关于细胞-组织视角的能源互联网分布式自治系统形态特征的讨论

程浩原,艾芊,高扬,贺兴,吕天光  

(上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海市 闵行区 200240)

摘要

以能源互联网为代表的能源工业核心方案促进了多种能源和电力的互动,极大地改变了多种复杂网络的结构层次和耦合模式。在此背景下,比较了信息互联网和能源互联网的特点,总结了能源互联网关键技术和研究难点,并提出能源路由器等物理设备在SoS(system of systems)概念下的全新意义。然后,在总结了目前能源互联网的几种架构和运行形态的基础上,提出细胞-组织(cell-tissue)视角下能源互联网的形态特征和描述方法,并在信息网络安全、运行状态评估和网络建模技术方法等诸多核心问题上,展望能源互联网现实应用的研究重点。

关键词 : 能源互联网;能源路由器;SoS;形态特征;细胞-组织

基金项目:国家自然科学联合基金(U1866206);国家自然科学基金(51577115)。 National Natural Science Foundation of China under Grant (U1866206); National Natural Science Foundation of China (51577115).

0 引言

近百年来,资源短缺、环境污染、气候变化等问题已经深刻地影响了人类生活的各个方面,可持续发展也因此受到了严峻挑战,能源转型迫在眉睫[1-2]。目前,柔性输电技术和“源-网-荷-储”互动技术等智能电网技术在全世界范围内已有领先优势,且新能源装机容量在全中国范围内发展极其迅速——预计在2035年至2050年间,新能源装机比例将从23%发展至50%。未来电力系统将十分依赖新能源技术和泛在电力物联网的发展。

目前,电力系统仍然存在新能源如何消纳、源荷不平衡和互动效能低等问题与挑战。举例来说,截至2018年底,中国风能、太阳能发电并网装机容量虽已达到3.6亿kW,占总装机容量的19%,但发电量仅占总量7.8%,即使忽略严重的弃风、弃光问题,也仍然不能满足庞大的电力需要。美国学者里夫金在其著作《第三次工业革命》[3]一书中提出的“能源互联网”,作为能源与信息高度融合、兼容跨行业技术的新一代能源体系,将成为上述问题和挑战很好的解决方案和能源利用转型的关键[4-5],也是未来电力-能源行业的发展方向,目前已经引起学术界、商业界和工业界的广泛讨论。能源互联网强调的是能源网络和其他相关网络(信息网络、交通网络[6]等)的互联互通和资源共享,目前各国许多学者就能源互联网架构的讨论和研究已有了一定的进展[6-9],举例来说,在能源互联网中的信息网络架构研究中,文献[2,8]提到,美国国家科学基金会将能源互联网系统定义为Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)System,目的是更新目前的电力系统,并为下一代支持“即插即用”的电力系统提供原型,实现信息双向传输、实时响应、智能控制等行为。

由于能源互联网需要满足不同时间尺度和不同区域的能源需求,能源互联网的结构势必将比基础大电网更加复杂,所以有必要引入SoS(system of systems)的概念[10]进行描述和分析。SoS又叫做“系统的系统”,属于系统工程(system engineering,SE)的一部分;文献[11]定义SoS为“由复杂系统组成的大规模并发分布式系统”,文献[12]将SoS应用到军事领域,并将其定义为“与指挥、控制、计算机、通讯及资讯(C4I)的互操作性、协同性有关的情报、监视、侦察(ISR)系统”。可见,SoS是一个跨领域的概念,世界上各领域研究人员可采取不同的方法来利用SoS概念,以研究各自领域的某些特定概念的表现形式,从而为专业研究提供更直观的结果[13]。在此基础上,就电力系统领域而言,可以考虑以SoS为基础,运用能源“细胞-组织”(cell-tissue)思想来认知、设计和规划能源互联网。

本文第1章就目前各国学者对包含能源网络、交通网络和信息网络的能源互联网进行总结,为第2章细胞-组织概念的提出做铺垫。第2章从细胞-组织视角研究能源互联网的形态特征,并以此为出发点讨论能源互联网的核心优势与挑战。

1 能源互联网形态研究

在电力新能源中,目前主要的能源种类有太阳能、风能、水能、核能、生物质能等,但多种能源本身的多样性、广分布性和不可预测性等众多非常规特性也对电力系统提出了极高的技术要求。近年来所发展的新能源电力系统与过去百年来所广泛使用的常规电力系统相比较,在能源利用率、环保清洁等方面展现出了巨大的优势,同时也符合可持续发展的要求。自能源互联网概念提出后,在能源网络中配置和耦合各种能源设备和负荷设备以进行单体控制或集群控制,最终达到分布式智能交互、能量双向流动和经济最优的目标,成为研究重点。同时,能源互联网的形态及演化规律也是关注的热点。

1.1 能源互联网与信息互联网

对能源互联网关键技术的研究和分类是构建能源互联网的重要步骤。文献[8]指出,能源互联网的设想取自于20世纪80和90年代计算机行业采用的信息互联网设想。在计算机行业的信息互联网中,有3项技术是至关重要的:信息路由器、“即插即用”接口(例如RJ45以太网接口)和特定的开放标准(例如TCP/IP和HTML)。所以在类比之下(如表1所示),能源互联网可以围绕“能源路由器”、“即插即用”功能和“基于开放标准的操作系统”这3个关键技术来开发。这表明,能源互联网本质是向信息网络渗透的多能源系统,其目标是追求资源的高利用率和能源供需平衡、且能够更简单地扩展和缩小网络。从表1中可以看出,能源互联网和信息互联网最大的差别在于前者复杂的物理规律难以掌控,从而导致网络整体的互联程度远低于后者;但实际上,后者可以作为前者的一部分,信息互联网中成熟的互联网理念能够为能源互联网的建设和完善起到指导作用,从而极大推动能源的市场化、商业化。

