基于鏈式路由網絡的能源接入管理策略研究

任 光 楊 剛 華昊辰 楊 方 白翠粉 邱忠濤 曹軍威

1(清華大學信息技術研究院 北京 100083)

2 (國網能源研究院 北京 102219)

(renguang@tsinghua.edu.cn)

實現低碳、綠色能源消費是能源領域的目標之一，當前，世界各國特別是發達國家都在開展降低碳排放、提高能效的能源改革,能源互聯網被認為是實現這一目標的有效途徑.里夫金在《第三次工業革命》中分析了能源互聯網遠景，它給人們帶來了綠色、低碳、高效與共享的新理念[1].

能源路由器與能源互聯網密切相關，它是能源互聯網架構下的新一代能源管理裝置與系統，也被視為能源互聯網高級發展階段的核心部分[2].很多科學家已經開始了對能源路由器的探索研究.美國科學家首先提出了能源路由器的概念，2008年，美國國家科學基金項目“未來可再生電力能源傳輸與管理系統”(The future renewable electric energy delivery and management system, FREEDM system)[3-4]，研究了一種構建在可再生能源發電和分布式儲能裝置基礎上的新型電網結構，稱之為能源互聯網.其中，美國科學家效仿信息領域網絡技術的核心路由器，提出了能源路由器概念并進行了原型機實現研究[5].同一年，瑞士聯邦理工學院研究團隊開發了“Energy Hub”，并稱之為能量集線器[6-9].該集線器是由計算機科學中集線器的概念引申而來，也叫能量控制中心.2013年，日本科學家提出了“電力路由器”的概念.他們研制的數字電網路由器，可以統籌管理一定范圍地區的電力，并可通過電力路由器調度地區電力[10].美國北卡羅來納州立大學的科學家針對智能電網中電源側與需求側的能量管理，研究了能源路由器的架構建設和通信性能，包含了電力電子、通信和電網智能[2].

在國內，盛萬興等人研究了一種基于虛擬電機控制的能源路由器[11].其電路拓撲和運行控制與可再生能源接納、靈活電力變換息息相關.不同于傳統基于固態變壓器的能源路由器，他提出一種交直流混合、工頻隔離、交直流模塊化的能源路由器電路，并在此基礎上提出了基于虛擬電機理論的控制策略.林川等人針對在以“能源路由器”為基礎、以“微電網”為結構單元的能源互聯網中，存在大規模、頻繁的能量與信息轉移傳輸現象，即能量信息流的“路由”問題，提出了3種路由策略，分別是基于邊權的路由策略、基于網絡鄰節點負載的路由策略和聯合路由策略，解決3 種考慮不同因素下的能量信息流路由問題[12].曹軍威等人探討了以能源路由器為核心交換裝置的能源互聯網實現模型，全面闡述能源路由器的實現目標、關鍵技術等[13].清華大學、中國科學家電工研究所等國內研究機構都設計出不同的能源路由器實驗裝置[14-15].

2015年，能源互聯網理論在中國科技界和產業界出現了快速推廣的局面.眾多能源互聯網研究機構和產業聯盟相繼發起成立，如2015年4月14日清華大學能源互聯網創新研究院在北京成立、2015年6月16日中國能源互聯網產業技術聯盟在北京中關村成立等，這些機構都旨在推動能源互聯網在中國的發展.2015年，也是中國能源互聯網示范工程的種子年.在全國范圍內，相繼出現了針對不同應用場景的能源互聯微網示范工程大型籌備項目.工程模式包括：熱電聯產模式、風光儲互補模式、光伏直供模式、工業園區自治系統等.中國國家能源局重視能源互聯網產業，積極推進微網示范工程，為能源互聯網理論與技術在中國的產業化發展提供了機遇.

能源互聯網示范工程需要合適的能源路由網絡.本文針對示范工程應用需要，對能源路由網絡及其能源管理實現方面進行了研究.分別提出了鏈式路由網絡和針對該網絡的邊緣擴散策略，研究了能源互聯網架構下用戶級的能量管理實現策略.

1 低壓電網中能源路由系統

1.1 單能源路由器結構與功能

圖1給出了單個能源路由器單機結構圖.其中，380 V交流連接外部電網，本地接入設備包括新能源電站和負載2類；能源路由器母線電壓為低壓直流，所有本地接入都通過標準接口連接到母線；儲能接口連接智能儲能裝置，主要用于平抑直流母線的電壓跌落和閃變.

Fig. 1 The structure of a low voltage energy router圖1 低壓能源路由器單機結構

1.2 能源路由應用場景的網絡化需求

1) 區位場景分析

一般地，能源路由器在能源互聯網中的物理分布中，既可以在廣域網絡層級，也可以在局域微網層級，或者微網內部的一個有限區域即終端網絡中.圖2給出了能源路由網絡的區位圖解.

