基于综合智慧能源站的能源互联网研究

刘梓洪，邵 祥，彭 响，刘 钦

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

社会的现代化进程需要能源产业持续发展，而能源发展需要不断创新与变革，走绿色低碳道路，这样才有利于实现“碳达峰、碳中和”目标[1,2]。电力系统结构优化是目前能源产业变革的重点之一，为此中外学者不断进行研究与探索，2012年美国学者里夫金基提出能源互联网（Energy Internet，EI）的概念，旨在将智能电网与信息通信技术（Information and Communications Technology，ICT）相结合，利用互联网开放互联的特性，充分整合分布式可再生能源（Distributed Renewable Energy Resource，DRER）、分布式储能（Distributed Energy Storage，DES）等资源，并形成大规模能源网，通过信息通信等手段促进可再生清洁能源的消纳，最终实现新能源规模化发展及缓解环境污染，减少碳排放[3-6]。

研究发现，能源互联网与信息互联网的用户都需要交互，区别在于一个交互信息流，一个交互能量流。信息互联网中的一个重要组件是分组路由器，它是信息传输的重要节点，同样能源互联网中也需要能量路由器（Energy Router，ER）来管理电力传输和分配[7]。因此北卡罗纳大学团队基于能源互联网互联交互的特点，提出以能量路由器管理电力传输与分配，实现能量流动态调整[8]。但其研究重点在于10 kV配网侧能源分配，不适用于中国大规模电力系统。

本文结合全国范围内大量存在的35 kV、110 kV以及220 kV变电站，深入挖掘其电能传输和分配的枢纽功能，结合大智云移物链等现代ICT技术，进一步开发变电站站址资源、土地资源、电源容量、通信网络资源、拓展功能应用，融合智能变电站、储能站、数据中心站、智能充电站、光伏发电站、风力发电站以及5G微基站等多种元素，提出将新型综合智慧能源站（Integrated Smart Energy Station，ISES）作为能源互联网中能量路由器[9,10]。以ISES智慧互联和电能枢纽的特点，促进电网能量流动态调整，实现电力设备间实时通信，规模化开发DRER，着实解决能源互联网开放互联的需求和传统电力系统封闭运行的矛盾。

本文首先结合ISES自身特点分析了作为能量路由器在能源互联网中的功能需要；其次从电力系统及互联网系统两方面详细研究了ISES的框架结构与组成模块，提出映射于信息路由器的相应功能；再次进一步提出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综合能源站示范项目为例，仿真验证了所提出的框架结构及控制算法的有效性[11]。

1 综合智慧能源站介绍

作为电力系统及信息通信技术飞速发展的新一代演进，能源互联网的终极宗旨是供给侧充分开发利用清洁的分布式能源，消费侧提高能源利用效率，同时着实降低碳排放量，最终实现能源供给的可持续发展[12]。其中，ISES作为能量路由器理论上能够着实赋能能源互联网，提高其灵活型与稳定性。

如图1所示为ISES在能源互联网系统中的物理结构图。其承载着发电厂、输电线路以及用户间的枢纽作用，与传统变电站的区别是ISES在有限的空间资源内采用多源融合的思想，集成光伏、风机、储能仓等分布式能源及分布式储能设备，同时也提供电动车充电、5G基站运营等多项民生服务，并且进一步综合利用先进的“大云物移智链”技术，以变电站这一电力系统中的枢纽环节为节点，深化能源互联网发展[13]。

图1 综合智慧能源站在能源互联网中的物理结构

结合传统变电站的功能，归纳并提出ISES在能源互联网体系中主要功能如下。

（1）集成分布式能源：利用ISES的站址资源，充分融合太阳能光伏板、风力发电机等设备，并与变电站内站用变负载、电动车充电桩等连接。当供电超过本地负载时可并网售电，而当因天气等原因导致分布式电源发电量不足时，由电网通过ISES进行供电。

（2）传输调度：作为电力系统中的重要枢纽，变电站的本职任务也是电网中最重要的功能，即负责电压等级变换。同时随着ICT技术的发展，ISES管理着分布式能源的发电情况并动态调度电能。

