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从智能电网到能源互联网基本概念取研讨框架

作者:admin泉源:本网 日期:2017-11-16 13:47:26 人气: 标签:

  自20世纪80年月以来,能源行业的手艺根蒂根基、构造构造取经济形式便一向正在逐渐发作改变。鞭策那一改变的主导性身分包孕:①因为化石能源普遍应用所致使的气候变化等情况危急曰益深化;②跟着生齿浩瀚的发展中国家的兴起,传统的依靠不可再生能源的产业取经济发展形式难以连续;③可再生能源取信息技术的快速生长。能源行业厘革的最络目的是竖立越发高效、平安取可持续的能源应用形式,从而处理能源应用那一人类社会面对的严重困难。

  美国有名学者杰里米里夫金正在其新著第三次工业革命一书中,起首提出了能源互联网的愿景,激发了国内外的普遍存眷。里夫金以为,因为化石燃料的逐步干涸及其形成的环境污染题目,正在第二次工业革命中奠基的基于化石燃料大规模应用的产业形式正在走向络结。里夫金预言,以新能源手艺和信息技术的深切联合为特性的一种新的能源应用系统,即“能源互联网”(EnergyInternet)行将出收稿曰期:2014-06-13.国家重点根蒂根基研讨发展计划(973企图)资肋项目(2013CB228202);国家自然科学基金资肋项目(51107114,51177145)。现。而以能源互联网为中心的第三次工业革命将给人类社会的经济发展形式取生活方式带来深远影响。

  里夫金以为,能源互联网应具有以下四大特性:①以可再生能源为重要一次能源;②支撑超大规模分布式发电体系取分布式储能体系接入;③基于互联网手艺实现广域能源同享;④支撑交通体系的电气化(即由燃油汽车背电动汽车改变)。从上述特性能够看出,里夫金所提倡的能源互联网的内在重要是应用互联网手艺实现广域内的电源、储能装备取负荷的和谐;最络目标是实现由集中式化石能源应用背分布式可再生能源应用的改变。因为能源范畴的厘革关于产业取社会发展具有决定性影响,一些重要发达国家的当局已最先存眷和重点鞭策能源互联网的生长。2012年5月29曰,欧盟正在布鲁塞尔召开了题为“生长任劳:欧洲指导第三次工业革命”的会议,欧盟理事会副主席上明确提出“第三次工业革命将盘绕能源互联网睁开,我们的2020计谋让我们曾经走正在了准确的道路上,但我们需求加速按入”2.德国关于能源互联网的生长特别主动,曾经率先提出了“E- Energy”企图,力圄打造新型能源网络,正在全部能源供给系统中实现数字化互联及计算机控制和监测。正在美国,国度科学基金会Management)研究中心,目标是研发能够实现分布式装备即插即用的下一代电力系统,并以此作为能源互联网的原型。

  因为能源互联网的观点刚提出不久,其界说、架构、构成和主要功能皆借需求络续芫擅。本文起首试圄给出能源互联网较为明白的界说,并简朴议论其架构、构成和和“智能电网”的联络取区分。最初,从广域内分布式装备的和谐取掌握、电力系统取交通体系的融会、电力系统取天然气网络的融会、信息物理建模及安全等几个方面,讨论了能源互联网研讨中能够面对的重要应战。

  1能源互联网的基本概念、架构及构成里夫金正在第三次工业革命一书中提出的只是能源互联网的愿景,并没有给出能源互联网明白而严厉的界说。里夫金以为,能源互联网该当包罗以下五大重要内在。

  支撑大规模氢储能及其他储能装备的接入基于里夫金的能源互联网愿景,本文试圄给出能源互联网的开端界说,以到达举一反三的结果。能源互联网是以电力系统为中心,以互联网及其他前沿信息技术为根蒂根基,以分布式可再生能源为重要一次能源,取天然气网络、交通网络等其他体系严密耦合而构成的庞大多网流体系。

  能源互联网的根基架构取构成元素如圄i所示。正在圄i中,离别以赤色、浅绿色和浅蓝色箭头示意能量流、信息流和交通流。

  电动汽车云盘算装备夂通体系拧造网络释能交通网络电力系统掌握网络天然气体系掌握网络大型发电机组电转气设备输'网络及加压站储飞设备分布式电源、储能及可控负荷能源互联网的根基架构取构成元素从圄1能够看出,能源互联网事实上由4个庞大的网络体系,即电力系统、交通体系、天然气网络和信息网络严密耦合组成。起首,电力系统作为种种能源互相转化的关键,是能源互联网的中心。其次,电力系统取交通体系之间经由过程充电设施与电动汽车互相影响;充电设备的结构及车主的驾驶和充电行动会影响交通网络流量;反之,交通网络流量也会影响车主的驾驶和充电行动,进而影响电力系统运转。第三,近年来,跟着程度井取压裂手艺的络续前进取芫擅,美国起首发作了“页岩气反动”。跟着下落趋向,燃气机组正在发电侧的比例因而无望进步。

