CN102426438A - 一种基于泛能网关的泛能网系统及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于泛能网关的泛能网系统及其构建方法。该系统包括：位于所述泛能网系统的最底层的泛能控制层(1)，用于接收来自上层网络的指令，对一能源四环节子系统的各个终端设备进行控制；在所述泛能控制层(1)之上的局域优化层(2)，用于基于预定的优化策略产生优化信息，并将该优化信息发送给每个能源四环节子系统，同时将局域运行信息发送给所述上层网络；在所述局域优化层(2)之上的广域协调层(3)，用于接收来自于所述局域优化层(2)的信息，对整个区域的能源运行情况进行协调规划，并将协调规划信息下发给下级网络的各个节点。

Description

一种基于泛能网关的泛能网系统及其构建方法

技术领域

本发明涉及到实现能源优化利用的泛能网技术，具体的，涉及到一种基于泛能网关的泛能网系统，以及该系统的构建方法。

背景技术

物质和能源是人类社会的生存发展不可或缺的两大重要组成要素，随着世界人口的急剧膨胀，自然资源的日渐减少，对于物质和能源的需求日益紧迫，严重时甚至在局部地区引发争端和战争。

有鉴于此，节能环保，如何节约、高效的使用自然界中有限的物质和能源，已经成为世界各国人民的共识，成为各国科学家亟待研究的课题。

21世纪是信息技术突飞猛进发展的时代。在当前的信息时代，利用信息技术提高物质和能源的利用效率，是促进节能环保技术的发展的一个主要途径。具体来说，就是要利用信息技术对现有的物质和能源的生产、储存、应用、再生网络进行优化，实现智能化的调度和利用，从而最大限度的节约能源，提高物质和能源的利用效率。

因此，需要对物质、能源、信息进行三流耦合以实现分层优化和智能应用。对于上述的三流耦合和分层优化，目前国内外已经有一些比较接近的思路，但是这些已有的思路存在着多种缺陷。

例如在国内，类似的有国家电网的智能电网，该智能电网是将现有的电力网与网络通信技术相结合，实现电能生产、传输和利用的智能化，其基本特征是在技术上要实现信息化、自动化、互动化。然而，国家电网的智能电网技术仅仅是单一针对电能的信息化技术。

在国外，类似的有IBM的“智慧地球”和“云计算”概念。智慧地球也称为智能地球，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。“智慧地球”的实质是物联网与互联网整合，以实现物与物的连接。云计算则是在最顶层提供一定的数据服务功能。

但是，上述两种方案都缺乏对能源系统综合的优化和协调控制，导致不能完全实现用户所期望的经济利益和社会效益。并且，这两种方案完全依赖于物联网和互联网的覆盖率，因而在Internet没有覆盖的区域缺乏信息交互的方案。此外，这些方案中的网络结构扁平庞大而复杂，无法根据用户需求改变系统规模，从而无法实现灵活而健壮的组网优化。

现有技术中的思路都是利用已有的网络组成混合组网系统。在该混合组网系统中，能量、物质与信息处于不同的管网子系统，通过中央控制器和电子通信技术实现互连。进而，以信息网关为核心在一定程度上完成单一类型的能源或者应用技术的改进。这种改进在系统模型和优化范畴方面存在诸多局限性。

此外，现有技术中都是采用混合组网、同步运行的思路，而没有从根本上解决能量、物质和信息的三流耦合与分离的技术实现问题。由于这种混合网络存在一些固有的技术局限性，导致先进的通信技术在能源领域内的行业应用存在多种困难，具体表现在如下3个方面：

(1)通信网络的完备性影响整个泛能网的覆盖区域。

无论是有线还是无线方式，通信网络都难以杜绝覆盖盲区，有些时候还需要专门的工程措施和设备。对于一些成熟的能源系统来说，增加额外的通信网络存在困难。

(2)通信网络对于环境的要求有时难以满足。

现代通信技术是通过电磁信号实现信号的传播。电子设备和电磁信号对于温度、湿度、障碍物规模等因素敏感。能源领域内常见的工作环境往往不能满足通信的要求。例如，500℃左右烟气温度信息的长距离传播，湿度和地形复杂的井下环境信息的传输等。

