基于綜合智慧能源站的能源互聯網研究

劉梓洪，邵 祥，彭 響，劉 欽

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

社會的現代化進程需要能源產業持續發展，而能源發展需要不斷創新與變革，走綠色低碳道路，這樣才有利于實現“碳達峰、碳中和”目標[1,2]。電力系統結構優化是目前能源產業變革的重點之一，為此中外學者不斷進行研究與探索，2012年美國學者里夫金基提出能源互聯網（Energy Internet，EI）的概念，旨在將智能電網與信息通信技術（Information and Communications Technology，ICT）相結合，利用互聯網開放互聯的特性，充分整合分布式可再生能源（Distributed Renewable Energy Resource，DRER）、分布式儲能（Distributed Energy Storage，DES）等資源，并形成大規模能源網，通過信息通信等手段促進可再生清潔能源的消納，最終實現新能源規模化發展及緩解環境污染，減少碳排放[3-6]。

研究發現，能源互聯網與信息互聯網的用戶都需要交互，區別在于一個交互信息流，一個交互能量流。信息互聯網中的一個重要組件是分組路由器，它是信息傳輸的重要節點，同樣能源互聯網中也需要能量路由器（Energy Router，ER）來管理電力傳輸和分配[7]。因此北卡羅納大學團隊基于能源互聯網互聯交互的特點，提出以能量路由器管理電力傳輸與分配，實現能量流動態調整[8]。但其研究重點在于10 kV配網側能源分配，不適用于中國大規模電力系統。

本文結合全國范圍內大量存在的35 kV、110 kV以及220 kV變電站，深入挖掘其電能傳輸和分配的樞紐功能，結合大智云移物鏈等現代ICT技術，進一步開發變電站站址資源、土地資源、電源容量、通信網絡資源、拓展功能應用，融合智能變電站、儲能站、數據中心站、智能充電站、光伏發電站、風力發電站以及5G微基站等多種元素，提出將新型綜合智慧能源站（Integrated Smart Energy Station，ISES）作為能源互聯網中能量路由器[9,10]。以ISES智慧互聯和電能樞紐的特點，促進電網能量流動態調整，實現電力設備間實時通信，規模化開發DRER，著實解決能源互聯網開放互聯的需求和傳統電力系統封閉運行的矛盾。

本文首先結合ISES自身特點分析了作為能量路由器在能源互聯網中的功能需要；其次從電力系統及互聯網系統兩方面詳細研究了ISES的框架結構與組成模塊，提出映射于信息路由器的相應功能；再次進一步提出ISES的智能化交互方法，并基于Paxos算法的分布式控制策略；最后以某110 kV綜合能源站示范項目為例，仿真驗證了所提出的框架結構及控制算法的有效性[11]。

1 綜合智慧能源站介紹

作為電力系統及信息通信技術飛速發展的新一代演進，能源互聯網的終極宗旨是供給側充分開發利用清潔的分布式能源，消費側提高能源利用效率，同時著實降低碳排放量，最終實現能源供給的可持續發展[12]。其中，ISES作為能量路由器理論上能夠著實賦能能源互聯網，提高其靈活型與穩定性。

如圖1所示為ISES在能源互聯網系統中的物理結構圖。其承載著發電廠、輸電線路以及用戶間的樞紐作用，與傳統變電站的區別是ISES在有限的空間資源內采用多源融合的思想，集成光伏、風機、儲能倉等分布式能源及分布式儲能設備，同時也提供電動車充電、5G基站運營等多項民生服務，并且進一步綜合利用先進的“大云物移智鏈”技術，以變電站這一電力系統中的樞紐環節為節點，深化能源互聯網發展[13]。

圖1 綜合智慧能源站在能源互聯網中的物理結構

結合傳統變電站的功能，歸納并提出ISES在能源互聯網體系中主要功能如下。

（1）集成分布式能源：利用ISES的站址資源，充分融合太陽能光伏板、風力發電機等設備，并與變電站內站用變負載、電動車充電樁等連接。當供電超過本地負載時可并網售電，而當因天氣等原因導致分布式電源發電量不足時，由電網通過ISES進行供電。

（2）傳輸調度：作為電力系統中的重要樞紐，變電站的本職任務也是電網中最重要的功能，即負責電壓等級變換。同時隨著ICT技術的發展，ISES管理著分布式能源的發電情況并動態調度電能。

