CN112165509B - 基于虚拟能量路由器的能源互联网网络架构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于虚拟能量路由器的能源互联网网络架构及其设计方法，包括：虚拟能量路由器：通过采集能源互联网的实时工作状态信息，分析系统行为，实现能源互联网能量与信息协同优化、智能管理与能量转化；物理能量路由器：物理能量路由器将测量的能源互联网的实时工作状态信息，传送给虚拟能量路由器，由虚拟能量路由器做出最优决断；分布式发电子系统：通过物理能量路由器形成互联网络，通过物理能量路由器与大电网连接。本发明顶层虚拟能量路由器和物理能量路由器可实现发电设备和用户终端双向通信和功率调配，还可实现双向能量智能调控，实现能源单元的即插即用功能，提升能源泛在化水平。

Description

基于虚拟能量路由器的能源互联网网络架构及其设计方法

技术领域

本发明涉及能源互联网与电力系统规划领域，具体地，涉及基于虚拟能量路由器的能源互联网网络架构及其设计方法。

背景技术

为了进一步解决能源危机与环境污染问题，能源互联网是在第三次工业革命背景下，基于现有能源供给系统与智能电网的基础上，融合了先进的新能源发电与信息通讯技术的新一代能源利用体系。

在能源互联网的愿景中，利用先进的技术以最大限度的接纳分布式可再生能源发电系统，并保证能源的高效利用是其主要目的。而合理的优化布局与先进可靠的网络架构是实现这一根本目的的前提。

目前，能源互联网网络架构大都基于现有的电力网络和能源网络，并未考虑地理空间与多时间尺度的相互影响，受多方面现在，能源架构存在局限性。虽然能量路由器实现了不同电压等级，不同电制之间的智能转换，某种程度上提高了系统灵活度，但是目前能量路由器大都基于电力电子变换装置，难以实现全局化智能管理。

为了更好的接纳可再生能源发电系统，灵活调配电力资源，虚拟能量路由器的目标是整合信息，协调管理多种能源。为了系统性的提升能源互联网性能，实现能源的高效化利用，需要从顶层设计出发，优化能源互联网网络架构，提升能源互动化与泛在化。

检索文献1：

赵海,蔡巍,王进法,等.能源互联网架构设计与拓扑模型[J].中国电机工程学报,2015,30(11):30-36.

摘要:能源互联网是解决能源危机和环境危机的重要手段之一,是第三次工业革命的技术支柱,架构设计问题是能源互联网研究和发展的基础。从研究互联网的拓扑结构特征入手,以能源互联网的目标和特性为准则,设计了一种基于分级储能单元的能源互联网架构；为描述该架构特征,提出了一种能源互联网拓扑模型,通过仿真,说明所提出的能源互联网架构在拓扑形态上相比较传统电网更加接近于互联网。同时,典型实验表明,该拓扑模型在结构鲁棒性方面相比传统电网有大幅度提高,所提出的拓扑模型可作为未来研究能源互联网系统规划和架构设计的重要理论依据。

技术要点比较：该文献针对能源互联网提出了一种拓扑设计方法。在该拓扑结构中依赖于分布式发电尤其是分级的储能技术，对图1所示的一般性能源互联网结构并不适用。并且，由于没有缺少虚拟能量路由器与能量路由器，该拓扑设计方法只针对网络规划初期，无法保证建设和运行阶段的优化管理。

检索文献2：

郭慧，汪飞，张笠君，等.基于能量路由器的能源互联网分层分区优化[J].中国电机工程学报,2018,38(16):4726-4737.

摘要:现有研究提出了包含能量路由器(energy router，E-router)的能源互联网分层管理体系，但研究重点均聚焦在分层架构或关键设备E-router上。对于分层控制中的经济调度问题关注较多的是微网与公共电网间的交互，较少考虑多微网构成的能源互联网中引入E-router后电能传输路径的优化选择问题。因此，该文提出基于E-router的能源互联网分层分区优化策略，底层基于E-router的微网经济调度以发电成本最低为目标实行分布式局部优化。上层路由交易中心采用文中所提出的基于图论的电力库交易优化策略，通过E-router选取没有阻塞的最低网损路经进行电量传输，实现效益最大化和阻塞管理。最后，通过仿真验证了所提优化策略和模型的有效性。

技术要点比较：该文献针对能源互联网提出了一种分区优化方法。该方法只针对能源互联网运行阶段，未涉及能源互联网的规划和建设，也未考虑能源互联网架构、能源分布等因素。若能源互联网在规划阶段未能合理配置发电设施，该优化方法即使能优化系统运行，也依然会造成资源的浪费。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于虚拟能量路由器的能源互联网网络架构及其设计方法。