(3)电子信息技术的发展方向和能源行业的需求存在一定的差异。

长期以来，电子信息技术，特别是通信技术，致力于更大带宽、更高速率的方向，器件和算法理论都具有高采样、大容量、扁平化的发展趋势。而业务的QoS(Quality of Service，服务质量)往往因为通信技术和环境的高复杂度变得难以控制，这是通信技术行业应用的一项重要障碍。另一方面，在能源领域中对于通信数据流量的要求不是很大，但对于信号的精确程度则要求很高，往往需要16bit甚至更高的采样精度(通信系统的采样精度一般在10bit以下)。更重要的是，能源领域内的交互信息和能量与物质的生产与流通直接相关。因而期望信息能够被100％的正确传输，至少是QoS完全可控。

有鉴于此，有必要对现有技术中的这种混合组网进行升级，从基础的原理方法上寻找解决问题的根本途径，提出一种完全不同的信息传播机制，并且可以和能源领域的行业特点紧密结合，尽量利用现有的技术设备，实现能源、物质和信息的三流耦合和分层优化，构建一种全新的泛能网。

本申请人在中国专利申请201010173519.1和201010173433.9中提出了泛能网的方案，以实现各种能源和物质的智能化和信息化，以及多能源(多种类型的能源和/或来自多个地理位置的能源)的耦合利用、管理和交易服务，其全文内容以引用方式结合在本发明中。

泛能网提出了能量、物质和信息三流耦合以及分层优化等概念，用于实现各种能源和物质的智能化和信息化，包括冷、热、电、燃气等能源种类以及能源系统中物流网络的智能化。

但是，现有技术中没有有关泛能网结构设计的技术方案，也没有涉及实现这种泛能网的三流耦合和分层优化的技术方案。

发明内容

本发明正是针对上述技术问题而提出，本发明的目的是提供一种基于泛能网关的泛能网系统及其构建方法，用于实现能源/物质的物理实体与数字信息的耦合。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于泛能网关的泛能网系统，该系统包括：泛能控制层1，其位于所述泛能网系统的最底层，接收来自上层网络的指令，以泛能网关10为网络节点，用于对一能源四环节子系统的各个终端设备进行控制，该能源四环节子系统包括能源生产101、能源储存102、能源应用103和能源再生104这四个环节；局域优化层2，其位于所述泛能网系统的中间层，在所述泛能控制层1之上，以局域优化器20为网络节点，用于接收来自所管辖区域内的各个能源四环节子系统的运行信息和来自上层网络的协调规划信息，基于预定的优化策略产生优化信息，并将该优化信息发送给每个能源四环节子系统，同时将局域运行信息发送给所述上层网络；广域协调层3，其位于所述泛能网系统的最高层，在所述局域优化层2之上，以广域协调器30为网络节点，用于接收来自于所述局域优化层2的信息，对整个区域的能源运行情况进行协调规划，并将协调规划信息下发给下级网络(即泛能控制层或局域优化层)的各个节点。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于泛能网关的泛能网系统的构建方法，该方法包括以下步骤：在所述泛能网系统的最底层构建泛能控制层1，其用于接收来自上层网络的指令，对一能源四环节子系统的各个终端设备进行控制，该能源四环节子系统包括能源生产101、能源储存102、能源应用103和能源再生104这四个环节；在所述泛能控制层1之上构建局域优化层2，其用于接收来自所管辖区域内的各个能源四环节子系统的运行信息和来自上层网络的协调规划信息，基于预定的优化策略产生优化信息，并将该优化信息发送给每个能源四环节子系统，同时将局域运行信息发送给所述上层网络；在所述局域优化层2之上构建广域协调层3，用于接收来自于所述局域优化层2的信息，对整个区域的能源运行情况进行协调规划，并将协调规划信息下发给下级网络的各个节点。

并且，本发明所述的泛能流的耦合与分离过程是通过基于MEMS技术的智能芯片完成的。

根据本发明的技术方案，通过对实体介质物理量的设置，实现了信息的实体化，进而与普通能量流/物质流合并传输，实现了能源/物质的智能化。同时，基于对智能能量/物质流实体介质物理量的测量，实现了信息的获取，进而实现泛能流的分离。

