中½科学
:
信息科学
2014
年 第
44
卷
第
6
期
: 714–727
www.scichina.com
info.scichina.com
可再生½源互联½专题
·
论文
科学与技术前沿论坛
½源互联½与½源路由器
曹军威
xz
,
孟坤
y
∗
,
王继业
{
,
杨明博
x
,
陈震
xz
,
李文焯
y
,
林闯
yz
x
清华大学信息技术研究院, 北京
100084
y
清华大学计算机科学与技术系, 北京
100084
z
清华信息科学与技术½家实验室, 北京
100084
{
½家电½公司信息通信部, 北京
100031
*
通信½者.
E-mail: mengkurt@tsinghua.edu.cn
收稿日期:
2014–01–01;
接受日期:
2014–03–10
½家重点基础研究发展计划
(批准号: 2010CB328105, 2013CB228206)、½家自然科学基金 (批准号: 61020106002, 61071065,
61233016, 11171368)、
中½博士后科学基金
(批准号: 2013M540952)、
清华大学自主科研
(批准号: 20121087999)
和½家电½科技
资助项目
摘要
日益紧张的½源供需矛盾和环境压力等要求可再生清洁½源应该在未来½源½系中承担主
要½源供给任务
.
½源传输技术、存储技术、信息通信以及高性½计算技术的发展为有效利用分布
式、间歇性可再生½源提供了技术支持
.
针对类似于信息互联½式的½源互联½愿景
,
本文探讨了
以½源路由器为核心交换装½的½源互联½实现模型
,
从½源路由器的实现目标
,
已有支撑技术和
实现部½方式等方面分析了涉及的关键技术
,
并结合已有研究成果说明了该领域亟需突破的研究方
向
.
关键词
½源互联½ ½源路由器 可再生½源 分布式½源 微½
1
引言
目前
,
飞速发展的可再生½源技术正逐步缓解人类对化石½源的依赖
,
欧盟
,
美½和中½相继分
别提出到
2050
年实现可再生½源在½源供给中占
100%, 80%
和
60%∼70%
的目标
. Internet
融合多
种通信模式
,
为丰富和利用信息提供了极大便捷
,
正悄然改变人们沟通和信息交流方式
,
颠覆越来越
多传统产业的经营模式
,
为构建未来½源系统提供了借鉴和信息支撑
[1]
.
信息与新½源技术为构建智
½½源系统提供了必要技术储备
,
它们的融合有望½成以
“
½源互联½
”(energy internet)
½式供给和
消费½源
,
支撑
“
第三次工业革½
”
[2]
.
½源互联½可以被认为是未来½源基础平台
,
分布式½源、生
产
–
消费一½的½源主½将成为其主要组成部分
,
满足它们的接入和定制化需求面临诸多挑战
,
如间
歇式½源的调节与接入、生产和存储的合理调配、定制化需求的响应等
.
因此
,
½源互联½发展亟待
解决架构、
构建方法及相关通信和控制协议设计开发等难题
.
½前
,
电½是应用最为广泛的二次½源
,
电½已实现电½的远距离配送
,
并具备了相½规模
.
随着
越来越多电动设备的成熟
,
电½将成为未来人们直接½用的主要½源½式
,
电力½络将是未来½源互
引用格式
:
曹军威
,
孟坤
,
王继业
,
等
.
½源互联½与½源路由器
.
中½科学
:
信息科学
, 2014, 44: 714–727, doi: 10.1360/N112014-
00001
中½科学
:
信息科学 第
44
卷 第
6
期
联½的主要½½½
.
然而
,
½前电½运营还保持二元结构特点
,
生产、配送与消费相互割裂
,
个性化消费
需求和分布式½源供给还不½被很½地支持
;
生产、配送过分依赖预测
,
缺乏高效的通信通道实现信
息共享
,
½源利用率处于较½层次
.
此外
,
太阳½、
风½、
½汐½及生物质½等可再生½源½具有较大
的利用½力
,
½是
,
环境因素和生产效率½得间歇性和不稳定性成为了它们的共同特点
,
对它们的高
效利用存在诸多挑战
[3]
.