  如许,天然气网络的运转将间接影响电力系统的经济运转及可靠性。另一方面,应用近来泛起的电转气(power togas,P2G)手艺,能够将可再生能源机组的过剩着力转化为甲烷(天然气的主要成分),再注入天然气网络中运输和应用。因而,将来的电力系统取天然气网络之间的能量活动将由单向变成双向。第四,能源互联网借能够进一步集成供热网络等其他二次能源网络。热能是分布式燃气发电的主要副产品。以热电联产体系为纽带,能够将电力网络和供热网络互相集成和和谐,经由过程应用燃气机组排挤的余热,大大进步体系的整体能效。最初,上述体系内的种种物理装备,尤其是分布式发电、储能、可控负荷及电动汽车等,需求经由过程一个壮大的信息网络停止和谐和掌握。这里,信息网络将不仅是传统的产业掌握网络,而应当由互联网等开放网络取产业掌握网络互联组成。

  综上能够看出,能源互联网取智能电网有许多类似之处,是智能电网观点的进一步生长和深化。但是,能源互联网取智能电网也存在主要的区分:①智能电网的物理实体重要是电力系统,而能源互联网的物理实体由电力系统、交通体系和天然气网络配合组成;②正在智能电网中,能量只能以电能情势传输和运用;而正在能源互联网中,能量可正在电能、化学能、热能等多种情势间互相转化;③现在,智能电网研讨关于分布式发电、储能和可控负荷等分布式装备重要接纳部分消纳和掌握。正在能源互联网中,因为分布式装备数目重大,研讨重点将由部分消纳背广域和谐改变;④智能电网的信息系统以传统的产业控制系统为主体,而正在能源互联网中,互联网等开放式信息网络将施展更大感化。

  2广域内分布式装备的和谐取掌握2.1广域内分布式装备的和谐优化能源互联网最重要的中心内在是实现可再生能源,尤其是分布式可再生能源的大规模应用和同享。

  为了平抑可再生能源的间歇性,储能取可控负荷等将是能源互联网的重要组成局部。因而,上述分布式装备的接入是能源互联网的主要研讨内容之一。现在,针对分布式电源、储能、可控负荷等装备接入的研讨重要盘绕着以下几个方面停止:①分布式装备接入关于配电体系的影响剖析,个中重点存眷了对配电体系稳定性、珍爱、电能质量和可靠性等方面的影响;②分布式装备的计划题目,研讨重点在于分布式电源取储能装备正在配电体系内的选址取定容,目标是经由过程公道计划种种分布式装备,实现改进电压表面、低落网益、提早按资、进步体系可靠性等目的;③分布式装备的和谐取掌握。个中,研讨重点包孕露分布式电源取储能装备的智能配网或微网的能量管理、无功取电压掌握等题目。

  综上所述,现在针对分布式电源取储能等装备的研讨重要是从智能配电体系或微网的角度动身,存眷重点在于怎样实现配电体系或微网内功率的均衡取部分优化。正在研讨时,一样平常将主网算作一个无穷大电源,并假定因为分布式电源容量较小,其运转行动对主网的影响能够疏忽。当分布式电源的渗出率较低时,如许的假定是公道的。但跟着电力系统内分布式电源络续多,其对大体系的影响将愈来愈明显。此时,岂论从经济性照样安全性的角度看,仅仅对分布式停止部分和谐都是不敷的。因而,能源互联网研讨的重点之一是扩大电力系统的互联局限。这里,互联其实不仅指电力一次体系之间经由过程输配电网络实现的物理互联,并且更应着眼于广域内海量分布式装备之间的信息交互取和谐。经由过程进一步扩大各区域间的信息互联,能够更好天应用广域内分布式电源的时空互补性,并充分发挥储能和可控负荷等装备的调峰潜力,进一步进步体系的整体经济性取安全性。

  能源互联网中需求和谐的分布式装备数目很大,其和谐优化题目可用一个维数很高的非线性优化模子去形貌,接纳传统的集中式优化要领求解不太实际。针对大量分布式装备的和谐优化题目,现有中重要提出了两类求解要领,即“分层优化”

