10.23 能源互联网中的关键技术

现阶段可再生能源供应有很强的随机性、间断性和模糊性，成功并入电网并用其他形式高效利用存在很多技术上的难题；其次，对于能源互联网的建立，不仅要解决能源的高成本传输，以及能量输送损耗问题，还要对于能源互联网中产生的大数据进行实时处理，来预测和监控用户的需求变化，以及极端不稳定的能量生产供应变化。要解决上述问题并实现具体功能，能源互联网需要相应的技术体支撑。笔者认为，能源互联网的关键技术可以分为四个子技术，即体系架构技术、能源技术、信息通信技术和安全技术。

体系架构技术
相比于传统的智能电网，能源互联网是由智能通信、智能电网、智能交通等多种智能网络组成的复杂系统，同时还要支持大规模分布式的能源终端设备的即插即入，包括大规模分布式可再生能源设备（如发电、供热设备）、分布式存储设备，通过不同的能量接口、能量转换器和能源路由器，结合智能能源的配电和管理技术，综合优化控制决策系统支持技术，实现安全、可靠、高效、经济和智能的设备，以及能源和信息的访问控制，因此需要用系统和体系的思想进行顶层谋划。

美 国 的 未 来 可 再 生 电 力 能 源 传 输 与 管 理（FREEDM） [4] 系统是一个高效的能源互联网架构，集成了高可扩展性和分布式可替代的发电与能源存储设备，以构建一个基于绿色能源的工业及社会体系。该系统主要基于广域范围的分布式可再生能源（DRERs）和分布式能源存储设备（DRERs）。多种模块化的分布式可再生能源配有标准化的即插即入接口，因此可以在用户端实现能源资源的配置响应。同时，分布式能源存储设备可以与分布式可再生能源相互补充，共同提高能源互联网中的能源利用率。加利福尼亚大学伯克利分校的研究团队提出了以信息为中心的能源网络架构，该架构将智能通信协议与电能传输相结合，整个能源网络被分割成若干个能源子网，子网内部各个部分通过智能电源开关 IPS 的接口进行交互，各个子网内部的具体能源供需数据在能源和负荷间传输，以便更好地感知负荷端的用电量和负荷状况，并使之更准确地匹配到合适的电源和负荷，充分利用电网中的可再生能源，避免能源系统的过度超量配置。日本财团认为，传统的电网体系是由中央控制的同步电网，当引入各种可再生能源后，会增加电网系统的波动变得难以处理。因此提出了一种分散控制的分布式数字电网[5] ，将目前的同步电网细分成异步、自主又相互联系的不同大小的电网。该架构建立于互联网基础之上，使得各种电网中的能源终端通过相应的 IP 地址进行信息通信和能源传输。此外，还有学者侧重于用物联网的技术体系构建能源互联网，即是将物联网通信架构与分布式智能电网管理技术相结合，基于 IP 网络的协调效应可以充分调用多种信息和通信技术，M2M 技术减轻了核心网络的高通信负担，点对点通信使得能源市场更加开放对等。

能源技术
能源技术主要包括从能源生产到传输、储能、调配和使用等关键环节的支撑技术。其中能源生产技术中以分布式可再生能源为主，辅以清洁高效的传统能源技术，探索未来新兴能源技术；降低传输损耗、延长传输距离是保障能源互联网未来稳定运行的关键支撑技术；储能技术为能源稳定供应提供保障；调配技术是实现能源互联的核心环节，实现能源高效合理的自由流动；能源使用技术则将实现用能信息收集、分析、反馈与预判断，对于稳定能源传输提供必要的信息支持。

其中，能源路由器作为能源互联网中能量交换的关键枢纽，可以根据信息流完成对能量流的控制。美国的未来可再生电力能源传输与管理项目最先提出了能源路由器的概念，并在文献 [6] 中指出能源路由器的两大主要功能：① 能量流的动态调整；②电力设备间的实时通信。 然而，能源路由器至今尚未在学术上有一个明确的统一定义，国内外各个研究团队都针对自己的项目设计出相关的能源路由器。瑞士联网理工学院研究团队[7]设计将能源路由器分为能源集线器和能源内部互联器两种形式来作为各种能源基础设施与负载之间的接口。该团队主要研究多个能源载体之间的转换、监控和存储，将多种发电端，如电能、天然气、热能与负载相连接，可以提高供电段的可靠性和负载端的高可用性。能源内部互联器主要用来把电能、天然气和热能进行集成传输，使得电能和天然气的传输可以同时进行，大大提高了多种能量传输的效率。

美国的未来可再生电力能源传输与管理项目中的能源路由器包含电力电子模块、通信模块和分布式的智能网格模块三个核心模块。电力电子模块支持电压转换和即插即用两大功能，一系列的子变压器可以为各种能源终端提供不同电压端口。分布式的智能网格模块结合了固态变压控制器，并利用从通信模块获取到的每个能源路由器的状态信息，进行能源发电和配电管理的智能化决策。相比于基于固态变压器的能源路由器，基于多端口转换器的能源路由器[8]具有更高的复用性和集成性。通过多端口双向转换器连接多种子系统，实现能源的供需平衡控制。不同于基于多端口转换器的能源路由器，基于电力线通信的能源路由器可以实现能量和信息的低成本、低容量传输。在能源传输系统中，采用时分复用技术，将报头、报尾和一部分能源整合成一个能源包，类似互联网中的数据包。每个能源包带有信息的发送者和接收者信息，能源包在发送时先进行量化，来源不同种类不同的能源包在相同的输电线路中通过时分复用技术进行传输。当能源包抵达接收方后，在负载端进行解耦，并由能源路由器分发给指定的目标。与此同时，考虑到可再生能源的间歇性和不稳定性，在基于电力线通信的能源路由器内部部署有能源存储设备以改善电能质量。将能源路由器应用到实际的电网中还需要进一步的设计和研究。例如，设计能源路由器在能源互联网中拓扑接口和制定能源路由器中的能量传输策略，可以实现能源路由器的自主控制管理和分布式网络的协调控制[9] ；采用智能优化算法设计能源路由器在网络中的安装位置，用以实现最低成本的能量流，实现能源路由器的最优配置[10] 。

