辛 闊，何 越，孫雁斌，吳問足，孫 宇，周浩潔

(1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510000；2.東方電子股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264011)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)模的變化，能源互聯(lián)網(wǎng)通信機(jī)制需要隨著各類電源的接入以及網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，通過面向綜合能源的網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制，可以提升綜合能源互聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸和穩(wěn)定運(yùn)行。因此，需要對(duì)面向綜合能源的能源互聯(lián)網(wǎng)通信體系進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。

目前，綜合能源互聯(lián)網(wǎng)通信機(jī)制研究主要在技術(shù)類型、業(yè)務(wù)融合等方面，如文獻(xiàn)[1]針對(duì)基于軟件定義的能源互聯(lián)網(wǎng)信息通信技術(shù)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[2]研究了能源互聯(lián)網(wǎng)的用戶側(cè)信息通信網(wǎng)絡(luò)；文獻(xiàn)[3]提出了面向能源互聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車充電站通信模式；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了面向能源互聯(lián)網(wǎng)的電力-通信聯(lián)合仿真平臺(tái)；文獻(xiàn)[5]分析了能源互聯(lián)網(wǎng)信息通信的關(guān)鍵技術(shù)；文獻(xiàn)[6]提出了面向能源互聯(lián)網(wǎng)的電力量子保密通信系統(tǒng)性能評(píng)估方法。但是，這些通信機(jī)制未能全部體現(xiàn)綜合能源融合的關(guān)鍵特點(diǎn)，并且與綜合能源服務(wù)聯(lián)系不緊密。

為解決綜合能源互聯(lián)網(wǎng)通信機(jī)制的問題，首先針對(duì)本文系統(tǒng)進(jìn)行了分析，著重說明了能源管理、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理、用戶實(shí)時(shí)連接和即插即用等關(guān)鍵技術(shù)和手段。通過能源路由器、信息感知和處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)阻塞消除技術(shù)說明了能源互聯(lián)網(wǎng)通信的主要機(jī)制。然后，針對(duì)綜合能源互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，說明了各層級(jí)的主要功能和構(gòu)成。最后，進(jìn)行了仿真分析。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)

含有能源互聯(lián)網(wǎng)的分布式電源通信以及能源管理之間的示意關(guān)系如圖1所示。其中，分布式電源主要包括風(fēng)機(jī)、光伏、水電和儲(chǔ)能，能源管理區(qū)域包括數(shù)據(jù)中心、控制中心和智慧能源管理系統(tǒng)等。能源路由部署于系統(tǒng)各主要節(jié)點(diǎn)，用來提供能源和通信服務(wù)。其中，廣域電網(wǎng)能夠提供不同區(qū)域之間的能源和信息交換，并且能源路由器在該過程中起到了智慧能源管理以及通信的實(shí)現(xiàn)要求。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)

另一方面，能源路由器可以在能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中提供全局能源定位，并且可以根據(jù)能源潮流的雙向流動(dòng)以及設(shè)備分類的具體功能，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的通信傳輸任務(wù)。另外，能源路由器與分布式電源建立聯(lián)系，可以使得分布式電源的位置和運(yùn)行最佳。在能源管理區(qū)域部分，數(shù)據(jù)中心和控制中心可以幫助能源互聯(lián)網(wǎng)在用戶側(cè)和電源側(cè)建立能源管理聯(lián)系。同時(shí)，電能信息控制和監(jiān)測(cè)主要依靠智能表記實(shí)現(xiàn)。

在能源互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)量是十分龐大的，因此會(huì)造成通信網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞?，F(xiàn)階段主要利用光纖通信、電力電纜通信和蜂窩通信等方式提升數(shù)據(jù)的傳輸效率。能源互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)主要依靠能源路由器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)設(shè)備和消費(fèi)側(cè)用電信息狀態(tài)的數(shù)據(jù)交換。

a.能源管理。與智能電網(wǎng)不同的是，能源互聯(lián)網(wǎng)需要針對(duì)大規(guī)模多種能源進(jìn)行集中管理，為實(shí)現(xiàn)這類能源的管理高效化，能源路由器需要監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)狀態(tài)、潮流、電能質(zhì)量和用戶側(cè)實(shí)時(shí)狀態(tài)。同時(shí)能源路由器可以完成能源流靈活可靠的調(diào)度。