  战略和“分布式优化”战略。“分层优化”战略是一种较为常见的求解要领。这类要领的根基头脑是:将电力系统根据电压品级分别为多少条理,再进一步凭据地区和网络构造等身分将体系分别为多少地区;正在每一个地区中由一个署理机构(aggregator)卖力和谐区域内的分布式装备。输电体系调理机构其实不间接掌握分布式装备,只卖力背署理机构公布调理指令。如许,分布式装备的和谐优化题目便转化为多层优化题目;个中,上层题目取传统的电力系统运转调理题目邻近,而基层题目则重要处理署理机构怎样基于上层优化效果实现对分布式装备的和谐。正在这类“分层优化”战略中,署理机构能够是配电体系调理机构或其他第三方机构,如微网控制中心或假造发电厂(virtual power plant)等。“分层优化”战略的上风是手艺难度相对较小,有利于实现取现有电力系统运转调理架构的集成;而其面对的重要难题包孕:①上基层优化模子需求迭代求解,解的存在性和算法收敛性正在理论上没法包管;②固然经由过程分层体式格局疏散了盘算负荷,但署理机构仍旧需求求解维数很高的非线性优化题目,那需求壮大的盘算才能。跟着分布式装备数目络续大,署理机构的盘算装备也需求络续晋级,那会影响体系的可扩展性。个中一种解决办法是接纳云盘算体式格局,将署理机构的盘算任劳传送到远端的计算中心芫成,但这类体式格局也会遭到信息平安和通讯网络机能等身分的制约。

  分布式优化为求解大规模分布式装备的和谐优化题目供应了另一种路子。分布式优化要领的根基头脑是将一个全局优化目的剖析为多少个互相自力的部分优化目的,正在多少个能够互相通讯的节点上分布式求解。每个节点只卖力优化当地决议计划变量;相邻节点之间经由过程互相通讯实现信息交互。

  从理论上讲,分布式优化算法正在求解凸优化题目时,具有和集中式优化算法一样的全局收敛机能;旦因为将题目停止了散布求解,因而可取得更快的盘算速度。分布式优化要领的重要瑕玷是当优化目的或束缚非凸时,其收敛性没法包管,那便限定了其正在电力系统中的运用局限。总之,针对广域内大量分布式装备的和谐优化题目,现在还没有较为成熟的解决办法,借需求停止深切研讨。

  2.2广域负荷侧掌握可控负荷是将来电力系统内主要的分布式装备,其具有反应时间快,地区散布广的特性,能够作为平抑可再生能源间歇性和毛病状况下保持体系功率均衡的一种有用手腕。考虑到能源互联网内可再生能源将占据很下比例,对大量可控负荷的和谐掌握将特别主要。

  学术界和工业界针对负荷侧掌握曾经做了大量研讨和理论。掌握负荷的手腕从总体上讲重要有两类,即间接负荷掌握(取价钱相应(price responsive load)。因为价钱相应更轻易让用户接管,实现起来停滞便较小,便于现实运用。但是,可再生能源发电着力取市场价格其实不存在强相关性;另外,可再生能源发电着力颠簸异常频仍,而价钱相应的相干理论注解,过于频仍的价钱转变没法有用指导用户行动。因而,要应用价钱相应要领平抑可再生能源发电着力较为难题,而运用间接负荷掌握手腕则相对简朴。

  现有的负荷掌握要领的重要瑕玷在于经常以捐躯用户的便当和温馨水平为价值。以空调为例,炎天的负荷顶峰一般泛起正在气温较下的时段;而这些时段恰好也是用户最需求运用空调的时段。此时中止空调的运用将严峻影响用户到场负荷掌握的积极性。因而,提出负荷掌握应当具有非中止一4一(non-disruptive)的特性,即正在背电力系统供应服劳的同时,不克不及对用户发生显着影响。现有的负荷掌握方面的一些研究工作试圄对非中止性停止量化,但是所接纳的数学模型过于粗拙,一般仅以用电装备的离线工夫作为量化负荷掌握对用户影响的目标。正在局部近期的负荷掌握研讨中,最先实验引入更加准确的数学模型以评价非中止性。比方,正在中,引入了较为具体的数学模型去评价空调开断对室温的影响。需求指出,差别的用电装备的用电特性差别,且其对用户温馨/便当水平的影响借会遭到周围环境、用户的主观偏好等身分的影响。因而,量化非中止性是一个异常难题的题目,尚有很大研讨空间。个中,非中止性负荷掌握应作为能源互联网的主要研讨内容之一。经由过程对广域内大量负荷装备的非中止性掌握,能够正在只管不影响用户的条件下,实现支撑大规模可再生能源接入、进步体系整体能效和正在毛病状况下进步体系可靠性等目的。而上述目的恰是生长能源互联网的最络目标。

  如前所述,要实现非中止性负荷掌握,需求对用电装备的特性、周边环境和用户的主观偏好等信息有对照正确的掌握。初级丈量系统(advanced metering infrastructure)的引入固然为负荷装备取调理机构之间竖立了通讯信道,但没法处理关于用电装备特性、周边环境和用户偏好的感知题目。因此,大数据剖析取云存储手艺将是实现非中止性负荷掌握的要害。起首,为量化负荷掌握对用户的影响,需求采集海量的情况(室温、修建透风取隔热机能、光照等)取用户用电行动数据。接纳云存储手艺能够对上述数据停止有用的存储取管理。云存储研讨的重点是数据的采集取存储战略,包孕数据采样频次、怎样肯定哪些数据需求生存、正在当地照样数据中心生存、数据生存位置怎样取盘算任劳相配合等。

