CN204794125U - 新型架构能源互联网系统 - Google Patents

Abstract

一种新型架构能源互联网系统，包括若干个能源局域网，能源局域网之间通过能源路由器耦合，能源局域网之间通过能源路由器可以实现互联或解离，从而实现能源互联网的多模式下安全、可靠、经济运行；每个能源局域网均包括燃料供给网络、电气化交通网络、电力网络及信息网络；燃料供给网络、电气化交通网络和电力网络两两互连，信息网络分别与燃料供给网络、电气化交通网络和电力网络连接。本实用新型能源局域网通过能源路由器实现互联和解析，从而实现能源互联网的组网模式运行与孤岛模式运行的相互切换，提高能源互联网运行的可靠性、安全性、稳定性。

Description

新型架构能源互联网系统

技术领域

本实用新型属于能源互联网技术领域，具体涉及一种允许大规模分布式电源接入及多系统相互耦合、协同作用的新型架构能源互联网系统。

背景技术

石油、煤、天然气等不可再生资源总量有限，随着人类的不断利用不可再生资源总量日益减少，供求关系也越来越紧张，人类社会正面临着能源危机的威胁。化石能源在生产、运输和使用的过程中对空气、水质、土壤等造成越来越严重的污染和破坏。煤炭的大量开采带来严重生态损害，造成大面积采空区、地面塌陷等地质灾害，导致地下水、耕地资源破坏。燃煤和汽车尾气排放，导致雾霾频发，严重威胁群众身体健康。因此人类社会也正面临环境污染严重化的困境。

提高能源的利用效率是解决能源危机的关键方法之一。然而传统电力网络架构无法将能源的生产、制造、存储、运输实现互联网化，因此不能最大限度的使资源得到最优配置和利用，实现不了其利用效率的显著提高。

分布式电源的大规模利用是解决环境污染问题的重要措施。但传统电力网络架构无法满足大规模分布式电源的接入，因而需要对传统电网架构进行改造，对能源结构进行调整，实现可持续发展。

当今，微网技术、智能电网技术在一定程度上可以实现分布式电源的接入。其基本上实现了电能生产、传输及消费的自动化及信息化，但仍无法实现大量分布式能源的“即插即用”及高效利用、消纳，无法与各种用户及大量电动汽车进行双向互动等。

实用新型内容

针对上述现有技术中的不足，本实用新型提供一种能实现分布式电源的大规模的高效利用及“即插即用”，实现能量、信息的双向流动及其对等交换和共享；实现电网的智能管理，资源的高效利用，以及提高电网的可靠性、安全性及经济性的新型架构能源互联网系统。

为达到上述技术目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种新型架构能源互联网系统，包括若干个能源局域网，能源局域网之间通过能源路由器耦合，能源局域网之间通过能源路由器可以实现互联或解离，从而实现能源互联网的多模式下安全、可靠、经济运行；每个能源局域网均包括燃料供给网络、电气化交通网络、电力网络及信息网络；燃料供给网络、电气化交通网络和电力网络两两互连，信息网络分别与燃料供给网络、电气化交通网络和电力网络连接。

所述燃料供给网络包括煤运网络、石油网络及天然气网络；所述煤运网络由电煤生产企业、运输承运商、各级储运中心以及电厂组成的网络；所述石油网络和天然气网络是由用于发电的石油和天然气的生产、运输、仓储以及使用组成的相互交错的油气网络。

所述电力网络包括传统电力网络和分布式可再生能源网络；所述分布式可再生能源网络包括分布式电源、分布式储能装置、分布式负荷和一、二次能源转换系统。

所述一、二次能源转换系统包括电制氢系统和电转气系统。

所述电气化交通网络包括电动汽车和充电站。

信息网络分别与电气化交通网络、电力网络、燃料供给网络双向连接并提供信息支撑；电气化交通网络的电动汽车与充电站双向连接；电力网络的传统电力网络的发电机组与输配电网络单向连接；充电站与电力网络的分布式可再生能源网络的分布式电源分别与输配电网络双向连接；分布式电源和分布式储能装置分别与一、二次能源转换系统单向连接；一、二次能源转换系统中的电制氢系统与分布式储能装置单向连接，电转气系统与燃料供给网络的天然气网络单向连接；天然气网络与储气设施双向连接；燃料供给网络与发电机组单向连接。