圖2中的網絡即為以鏈式結構連接而成的中小規模配電網絡.其中，每一個能源終端網絡在物理上可左右接入2個能源路由器，在運行時只能與一個能源路由器發生能量傳遞.多個終端網絡共同形成一個鏈式能源路由器網絡;而這個能源路由器網絡和能源終端網絡則構成了微網，即配電網絡.而微網通過廣域能源路由系統可連接到廣域能源互聯網.

Fig. 2 The linkage scene of energy Internet of microgrid圖2 能源互聯微網鏈式空間情景

2) 用戶需求側對配網的要求

當分布式新能源被納入能源互聯網示范工程范圍時，在能源的生產和消費過程中，具有4項需求特點：

① 分布式新能源既是生產者，也是消費者，而且應盡量自產自消;

② 盡可能提高新能源的使用比例;

③ 盡可能減少能量遠距離傳遞，降低損耗和能源設施建設投資;

④ 基本的能量交易行為可在人際交往可以達到的范圍內進行，且開放自由.

綜合上述特點，需要把能源互聯網示范工程在空間上進一步區塊化，增強分布式新能源的本地消納能力、提高使用比例、減少輸送距離和靈活交易機制.

從控制系統實現能力角度，采用一個能源路由器可以實現在較小距離內的能量管理.比如一個小區或一個村莊可共用一個能源路由器，實現該區域內部的新能源生產和消納.當該區域內無法實現能量平衡時，臨近的小區或村莊可通過能源路由器互聯起來形成路由器網絡，實現能量在更大范圍互聯共享.這樣，一張能源路由器互聯網絡就構成了能源互聯網示范工程能量管理的信息物理單元.

1.3 鏈式能源路由網絡

圖3給出了一種鏈式能源路由網絡結構.其中，每一個能源路由器把相鄰小區或村莊的電源與負荷連接起來，先在路由器內部自產自用，盡量實現平衡.當有能量剩余或不足時，可從臨近的小區或村莊購得電量，其物理實現過程表現為對臨近能源路由器的路勁切換管理.

在圖3中，每一個小區或村莊的電源和負載都可被連接到2個路由器，且只能選擇一邊工作在運行狀態.一共有3個小區或村莊被4個能源路由器鏈接起來，所以最多可以實現3個區域的能量傳遞與共享.網絡兩邊緣側的能源路由器接入外部380 V配電網絡和儲能設備，作為更進一步的能量調節備用.

Fig. 3 The linkage energy routing network圖3 鏈式能源路由網絡

2 基于邊緣擴散的路由策略

鏈式能源路由網絡規劃具有自然約束條件，其能量管理與路由控制策略需緊密結合應用環境的要求，在規劃建設時須充分考慮,可從網絡規劃、路由策略、信息支持和應用可行性4個角度分析路由網絡.

2.1 接入規劃與梯級分類

以小區或村莊為示例單位，規劃一個以能源路由器為中心的能量管理系統.需要考慮4點因素：

1) 采用投切為主要調節手段，接入的電源和負荷在功率等級上需具有差異化，且呈現順序遞增或下降特點.

2) 能源路由器工作在低壓狀態，接線距離不宜太長，比如1～2 km以內.

3) 接入電源和負荷的總數量需在控制系統接入能力和指令通道數量范圍之內；也不宜太少，以免成本過高，經濟性差.

4) 單個能源路由器完全自動調節，無需人工參與；而能源路由網絡則需一個人工干預平臺.

我們把所有功率設備按照從小到大的順序排列，把一個功率設備的功率大小視為一個隨機變量.理想模型是若隨機變量有n個不同數值，每個數值具有相同的出現概率，那么我們可以將其近似看作是一個離散時間的均勻分布(discrete time uniform distribution).其數學模型可以描述如下:

設離散隨機變量x，其可能變量有1,2,…,n，即x=1,2,…,n，若其概率函數為

它的期望值為

方差為

在能源互聯網場景中，根據上述離散均勻分布的梯次規劃原則，設它們的額定功率分布是以1 kW為間隔，依次從1～100 kW.功率設備的梯次分布特點，使得能源路由器通過投切操作，可基本實現能量平衡.

2.2 基于功率精度指標的邊緣擴散策略

設圖3中能源路由器2應用于某個村莊，共接入100路電源和100路負荷.其中，有50路電源和50路負荷同時連接到能源路由器1、有50路電源和50路負荷同時連接到能源路由器2.根據梯次規劃原則，它們的額定功率分布以1 kW為間隔從1 kW～100 kW，即能源路由器的最大總功率是5 050 kW.

