能源互聯(lián)網(wǎng)路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與控制機(jī)制*

楊 方，白翠粉，邱忠濤，任 光，明陽陽，曹軍威

1.國網(wǎng)能源研究院，北京 102209

2.清華大學(xué) 信息技術(shù)研究院，北京 100083

1 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)的理論與技術(shù)正處于快速發(fā)展時期。許多科學(xué)家和工程師就相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)相繼展開了研究工作[1-2]。能源互聯(lián)網(wǎng)把先進(jìn)電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和智能能量管理技術(shù)結(jié)合起來，將信息與能源一體化的電力網(wǎng)絡(luò)、石油網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等互聯(lián)起來，以實現(xiàn)能量對等交換與共享利用[3-4]。

能量管理是能源系統(tǒng)的重要研究與工程實踐領(lǐng)域，在能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，其具有更為豐富的內(nèi)涵和意義[5-6]。張建華等人為建設(shè)微網(wǎng)監(jiān)控平臺，針對小型微網(wǎng)提出了能量管理系統(tǒng)的構(gòu)成、任務(wù)和工作流程，并研究了經(jīng)濟(jì)調(diào)度和優(yōu)化運行的數(shù)學(xué)建模[7]。劉東等人針對大規(guī)模的可再生能源并網(wǎng)具有間歇性的特點，采用主動配電網(wǎng)對其進(jìn)行主動管理和協(xié)調(diào)控制，從而達(dá)到間歇式能源的有效傳輸和消納[8]。江渝等人研究了微網(wǎng)系統(tǒng)在離網(wǎng)運行時的能量管理，運用蓄電池和超級電容的互補(bǔ)特點，以經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性為優(yōu)化目標(biāo)，給出了一種采用混合儲能系統(tǒng)的多目標(biāo)能量管理方法[9]。張濤等人總結(jié)了能源互聯(lián)網(wǎng)及其能量管理系統(tǒng)發(fā)展過程，闡明了能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下能量管理系統(tǒng)應(yīng)具備的新功能，給出了適合能源互聯(lián)網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的分層遞階式控制架構(gòu)[10]。

國際上一些研究人員先后提出了各自的能源互聯(lián)網(wǎng)概念及能量路由器的定義，比較明確地給出“能量路由器”定義的研究如下：2008年，美國國家科學(xué)基金項目“未來可再生電力能源傳輸與管理系統(tǒng)”（future renewable electric energy delivery and management system，F(xiàn)REEDM）[11]，研究了一種構(gòu)建在可再生能源發(fā)電和分布式儲能裝置基礎(chǔ)上的新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，稱之為能源互聯(lián)網(wǎng)。他們效仿信息領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心路由器，提出了能源路由器概念并進(jìn)行了原型機(jī)實現(xiàn)研究[6]。同一年，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院研究團(tuán)隊開發(fā)了“Energy Hub”，并稱之為能量集線器[12]。該集線器是由計算機(jī)科學(xué)中集線器的概念引申而來，也叫能量控制中心。2013年，日本科學(xué)家提出了“電力路由器”的概念。他們研制的數(shù)字電網(wǎng)路由器，可以統(tǒng)籌管理一定范圍地區(qū)的電力，并可通過電力路由器調(diào)度地區(qū)電力[13]。

上述能源路由器的研究大多在單體裝置層面，當(dāng)把能量路由器設(shè)備應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)工程中時，需要探索其組網(wǎng)方式和對接入能源的管理方法。本文從能源路由網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的角度，把能源互聯(lián)網(wǎng)劃分為能源終端網(wǎng)絡(luò)、能源互聯(lián)微網(wǎng)和廣域能源互聯(lián)網(wǎng)3個層級，并在此基礎(chǔ)上給出了微網(wǎng)路由和廣域能源路由兩個層級的路由結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，在路由控制策略上，研究了模型預(yù)測控制與實時數(shù)據(jù)控制結(jié)合的熔斷機(jī)制，形成了能源路由的網(wǎng)絡(luò)化和統(tǒng)一運行機(jī)制。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

無論是傳統(tǒng)電網(wǎng)，還是信息能源融合下的能源互聯(lián)網(wǎng)，電力流的輸送都需按照區(qū)域分布特點，分層分級地輸送或交換，既能夠?qū)崿F(xiàn)能源的有效傳輸和高效利用，又能夠保障安全、有序地進(jìn)行管控。圖1給出了能源互聯(lián)網(wǎng)在工程推廣中的一種規(guī)劃架構(gòu)。