表1 能源互联网与信息互联网对比
Table1 Comparison of energy internet and information internet

1.2 能源路由器、转换器、集线器与SoS

能源路由器(energy router)作为能源转化设备之一,若要实现上述能源互联网关键技术,其本身除了可以看作一个多级变换器系统[14-15]外,还应和信息网络紧密耦合。能源路由器可以在输电网络内提供灵活的交直流端口,从而以此为基础,实现交直流电网互联,开发便于分布式电源、储能装置、电动汽车和汽车充电桩等设备“即插即用”的终端接口。同时,由于能源路由器和信息网络有紧密联系,所以其还可以实时监测、采集和控制各端口的电气量,为整个系统提供完善的运行依据,以满足多种网络的管理与调度需求。

不同于能源路由器,能源转换器(energy switch)和能源集线器(energy hub)属于配电侧(或微网侧)的核心部件。能源转换器(或者能源开关)是基于信息技术的电力电子器件,它不仅可以改变电网电压水平,而且可以转换电力存在形式,从而实现电力隔离、输电、电能质量控制等。在结构上,能源转换器和能源路由器近似,皆可以进行交直流转换。能量集线器单元实际上是不同能源基础设施和/或负荷之间的接口,在能源集线器内,能量可以通过热电联产设备、气压缩机、变压器、电力电子设备等一系列设备进行转换,每个网络可利用其他能源网络来满足本能源系统的部分负荷。由此可知能源集线器有利于解决网络拥塞问题,从而降低拥塞发生的概率[16-17],提高生产效率和能源利用率。能源集线器的另一大优点是,配电网中DISCOs(distribution companies)可以只管理能源集线器所在配电网络的输入量,而不需管理集线器的输出,配电网的需求侧管理可以由能源集线器代理来支持,因此,管理程序将更加简化[17]

基于此,本文认为将SoS的概念引入能源互联网(大系统,下同)后,能源路由器应在各个低层系统(小系统,下同)之间起到连接、互通和协调的作用,而能源集线器则在小系统中起到转换并配置资源的作用。以图1为例,其中交流系统和直流系统可看做输电系统的子系统,故整个输电系统可以用SoS来表示。本文第2章将从“细胞-组织”视角对上述SoS体系作详细描述。需要注意的是,由于各国学者对能源互联网形态的描述不尽相同(详见1.3节),所以对小系统的定义也有所差别,例如图1只讨论了交流小系统和直流小系统。故对不同SoS系统而言,能源路由器和集线器的作用应该用灵活的眼光看待。

图1 SoS下的能源路由器
Fig.1 Energy router in SoS structure

目前,国际上普遍将能源路由器和能源集线器概念合为一谈,本文认为:能源路由器的侧重点应在输电侧电网和与电网耦合的设备上;而能源集线器应侧重在微网中多能联产和能源最优分配上,例如热电联产(CHP)电厂便可以抽象成为一个能源集线器。

1.3 能源互联网形态总结

文献[2]指出,能源互联网一般由4种分布式自治系统耦合而成,分别是电力系统、交通系统、天然气系统和信息互联网,如图2所示。

图2 能源互联网结构1
Fig.2 Structure 1 of energy internet

从图2可以看出,电力系统承担着转换各种能源的任务,而且和天然气网络及交通网络有硬软件上的耦合。比如在CHP系统中,实施“热定电”还是“电定热”策略受电力系统和天然气系统用户的需求影响;再比如,交通网络中电动汽车充电桩的布局会对电动汽车行驶行为造成影响,反之亦然。但在此网络中,没有体现出能源路由器的作用。

从文献[8,18-19]中可以总结出图3所示结构,该结构重点体现了能源路由器的作用和能源路由器的宏观拓扑结构。从图3中可知,电力系统、气网和热网在能源路由器中进行能量转换[9]。这里能源路由器的概念类似于上述能源集线器的概念。而文献[20-21]等以大电网为依托,与信息能源相融合构建“广域能源互联网”。上述结构以能量路由器为核心,体现了不同能量形态的转换,但没有讨论交通网络对此结构的影响。

图3 能源互联网结构2
Fig.3 Structure 2 of energy internet

此外,结合1.2节所述,文献[4,22-23]对能源互联网进行了分类,并围绕能源路由器、能源转换器(或能源集线器)和能源接口设计能源互联网的广义与狭义架构,如图4所示。这种结构侧重点也在于能源路由器,层次较为清晰,且综合了以上所述结构的优点,并且强调了交通网络、传统电网和传统一次能源的作用。

图4 能源互联网结构3
Fig.4 Structure 3 of energy internet

可以看出,以上所述3种结构有明显的层次性和分布性,后文提出的“细胞-组织”概念便可以此为前提,该部分详细内容将在第2章阐述。要注意的是,截至目前,各国学者对能源互联网的结构已有了较为清晰的认识,但对交通网络和能源互联网系统的耦合研究尚处于起步阶段。本文认为,随着城镇分散化新能源(比如安装在屋顶的太阳能电池板等)的加入,后续研究工作应围绕交通网络的地域分布对能源路由器(或能源集线器)策略制定和分布式调控的影响进一步展开。