进而，可以方便快捷地实现能源智能化和信息实体化，在一定范围内实现基于泛能流的能源四环节综合优化，提高能源利用效率，降低成本和消耗，获得最大的系统能效。

附图说明

图1是根据本发明实施例的泛能网的结构示意图；

图2是图1中所示泛能网关的工作过程示意图；

图3是根据本发明实施例的泛能网关的结构示意图；

图4是图3中所示的泛能接收器的工作流程图；

图5是图3中所示的泛能生成器的工作流程图；

图6是图3中所示的泛能解析芯片的结构示意图；

图7是图3中所示的泛能生成芯片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。

泛能网技术是将能量流、物质流和信息流耦合成同一网络的智能协同技术，最大程度的体现了机机互感、人机互动和人人互智的网络化关系。该技术通过能效匹配系统、智能控制中心和智能云服务平台实现了能量空间、信息空间和物质空间的介质同构和无缝连接，从而实现了能量的高效应用。

所谓介质同构，是指能量、物质、信息的传输介质相同，或者满足相同的传输环境。传统技术中，信息通过无线电波或者有线方式(如胶皮信号线、光缆等)传播。能量和物质根据其不同种类通过完全不同的管道传输，它们所需的传输环境完全不同。通过实现介质同构，可以使能量、物质和信息在相同的介质管路中存在，实现完全耦合与同步传输。

图1为本发明提出的泛能网的结构示意图。

参见图1，一个基本的能源四环节子系统构成了本发明的泛能网系统中的能量部分，包括能源生产101、能源储存102、能源应用103和能源再生104，以及这个四个环节的终端设备之间能量的传输管线和连接设备。该能源四环节包括各种终端设备(Terminal Device)，例如光伏一体板、真空集热器、燃气发电机、热泵、储冷罐、蓄电池、各种家电、微藻池等。每个终端设备都具备自动控制功能，能够采集本地物理信息，可接受外部的控制命令。

本发明提供的泛能网系统中运行的是介质同构的能源、物质、信息耦合流，各环节的设备之间不需要单独设计另外的能源和物质管网，泛能网关10与各个环节的终端设备之间也没有电子信息通讯通道，无论是有线或者无线方式。

如图1所示，本发明提出的泛能网从功能角度可分为三个层级，自下向上分别为：泛能控制层1、局域优化层2和广域协调层3。

泛能控制层1位于泛能网的最底层，其网络节点为能效控制器，该能效控制器以泛能网关10为核心，用于实现基本的能源四环节(包括能源生产101、能源储存102、能源应用103和能源再生104)之间实时的泛能变换与转发。泛能控制层1接收来自于上层网络的优化指令，综合所述能源四环节子系统的运行信息和来自上层网络节点的优化信息，基于本地最优控制的策略，对本地范围内上述能源四环节中的各个终端设备进行控制，实现控制范围内四环节子系统的能效最优，并将子系统运行信息反馈给上层网络。

局域优化层2位于泛能网的中间层，在泛能控制层1之上，其网络节点为局域优化器20，用于对一个区域内多个能源四环节子系统进行综合优化。局域优化层2接收两个方向的消息：内部接收辖区内各个四环节子系统的运行信息；外部接收上层网络的协调规划信息。局域优化层2综合这些信息，基于预定的优化策略产生优化信息，并发送给每个四环节子系统，同时将局域运行信息发送给上层网络。

广域协调层3位于泛能网的最高层，在局域优化层2之上，其网络节点为广域协调器30，用于接收来自于局域优化层2的信息，借助云计算、云优化等手段对整个区域的能源运行情况进行统一协调规划，并将协调信息下发给下级网络(例如是泛能控制层或局域优化层)的各个节点。

图2为图1中所示的泛能网关10的工作过程示意图。

如图2所示，本发明的泛能网关10构成泛能控制层的核心单元，用于实现能源四环节不同设备之间的泛能转换，并能根据系统模型和运行情况调节各个环节的泛能流动，实现系统能效最优。

具体来说，泛能网关10实现了能源四环节的各个终端设备之间泛能流的翻译和转发，将来自于不同设备接口定义的信息进行统一描述，再以接收端能够理解的方式发送出去，泛能网关的该作用与传统的信息网关的作用类似。如图2所示，作为泛能流的一部分的物质流在能源四环节的终端设备之间流动。根据本发明，能源四环节的各个终端设备彼此之间不存在直接的信息通信通道，而是通过泛能网关10实现信息互连。每个所述终端设备和泛能网关10之间都存在双向的信息通道，用于传输设备运行状况、工作环境等的传感信息和控制信息。

