【深度】能源互联网与能源路由器-北极星输配电网

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曹军威，孟坤,王继业,杨明博，陈震，李文焯,林闯

摘要：日益紧张的能源供需矛盾和环境压力等要求可再生清洁能源应该在未来能源体系中承担主要能源供给任务. 能源传输技术、存储技术、信息通信以及高性能计算技术的发展为有效利用分布式、间歇性可再生能源提供了技术支持. 针对类似于信息互联网式的能源互联网愿景, 本文探讨了以能源路由器为核心交换装置的能源互联网实现模型, 从能源路由器的实现目标, 已有支撑技术和实现部署方式等方面分析了涉及的关键技术, 并结合已有研究成果说明了该领域亟需突破的研究方向。

关键词：能源互联网能源路由器可再生能源分布式能源微网

1 引言

目前, 飞速发展的可再生能源技术正逐步缓解人类对化石能源的依赖, 欧盟, 美国和中国相继分别提出到2050 年实现可再生能源在能源供给中占100%, 80% 和60%-70% 的目标。Internet 融合多种通信模式, 为丰富和利用信息提供了极大便捷, 正悄然改变人们沟通和信息交流方式, 颠覆越来越多传统产业的经营模式, 为构建未来能源系统提供了借鉴和信息支撑。信息与新能源技术为构建智能能源系统提供了必要技术储备, 它们的融合有望形成以\能源互联网"(energy internet) 形式供给和消费能源, 支撑“第三次工业革命”。能源互联网可以被认为是未来能源基础平台, 分布式能源、生产{ 消费一体的能源主体将成为其主要组成部分, 满足它们的接入和定制化需求面临诸多挑战, 如间歇式能源的调节与接入、生产和存储的合理调配、定制化需求的响应等。因此, 能源互联网发展亟待解决架构、构建方法及相关通信和控制协议设计开发等难题。

当前, 电能是应用最为广泛的二次能源, 电网已实现电能的远距离配送, 并具备了相当规模. 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。如: 太阳能受到光线强度和光照时间的影响, 风力和潮汐发电受地域和自身特性的影响, 所生产的电能在质量和数量上都难以达到现有电网的要求. 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\能源路由器"(energy router) 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。本文将在分析能源互联网需求的基础上,针对能源路由器设计与实现过程中涉及的各种关键技术进行深入分析, 说明基于能源路由器构建能源互联网的优势, 并深入探讨能源路由器功能和实现方法。

2 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 Internet 的成功经验

(1) 开放对等理念提供巨大的“横向力量”

旨在摆脱电话网络对中心交换局的依赖, 开放对等理念在Internet 建立之初即被认为是其生存和发展的根本。IP 技术简化了网络接入设备结构, 降低了设备制造成本, 使得Internet 快速扩张; Web技术进一步便利了人们使用Internet, 促使越来越多的传统业务向Internet 转移. Internet 几乎成为了与人类社会同构的虚拟社会, 开放, 对等的网络环境更有利于用户间或产业间的信息共享, 促进了产业融合和创新活动的开展, 在可预见的时间内, Internet 将颠覆更多的传统产业经营模式。

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