所述能源路由器包括用于实现分布式设备即插即用功能的固态变压器、用于实现全网能源的最优调度及管理的智能能量管理系统、用于实现电网与用户间配电的动态化经济性的智能配电系统和用于实现故障的精确诊断及快速隔离的智能故障隔离系统。

所述信息网络包括能源互联网信息系统基础设施、能源互联网信息系统支撑平台和能源互联网信息系统应用体系。

本实用新型是对现有电网架构的革新。首先，本实用新型系统地考虑了多系统即燃料供给网络、电力网络、电气化交通网络及信息网络等4个复杂网络的相互融合、协调作用，实现了从能源供给、电能生产及传输、能源利用及能源的智能管理等过程的系统化设计，具有全局性、前瞻性的特色。其次，电力网络不仅包括依靠化石能源的传统电网，还包括利用太阳能、风能等的分布式可再生能源网络，实现了分布式电源的大规模的并网及高效利用。同时，分布式可再生能源网络中的一、二次能源转换系统，为电能的存储提供了创新性的解决方法。再次，信息网络作为本实用新型的信息支撑网络，其具有统揽全网的重要作用。本实用新型通过信息网络对燃料供给网络、电力网络、电气化交通网络等利用信息的双向流动来实现多系统的协调控制，进而实现能源在全网的高效生产、传输、配置及利用。最后，本实用新型通过划分为多个能源局域网，能源局域网通过能源路由器互联而形成完整的能源互联网。采用这种模式利于采用分层、分部及分层分部相结合的控制策略，来实现对全网的最优化协同控制。此外，能源局域网也可以通过能源路由器进行解离，从而实现能源互联网的组网模式运行与孤岛模式运行的相互切换，提高能源互联网运行的可靠性、安全性、稳定性。

与传统电网相比，本实用新型具有以下技术和经济优势：1、实现分布式电源的大规模的高效利用。当分布式电源大规模的并入传统电网时，会对传统电网造成很大冲击。而本实用新型是先将分布式电源先并入能源局域网，而后能源局域网通过能源路由器实现分布式电源的大规模并网及高效利用。

2、设计并利用能源局域网模式。能源局域网通过能源路由器进行互联构成整个能源互联网。设计并利用能源局域网可减轻分布式电源大规模接入对电网的强大冲击，同时将能源互联网进行层次化，利于全网的优化控制。

3、加速电能替代、清洁替代及绿色出行目标的实现。电气化交通系统作为新型架构能源互联网系统的重要组成部分。本实用新型可实现电动汽车的即插即用，同时通过与电力网络的相互协同作用，能更好的促进电气化交通系统的发展，促进电动汽车的广泛应用，进而加速实现电能替代、清洁替代、绿色出行的目标。

4、实现电能的优化存储、利用。通过一、二次能源转换系统，即电制氢和电转气系统实现电能的优化存储及高效利用。

5、实现能量、信息的双向流动。用户可通过能源路由器购买/售卖电能，实现了能量和信息的双向流动。同时，燃料供给网络、电力网络、电气化交通网络及信息网络之间也实现了能量、信息的双向流动。

附图说明

图1为实施例1的原理框图。

图2为图1中能源局域网的组成框图。

具体实施方式

实施例1：如图1-2所示，一种新型架构能源互联网系统，包括若干个能源局域网5，能源局域网5之间通过能源路由器6耦合，能源局域网之间通过能源路由器可以实现互联或解离，从而实现能源互联网的多模式下安全、可靠、经济运行；每个能源局域网5均包括燃料供给网络10、电气化交通网络8、电力网络9及信息网络7；燃料供给网络10、电气化交通网络8和电力网络9两两互连，信息网络7分别与燃料供给网络10、电气化交通网络8和电力网络9连接。