（3）動態配置：能源互聯網可以通過ISES追蹤用戶側需求響應，制定相應的實時能量配置方案，實現電能分布動態平衡。

（4）市場運營：ISES通過采集分布式能源、分布式儲能、一次設備以及二次設備等運行狀態以及不同用戶需求響應，制定最合理的運行策略，同時與其他ISES系統進行電力信息交互，促進并保證電力市場平穩運行。

（5）跨領域服務：ISES融合了5G基站和數據中心站等其他領域的設施，并通過分布式能源與儲能對其進行穩定的供電服務，同時也可共享客戶信息。

（6）節能減碳：能源互聯網的一大主要目標是減少碳排放量，而ISES可模塊化開發分布式能源，同時兼顧這些清潔能源的消納與調度，再通過其自身智能互聯的特性可著實減少電力系統中電能在傳輸，分配時產生的浪費。

（7）開放互聯：傳統電力系統主要還是封閉式運行方式，而ISES通過其自身的信息物理融合，在一定程度上加強了能源互聯網的開放互聯程度。

通過討論ISES的功能需要，可以發現其最主要的功能之一是將分布式能源、儲能以及負載等組成小型微電網。這些組件即可通過綜合能源站進行能源服務對話，如光伏上線（發電）、下線（脫機）、錯誤報告等，同時可將其與電網連接或斷開，在并網或孤島模式下運行，實現能量流轉或保護的作用。以典型的運行場景舉例，晴朗的白天，光伏發送發電請求，能量路由器檢查負載需求和分布式儲能設備的能量容量，光伏開始供電，晚上光伏向ISES控制終端發送服務終止消息，斷開連接停止發電。此時負載需求增加，ISES通知分布式儲能倉設備啟動能量供應。深夜風大，負載減少，風機發送供電請求，ISES檢查負載與儲能，發現負載需要小于發電量，則開始為儲能倉充電。

2 綜合智慧能源站系統結構

本文以某110 kV變電站為例，綜合智慧能源站一級結構示意如圖2所示，其中各級變壓器、母線以及斷路器的核心功能是將輸電線路上的高壓電轉換成各級低壓交流電，同時承擔能量路由器物理底層的角色。集成在交流380 V母線及直流750 V母線的電力電子設備、通信設備以及信息采集設備，構成了物理底層與上層控制間的紐帶，主要功能是交流-直流、直流-交流、直流-直流間電能形式變換，設備間、能量路由器間的信息采集與通信。另外還有分布式智能模塊（Distributed Grid Intelligence，DGI）集成在各級變壓器、逆變器、分布式能源、儲能等設備的控制器中，該模塊通過組合分析二次模塊收集的信息做出響應的控制策略，以保證微電網穩定正確運行及電能質量的管理，如光伏的接入與斷開、儲能的充電與放電等。同時ISES也通過該模塊推進電力信息物理融合，推進能源互聯網開放互聯的宗旨[14]。

圖2 綜合智慧能源站一級結構示意圖

類比傳統信息互聯網工作模式，可以發現能源物聯網想要做到開放互聯離不開以下3項關鍵技術。一是即插即用接口，如RJ45以太網接口；二是將信息路由到正確位置的信息路由器；三是開放標準操作系統，如TCP/IP和HTML。

而傳統電力系統中并無類似功能，如果ISES作為能源互聯網的重要節點，則能提供類似的功能，大大促進能源互聯網的開放互聯。因此考慮將ISES連接線路輸電、工業用戶以及住宅用戶，構建如圖3所示的ISES二級結構圖以實現上述技術。主要包括各電壓等級交流母線、750 V直流母線、母線上各類分布式可再生能源（Distributed Renewable Energy Resource，DRER）、分布式儲能（Distributed Energy Storage，DES）以及負載，同時集成了智慧能量管理（Intelligent Energy Management，IEM）模塊、智能故障管理（Intelligent Fault Management，IFM）模塊、分布式智能（Distributed Grid Intelligence，DGI）模塊以及通信模塊。

圖3 綜合智慧能源站二級結構示意

與傳統變電站相比，圖3中的ISES結構主要增加了750 V直流母線所連接的DRER和DES、IEM設備、IFM設備以及DGI模塊等4個新的內容，與最常見的互聯網終端電腦比較，形象的表述如下。

（1）第一個典型區別在于其750 V直流母線及220 V交流母線增加了大量分布式能源、分布式儲能以及負載等，并且這些終端由于自身特性需要頻繁的接入與斷開，如光伏有陽光時發電、無陽光時斷開。因此需要類似于電腦上即插即用的通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）通信接口，使得能源站中任何設備在接入后可以立即被系統識別，并描述接入設備狀態特征，同時接收上層工作指令。