如
:
太阳½受到光线强度和光照时间的½响
,
风力和½汐发电受地域和自身
特性的½响
,
所生产的电½在质量和数量上½难以达到现有电½的要求
.
因此
,
以现有电½为基础
,
对
可再生½源生产和存储进行恰½调度是实现½源互联½的基本要求
,
研发支持便捷双向½源流和信息
流融合的技术和设备是构建½源互联½的关键
.
按照½源互联½的愿景
[4]
,
通信系统承担信息采集
,
信息传输和信息处理业务
,
信息及时采集、
优
化处理和有用信息及时准确到达是其必须具备的½力
1),2)
.
然而
,
一方面
,
现有
Internet
采用链路共
享和接收½发的基本运行原则
,
数据拥塞等严重½响信息处理效率
,
时效性和兼容性等要求½得直接
利用
Internet
支撑½源互联½的调度和控制面临巨大挑战
.
另一方面
,
我½现有电½通信½络主要采
用预留专门通道方式保证关键业务的信息需求
,
存在巨大的资源浪费
.
因此
,
综合利用
Internet
和电
½通信系统设½
,
构建具有带½保障
,
海量计算和灵敏反应½力的信息架构是½源互联½的基本要求
.
针对½源互联½在½源接入、
½源控制和½源传输等面临的挑战
,
借鉴
Internet
中交换设备的设
计理念
,
设计½够实现½源½络互联、
调度和控制的
“
½源路由器
”(energy router)
是构建½源互联½
的一种直观可行的方案
[5]
,
½详细的实现方法仍亟需探讨
.
本文将在分析½源互联½需求的基础上
,
针对½源路由器设计与实现过程中涉及的各种关键技术进行深入分析
,
说明基于½源路由器构建½源
互联½的优势
,
并深入探讨½源路由器功½和实现方法
.
2
Internet
发展的启示
Internet
已经超越了技术范畴
,
成为了一种具有超强融合½力的生态环境
,
正以巨大的力量逐步颠
覆多个传统产业的生产和经营方式
.
½源互联½旨在实现可再生½源高效利用
,
满足日益增长的½源
需求和减少½源利用过程中对环境造成破坏
,
分布式½源供应和共享是其主要特征
,
调动各½源单元
的主观½动
,
½成具有自我服务
,
自我维护和自我更新的生态环境是它的目标
.
该部分将分析
Internet
的发展经验
,
说明½源互联½的设计和实现过程中应采纳的方法
.
Internet
的成功经验
(1)
开放对等理念提供巨大的
“
横向力量
”
2.1
旨在摆脱电话½络对中心交换局的依赖
,
开放对等理念在
Internet
建立之初即被认为是其生存和
发展的根本
. IP
技术简化了½络接入设备结构
,
降½了设备制造成本
,
½得
Internet
快速扩张
; Web
技术进一步便利了人们½用
Internet,
促½越来越多的传统业务向
Internet
½移
. Internet
几乎成为了
与人类社会同构的虚拟社会
,
开放
,
对等的½络环境更有利于用户间或产业间的信息共享
,
促进了产业
融合和创新活动的开展
,
在可预见的时间内
, Internet
将颠覆更多的传统产业经营模式
.
(2)
自媒½、
自通信丰富½络服务内容
1) http: // www.vde.com /en/dke /std /KoEn /Documents /DKE Normungsroadmap ENG-20%20-%20gV.pdf.
2) http://www.zhinengdianwang.cn/fenxi/show.php?itemid=1405.
715
曹军威等: ½源互联½与½源路由器
“
马太效应
”
在
Internet
的发展过程中同样发挥½用
,
丰富的服务内容吸引越来越多的用户关注
Internet,
用户参与进一步丰富½络内容
,
½得
Internet
进入了良性发展½道
.
直观地
, Web2.0,
即时通
信及移动互联½技术支持了自媒½和自通信业务的开展
,
其中
,
微博和社交½络给予用户自发丰富½
络内容的机会
;
即时通信½件拓展了人们的通信手段
,
降½了通信成本
;
移动互联½更是加速了信息
创造和更新的速度
.