根据本发明提供的一种基于虚拟能量路由器的能源互联网网络架构，包括：

虚拟能量路由器：通过采集能源互联网的实时工作状态信息，分析系统行为，实现能源互联网能量与信息协同优化、智能管理与能量转化；

物理能量路由器：物理能量路由器将测量的能源互联网的实时工作状态信息，传送给虚拟能量路由器，由虚拟能量路由器做出最优决断；

分布式发电子系统：通过物理能量路由器形成互联网络，通过物理能量路由器与大电网连接。

优选地，所述虚拟能量路由器：

根据能源互联网的规划阶段、建设阶段及运行阶段进行优化；

在规划阶段，虚拟能量路由器根据负荷需求，优化配置各分布式子系统电压等级与容量；

在建设阶段，虚拟能量路由器根据能源分布，优化各发电源的安装；

在运行阶段，虚拟能量路由器通过监控物理能量路由器，实现对多种能源的协调管理，对电压、频率和功率系统性调节和分配。

优选地，所述物理能量路由器包括四个接口：

高压交流电网端口、低压交流负载端口，中压直流配电网端口以及低压直流负载端口；

高压交流电网端口在并网模式下吸收能量路由器的剩余能量，当能量路由器能量不足时及时补充支撑起母线电压；

低压交流负载端口为交流负载供电；

中压直流配电网端口连接各分布式发电子系统，为风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、电动汽车充电桩及大型数据存储中心发电及用电设备提供互联接口；

低压直流负载端口为直流负载提供电能。

优选地，所述测量的能源互联网的实时工作状态信息指：

测量的高压交流电网端口、低压交流负载端口，中压直流配电网端口以及低压直流负载端口信息。

优选地，所述分布式发电子系统包括：

可再生能源发电系统、天然气发电系统、柴油机发电系统、储能系统以及各类负荷；

虚拟能量路由器优化配置各分布式发电子系统，并在运行过程中发布指令，实现分布式发电系统多种模式并联运行。

根据本发明提供的基于虚拟能量路由器的能源互联网网络设计方法，包括：

统计负荷需求，根据需求量分析，以投入成本和温室气体排放量最小为目标，综合考虑电压、发电机爬坡率、功率平衡、储能荷电状态等电气约束，优化配置各分布式发电子系统发电等级与容量；

根据能源分布特点，遵循建设成为最小为原则，合理安装各发电设施；

综合考虑空间和多时间尺度等因素，虚拟能量路由器通过控制物理能量路由器实现不同子系统的能量互联，优化能源互联网网络结构；

虚拟能量路由器与物理能量路由器进行双向信息交互，根据采集的能源互联网的实时工作状态信息，虚拟能量路由器将对系统各运行工况进行最优决断，协调优化各分布式发电子系统。

根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中所述的基于虚拟能量路由器的能源互联网网络设计方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明融合了先进的电力电子技术与互联网技术的虚拟能量路由器，可实现能量流、信息流、业务流多种能流协调优化。

本发明顶层虚拟能量路由器和物理能量路由器可实现发电设备和用户终端双向通信和功率调配，还可实现双向能量智能调控，实现能源单元的即插即用功能，提升能源泛在化水平。

本发明基于虚拟能量路由器的能源互联网网络架构，更加合理的优化配置各个分布式发电子系统，充分发挥分布式发电优势，整合不同种电力资源。

本发明的新型能源互联网网络架构，可按功能、地理位置、时间尺度等不同进行划分，实现能量的分区域管理，降低各系统间的干扰与耦合，提升网络的整体性能。

本发明通过虚拟能量路由器，能源互联网可以实现能量流、信息流、业务流协同交互，实现不同时间尺度的网络优化，从而提高能源利用率，提升环境友好性并降低系统成本。

本发明通过虚拟能量路由器，能够实现能源互联网分区域优化设计，降低各分布式子系统间的相互影响。

本发明通过虚拟能量路由器与物理能量路由器间的双向交互，可以更加合理的调配资源，实现多种能源的信息化、智能化管理。

该设计方法不局限于电压等级及网络框架，具有良好的延展性及广泛的应用空间，可以应用于不同类型的能源互联网。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基于虚拟能量路由器的能源互联网网络架构示意图。

图2为物理能量路由器示意图。

图3为基于虚拟能量路由器的能源互联网示范示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种基于虚拟能量路由器的能源互联网网络架构，包括：