因为工艺和工作机理的不同，各个终端设备能够收发的泛能介质和构成方式不同，泛能网关需要分别对不同类型的输入泛能流进行分离，转化为统一的物质、能量和信息形式并存储起来；再经过内部优化和控制实施，生成接收设备能够直接识别和使用的耦合泛能；并通过统一的物理介质(即同构介质)发送给接收设备。

本发明中，三流耦合的目的是实现信息和能量介质在相同的物理环境中传输，即实现能量、物质与信息的介质同构。根据能量与物质的各种介质特点，可以有不同的耦合方法，现举例说明如下。

<频域区分>

在频域上对能量信号和控制信号进行区分，在同一物理介质中采用不同频率的信号分别传输能量信号和控制信号。例如电力传送，可以在低频电力线上加载高频控制信号，使得电力能量和控制信号在同一个电力胶皮线上传输。作为能量的电力信号是50Hz的低频信号，而将作为控制信号的高频的电力线载波混叠在一起。由于控制信号并不需要很大的电压，对于整个电网的载荷几乎没有影响，而在收发端通过混频/滤波技术实现电力网络中能量与信息的并存。

本发明中，频域区分的耦合方法不仅限于电力传输，其他适合用频率表征的能量的传输也可以采用频域区分的方法传输。并且，控制信号的传输也不仅限于高频信号，低频信号或能够与能量频率区分开来的其他频率信号均可以适用(例如通过电力线载波传输有线电视信号)。

<时域区分>

在时域上对能量信号和控制信号进行区分，在同一物理介质中在不同的时间段分别传输能量信号和控制信号。例如，在能量和物质的传输过程中定义固定时间周期的帧结构，每个帧由控制区域和用户区域构成，其中用户区域的物理介质没有信息，只是作为单纯的能量/物质载体，而控制区域的物理介质的物理量(例如温度、压力和浓度等)是对控制信息的表达形式，以此形成该帧的信息标签。

例如供暖系统中热能的传输，是以水作为物理介质传输热能。热力管路中的热水，每隔固定的时间段(例如每10秒钟)就插入一个小的时间片段(比如1秒)表示控制信息的“信息水”，信息水的温度、压力等物理量是对控制信息的表达，其余时间片段内的热水不包含信息，仅是单纯的能量介质。这样，仅通过统一的介质水就可以实现信息和能量的耦合和传输，从而实现了物质、能量和信息的介质同构。

本发明中，时域区分的耦合方法不仅限于热能传输，其他适合用时间表征的能量的传输也可以采用时域区分的方法传输。

<空域区分>

在空域上对能量信号和控制信号进行区分，在同一物理介质中在不同的空间位置分别传输能量信号和控制信号。即使用相同的介质在空间上实现能量和信息的区分。例如，在铺设能量和物质管线的同时，在原来的管线旁边附加两根很细小的微管，用于双向传输控制信息。这种情况下，附加的微管可用于硅片级(例如基于MEMS技术的芯片)的控制和识别，因而微管直径(可以是mm或者um级)远远小于原来的能量管线，信息微管上的能量相对于整个管网的能量可以忽略，从而可以实现物质、能量与信息在同一个实体网络中的耦合传输。

例如在某些超高温等有害环境下，在能量介质主管道旁边，并行安排传输信息介质的微管，微管中介质的温度、浓度、压力、组份等物理量构成对控制信号的表达，由于该微管得传输环境需求和主管道中介质的传输需求相同，因此可以实现信息与物质、能量在同一传输环境中的耦合传输。

<特殊组份>

在不便于通过上述频域区分、时域区分、空域区分等方式实现三流耦合的场合，可以通过在已有的物质和能量的传输介质中添加微量的特殊组分来表征控制信息。具体的说，可以在物理介质中加入某种不影响系统运行的微量特殊组分，其温度、浓度、压力、组份等物理量构成能量和物质的状态信息和控制信息，通过MEMS技术实现对该特殊组分的识别和精确添加，进而实现数字信息与能量和物质的同介质耦合。也就是说，用能量介质的物理量来表示所要传输的信息。

例如，在通过燃气管网传输化学能的系统中，可以在燃气管道中加入给定浓度和压力的特殊气体，该气体的浓度和压力等物理量是对控制信号的表达，而这种特殊气体和燃气共存，可以同时在燃气网络中传输，从而实现信息与物质、能量在同一传输介质中的耦合传输。

