面向综合能源的能源互联网通信系统设计

2022-08-24孙雁斌吴问足周浩洁

机械与电子 2022年8期

辛阔，何越，孙雁斌，吴问足，孙宇，周浩洁

(1.中国南方电网有限责任公司，广东广州 510000；2.东方电子股份有限公司，山东烟台 264011)

0 引言

随着网络结构和网络拓扑规模的变化，能源互联网通信机制需要随着各类电源的接入以及网络动态变化进行相应调整，通过面向综合能源的网络通信机制，可以提升综合能源互联网的信息传输和稳定运行。因此，需要对面向综合能源的能源互联网通信体系进行相应设计。

目前，综合能源互联网通信机制研究主要在技术类型、业务融合等方面，如文献[1]针对基于软件定义的能源互联网信息通信技术进行了研究；文献[2]研究了能源互联网的用户侧信息通信网络；文献[3]提出了面向能源互联网的电动汽车充电站通信模式；文献[4]设计了面向能源互联网的电力-通信联合仿真平台；文献[5]分析了能源互联网信息通信的关键技术；文献[6]提出了面向能源互联网的电力量子保密通信系统性能评估方法。但是，这些通信机制未能全部体现综合能源融合的关键特点，并且与综合能源服务联系不紧密。

为解决综合能源互联网通信机制的问题，首先针对本文系统进行了分析，着重说明了能源管理、网络运行管理、用户实时连接和即插即用等关键技术和手段。通过能源路由器、信息感知和处理技术、网络技术和网络阻塞消除技术说明了能源互联网通信的主要机制。然后，针对综合能源互联网通信系统进行了设计，说明了各层级的主要功能和构成。最后，进行了仿真分析。

1 能源互联网通信系统

含有能源互联网的分布式电源通信以及能源管理之间的示意关系如图1所示。其中，分布式电源主要包括风机、光伏、水电和储能，能源管理区域包括数据中心、控制中心和智慧能源管理系统等。能源路由部署于系统各主要节点，用来提供能源和通信服务。其中，广域电网能够提供不同区域之间的能源和信息交换，并且能源路由器在该过程中起到了智慧能源管理以及通信的实现要求。

图1 能源互联网

另一方面，能源路由器可以在能源互联网络中提供全局能源定位，并且可以根据能源潮流的双向流动以及设备分类的具体功能，实现相关的通信传输任务。另外，能源路由器与分布式电源建立联系，可以使得分布式电源的位置和运行最佳。在能源管理区域部分，数据中心和控制中心可以帮助能源互联网在用户侧和电源侧建立能源管理联系。同时，电能信息控制和监测主要依靠智能表记实现。

在能源互联网通信系统中，数据量是十分庞大的，因此会造成通信网络延迟和阻塞。现阶段主要利用光纤通信、电力电缆通信和蜂窝通信等方式提升数据的传输效率。能源互联网通信系统主要依靠能源路由器，实现实时设备和消费侧用电信息状态的数据交换。

a.能源管理。与智能电网不同的是，能源互联网需要针对大规模多种能源进行集中管理，为实现这类能源的管理高效化，能源路由器需要监测发电机状态、潮流、电能质量和用户侧实时状态。同时能源路由器可以完成能源流灵活可靠的调度。

b.网络运行管理。网络运行管理是综合能源管理的重要方面，在智能电网中，网络管理取决于输电和配电网络的关键技术。在能源互联网中，能源路由器分为联网模式和孤岛运行模式。在联网模式中，能源路由器可以有效对能源流进行管控，平衡能量输出和终端消耗；在孤岛运行模式中，微网可以与主网脱离运行，同时能源路由器为微网提供相应保护。

c.用户端实时连接。能源互联网可以与用户侧设备以及发电侧的设备进行实时动态连接，同时掌握智能终端代理的消费行为，基于实时通信和测量技术，能源路由器可以实现对发电和用户用电能耗实时动态估计，从而为用户用能提供多样化、定制化选择。