虚拟能量路由器：通过采集能源互联网的实时工作状态信息，分析系统行为，实现能源互联网能量与信息协同优化、智能管理与能量转化；

物理能量路由器：物理能量路由器将测量的能源互联网的实时工作状态信息，传送给虚拟能量路由器，由虚拟能量路由器做出最优决断；

分布式发电子系统：通过物理能量路由器形成互联网络，通过物理能量路由器与大电网连接。

具体地，所述虚拟能量路由器：

根据能源互联网的规划阶段、建设阶段及运行阶段进行优化；

在规划阶段，虚拟能量路由器根据负荷需求，优化配置各分布式子系统电压等级与容量；

在建设阶段，虚拟能量路由器根据能源分布，优化各发电源的安装；

在运行阶段，虚拟能量路由器通过监控物理能量路由器，实现对多种能源的协调管理，对电压、频率和功率系统性调节和分配。

具体地，所述物理能量路由器包括四个接口：

高压交流电网端口、低压交流负载端口，中压直流配电网端口以及低压直流负载端口；

高压交流电网端口在并网模式下吸收能量路由器的剩余能量，当能量路由器能量不足时及时补充支撑起母线电压；

低压交流负载端口为交流负载供电；

中压直流配电网端口连接各分布式发电子系统，为风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、电动汽车充电桩及大型数据存储中心发电及用电设备提供互联接口；

低压直流负载端口为直流负载提供电能。

具体地，所述测量的能源互联网的实时工作状态信息指：

测量的高压交流电网端口、低压交流负载端口，中压直流配电网端口以及低压直流负载端口信息。

具体地，所述分布式发电子系统包括：

可再生能源发电系统、天然气发电系统、柴油机发电系统、储能系统以及各类负荷；

虚拟能量路由器优化配置各分布式发电子系统，并在运行过程中发布指令，实现分布式发电系统多种模式并联运行。

根据本发明提供的基于虚拟能量路由器的能源互联网网络设计方法，包括：

统计负荷需求，根据需求量分析，以投入成本和温室气体排放量最小为目标，综合考虑电压、发电机爬坡率、功率平衡、储能荷电状态等电气约束，优化配置各分布式发电子系统发电等级与容量；

根据能源分布特点，遵循建设成为最小为原则，合理安装各发电设施；

综合考虑空间和多时间尺度等因素，虚拟能量路由器通过控制物理能量路由器实现不同子系统的能量互联，优化能源互联网网络结构；

虚拟能量路由器与物理能量路由器进行双向信息交互，根据采集的能源互联网的实时工作状态信息，虚拟能量路由器将对系统各运行工况进行最优决断，协调优化各分布式发电子系统。

根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中所述的基于虚拟能量路由器的能源互联网网络设计方法的步骤。

下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。

优选例1：

本专利所申请的技术方案为基于虚拟能量路由器的能源互联网网络架构设计。具体网络结构如图1所示，包括顶层虚拟能量路由器，底层由能量路由器连接的信息物理系统。网络架构设计主要以投入成本及温室气体排放量最小为目标，以提升整体能源利用率水平为准则。

具体实现手段如下：

A.虚拟能量路由器

虚拟能量路由器可类比人类的“大脑”，实时监管各实际能量路由器，通过采集的信息，分析系统行为，对系统各运行工况做出最合理选择，通过采集能源互联网的实时工作状态信息，分析系统行为，实现能源互联网能量与信息协同优化、智能管理与能量转化。如图1所示，顶层虚拟能量路由器根据能源互联网规划、建设、运行等不同阶段进行优化。在规划阶段，顶层虚拟能量路由器根据负荷需求，优化配置各分布式子系统电压等级与容量；在建设阶段，顶层虚拟能量路由器根据能源分布，优化各发电源的安装；在运行阶段，顶层虚拟能量路由器通过监控物理能量路由器，实现对多种能源的协调管理，对电压、频率和功率系统性调节和分配，保证系统安全、稳定运行的同时，实现能源开放、共享、智能、高效及泛在的目的。

B.物理能量路由器

融合了先进电力电子技术与通信技术的能量路由器是多端口电力电子变换装置，如图2所示。能量路由器主要包含四个接口，即高压交流电网端口、低压交流负载端口，中压直流配电网端口以及低压直流负载端口。高压交流电网端口主要作用是在并网模式下吸收能量路由器的剩余能量，当能量路由器能量不足时及时补充支撑起母线电压。低压交流负载端口大都采用760V或380V的电压等级，主要为交流负载供电。中压直流配电网端口主要连接各分布式发电子系统，可为风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、电动汽车充电桩及大型数据存储中心等发电、用电设备提供互联接口。低压直流负载端口主要为直流负载提供电能。