图3是根据本发明实施例的泛能网关10的结构示意图。

本发明的泛能网关是由基于MEMS技术(微机电：Micro-Electro&Mechenical System)的MEMS智能芯片(MEMS Smart Chip)构建而成的。MEMS智能芯片是具备信息转换和处理功能的高性能芯片，能够完成能量/物质和信息之间的转换，具有精度高、功耗低、寿命长、性能稳定、成本低廉等优点。

如图3所示，泛能网关10包含以下功能部件。

泛能接收器11，构成泛能网关中的泛能接收模块，其核心部件为泛能解析芯110。该泛能接收器11将来自于能源四环节以及局域优化器20的泛能流分别进行解析和分离，得到离散的能量流、物质流和信息流，并暂存于泛能存储器12中。

泛能存储器12，为泛能网关中的存储单元，是统一的高效泛能存储介质。泛能存储器12用来实现包含冷、热、电等能量介质以及系统运行物质和信息的存储。在泛能接收过程中，解析出的能量、物质和信息暂存于泛能存储器中；在泛能生成过程中，泛能存储器提供耦合泛能所必须的能量介质、物质和信息。

泛能优化器13，构成泛能网关中的策略执行和优化模块。泛能优化器13用于根据接收到的上层优化信息和本地能源四环节子系统的各个终端设备的运行信息，在系统模型的基础上计算出能量和物质在各个环节之间的流向和数量，以及伴随该能量和物质的控制信息。

具体来说，泛能优化器13在工作过程中根据各个能源设备的频度(例如工作周期，频率等)和条件(例如通信能力，物理环境等)收集来自于上层的决策信息和来自于能源四环节终端设备的运行信息，以系统能效最优为目标生成各个能源环节的控制信息和能源四环节子系统的运行信息。

泛能生成器14，构成泛能网关中泛能生成模块，其核心部件为泛能生成芯片140，用于实现能量流、物质流和信息流的耦合，形成复合的泛能流。

具体来说，泛能生成器14实现信息与能量、物质的耦合，针对每个输出端口，根据泛能优化器13的优化结果配置能量、物质的数目和构成，并与对应的信息耦合，生成接收方所需要的并且能够识别的泛能流。

下面介绍根据本发明的泛能网实现泛能耦合的过程。

图4为图3中所示泛能接收器11的工作流程图。如图4所示，本发明的泛能接收器11的工作流程包括下述步骤：

步骤S401：区分输入端口类型是能源生产、能源储存、能源应用和能源再生的哪一种；

步骤S402：针对每一个输入端口，查询其泛能耦合方式；

这里，泛能网系统中已经预先设定了各种类型输入端口所对应的泛能耦合方式。具体的耦合方式可参见前文描述的四种方式。因此，只要确定了输入端口的类型，就可以查询到对应的泛能耦合方式。

步骤S403：根据该端口对应泛能的耦合方式，实现用户信道和控制信道的分离；

这里，用户信道是指单纯的能量介质部分，而控制信道是指包含控制信息的能量介质部分，即构成信息标签的信息介质。即所述用户信道对应于构成能量载体的能量介质，所述控制信道对应于构成信息载体的信息介质。

这里，上述分离方法与泛能流中能量/物质与信息的介质同构的耦合方式的对应关系为：

频域区分→频域滤波，实现高频信号与低频信号的分离；

时域区分→定时开关，实现用户和控制分离；

这里，预先定义了能量和信息的帧结构，通过一个定时改变阀门的状态实现能量与信息的区分。也就是说，在一帧的用户能量时间段内，阀门处于一个状态，此时能量介质直接作为单纯的能量处理；而在包含控制信息的时间段内，阀门则处于另外一个状态，此时从阀门流出的能量介质(即信息介质)需要进行信息解析。

空域区分→确定微管位置，实现接口直连；

即确定哪一根微管包含有需要解析的信息，则将该微管接入，直接对其中的信息介质进行测量，从而获得控制信息。

特殊组分→直接检测附加的特殊组分，不需要介质分离。

步骤S404：判断是否为用户信道或控制信道；

步骤S405：如果是用户信道，则区分能量介质的类型，将能量介质存入泛能存储器12所对应的冷、热、电等能源存储装置或者物质仓库，该步骤中，实际上是通过能量介质(如冰块、热水、电荷)的存储来实现能量(冷、热、电)的存储；