b.網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理是綜合能源管理的重要方面，在智能電網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)管理取決于輸電和配電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，能源路由器分為聯(lián)網(wǎng)模式和孤島運(yùn)行模式。在聯(lián)網(wǎng)模式中，能源路由器可以有效對(duì)能源流進(jìn)行管控，平衡能量輸出和終端消耗；在孤島運(yùn)行模式中，微網(wǎng)可以與主網(wǎng)脫離運(yùn)行，同時(shí)能源路由器為微網(wǎng)提供相應(yīng)保護(hù)。

c.用戶端實(shí)時(shí)連接。能源互聯(lián)網(wǎng)可以與用戶側(cè)設(shè)備以及發(fā)電側(cè)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)連接，同時(shí)掌握智能終端代理的消費(fèi)行為，基于實(shí)時(shí)通信和測(cè)量技術(shù)，能源路由器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電和用戶用電能耗實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)估計(jì)，從而為用戶用能提供多樣化、定制化選擇。

d.即插即用。為了降低分布式電源成本，非硬件成本占比逐漸增大，也就是說，固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可提升綜合能源系統(tǒng)的靈活性和安全性，因此，能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)當(dāng)支持這類即插即用技術(shù)，使得電網(wǎng)能夠有效滿足不同環(huán)境下電源需求，尤其是分布式可再生能源以及儲(chǔ)能設(shè)備等。即插即用接口具有功率轉(zhuǎn)換以及標(biāo)準(zhǔn)化通信接口的功能。功率轉(zhuǎn)換可以通過功率電子轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通信接口也可通過各種裝置與電網(wǎng)進(jìn)行連接，從而基于用戶需求進(jìn)行能源互動(dòng)。為了充分利用即插即用功能，交互操作性需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：不同能源設(shè)備應(yīng)當(dāng)相互識(shí)別；應(yīng)當(dāng)建立全局標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議；綜合能源管理設(shè)備應(yīng)全面部署。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 能源路由器

能源路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)中的核心設(shè)備，與傳統(tǒng)電力設(shè)備不同的是，能源路由器可以提供以下關(guān)鍵信息：能夠在不同種類終端之間提供功率交換雙向流動(dòng)信息；能夠具備即插即用接口支持用戶以及電力設(shè)備之間的無縫對(duì)接；可以通過能源路由器實(shí)現(xiàn)對(duì)全局網(wǎng)絡(luò)的整體能源優(yōu)化管理。

能源互聯(lián)網(wǎng)的主要特征是實(shí)現(xiàn)能源和信息流的集中高效管理。能源路由器是智慧能源轉(zhuǎn)換和管理設(shè)備之一，能源路由器與能源集中器、數(shù)字電網(wǎng)路由、E路由器等的區(qū)別對(duì)比如表1所示(表1中“√”表示含有該項(xiàng)功能)。

表1 能源路由器區(qū)別

能源路由器具備功率傳輸和信息交換的功能，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要結(jié)構(gòu)包括控制中心、多端口雙向轉(zhuǎn)換器和DC/DC變換器等。通信模塊可以提供相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)模式，控制模塊可以提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的能源交換以及微網(wǎng)能源管理，通過相應(yīng)的電力通信接口以及電能管理模塊，實(shí)現(xiàn)最終交換。

圖2 能源路由器

2.2 信息感知和處理技術(shù)

在智能感知方面，用戶側(cè)安裝多種能源智能表計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)從底層到頂層的數(shù)據(jù)更新，當(dāng)能源使用單元不能保持實(shí)時(shí)平衡時(shí)，底層控制區(qū)將發(fā)送至相應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)，從而調(diào)整關(guān)鍵信息維持系統(tǒng)平衡。云計(jì)算技術(shù)是能源互聯(lián)網(wǎng)中解決大量信息的關(guān)鍵技術(shù)，云計(jì)算結(jié)構(gòu)如圖3所示。廣域網(wǎng)絡(luò)云節(jié)點(diǎn)廣泛部署，而局域網(wǎng)絡(luò)云節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在微網(wǎng)層面的處理。當(dāng)出現(xiàn)電力短缺或電力過剩時(shí)，這類節(jié)點(diǎn)便可以優(yōu)化調(diào)度方案，通過廣域網(wǎng)絡(luò)云節(jié)點(diǎn)和局域網(wǎng)絡(luò)云節(jié)點(diǎn)的信息跟蹤，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)層面負(fù)荷的轉(zhuǎn)移和再平衡。

圖3 信息感知技術(shù)結(jié)構(gòu)

