引言

能源是現(xiàn)代社會賴以生存和發(fā)展的基礎。為了應對能源危機，各國積極研究新能源技術，特別是太陽能、風能、生物能等可再生能源。可再生能源具有取之不竭，清潔環(huán)保等特點，受到世界各國的高度重視?？茖W家指出，太陽光線一個小時的照射所產(chǎn)生的能量足以支撐全球經(jīng)濟運行一整年。歐洲光伏工業(yè)協(xié)會預測，在所有適合的建筑物表面安裝光伏系統(tǒng)就能夠產(chǎn)生1.5萬億度電，能滿足歐盟所需電力總數(shù)的40%。2009 年在《科學》雜志稱只要中國提高補貼和改善傳輸網(wǎng)絡，至2030年風力發(fā)電就可以滿足中國所有的電力需求，可見可再生能源對于解決能源問題具有巨大的潛力。

可再生能源存在地理上分散、生產(chǎn)不連續(xù)、隨機性、波動性和不可控等特點，傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡的集中統(tǒng)一的管理方式，難于適應可再生能源大規(guī)模利用的要求。對于可再生能源的有效利用方式是分布式的“就地收集，就地存儲，就地使用。但微電網(wǎng)和分布式發(fā)電并網(wǎng)并不能從根本上改變分布式發(fā)電在高滲透率情況下對上一級電網(wǎng)電能質(zhì)量，故障檢測，故障隔離的影響，也難于實現(xiàn)可再生能源的最大化利用，只有實現(xiàn)可再生能源發(fā)電信息的共享，以信息流控制能量流，實現(xiàn)可再生能源所發(fā)電能的高效傳輸與共享，才能克服可再生能源不穩(wěn)定的問題，實現(xiàn)可再生能源的真正有效利用。

信息技術與可再生能源相結合的產(chǎn)物—— 能源互聯(lián)網(wǎng)為解決可再生能源的有效利用問題，提供了可行的技術方案。與目前開展的智能電網(wǎng)，分布式發(fā)電，微電網(wǎng)研究相比，能源互聯(lián)網(wǎng)在概念，技術，方法上都有一定的獨特之處。因此，研究能源互聯(lián)網(wǎng)的特征及內(nèi)涵，探討實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的各種關鍵技術，對于推動能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，并逐步使傳統(tǒng)電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)演化，具有重要理論意義和實用價值。

能源互聯(lián)網(wǎng)的特征及內(nèi)涵

參考美國國家自然科學基金委支持的未來可再生電力能源轉(zhuǎn)換與管理 (FREEDM) 項目對能源互聯(lián)網(wǎng)的相關敘述，能源互聯(lián)網(wǎng)可理解是綜合運用先進的電力電子技術，信息技術和智能管理技術，將大量由分布式能量采集裝置，分布式能量儲存裝置和各種類型負載構成的新型電力網(wǎng)絡節(jié)點互聯(lián)起來，以實現(xiàn)能量雙向流動的能量對等交換與共享網(wǎng)絡，典型結構如圖1所示。

能源互聯(lián)網(wǎng)由若干個能源局域網(wǎng)相互連接構成。能源局域網(wǎng)由能量路由器、發(fā)電設備、儲能設備、交直流負載組成, 可并網(wǎng)工作，也可脫網(wǎng)獨立運行。能量路由器由固態(tài)變壓器 (solid state transformer,SST)和智能能量管理組成;智能能量管理根據(jù)收集的能源局域網(wǎng)中發(fā)電設備，儲能設備和負載等信息做出能量控制決策，然后將控制指令發(fā)送給固態(tài)變壓器執(zhí)行，即智能能量管理控制信息流，固態(tài)變壓器控制能量流。為保證能源互聯(lián)網(wǎng)的可靠安全工作，能源局域網(wǎng)的上一級母線具有智能故障管理功能，提供能源互聯(lián)網(wǎng)故障的實時檢測，快速隔離等功能。能源互聯(lián)網(wǎng)與其他形式的電力系統(tǒng)相比，具有以下4個關鍵特征。

可再生能源高滲透率能源互聯(lián)網(wǎng)中將接入大量各類分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，在可再生能源高滲透率的環(huán)境下，能源互聯(lián)網(wǎng)的控制管理與傳統(tǒng)電網(wǎng)之間存在很大不同，需要研究由此帶來的一系列新的科學與技術問題。