（2）第二個區別在于ISES增加了IEM設備，其連接各級交直流母線，通過USB能夠識別管理所有接入到母線的設備，如DES和DRER，包括所有設備的狀態監控和數據收集，為每個設備提供控制命令。對于DES，可控制其充放電狀態與充放電速率等；對于DRER，可根據其運行狀態控制并斷網并響應其自身控制算法，如光伏的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法；對于負載，可調節其功率，以保證重要負載穩定供電。

（3）第三區別在于增加了IFM設備，正如信息互聯網的發展伴隨著網絡攻擊和故障，能源互聯網也必然會出現類似問題。因此在ISES中，需要類似的IFM設備，主要功能是隔離高壓進線側各種外部潛在的風險，如個人計算機中防火墻，以免受到外部病毒（故障）引起自身系統不穩定。診斷各級母線上多種設備是否正確穩定運行，一旦發現問題及時隔離故障并報警修復，防止系統奔潰解列，并在受到故障影響后重新配置系統。因為電力系統中細小的波動經過一系列鏈式反應后可能會產生較大影響，因此IFM也管理著ISES中電能質量環節。

（4）第四點區別在于需要一個類似于計算機中的CPU來實現ISES大量信息分析處理，如指令制定、ISES間通信以及信息共享，以達到真正意義上的電力信息物理融合。在ISES中稱之為DGI模塊，該模塊可集成在IEM和IFM中，將物理特性與信息流相互耦合。因此在未來發展出類似信息互聯網的基于軟件和多平臺的開源統一標準（如www協議）來實現DGI將會大大促進電力信息物理融合的進程，推動能源互聯網飛速發展。

3 .智能化研究

3.1 DGI實現

ISES系統中最具挑戰性的問題是如何以分布式控制實現所有設備的穩定運行狀態，而上節提到的IEM和IFM模塊則需要通過集成于其中的DGI模塊來實現對分布式設備的控制。DGI正如計算機系統中的CPU，管理ISES內運行需求，并與其他能源站樞紐協調，從而對能源互聯網發展做出貢獻。DGI多層信息物理融合如圖4所示，左側表示ISES的多層控制，右側表示系統中的多個IEM。通過上文分析可以得出，DGI在實現分布式能源及故障管理的同時，推進了系統的信息物理融合。因此以綜合智慧能源站為節點的電力信息物理深度融合是目前研究工作的一大挑戰[15]。

圖4 DGI多層信息物理融合

3.2 控制策略

與傳統變電站相比，ISES融合更多分布式及智能模塊，而且每個模塊的運行策略又不盡相同，因此導致控制系統也更為復雜。參考七層模型（Open System Interconnection，OSI）可分為如圖5所示的多層ISES的控制系統。最底層為物理層，主要包括分布式電源、分布式儲能、負載以及油機等設備，物理層級需要解決的問題是要實現IEM模塊對分布式資源的識別和控制，具體是IEM通過通信接口識別多類型設備，該接口必須支持雙向通信和功率流，并在添加或斷開設備時無縫運行。

圖5 多層ISES控制系統示意圖

倒數第二層為數據鏈路層，主要由二次設備、各級變壓器及通信鏈路組成，用于調節低壓交直流母線電壓和頻率，提供有功功率、無功功率以響應電網需求，同時也負責系統電能質量管理及諧波治理工作，能夠針對不同運行場景，如孤島、并網以及光伏最大化利用率實時調節負載供電方式。第二層為傳輸層，該控制層站在系統的角度，集成了分布式智能管理設備，統籌多模塊的運行需求，最終得到每個設備正常運行狀態。第一層為應用層，其中多個綜合能源站協調接入能源互聯網系統，實現前文所提全面促進能源互聯網開放互聯發展的功能。

以上4層控制主要通過IEM模塊及IFM模塊來實現，IEM模塊負責最大效率使用分布式能源、分布式儲能，減少綜合能源站運營成本，調節系統關鍵參數，同時降低線路與設備的電能損耗以減少碳排放，IFM模塊負責隔離ISES系統外部母線各種潛在故障風險。