2 细胞-组织视角下的能源互联网

2.1 能源细胞和能源组织

由于SoS是一个跨学科的普适性概念,所以在能源互联网领域,应该提出一个专业的新概念与SoS概念相对应,故能源互联网中的“细胞-组织”概念便应运而生。从生物学角度来看,细胞是一个相对独立的个体,在外部环境适宜的情况下,每个细胞都几乎能够依靠“线粒体”和与外界联络的通道自主完成成长、代谢等正常活动;在能源互联网中,可以将拥有一定程度自给自足能力和自我管理能力的系统称为一个“能源细胞”。因此,可以将未来的分布式能源配置定义为一群在用户侧的“细胞”;多个拥有不同新能源输出特征和不同地理位置的“细胞”,在利益驱动下便形成一个虚拟的“组织”[24]

“能源细胞”不仅可以当作能源消费者,还可以拥有分布式电源和储能设备,以参与电力市场和能源调度。在这样的情况下,“细胞”仅需少量的外界信息便可以完成自己所负责的工作,从而进一步简化了能源互联网的管理。“能源细胞”一般由分布式发电机组、分布式储能和可控负载组成,且每个“能源细胞”都能够双向连接到信息网络中,能够完成多能互补、需求响应行为[25-26],所以能源互联网在结构上可以与信息互联网十分相似。“能量组织”可以作为一个整体运行,能够协调内部“细胞”的资源,从而追求全局优化,与外部环境进行能量交互,实现功能与结构的统一。综上可知,“细胞-组织”结构将成为区域能源网络的主导形式,且在“细胞-组织”视角下,认知、设计和规划能源互联网便具有了明显的优势,例如利用“血管”(即能源网络)为区域提供多元化经济体能源服务,利用“神经系统”(信息网络)和“消化系统”(物流网络和交通网络等)进行信息和物质的双向互动等。

2.2 能源细胞的市场性讨论

类似于微电网,每一个“能源细胞”实际上都倾向于最大化自己的利益,但是由于“能源细胞”是一个相对独立于传统电力系统的能量实体,“能源细胞”和供电公司之间、多个“细胞”之间会产生一定的利益冲突,所以对“能源细胞”的市场化行为研究是必不可少的。目前对能源互联网市场模型的研究和搭建已有了初步进展:文献[27-28]基于博弈论模型研究主动配电网中的经济运行问题;文献[9]以美国电力市场为例,提出了如图5所示的能源互联网新型电力市场框架。从图5可以看出,相较于传统电力市场,新型能源互联网市场强调了“能源细胞”和DSO(distribution system operator)或者DISCO(distribution company)的作用,并在配电网加入了“能源细胞”和能源集线器用于进行多能量交互。

图5 传统电力市场与能源互联网电力市场
Fig.5 Traditional power market vs energy internet power market

作为独立的能量主体,“细胞”必然要和其他“细胞”竞争,在这种情况下,能源互联网中的供电网络将不同于在传统电力市场中所扮演的角色。如图5,发电厂或者发电设备可以不仅仅在供电网络中出现,当分布式电源遇到随机输入或输出时,则需要每次更新相应的稀疏网络矩阵,使得该系统在经济运行中的情况更加复杂。在这种情况下,供电公司为了投资建设能源互联网基础设施和增加盈利,不可仅仅通过单渠道的售卖电能而获取利润。另外,由文献[29-30]可知,能源互联网市场中交易主体不同于从前的单一能源,且在这个市场中不再存在寡头垄断现象,分布式主体间的博弈变得更加复杂,故对能源互联网结构的设计更加依赖于市场主体结构和客体结构,也依赖于交易对象的能源利用情况。所以,明确能源互联网的细胞-组织结构将有利于对网络最优经济运行的研究。

2.3 细胞-组织视角下的能源互联网

本节以目前对能源互联网形态特征的研究为基础,提出在“细胞-组织”视角下的能源互联网架构。这里可将微网看作“细胞”,因为微网拥有相对独立的功能,例如能改善电能质量、提高供电可靠性、实现负荷的主动调控等。多微网集群能够形成具有完整功能的主动配电网,则可称这种配电网为有机的“组织”。图6展示了某能源互联网的信息、能量交互示意模型,从图中可以看到,该能源互联网采用了双环“组织”嵌套结构,内环由“内组织”和“内细胞”组成,分别对应着一个区域主动配电网和小型微网;外环由“外组织”和“外细胞”组成,分别对应能源互联网和区域主动配电网。其中,内环的“内组织”可以看作外环的“外细胞”,而多个“内组织”和其对应的“外组织”便组成了SoS系统。在同一区域配电网的多微网之间通过PCC存在直接的电气连接,能够互相提供电压和功率支持,并能够在存在故障时及时转入孤岛运行模式;配网内部的DISCO对“内组织”中的微网进行统一管理,例如规定市场价格、记录区域负载特性和分布式电源成本特性曲线等。上述内容中所涉及的用户侧响应、最优控制和自愈控制等问题本文不再阐述。此外,不同地区的主动配电网可以通过ISO(independent system operator)和RSO(regional system operators)所管理的输电网络相连;配电网通过PCC和外部电网有直接的电气联系,而且DISCO可以通过信息网络和ISO进行信息交互(例如ISO和配电网的电力需求及其限制、迭代计算中的边界变量或伪变量等),从而更好地实现控制和管理。

