能源路由器在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用

能源路由器在

綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用曹軍威

2能量路由器背景示范工程能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)目錄習近平2014年6月13日主持召開中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會議

，研究我國能源安全戰(zhàn)略。

習近平發(fā)表重要講話強調(diào)

，能源安全是關(guān)系

國家經(jīng)濟社會發(fā)展的全局性、

戰(zhàn)略性問題

，對國家繁榮發(fā)展、人民

生活改善、社會長治久安至關(guān)重要。面對能源供需格局新變化、

國

際能源發(fā)展新趨勢

，保障國家能源安全

，必須推動能源生產(chǎn)和消費

革命。推動能源生產(chǎn)和消費革命是長期戰(zhàn)略

，必須從當前做起

，加快實施重點任務(wù)和重大舉措。我國已成為世界第一能源消費國如繼續(xù)以年平均8.9%的增速，到2020年能源消耗將達到79億噸標煤，占目前

世界能源消耗的一半。如此發(fā)展難以長期持續(xù)！

3我國面臨能源革命我國能源資源相對缺乏DARPA-Net:?IP

體系結(jié)構(gòu)?

TCP協(xié)議能源互聯(lián)網(wǎng)能源微網(wǎng)與區(qū)域綜合

能源系統(tǒng)全球能源

互聯(lián)網(wǎng)全球通用互聯(lián)網(wǎng)（Internet

)

計算機局網(wǎng)

4分布式能源/可再生能源/儲能能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展:互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

（Web等）1960

197019801990200020112015能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專用

·電子網(wǎng)

能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程進入落地實施階段，關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用（如儲能等）前景開始顯現(xiàn)，區(qū)域綜合能源服務(wù)興起。

o當今國家電網(wǎng)公司提出綜合能源服務(wù)、客戶為中心等，

并提出建設(shè)世界一流能源

互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的發(fā)展目標。

5能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展成為主流趨勢國家能源局公布首批55個

“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源（能

源互聯(lián)網(wǎng)）示范項目。2017.122017.6交流直流信息能源基礎(chǔ)

設(shè)施一體化云平臺·

能源路由器數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心變電站傳感器傳感器

FREEDM期望借助于功率電子技術(shù)的發(fā)展成熟解決小型分布式可再生能源的接入空置問題。美國FREEDM-Energy

Internet

7“軟性”可再生能源接入美國FREEDM-Energy

RouterImagineadevicethatautomaticallydetects

demand

forpoweranddelivers

processedelectricity

inthe

requiredform

(ACor

DC)atthecorrectvoltageand

frequency.

Energyrouters,analogoustothefamiliardataand

communications

routers,could

improve

reliability,efficiency,andsafety

atevery

leveloftheelectrical

powersystem.From/news/ar07/highpower.html能源路由器

保護控制分布式管理系統(tǒng)電壓頻率管理中心控制器決策生成單元能源路由器裝置用層次角度看能源路由器

8-

u能源控制模塊鏈路/物理傳輸/網(wǎng)絡(luò)鏈路/物理能源控制PLC信息交換模塊固態(tài)變壓器PLC傳輸/網(wǎng)絡(luò)能源控制SST控制器遠程控制②①能源傳輸線路控制信

號E-router

1E

ro

ter

2EthernetEthernet通信線路日本數(shù)字電網(wǎng)聯(lián)盟推進電力路由器?

電力路由器使現(xiàn)有的電網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)，通過相當于互聯(lián)網(wǎng)上地址的“IP地址”進行電源或者發(fā)電站、所的識別，由此進行諸如“區(qū)域A的風力發(fā)電向區(qū)域B的電力路由器傳輸”等控制。?發(fā)生災(zāi)害時，如果來自電力系統(tǒng)的電力供給中斷，電力路由器之間通過

流通蓄電池儲備的電力，就能防止區(qū)域停電。?服務(wù)的提供是由相當于互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)提供商的電力版——“能源服務(wù)電力路由器

9提供商”來負責。數(shù)字電網(wǎng)國家電網(wǎng)公司提出三站合一的建設(shè)思路通過將能源、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)等各類資源進行整合規(guī)劃，新建變電站滿足用戶用能需求，物理上與大數(shù)據(jù)中心相鄰，能源站提供高品質(zhì)能源，儲能站提供電網(wǎng)輔助服務(wù)及備用電源，數(shù)據(jù)站提供數(shù)據(jù)服務(wù)，打造“三站合一”樞紐站，提升國網(wǎng)公司構(gòu)建能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流“三流合一”能源互聯(lián)網(wǎng)的能力。

10

電力系統(tǒng)的電力電子化：“補丁”式->集成化

11電力電子技術(shù)發(fā)展

緩存：儲能控制：電力電子智能處理：數(shù)據(jù)中心信息能源業(yè)務(wù)應(yīng)用接口通信網(wǎng)絡(luò)接口能源網(wǎng)絡(luò)接口