首先能源路由器2需要對這200路功率設備進行即時功率管理.設隨機退出能源路由器2的負荷是39 kW，那么能源路由器2將主動切斷39 kW的電源.為了不浪費電能，被切斷的39 kW電源將被接入臨近的能源路由器，假定接入能源路由器1.由于能源路由器1的電源增加，它要么把39 kW饋入電網，要么存入儲能，或者增加能源路由器的負荷需求.

同理，當一個負荷為39 kW的負荷隨機接入能源路由器2時，由于能量不足，能源路由器將計算最佳的電源組合，如2 kW和37 kW，可發出信號，強制把已接入其它能源路由器的2路電源轉接到能源路由器2.比如從能源路由器1強制切換過來，此時，能源路由器1需增加自身的電源供應，可以從外部電網獲取，也可以來自儲能或備用發動機.

上述2類情形的共同特點是：以能源路由器的功率精度為主要因素，強制接入或退出功率設備，它的不利影響是增加了切換頻率和控制的難度.

當一個負荷數值為αkW(0<α<100)的負荷隨機接入某能源路由器時，記此能源路由器為x，該能源路由器將強制從臨近的某一個能源路由器，記為能源路由器y端，找到數值接近于α的電源組合.該電源組合可能由僅僅1個或者2個、甚至3個或更多的單獨電源組合而成.根據2.1節描述的關于電源分布的模型，即近似于離散均勻分布模式，所需電源組合將在能源路由器y中均勻分布的各個電源中尋找.可以看出，此電源組合的每個元素額定功率數值必定是小于或等于α.換而言之，需要選取的組合元素取值在(0,α]的范圍內.根據能源路由器y中電源端呈近似離線均勻分布的特征，我們假設在(0,α]的范圍內，存在數值為α1,α2,…,αn的n個電源組合，另外此序列滿足條件：

0<α1<α2<…<αn<α.

(4)

理論上，我們需要在α1,α2,…,αn中選取一種組合，它可以由一個或多個電源疊加而成.根據排列組合原理，理論上我們將有δ種組合方式：

δ

(5)

(6)

以上陳述了一個理想的模型，考慮到電氣與控制設備的支撐能力，我們所選取的最佳電源組合，其組成數量一般不宜超過3個.

實踐中，在能源路由器y中我們有可能直接找到一個數值與α非常接近的單個電源，這個概率可能比較小.那么我們首先尋找在能源路由器y中的所有單個電源，計算它們的精度百分比，如果數值小于2%，則可以認定這個選取的電源適宜接入.在這種情況下就沒有必要再去尋找由2個甚至3個電源累計而成的組合.如果接入所有單個電源計算所得精度百分比均無法滿足小于2%，則我們需要進一步考慮選取2個電源組合的形勢.此時，根據上述理論模型以及運算法則，計算出相應精度百分比.如果其數值小于2%，則可以認定這個選取的電源組合適宜接入；否則，我們不得不考慮選取由3個電源組合而成的情況，計算方式同上.

上述情景中，能源路由器Router1由于接入了負荷導致不平衡，Router1立刻通過從Router2引入電源達到其自身平衡.這樣一來，能源路由器Router2的電源負荷不再平衡.我們概括地描述這個過程為：Router1將它自身的不平衡傳遞給了Router2.由于Router2還與能源路由器Router3相連，相似地，Router2也會將它自身的不平衡傳遞給了Router3，其方式類似于上述模型.以此類推，直到終端能源路由器Routerm.最后，Routerm為了尋求平衡，它將向大電網或主干網尋求電源供應.這個過程表達了能源互聯網中鏈式能源路由器間一次傳遞不平衡性以求達到自身平衡的特點.

2.3 信息支撐網絡

鏈式能源路由器網絡具有鮮明的智能特征，除了需具備先進的控制能力和電力電子器件執行能力外，還需要高效穩定的數據分析和傳輸能力.匹配于上述路由網絡結構，可設計3類不同特點的信息支撐網絡：

第1類是集中式信息網絡情形，如圖4(a)所示.這種情形需建設一個獨立的數據中心，它同時具有必要的數據分析和學習能力.路由網絡的所有路由器都與數據中心產生數據交換，路由器之間不建立直接通信.這樣的通信網絡對鏈式路由器網絡整體管控能力較好，但響應延時較多.

第2類是圖4(b)給出的扁平式信息網絡情形.相鄰的路由器之間可直接通信，使得信息響應速度較快，切換響應快.但是，由于路由器只能獲得臨近的路由器運行信息，所有信息僅有助于協調本地路由器的能量平衡性，這使得能量失衡可能向周邊傳遞，加大周邊的不平衡性.