信息通信技术
在能源互联网通信环境中，存在多种数据来源：① 可再生能源数据。以可再生能源为主要能源供应的能源互联网，信息系统将采集相关能源数据予以分析给出调控策略，包括实时数据与非实时数据。② 用户电能使用数据。方便快捷的能源共享是能源互联网的主要特征之一，能源互联网的信息系统不仅要处理用户的实时电能需求信息、实时电价数据、电能交易数据、即插即用、电能双向流动计量、分布式储能装置监控等信息数据；还要记录用户长期电能需求数据、用户智能家用电器使用情况和电能交易数据等，为电网用户提供多种个性化用电方案。③ 网络运行管理数据。高度数据化、智能化的能源互联网还要对物理系统进行实时监控与处理，如电力系统各节点的电流、电压、有功功率、无功功率和设备状态等信息；同时还应具备在紧急状况下的智能决策、超实时仿真和扰等识别等功能，以确保能源互联网的稳定性、可靠性、鲁棒性和安全性。

因此，信息通信技术充当中枢神经系统，对社会用能进行监管、协调和处理，是能源合理调配的前提和实现保障。在信息获取与处理方面，不仅可以采用已有的智能电网信息获取架构体系，如针对智能电表设计的高级计量架构和电力系统同步相量测量单元进行的动态信息的收集架构，还可以结合物联网相关的信息采集与传输技术，基于云计算架构和大数据处理技术进行信息挖掘。例如，在能源互联网中引入广域云和局域云的概念[11] 。广域云主要承担广域网范围上的信息共享、交换和相应的云计算服务，如能源交易和国际公共事业的电费收费等。根据可再生能源的接入规模、存储装置的容量和具体的应用环境，可以分配多个局域网云，并将能源路由器作为各个局域网云的的云节点。广域网云与局域网云之间还配备有高效的数据传输通道，当局域网云存在大量的计算负载导致数据处理效率较低时，广域云可以监控到计算资源的变化，并在每个局域网云计算任务之间建立了一个动态的平衡，有效地提高了计算资源的利用率，加快了数据处理速度。在信息通信方面，可以应用光通信、5 G、认知无线电等先进的通信技术构建电力天地互连的通信体系网络，实现广域的大空间尺度的通信网络覆盖和资源的高效灵活调度。还可以利用软件定义网络、信息中心网络等新型通信网络技术的特点和思想，支撑能源互联网的能量共享和传输。例如，新兴的软件定义网络技术可以应用于构建新的三层网络平台[12] ，在底层的基础架构层，主要包括数据流、能量流，以及各种无线接入设备（如能源路由器和虚拟交换机）；在中部的控制层，包含了基于OpenFlow 等软件定义网络控制协议，能够有效地控制在线流量，实现控制面和数据面的分离；而在顶部的应用层，主要通过应用程序接口将应用程序与控制层相连。

安全技术
由于能源互联网的分布、开放和互联等特性，必然会带来安全隐患，不仅会造成信息和经济的损失，还会危及生命安全和社会安全。传统的电网基本上是半封闭的环境，上升到能源互联网，随着大量的智能电表和智能终端的加入，双向的信息能量互动将更加频繁，传统的信息安全防御保护范围和网络边界的保护能力有待进一步加强。ZigBee 技术可以用来保护信息安全[13] ，在信息采集过程中，利用主密钥、密钥和网络密钥进行数据加密。在信息传输过程中，基站方面采用身份认证响应协议，验证移动用户的证书身份，防止未经授权的用户使用通信资源。在信息处理方面，当信息处理的设备对象存在损坏时，数据可以及时备份，保证其完整性和可用性。

为了解决针对电力系统可靠性的网络攻击，可以构建基于网络的物理依赖系统框架。该框架可以在遭受信息攻击时，通过在信息攻击和物理组件之间建立的信息物理连接桥，检测系统的稳定性，以探测出由信息攻击造成的电力设备的意外故障。组件开发技术[14]对于处理通信系统的安全问题是一个很好的选择。集成组件中安全功能的互操作性是没有意义的，因此需要一个统一的安全功能标准系统。非功能性需求框架被认为是一种可以解决集成系统安全的方法。该框架具有丰富表现力的图形模型和系统分析程序，可以根据用户身份的不同，设置相应的权限。用户的重要操作可以被记录并且能进一步使用，而未经授权的能源互联网系统将不能被用户访问。总体上来说，需要有针对能源互联网的安全防护和相关信息网络的安全防护技术，还要针对有蓄意攻击和非蓄意攻击的安全防护技术，以及故障诊断、自保护等安全防护技术。