Fig.1 Architecture of energy internet圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)層次架構(gòu)

能源互聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)可以分為3個層級，即能源終端網(wǎng)絡(luò)、局域能源微網(wǎng)和廣域能源互聯(lián)網(wǎng)。

能源終端網(wǎng)絡(luò)是能源互聯(lián)網(wǎng)的最小單元，它可以是任意形態(tài)的能源消費組織，比如一棟智能建筑、一所醫(yī)院或?qū)W校、一個酒店、一個工廠和一個家庭等，也可以是一個單一的大功率負(fù)荷裝置，如大功率電機(jī)。能源終端網(wǎng)絡(luò)可以是能源生產(chǎn)端或電源點，向局域能源微網(wǎng)輸入能源。能源終端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有能源通道唯一性的特點，與局域能源微網(wǎng)只有一個交換接口。

局域能源微網(wǎng)是一種區(qū)域性的能源自治組織，它把區(qū)域內(nèi)的能源終端都連接起來，不僅建立電氣連接，同時也建立信息與業(yè)務(wù)連接。通常，局域能源微網(wǎng)包含有各種形式的能源供應(yīng)體，如光伏電站、風(fēng)電站、生物質(zhì)發(fā)電、燃?xì)?、地?zé)岬龋舶ǜ黝惸茉聪{體，如家用電器、電動汽車、工廠負(fù)荷等，還包括數(shù)據(jù)中心、儲能裝置和能量管理系統(tǒng)等。由于能源互聯(lián)網(wǎng)的整體建設(shè)具有時間跨度長和區(qū)域協(xié)調(diào)復(fù)雜的特點，局域能源微網(wǎng)是現(xiàn)階段能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的核心。

廣域能源互聯(lián)網(wǎng)主要協(xié)調(diào)局域能源微網(wǎng)之間的能量不平衡，實現(xiàn)跨局域微網(wǎng)的能源調(diào)度，它是能源互聯(lián)網(wǎng)的高級形態(tài)和最終目標(biāo)。在局域能源微網(wǎng)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上，廣域能源互聯(lián)網(wǎng)需建立大范圍的能源監(jiān)測、控制、調(diào)度與傳輸體系。廣域能源信息網(wǎng)絡(luò)、能源傳輸管網(wǎng)和廣域能源管理是廣域能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容。

3 兩級路由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)模型

3.1 兩級路由結(jié)構(gòu)

電力是能源互聯(lián)網(wǎng)中的能源主體，其他形式的能源是消費結(jié)構(gòu)中的組成部分。因此，在能源的調(diào)度、控制和傳輸中，可以把所有能源等效轉(zhuǎn)化為電力度量數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析。

能源路由系統(tǒng)可以實現(xiàn)能源信息的量測采集，能源路由的分析與控制，以及能源的定向傳輸。對應(yīng)于圖1所示能源互聯(lián)網(wǎng)三級架構(gòu)，圖2中的兩級能源路由系統(tǒng)可以實現(xiàn)全方位的能量管控。

3.2 網(wǎng)絡(luò)模型

兩級能源路由系統(tǒng)構(gòu)成了能源互聯(lián)網(wǎng)的全網(wǎng)能源控制。由于能源互聯(lián)網(wǎng)對能源系統(tǒng)的暫態(tài)性能要求高，不僅要滿足用戶的交易需要，同時要對網(wǎng)絡(luò)中能源的任何關(guān)聯(lián)變化做出及時的反應(yīng)。微網(wǎng)負(fù)荷模型與終端負(fù)荷模型集是能源路由控制的基礎(chǔ)和對象，它們共同構(gòu)成了兩級能源路由系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型。這些模型的建立需依據(jù)全網(wǎng)絡(luò)量測單元提供的實時暫態(tài)數(shù)據(jù)，是一類時變模型。

終端負(fù)荷模型集是指局域能源微網(wǎng)內(nèi)所有功率實體的數(shù)學(xué)模型集合，它描述了功率實體在微網(wǎng)運行時的實時功率狀況。一般地，終端負(fù)荷數(shù)學(xué)模型包括：發(fā)電側(cè)的光伏發(fā)電模型、風(fēng)力發(fā)電模型、火力發(fā)電模型；儲能側(cè)的相變儲能模型、化學(xué)儲能模型；消納側(cè)的阻抗模型和等效獲得的燃?xì)饽Ｐ汀崃δＰ偷取?/p>