所述燃料供给网络10作为能源互联网的辅助，依然承担着重要的调峰调频任务，包括煤运网络20、石油网络21及天然气网络22。所述煤运网络20由电煤生产企业、运输承运商、各级储运中心以及电厂组成的网络；所述石油网络21和天然气网络22是由用于发电的石油和天然气的生产、运输、仓储以及使用组成的相互交错的油气网络。天然气与煤、石油相比，其燃烧对环境造成的污染程度相对较小，导致燃气机组在能源互联网中所占的比例逐渐提高。

所述电力网络9包括传统电力网络27和分布式可再生能源网络19。传统电力网络27的一次能源主要为煤、石油、天然气等不可再生能源。

分布式可再生能源网络19包括分布式电源16、分布式储能装置17、分布式负荷18和一、二次能源转换系统25。分布式可再生能源网络19通过能源路由器与传统电力网络实现互联或解离。

分布式电源16主要包括风力发电、水力发电、太阳能发电、生物质能发电、潮汐发电等多种方式。分布式电源发电的典型代表为风力发电和光伏发电。

（1）风力发电是将风能转化电能的发电技术，其输出功率由风能决定。风速作用在风力机的叶片上产生转矩，该转矩驱动轮盘转动，通过齿轮箱高速轴、刹车盘和联轴器再与异步发电机转子相联，从而发电运行。风力发电技术在新能源领域已经比较成熟，经济指标逐渐接近清洁煤发电。

（2）光伏发电是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能，具有无噪声、无污染、能量随处可得、不受地域限制、不消耗燃料、运行成本低、建设周期短、规模设计自由度大、可就地使用、不需长距离输送、方便与建筑物相结合等优点，是常规发电方式所不能比拟的。

分布式电源16在一定程度上缓解了依靠化石能源所导致的能源危机，以及化石能源燃烧所引起的环境污染，促进了人类社会的可持续发展。但分布式电源的必须依托能源互联网系统，才能实现大规模的高效利用。

分布式储能装置17包括铅蓄电池、硫钠电池、超导储能、飞轮储能、超级电容储能等，这些储能装置都可以在能源互联网中得到应用。分布式储能装置17的主要作用为：

（1）改善电能质量，维持系统稳定。应用分布式储能装置是改善发电机输出电压和频率质量的有效途径，同时增加了分布式电源与电网并网运行时的可靠性。可靠的分布式电源与的分布式储能装置的结合是解决诸如电压跌落、涌流和瞬时供电中断等动态电能质量问题的有效手段之一。

（2）在分布式电源16不能正常工作时，分布式储能装置17向用户提供电力。在一些特殊情况下，如在夜间无风时，太阳能发电和风力发电均无法正常工作，分布式储能装置17能够起到过渡的作用，持续向用户供电。

（3）提高分布式电源16拥有者的经济效益。在电力市场中，分布式电源16与电网并网运行，有了足够的储存电力，分布式电源16成为可调度的机组单元，分布式电源16拥有者可以根据不同情况向电力公司出售能源，提供调峰和紧急功率支持等服务，获取最大的经济效益。