非線性隨機特性分布式可再生能源是未來能源互聯(lián)網(wǎng)的主體，但可再生能源具有很大的不確定性和不可控性，同時考慮實時電價，運行模式變化，用戶側(cè)響應，負載變化等因素的隨機特性，能源互聯(lián)網(wǎng)將呈現(xiàn)復雜的隨機特性，其控制，優(yōu)化和調(diào)度將面臨更大挑戰(zhàn)。

多源大數(shù)據(jù)特性能源互聯(lián)網(wǎng)工作在高度信息化的環(huán)境中，隨著分布式電源并網(wǎng)，儲能及需求側(cè)響應的實施，包括氣象信息，用戶用電特征，儲能狀態(tài)等多種來源的海量信息。而且，隨著高級量測技術的普及和應用，能源互聯(lián)網(wǎng)中具有量測功能的智能終端的數(shù)量將會大大增加，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也將急劇增大。

多尺度動態(tài)特性能源互聯(lián)網(wǎng)是一個物質(zhì), 能量與信息深度耦合的系統(tǒng), 是物理空間、能量空間、信息空間乃至社會空間耦合的多域，多層次關聯(lián)，包含連續(xù)動態(tài)行為、離散動態(tài)行為和混沌有意識行為的復雜系統(tǒng)。作為社會/信息/物理相互依存的超大規(guī)模復合網(wǎng)絡，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，具有更廣闊的開放性和更大的系統(tǒng)復雜性，呈現(xiàn)出復雜的，不同尺度的動態(tài)特性。

能源互聯(lián)網(wǎng)關鍵技術分析

為了解決以上特性所帶來的問題，發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)需要解決6項關鍵技術：先進儲能技術、固態(tài)變壓器技術、智能能量管理技術、智能故障管理技術、可靠安全通信技術和系統(tǒng)規(guī)劃分析技術。

3.1先進儲能技術

與傳統(tǒng)電網(wǎng)的用戶側(cè)節(jié)點不同，能源互聯(lián)網(wǎng)中的用戶側(cè)節(jié)點 (如家庭或小區(qū)等) 一般都具有發(fā)電能力，因此需要配備一定規(guī)模的分布式儲能系統(tǒng)。另一方面能源互聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)側(cè)或發(fā)電側(cè)，因為可再生能源的高滲透率，所以為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，必須配備較大規(guī)模的集中儲能系統(tǒng)?？梢钥闯?，分布式和大規(guī)模同時并存是能源互聯(lián)網(wǎng)儲能的重要特點。

分布式儲能主要面向用戶，經(jīng)濟效益非常關鍵，對儲能系統(tǒng)的存儲效率、能量密度、使用壽命等提出了較高要求，新型儲能材料是提高這些性能的關鍵;目前實現(xiàn)大規(guī)模存儲的主要手段是電池成組技術，電池成組后儲能單元的科學管理是儲能系統(tǒng)高效，長壽命運行的重要保證;不論是分布式儲能還是集中式儲能的布局與建設，都會對整個能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生較大影響，因此進行科學合理的儲能系統(tǒng)規(guī)劃意義重大。先進儲能相關技術的邏輯關系如圖 2 所示。

3.1.1新型儲能材料

目前，能源互聯(lián)網(wǎng)中應用最廣泛的儲能方式是電池儲能，為了滿足能源互聯(lián)網(wǎng)對儲能的需求，國內(nèi)外學者對新型儲能材料進行了深入研究，以獲取更高能量密度，更大的存儲容量，更好的轉(zhuǎn)換效率和更穩(wěn)定的性能。新型儲能材料的研究主要集中在以下 3 個方面。

(1) 高比容量合金負極材料。傳統(tǒng)的碳系材料雖然具有良好的層狀結構，電極位低，制成電池電壓較高，但在反復充放電時，可能會發(fā)生表面析出化合物現(xiàn)象和與電解液發(fā)生共嵌反應，成為電池循環(huán)壽命提升的瓶頸，未來的研究方向是硅合金與其他形式的合金材料。

(2) 大功率，低成本，高容量和高安全性正極材料。正極材料性能對儲能電池安全性，循環(huán)壽命，成本等的影響極大，目前的正極材料以固相法為主，液相法有待發(fā)展。