图6 “细胞-组织”架构下能源互联网示意
Fig.6 Diagram of energy internet based on cell-tissue structure

将图6模型拓展到能源互联网时,应将交通系统嵌入。由于交通系统是能源互联网的重要组成部分[6, 31],包括铁路网、电动汽车网络等,具有可再生、分布广、用电功率大等特征,所以可将交通网络建模成一个特殊的“细胞”。在此“交通细胞”中,交通网络将摒弃从前单一能源供电的情况,而构建起基于“源-网-荷-储”的新型交通供电系统。

结合第1章所述,能源路由器在图6中应位于输电侧ISO的位置,而且在“细胞-组织”体系下,能源路由器可以看作连接不同“细胞”的介质,并且拥有一定拓扑结构的能源路由器网络(例如图3所示)可以组成一个拥有完整功能的“组织”。同理,能源集线器可以存在于MG内部或者DISCO内部,而且可以将其看作细胞内转化能量的“线粒体”,从而使得能量能够被充分分配和利用。

综上可知,对“组织”结构的讨论便是对能源互联网形态架构的讨论。根据文献[32]所提出分布式多微网的结构,本文从扩展现有电网的视角把能源互联网的互联架构分为3类(设微网2为新接入的“细胞”)。

1)微网2接入微网1的内部,扩展的结果便是获得一个更大的微网1'(或更大的“细胞”)。

2)微网2通过PCC或能源路由器接入有微网1接入的同区域配电网的母线,扩展的结果便是获得更大的多微网系统(或更大的“组织”)。

3)微网2通过PCC连入大电网,扩展的结果是能源互联网中“组织”数量增加,其中微网2便单独形成一个新加入的“组织”,该“组织”可以按照方法1继续扩展。

以上3种结构的示意如图7,其中MG2、MG2'和MG2''分别对应上述3种情况中的微网2。这几种结构的多样性也正表明了SoS系统的多样性,具体采取何种结构还需要经过规划和评估后做出决定。

图7 “细胞-组织”互联架构分类示意
Fig.7 Diagram of classification of interconnection forms in celltissue structure

2.4 细胞-组织视角下对信息网络的讨论

电力是二次能源的核心,而电网是电能交易的物理平台[33],因此,电力承担着初级能源和其他能源之间能量交换的枢纽作用。为了使能源的可靠性和生态系统的稳定性保持在可控范围内,电力系统必须拥有强大的物理网络、信息系统和适当的政策(比如生态工程等)。所以,能源互联网信息质量对能源互联网能否顺利运行十分重要[2]。将能源互联网中的主体类比为“细胞”和“组织”后,能够更加直观地体现能源互联网中信息处理过程和运行规律,从而能获得更好的认知。

由于能源的生产、运输、分配、消费和储存等过程都被信息网络所涵盖,随着能源互联网的扩大,海量的数据将涌入互联网中,对信息完整地收集、准确地编译和及时地传输是对信息网络的根本要求。近年来,对信息模型的研究已成为重点。文献[34]对能源互联网大数据分析和安全技术进行了研究,为能源互联网安全、可靠、高效运行提供了重要依据;随着区块链的发展,文献[35]展望了区块链和能源互联网的融合;在人工智能领域,文献[36-37]将人工智能应用在系统建模、控制和预测等诸多领域,而文献[38]则将人工智能和交通网络联系起来,构建了融合“信息-交通-云控制”概念的新运营模式。本文认为,在“细胞-组织”结构下,信息网络中主体将变得明晰,也即从复杂的分层控制结构(一般至少3层)变成基于“细胞-组织”的SoS结构,从而信息网络可以很直观地嵌入到“细胞-组织”架构的能源互联网中。

由此可见,目前对能源互联网信息网络的研究多集中在对通信结构和机制的设计以及与计算机智能领域相融合之上,但随着世界格局的变迁和技术重心的转移,能源互联网和5G的交融碰撞势必将带来更新一轮的革命,目前对5G技术在电气领域的探索与应用尚不成熟,还需进一步研究。

2.5 对信息网络安全、评估和建模技术的展望

2.5.1 信息网络安全

随着信息网络和电力网络之间联系愈加深刻,网络安全和信息安全更值得关注。文献[39]提到了连接到信息网络的工业系统网络安全的重要性。目前对网络安全的研究主要集中在电力网络上,而对能源互联网信息安全的研究尚处在起步阶段[40]。加之文献[41]提到,现有能源系统的传感通信存在“传感数据的类型较少,采集频率较低,对系统的感知有限”和“不同网络之间易造成信息孤岛”两方面的问题。结合第1章所述,虽然能源互联网能够和信息互联网相类比,但仍有许多方面的差异,故信息的安全利用和高效利用是当前的热门议题。