分布式负荷18主要包括居民用电、工业用电、电动汽车等负荷。但电动汽车是一种比较特殊的用电设备。电动汽车既可以是分布式负荷，也可以是分布式储能装置。电动汽车的使用，可以减少汽车尾气污染，减轻环境污染，实现电能替代、清洁替代的重要举措。电动汽车具有以下作用：(1)合理的电动汽车充放电管理可起到填谷和削峰作用，即通过拉平负荷曲线，可以少开机组以节约发电成本和推迟对承担高峰负荷的发电机组的投资；(2)有效利用电动汽车的车载电池，可构成一个超大规模的分布式储能装置，有效实现支持可再生能源接入、削峰填谷，为电力系统提供调频和旋转备用等功能；(3)在特殊情况下作为重要用户的备用负荷，在紧急情况下短时间给关键负荷供电；（4）大量电动汽车合理的充放电管理与间歇性电源的协调互补作用，可以增强电力系统接纳间歇性电源的能力，进而提高系统运行的经济性。

一、二次能源转换系统25包括电制氢系统26和电转气系统23。电制氢系统26由可再生能源发电模块、逆变器、燃料电池、功率分配器以及制氢储氢单元组成。可再生能源发电模块、逆变器及功率分配器是一、二次能源转换系统中的基本设备，制氢储氢单元以及燃料电池是一、二次能源转换系统中的配套设备。燃料电池的作用是将储存在氢气和氧气中的化学能通过电极反应快速转化为电能。

例如，光伏发电/风力发电制氢—燃料电池储能发电的系统运行模式为：光伏发电/风力发电工作时，以制氢储能代替当前常用的蓄电池储能部分。在日照状况较好和风力稳定的情形下，通过电解水制造出氢气，并储存电解过程中得到的多余电能；在日照状况不好、风电波动较大或者风速达不到风机启动速度的情形下，光伏发电/风力发电不能正常工作，此时将储存的氢气通过燃料电池转换成电能，可以继续供电给负载，实现了一次能源和二次能源的转换，从而保证了系统供电的连续性。

电转气系统23就是将水电解后产生氢气与氧气，再将氢气与二氧化碳混合产生甲烷，并将甲烷直接注入天然气网络22中进行运输，天然气网络22将多余的天然气存储在储气设施24内。

所述电气化交通网络8包括电动汽车12和充电站13。电动汽车12是一种比较特殊的用电设备。一方面，大量电动汽车接入电力系统后，其随机、无序充电行为可能会给电力系统带来显著负面影响；另一方面，有效利用电动汽车的车载电池，就可以构成一个超大规模的分布式储能装置，有效实现支持可再生能源接入、削峰填谷等功能。

本实用新型充分考虑电气化交通网络8与电力网络9的协同作用，涉及两者的联合规划及协调运行。

在规划层面上，充电站13是保证电动汽车12使用的必备设施，是联接电气化交通网络8与电力网络9的纽带。而充电站13的建立需要从多方面考虑。首先，建设充电站的目的是向车主提供充电服务；其次，充电站的选址会影响车主的日常驾驶行为，从而最终影响电气化交通网络8的流量分配。最后，充电站的选址和定容会影响电力系统负荷的时空分布。

在运行层面上，电气化交通网络8与电力网络9的运行控制间可能产生复杂的交互影响。首先，用户对于充电地点和时间的选择会显著影响电力系统负荷的时空分布；其次，采用不同的充放电控制策略时，车辆离网时的剩余电量不同，这自然会影响车主后续的驾驶行为以及对下一次充电地点和时间的选择，从而间接影响电气化交通网络8的流量。

所述信息网络7包括能源互联网信息系统基础设施、能源互联网信息系统支撑平台和能源互联网信息系统应用体系。

能源互联网信息系统基础设施是构建能源互联网的硬件基础，包括燃料供给网络、电力网路及电气化交通网络各主要环节的控制、设备量测以及网络通信。能源互联网信息系统支撑平台包括传感量测系统、数据表示与存储系统、分析与决策系统、控制与执行系统。能源互联网信息系统应用体系包括新能源接入传统电网后的控制管理、能源互联网的安全稳定分析与广域监控、能源互联网的智能规划与调度、电力需求侧管理等。

