -

1 5] 研究工作的基础上, 本 文根据能源互联网的概念和特点, 尝试将信息―物 理融合系统( c y b e r - p h y s i c a l s y s t e m, C P S) [

1 8 -

1 9] 的思 想应用于能源互联网接入设备的研发, 进一步深化 能源 U S B系统( e n e r g yU S Bs y s t e m, E U S B S) 的79第4 3卷第7期2019年4月1 0日Vol.43N o . 7A p r .

1 0,

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1 9 D O I :

1 0.

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0 0 / A E P S

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2 概念.此处 U S B 包含两层含 义: 一是笔者在文献[14]中表示的计算机领域常用术语 通用串行总线 的含义( 简称 U S B) , 意指 E U S B S的接口可支持各 类分布式接入设备的热插拔, 最终实现 即插即用 以及能 量流―信息流的双向流通(即信息―物理融合) ;

二是表达类似于笔者在文献[

1 5] 中提出的 统 一服务总线 的含义( 仍简称 U S B) , 意指 E U S B S可 看做是能源互联网中各类分布式接入设备的 统一 服务总线 , 其可通过有效的身份识别( 即硬件 指纹 识别 ) , 为所有分布式用能设备( 诸如光伏、 风机、 电 动汽车( E V) 充电桩、 分布式储能及工业/商业/居民 等各类用户) 提供统一的有效接入和即插即用服务, 以完成各类 C P S数据的汇总、 中转、 筛查、 分析和上 传, 最终实现全系统设备与电网 间能量流―信息流 的双向互联互通.因此, 本文借助于 U S B的上述两 层含义, 将所研发的信息―物理融合的能 源互联网 接入设备称为 E U S B S , 在文献[

1 4 -

1 5] 基础上, 分 析其具备的基本特征和功能, 对其技术特征、 系统研 发、 应用等开展详细研究, 并对未来应用 场景进行 展望.

1 能源互联网接入设备 1.

1 能源互联网接入设备概念 随着能源互联网的发展, 其概念也逐渐清晰, 具 有广义与狭义之分.广义上的能源互联网是多种网 络的集合, 包括电网、 气网、 储能网络、 供热供冷网 络、 电气交通网络、 能源运输物流网络等[

1 9 -

2 1] .狭义 上, 能源互联网则涵盖了智能电网、 分布式能源、 各 类发―储―用―车等设备及设施[

2 2 ] .虽然范畴上有所 差异, 但能源互联网实质可归纳为一种网络化能源 集成技术[

2 3 ] , 是一种实现能量―信息双向流动的能 量对等交换与共享网络[

2 4 -

2 5] .相比于电力系统, 能 源互联网具有如下特征: ①含高渗透率( 或高比例) 可再生能源;

②非线性随机特性;

③ 多源大数据特 性;

④多时间尺度动态特性. 能源互联网是一个可实现资源整合、 能源交易 和需求响应( D R) 的巨大 能源资产市场 , 其中能源 以p e e r - t o - p e e r的形式在市场上进行自由对等的交 易和兑换, 用户则是能源的产消者( p r o s u m e r ) .在 这个 能源资产市场 中, 能源路由器[

1 7,

2 6] 是核心设 备, 是能源生产、 消费、 传输等基础设施的接口[

2 6 -

2 7] , 控制着全系统的能量流动. 因此, 为了充分发挥能源互联网的作用, 必须研 发相应的设备, 将所有的用能设备接入能源互联网 中, 以实现能源互联网对各用能设备的可观和可控, 从而最终提高对用能设备服务的目的.这种服务包 括[