Fig.2 Two layers routing system圖2 兩級能源路由系統(tǒng)

微網(wǎng)負(fù)荷模型是指單個微網(wǎng)的總負(fù)荷特性，它定量地描述該微網(wǎng)功率冗余或不足的變化規(guī)律，為廣域能源路由控制提供依據(jù)。微網(wǎng)負(fù)荷模型的建立需依據(jù)局域能源路由的實時運行數(shù)據(jù)，也是一類時變模型。以光伏發(fā)電功率為例，當(dāng)光伏組件接入局域能源微網(wǎng)時，模型的建立過程如圖3所示。

Fig.3 Obtaining course of model圖3 模型獲取過程

在圖3中，模型M1的建立依據(jù)t1之前的測量數(shù)據(jù)。M1是一個線性函數(shù)，依據(jù)時間軸變量，可以獲得相應(yīng)的功率數(shù)據(jù)，為路由控制提供參考。如下給出了一個光伏功率模型：

其中，a(t)和b(t)是在確定模型M時的辨識量，辨識主要依據(jù)量測數(shù)據(jù)進(jìn)行。相應(yīng)地，微網(wǎng)負(fù)荷模型和終端負(fù)荷模型集都可以參考圖3和式（1）的方法來建立。

4 路由運行機(jī)制與情景分析

采用上述模型進(jìn)行路由控制，在能源網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)運行時，可以獲得穩(wěn)定的控制效果。對于終端網(wǎng)絡(luò)急劇變化的情形，比如結(jié)構(gòu)變化時，則控制量與實際需求會出現(xiàn)大的偏差，給電力網(wǎng)絡(luò)平衡帶來很大壓力，甚至導(dǎo)致故障。微網(wǎng)路由系統(tǒng)與廣域路由系統(tǒng)具有相似的運行機(jī)制。

4.1 預(yù)測控制與全網(wǎng)熔斷實時路由控制方法

以局域微網(wǎng)為例，圖4給出了實時路由控制過程。

Fig.4 Routing control mechanism圖4 路由控制機(jī)制

在圖4中，橫軸t表示微網(wǎng)測量裝置的測量時間節(jié)點；M1表示依據(jù)測量數(shù)據(jù)獲得的實時功率線性模型；C1表示依據(jù)模型M1，采用預(yù)測控制方法獲得的路由控制執(zhí)行策略。通常，C1開始執(zhí)行的時間節(jié)點在測量裝置的采樣時間t2處，直到t3時結(jié)束。但是，在時間節(jié)點t2處，測量數(shù)據(jù)反饋到路由系統(tǒng)后，基于實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的路由控制系統(tǒng)會被實時執(zhí)行，計算獲得符合當(dāng)前狀態(tài)下的執(zhí)行方案，并與預(yù)測控制的執(zhí)行策略進(jìn)行比較。當(dāng)比較結(jié)果在一定的裕量范圍時，路由系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行預(yù)測控制方案；當(dāng)比較結(jié)果存在很大誤差時，會產(chǎn)生熔斷行為，即在圖4中的時刻，由路由方案F1取代C1，直到t3時刻結(jié)束。

這種預(yù)測控制與數(shù)據(jù)驅(qū)動熔斷機(jī)制相結(jié)合的路由策略，既實現(xiàn)了路由系統(tǒng)的無時差連續(xù)控制，同時又完成了異常狀態(tài)的快速自適應(yīng)調(diào)制，保障微網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

4.2 情景1——預(yù)測誤差小，無熔斷

在情景1運行狀態(tài)中，采用測量數(shù)據(jù)辨識出線性模型。在較短時間范圍內(nèi)，比如100 ms，這個線性模型基本反映出功率變化的趨勢。通過線性估計即可獲得下一次運行點的功率數(shù)據(jù)，運用到局域微網(wǎng)內(nèi)的所有功率終端設(shè)備，便可知道功率設(shè)備出力和消納的全面信息。