（3）动态配置：能源互联网可以通过ISES追踪用户侧需求响应，制定相应的实时能量配置方案，实现电能分布动态平衡。

（4）市场运营：ISES通过采集分布式能源、分布式储能、一次设备以及二次设备等运行状态以及不同用户需求响应，制定最合理的运行策略，同时与其他ISES系统进行电力信息交互，促进并保证电力市场平稳运行。

（5）跨领域服务：ISES融合了5G基站和数据中心站等其他领域的设施，并通过分布式能源与储能对其进行稳定的供电服务，同时也可共享客户信息。

（6）节能减碳：能源互联网的一大主要目标是减少碳排放量，而ISES可模块化开发分布式能源，同时兼顾这些清洁能源的消纳与调度，再通过其自身智能互联的特性可着实减少电力系统中电能在传输，分配时产生的浪费。

（7）开放互联：传统电力系统主要还是封闭式运行方式，而ISES通过其自身的信息物理融合，在一定程度上加强了能源互联网的开放互联程度。

通过讨论ISES的功能需要，可以发现其最主要的功能之一是将分布式能源、储能以及负载等组成小型微电网。这些组件即可通过综合能源站进行能源服务对话，如光伏上线（发电）、下线（脱机）、错误报告等，同时可将其与电网连接或断开，在并网或孤岛模式下运行，实现能量流转或保护的作用。以典型的运行场景举例，晴朗的白天，光伏发送发电请求，能量路由器检查负载需求和分布式储能设备的能量容量，光伏开始供电，晚上光伏向ISES控制终端发送服务终止消息，断开连接停止发电。此时负载需求增加，ISES通知分布式储能仓设备启动能量供应。深夜风大，负载减少，风机发送供电请求，ISES检查负载与储能，发现负载需要小于发电量，则开始为储能仓充电。

2 综合智慧能源站系统结构

本文以某110 kV变电站为例，综合智慧能源站一级结构示意如图2所示，其中各级变压器、母线以及断路器的核心功能是将输电线路上的高压电转换成各级低压交流电，同时承担能量路由器物理底层的角色。集成在交流380 V母线及直流750 V母线的电力电子设备、通信设备以及信息采集设备，构成了物理底层与上层控制间的纽带，主要功能是交流-直流、直流-交流、直流-直流间电能形式变换，设备间、能量路由器间的信息采集与通信。另外还有分布式智能模块（Distributed Grid Intelligence，DGI）集成在各级变压器、逆变器、分布式能源、储能等设备的控制器中，该模块通过组合分析二次模块收集的信息做出响应的控制策略，以保证微电网稳定正确运行及电能质量的管理，如光伏的接入与断开、储能的充电与放电等。同时ISES也通过该模块推进电力信息物理融合，推进能源互联网开放互联的宗旨[14]。

图2 综合智慧能源站一级结构示意图

类比传统信息互联网工作模式，可以发现能源物联网想要做到开放互联离不开以下3项关键技术。一是即插即用接口，如RJ45以太网接口；二是将信息路由到正确位置的信息路由器；三是开放标准操作系统，如TCP/IP和HTML。

而传统电力系统中并无类似功能，如果ISES作为能源互联网的重要节点，则能提供类似的功能，大大促进能源互联网的开放互联。因此考虑将ISES连接线路输电、工业用户以及住宅用户，构建如图3所示的ISES二级结构图以实现上述技术。主要包括各电压等级交流母线、750 V直流母线、母线上各类分布式可再生能源（Distributed Renewable Energy Resource，DRER）、分布式储能（Distributed Energy Storage，DES）以及负载，同时集成了智慧能量管理（Intelligent Energy Management，IEM）模块、智能故障管理（Intelligent Fault Management，IFM）模块、分布式智能（Distributed Grid Intelligence，DGI）模块以及通信模块。

图3 综合智慧能源站二级结构示意

与传统变电站相比，图3中的ISES结构主要增加了750 V直流母线所连接的DRER和DES、IEM设备、IFM设备以及DGI模块等4个新的内容，与最常见的互联网终端电脑比较，形象的表述如下。

（1）第一个典型区别在于其750 V直流母线及220 V交流母线增加了大量分布式能源、分布式储能以及负载等，并且这些终端由于自身特性需要频繁的接入与断开，如光伏有阳光时发电、无阳光时断开。因此需要类似于电脑上即插即用的通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）通信接口，使得能源站中任何设备在接入后可以立即被系统识别，并描述接入设备状态特征，同时接收上层工作指令。