2 8] : 节能服务、 调频服务、 功率平衡服务、 新能源 接入服务、 需求侧响应服务等, 甚至其他增值服务, 如数据挖掘、 大数据应用等.要实现这些服务, 互联 网的接入设备必不可少. 能源互联网接入设备是面向终端用户的、 将各 类用能设备接入能源互联网的设备.它还是用户接 入能源互联网的媒介, 更是用能设备与能源互联网 交互的媒介, 可使用能设备可观可测甚至可控, 并将 能源互联网的各种特征在用户端体现.最后, 它还 是能源互联网各类服务最终执行的执行设备. 因此, 本文研发的能源互联网接入设备与前面 提到的能源路由器有着明显区别, 如表1所示. 表1 能源互联网接入设备与能源路由器之间的区别 T a b l e1 D i f f e r e n c e sb e t w e e nE n e r g yI n t e r n e t a c c e s s e q u i p m e n t a n de n e r g yr o u t e r 设备 地位 作用 着重点 控制手段 能源 路由器 能源互联网的核心设备, 实现各种能源转换存储等 主要实现大功率高电压 能源的变换和交换 面向主网能量流动, 更多考虑的 是大电网之间的安全稳定运行 控制整个能源互联网的 能量流动 能源互联网 接入设备 面向终端用户, 是能源 互联网的接入设备 更侧重对具体用能 设备的接入和控制 面向最终用户, 更多考虑的是具体 用户的经济性、 舒适性以及相关增值服务 控制具体的能源分配和 用能设备最终的用能行为 因此, 相比能源路由器[

2 6] , 能源互联网接入设 备的接入 方式更加灵活, 包括[

1 4 ] : ① 单设备接入;

②以多个用能设备或分布式能源设备的集合体接入 能源互联网的单用户接入;

③以多个用户的集合接 入能源互联网的楼宇接入、 企业接入、 发 电厂接入 等;

④以多种有一定关联的多楼宇、 多企业集合体接 入等, 如区域接入、 集团公司接入、 行业接入等.总 的来说, 能源互联网接入设备应具有级联能力, 可实 现信息流和能量流的双向流动以及汇集与中继. 1.

2 能源互联网接入设备特征 能源互联网以可再生能源为主要能量供应来 源, 具有分布式、 互联性、 以用户为中心、 共享性、 开 放性、 智能化、 对等性等特点[

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2 6,

2 9] .基于此, 作为 能源互联网的接入设备, 其首要目的应能够实现终 端用户的供能设备( 如分布式发电和储能设备) 、 用 能设备( 如各类用户用电设备) 、 E V 和其他能源设 备的有效接入.这保证了能源互联网节点具备供能 和用能设备统一接入、 即插即用特征.为此, 本文研 发的能源互联网接入设备具有一些能源互联网的基 本特征, 如表2所示.

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7 ) ・多元用户互动的配电网规划设计和运行控制关键技术・ h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 表2 能源互联网接入设备的基本特征 T a b l e2 E s s e n t i a l f e a t u r e so fE n e r g yI n t e r n e t a c c e s s e q u i p m e n t 基本特征 特征描述 信息 - 物理融合性 具有能量流, 必须能帮助设备接入能源互联网, 还应该是计算、 通信和控制深度融合的多维系统 实时性 能实时准确地监测所接入设备的运行状态 互联性 能使能源互联网每个节点可以级联甚至自组网以形成区域自治, 或直接上云端组成更大的系统, 从而实现对电网各电源、 各负荷甚至用户的行为特征的全面态势感知 可感知性( 可观性) 能细致全面识别和感知所接入电源、 负荷的运行状态和输出量, 并利用大数据等技术感知用户的用电行为特征 即插即用性 能实现发电装置、 储能装置和负载装置即插即用 可控性 能实现对所接入设备的控制 交互性 用户互动界面友好, 可实时了解用户供能和用能设备的运行情况并提出优化建议, 还应具有使用户和售电公司交互的功能, 包括需求管理合约确认、 实时电价下发、 综合能源利用改进建议等, 甚至可用于售电公司实现增值服务功能 自治性( 智能性) 必须具有一定的计算能力, 并能够根据预置的策略和当时的能源利用情况自主做出判断和响应 除表2所示的8个基本特征外, 针对不同的能 源类型, 为了实现多能协同互补, 能源互联网接入设 备还应具备如下两个特征: 分布式能源接入能力和 多能互补特性.其中, 后者体现在 ................