步骤S406：如果是控制信道，则通过检测其信息介质的物理量，解析其中信息介质的状态信息或者控制信息；

步骤S407：将检测后的控制信道的信息介质(即包含有状态信息或者控制信息的能量介质)分类型存入泛能存储器12，实现信息介质的回收；

步骤S408：轮询到下一个端口，直到完成对所有端口的遍历处理。

图5为图3中所示的泛能生成器14的工作流程图。泛能生成正好是泛能接收的逆过程，其包括下述步骤：

步骤S501：区分输出端口类型是能源生产、能源储存、能源应用和能源再生的哪一种；

这里，输出端口类型由发送端携带的控制信息确定，网关需要根据控制信息确定输出端即可。

步骤S502：针对每一个输入端口，查询其泛能耦合方式；

这里，泛能网系统中已经预先设定了各种类型输入端口所对应的泛能耦合方式。具体的耦合方式可参见前文描述的四种方式。因此，只要确定了输入端口的类型，就可以查询到对应的泛能耦合方式。

步骤S503：判断是否为控制信道或用户信道；

步骤S504：如果控制信道，则首先从泛能存储器12中提取控制信道所需的信息介质，该介质与该端口所需的能量/物质是同构的，并通过对其物理量的控制(例如加温、加压、浓度控制或者输入定量的特殊成分等方式)实现控制信息的实体化；

步骤S505：如果是用户信道，则从泛能存储器12中提取用户信道所需的能量和物质；

步骤S506：根据该端口输入泛能的耦合方式，实现用户信道和控制信道的耦合(耦合方式参见图2及其文字说明)，获得该输出端口所需要的泛能流；

步骤S507：轮询到下一个端口，直到完成对所有端口的遍历处理。

图6为图3中所示的泛能解析芯片110的结构示意图。该泛能解析芯片110是基于MEMS技术的智能芯片，其包括MEMS信息感知模块1101、A/D转换模块1102和第一数字信号处理模块1103。

MEMS信息感知模块1101对外部输入的泛能载体的物理量进行感知和测量，实现能量流、物质流、信息流的分离，并以模拟信号的形式输出感知结果。

A/D转换模块1102用于对MEMS信息感知模块1101输出的所述感知结果进行信息的模拟/数字转换，变为能够为第一数字信号处理模块1103识别的数字信号。

第一数字信号处理模块1103经过算法处理和转译，将A/D转换模块1102提供的数字信号转化为数字信息，实现能源介质物理量向数字信息的转换，获得数字化的信息流。

图7为图3中所示的泛能生成芯片140的结构示意图。该泛能生成芯片140是基于MEMS技术的智能芯片，其针对每个终端设备，根据泛能优化器13的优化结果配置能量、物质的数目和构成(例如，通过设定能量和物质的阀门大小、流速、压力等方式实现所述优化结果)，并与对应的信息耦合，生成接收方所需要的并且能够识别的泛能流。

本发明的泛能生成芯片140包括第二数字信号处理模块1401、D/A转换模块1402和MEMS机电控制模块1403。

第二数字信号处理模块1401对输入的数字信息经过算法处理和转译，变成数字化的能源介质物理量，该能源介质的物理量此时以数字化形式存在。

D/A转换模块1402实现上述能源介质物理量的数字/模拟转换，变为能够直接驱动MEMS硅基板电路的模拟量。

MEMS机电控制模块1403在D/A转换模块1402输入模拟量的作用下，改变能源/物质介质的温度、压力、密度、组分等物理量，或者精确释放定量的特殊组分介质。实现数字信息向能源介质物理量的转换，并与能量流、物质流耦合，获得泛能载体输出。

如上所述为本发明的主要技术方案，其具有下述优点和显著效果：

(1)以泛能网关为核心的泛能运行网络，相比传统的混合组网方式，由于实现能量、物质与信息的物理介质同构化，传输的适应性和可靠性大大增强；

(2)泛能网关能快速配置出各个环节所必须的泛能内容与数量，一次性实现物质、能量和信息的复合传输，减少控制节点，降低时延；

(3)网络分层功能清晰，各个网络节点的控制目标和策略明确，便于将能源系统大规模、长周期、强耦合复杂优化目标快速分解实现；

(4)首次实现泛能网三流耦合的终极目标，信息通过物理介质传输，其载体可以用于回收和利用，避免传统技术造成的电子信息垃圾问题。

(5)本发明的智能芯片基于MEMS技术和CMOS技术，具有精度高、成本低、功耗小、体积小、重量轻等优点，并且工作寿命和可靠性上有不可比拟的优势，因而可以大幅降低系统的制造和运维成本。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (25)