(3) 燃料電池關鍵材料，燃料電池堆，固體氧化物燃料電池的電極材料。

3.1.2儲能管理技術

儲能單元大規(guī)模成組后，由于儲能單元的差異性大，數(shù)量較多，連接復雜，如果管理混亂，將嚴重影響系統(tǒng)的壽命和性能，因此國內(nèi)外學者對儲能單元的成組管理開展了大量研究工作，主要集中于以下 3 個方面。

(1) 拓撲結構優(yōu)化與設計技術。能源互聯(lián)網(wǎng)的非線性隨機特性給儲能系統(tǒng)帶來較大沖擊，為了提高儲能系統(tǒng)靈活應對和處理隨機波動的能力，科學合理的拓撲結構是基礎。目前，動態(tài)化，網(wǎng)絡化拓撲結構是研究的主要方向。

(2) 性能監(jiān)控技術。對儲能系統(tǒng)性能的精確監(jiān)控是保證對其合理調(diào)度使用的基礎，然而目前儲能單元的性能監(jiān)控技術仍不夠成熟，大規(guī)模成組之后儲能系統(tǒng)的性能監(jiān)控更難以實現(xiàn)。目前，監(jiān)控的主要參數(shù)為溫度、電壓、電流、內(nèi)阻、荷電狀態(tài) (SOC)、健康狀態(tài) (SOH) 等，其中SOC和SOH不可直接測量，其精確估算模型是研究的重點。

(3) 狀態(tài)均衡技術。儲能單元成組之前，因為生產(chǎn)工藝等原因，不可避免地存在差異性;成組之后，差異性隨著循環(huán)次數(shù)增加將越來越大。為減小差異性，目前已開發(fā)了幾種常用的儲能系統(tǒng)狀態(tài)均衡技術，分別基于電阻、電容、電感和二極管等耗能和儲能元件，但均衡效果仍不夠理想，均衡電路與均衡元件的有效搭配是狀態(tài)均衡的熱點。

3.1.3儲能系統(tǒng)規(guī)劃技術

儲能系統(tǒng)的接入對提高電網(wǎng)的穩(wěn)壓調(diào)頻能力，拉低電網(wǎng)功率峰谷差，改善用戶在電網(wǎng)事務中的參與度具有重要意義，但儲能系統(tǒng)的單位投入成本較高，有必要開展儲能系統(tǒng)規(guī)劃研究，目的是以最小的成本實現(xiàn)壽命長，安全可靠，經(jīng)濟效益高的儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)規(guī)劃研究過程中面臨的主要問題有：

(1) 不同的儲能技術在成本、額定功率、充放電速率有所不同;

(2) 發(fā)電站側(cè)、傳輸線側(cè)、變電站側(cè)、用戶側(cè)對儲能系統(tǒng)的功能要求不同;

(3) 同一儲能系統(tǒng)具有多種使用策略;

(4) 可再生能源發(fā)電和負載需求具有隨機性、波動性和間歇性。

因此。為了更好的開展儲能系統(tǒng)規(guī)劃技術研究。需要從以下 3 個方面進行突破。

(1) 各種待選儲能技術評價分析。全面分析各種儲能技術的各項性能指標，如額定功率、使用壽命、初始投資成本、年平均維護成本、功率密度、比能量等，經(jīng)過指標初選，指標篩選建立對儲能技術評價的指標體系，為開展不同儲能技術篩選提供理論依據(jù)。

(2) 儲能系統(tǒng)使用環(huán)境及作用機理分析。主要進行微電網(wǎng)與大電網(wǎng)相互作用機理分析，儲能系統(tǒng)對微電網(wǎng)穩(wěn)定運行作用機理分析，負荷特性分析，可再生能源發(fā)電功率預測分析，為快速準確的進行儲能系統(tǒng)規(guī)劃提供保障。

(3) 儲能系統(tǒng)規(guī)劃權衡分析。確定儲能系統(tǒng)的優(yōu)化使用目標與約束條件，運用線性規(guī)劃，非線性規(guī)劃，動態(tài)規(guī)劃，智能優(yōu)化等方法選出最適合的儲能系統(tǒng)組成，最佳的配置位置，最優(yōu)化的使用策略。