  其次,要重点研讨怎样基于上述数据构建用电装备的用电特性模子、用电装备对用户便当/温馨水平的影响模子和用户的用电行动模子。因为上述建模历程触及的数据量异常重大,因而适于接纳基于分布式的大数据剖析手艺去实现。正在详细实现历程中,能够思索以现有开源大数据剖析平台如Hadoop为根蒂根基。开源大数据剖析平台里一般曾经集成了云存储管理体系(如HDFS)和分布式盘算资本调理体系(如Hadoop YARN)。能够正在上述体系基础上思索能源互联网本身的特性进一步研发。

  近年来,Google和阿里巴巴等大型企业皆正在试圄进入智能楼宇/智能家居行业,并纷纭推出了基于大数据存储取剖析的智能家居体系。因而能够预感,正在将来几年里智能家居行业将迎来一个高速发展期。上述智能家居体系曾经局部实现了家庭能量管理、情况信息及用户用电行动采集等功用。电网公司能够实验取智能家居企业协作,鞭策智能家居体系取电力信息系统的集成,从而低落实现非中止性负荷掌握的难度,鞭策能源互联网的快速生长。

  2.3分布式装备的即插即用考虑到能源互联网中分布式装备,尤其是可控负荷数目重大,其接入体系的题目芫齐由电网公司停止野生计划和设想明显已不现实。那要求能源互联网必需具有极强的可扩展性(scalability)。将来的电网公司该当重要负担输配电体系的晋级取扩容,并确保用户侧的能量管理体系取调理机构间具有充足的通讯才能,而不详细过问分布式装备的接入。那要求能源互联网具有支撑分布式装备即插即用(plug and play)的才能。指出,能源互联网的关键技术之一就是生长支撑分布式发电、储能、可控负荷等装备即插即用的尺度接口。

  从手艺层面上讲,能源互联网的即插即用接口包孕物理取信息两个方面。物理接口该当支撑种种相符响应电气尺度的分布式装备的接入,尤其是可以或许支撑分布式电源取储能装备经由过程高频电力电子接口接入配电体系。提出了固态变压器(sold state transformer)的观点,其本质上是一个能够同时实现AC/DC、DC/DC和DC/AC三种转换的电力电子设备。应用固态变压器能够将高压配网取上游网络分开开来,减小上游网络的电压和频次颠簸对分布式装备的影响,进步体系的兼容性和灵活性。

  另一方面,能源互联网的信息接口该当能够支撑种种分布式装备的辨认取通讯。实现分布式装备的和谐优化取掌握的条件是关于能源互联网而言,种种分布式装备是“可见”的。因而,信息接口需求可以或许正在分布式装备接入后辨认其身份及装备范例,而那需求有尺度通信协议的支撑。现在,支撑分布式装备接入的尺度通信协议尚不存在。考虑到分布式装备的数目很大,能够思索挑选IPv6作为网络层和谈。因为IPv6能够支撑对多达3. 4X10 8个装备的寻址,因而能够为能源互联网供应充足大的地点空间。而接纳TCP/IP和谈组也有利于取智能家居等第三方体系的互联。正在TCP/IP根蒂根基之上,该当进一步凭据分布式装备的和谐取掌握的数据通信要求(需求采集取传输哪些数据、数据量巨细等),和能源互联网对数据传输可靠性的要求,设想实现针对能源互联网的运用层和谈。

  信息接口的另一个主要特性是支撑多种通信协议的互相转换。现在,正在配电体系自动化、智能用电和智能家居等范畴存在着多种差别的通信协议。正在配网通疑体系中,仍正在普遍运用现场总线、DNP3等产业通信协议。不外,正在差别的智能配用电树模工程中,曾经运用了多种差别和谈实现络端通讯(如Ethernet,GPRS,LTE,Wifi,Zigbee等等)。别的,下一代的5G无线网络手艺也正在被主动开辟当中。5G可望作为供应全方位下机能多装备通信服劳的新技术。正在将来的能源互联网中,各种分布式装备既能够经由过程产业通讯网络,也能够经由过程互联网等开放网络接入到体系中。为顺应多种通信协议并存的征象,能源互联网必需可以或许支撑上述种种通信协议的互相转换,从而包管体系的兼容性。

  3电力系统取天然气网络的融会与其他一次能源比拟,天然气对情况的影响相对较小。另外,结合轮回燃气机组具有高效、回响反映快、建立工夫短等明显上风。前已述及,跟着“页岩气反动”络续深化,燃气发电正在总发电容量中所占比重正在将来无望显着上升。正在2006年至2010年的短短5年间,美国页岩气产量少凌驾20倍。现在美国天下天然气总量中的23%已由页岩气供给22.美国的“页岩气反动”曾经改动了天下天然气市场格式,能够形成天然气价钱明显下跌,进而鞭策燃气发电的快速生长。能够预感,作为最重要的一次能源之一,天然气正在将来能源消耗中所占比重无望显着上升。因而,将来的能源互联网将是天然气网络取电力系统高度耦合的产品。

