能源互聯網能量流與信息流耦合性研究

蔣東榮，王 瑞，程 超，閆 耀，譚雨潔

(1.重慶理工大學 電氣與電子工程學院， 重慶 400054；2.重慶市能源互聯網工程技術研究中心， 重慶 400054)

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能源互聯網能量流與信息流耦合性研究

蔣東榮1,2，王 瑞1,2，程 超1,2，閆 耀1,2，譚雨潔1,2

(1.重慶理工大學 電氣與電子工程學院， 重慶 400054；2.重慶市能源互聯網工程技術研究中心， 重慶 400054)

對能量流和信息流的割裂性研究難以滿足能源互聯網實時控制和可靠性的要求，而研究它們之間的耦合特性是解決這些問題的重要途徑。以信息物理融合系統的混成模型和能量流與信息流的協同機理為基礎，利用有限狀態機原理，研究了能量流與信息流的耦合機理，建立了基于能源互聯網的能量流與信息流有限狀態混成模型，并通過實時控制能源互聯網子系統的仿真結果驗證了有限狀態混成模型的正確性。

能源互聯網；能量流；信息流；耦合；有限狀態機

先進的新能源技術和信息技術的結合促進了能源互聯網的發展，能源互聯網是一個典型的物理信息融合系統，呈現如下四大特性：能量流和信息流關聯度增強，成為不可分割的整體[1]；分布式發電機組的接入、電動汽車和儲能裝置的參與導致電力系統動態變化更加頻繁，實時控制要求大幅提升；信息流的快速性和全局性為能量流的控制提供了新思路[2]；具有連續性的能量流與離散性的信息流難以融合分析，需要尋找一種能夠融合信息系統與一次系統的建模方法[3]。

混合系統是指同時存在相互作用的連續動態特性和離散事件特性的系統[9]。有限狀態機可描述建模對象在多種復雜狀態下的工作特性，能充分反映建模對象的動態邏輯關系[2]。可見，將混合系統建模方法和有限狀態機原理相結合，能夠有效融合離散信息流與連續能量流的相互作用關系，有利于建立能量流與信息流的耦合模型。

1 能源互聯網能量流與信息流耦合機制與模型

能源互聯網運行時，電網的能量流分布(即潮流分布)反映電網的運行狀態。信息系統的量測終端采集能夠反映物理電網運行狀態的參數信號，并轉化為數字信號作為信息系統的輸入信號，經過信息系統內部的信息傳輸、轉換、計算等一系列處理后，最終生成控制指令，控制系統將其轉換為電網物理狀態的改變，如儲能的投切、發電端的協同、開關的投切、負載的調節等，從而改變電網的能量流分布，形成新的運行狀態。可以看出，能量流與信息流的交互過程是“能量流—信息流—能量流”的往復作用過程。如圖1所示，電網運行狀態決定信息系統的信息輸入，而信息系統的信息輸出又決定電網的運行狀態。本文從能量流描述、信息采集、信息流處理及控制指令生成、反饋控制4個環節來研究能量流與信息流的交互過程。

圖1 能量流—信息流的交互過程

1.1 能量流的分布方程

影響電網能量流分布的因素可分為可調整變量和不可調整變量。可調整變量包括：由物理電網內部各開關狀態和元件之間的連接方式共同決定的網絡結構、除網絡結構之外的可調控制變量。不可調整變量包括：電網的元件參數、用戶需求、風光等不可控清潔能源實時發電功率。能量流分布的描述方程如下：

(1)

式中：P表示不可控變量，通常指電網的功率需求或間歇性的可再生能源發電功率；N表示電網中反應能量流狀態的變量，如潮流方向、電壓、電流、功率等；H表示電網的設備參數，如線路的電阻率、蓄電池容量等，通常固定不變；J表示電網結構，由電網中包含的各種設備、設備之間的連接方式、設備的狀態(變壓器變比、開關的開閉等)等所決定。

1.2 信息采集

該環節通過量測終端將能量流的物理狀態轉變為虛擬數字信號，是連續變量向離散變量的轉變過程。量測終端采集到的信息為原始信息，是信息系統做出控制判斷的信息來源，記為：

(2)

式中：Y代表信息流；Y(P)、Y(N)、Y(D)、Y(J)分別表示電力系統中的不可控變量、能量流狀態參數、電氣設備參數和電網結構的實時信息隨時間流動而形成的信息流。

1.3 信息流處理及控制指令生成

能量流反映一次側電力系統能量的物理運行狀態；相對地，信息流則反映二次側信息系統虛擬信息的運行狀態。量測終端采集到的原始信息作為信息流模塊的輸入信號，經過信息傳輸、信息篩選、信息處理，最終生成控制指令。這一系列對原始信息的處理可以看成是原始信息到控制指令的映射。信息流模型，即映射關系可用式(3)描述。

(3)