文献[2]认为信息系统3个重要指标分别是信息的完整性、准确性和及时性。显然,任何指标的偏差都会导致能源互联网内物理设备和功率传输体系产生问题,并最终威胁系统的安全。文献[42]曾对网络攻击做过研究,并提出“Attack Tree”概念作为受到攻击后的量化指标;文献[2,43]指出,在智能电网中,网络攻击手段主要包括病毒攻击、漏洞攻击、虚假数据注入、窃听攻击等,并提出攻克信息安全难关的突破点在于“机密性”、“数据、命令和软件的完整性”和“针对DoS/DDoS攻击的可用性”,然后从价格、控制性等方面对以上突破点作了分析并简单建模。可以看出,这些突破点主要围绕着“虚假数据注入”和“窃听攻击”两大攻击手段。相应地,文献[44]重点讨论了虚假信息注入的应对手段,使用直流潮流模型并分别分析了两种攻击场景,指出了在理论层面该种攻击的严重性。上述案例表明了目前相关研究进展,但类似的研究较多地涉及了计算机安全领域,本文不再过多阐述。

2.5.2 能源互联网运行状态评估

由于能源互联网是一个具有多尺度属性且结构十分复杂的网络,对能源互联网的评估与可靠性分析应更深刻地考虑更多的研究领域(例如应考虑交通流量状况分析、自然灾害预测与评估、天然气供给稳定性等),因此研究能源互联网运行状态的稳定裕度评估方法将是一个必要的课题。

各国文献对运行状态较早便有了总结。文献[45]从能源互联网运行的优化模型、优化运行中的通信与数据和优化运行中故障传播机理等方面入手,为能源互联网优化运行提出了综述性理论;文献[46]从电力市场和建立多能源市场交易机制的角度研究了基于能源互联网的交易运营机制,确立了能源互联网整体的运营交易流程;文献[47]从电-气耦合角度提出了网络状态估计技术,并成功测试了状态估计精度和坏数据辨识方法。可以看出,目前对能源互联网运行状态的研究大多延续了对智能电网和分布式能源的研究成果,但对信息互联网和交通网络运行状态的研究刚刚起步,如何保证在多网融合情况下能源互联网的最优运行将是热门议题。

2.5.3 能源互联网建模

目前对能源互联网的建模多在对能源路由器和能源集线器的数学化建模(例如文献[48-50])和对能源互联网的物理化建模(例如文献[51-53]和本文1.3节所总结)。在能源互联网刚刚兴起的时候,文献[54-55]曾从热力网络和天然气网络的潮流计算入手,分别提出多能源网络耦合时潮流计算牛-拉法和分层分布式控制策略。除此之外,对结合信息模型的多能源网络的数学模型研究仍相对较少。

2.5.4 总结与展望

虽然目前对传统电力系统的研究已近乎成熟,但能源互联网的建设不是一蹴而就的,能源互联网不仅是能源领域的革命,更是用户侧的技术革命。在这种大前提下,明确能源主体和用户主体对象的必要性便凸显出来。所以明确能源互联网中什么是“细胞”,什么是“组织”,“细胞”和“组织”分别能完成什么功能、有什么相互联系等问题,便是本节重点提出的研究建议。除此之外,由于能源的多样化,如何在日前和实时市场上实现多种能源的最优分配和联合出清依然是设计能源路由器和能源集线器的一大难点。所以综合上述问题,未来的研究还应着手将交通网络安全模型和电力信息网络模型相融合,研究计及边界条件和信息网络模型的能源网络潮流计算,并加深对结合“细胞-组织”架构的能源互联网的认识。

3 结语

本文从信息互联网与能源互联网的差别入手,分析了能源互联网的关键技术和研究难点,并概括性总结了目前能源互联网形态特征和架构,从而将SoS和“细胞-组织”的概念引入能源互联网中。基于所提出的“细胞-组织”概念,阐明了目前能源互联网在新型电力市场和5G领域等方向的研究现状或空白。最后在信息安全、运行状态评估和网络建模等方面展望了能源互联网下一步的探索方向。当前,中国关于能源互联网的研究主要集中在理论分析层面。鉴于对智能电网的理论研究已经较为成熟,若将其拓展到能源互联网领域,并结合“细胞-组织”视角对能源互联网架构下的市场体系进行设计,对中国新型能源电力领域而言势必会有一定程度的提升。

参考文献

[1] 张刚,张峰,张利,等.考虑多种耦合单元的电气热联合系统潮流分布式计算方法[J].中国电机工程学报,2018,38(22):6594-6604.

Zhang Gang,Zhang Feng,Zhang Li,et al.Distributed algorithm for the power flow calculation of integrated electrical,gas,and heating network considering various coupling units[J].Proceedings of the CSEE,2018,38(22):6594-6604(in Chinese).

[2] 董朝阳,赵俊华,文福拴,等.从智能电网到能源互联网:基本概念与研究框架[J].电力系统自动化,2014,38(15):1-11.

Dong Zhaoyang,Zhao Junhua,Wen Fushuan,et al.From smart grid to energy internet:basic concept and research framework[J].Automation of Electric Power Systems,2014,38(15):1-11(in Chinese).

[3] Rifkin J.The third industrial revolution:how lateral power is transforming energy,the economy,and the world [M].New York:Palgrave Macmillan,2011.

[4] 王璟,王利利,林济铿,等.能源互联网结构形态及技术支撑体系研究[J].电力自动化设备,2017,37(4):1-10.

Wang Jing,Wang Lili,Lin Jikeng,et al.Energy internet morphology and its technical support system[J].Electric Power Automation Equipment,2017,37(4):1-10(in Chinese).

[5] 黄武靖,张宁,董瑞彪,等.构建区域能源互联网:理念与实践[J].全球能源互联网,2018,1(2):103-111.