(3)
服务细致化分工保证服务质量稳步提升
Google, YouTube, Flickr
等专门½络服务提供商的成功表明
:
细致化分工½企业更专注于研发提
高服务质量的技术
,
为
Internet
发展提供了技术积累
.
例如
, Google
针对搜索业务提出的
MapReduce,
BigTable, GFS
引发了人们对未来互联½思考
.
此外
,
细致化分工为更精准地为用户提供服务奠定了
基础
,
要求企业密切关注用户的需求变化
,
以用户½验质量
(quality of experience, QoE)
[6]
为核心的技
术研发更具针对性和持续性
.
(4)
开源平台提供持续更新动力
开源提高了技术到产业化的½化效率
,
促进了技术创新
,
为
Internet
持续创新提供了不竭动力
.
½
前
, Internet
是知识和技术共享的平台
,
其中包括
Internet
的相关资源
,
如涉及操½系统的
Linux
开源
平台
,
涉及云计算的
Hadoop
平台
,
涉及½络协议的½件定义½络
(software defined networking, SDN)
开源平台等
,
用户可以根据需要下½½源代码搭建自己所需的应用
.
此外
,
即时通信和社交½络为技术
交流提供了渠道
,
为群智
(crowdsourcing)
解决问题提供了基础
.
2.2
½源互联½可行发展模式
Internet
通过采用开放对等理念
,
在创新服务模式的基础上提供了多种多样的信息服务
,
½
Inter-
net
成为了支撑½前社会发展的基础设½
;
½源互联½旨在实现½源的高效传输、
分享与利用
,
为经济
社会发展提供坚实的½源基础架构
,
因此
, Internet
的发展模式对½源互联½的发展具有良½的借鉴
½用
. IP
技术曾经是推动
Internet
飞速发展的重要动力
,
½是随着½络服务内容的日益丰富
,
基于
IP
机制的
Internet
通信效率越来越难以支撑人们对½络的需求
,
关于构建非
(
后
)IP
的下一代互联½的
呼声越来越高
[7,8]
,
鉴于此
,
关于½源互联½的发展模式存在两种不同的观点
:
革½式和演进式
.
所谓革½式
,
强调较少地考虑现有½源½络的束缚
,
从未来½源需求的特征出发
,
探讨合适的通
信、½源和控制技术
,
给出基于可再生½源的½源供应½系
. Rifkin
认为第三次工业革½可½率先在
发展中½家发生正是基于该种观点
[2]
,
认为只要建立起以可再生½源为供应主½、
以建筑物为½源共
生产和存储主½、
以电力½络为共享平台、
以即插即用的电力交通工具为运输方式的½源系统即可成
为½源互联½
,
为½源互联½的发展提供了足够多的自由发挥空间
,
½与½前½源½系的脱离势必导
致该种模式动力不足
.
相对地
,
演进式发展½源互联½强调对现有½源系统的向前兼容
,
在不½响现有½源供应的基础
上
,
探讨各种技术手段实现½源供应逐步½向以可再生½源为主
,
保证½源利用率的进一步提高
.
智
½电½可以认为是这种观点的直接产物
,
首先通过探讨基于高效通信手段的½源供销平衡控制提高½
源的利用率
;
智½电½
2.0
阶段
[4,9,10]
则更多强调可再生½源的接入
,
强调½源生产方与消费方的交
互
,
其发展½迹强调对现有基础设½的利用
,
收益分配模式等经济因素将制约该种发展模式的效率
.
鉴于上述分析
,
我们认为½源互联½的发展应采取两者相结合的发展模式
.
一方面
,
鼓励开展相
关关键技术的先导性研究
,
探讨综合一½化的解决方案
,
在传统½源供应相对不足的地区开展小范围
可再生½源接入、
需求
的示范工程
;
另一方面
,
结合实际情况
,
开展基于现有½源基础设½½源调控、
716
中½科学
:
信息科学 第
44
卷 第
6
期
信息采集与分析、
½源供需双向通信等方面的研究
,
积累½源互联½的建设经验
.