式中：G表示原始信息到控制信息的映射關系；Y表示原始信息；K表示信息系統輸出的控制指令。電力系統中如開關之類的可控設備大多只具有有限個狀態，用二進制代碼一一對應每個可控設備不同的狀態。因此，本環節將控制信息映射為二進制代碼K，通過K控制可控設備，從而實現能源互聯網的狀態智能切換。

1.4 反饋控制環節

本環節根據控制指令操作電力系統中的可控元件，改變電網結構或可調參數，從而改變能量流的運行狀態，實現能量流從一種狀態到另一種狀態的轉變。該過程可用式(4)的分段函數表示。

(4)

式中 Anx(t)+Bnm(t)反映狀態n下的能量流狀態方程，在狀態n下可能存在狀態微調，所以引入Bnm(t)。能量流的狀態按照既定的軌跡轉移，發生狀態轉移時，轉移時刻前對應的狀態點就是轉移后運動軌跡的新起點。

1.5 基于有限狀態機的控制

從能源互聯網能量流與信息流耦合特性出發，選用有限狀態機來建立能量流與信息流的耦合模型。有限狀態機的狀態切換圖能夠直觀地描述系統的動態行為過程和運動邏輯關系，是用來描述實體模型的有效方法[10]。利用有限狀態機對能源互聯網的能量流和信息流進行建模，可以實施能源互聯網內部控制策略，協調物理電網中的電氣元件使能源互聯網的運行狀態滿足外部的控制要求。

根據有限狀態機的機理及能源互聯網的特性，得到如圖2所示的基于有限狀態機的控制流程。用四元組表示能源互聯網的有限狀態機模型，M={D、E、S、F}；D是離散狀態集合，即圖2中能量流狀態1、2、3、4的集合；E是離散事件集合，即導致狀態轉移的事件的集合；S是連續狀態集合，即圖2中四個連續狀態內部的連續運動集合；F是狀態轉移函數。

2 混成模型計算方法

2.1 能源互聯網子系統工作模式分析

能源互聯網包含大量含有新能源發電、儲能設備和負荷的子系統，子系統就地發電就地使用，并通過電網互聯實現電能共享。分布式發電、就近供電模式可有效提高能源的梯級綜合利用效率，提高供電可靠性和電能質量[11-12]。以能量的供需平衡為約束條件，確保供電可靠性。為了最充分利用光伏發電、設定光伏電池一直以最大功率模式發電，然而光伏發電功率不穩定，間歇性強，必須與蓄電池和大電網協調配合才能給用戶提供可靠的電力供應。蓄電池屬于本地分布式電源，相較于大電網供電可以降低網損。因此，供電方式優先順序是：光伏電池、蓄電池、大電網。由蓄電池充放電特性曲線可知，蓄電池在恒流充放電階段，充放電功率由充放電電流決定，具有可控性；而在恒流充電階段，充電功率不可控，很難參與光伏電池和電網之間的協調配合。因此，蓄電池應保持在恒流充放電狀態，當蓄電池電壓Ubat高于過沖保護電壓Ub·dat時，停止向蓄電池充電，光伏電池發電的剩余輸送到大電網；當蓄電池電壓低于過放保護電壓Ub·rel時，蓄電池停止放電，光伏電池發電功率不足部分由大電網提供。能源互聯網子系統結構示意圖如圖3所示。

圖2 基于有限狀態機的控制流程

圖3 能源互聯網子系統結構示意圖

據上述分析可知，系統可有如表1所示共4種運行模式。量測終端采集必要的能量流信息，通過一系列的信息處理和邏輯判斷，輸出控制命令控制功率變換器，實現不同運行模式間的智能切換。表中：Ppv表示光伏電池發電功率；Pref表示能源互聯網子系統內部的功率需求。

表1 能源互聯網子系統工作模式

2.2 綜合能源系統的協調控制過程

根據表1的工作模式，設計出綜合能源的協調控制方法，控制結構圖如圖4所示。K是二進制形式的控制指令，每一位的0或1代表對相應開關的控制命令，本節中K從左向右分別對應圖4中的開關K1、K2、K3、K4、K5、K6。左邊第一位為0代表K1閉合于回路1，為1代表K1閉合于回路2；從左數第4位為0代表開關K4閉合于回路3，為1代表K4閉合于回路4；其它四位為0代表各自對應開關斷開，為1代表對應開關閉合。

圖4 能源互聯網子系統控制結構

K決定了系統的運行狀態；從一次側物理系統采集的原始信息包括：光伏電池的端電壓和輸出電流Upv、Ipv，蓄電池的端電壓和輸出電流Ubat、Ibat，電網端的端電壓和輸入電流Unet、Inet，以及系統的功率需求Pref。該子系統中的能量流分布的描述方程為：

(5)