Huang Wujing,Zhang Ning,Dong Ruibiao,et al.Construction of regional energy internet:concept and practice[J].Journal of Global Energy Interconnection,2018,1(2):103-111(in Chinese).

[6] 胡海涛,郑政,何正友,等.交通能源互联网体系架构及关键技术[J].中国电机工程学报,2018,38(1):12-24.

Hu Haitao,Zheng Zheng,He Zhengyou,et al.The framework and key technologies of traffic energy internet[J].Proceedings of the CSEE,2018,38(1):12-24(in Chinese).

[7] 田世明,栾文鹏,张东霞,等.能源互联网技术形态与关键技术[J].中国电机工程学报,2015,35(14):3482-3494.

Tian Shiming,Luan Wenpeng,Zhang Dongxia,et al.Technical forms and key technologies on energy internet[J].Proceedings of the CSEE,2015,35(14):3482-3494(in Chinese).

[8] Huang A Q,Crow M L,Heydt G T,et al.The future renewable electric energy delivery and management (FREEDM) system:the energy internet[J].Proceedings of the IEEE,2011,99(1):133-148.

[9] Su Wencong,Huang Alex Q.美国的能源互联网与电力市场[J].科学通报,2016,61(11):1210-1221.

Su Wencong,Huang Alex Q.The energy internet and electricity market in the United States[J].Chinese Science Bulletin,2016,61(11):1210-1221(in Chinese).

[10] Gorod A,Sauser B,Boardman J.System-of-systems engineering management:a review of modern history and a path forward[J].IEEE Systems Journal,2008,2(4):484-499.

[11] Vadim Kotov,Systems of systems as communicating structures[M].Object-Oriented Technology and Computing Systems Re-engineering,Woodhead Publishing,1999:141-154.

[12] W.H.Manthorpe,The emerging joint system of system:A systems engineering challenge and opportunity for APL[J].in John Hopkins APL Techn.Dig.,1996,17(3):305-310.

[13] Mostafavi A,Abraham D M,Delaurentis D,et al.Exploring the dimensions of systems of innovation analysis:a system of systems framework[J].IEEE Systems Journal,2011,5(2):256-265.

[14] 刘闯,支月媚.混合级联式电力电子变压器拓扑结构及控制策略[J].电网技术,2017,41(2):596-603.

Liu Chuang,Zhi Yuemei.Hybrid cascaded power electronics transformer topology and control scheme[J].Power System Technology,2017,41(2):596-603(in Chinese).

[15] 韩继业,李勇,曹一家,等.基于模块化多电平型固态变压器的新型直流微网架构及其控制策略[J].电网技术,2016,40(3):733-740.

Han Jiye,Li Yong,Cao Yijia,et al.A new DC microgrid architecture based on MMC-SST and its control strategy[J].Power System Technology,2016,40(3):733-740(in Chinese).

[16] Geidl M,Koeppel G,Favreperrod P,et al.Energy hubs for the future[J].IEEE Power and Energy Magazine,2007,5(1):24-30.

[17] Ghasemi A,Hojjat M,Javidi M H.Introducing a new framework for management of future distribution networks using potentials of energy hubs[M].2012.

[18] Alex Huang.FREEDM system-a vision for the future grid[C]//Power and Energy Society General Meeting,IEEE.2010:1-4.

[19] 曹军威,孟坤,王继业,等.能源互联网与能源路由器[J].中国科学:信息科学,2014,44(6):714-727.

Cao Junwei,Meng Kun,Wang Jiye,et al.An energy internet and energy routers[J].Scientia Sinica (Informationis),2014,44(6):714-727(in Chinese).

[20] 曹军威,杨明博,张德华,等.能源互联网——信息与能源的基础设施一体化[J].南方电网技术,2014,8(4):1-10.

Cao Junwei,Yang Mingbo,Zhang Dehua,et.al.Energy internet:an infrastructure for cyber-energy integration[J].Southern Power System Technology,2014,8(4):1-10 (in Chinese).

[21] 王继业,孟坤,曹军威,等.能源互联网信息技术研究综述[J].计算机研究与发展,2015,52(3):1109-1126.

Wang Jiye,Meng Kun,Cao Junwei,et al.Research on information technology for energy internet:a survey[J].Journal of Computer Research and Development,2015,52(3):1109-1126(in Chinese).

[22] 孙秋野,滕菲,张化光,等.能源互联网动态协调优化控制体系构建[J].中国电机工程学报,2015,35(14):3667-3677.

Sun Qiuye,Teng Fei,Zhang Huaguang,et al.Construction of dynamic coordinated optimization control system for energy internet[J].Proceedings of the CSEE,2015,35(14):3667-3677(in Chinese).

[23] 孙秋野,王冰玉,黄博南,等.狭义能源互联网优化控制框架及实现[J].中国电机工程学报,2015,35(18):4571-4580.

Sun Qiuye,Wang Bingyu,Huang Bonan,et al.The optimization control and implementation for the special energy internet[J].Proceedings of the CSEE,2015,35(18):4571-4580 (in Chinese).

[24] Gao Y,Ai Q,Wang X,et al.Distributed cooperative economic optimization strategy of a regional energy network based on energy cell-tissue architecture[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2019,DOI:10.1109/TII.2019.2897741.