2.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

a.軟件定義網(wǎng)絡(luò)。能源路由器可以為設(shè)備和用戶提供可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，其中，網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)主要是指軟件定義網(wǎng)絡(luò)以及移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)的通信結(jié)構(gòu)如圖4所示，每個(gè)數(shù)據(jù)中心與至少2個(gè)控制節(jié)點(diǎn)相連，其中，任何1個(gè)控制節(jié)點(diǎn)都可以為數(shù)據(jù)提供相應(yīng)備份，避免數(shù)據(jù)在傳輸過程中的丟失。因此，該系統(tǒng)能夠有效提升能源互聯(lián)網(wǎng)以及能源路由器的穩(wěn)定性。

圖4 軟件定義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

b.蜂窩網(wǎng)絡(luò)。目前，蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括多個(gè)蜂窩，允許數(shù)據(jù)流在蜂窩之間無間斷傳輸?；诓煌姆植际诫娫丛O(shè)備、負(fù)荷區(qū)域和管理區(qū)域，蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的能源信息傳輸。蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于廣域通信網(wǎng)絡(luò)中，適合能源互聯(lián)網(wǎng)多種場(chǎng)景。通過智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)蜂窩資源以及信息無時(shí)延交互，能源互聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)、信息和控制指令可以更加快速地進(jìn)行響應(yīng)。這種設(shè)備的實(shí)現(xiàn)有助于提升區(qū)域電網(wǎng)綜合能源管理效率和通信質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)低延時(shí)和高可靠性傳輸。

2.4 網(wǎng)絡(luò)阻塞解決

由于能源互聯(lián)網(wǎng)中含有大量設(shè)備和能源信息，在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)傳輸可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，因此，能源互聯(lián)網(wǎng)的通信系統(tǒng)需要針對(duì)數(shù)據(jù)阻塞問題進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。如通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大量多元異構(gòu)數(shù)據(jù)可以同時(shí)傳輸，造成的大量數(shù)據(jù)流通過多種能源路由器進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸。因此，需要設(shè)計(jì)能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分布機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠通信和有效通信。在能源路由器設(shè)計(jì)層面，也需要增加信息處理模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算功能。

3 面向綜合能源的能源互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

面向綜合能源的能源互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)需要融合微網(wǎng)設(shè)備以及不同的互聯(lián)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)其信息在通信網(wǎng)絡(luò)中無阻礙傳輸、監(jiān)視和控制。本文提出的架構(gòu)分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層和云端層，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)構(gòu)架

物理層主要負(fù)責(zé)微網(wǎng)以及綜合能源互聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備狀態(tài)的感知和控制；網(wǎng)絡(luò)層定義綜合能源互聯(lián)體系的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；服務(wù)層可以根據(jù)綜合能源互聯(lián)網(wǎng)的具體需求，制定相應(yīng)的服務(wù)體系，包括中間件技術(shù)、實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)等；云端層主要包括具體的綜合能源通信系統(tǒng)應(yīng)用，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，主要包括微網(wǎng)應(yīng)用以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

3.2 物理層

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，分布式電源以及分布式微網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)體系中定義為物件，因此，在分布式電源以及多種設(shè)備組成的能源互聯(lián)網(wǎng)中，智能通信電子設(shè)備被廣泛部署。在物理層面，存在2種通信接口，第1種是分布式電源與電源網(wǎng)絡(luò)的接口，第2種是分布式電源與分布式通信網(wǎng)絡(luò)的接口。這2種通信模式采用不同的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和傳輸，其中第2種是在以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

3.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是允許物理層所收集到的信息進(jìn)行相應(yīng)深度交換的基礎(chǔ)層級(jí)，在該層中，TCP/IP作為廣泛采用的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議使用。能夠允許端對(duì)端的實(shí)時(shí)通信，從而不受物理媒介、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)層的限制。這一特性能夠取得第三方的交互性以及網(wǎng)絡(luò)的合約性，同時(shí)能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)的靈活度。網(wǎng)絡(luò)的交互性對(duì)于實(shí)現(xiàn)綜合能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和互聯(lián)是必不可少的，同時(shí)使網(wǎng)絡(luò)避免受限于具體物理媒介、設(shè)備類型以及生產(chǎn)商，能夠更加有效地提升交互質(zhì)量。