3.2固態(tài)變壓器技術

隨著高滲透率下可再生能源發(fā)電設備及儲能設備接入，傳統(tǒng)變壓器的供電質(zhì)量等方面難以滿足能源互聯(lián)網(wǎng)建設和發(fā)展的需求，而固態(tài)變壓器作為一種利用電力電子器件進行高頻的能量和功率控制的變換器，被認為是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心技術，其原理如圖3所示，該固態(tài)變壓器由3部分組成，分別是：AC/DC整流器、DC/DC 變換器和 DC/AC 逆變器。固態(tài)變壓器可實現(xiàn)可再生能源發(fā)電設備和儲能設備和負載的有效管理，固態(tài)變壓器具有雙向能量流動能力，可以控制有功功率和無功功率，具有更大的控制帶寬提供即插即用功能。

固態(tài)變壓器是將固態(tài)技術整合到變壓器中，通過電力電子控制和中間直流總線能量存儲功能，這種變壓器具有很多新的功能。

(1) 電壓下陷補償。當電網(wǎng)輸入電壓短期下降時，固態(tài)變壓器可以補償功率差額維持輸出電壓穩(wěn)定，這種直流總線的能量存儲功能可以作為滿足用戶的特定需求。

(2) 斷電補償。和電壓下陷補償原理類似，在外電網(wǎng)斷電時，固態(tài)變壓器可以通過內(nèi)置儲能設備提供全電壓補償。

(3) 瞬時電壓調(diào)整。當電力系統(tǒng)或者負載出現(xiàn)波動時，固態(tài)變壓器因為具有的能量緩沖功能可以維持輸出電壓恒定。

(4) 故障隔離。固態(tài)變壓器能起到電網(wǎng)和負載故障相互隔離的作用。

(5) 單位功率因數(shù)校正 (無功功率補償)。固態(tài)變壓器能在一定功率范圍內(nèi)保持單位功率因數(shù)運行，也可以根據(jù)系統(tǒng)需要產(chǎn)生或吸收一定的無功功率。

(6) 諧波隔離。非線性負載產(chǎn)生的畸變電流會積累到變壓器的主邊，而固態(tài)變壓器能維持輸入電流不畸變，能運行在單位功率因數(shù)下。

(7) 直流輸出。固態(tài)變壓器具有400V直流輸出，使得分布式能源的接入更方便。

(8) 分布式信息量自動測量。固態(tài)變壓器能自動測量包括瞬時電壓、電流、功率因數(shù)、諧波量、率、故障電流和故障電壓等。

(9) 環(huán)境效益。傳統(tǒng)變壓器需要絕緣油等液體，而固態(tài)變壓器不需要絕緣油，對環(huán)境友好，且因為中間采用變壓器的高工作頻率，變壓器體積大幅度減小。固態(tài)變壓器和傳統(tǒng)變壓器的具體性能比較如表 1 所示。

固態(tài)變壓器作為能源互聯(lián)網(wǎng)關鍵設備之一，其研究領域主要有：

(1)基于SiC的新型寬禁帶材料的研制，固態(tài)變壓器要工作在高溫、高壓、高頻的環(huán)境下，并且小型化也要求固態(tài)變壓器具有高的功率密度，而SiC材料在高壓、高溫、高頻環(huán)境下將表現(xiàn)出比Si材料更優(yōu)異的性能：3 倍于Si的禁帶寬度，更大幅度的工作溫度，比Si高一個數(shù)量級的擊穿電場，有很高的功率密度。比Si高3倍的熱導率，能在更高溫度下長時間穩(wěn)定工作，所以SiC材料將逐漸取代Si材料，成為固態(tài)變壓器中功率半導體的主要材料;

(2) 基于SiC的固態(tài)功率器件和固態(tài)變壓器設計與實現(xiàn)，文獻[19]中利用10KVSiC功率設備成功研制出270KVA的固態(tài)變壓器，文獻[20]中利用SiCMOSFET研制出FREEDM研究中心的第2代固態(tài)變壓器，實現(xiàn)AC-DC的變換，效率達97%，體積僅為第1代的1/5，為未來能源互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應用奠定了重要基礎;

(3)固態(tài)變壓器的魯棒性控制，傳統(tǒng)的PID控制方法只具有小信號穩(wěn)定性，不能保證固態(tài)變壓器在元器件參數(shù)攝動、負載突變、可再生能源功率波動、電網(wǎng)波動等不確定性，大信號干擾下具有很好的穩(wěn)定性，很多先進的控制方法如滑?？刂?、自適應控制、魯棒控制、反演控制等非線性控制方法表現(xiàn)出了很好的大信號穩(wěn)定性，另外也可以應用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等智能控制方法提高固態(tài)變壓器的魯棒性。