進(jìn)一步，采用預(yù)測控制的方法，在當(dāng)前測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生的同時，能源路由控制執(zhí)行策略已經(jīng)實施，即不等待當(dāng)前測量數(shù)據(jù)將產(chǎn)生的路由控制信息。當(dāng)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，功率處于基本平衡狀態(tài)時，預(yù)測控制的路由控制策略與依據(jù)測量數(shù)據(jù)的完全平衡路由策略差別很小，它能適應(yīng)全網(wǎng)運行的需求。因此，將不會產(chǎn)生熔斷行為。

4.3 情景2——預(yù)測偏差過大，引起熔斷

設(shè)微網(wǎng)內(nèi)部有3個電源點，3個負(fù)荷，采用終端負(fù)荷模型集的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，如下：

式（2）是統(tǒng)一的模型?？紤]圖4所示運行方法，在t2時刻，預(yù)測控制策略采用模型M1獲得了路由執(zhí)行策略C1，與此同時，t2時刻的測量數(shù)據(jù)上傳到路由系統(tǒng)，并計算另一種路由執(zhí)行策略F1，一旦完成，即產(chǎn)生熔斷請求。設(shè)計熔斷機(jī)制如下：

當(dāng)路由策略C1與F1相差大于ξ時，將會由F1取代C1；當(dāng)路由策略C1與F1相差小于ξ時，繼續(xù)執(zhí)行C1。在常規(guī)穩(wěn)態(tài)時，預(yù)測控制的誤差較小，不會發(fā)生熔斷行為。顯然地，預(yù)測控制通過分析過去的運行規(guī)律，提前給出了當(dāng)前的路由控制策略，滿足了路由控制的實時暫態(tài)性要求。而基于測量數(shù)據(jù)獲得的熔斷策略則無誤差地獲得了路由策略，滿足了路由控制的精確性要求，是否發(fā)生熔斷行為依據(jù)微網(wǎng)的整體性能要求而定。

對于式（2），在圖4給出的路由運行方式下，一旦預(yù)測控制的偏差過大，則會引起熔斷行為，過程的數(shù)學(xué)描述如下。

采用模型M1獲得t2時刻的預(yù)測數(shù)據(jù)為：

設(shè)計預(yù)測控制方法，獲取路由執(zhí)行方法：

獲得的C(t2)在t2時刻開始即被執(zhí)行，預(yù)計最長執(zhí)行到t3時刻。在t2時刻，測量裝置實際測量數(shù)據(jù)為：

因此，在t2時刻，路由系統(tǒng)啟動基于實測數(shù)據(jù)的路由策略計算，并獲得如下路由執(zhí)行方法：

C(t2)與F(t2)之間的誤差函數(shù)為：

因此，熔斷發(fā)生機(jī)制為：

熔斷行為的產(chǎn)生，說明模型的建立已不適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)變化規(guī)律，需完善模型如下：

其中，η和λ是修復(fù)系數(shù)，它表明原模型需要調(diào)制。

4.4 情景3——微網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，引起熔斷

微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化通常是功率裝置的接入或退出。不論是電源點的變化，還是負(fù)荷的變化，都會使得微網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大規(guī)模的失衡。因此，在這種狀態(tài)下的熔斷行為首先要保證微網(wǎng)穩(wěn)定，其次才是更精確的路由控制。

對于式（2）組成的終端網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在圖4給出的路由運行方式下，熔斷行為發(fā)生過程的數(shù)學(xué)描述如下。

設(shè)一個負(fù)荷突然接入微網(wǎng)，造成功率需求瞬間增加，終端網(wǎng)絡(luò)模型變?yōu)椋?/p>

采用模型M1獲得的預(yù)測數(shù)據(jù)和預(yù)測控制仍為式（4）和式（5）。在t2時刻，設(shè)測量裝置獲得數(shù)據(jù)為：

F*(t2)作為實時路由策略，僅包含對儲能的操作信息，對C(t2)做補(bǔ)充控制。對于終端網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，接入裝置數(shù)量多的微網(wǎng)而言，F(xiàn)*(t2)比全面的取代性熔斷路由策略F(t2)具有更優(yōu)的快速響應(yīng)，保障微網(wǎng)穩(wěn)定。

熔斷行為發(fā)生后，終端網(wǎng)絡(luò)模型將被重建，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)已發(fā)生變化的微網(wǎng)。終端網(wǎng)絡(luò)模型由式（11）組成。