d.即插即用。为了降低分布式电源成本，非硬件成本占比逐渐增大，也就是说，固定拓扑结构可提升综合能源系统的灵活性和安全性，因此，能源互联网应当支持这类即插即用技术，使得电网能够有效满足不同环境下电源需求，尤其是分布式可再生能源以及储能设备等。即插即用接口具有功率转换以及标准化通信接口的功能。功率转换可以通过功率电子转换装置进行实现，通信接口也可通过各种装置与电网进行连接，从而基于用户需求进行能源互动。为了充分利用即插即用功能，交互操作性需要实现以下几个方面的内容：不同能源设备应当相互识别；应当建立全局标准和协议；综合能源管理设备应全面部署。

2 能源互联网通信系统关键技术

2.1 能源路由器

能源路由器是能源互联网中的核心设备，与传统电力设备不同的是，能源路由器可以提供以下关键信息：能够在不同种类终端之间提供功率交换双向流动信息；能够具备即插即用接口支持用户以及电力设备之间的无缝对接；可以通过能源路由器实现对全局网络的整体能源优化管理。

能源互联网的主要特征是实现能源和信息流的集中高效管理。能源路由器是智慧能源转换和管理设备之一，能源路由器与能源集中器、数字电网路由、E路由器等的区别对比如表1所示(表1中“√”表示含有该项功能)。

表1 能源路由器区别

能源路由器具备功率传输和信息交换的功能，其主要结构如图2所示。主要结构包括控制中心、多端口双向转换器和DC/DC变换器等。通信模块可以提供相应的通信网络模式，控制模块可以提供点对点的能源交换以及微网能源管理，通过相应的电力通信接口以及电能管理模块，实现最终交换。

图2 能源路由器

2.2 信息感知和处理技术

在智能感知方面，用户侧安装多种能源智能表计，可以实现从底层到顶层的数据更新，当能源使用单元不能保持实时平衡时，底层控制区将发送至相应的控制节点，从而调整关键信息维持系统平衡。云计算技术是能源互联网中解决大量信息的关键技术，云计算结构如图3所示。广域网络云节点广泛部署，而局域网络云节点负责数据在微网层面的处理。当出现电力短缺或电力过剩时，这类节点便可以优化调度方案，通过广域网络云节点和局域网络云节点的信息跟踪，实现相应层面负荷的转移和再平衡。

图3 信息感知技术结构

2.3 网络技术

a.软件定义网络。能源路由器可以为设备和用户提供可靠的通信网络，其中，网络关键技术主要是指软件定义网络以及移动蜂窝网络。软件定义网络的通信结构如图4所示，每个数据中心与至少2个控制节点相连，其中，任何1个控制节点都可以为数据提供相应备份，避免数据在传输过程中的丢失。因此，该系统能够有效提升能源互联网以及能源路由器的稳定性。

图4 软件定义网络结构

b.蜂窝网络。目前，蜂窝网络拓扑结构包括多个蜂窝，允许数据流在蜂窝之间无间断传输。基于不同的分布式电源设备、负荷区域和管理区域，蜂窝网络结构可以实现更高质量的能源信息传输。蜂窝网络技术应用于广域通信网络中，适合能源互联网多种场景。通过智能设备实现蜂窝资源以及信息无时延交互，能源互联网的状态、信息和控制指令可以更加快速地进行响应。这种设备的实现有助于提升区域电网综合能源管理效率和通信质量，实现低延时和高可靠性传输。

2.4 网络阻塞解决

由于能源互联网中含有大量设备和能源信息，在不同时间节点进行同时传输可能会造成网络拥塞，因此，能源互联网的通信系统需要针对数据阻塞问题进行进一步深入研究。如通过实时监测系统，大量多元异构数据可以同时传输，造成的大量数据流通过多种能源路由器进行存储和传输。因此，需要设计能源互联网数据分布机制，实现数据的可靠通信和有效通信。在能源路由器设计层面，也需要增加信息处理模块，实现数据计算功能。