3.3智能能量管理技術

能源互聯(lián)網(wǎng)中具有多種能量產(chǎn)生設備，能量傳輸設備，能量消耗設備，拓撲結構動態(tài)變化，具有典型的非線性隨機特征與多尺度動態(tài)特征，如圖4所示，為了實現(xiàn)對能源局域網(wǎng)內(nèi)能量設備的“即插即用” 管理，多能源局域網(wǎng)之間的分布式協(xié)同控制，以及針對可再生能源高滲透率下的控制策略高魯棒性，需要在能源互聯(lián)網(wǎng)的各層引入智能能量管理技術。

3.3.1能量設備“即插即用” 管理技術

隨著太陽能電池模塊，小型風力發(fā)電機組與分布式發(fā)電設備成本的持續(xù)下降，繁瑣的設備安裝，互連等非硬件成本占到分布式電源總成本的比例越來越大，固定的拓撲結構也降低了系統(tǒng)的安全性與靈活性。為了降低分布式發(fā)電設備的非硬件成本，提高能源互聯(lián)網(wǎng)的動態(tài)拓撲性，靈活性和安全性，要求能源互聯(lián)網(wǎng)中能量設備滿足“即插即用” 的特性。能量設備的 “即插即用” 管理技術應具備：

(1) 類似于計算機的 “USB” 接口協(xié)議，能夠快速感知與描述負載、儲能、發(fā)電等設備;

(2) 具有開放的硬件平臺，能與現(xiàn)有電網(wǎng)很好連接;

(3) 能量設備接入或脫離時能自動快速進行能量與信息的接入與斷開。

為了實現(xiàn)能量設備的“即插即用”，應突破以下 3 個方面的技術：

(1) 各種能量設備的自動識別技術;

(2) 能量設備“即插即用” 標準與協(xié)議的制定;

(3) 能量設備集成管理技術。

3.3.2分布式能量管理與協(xié)同控制技術

多能源局域網(wǎng)之間的能量管理與協(xié)同控制主要有主從控制與對等控制兩類。主從控制的拓撲結構較為僵化，且主控中心計算量巨大，一旦崩潰會波及整個能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng);分布式對等控制沒有控制中心，能量控制主要采用多能源局域網(wǎng)間的協(xié)同與配合，采用的是動態(tài)拓撲結構，具有能源網(wǎng)與信息網(wǎng)疊加的特點。為了最大化的利用可再生能源，提高能源互聯(lián)網(wǎng)的可靠性與安全性，要求能源互聯(lián)網(wǎng)運用多層交叉，集中與分布結合的分布式能量管理與協(xié)同控制技術。由于對等控制結構比較復雜，接口較多，響應速度相對集中控制稍慢，需要探索能夠快速、高效和不以犧牲單個能源局部利益全局最優(yōu)分布式能量管理與協(xié)同控制技術。

分布式能量管理與協(xié)同控制技術實現(xiàn)中主要有以下幾個方面的困難：

(1) 節(jié)點異質(zhì)和通信時延等情況;

(2) 適應“即插即用” 的動態(tài)網(wǎng)絡拓撲結構;

(3) 保證系統(tǒng)整體的一致性。

可以從以下幾個方面進行技術突破：

(1) 設計物理結構簡單，邏輯快速的控制網(wǎng)絡拓撲結構;

(2) 采用動態(tài)性，適應性較強的分布式人工智能控制技術，對能源互聯(lián)網(wǎng)中的多個微電網(wǎng)節(jié)點進行并行地，相互協(xié)作地控制;

(3) 借助agent技術的突出優(yōu)勢，構建基于 agent 的分布式多層交叉能量控制架構。

3.3.3基于可再生能源預測的控制策略優(yōu)化技術

為了提高能源互聯(lián)網(wǎng)中各種設備合理配置與優(yōu)化調(diào)度能力，需要提高控制策略魯棒性與適應性，而可再生能源發(fā)電功率作為最大的不確定因素，對儲能系統(tǒng)的配置，充電使用策略和網(wǎng)內(nèi)電壓的穩(wěn)定有重大影響，因此，有必要開展基于可再生能源預測的控制策略優(yōu)化研究。目前，由于可再生能源發(fā)電高度的隨機性和間歇，傳統(tǒng)的預測方法難以實現(xiàn)精確預測，更難以研究出一套與之相適應的控制優(yōu)化算法。