5 運行情景仿真

5.1 微網(wǎng)情形

為了給出上述熔斷機(jī)制下的指令執(zhí)行情景，以一個10 km×10 km的微網(wǎng)為例，對網(wǎng)內(nèi)分布的所有接入功率裝置進(jìn)行能量管理。設(shè)在區(qū)域內(nèi)共分布有1 600個功率裝置，包括電源點、儲能和負(fù)荷等。一共需要1 600個指令，形成一張指令網(wǎng)，以保障微網(wǎng)系統(tǒng)的運行。設(shè)預(yù)測指令數(shù)值在空間的分布符合如下規(guī)律：

依據(jù)測量獲得的熔斷指令數(shù)值符合如下規(guī)律：

其中，x和y是空間地理坐標(biāo)；Cpi(t1)和Fpi(t2)是坐標(biāo)對應(yīng)的指令取值。通過這種方式，可模擬出微網(wǎng)路由系統(tǒng)的指令熔斷機(jī)制。圖5給出了微網(wǎng)在情景2和情景3狀態(tài)下的指令變化情況。

當(dāng)圖5（c）給出的偏差在熔斷機(jī)制運行的范圍內(nèi)時，微網(wǎng)將執(zhí)行圖5（a）所示的預(yù)測路由指令。一旦超出誤差范圍，將執(zhí)行圖5（b）所示的實時路由指令。當(dāng)微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，指令網(wǎng)絡(luò)也會發(fā)生熔斷，圖5（d）給出了熔斷后的指令網(wǎng)絡(luò)。

一般地，引起熔斷的誤差可設(shè)計在網(wǎng)絡(luò)運行容許的范圍，比如1%或以下。圖5（c）給出的誤差大約為1%。對于地理空間較大的微網(wǎng)示范工程而言，接入功率設(shè)備數(shù)量龐大，使得指令規(guī)模同樣龐大。圖5給出的熔斷策略顯示為一種全網(wǎng)同時發(fā)生指令更替行為的情形。在工程實踐中，每一個接入設(shè)備的熔斷機(jī)制可獨立進(jìn)行，在數(shù)值上指令網(wǎng)絡(luò)并非全部更替。

5.2 終端網(wǎng)絡(luò)情形

對于終端網(wǎng)絡(luò)而言，接入設(shè)備數(shù)量相對較少，為了給出不同設(shè)備指令數(shù)值差異較大的情景，設(shè)預(yù)測指令數(shù)值在空間的分布符合如下規(guī)律：

依據(jù)測量獲得的熔斷指令數(shù)值符合如下規(guī)律：

圖6給出了終端網(wǎng)絡(luò)熔斷機(jī)制下指令網(wǎng)絡(luò)的變化情形。

終端網(wǎng)絡(luò)的指令網(wǎng)絡(luò)類似于微網(wǎng)情形，不同之處是規(guī)模較小，指令的實現(xiàn)算法相對簡單，執(zhí)行容易。

6 結(jié)束語

本文從全網(wǎng)角度，對能源路由的架構(gòu)、運行機(jī)制及實現(xiàn)途徑進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。能源路由兩級架構(gòu)、模型預(yù)測控制與實時數(shù)據(jù)驅(qū)動相結(jié)合的熔斷機(jī)制是這項研究的主要創(chuàng)新之處。分別地，在能源路由架構(gòu)部分，提出了微網(wǎng)路由系統(tǒng)和廣域能源路由系統(tǒng)的兩級路由結(jié)構(gòu)，建立了網(wǎng)絡(luò)模型。在熔斷機(jī)制研究部分，給出了模型預(yù)測控制和熔斷判斷策略，實現(xiàn)了路由控制的實時性和精確性要求。

Fig.5 Changing instructions of microgrid圖5 微網(wǎng)運行時指令變化情形

Fig.6 Changed instructions of terminal network圖6 終端網(wǎng)絡(luò)指令網(wǎng)絡(luò)變化情形

這項研究著重于能源路由系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，所提出的途徑仍有一些具體問題需要解決。比如，文中提出的熔斷方法適用于超短周期的控制，這對系統(tǒng)的測量、計算和器件的響應(yīng)速度等產(chǎn)生了高的要求。又比如，由于安全運行的考慮，兩級路由既需要獨立運行，物理上隔離，又需要聯(lián)合響應(yīng)，控制上統(tǒng)一。加上網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部接入的設(shè)備數(shù)量龐大，性能各異，使得兩級路由的統(tǒng)一運行復(fù)雜，工程實現(xiàn)任務(wù)艱巨。

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