1.一种基于泛能网关的泛能网系统，用于实现能量流、物质流和信息流的耦合和分离，该系统包括：

泛能控制层(1)，其位于所述泛能网系统的最底层，接收来自上层网络的指令，以泛能网关(10)为网络节点，用于对一能源四环节子系统的各个终端设备进行控制，该能源四环节子系统包括能源生产(101)、能源储存(102)、能源应用(103)和能源再生(104)这四个环节；

局域优化层(2)，其位于所述泛能网系统的中间层，在所述泛能控制层(1)之上，以局域优化器(20)为网络节点，用于接收来自所管辖区域内的各个能源四环节子系统的运行信息和来自上层网络的协调规划信息，基于预定的优化策略产生优化信息，并将该优化信息发送给每个能源四环节子系统，同时将局域运行信息发送给所述局域优化层的上层网络；

广域协调层(3)，其位于所述泛能网系统的最高层，在所述局域优化层(2)之上，以广域协调器(30)为网络节点，用于接收来自于所述局域优化层(2)的信息，对整个区域的能源运行情况进行协调规划，并将协调规划信息下发给下级网络的各个节点。

2.根据权利要求1所述的泛能网系统，其中，所述耦合是使得所述能量流、物质流和信息流在相同的物理介质中传输，实现这三者的介质同构。

3.根据权利要求2所述的泛能网系统，其中，所述耦合的方式包括频域区分耦合、时域区分耦合、空域区分耦合和特殊组份耦合。

4.根据权利要求3所述的泛能网系统，其中，所述频域区分耦合是指在频域上对能量信号和控制信号进行区分，在同一物理介质中采用不同频率的信号分别传输能量信号和控制信号。

5.根据权利要求3所述的泛能网系统，其中，所述时域区分耦合是在时域上对能量信号和控制信号进行区分，在同一物理介质中在不同的时间段分别传输能量信号和控制信号。

6.根据权利要求3所述的泛能网系统，其中，所述空域区分耦合是指在空域上对能量信号和控制信号进行区分，在同一物理介质中在不同的空间位置分别传输能量信号和控制信号。

7.根据权利要求3所述的泛能网系统，其中，所述特殊组份耦合是指通过在已有的物质和能量的传输介质中添加微量的特殊组分来表征控制信息。

8.根据权利要求1所述的泛能网系统，其中，所述泛能网关(10)用于实现所述能源四环节的各个终端设备之间泛能流的翻译和转发。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的泛能网系统，其中，所述泛能网关(10)包括：

泛能接收器(11)，用于对来自于所述能源四环节子系统以及所述局域优化器(20)的泛能流分别进行分离，得到离散的能量流、物质流和信息流，并存储在泛能存储器(12)中；