因此，開展基于可再生能源預測的控制策略優(yōu)化研究主要從以下兩個方面進行突破：

(1) 小偏差的短期，超短期可再生能源輸出功率預測方法。探索運用氣象預報數(shù)值結合神經(jīng)網(wǎng)絡或模糊自適應等大規(guī)模數(shù)據(jù)處理優(yōu)化模型對可再生能源的輸出功率進行預測。

(2) 高魯棒性和動態(tài)性的控制優(yōu)化方法。

以可再生能源利用率、經(jīng)濟性、電網(wǎng)能量滿足充裕度等為目標，以負載能耗需求、成本約束、光照與風力條件等為約束，采用混合動態(tài)規(guī)劃算法、遺傳算法、粒子群算法等實現(xiàn)高魯棒性和動態(tài)性的基于可再生能源預測的控制策略優(yōu)化。

3.4智能故障管理技術

智能故障管理技術在能源互聯(lián)網(wǎng)中，固態(tài)變壓器提供分布式能源和負載的有效管理，因其具有強烈的限流作用，能大幅度改善短路電流波形，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，能源互聯(lián)網(wǎng)故障電流很小，最多只能提供兩倍額定電流的故障電流，傳統(tǒng)的通過檢測電流大小的故障檢測設備和方法將失效，需要設計新型故障識別和定位方法。這就需要設計一種新的電路斷路器，保證當系統(tǒng)發(fā)生故障時，斷路器可以快速的隔離故障單元，使得固態(tài)變壓器能快速的恢復系統(tǒng)電壓。而傳統(tǒng)的機械式斷路器會使系統(tǒng)在發(fā)生故障時，功率流動出現(xiàn)短暫的中斷，會很大程度上干擾系統(tǒng)中的關鍵負載運行。而用固態(tài)電力半導體器件代替機械式斷路器而研制的固態(tài)短路器可以滿足能源互聯(lián)網(wǎng)的需求。

固態(tài)斷路器利用 IGBT 等電力半導體器件作為無觸點開關，大幅度提高相應速度，同時起到重合器和分段器的雙重作用。

在能源互聯(lián)網(wǎng)中主要采用環(huán)路供電策略，提高了系統(tǒng)的柔性操作能力和供電可靠性，能源互聯(lián)網(wǎng)提出識別和定位技術，提出區(qū)域化系統(tǒng)保護方案，如圖 5 所示，利用 Kirchhoff 電流定律，根據(jù)線路兩側(cè)判別量的特定關系作為判斷依據(jù)，即區(qū)域兩側(cè)均將判別量借助通道傳送到對策，然后兩側(cè)分別按照對側(cè)與本側(cè)判別量之間的關系來判別區(qū)域故障或區(qū)域外故障。利用縱連差動的思想，將能源互聯(lián)網(wǎng)分割成若干個區(qū)域，每個區(qū)域兩端都接有固態(tài)斷路器，負責清除故障，由固態(tài)變壓器提供后備保護，每個區(qū)域連接若干個固態(tài)變壓器拓撲分支，每個分支上都有電流流入或流出，顯然不能僅僅必先區(qū)域兩側(cè)的判別量，可以將在差動保護基礎上，由 Kirchhoff 定律去判斷，若圖中閉合線圈內(nèi)支路電流之和為零，則區(qū)域內(nèi)無故障;若電流之和不為零，則區(qū)域內(nèi)有故障。由于電流傳感器的勵磁特性不可能完全一致，且在采用通信傳輸電流采樣值時，也不能完全保證實時性和同步性，使得電流累加結果不為零，因此設定一個閾值，當累加電流大于此閾值時，判定區(qū)域內(nèi)有故障，相關區(qū)域的固態(tài)斷路器斷開，反之則判定無故障，固態(tài)斷路器無動作。

3.5可靠安全通信技術

安全可靠的通信骨干網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)正常工作的重要保證。由于能源局域網(wǎng)內(nèi)能量設備具有易接觸性與高動態(tài)拓撲變化性，能源互聯(lián)網(wǎng)的多尺度動態(tài)性，如圖 6 所示，使得能源互聯(lián)網(wǎng)中的通信結構復雜，數(shù)據(jù)處理量大，為了保證能源互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定運行，要求通信網(wǎng)絡滿足網(wǎng)絡時延小、數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級分類、可靠傳輸、時間同步以及支持多點傳輸?shù)榷喾N功能。