（2）第二个区别在于ISES增加了IEM设备，其连接各级交直流母线，通过USB能够识别管理所有接入到母线的设备，如DES和DRER，包括所有设备的状态监控和数据收集，为每个设备提供控制命令。对于DES，可控制其充放电状态与充放电速率等；对于DRER，可根据其运行状态控制并断网并响应其自身控制算法，如光伏的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法；对于负载，可调节其功率，以保证重要负载稳定供电。

（3）第三区别在于增加了IFM设备，正如信息互联网的发展伴随着网络攻击和故障，能源互联网也必然会出现类似问题。因此在ISES中，需要类似的IFM设备，主要功能是隔离高压进线侧各种外部潜在的风险，如个人计算机中防火墙，以免受到外部病毒（故障）引起自身系统不稳定。诊断各级母线上多种设备是否正确稳定运行，一旦发现问题及时隔离故障并报警修复，防止系统奔溃解列，并在受到故障影响后重新配置系统。因为电力系统中细小的波动经过一系列链式反应后可能会产生较大影响，因此IFM也管理着ISES中电能质量环节。

（4）第四点区别在于需要一个类似于计算机中的CPU来实现ISES大量信息分析处理，如指令制定、ISES间通信以及信息共享，以达到真正意义上的电力信息物理融合。在ISES中称之为DGI模块，该模块可集成在IEM和IFM中，将物理特性与信息流相互耦合。因此在未来发展出类似信息互联网的基于软件和多平台的开源统一标准（如www协议）来实现DGI将会大大促进电力信息物理融合的进程，推动能源互联网飞速发展。

3 .智能化研究

3.1 DGI实现

ISES系统中最具挑战性的问题是如何以分布式控制实现所有设备的稳定运行状态，而上节提到的IEM和IFM模块则需要通过集成于其中的DGI模块来实现对分布式设备的控制。DGI正如计算机系统中的CPU，管理ISES内运行需求，并与其他能源站枢纽协调，从而对能源互联网发展做出贡献。DGI多层信息物理融合如图4所示，左侧表示ISES的多层控制，右侧表示系统中的多个IEM。通过上文分析可以得出，DGI在实现分布式能源及故障管理的同时，推进了系统的信息物理融合。因此以综合智慧能源站为节点的电力信息物理深度融合是目前研究工作的一大挑战[15]。

图4 DGI多层信息物理融合

3.2 控制策略

与传统变电站相比，ISES融合更多分布式及智能模块，而且每个模块的运行策略又不尽相同，因此导致控制系统也更为复杂。参考七层模型（Open System Interconnection，OSI）可分为如图5所示的多层ISES的控制系统。最底层为物理层，主要包括分布式电源、分布式储能、负载以及油机等设备，物理层级需要解决的问题是要实现IEM模块对分布式资源的识别和控制，具体是IEM通过通信接口识别多类型设备，该接口必须支持双向通信和功率流，并在添加或断开设备时无缝运行。

图5 多层ISES控制系统示意图

倒数第二层为数据链路层，主要由二次设备、各级变压器及通信链路组成，用于调节低压交直流母线电压和频率，提供有功功率、无功功率以响应电网需求，同时也负责系统电能质量管理及谐波治理工作，能够针对不同运行场景，如孤岛、并网以及光伏最大化利用率实时调节负载供电方式。第二层为传输层，该控制层站在系统的角度，集成了分布式智能管理设备，统筹多模块的运行需求，最终得到每个设备正常运行状态。第一层为应用层，其中多个综合能源站协调接入能源互联网系统，实现前文所提全面促进能源互联网开放互联发展的功能。

以上4层控制主要通过IEM模块及IFM模块来实现，IEM模块负责最大效率使用分布式能源、分布式储能，减少综合能源站运营成本，调节系统关键参数，同时降低线路与设备的电能损耗以减少碳排放，IFM模块负责隔离ISES系统外部母线各种潜在故障风险。