儲能電池的作用是平衡光伏電池輸出功率的波動，光伏發電功率與負荷的功率需求的差值作為儲能電池功率輸出或輸入值的依據，為了防止過放或過沖給儲能電池造成損害，當蓄電池電壓高于過沖保護電壓或低于過放保護電壓時，電池停止充電或放電，功率差值部分通過大電網來平衡。功率協調控制結構圖中K1、K2、K3、K4、K5、K6開關選擇器根據相關的判定條件進行切換，進而改變綜合能源系統的工作模式。根據表1中的四種模式對應控制結構工作過程如下：

1) 儲能電池和大電網的功率輸入/輸出均采用單閉環控制結構。控制器C1的輸入數據是：

(6)

即儲能電池的實際輸出功率與參考值的誤差，經過控制器得到開關S1和S2的觸發信號占空比，并經過PWM驅動S2和S3，使式(5)為0。控制器C2的輸入數據是：

(7)

即大電網的實際輸出功率與參考值的誤差，經過控制器得到開關S3和S4的觸發信號占空比，并經過PWM驅動S3和S4，使式(6)為0。開關K1、K2、K3、K4、K5、K6根據檢測到的能量流的信息決定打開或閉合，進而決定儲能電池的工作模式。

2) 當檢測到Ppv>Pref時，開關K1閉合于回路2，開關K4閉合于回路4，進一步判斷儲能電池電壓是否小于過沖保護電壓Ub·det，若是，開關K3閉合，與儲能電池相連的Buck-Boost變換器工作在Buck狀態，光伏電池對蓄電池進行充電；若不是，開關K5閉合，與大電網相連的Buck-Boost變換器工作在Boost狀態，將多余的電能輸向大電網。

3) 當檢測到Ppv

原始信息經過一系列的映射關系得到控制信息K以及S1、S2、S3和S4的觸發信號占空比。將控制命令K以及S1、S2、S3和S4的觸發信號占空比輸出到執行端，實現系統能量流分布根據實際需求自動調整、不同狀態間智能切換，充分利用清潔能源的同時滿足系統內能量的供需平衡。

3 算例分析

根據圖4所示的能源互聯網子系統示意圖搭建stateflow仿真模型，對本文提出的方法進行仿真驗證。為了簡化分析過程，系統功率需求Pref恒為100 kW，光伏發電功率及蓄電池電壓動態過程以及輸入數據對應的理論控制指令和工作模式如表2所示。

表2 輸入信號及理論輸出

利用simulink/stateflow仿真，來驗證基于混合自動機原理的能量流—信息流混合系統模型的有效性。仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型

仿真圖中的狀態流結構圖如圖6所示，加粗部分表示系統當前所處的狀態。

圖6 狀態判定與轉移

仿真模型運行后，控制指令輸出K如表3所示，狀態切換順序如圖7所示，控制命令和狀態切換順序均與表2中的理論值相符，證明了所建立的能量流與信息流耦合模型的有效性和實用性。

表3 控制指令輸出

圖7 實時狀態

4 結束語

本文建立了反映能量流與信息流之間關系的有限狀態混成模型，并通過仿真驗證了其有效性，為能源互聯網的控制研究提供了新方法。有限狀態混成模型可將連續的物理變化規律和離散的狀態切換規律融合于同一框架內，能夠直觀呈現邏輯關系，可應用于動態分析、優化控制等研究，而且適用于動態過程頻繁的能源互聯網的控制調節。

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(責任編輯 林 芳)

Research on Coupling Property of Energy Flow and Information Flow in the Energy Internet

JIANG Dongrong1,2, WANG Rui1,2， CHENG Chao1,2， YAN Yao1,2， TAN Yujie1,2

(1.School of Electrical and Electronic Engineering， Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China； 2.Chongqing Energy Internet Engineering Technology Research Center， Chongqing 400054， China)

It is very difficult to deal with the real-time control and reliability of energy Internet through the fragmented study of the energy flow and information flow. Studying the coupling property between them is an important way to solve these problems. Based on the hybrid model of information physics fusion system and the cooperation mechanism of energy flow and information flow, the coupling mechanism between energy flow and information flow is studied by using finite state machine principle. A finite state hybrid model of energy flow and information flow based on energy Internet is established, and the correctness of the finite state hybrid model is validated by the simulation results of real-time control of energy Internet subsystem.

energy Internet; energy flow; information flow; coupling; finite state machine

2017-01-03

國家自然科學基金資助項目(51607020)；重慶市基礎科學與前沿技術研究專項項目(2016CC36)

蔣東榮(1970—)，男，博士研究生，副教授，主要從事電力系統運行與控制、智能電網、能源互聯網、電力市場等研究，E-mail：drjiang@126.com。

蔣東榮,王瑞，程超，等.能源互聯網能量流與信息流耦合性研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(7):109-114.

format：JIANG Dongrong, WANG Rui， CHENG Chao,et al.Research on Coupling Property of Energy Flow and Information Flow in the Energy Internet[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):109-114.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.017

TM744

A

1674-8425(2017)07-0109-06