3
信息
—
½源融合的½源互联½架构
½源互联½的建设势必为我们提供一个坚实的½源支撑½系
,
信息利用是智½化的保证
,
在信息
技术的支撑下实现½源系统整合和智½化改造是主要发展道路
,
½采用½种架构、
技术来实½还存在
诸多争论
.
该部分在总结已有成果的基础上
,
探讨性地给出了基于½源路由器的信息
—
½源融合½源
互联½架构
,
设想通过设计开发½源路由器实现½源互联½的构建
,
并在剩½的部分中重点针对½源
路由器的关键技术进行详细分析
.
(1)
智½控制为中心的
FREEDM
系统
针对可再生½源的日益普及
, FREEDM
系统的理念是在电力电子、高速数字通信和分布控制技
术的支撑下
,
建立具有智慧功½的革½性电½构架吸纳大量分布式½源
.
通过综合控制½源的生产、
传输和消费各环节
,
实现½源的高效利用和对可再生½源的兼容
. FREEDM
是多技术融合的产物
,
固
态变压器为实现与信息½络融合奠定了基础
,
市场经济模型考虑加快了市场化步伐
.
其中
,
固态变压
器实现
four-quadron
功率流控制
,
½得分布电站变得即插即用
,
并同时保证电½中用户储½及负½½的
增加不会相互½响
;
系统设计激励策略确保绿色½源的最大化利用
,
大幅提升整个系统的½源利用率
.
(2)
智½电池为基础的
Stem
½量存储系统
Stem
开发的
STEM
½量存储系统将电½和½量预测½件结合起来
,
½件可随½源价格变化进行
实时反应
,
½楼宇建筑½够最经济的½用电½
. Stem
½量存储系统为间歇式可再生½源的并½提供了
可行的探讨
. Stem
智½电池相½于½源互联½中的½量
“
缓存
”(cache),
它的广泛应用将大幅提升½
源互联½的½源交换½力
,
½整个½源½络的总的½源储量和储量变化阈值得到大幅提升
,
为½源互
联½实现智½调度、
½源双向对等整合奠定了基础
,
预示着以大数据为特征的½源互联½将开启节½
新时代
.
(3)
智½电力电子技术驱动的日本数字电½
日本数字电½完全建立在信息互联½之上
,
用互联½技术为其提供信息支撑
,
通过逐步重组½家
电力系统
,
逐渐把同步电½细分成异步自主、
½相互连接的子电½
,
给发电机、
电源½换器、
风力发电
场、存储系统、屋顶太阳½电池以及其他电½基础结构等分配
IP
地址
.
电力路由器与现有电½及½
源局域½相连
,
可以根据相½于互联½地址的
“IP
地址
”
识别电源及基地
,
旨在通过电力路由器完成
½源分配
,
架构参见文献
[11].
此外
, VPEC
公司考虑到日本电流频率存在地区差异的现状
,
开发了通过挖掘电流蕴含的信息
,
设
计了不依赖专门信息½络支持的数字电力供给系统
“ECO
½络
”.
电力路由器通过邻近电力路由器发
来的频率信息来判断邻近发电站所具备的电½½量
,
电力路由器½够根据蓄电池剩½电量改变输出电
力的频率
,
½成站所间自治流通机制
. ECO
中信息来源于电力特性
,
减少了对信息基础设½的依赖
,
结
构较为简洁
,
为构建½量级½源互联½提供了借鉴
.
上述新½源½络方案表明
:
½源互联½必然要具有对½量流控制和信息流融合的½力
,
利用信息
通道及时反馈½量流状态
,
根据信息流反馈及时调整对½量流的控制
,
实现信息
—
½源一½化是½源
互联½的发展趋势
.
3.1
信息
—
½源基础设½一½化趋势
实现½量流与信息流的融合
,
有效实现信息实时采集和控制策略实时部½是½源互联½的基本要
717
曹军威等: ½源互联½与½源路由器
求
.
综合计算、½络分配和物理基础设½相融合
,
信息
–
½源一½化解决方案得到了多个½家的高度
关注
,
出现了许多探索性研究成果
.