考虑到综合能源站内的受控对象是一组独立的物理设备，并且每个设备的最优化目标可能相互矛盾，因此本文提出基于Paxos算法的分布式控制策略，根据本地信息为每个可控设备设置标称工作点，具体工作流程如图6所示。本地设备1（光伏）向IEM1～3发送其状态信息，3个控制器收到光伏状态，由于之前并未收到其他设备的信息，因此将光伏状态信息保存避免丢失，同时回复光伏，内容为“收到”。光伏至少收到两条“收到”返回信息后，再次发出信息，内容为“状态1，申请发电”。3个控制器收到信息后保存第二次内容，并相互协商，通过传感器确认此时天气状况。若气象条件符合光伏发电，便将“接受”决策信息传回光伏，光伏收到至少两条“接受”信息，确认申请通过。此时储能发起状态信息，3个控制器收到后保存，但由于之前已经确定光伏发电的申请，因此回复储能“状态1，（光伏）申请发电”，当储能收到至少两条来自控制器的此消息，则不再提出新的申请，接受光伏发电的运行策略。

图6 基于Paxos的分布式控制流程

另外，为维持ISES系统的稳定性和可靠性，需要IFM进行故障识别定位以及故障重合闸。传统故障协调方法是基于不同故障电流大小而设置不同位置保护和跳闸的保护定值，但ISES系统为网络结构，系统中分布式能源、变压器、交直流母线保护间可能存在故障电流故障协调问题，因此需要更加智能的故障协调和重合闸功能。为提高故障识别精确度，可考虑使用基于变化率而非故障电流幅值的故障检测方法。

4 实验与仿真

DGI最主要的功能是基于一致性算法实现分布式能源总供需平衡，多个DGI通过相互间通信进行信息交互与协商，通过集成在IEM模块中的微控制器满足分布式负载平衡。

以某市110 kV综合智慧能源站示范项目为基础，光伏装机容量为333.84 kW，风机装机容量为300 kW，储能仓容量为400 kW。以20 h为仿真时长，观测变电站整体及多个IEM节点的负载功率、分布式能源功率以及储能仓状态等数据。DGI的优化目标是优先使用分布式电源发出的电能供给本地负载，多余发电量给储能仓充电。当其中一个IEM模块中分布式电源发电量不够时，调度其他IEM中多余的发电量，而不使用储能仓中的电能，同时根据实时情况制定适当的分布式控制策略。

全站在仿真时间内功率变化情况如图7所示，可以直观地看到输出功率曲线跟随负载功率进行波动，但是在大约9～15 h内输出功率曲线有小幅波动。

图7 全站功率图

图8 为IEM1模块的储能、负载、输出功率示意图，其中储能输出功率曲线一直为零，输出功率曲线几乎与负载功率重合，表示该模块中分布式储能未出力，输出功率完全能带动负载。

图8 IEM1模块的储能、负载、输出功率示意

图9 为IEM2模块相应功率曲线，其中储能功率曲线先向负向波动，约在15 h恢复为0。光伏功率曲线在5～15 h内约为20 kW，输出功率在5 h左右开始波动，15 h左右与负载功率重合。说明该IEM2模块在5～15 h光伏开始发电，向负载供电，多余电量向IEM2管理的分布式储能充电，再多余的电量则是向IEM1模块供电。

图9 IEM2模块相应功率曲线

整体ISES系统运行状态为IEM2光伏处于并网发电状态，为负载供电并向储能仓充电，同时IEM1中没有使用储能仓中电能，而是从IEM2中调度多余的光伏发电量供给IEM1中本地负载，而不是由本地储能输出功率，在满足负载功率时最大限度减少损耗，降低碳排放量。

5 结 论

本文描述了综合智慧能源站作为能源互联网体系中的能量路由器的框架体系，所提出的ISES系统将ICT技术与变电站有机结合，并从信息互联网角度思考，智能化促进清洁能源的规模化开发及消纳，缓解化石能源紧缺危机，并减少碳排放，推进我国双碳政策实施。

在此基础上，本文提出的DGI模块在实现分布式能源协同及故障管理的同时，很大程度上推进电力系统的信息物理融合进程，非常值得继续深入研究。另外考虑到各电压等级的变电站数量巨大，其本体低碳建设及绿色运行也是后续研究重点。随着能源互联网体系越发庞大，IFM的运行机制及相应的算法研究也将是将来重点领域。