[25] 姜子卿,郝然,艾芊.基于冷热电多能互补的工业园区互动机制研究[J].电力自动化设备,2017,37(6):260-267.

Jiang Ziqing,Hao Ran,Ai Qian.Interaction mechanism of industrial park based on multi-energy complementation[J].Electric Power Automation Equipment,2017,37(6):260-267(in Chinese).

[26] 周晓倩,余志文,艾芊,等.含冷热电联供的微网优化调度策略综述[J].电力自动化设备,2017,37(6):26-33.

Zhou Xiaoqian,Yu Zhiwen,Ai Qian,et al.Review of optimal dispatch strategy of microgrid with CCHP system[J].Electric Power Automation Equipment,2017,37(6):26-33(in Chinese).

[27] Zhang N,Yan Y,Su W.A game-theoretic economic operation of residential distribution system with high participation of distributed electricity prosumers[J].Applied Energy,2015,154:471-479.

[28] Wencong Su,Alex Q.Huang.A game theoretic framework for a next-generation retail electricity market with high penetration of distributed residential electricity suppliers[J].Applied Energy,2014,119:341-350.

[29] 刘凡,别朝红,刘诗雨,等.能源互联网市场体系设计、交易机制和关键问题[J].电力系统自动化,2018,42(13):108-117.

Liu Fan,Bie Zhaohong,Liu Shiyu,et al.Framework design,transaction mechanism and key issues of energy internet market[J].Automation of Electric Power Systems,2018,42(13):108-117(in Chinese).

[30] Cameron C,Patsios D H,Taylor P.On The Benefits of Using Self-Organising Multi-Agent Architectures in Network Management[C]//International Symposium on Smart Electric Distribution Systems and Technologies.IEEE,2015.

[31] 曾鸣,杨雍琦,向红伟,等.兼容需求侧资源的“源-网-荷-储”协调优化调度模型[J].电力自动化设备,2016,36(2):102-111.

Zeng Ming,Yang Yongqi,Xiang Hongwei,et al.Optimal dispatch model based on coordination between “generationgrid-load-energy storage” and demand-side resource[J].Electric Power Automation Equipment,2016,36(2):102-111(in Chinese).

[32] 茆美琴,丁勇,王杨洋,等.微网——未来能源互联网系统中的“有机细胞”[J].电力系统自动化,2017,41(19):1-11.

Mao Meiqin,Ding Yong,Wang Yangyang,et al.Microgrid—an “organic cell” for future energy interconnection system[J].Automation of Electric Power Systems,2017,41(19):1-11(in Chinese).

[33] Xue Yusheng.Energy internet or comprehensive energy network?[J].Journal of Modern Power Systems and Clean Energy,2015,3(3):297-301.

[34] 杨佩,蔡皓,裘洪彬,等.面向能源互联网的大数据关键技术研究[J].电力信息与通信技术,2016,14(4):9-12.

Yang Pei,Cai Hao,Qiu Hongbin,et al.Research on key technologies of big data for energy interconnection[J].Electric Power Information and Communication Technology,2016,14(4):9-12(in Chinese).

[35] 王安平,范金刚,郭艳来.区块链在能源互联网中的应用[J].电力信息与通信技术,2016,14(9):1-6.

Wang Anping,Fan Jingang,Guo Yanlai.Application of blockchain in energy interconnection[J].Electric Power Information and Communication Technology,2016,14(9):1-6(in Chinese).

[36] 肖泽青,华昊辰,曹军威.人工智能在能源互联网中的应用综述[J].电力建设,2019,40(5):63-70.

Xiao Zeqing,Hua Haochen,Cao Junwei.Overview of the application of artificial intelligence in energy internet[J].Electric Power Construction,2019,40(5):63-70(in Chinese).

[37] 孙秋野,杨凌霄,张化光.智慧能源——人工智能技术在电力系统中的应用与展望[J].控制与决策,2018,33(5):938-949.

Sun Qiuye,Yang Lingxiao,Zhang Huaguang.Smart energy—applications and prospects of artificial intelligence technology in power system[J].Control and Decision,2018,33(5):938-949(in Chinese).

[38] 金恩莲.基于人工智能技术的充电桩运营模式的创新应用研究[J].电子测试,2018,404(23):136-137.

Jin Enlian.Innovative application research of charging pile operation mode based on artificial intelligence technology[J].Electronic Test,2018,404(23):136-137(in Chinese).

[39] Vijayan J.Stuxnet renews power grid security concerns[EB/OL].(2010-07-26)[2013-11-26].https://www.computerworld.com/article/2519574/stuxnet-renews-power-grid-securityconcerns.html.

[40] 安宁钰,徐志博,周峰.可信计算技术在全球能源互联网信息安全中的应用[J].电力信息与通信技术,2016,14(3):84-88.

An Ningyu,Xu Zhibo,Zhou Feng.Application of trusted computing technology in global energy interconnection cyber security[J].Electric Power Information and Communication Technology,2016,14(3):84-88(in Chinese).

[41] 孙宏斌,郭庆来,潘昭光.能源互联网:理念、架构与前沿展望[J].电力系统自动化,2015,39(19):1-8.

Sun Hongbin,Guo Qinglai,Pan Zhaoguang.Energy internet:concept architecture and frontier outlook[J].Automation of Electric Power Systems,2015,39(19):1-8 (in Chinese).