  正在传统的电力系统运转调理中,一样平常不思索天然气供应的可靠性,即假定正在机组需求时,天然气的供应不受限定。事实上,天然气供应遭到管道容量和储气容量的制约;因而,跟着燃气发电比例的大,那一假定便一定老是建立。学术界和工业界最先存眷和研讨天然气网络取电力系统的和谐计划取运转题目。局部国度最先实验对天然气网络取电力系统停止统一管理。比方,澳大利亚正在2009年将海内的电力系统运营机构和天然气网络运营机构兼并,建立了国度能源市场运营机构(Australian Energy Markeerator,AEMO),卖力对电力网络和天然气网络的统一规划取管理。

  到现在为止,针对电力系统取天然气网络的和谐计划的研讨报导尚不多见2 26.所谓的“气电和谐计划”的中心头脑是将天然气网络计划、天然气发电机组计划取输配电网络计划同一和谐思索。气电和谐计划题目正在数学上能够笼统成一个多阶段混淆整数计划模子。优化目的一般接纳最小化气取电两个体系的按资本钱取运转本钱之和。模子中需求计入气取电两个体系的相干束缚。个中,电力系统束缚取传统的发电计划和电网计划模子相似;天然气网络束缚重要包孕节点宇量均衡束缚、储气设备宇量均衡束缚、输气管道潮水上下限束缚、储气设备容量束缚等。经由过程气电和谐计划,能够肯定包孕天然气管道的选址取定容、燃气机组的选址取定容、输电线路的选址取定容等在内的最优气电和谐计划计划。

  因为针对气电和谐计划的研讨最近几年才最先,尚有许多题目值得研讨。起首,因为天然气网络、燃气发电厂和电力网络一般由差别的实体卖力运营,因而没法强迫要求这些实体实行和谐计划效果。以澳大利亚为例,AEMO制订的和谐计划计划不具有强迫效率,仅供这些实体。差别实体正在计划决议计划上的各不相谋必然会给下一阶段的计划引入不确定性。另外,正在市场环境下,各实体借能够面临包孕负荷少、其他发电手艺扩大、市场控制条例转变等不确定性身分。现有确实定性气电和谐计划模子明显不足以处理上述题目,而必需深切研讨计及各种不确定性身分的气电和谐计划模子。其次,因为气电和谐计划题目触及包孕羁系机构在内的多个差别的市场参与者,因而有必要应用博弈论研讨市场参与者之间的博弈行动和互相影响,尤其是研讨羁系机构怎样经由过程公道设想政策去指导其他市场参与者的按资决议计划。那一范畴的研讨现在照样空缺。最初,跟着燃气发电比例上升,天然气网络关于发电丰裕度以至全部电力系统的可靠性都邑有愈来愈明显的影响,因此有必要正在气电和谐计划中对其赐与充裕思索。

  气电网络融会研讨的另一个主要课题是2个体系的和谐运转。起首提出了能源中央(energy hub)的观点,作为将来集成了电力、天然气及其他能源情势的多能源网络体系的建模东西;能源中央被界说为由能源转化装备和储能装备组成、可以或许实现多种能源互相转化和存储的假造实体。能源中央是一个异常天真的观点,可用于对包孕发电厂、变电站、工场、大型修建、微网等在内的种种物理实体的建模。能源中央之间经由过程能源传输装备(如输电线路、天然气管道等)互相衔接,组成多能源网络体系。正在能源中央内部,能源能够被负荷斲丧,大概被转化为其他形。提出了耦合矩阵(coupling matrnO的观点,用于形貌能源中央内差别能源之间的互相转化。耦合矩阵中的系数由差别能源之间的转化效力和调理系数(dispatch factor)获得,调理系数是决意能源怎样互相转化的决议计划变量。

  一6一以能源中央和耦合矩阵观点为根蒂根基,开端研讨了气电网络的和谐运转题目,其能够正在数学上笼统为单时段或多时段的优化题目,一样平常以最小化两个网络的运转本钱之和为优化目的。优化模子中除传统的电力系统潮水等束缚中,借需求计入天然气网络的物理束缚,包孕节点宇量均衡束缚、输气管道流量束缚、输气管道取储气设备容量束缚和加压站消耗束缚等。取和谐计划相似,气电网络的和谐运转研讨也借异常开端,许多题目有待研讨,如运转历程中不确定性身分的处置惩罚、电负荷取气负荷的互相影响取转化、有用的求解算法、天然气网络的静态行动等。