针对信息网络与电力网络、信息网络与燃料供给网络、信息网络与电气化交通网络之间通信协议存在的差异，元件的通信接口使用标准化的OSI七层模式。多数情况下，通信会使用通用的TCP/IP协议和相关的传输、会话层协议。物理层和数据链路层会使用无线网络，如Wi-Fi、Zigbee、LTE、2G/3G，和有线网络如PLC和光纤通信SDH、PTN、MPLS路由器和EPON等。而网络层都会统一到IP协议。

所述能源路由器6的作用贯穿电能生产到消费的整个过程，即电能生产、电能传输、电能配送、电网运行、终端管理等。能源路由器具有因位置不同而任务各异的特点。基于此将能源路由器的功能划分为：用户侧功能和电网侧功能。

用户侧功能包括用户接入识别功能；请求服务功能；用户状态更新功能；终止服务功能；用户解离确认功能等。

电网侧功能包括：能源路由器与其他能源局域网进行互联，实现能源互联网组网运行模式的功能；能源路由器检测到与其相连的能源局域网故障时，实施解离，实现能源互联网的能源局域网孤岛运行模式的功能。此外，当能源路由器检测到与其相连的能源局域网恢复正常时，则实施快速互联，再次进入能源互联网组网运行模式。

能源路由器6包括固态变压器、智能能量管理系统、智能配电系统和智能故障隔离系统。

固态变压器可实现分布式电源、分布式储能装置和分布式负荷的有效管理。固态变压器具有双向能量流动能力，可以控制有功功率和无功功率，具有更大的控制带宽，提供即插即用功能。此外，固态变压器还具有电压下陷补偿、断电补偿、瞬时电压调整、故障隔离、单位功率因数校正、谐波隔离、直流输出和分布式信息量自动测量等功能。

智能能量管理系统通过采集电网信息、用户信息并分析、处理，进而实现能源在全网的最优化调度及管理。

智能配电系统依据用户侧反馈信息及电能的供需平衡，而实现电能的动态、智能分配，实现电网与用户间配电的动态化经济性。

智能故障隔离系统实现故障的精确诊断及快速隔离，从而实现能源局域网的组网模式运行、能源局域网的孤岛模式运行。

信息网络7分别与电气化交通网络8、电力网络9、燃料供给网络10双向连接并提供信息支撑，实现信息的双向流动，从而实现电气化交通网络8、电力网络9和燃料供给网络10的协同配合。电气化交通网络8的电动汽车12与充电站13双向连接；电力网络9的传统电力网络的发电机组14与输配电网络15单向连接。充电站13与电力网络9的分布式电源网络的分布式电源16分别与输配电网络15双向连接；分布式电源16和分布式储能装置17分别与一、二次能源转换系统25单向连接。一、二次能源转换系统25中的电制氢系统26与分布式储能装置17单向连接，电制氢系统26通过电解水制造出氢气，并将电解过程中得到的多余电能存储在分布式储能装置17内。电转气系统23与燃料供给网络10的天然气网络22单向连接，电转气系统23将水电解后产生氢气与氧气，再将氢气与二氧化碳混合产生甲烷，并将甲烷直接注入天然气网络22中进行存储运输。天然气网络22与储气设施24双向连接；燃料供给网络10与发电机组14单向连接，燃料供给网络10给发电机组14提供动力。

实施例2：一种新型架构能源互联网系统，包括若干个能源局域网，能源局域网之间通过能源路由器耦合。每个能源局域网均包括燃料供给网络、电气化交通网络、电力网络及信息网络。燃料供给网络、电气化交通网络和电力网络两两互连。

所述燃料供给网络包括煤运网络、石油网络及天然气网络。煤运网络由电煤生产企业、运输承运商、各级储运中心以及电厂组成的网络；所述石油网络和天然气网络是由用于发电的石油和天然气的生产、运输、仓储以及使用组成的相互交错的油气网络。