物理能量路由器将测量的各端口信息，传送给虚拟能量路由器，由虚拟能量路由器做出最优决断。虚拟能量路由器通过监控和采集物理能量路由器各端口信息，根据能源互联网实时工况，以路径和损耗最佳为目标，并考虑网络拥挤程度，对能量进行最优分配，从而智能控制物理能量路由器的能量传输。

C.分布式发电子系统

作为能源互联网的有效支撑，分布式发电系统主要包含可再生能源发电系统、天然气发电系统、柴油机发电系统、储能系统以及各类负荷。各分布式发电子系统可以独立运行，可以通过物理能量路由器形成互联网络，也可以通过物理能量路由器与大电网连接。顶层虚拟能量路由器将优化配置各分布式发电子系统，并在运行过程中发布指令，实现分布式发电系统多种模式并联运行。

D.设计流程

根据能源互联网

(1)统计负荷需求，根据需求量分析，以投入成本和温室气体排放量最小为目标，综合考虑电压、发电机爬坡率、功率平衡、储能荷电状态等电气约束，优化配置各分布式发电子系统发电等级与容量；

(2)根据能源分布特点，遵循建设成为最小为原则，合理安装各发电设施；

(3)综合考虑空间和多时间尺度等因素，通过虚拟能量路由器优化能源互联网网络结构，通过物理能量路由器实现不同子系统的能量互联；

(4)虚拟能量路由器与物理能量路由器进行双向信息交互，根据采集的信息，虚拟能量路由器将对系统各运行工况进行最优决断，协调优化各分布式发电子系统，实现能源的高效化、泛在化、智能化管理。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种基于虚拟能量路由器的能源互联网网络系统，其特征在于，包括：

虚拟能量路由器：通过采集能源互联网的实时工作状态信息，分析系统行为，实现能源互联网能量与信息协同优化、智能管理与能量转化；

物理能量路由器：物理能量路由器将测量的能源互联网的实时工作状态信息，传送给虚拟能量路由器，由虚拟能量路由器做出最优决断；

分布式发电子系统：通过物理能量路由器形成互联网络，通过物理能量路由器与大电网连接；

所述虚拟能量路由器：

根据能源互联网的规划阶段、建设阶段及运行阶段进行优化；

在规划阶段，虚拟能量路由器根据负荷需求，优化配置各分布式子系统电压等级与容量；具体而言，统计负荷需求，根据需求量分析，以投入成本和温室气体排放量最小为目标，综合考虑电压、发电机爬坡率、功率平衡、储能荷电状态的电气约束，优化配置各分布式发电子系统发电等级与容量；

在建设阶段，虚拟能量路由器根据能源分布，优化各发电源的安装；具体而言，根据能源分布特点，遵循建设成为最小为原则，合理安装各发电设施；

在运行阶段，虚拟能量路由器通过监控物理能量路由器，实现对多种能源的协调管理，对电压、频率和功率系统性调节和分配；具体而言，综合考虑空间和多时间尺度因素，虚拟能量路由器通过控制物理能量路由器实现不同子系统的能量互联，优化能源互联网网络结构；虚拟能量路由器与物理能量路由器进行双向信息交互，根据采集的能源互联网的实时工作状态信息，虚拟能量路由器将对系统各运行工况进行最优决断，协调优化各分布式发电子系统；

所述物理能量路由器包括四个接口：

高压交流电网端口、低压交流负载端口，中压直流配电网端口以及低压直流负载端口；

高压交流电网端口在并网模式下吸收能量路由器的剩余能量，当能量路由器能量不足时及时补充支撑起母线电压；

低压交流负载端口为交流负载供电；

中压直流配电网端口连接各分布式发电子系统，为风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、电动汽车充电桩及大型数据存储中心发电及用电设备提供互联接口；

低压直流负载端口为直流负载提供电能。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟能量路由器的能源互联网网络系统，其特征在于，所述测量的能源互联网的实时工作状态信息指：

测量的高压交流电网端口、低压交流负载端口，中压直流配电网端口以及低压直流负载端口信息。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟能量路由器的能源互联网网络系统，其特征在于，所述分布式发电子系统包括：

可再生能源发电系统、天然气发电系统、柴油机发电系统、储能系统以及各类负荷；

虚拟能量路由器优化配置各分布式发电子系统，并在运行过程中发布指令，实现分布式发电系统多种模式并联运行。

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