實現(xiàn)正常，高效的能源互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡，需要處理好以下幾個方面的問題：

(1) 通信的設備繁多(IEM、IFM、發(fā)電設備、各種智能負載);

(2) 通信層級各異 (廣域網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)、家域網(wǎng));

(3) 通信時延要求較高 (< 20 ms)。

因此，主要可從以下幾個方面進行突破。

(1) 可靠安全通信網(wǎng)絡架構分析。主要從地理上與控制關系上將通信網(wǎng)絡進行合理的層次劃分，對影響各層通信時延，可靠性和網(wǎng)絡安全的影響因素進行分析，包括可靠安全通信網(wǎng)絡軟硬件結構設計、通信優(yōu)先級設計、通信安全措施分類、通信性能要求確定、通信媒介選擇與確定等。

(2) 協(xié)議改進與標準分析。主要通過對傳統(tǒng)電網(wǎng)通信網(wǎng)絡的通信協(xié)議分析，根據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)的體系結構改進或重新設計通信協(xié)議，分析 IEC61970 與 IEC61968 協(xié)議選擇能量管理與分布式管理系統(tǒng)協(xié)議，分析 IEC60870-6、DNP3、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、IEC 62445-2 等協(xié)議標準控制中心間通信協(xié)議，分析 IEC62445-1、IEC61850 等協(xié)議變電站間通信協(xié)議，最后根據(jù)分析結果、構建能源互聯(lián)網(wǎng)可靠安全通信的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、偽傳輸層和應用層協(xié)議標準。

(3)通信實驗平臺設計與實驗評估。主要是通過建立實驗平臺評估網(wǎng)絡通信的功能是否滿足要求，需要完成軟件系統(tǒng)設計、系統(tǒng)實驗與評估、系統(tǒng)改進等工作。

3.6系統(tǒng)規(guī)劃分析技術

能源互聯(lián)網(wǎng)是一個物質(zhì)，能量與信息深度耦合的系統(tǒng)，是物理空間、能量空間、信息空間乃至社會空間耦合的多域、多層次關聯(lián)，包含連續(xù)動態(tài)行為、離散動態(tài)行為和混沌有意識行為的復雜系統(tǒng)。作為社會/信息/物理相互依存的超大規(guī)模復合網(wǎng)絡，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，具有更廣闊的開放性和更大的系統(tǒng)復雜性。能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在協(xié)同控制過程中各個節(jié)點間存在著博弈過程和較強的社會性，能量的流動與網(wǎng)絡拓撲的變化受市場電價和政府政策的影響，結構與單元異質(zhì)，行為復雜，能量與信息深度融合，量供需不確定等特征，表現(xiàn)出混雜多尺度動態(tài)與復雜網(wǎng)絡特性。因此，開展能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃分析技術研究，分析并揭示能源互聯(lián)網(wǎng)的控制，運行和演化機理，研究能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的體系結構設計與優(yōu)化，能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃等方面的基礎理論和關鍵技術具有重要的意義。

能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃技術以構建雙向互動，自治高效和安全可信的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為目標，考慮能源互聯(lián)網(wǎng)行為復雜，能量與信息深度融合，能量供需不確定等特征，主要從以下幾個方面開展研究：

(1) 能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的體系結構設計與優(yōu)化;

(2) 能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可靠性、安全性和抗毀性分析與評估;

(3) 政策對能源互聯(lián)網(wǎng)的影響分析等問題。

結論

能源互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)信息技術與可再生能源相結合的產(chǎn)物，涉及的學科領域非常廣泛，如材料科學、生物科學、控制科學、信息科學、管理科學、經(jīng)濟學等，是典型的交叉學科問題。能源互聯(lián)網(wǎng)為解決可再生能源的有效利用問題，提供了可行的思路與技術方案。本文分析了能源互聯(lián)網(wǎng)的六大關鍵技術：先進儲能技術、固態(tài)變壓器技術、智能能量管理技術、智能故障管理技術、可靠安全通信技術、系統(tǒng)規(guī)劃分析技術，初步討論了每項關鍵技術需要解決的科學問題，目的在于引起學術界對能源互聯(lián)網(wǎng)研究的關注，共同推動能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為解決中國乃至世界能源問題做出貢獻。

END