3.4 服務(wù)層

在服務(wù)層中，中間件是能夠提升服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，由于在該層中，物理設(shè)備以及云端層通過該層進(jìn)行鏈接，因此需要解決微網(wǎng)以及可靠信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系。中間件技術(shù)可以提升數(shù)據(jù)在延遲、傳送率以及帶寬等方面的質(zhì)量，具體分為消息層和路由層。在消息層，請(qǐng)求響應(yīng)以及訂閱發(fā)布的通信模式是必要的;在請(qǐng)求響應(yīng)通信模式中，可靠性、及時(shí)性以及安全性是需要確保的主要特性，另外，有效性、靈活性支持以及適應(yīng)性是由訂閱發(fā)布層進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。2種通信系統(tǒng)需要進(jìn)行互補(bǔ)協(xié)調(diào)。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)能夠提升網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸效率，降低延時(shí)和丟包率，因此能從整體上提升數(shù)據(jù)資源的利用效率，這主要是由于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信路由中的洪泛技術(shù)的應(yīng)用。在洪泛路由機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求，并將其廣泛發(fā)布至所有路由節(jié)點(diǎn)，并且這些節(jié)點(diǎn)反向傳輸這些請(qǐng)求。因此，洪泛過程經(jīng)過4跳之后停止，這一循環(huán)信息可以確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少有1次收到傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

為避免相應(yīng)信息的不必要重復(fù)傳輸、降低網(wǎng)絡(luò)的流量，微網(wǎng)聚類算法應(yīng)用于信息和報(bào)文的路由過程，聚類是針對(duì)相應(yīng)共同目標(biāo)的物理設(shè)備的邏輯群。在路由層面，相應(yīng)的邏輯匯聚點(diǎn)由請(qǐng)求響應(yīng)或者發(fā)布訂閱通信模式進(jìn)行確定。針對(duì)請(qǐng)求訂閱路由，匯聚節(jié)點(diǎn)主要根據(jù)分布式電源以及綜合能源的具體功能來確定；而在發(fā)布訂閱路由模式中，匯聚主要是依靠訂閱的規(guī)則進(jìn)行分類的。

3.5 云端層

云端層主要負(fù)責(zé)歷史數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析，從而提升應(yīng)用和服務(wù)質(zhì)量。云端層包括虛擬服務(wù)器平臺(tái)以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示層，歷史數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，同時(shí)提供云端數(shù)據(jù)的分析接口。

4 能源互聯(lián)網(wǎng)通信仿真分析

為說明上述能源互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的有效性，針對(duì)含有居民負(fù)荷、光伏發(fā)電以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試。并且考慮網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用分時(shí)電價(jià)，從而動(dòng)態(tài)管理負(fù)荷曲線、儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)和光伏發(fā)電量等。其中，向用戶提供的電能主要包括分布式光伏、從主網(wǎng)購得電能以及儲(chǔ)能電池的發(fā)電量。其中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的負(fù)荷主要分為關(guān)鍵負(fù)荷和非關(guān)鍵負(fù)荷，非關(guān)鍵負(fù)荷可以通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移或削減實(shí)現(xiàn)調(diào)度，這類負(fù)荷占比為總負(fù)荷的40%，其仿真網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。利用請(qǐng)求響應(yīng)的通信模式進(jìn)行測(cè)試。

圖6 響應(yīng)波形

測(cè)試2節(jié)點(diǎn)在請(qǐng)求響應(yīng)模式和訂閱發(fā)布下的非關(guān)鍵負(fù)荷時(shí)間響應(yīng)結(jié)果如表2所示。

表2 求解結(jié)果對(duì)比

在請(qǐng)求響應(yīng)模式中，請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)需要等待響應(yīng)，可以看出，在最長(zhǎng)響應(yīng)模式下本文的通信體系能夠滿足微網(wǎng)需求，即在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)控制信息上報(bào)、報(bào)文請(qǐng)求時(shí)間要求和分布式數(shù)據(jù)管理方面的要求。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)綜合能源背景下的能源互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，說明了請(qǐng)求響應(yīng)和訂閱發(fā)布模式下，可以有效提升非關(guān)鍵負(fù)荷的響應(yīng)時(shí)間結(jié)果，且能夠根據(jù)本文所提的網(wǎng)絡(luò)層以及服務(wù)層進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸。傳輸結(jié)果也說明了本文系統(tǒng)能夠滿足綜合能源互聯(lián)網(wǎng)多業(yè)務(wù)類型傳輸?shù)臅r(shí)間要求。

由于本文系統(tǒng)主要利用關(guān)鍵的感知技術(shù)以及能源路由器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸管理，在數(shù)據(jù)分析、處理和存儲(chǔ)環(huán)節(jié)仍需進(jìn)一步研究，以保證綜合能源互聯(lián)網(wǎng)能夠在全環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)高效通信。