泛能存储器(12)，用于实现能量、物质和信息的存储；

泛能优化器(13)，用于生成能量和物质在所述各个环节之间的流向和数量以及伴随的控制信息，以进行能效优化；

泛能生成器(14)，用于实现能量流、物质流和信息流的耦合以形成泛能流。

10.根据权利要求9所述的泛能网系统，其中，所述泛能接收器(11)中具有基于MEMS的泛能解析芯片(110)。

11.根据权利要求10所述的泛能网系统，其中，所述泛能解析芯片(110)包括：

MEMS信息感知模块(1101)，用于对外部输入的能源介质的物理量进行感知和测量，并以模拟信号的形式输出感知结果；

A/D转换模块(1102)，用于通过模拟/数字转换把所述感知结果转换为数字信号；

第一数字信号处理模块(1103)，用于将所述A/D转换模块(1102)提供的数字信号转化为数字信息，实现能源介质物理量向数字信息的转换。

12.根据权利要求9所述的泛能网系统，其中，所述泛能生成器(14)中具有基于MEMS的泛能生成芯片(140)。

13.根据权利要求12所述的泛能网系统，其中，所述泛能生成芯片(140)包括：

第二数字信号处理模块(1401)，用于把输入的数字信息转换成数字化的能源介质物理量；

D/A转换模块(1402)，用于将上述能源介质物理量转换成能够直接驱动MEMS硅基板电路的模拟量；

MEMS机电控制模块(1403)，用于在所述D/A转换模块(1402)输出的模拟量的作用下，改变所述能源介质物理量或释放特定量的特殊组分介质。

14.一种基于泛能网关的泛能网系统的构建方法，用于实现能量流、物质流和信息流的耦合和分离，该方法包括以下步骤：

在所述泛能网系统的最底层构建泛能控制层(1)，其用于接收来自上层网络的指令，对一能源四环节子系统的各个终端设备进行控制，该能源四环节子系统包括能源生产(101)、能源储存(102)、能源应用(103)和能源再生(104)这四个环节；

在所述泛能控制层(1)之上构建局域优化层(2)，其用于接收来自所管辖区域内的各个能源四环节子系统的运行信息和来自上层网络的协调规划信息，基于预定的优化策略产生优化信息，并将该优化信息发送给每个能源四环节子系统，同时将局域运行信息发送给所述上层网络；

在所述局域优化层(2)之上构建广域协调层(3)，用于接收来自于所述局域优化层(2)的信息，对整个区域的能源运行情况进行协调规划，并将协调规划信息下发给下级网络的各个节点。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述耦合是使得所述能量流、物质流和信息流在相同的物理介质中传输，实现这三者的介质同构。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述耦合的方式包括频域区分耦合、时域区分耦合、空域区分耦合和特殊组份耦合。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述频域区分耦合是指在频域上对能量信号和控制信号进行区分，在同一物理介质中采用不同频率的信号分别传输能量信号和控制信号。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述时域区分耦合是在时域上对能量信号和控制信号进行区分，在同一物理介质中在不同的时间段分别传输能量信号和控制信号。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述空域区分耦合是指在空域上对能量信号和控制信号进行区分，在同一物理介质中在不同的空间位置分别传输能量信号和控制信号。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述特殊组份耦合是指通过在已有的物质和能量的传输介质中添加微量的特殊组分来表征控制信息。

21.根据权利要求14所述的方法，其中，以泛能网关(10)为网络节点构建所述泛能控制层(1)，所述泛能网关(10)用于实现所述能源四环节的各个终端设备之间泛能流的翻译和转发。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，通过在所述泛能网关(10)中构建泛能生成器(14)，以实现能量流、物质流和信息流的耦合并形成泛能流。

23.根据权利要求14-22中任一项所述的方法，其中，所述形成泛能流的方法包括以下步骤：

区分输出端口类型(S501)；

针对每一个输入端口，查询其泛能耦合方式(S502)；

判断是否为控制信道或用户信道(S503)，所述用户信道对应于构成能量载体的能量介质，所述控制信道对应于构成信息载体的信息介质；

如果控制信道，则从泛能存储器中提取控制信道所需的信息介质，并通过对其物理量的控制实现控制信息的实体化(S504)；

如果是用户信道，则从泛能存储器中提取用户信道所需的能量和物质(S505)；

根据该端口输入泛能的耦合方式，实现用户信道和控制信道的耦合，从而获得该输出端口所需要的泛能流(S506)；

轮询到下一个端口，直到完成对所有端口的遍历处理(S507)。

24.根据权利要求21所述的方法，其中，通过在所述泛能网关(10)中构建泛能接收器(11)对所述泛能流进行分离，得到离散的能量流、物质流和信息流。

25.根据权利要求14-22、24中任一项所述的方法，其中，对所述泛能流进行分离的方法包括以下步骤：

区分输入端口类型(S401)；

针对每一个输入端口，查询其泛能耦合方式(S402)；

根据该端口对应泛能的耦合方式，实现用户信道和控制信道的分离(S403)，所述用户信道对应于构成能量载体的能量介质，所述控制信道对应于构成信息载体的信息介质；

判断是否为用户信道或控制信道(S404)；

如果是用户信道，则区分能量介质的类型，将能量介质存入泛能存储器中(S405)；

如果是控制信道，则通过检测其信息介质的物理量，解析其中的信息介质的状态信息或者控制信息(S406)；

将检测后的控制信道的信息介质分类型存入泛能存储器，实现信息介质的再生(S407)；

轮询到下一个端口，直到完成对所有端口的遍历处理(S408)。

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