12借鑒網(wǎng)絡(luò)路由器設(shè)計能量路由器電力調(diào)度策略能源路由器關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用層能源路由器分層架構(gòu)管理評估系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)庫Wifi/Ad

Hoc,Ethernet,SDN/CCN傳輸層電力電子控制、

固態(tài)變壓器電能流動、存儲計算機、通訊設(shè)備、數(shù)據(jù)中心物理層電力接口、通訊接口、傳輸介質(zhì)負荷、分布式能源、儲能電池

能源路由、底層通訊和上層應(yīng)用管理的緊

密結(jié)合

，實現(xiàn)能源流的雙向?qū)Φ扔行鬏敗?/p>

13能量路由器方案設(shè)計電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能源（電力）切換能源（電力）路由數(shù)據(jù)中心開關(guān)路由波形變化電能質(zhì)量調(diào)節(jié)wl大數(shù)據(jù)應(yīng)用通訊、傳輸、接口及相關(guān)協(xié)議的標準化是能源路由器發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

，有很多具體工作有待完成。

BATTERIES

14電力電子控制數(shù)據(jù)、

網(wǎng)絡(luò)通信控制防火墻多個服務(wù)器路由器DATABASESST能量路由器輸入輸出微網(wǎng)路由輸入電網(wǎng)并網(wǎng)輸出電力保障微網(wǎng)輸入電網(wǎng)輸入風電輸入光伏輸入通訊接口A通訊接口B負載輸出微網(wǎng)輸出電網(wǎng)輸出電網(wǎng)發(fā)電路由輸出本地用電風力發(fā)電光伏發(fā)電LANWAN用戶DC/DCDC/ACAC/DC網(wǎng)絡(luò)

通訊電纜組DC

BUS

15AC/DCDC/DCDC/DC交流母線vs.直流母線市電AC/DC儲能直流負荷光伏風電DC/DC交流負荷DC/AC儲能DC/DCAC/DC風電市電AC/DCDC/ACDC/ACDC/ACDC/ACDC/ACDC/DC交流負荷光伏直流負荷DC/DCAC

BUS▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲總線型（直流微網(wǎng)）vs.星型（能量路由器）能源路由器儲能N380V~接

口N直流接口1直流接口2NDC/DC

多點互聯(lián)、薄弱點分散單點集中、易于維護

16風力發(fā)電機DC/ACDC/ACAC/DCAC/DCDC/DCDCDCDCACDC/DC直流接口NDCDCDCACDCACDCACDCDC異步電動機線路

線路

線路

線路負荷光伏陣列未來新開發(fā)設(shè)備

試驗接口FACTS設(shè)備

試驗接口RT-LAB試驗接口線路

線路直流變

壓器功率放大器光伏電池組非線性負載線性負載線性負載直流負載儲能設(shè)備線性負載交流負載M旋轉(zhuǎn)電機測試用流斷路

器接口DCDCDCDCACDCACDC永磁同步發(fā)電機模擬裝置M永磁同步發(fā)電機變頻器380V~接

口N380V~接

口交流系統(tǒng)2交流系統(tǒng)電阻負載電網(wǎng)±500V±200V±500VDCDC線路38M

濾波器斬波（PWM）+低通濾波直流變交流直通輸出

17通用功率模塊設(shè)計PWM調(diào)制

交流變直流濾波交流變交流PWM調(diào)制+低通控制程序斬波（PWM）直流變直流功能選擇交流輸

入端口

交流輸

出端口直直變

換輸出

端口直流/單相交流輸出直流輸入端口輸入端

口▲▲

18即插即用設(shè)計

開關(guān)

線路

插頭

能源消費設(shè)備接入

插頭用戶設(shè)備即插即用端口即插即用能源網(wǎng)絡(luò)側(cè)

設(shè)備接入通信模

塊連接

線路通信模

塊連接

線路能源互聯(lián)網(wǎng)能源互聯(lián)網(wǎng)能源模

塊連接能源模

塊連接能源供應(yīng)開關(guān)脈沖觸

發(fā)按鈕能源端口

連接線路通信端口

連接線路遠程

控制線路能源用戶設(shè)備接入遠程控

制開關(guān)能量路由器CP接口

19軟件定義設(shè)計

20能源路由器層次化架構(gòu)區(qū)域能源路

由器骨干能源

路由器

21區(qū)域能源路由器21245EnergystoragesCoolingTransformersCon/invertersTransformers34Converters/Inverters674567SwitchesStorageControllerPC

cluster

22骨干能源路由器321能源路由器

局域內(nèi)網(wǎng)中控控制器工控機PLC

Internet-----------…-

自能源路由器智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

23能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析實測潮流數(shù)據(jù)云庫

能量管理

能量交易通過直接量測和算法處理，得到在線實時動態(tài)潮流，從而得到各節(jié)點和線路的U(t)、

I(t)、

P(t)、Q(t)以及它們的派生量，如dU(t)/dt、dQ(t)/dt、dQ(t)/du(t)等特征了量的時間變化，對它們進行大數(shù)據(jù)分析，

由此構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。

24數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)挖掘選擇與變換數(shù)據(jù)集成數(shù)據(jù)清理模式評估數(shù)據(jù)庫能量路由器技術(shù)特征?