第3類是圖4(c)給出的協同式信息網絡情形.它把集中式和扁平式組合起來，一方面數據中心會做出分析，并給出網絡協同建議；另一方面最終的調整策略仍由路由器給出.這樣每一個路由器既可以調整自身，又可以兼顧遠處的路由器調節能力，優勢明顯，不足之處是增加了設備建設和運維成本.

Fig. 4 The information support network of the linkage energy routing network圖4 匹配于鏈式能源路由網絡的信息支持網絡結構

在能源互聯網示范工程中，具體采用哪一種通信網絡與網絡規劃有關，特別是路由器的功率設備接入狀況.一般地，接入設備的功率分布均勻，可采用扁平式通信；反之，適宜集中式或協同式通信.

2.4 應用分析

以建設能源互聯微網示范工程為例，其能源交易需具備如下特點：電源和負荷的接入自由、微網統一交易平臺、能量雙向流動和本地消納、新能源比重穩步提高等.從用戶角度來說，不論居民還是企業，他們存在如下現實需求：盡量自產自銷、可臨近交易、價格低廉甚至免費、供電穩定等.為了實現上述需求，可在鏈式路由網絡的基礎上規劃微網系統.除了微網層級的統一交易和集中調度平臺外，還需向下一級建設用戶級的低壓終端路由網絡，并由用戶級低壓路由電網組合構成微網示范工程.從能源路由結構看，即包括底層的鏈式能源路由網絡和上層微網路由器2級.

3 仿真分析

Fig. 5 The spreading course of power’s imbalance圖5 功率不平衡擴散過程

采用3個能源路由器串聯的網絡來驗證鏈式配電策略的有效性.其中，能源路由器1只與能源路由器2連接，能源路由器2同時連接能源路由器3，能源路由器3同時連接外部交流電網.每個能源路由器上接入的負荷和電源指標如表1所示，負荷和電源的功率值在一定范圍內隨機產生，并保證每個能源路由器總負荷功率與電源功率相同.

對能源路由器的功率平衡管理而言，負載接入與電源退出、負載退出與電源接入效果相同.故從3個方面進行驗證，分別是：

1) 有負荷退出時，電源的串聯式邊緣擴散情形;

2) 有負荷接入時，電源的串聯式邊緣擴散情形;

3) 負荷先退出與接入連續動作的情形.

Table 1 Access Devices Setting表1 接入設備設置

圖5(a)表述了有負荷退出時能源路由器1,2,3上所接入的負荷功率、電源功率的差值.初始狀態下，3個能源路由器的負荷功率與電源功率差為0；時序4時刻能源路由器1上負荷退出導致功率不平衡，這個不平衡性在時序5轉移給能源路由器2，并在時序6傳遞給能源路由器3.能源路由器3的不平衡需要由交流電網來填補.

需要注意的是，能源路由器1,2在新穩態下其接入的負荷功率依然略小于電源功率.不平衡產生的原因是負載功率和電源功率并不是連續分布，在功率擴散過程中無法找到完全匹配的功率組合.此時微小的功率差由儲能部件消除.

圖5(b)給出了負荷接入時能源路由器1,2,3的功率平衡性變化過程.初始狀態下，3個能源路由器負荷功率與電源功率差為 0；在時序4時刻，能源路由器1上新負荷接入導致功率不平衡，這個不平衡性在時序5轉移給能源路由器2，并在時序6傳遞給能源路由器3.但此時能源路由器1,2的功率仍是不平衡的，所以在7～10過程中再次進行了調整使得最終達到了功率平衡.經過了2次平衡的原因是挑選調整的負載電源組合時其組成數量不超過3個，導致經過第1次調整只達到次優解，需要更多次的調整才能達到最優解.

圖5(c)針對負荷接入與退出連續發生的情況，進行了多事件仿真，事件類型和發生時間如表2所示：

Table 2 Continuous Switching Events表2 連續切換事件

連續切換給出了長時間運行、多事件發生的有序切換，結果顯示:通過邊緣擴散策略，功率不平衡最終都累積到了能源路由器3.

4 總 結

本文針對能源互聯網示范工程的配電網組網需求，深入研究了基于能源路由器的鏈式策略.主要包括2個方面的貢獻:1)提出了鏈式路由網絡架構，它把所有能源用戶劃分為多個區塊，通過一定數量的路由器鏈接起來，從而進行有序的能量管理;2)提出了邊緣擴散策略，實現對能源路由器的設備切換管理.它既有助于本地消納、自產自消、交易自由，又可減少投資、降低損耗.當上述策略應用于工程時，需依據用能場景具體規劃研究，特別地，在數據通信方法、接入380 V電網方式和設備切換技術等方面仍需深入研究.