考慮到綜合能源站內的受控對象是一組獨立的物理設備，并且每個設備的最優化目標可能相互矛盾，因此本文提出基于Paxos算法的分布式控制策略，根據本地信息為每個可控設備設置標稱工作點，具體工作流程如圖6所示。本地設備1（光伏）向IEM1～3發送其狀態信息，3個控制器收到光伏狀態，由于之前并未收到其他設備的信息，因此將光伏狀態信息保存避免丟失，同時回復光伏，內容為“收到”。光伏至少收到兩條“收到”返回信息后，再次發出信息，內容為“狀態1，申請發電”。3個控制器收到信息后保存第二次內容，并相互協商，通過傳感器確認此時天氣狀況。若氣象條件符合光伏發電，便將“接受”決策信息傳回光伏，光伏收到至少兩條“接受”信息，確認申請通過。此時儲能發起狀態信息，3個控制器收到后保存，但由于之前已經確定光伏發電的申請，因此回復儲能“狀態1，（光伏）申請發電”，當儲能收到至少兩條來自控制器的此消息，則不再提出新的申請，接受光伏發電的運行策略。

圖6 基于Paxos的分布式控制流程

另外，為維持ISES系統的穩定性和可靠性，需要IFM進行故障識別定位以及故障重合閘。傳統故障協調方法是基于不同故障電流大小而設置不同位置保護和跳閘的保護定值，但ISES系統為網絡結構，系統中分布式能源、變壓器、交直流母線保護間可能存在故障電流故障協調問題，因此需要更加智能的故障協調和重合閘功能。為提高故障識別精確度，可考慮使用基于變化率而非故障電流幅值的故障檢測方法。

4 實驗與仿真

DGI最主要的功能是基于一致性算法實現分布式能源總供需平衡，多個DGI通過相互間通信進行信息交互與協商，通過集成在IEM模塊中的微控制器滿足分布式負載平衡。

以某市110 kV綜合智慧能源站示范項目為基礎，光伏裝機容量為333.84 kW，風機裝機容量為300 kW，儲能倉容量為400 kW。以20 h為仿真時長，觀測變電站整體及多個IEM節點的負載功率、分布式能源功率以及儲能倉狀態等數據。DGI的優化目標是優先使用分布式電源發出的電能供給本地負載，多余發電量給儲能倉充電。當其中一個IEM模塊中分布式電源發電量不夠時，調度其他IEM中多余的發電量，而不使用儲能倉中的電能，同時根據實時情況制定適當的分布式控制策略。

全站在仿真時間內功率變化情況如圖7所示，可以直觀地看到輸出功率曲線跟隨負載功率進行波動，但是在大約9～15 h內輸出功率曲線有小幅波動。

圖7 全站功率圖

圖8 為IEM1模塊的儲能、負載、輸出功率示意圖，其中儲能輸出功率曲線一直為零，輸出功率曲線幾乎與負載功率重合，表示該模塊中分布式儲能未出力，輸出功率完全能帶動負載。

圖8 IEM1模塊的儲能、負載、輸出功率示意

圖9 為IEM2模塊相應功率曲線，其中儲能功率曲線先向負向波動，約在15 h恢復為0。光伏功率曲線在5～15 h內約為20 kW，輸出功率在5 h左右開始波動，15 h左右與負載功率重合。說明該IEM2模塊在5～15 h光伏開始發電，向負載供電，多余電量向IEM2管理的分布式儲能充電，再多余的電量則是向IEM1模塊供電。

圖9 IEM2模塊相應功率曲線

整體ISES系統運行狀態為IEM2光伏處于并網發電狀態，為負載供電并向儲能倉充電，同時IEM1中沒有使用儲能倉中電能，而是從IEM2中調度多余的光伏發電量供給IEM1中本地負載，而不是由本地儲能輸出功率，在滿足負載功率時最大限度減少損耗，降低碳排放量。

5 結 論

本文描述了綜合智慧能源站作為能源互聯網體系中的能量路由器的框架體系，所提出的ISES系統將ICT技術與變電站有機結合，并從信息互聯網角度思考，智能化促進清潔能源的規模化開發及消納，緩解化石能源緊缺危機，并減少碳排放，推進我國雙碳政策實施。

在此基礎上，本文提出的DGI模塊在實現分布式能源協同及故障管理的同時，很大程度上推進電力系統的信息物理融合進程，非常值得繼續深入研究。另外考慮到各電壓等級的變電站數量巨大，其本體低碳建設及綠色運行也是后續研究重點。隨著能源互聯網體系越發龐大，IFM的運行機制及相應的算法研究也將是將來重點領域。