多端口、可擴展；?標準接口、即插即用；?硬件通用化（光伏逆變器、儲能PCS）；?軟件定制化（SDN）；?替代變電站變壓器或為現(xiàn)有變電站變壓器備用；?電能質(zhì)量調(diào)節(jié)（SVG、APF

等）；?儲能+對間歇式能源進行平衡的功能；?信息物理融合——?

能量管理的執(zhí)行終端；?

能量交易的計量終端；?

數(shù)據(jù)中心的信息服務(wù)；?與能源站多種能源（熱—電—冷）相互轉(zhuǎn)換相結(jié)合。

25

26序號專利號申請日期專利名稱發(fā)明人120171097667722017-10-19一種基于SDN的能量路由器和電能傳輸方

法曹軍威,謝挺,明陽陽,胡俊峰,梅東升,陳裕興,郭明星220171097625932017-10-19一種交直流通用端口設(shè)備及轉(zhuǎn)換方法曹軍威,陳裕興,梅東升,謝挺,胡俊峰,明陽陽,郭

明星320171089998792017-09-28一種負載功率預(yù)測方法及系統(tǒng)秦鈺超,華昊辰,胡俊峰,曹軍威,陳裕興,梅東升,郭明星,謝挺420171082251492017-09-13一種能源互聯(lián)網(wǎng)用戶設(shè)備即插即用的方法及裝置曹軍威,胡俊峰,郭明星,陳裕興,梅東升,謝挺,明

陽陽520171082208552017-09-13一種能量路由器即插即用的控制方法明陽陽,郭明星,梅東升,曹軍威,謝挺,胡俊峰,陳

裕興620171082177592017-09-13能量路由器明陽陽,曹軍威,謝挺,郭明星,胡俊峰,陳裕興,梅

東升720171078649822017-09-04一種廣域能源互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域劃分方法和系統(tǒng)楊剛,華昊辰,謝挺,郭明星,梅東升,陳裕興,曹軍

威,胡俊峰820171061882342017-07-26能量路由器及基于該能量路由器的發(fā)電控制方法曹軍威,胡俊峰,郭明星,陳裕興,梅東升,謝挺,郝

傳統(tǒng)920171060265642017-07-21一種光伏發(fā)電功率預(yù)測的方法和裝置曹軍威,秦鈺超,胡俊峰,陳裕興,梅東升,郭明星,

謝挺,華昊辰1020171050305392017-06-27能量路由器控制模型獲取方法及系統(tǒng)、控制器及控制方法曹軍威,謝挺,梅東升,陳裕興,郭明星,胡俊峰,華

昊辰1120171047193702017-06-20微網(wǎng)運行成本最小化的控制處理方法與裝置秦鈺超,曹軍威,胡俊峰,謝挺,郭明星,陳裕興,梅東升,華昊辰12201710318603

X2017-05-08一種微電網(wǎng)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定性控制處理方法及裝置曹軍威,胡俊峰,郭明星,陳裕興,梅東升,謝挺,華

昊辰1320171028953252017-04-27一種能量路由器抗干擾控制器的形成方法及裝置華昊辰,曹軍威,陳裕興,梅東升,郭明星,胡俊峰,謝挺1420171017525932017-03-22一種電網(wǎng)故障類型確定方法及裝置趙兵兵,曹軍威,陳裕興,胡俊峰,梅東升,郭明星

申請專利

北京市科技計劃課題結(jié)題驗收——自治微網(wǎng)能源路由器研制與示范應(yīng)用

27低壓用戶側(cè)小容量樣機研制通過第三方認證，驗證了我們完成裝置研制與調(diào)試，電壓等級380V，系統(tǒng)容量實測為213KVA，響應(yīng)時間為8.8ms，接入電源種類有四種：電網(wǎng)、風電、光伏、儲能。負荷種類四類：交流電阻、交流電抗、

電子負載、直流負載、儲能（充電）

。能

量路由器具有潮流調(diào)節(jié)模式（有功調(diào)節(jié)、無功調(diào)節(jié)；穩(wěn)定功率因數(shù)達到95%以上）。

具有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)模式，暫態(tài)電壓補償能力超過30%，電流諧波含量小于5%。

第三方檢驗報告京能海淀北區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程入選國家能源局首批國家級能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程項目，示范范圍為：海淀北部地區(qū)的翠湖組團和永豐組團，建筑面積2682萬平方米，其中，翠湖組團建筑面積為1366萬平方米，永豐組團建筑面積為1316萬平方米。

29?