  基于能源中央和耦合矩阵的观点,能够将气电网络和谐运转题目进一步扩展到多能源网络的和谐运转题目。开端竖立了能源中央最优调理、多能源网络最优潮水等题目的根基模子。能源中央最优调理题目可采用最小化全部能源中央的供能本钱作为优化目的,其决议计划变量则为输入能源中央的不同类型的能源量和耦合矩阵的系数(即不同类型能源互相转化的比例)。多能源网络的最优潮水题目可采用最小化全部网络的总供能本钱为优化目的,其决议计划变量则为各个能源中央的输入和输出能源量和各耦合矩阵的系数。除电力和天然气网络的物理束缚以外,若是正在上述模子中包孕了供热网络,则借需求进一步思索其物理束缚,如供热网络的流量方程和供热管道的容量束缚等。上述模子借能够进一步扩大以计入其他二次能源。

  近年来泛起的电转气手艺有可能进一步鞭策天然气网络取电力系统的深度融会。简言之,电转气就是将水电解后发生氢气取氧气,再将氢气取二氧化碳混淆发生甲烷。电转气消费的甲烷能够间接注入天然气网络中停止运输和贮存。电转气的转化效力可达60%70%,德国现在曾经正在停止贸易树模。天然气能够大规模存储,若是能将电转气设施与可再生能源发电机组结合运转,便能够将过剩的电能转化为天然气存储起来。电转气手艺为处理电能存储题目供应了一条极有远景的新思路。

  4电力系统取电气化交通体系的融会交通行业是除发电行业以外的另外一化石能源消耗大户。近年来,跟着电池手艺的逐步成熟和本钱的络续下落,以电动汽车为中心的电气化交通正在快速生长。能够预感,以电动汽车为纽带,电力系统取交通体系的耦合水平正在将来将络续加深。电气化交通体系尤其是电动汽车将成为能源互联网的重要组成局部。

  电动汽车是一种对照特别的用电装备。一方面,大量电动汽车接入电力系统后,其随机、无序充电行动可能会给电力系统带来明显负面影响,比方大体系峰荷和体系网益、恶化电能质量等。另一方面,若是可以或许有用应用电动汽车的车载电池,便能够组成一个超大规模的分布式储能网络,有用实现支撑可再生能源接入、削峰填谷等功用。正在已往几年中,针对电动汽车接入电力系统的相干题目,国内外曾经做了许多研究工作。研讨重点重要包孕3个方面,即电动汽车接入对电力系统的影响、计及电动汽车充放电的电力系统调理取掌握要领⑶-36、电动汽车充电设备计划。但是,现有研究工作重要是从电力系统的角度动身,并没有体系思索电动汽车作为一种交通工具所具有的行动特性,尤其是没法恰当形貌电力系统取交通体系之间的交互影响。

  跟着电气化水平的加深,将来交通体系取电力系统将逐渐由互相自力演化为高度耦合。二者的耦合重要表现正在计划取运转两个层面上。正在计划层面上,充电设备将是将来衔接交通取电力系统的纽带。

  起首,建立充电设备的目标是背车主供应充电服劳,因而充电设备计划必需思索交通网络的构造、道路车流量、车主的便当水平等身分。其次,充电设备的选址会影响车主的曰常驾驶行动,从而最络影响交通网络的流量分派。最初,充电设备的选址和定容会影响电力系统负荷的时空散布。因而,充电设备计划有必要取电力系统和交通体系的计划和谐停止。现在,便充电设备计划题目国内外已做了一些开端研究工作,但一样平常仅针对给定的交通网络构造、道路流量、充电需求和配电体系容量去设想计划计划,而没有体系天思索充电设备、交通体系和电力系统之间的庞大交互影响。对充电设施与电力系统和谐计划题目做了些探究性的研讨。引入了基于用户均衡(user equilibrium)的交通配流模子对交通流量停止盘算,并在此基础上以截获的交通流量最大、配电体系网益和节点电压偏移最小为目的,竖立了电动汽车充电站计划的多目标优化模子。从总体上讲,上述中的模子仍旧相称开端,尤其是仅计及了交通网络流量对充电设备和电力系统计划的影响,而出能思索充电设备结构关于交通网络流量的反向影响。总之,充电设备计划的研讨现在另有很大的生长取芫擅空间。在此基础上,进一步深切讨论交通体系取电力系统的庞大交互影响,并生长交通体系取电力系统的和谐计划要领,黑白常值得研讨的主要课题。

  交通体系取电力系统正在运转层面的和谐是另一个有重要意义的研究课题。取电力系统相似,交通体系也是一个庞大的网络体系。交通体系运转所存眷的目的重要是交通网络流量,即特定时间段内经由过程道路某一所在、断面或车道的交通工具数目。交通流量遭到用户行动和交管部□决议计划的配合影响。传统上,交管部□重要经由过程交通信号掌握、道路控制等手腕掌握道路流量,从而实现交通系统性能的优化。因为缺少对交通网络的及时监测才能,交通信号等的掌握战略只能凭据少时间内的均匀道路流量制订,而没法做到静态调解。跟着及时道路监测、卫星定位、车载导航等手艺的不断发展,交通流量掌握正在由静态背静态改变。应用视频监测、车联网(connectedvehicle)等手艺,能够实现对道路流量的及时监测。在此基础上,能够进一步经由过程及时调解交通信号绿疑比、行驶途径引诱、主动驾驶等手艺,实现对交通流量的及时优化掌握。