[42] Ten C W,Chen-Ching Liu,Manimaran,G.Vulnerability assessment of cybersecurity for SCADA systems[J].IEEE Transactions on Power Systems,2008,23(4):1836-1846.

[43] Mo Y,Kim H J,Brancik K,et al.Cyber-physical security of a smart grid infrastructure[J].Proceedings of the IEEE,2012,100(1):195-209.

[44] Liu Y,Ning P,Reiter M K.False data injection attacks against state estimation in electric power grids[J].ACM Transactions on Information and System Security,2011,14(1):1-33.

[45] 丁涛,牟晨璐,别朝红,等.能源互联网及其优化运行研究现状综述[J].中国电机工程学报,2018,38(15):4318-4328.

Ding Tao,Mu Chenlu,Bie Zhaohong,et al.Review of energy internet and its operation[J].Proceedings of the CSEE,2018,38(15):4318-4328(in Chinese).

[46] 徐鸣飞,余海涛,陈辉,等.重复博弈在能源互联网运营交易机制中的应用[J].电网技术,2015,39(11):3064-3071.

Xu Mingfei,Yu Haitao,Chen Hui,et al.Application of repeated game theory in operation and transaction mechanism of energy internet[J].Power System Technology,2015,39(11):3064-3071(in Chinese).

[47] 董今妮,孙宏斌,郭庆来,等.面向能源互联网的电-气耦合网络状态估计技术[J].电网技术,2018,42(2):400-408.

Dong Jinni,Sun Hongbin,Guo Qinglai,et al.State estimation of combined electric-gas networks for energy internet[J].Power System Technology,2018,42(2):400-408(in Chinese).

[48] 石亚锋.能源路由器能量信息一体化接口设计与实现[D].成都:电子科技大学,2018.

Shi Yafeng.Design and implementation of energy-information integration interface of energy routers[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2018(in Chinese).

[49] 郭靖,李可军,王景山,等.含能源路由器的交直流网络潮流计算模型及可行解求取[J].电力系统自动化,2018,42(13):85-93.

Guo Jing,Li Kejun,Wang Jingshan,et al.Power flow calculation model and feasible solution of AC-DC network with energy routers[J].Automation of Electric Power Systems,2018,42(13):85-93(in Chinese).

[50] 郝然,艾芊,朱宇超,等.基于能源集线器的区域综合能源系统分层优化调度[J].电力自动化设备,2017,37(6):171-178.

Hao Ran,Ai Qian,Zhu Yuchao,et al.Hierarchical optimal dispatch based on energy hub for regional integrated energy system[J].Electric Power Automation Equipment,2017,37(6):171-178(in Chinese).

[51] 梅生伟,李瑞,黄少伟,等.多能互补网络建模及动态演化机理初探[J].全球能源互联网,2018,1(1):10-22.

Mei Shengwei,Li Rui,Huang Shaowei,et al.Preliminary investigation on the modeling and evolutionary analytics of multi-carrier energy systems[J].Journal of Global Energy Interconnection,2018,1(1):10-22(in Chinese).

[52] 蒲天骄,刘克文,陈乃仕,等.基于主动配电网的城市能源互联网体系架构及其关键技术[J].中国电机工程学报,2015,35(14):3511-3521.

Pu Tianjiao,Liu Kewen,Chen Naishi,et al.Design of ADN based urban energy internet architecture and its technological issues[J].Proceedings of the CSEE,2015,35(14):3511-3521(in Chinese).

[53] 华贲.关于能源互联网层次架构的思考[J].南方能源建设,2017,4(4):1-7.

Hua Ben.Cogitating about the hierarchy of energy internet[J].Southern Energy Construction,2017,4(4):1-7(in Chinese).

[54] Shabanpour-Haghighi A,Seifi A R.An integrated steady-state operation assessment of electrical,natural gas,and district heating networks[J].IEEE Transactions on Power Systems,2016,31(5):3636-3647.

[55] Gao Y,Ai Q.Hierarchical coordination control for interconnected operation of electric-thermal-gas integrated energy system with micro-energy internet clusters[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,2018,DOI:10.1109/JESTPE.2018.2838144.

Morphological Characteristics of Distributed Autonomous System in Energy Internet from the Perspective of Cell-tissue

CHENG Haoyuan,AI Qian,GAO Yang,HE Xing,LYU Tianguang
(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Minhang District,Shanghai 200240,China)

Abstract:The newly emergent energy internet promotes interactions between various energy sources and electricity,with significant impacts on the structural levels and coupling modes of various complex networks.In this context,the characteristics of the information internet and the energy internet are compared,the associated key technologies and research challenges are summarized,and the significance of new physical equipment such as the SoS energy router is discussed.After summarizing the various architectures currently applied to the energy internet,this paper then proposes a method of describing the morphological characteristics of the energy internet based on a cell-tissue perspective.The paper further anticipates research emphases on practical applications of the energy internet in fields such as information network security,operation state evaluation,and network modeling technology.

Keywords:energy internet; energy routers; SoS; morphological features; cell-tissue

程浩原

作者简介:

程浩原(1997),男,硕士研究生,研究方向为区域能源网的分布式协调控制,E-mail:chenghaoyuan@sjtu.edu.cn。

艾芊(1969),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为电能质量、人工智能及其在电力系统中的应用、电力系统元件建模、分布式发电等,通信作者,E-mail:aiqian@sjtu.edu.cn。

(责任编辑 李锡)

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