集成化實現(xiàn)了并網(wǎng)變流器。這樣的系統(tǒng)與一般的

分布式微網(wǎng)系統(tǒng)一致，都需要并離網(wǎng)切換，

并網(wǎng)

變流器在能量路由器中已經(jīng)實現(xiàn)了。?

集成化實現(xiàn)了光伏逆變器。光伏的接入一般需要

光伏逆變器，而通過能量路由器的話可以以端口

的形式提供逆變器的功能，不再需要光伏逆變器。?

集成化實現(xiàn)了儲能PCS。儲能的接入需要雙向DC/DC功能的儲能PCS

，能量路由器直接提供。?

集成化實現(xiàn)了直流充電功率模塊。直流充電樁一

般需要功率模塊控制充電電流

，能量路由器一并

實現(xiàn)。?

集成化實現(xiàn)了能量管理功能。能量路由器的上層

控制器策略事實上充當了能量管理和控制的角色，

可以進行動態(tài)的調(diào)度。?

集成化實現(xiàn)了電能質(zhì)量管理等其他功能。

本身能

量路由器內(nèi)部具有直流總線隔離，解決了大部分

的電能質(zhì)量問題，不再需要單獨的專用電能質(zhì)量

治理裝置。

基于能源路由器的能源互聯(lián)

網(wǎng)光儲充集成化解決方案

31能源路由器應(yīng)用典型場景能源路由器應(yīng)用示范點北京上莊燃氣熱電有限公司是由北京能源投資（集團）有限公司清潔能源板塊出資組建的國有企業(yè)，公司地處北京市規(guī)劃建設(shè)的國家自主創(chuàng)新示范區(qū)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)的海淀北部地區(qū)。公司已經(jīng)建設(shè)1臺9E級聯(lián)合循環(huán)熱電冷聯(lián)產(chǎn)機組，是

海淀北區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程的組成部分。

32能源路由器應(yīng)用實施進展目前，能量路由器裝置樣機已經(jīng)交付上莊電廠，準備在海淀北區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)

示范工程的建設(shè)實施過程中進行投運。

33能源路由器標準制定在能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下，

以信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)

，具有支持一種或多種能源的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)換功能

，能量流動由能源生產(chǎn)、消費和服務(wù)的

綜合信息進行優(yōu)化控制

，兼容多類型設(shè)備的友好接入、優(yōu)化能源生產(chǎn)側(cè)

與消費側(cè)的雙向交互、實現(xiàn)多元靈活的能源交易

，從而構(gòu)建開放式能源

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點的能源管理裝置

，統(tǒng)稱為能源路由裝置。

能源供給側(cè)能源需求側(cè)

34▲▲▲能量管理平臺參與中電聯(lián)能源互聯(lián)網(wǎng)專項標準——能源路由裝置功能規(guī)范與技術(shù)導(dǎo)則商業(yè)樓宇、家庭小區(qū)、工業(yè)園區(qū)信息通信通道可同時包含能源與信息的通道

能量路由裝置供熱、供冷、供氣、供油、供水系統(tǒng)能源服務(wù)多能互補集成優(yōu)化技術(shù)可再生能源系統(tǒng)供電系統(tǒng)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)儲電居民負荷儲能系統(tǒng)(熱、電)虛擬電廠供氣系統(tǒng)電動汽車電動汽車地熱充電樁光伏光伏風電家庭負荷充電樁光伏▲▲▲▲▲▲...能源路由器發(fā)展展望?

能源路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心重大裝備，

未來電網(wǎng)發(fā)展趨勢會以大量

電力電子裝置呈現(xiàn)，

能源路由器未來能替代電力變壓器、電力電子裝備

等，加上隨著新能源和分布式新能源的發(fā)展，新能源的接入成為能源路

由器產(chǎn)業(yè)化的最大推手，

市場規(guī)模達到百億以上。?

能源路由器是未來電力電子裝置通用化、標準化、集成化趨勢的體現(xiàn)。

目前，電力電子裝置造價貴，功能專一，隨著電力電子器件價格的不斷

降低，性能的不斷提升，硬件通用化、軟件定制化將成為趨勢。電力系

統(tǒng)的電力電子化會導(dǎo)致標準化和集成化的解決方案更具競爭優(yōu)勢，未來能源路由器會逐步取代光伏逆變器、儲能PCS、充電功率模塊、電能質(zhì)量

治理裝置等專業(yè)設(shè)備，成為標準化、低成本電力電子裝置的代表。