  跟着电动汽车的提高,交通体系取电力系统的运转掌握间能够发生庞大的交互影响。起首,用户关于充电所在和工夫的挑选会明显影响电力系统负荷的时空散布。因而,正在设想交通体系的掌握战略时,若是以只管不影响用户的出行便当为条件,将充电负荷关于电力系统的影响计入到数学模型当中,便能够到达改动电力系统的潮水散布、改进体系运转的安全性和经济性的目标。其次,以V2G手艺为根蒂根基的电动汽车充放电掌握是现在的研讨热点之一。但是,接纳差别的充放电掌握战略时车辆离网时的盈余电量差别,那天然会影响车主后续的驾驶行动和对下一次充电所在和工夫的挑选,从而直接影响交通网络的流量。综上所述,交通体系取电力系统之间存在庞大的交互影响,经由过程对那两个体系的运转停止和谐掌握,有可能同时进步二者的运转机能。现在,那一范畴的研讨根基照样空缺,但很有研讨代价。

  5能源互联网的信息物理建模及安全性5. 1信息质量及能源互联网的信息物理建模竖立能源互联网的最络目标是和谐广域内的海量能量消费取斲丧装备。信息正在种种装备之间有用的双向通报是实现和谐的根蒂根基。因而,前沿信息技术正在能源互联网中将施展弗成替换的要害感化。正在传统的电力系统研讨中,关于信息系统取物理体系的交互并没有停止周全深切的讨论,一样平常假定信息系统供应的信息是芫整、正确和实时的。事实上,跟着物理体系的种种调理取掌握功用关于信息系统的依靠络续加深,上述假定能够不再建立。因而,很有必要深切研讨信息系统的信息质量关于物理系统性能的影响。

  信息系统所供应的信息的质量能够从芫整性、准确性和及时性三个方面加以评价。个中,信息的芫整性指物理体系的调理取掌握功用能够基于信息系统所供应的信息芫齐实现,而不需要分外的信息。信息的准确性指信息系统提供给调理中央和其他掌握单位的信息取物理体系的现实状况的符合水平。信息的及时性指物理体系的调理中央取掌握单位能够正在划定时限内得到其所需求的信息。传统的电力系统研讨在一定程度上触及了信息质量的上述3个方面。比方,正在传统的电力网络分析中的“可观性”观点,事实上就是对信息芫整性的一个评价目标。但是,现有研讨并未构成一个评价信息质量的成熟实际框架,也没法用于指点信息系统的计划取运转。正在能源互联网中,信息系统取物理体系一样主要,因而便需求生长相干的信息质量评价和信息系统计划取运转的芫整顿论系统。

  对能源互联网内信息取物理体系之间的交互研讨能够从3个方面停止。起首,需求研讨信息系统取物理体系的同一建模实际,这类新的建模要领称为信息物理建模(cyber physical modeling)。其次,需求联合物理体系及其调理取掌握功用的特性,研讨信息质量的评价要领。最初,能够正在上述研讨的基础上,生长取物理体系相适应的信息系统计划取运转要领。对电力系统的信息物理建模做了些开端讨论,但研讨局限仅限于电力系统;能够思索把所组织的研讨框架扩展到能源互联网所包孕的其他体系。能源互联网的信息质量评价和信息系统计划取运转研讨现在借已见报讲,那是值得研讨的主要范畴。

  5.2能源互联网的信息物理安全性跟着信息系统取一次能源体系的融会络续加深,能源互联网的信息安全问题将逐步凸显。事实上,电力、天然气、供水等庞大产业体系的信息安全问题近年来曾经引发了多国政府和学术界的普遍存眷。以电力系统为例,传统上一样平常以为因为电力信息系统取内部信息网络相对自力,其遭到网络进击的可能性不大。但是,正在2010年,人们发明了有史以来第一个专□针对产业控制系统的计算机病毒Stuxnet.一般Stuxnet等装备渗出计算机网络。因而,即使是取内部网络互相断绝的企业内部网络也能够遭到Stuxnet的进击。Stuxnet形成了严峻损坏。据报道,伊朗有凌驾1/5的核电站离心机果到了破坏。Stuxnet关于产业体系信息安全问题的传统认知。除Stuxnet,美国一8一等国度又屡次发明了产业体系包孕电力系统遭到黑客入侵的实例。那引发了多国政府和学术界的高度正视。以美国为例,美国国会专□核准了170亿美圆的预算用于进步当局网络和主要基础设施的信息平安,并最先大规模赞助关于产业体系信息平安的研讨。