3 面向综合能源的能源互联网通信系统设计

3.1 系统架构

面向综合能源的能源互联网通信系统需要融合微网设备以及不同的互联设备，实现其信息在通信网络中无阻碍传输、监视和控制。本文提出的架构分为物理层、网络层、服务层和云端层，如图5所示。

图5 系统构架

物理层主要负责微网以及综合能源互联网硬件设备状态的感知和控制；网络层定义综合能源互联体系的协议和网络结构；服务层可以根据综合能源互联网的具体需求，制定相应的服务体系，包括中间件技术、实时传输技术等；云端层主要包括具体的综合能源通信系统应用，可以对数据进行分析和存储，主要包括微网应用以及物联网应用。

3.2 物理层

随着能源互联网技术的发展，分布式电源以及分布式微网在网络体系中定义为物件，因此，在分布式电源以及多种设备组成的能源互联网中，智能通信电子设备被广泛部署。在物理层面，存在2种通信接口，第1种是分布式电源与电源网络的接口，第2种是分布式电源与分布式通信网络的接口。这2种通信模式采用不同的协议进行数据的收集和传输，其中第2种是在以太网进行传输。

3.3 网络层

网络层是允许物理层所收集到的信息进行相应深度交换的基础层级，在该层中，TCP/IP作为广泛采用的互联网协议使用。能够允许端对端的实时通信，从而不受物理媒介、设备和网络层的限制。这一特性能够取得第三方的交互性以及网络的合约性，同时能够有效提升网络的灵活度。网络的交互性对于实现综合能源互联网运行和互联是必不可少的，同时使网络避免受限于具体物理媒介、设备类型以及生产商，能够更加有效地提升交互质量。

3.4 服务层

在服务层中，中间件是能够提升服务质量的关键技术，由于在该层中，物理设备以及云端层通过该层进行链接，因此需要解决微网以及可靠信息传输的网络服务体系。中间件技术可以提升数据在延迟、传送率以及带宽等方面的质量，具体分为消息层和路由层。在消息层，请求响应以及订阅发布的通信模式是必要的;在请求响应通信模式中，可靠性、及时性以及安全性是需要确保的主要特性，另外，有效性、灵活性支持以及适应性是由订阅发布层进行实现的。2种通信系统需要进行互补协调。

点对点网络能够提升网络流量的传输效率，降低延时和丢包率，因此能从整体上提升数据资源的利用效率，这主要是由于点对点通信路由中的洪泛技术的应用。在洪泛路由机制中，节点收到请求，并将其广泛发布至所有路由节点，并且这些节点反向传输这些请求。因此，洪泛过程经过4跳之后停止，这一循环信息可以确保每个节点至少有1次收到传输的信息。

为避免相应信息的不必要重复传输、降低网络的流量，微网聚类算法应用于信息和报文的路由过程，聚类是针对相应共同目标的物理设备的逻辑群。在路由层面，相应的逻辑汇聚点由请求响应或者发布订阅通信模式进行确定。针对请求订阅路由，汇聚节点主要根据分布式电源以及综合能源的具体功能来确定；而在发布订阅路由模式中，汇聚主要是依靠订阅的规则进行分类的。

3.5 云端层

云端层主要负责历史数据以及实时数据的存储和分析，从而提升应用和服务质量。云端层包括虚拟服务器平台以及实时动态展示层，历史数据库用于存储大量数据，同时提供云端数据的分析接口。

4 能源互联网通信仿真分析

为说明上述能源互联网通信系统的有效性，针对含有居民负荷、光伏发电以及储能系统的综合能源互联网进行测试。并且考虑网络内使用分时电价，从而动态管理负荷曲线、储能电池的荷电状态和光伏发电量等。其中，向用户提供的电能主要包括分布式光伏、从主网购得电能以及储能电池的发电量。其中，网络内的负荷主要分为关键负荷和非关键负荷，非关键负荷可以通过负荷转移或削减实现调度，这类负荷占比为总负荷的40%，其仿真网络如图6所示。利用请求响应的通信模式进行测试。