所述电力网络包括传统电力网络和分布式可再生能源网络；所述分布式可再生能源网络包括分布式电源、分布式储能装置、分布式负荷和一、二次能源转换系统。所述一、二次能源转换系统包括电制氢系统和电转气系统。

所述电气化交通网络包括电动汽车和充电站。

信息网络分别与电气化交通网络、电力网络、燃料供给网络双向连接并提供信息支撑；电气化交通网络的电动汽车与充电站双向连接。电力网络的传统电力网络的发电机组与输配电网络单向连接。充电站与电力网络的分布式可再生能源网络的分布式电源分别与输配电网络双向连接。分布式电源和分布式储能装置分别与一、二次能源转换系统单向连接；一、二次能源转换系统中的电制氢系统与分布式储能装置单向连接，电转气系统与燃料供给网络的天然气网络单向连接；天然气网络与储气设施双向连接；燃料供给网络与发电机组单向连接。

Claims (8)

1.一种新型架构能源互联网系统，其特征在于：包括若干个能源局域网（5），能源局域网（5）之间通过能源路由器（6）耦合；每个能源局域网（5）均包括燃料供给网络（10）、电气化交通网络（8）、电力网络（9）及信息网络（7）；燃料供给网络（10）、电气化交通网络（8）和电力网络（9）两两互连，信息网络（7）分别与燃料供给网络（10）、电气化交通网络（8）和电力网络（9）连接。

2.根据权利要求1所述的新型架构能源互联网系统，其特征在于：所述燃料供给网络（10）包括煤运网络（20）、石油网络（21）及天然气网络（22）；所述煤运网络（20）由电煤生产企业、运输承运商、各级储运中心以及电厂组成的网络；所述石油网络（21）和天然气网络（22）是由用于发电的石油和天然气的生产、运输、仓储以及使用组成的相互交错的油气网络。

3.根据权利要求1或2所述的新型架构能源互联网系统，其特征在于：所述电力网络（9）包括传统电力网络（27）和分布式可再生能源网络（19）；所述分布式可再生能源网络（19）包括分布式电源（16）、分布式储能装置（17）、分布式负荷（18）和一、二次能源转换系统（25）。

4.根据权利要求3所述的新型架构能源互联网系统，其特征在于：所述一、二次能源转换系统（25）包括电制氢系统（26）和电转气系统（23）。

5.根据权利要求1或4所述的新型架构能源互联网系统，其特征在于：所述电气化交通网络（8）包括电动汽车（12）和充电站（13）。

6.根据权利要求5所述的新型架构能源互联网系统，其特征在于：信息网络（7）分别与电气化交通网络（8）、电力网络（9）、燃料供给网络（10）双向连接并提供信息支撑；电气化交通网络（8）的电动汽车（12）与充电站（13）双向连接；电力网络（9）的传统电力网络的发电机组（14）与输配电网络（15）单向连接；充电站（13）与电力网络（9）的分布式可再生能源网络的分布式电源（16）分别与输配电网络（15）双向连接；分布式电源（16）和分布式储能装置（17）分别与一、二次能源转换系统（25）单向连接；一、二次能源转换系统（25）中的电制氢系统（26）与分布式储能装置（17）单向连接，电转气系统（23）与燃料供给网络（10）的天然气网络（22）单向连接；天然气网络（22）与储气设施（24）双向连接；燃料供给网络（10）与发电机组（14）单向连接。

7.根据权利要求1所述的新型架构能源互联网系统，其特征在于：所述能源路由器（6）包括用于实现分布式设备即插即用功能的固态变压器、用于实现全网能源的最优调度及管理的智能能量管理系统、用于实现电网与用户间配电的动态化经济性的智能配电系统和用于实现故障的精确诊断及快速隔离的智能故障隔离系统。

8.根据权利要求1所述的新型架构能源互联网系统，其特征在于：所述信息网络（7）包括能源互联网信息系统基础设施、能源互联网信息系统支撑平台和能源互联网信息系统应用体系。