(1)
美½
NSF
的
Cyber-infrastructure
Cyber-infrastructure
核心在于提供½够融合各种信息技术的框架
,
提供具有先进数据处理
,
数据
存储
,
数据管理
,
数据整合
,
数据挖掘及数据可视化及信息计算½力的研究环境
.
该架构旨在有效连接
实验室、数据、计算机和人等信息因素
,
以期支撑信息技术更有效发展
.
一般地
, Cyber-infrastructure
采用分层架构
3)
,
介质层包括计算、存储和数据通信
3
个类别
,
提供实际运行环境
;
传输层提供组½、
操½系统及中间固件功½
,
为服务层提供各种接口和驱动
;
服务层综合上述资源
,
提供观察测量装配、
虚拟接口设½及协½等服务
,
接受高性½计算、数据信息处理和知识管理服务请求
;
应用层立足于服
务层
,
提供局域信息、
服务入口和定制应用等服务
.
该框架是旨在构建信息融合平台
,
为构建智慧½源
平台提供了借鉴
.
(2)
信息物理系统
(cyber physical systems, CPS)
CPS
是集成计算
,
通信和控制技术
,
通过实时监测
,
协同配合
,
智½化物理工程应用的综合系统
,
是物理过程和计算过程深度结合的产物
4)
. CPS
通过把计算和控制功½以½络为½带嵌入到物理世
界
,
实现智½优化
,
赋予物理设备计算
,
½络通信
,
精确控制
,
远程协调和自治等几大功½
,
具有自适应
性
,
自主性
,
高效性
,
功½性
,
可靠性
,
安全性等特点
.
从信息½源融合½系建设的实际情况出发
, CPS
是一种可行的½源互联½架构
[12∼16]
.
(3)
伯克利框架
—
以信息为中心的½源基础设½
加利福尼亚大学伯克利分校针对智½电½的信息保障
,
提出
“
以信息为中心的智慧½源½络
”
架
构
(
见文献
[17]),
以期通过智½通信协议与电½传输相结合
,
实现分布式控制和及时响应
.
该架构等价
于在配电系统上覆盖了信息控制½络
,
信息½络是该系统的神经中枢
.
按照区域
,
½源½络被分为½源
子½
,
各子½通过
“
智½电源开关
(IPS)”
实现互联
.
针对实现方法
,
研究团队给出可扩展½源½络模
型
-LoCal,
开发多种½源信息接口和传输协议
,
旨在实现发电
,
储½和用电等模块的协同智½
.
该方面
的研究成果为构建½源互联½组½和实现信息
,
½源融合提供了借鉴
.
3.2
基于½源路由器的½源互联½架构
½源互联½旨在提供便捷的½源接入和消费平台
,
构建½源传输½络和设计优化调度方案是亟待
解决的问题
.
电½以其在½源传输效率方面无法比拟的优势
,
在½前的½源½系中占据重要½½
,
且已
经½成了初具规模的电力传输½络
.
因此
,
无论从经济角度
,
还是从技术实现角度
,
充分利用现有的电
½基础设½是必须考虑的因素
.
借鉴上述成果
,
我们认为以
“
大电½
”
为½源传输骨干通道
,
通过设计
恰½的½源
—
信息一½化交换设备
,
采用递增式的方式构建½源是可行方法
.
基于此
,
我们得到如下
的½源互联½架构
,
见图
1.
该架构拟采用互联½理念构建的信息½源融合
“
广域½
”,
它以大电½为
“
主干½
”;
以分布式½源
及微½等单元为
“
局域½
”;
以½源路由器为智½控制单元
,
采用开放对等的信息½源一½化框架实现
½源的双向按需传输和动态平衡½用
.
该架构只需对现有½源配送½络进行裂解
,
通过部½½源路由
器实现分布式的½量流管控
.
由于我½现有电力½络耦合性强
[18]
,
稳定控制是其首要考虑的问题
, “
如½在保证稳定的情况下
3) Cyberinfrastructure. http://en.wikipedia.org/wiki/Cyberinfrastructure.
4) cyber-physical systems. http://en.wikipedia.org/wiki/Cyber-physical system.
718
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