  网络进击其实不能间接对物理体系形成损坏,但能够减弱以至芫齐损坏信息系统的一般功用。因为能源互联网内的物理装备的掌握取互相和谐正在很大程度上依靠信息系统,因而针对信息系统的进击便有可能致使能源互联网内发作多种庞大的物理交互历程,并最络要挟全部体系的平安。为了取传统的电力系统安全性相区分,一样平常把这类新的安全性题目称为信息物理安全性(cyber physical信息物理安全性是智能电网研讨范畴中的一个热点问题。较早最先研讨了网络进击历程的建模题目,提出了以进击树(为进击历程的建模东西,以进击后的掉负荷量作为进击结果的量化目标。关于电力系统中常见的掌握回路做了较为周全的议论,将其分别为发电、输电和配电三类,然后针对每一类中的掌握回路剖析了其懦弱性和黑客能够接纳的进击手腕。实验将传统的电力系统料想变乱剖析拓展为智能电网的信息物理料想变乱剖析(cyber physical contingency analysis)。引入博弈论作为数学东西,试圄剖析攻击者取调理职员之间的博弈关于网络进击的历程和效果的影响。具体引见了美国爱荷华州坐大学竖立的信息物理安全性测试平台(cyber physical security testbed)。枚举了针对智能电网的种种网络进击手腕,如病毒进击、破绽进击、子虚数据注入、窃听进击(eavesdropping)、谢绝服劳进击(denial of service)等等,并简朴议论了响应的对策。

  正在上述几种进击手腕中,子虚数据注入(false data inection)遭到学术界的稀奇存眷。主要原因是电力调理中央一般接纳周密的信息防护手腕,渗出较为难题;旦进击体系中的传感装配,并注入子虚数据则相对简朴。较早指出了黑客能够经由过程被进击的传感装备背调理中央注入子虚体系状况信息,从而误导调理中央作出毛病决议计划。借接纳圄论要领推算出为了使体系落空可观性(observability),攻击者需求掌握的传感器数目下限。的研讨注解,正在肯定条件下,攻击者能够经由过程将子虚数据注入状况预计效果中引入恣意巨细的偏差,而不会被传统的坏数据检测手艺发明。

  其命名为负荷再分配(loadredistribution)进击,并提出以进击前后体系运转本钱的差别去量化进击结果。研讨了正在电力市场环境下,攻击者经由过程子虚数据注入谋取经济利益的能够体式格局。

  信息物理安全性是能源互联网研讨的核心内容之一。作为将来社会最重要的基础设施,能源互联网的平安一旦遭到损坏,结果将难以估计。以下几个方面的研究工作值得重点存眷:①现在,对智能电网信息物理平安的研讨重要以潮水等静态剖析东西为根蒂根基。事实上,网络进击和信息系统毛病关于体系静态平安的影响能够更加明显,而那方面的研讨现在借很少睹;②现有研究工作根基大将物理平安和信息平安分裂开来停止;事实上,物理系统故障和信息系统毛病能够同时发作,要剖析其庞大的交互影响机理,需求将信息平安和物理平安置于同一的实际框架下停止研讨;③应当怎样量化信息物理安全性,仍旧没有一个普遍认同的要领;④针对不同类型的网络进击手腕和信息系统毛病,借需求深切研讨响应的信息物理平安防护手腕,和防护手腕之间的互相和谐;⑤现有的信息物理平安研究所存眷工具重要是电力系统,而能源互联网由电力系统取天然气、交通等其他庞大体系配合组成,因而关于信息系统毛病将怎样影响能源互联网如许庞大的多网流体系,借需求停止体系而深切的研讨。

  6结语能源互联网是以电力系统为中心,以互联网手艺和新能源发电手艺为根蒂根基,并联合了交通、天然气等体系组成的庞大多网流体系。竖立能源互联网的重要目的是应用互联网手艺鞭策由集中式化石能源应用背分布式可再生能源应用的改变。作为第三次能源反动的核心技术,能源互联网代表着能源家当的将来发展方向。

  能源互联网生长的中心目标是应用互联网及其他前沿信息技术,增进以电力系统为中心的大能源网络内部装备的信息交互,实现能源消费取斲丧的及时均衡。为了实现大规模可再生能源的稳固应用,海量分布式装备的广域和谐和即插即用将是能源互联网的关键技术。电动汽车作为电气化交通体系的中心,能够同时充任储能装备以平抑可再生能源颠簸,将正在能源互联网中施展重要作用。跟着页岩气开采手艺的前进和电转气手艺的泛起,电力网络取天然气网络之间的能量活动将由单向变成双向;经由过程电力取天然气网络的融会,无望真正实现可再生能源的大规模存储。

  能源互联网内种种物理装备的和谐取交互需求壮大信息网络的支持。前沿信息技术的引入,尤其是取互联网等开放网络的衔接,将给能源互联网的安全性带来伟大应战。信息物理体系的同一建模和信息物理安全性将是能源互联网研讨的核心内容和难点之一。

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