能源路由器入门必读:面向能源互联网的架构和功能

本文是North Carolina State University 的一篇非常重要的论文：

译文如下：

摘要:下一代电力系统被称为智能电网，将纳入大量的可再生能源资源，从根本上改变能源管理范式。为了对电网中的能源供需进行有效管理，需要能源路由器对电网中的能源分布进行动态调节，即能源互联网。本文讨论了对能源路由器设计的功能预期，并对能源路由器的体系结构和通信性能进行了初步的研究。本文记录了我们在能源路由器的设计和实现方面的进展，这是智能电网中实现智能能源管理的关键设备。

1.引言

近年来，全球对能源短缺和环境问题的日益关注，促使世界各国积极研究以可再生能源资源和智能能源管理为特点的下一代电力系统——智能电网。智能电网的能源开发将发生显著变化，从对化石燃料的严重依赖转向太阳能、风能、水力、潮汐、地热、废弃物等分布式、多样化的可再生能源资源。智能电网不仅是对可再生能源的利用，同时也是对传统电力系统在能源管理方面的全面升级[2]。在传统电力系统中，能量从发电厂单向流向用户，具有集中发电、单向传输的特点。相比之下，智能电网支持分布式和灵活的能源管理范式。在这个革命性的能源管理系统中，能源的产生是通过最大限度地利用可再生资源，以一种分布式的方式，很大一部分电网用户既是能源生产者，也是能源消费者[3]，[4]。

电网用户的双重角色类似于互联网用户的双重角色:每个互联网用户都是网络上交换信息的贡献者和受益者，每个电网用户都可以买卖电网的能源。由于能量流和信息流之间的相似性，智能电网[5]被命名为能源互联网。在因特网中，分组路由器在信息传输中起着至关重要的作用。同样，在智能电网中，我们需要管理电力传输和分配的能源路由器。能源路由器将成为智能电网的关键组成部分。智能电网是一个新兴的研究领域，目前还处于原始研究阶段，目前还没有关于能源路由器设计的研究结果的报道。在本文中，我们试图对能源路由器的功能预期和研究挑战提供一个高层次的概述。顾名思义，能源路由器是一种集电力传输和信息交换于一体的技术。它承担着两大任务，即能量流的动态调整和动力装置之间的实时通信，这两项任务也是相互作用的。因此，我们将讨论能源路由器在能源控制和设备间通信方面的各自功能需求，以及它们如何集成到智能能源管理实体中。除了功能需求外，本文还介绍了能源路由器的框架设计和对能源路由器通信支持的初步实验结果。本文的工作展示了我们当前的愿景和可获得的结果，因此我们也讨论了下一步的研究方向。本文的其余部分组织如下。在第二部分中，我们概述了智能电网的主要特征，并将它们映射到能源路由器的功能预期中。在第三节中，我们从电力电子、通信和控制智能三个方面详细讨论了能源路由器的设计要求。第四节介绍了我们的能源路由器框架设计，第五节介绍了它的通信支持，第六节讨论了我们未来的研究工作，最后在第七节总结了本文。

2.智能电网和能源路由器:功能齐全预期

为了理解智能电网对能源路由器的关键依赖，我们首先概述了智能电网的预期功能，然后讨论了能源路由器如何支持这些功能。智能电网作为对现有电力系统的全面升级，包含了大量的新特性，其中最重要的是新特性包括可再生能源和优化能源利用的智能能源管理。具体而言，智能电网的功能可以分为7个领域[6]、[7]:批量发电、输电、配电、运行、市场、客户、服务提供商。能源路由器是智能电网运行中的一个技术组件。接下来讨论了能量路由器在各个领域的应用。

2.1.智能电网中的能源路由器使用

1)批量发电领域:

能源主要来源于分布式能源。这些能源通常与当地的电力负荷相连。当当地供应超过当地需求时，剩余的能量通过能源路由器流入电网。当局部能量不足时，电网通过能量路由器提供不足的能量。

2)传输域:

传输域负责将能源从发电源传输到消费者。在能源资源分布的情况下，传输域需要从有剩余量的能源中动态调度能量，在满足本地需求后。因此需要能量路由器来实现动态能量流。

3)分布域:

通过能量路由器进行能量分布。当用户需求随时间变化时，能源路由器也承担跟踪需求变化的责任，以动态适应能源分配。

4)运行域:

为了优化运行，必须收集电网状态信息，如分布式能源当前的能源发电能力、不同客户当前的能源需求等。该状态信息从输配电中使用的能源路由器中获取

5)市场域:

市场域的目标是实现供需平衡，因此必须从电网的各个部位收集能源供需信息，才能使市场域正常运行。信息收集依赖于部署在电网上的能源路由器。

6)客户领域:

客户通过能源路由器向电网购买能源。当客户也从可再生资源中产生能源时，能源路由器就会为其连接的客户调节能源需求和供应。如果用户生产的总能量超过了自己的需求，多余的能量就会通过能源路由器卖回给电网。

7)服务提供商领域:

服务提供商可以拥有自己的能源生产设施，也可以从分布式可再生能源资源中购买能源，并销售给客户。他们需要掌握当前的能源供应和需求信息，以优化服务。信息的获取依赖于能源路由器。

2.2.能源路由器功能

用户级和网格级讨论表明，能源路由器是智能电网建设的基础设备。由于它们在网格中被广泛使用，它们承担着广泛的功能。与互联网路由器类似，能量路由器也有不同的位置相关任务，一般可分为用户级功能和网格级功能。

1)用户级功能:

当能源路由器位于电网边缘时，直接与客户相连。用户主要有分布式可再生能源、分布式储能设备和负载三种类型。这些用户构建了一个微电网，将能源路由器作为其中央协调器。同一个微电网中的每个用户都与能源路由器进行所有能源服务的对话。下面我们将讨论能源路由器所需的所有用户级功能。

用户附件

智能电网具有一个易于使用的即插即用的能源界面。当用户通过能源路由器连接到智能电网时，能源路由器负责发现新的用户附件，并对其进行配置，以便正确操作。

服务请求

当附加的用户想要启动某种服务时，用户会向能源路由器发送“服务请求”消息。然后，能源路由器将“服务接受”消息回复给用户，并控制固态变压器提供能源服务。

状态更新

当用户状态发生变化时，向能源路由器发送状态更新消息。能源路由器更新其当前用户状态。

服务终止

当用户终止服务时，它向能源路由器发送“服务终止”消息，然后断开与能源路由器的连接。能源路由器通知固态变压器停止向该用户输出电力。用户的超然。当用户断开与电网的连接时，能源路由器检测到断开，并相应地更新其用户界面。通过周期性地探测用户存在并倾听用户应答使检测成为可能。如果能源路由器在一段确定的时间内没有收到用户的回复，则认为该用户已断开连接。

2)电网级功能:

能源路由器不仅与能源客户相连，还与电网中其他能源路由器通信，实现能源智能管理。
能源路由器管理其微电网有两种连接方式。它们分别是网格联结模式和孤岛模式。在并网模式下，能源路由器将其微网与智能电网连接，能源通过能源路由器进出微网。能量路由器作为能量流量调节器，响应微电网的能源供需。在孤岛模式下，能源路由器断开微网与电网的连接以保护微网。
微电网中的分布式可再生能源和分布式储能设备必须能够适应局部负荷。为了最大限度地延长运行时间，该能源路由器将低优先级任务的用电量降至最低。

下面将讨论几个典型的操作场景(结合了用户级需求以及电网级别需求)。
在阳光明媚的白天，当光伏系统准备将太阳能转换为电能时，向能源路由器发送能源发电请求。能源路由器检查当地的电力需求，包括当前的负荷需求和分布式储能设备的能量容量，然后与光伏系统确认，启动太阳能转换。太阳落山时，光伏系统停止发电，负荷需求增加。光伏系统向能源路由器发送服务终止消息，并断开与电网的连接。能源路由器通知分布式能源存储设备启动能源供应。在夜间早些时候，风力涡轮机可能已经准备好发电了。它将服务请求发送到能源路由器。能源路由器与风力涡轮机确认，启动电能转换并注入微电网。如果风力涡轮机产生的电量超过当地的需求，剩余的电量就会卖回给电网。否则，能量路由器向电网请求的能量不足。到了深夜，负担变轻了。能源路由器开始为第二天早上使用的插电式电动汽车充电，为下次临时缺电时使用的分布式储能设备充电。在居民用户电价最低的白天，居民用户的能源路由器在其微电网中安排了大部分的能源使用量。相反，对于工业用户，白天的电价是最高的，他们的能源路由器可能会把非紧急任务安排到晚上。因此，能源路由器根据成本动态地确定用电量。

3.能源路由器设计要求

能源路由器承担着重要的电力控制功能，在智能电网中实施正确、高效的能源管理。它是电力电子、通信和自动化的技术集成。因此，它的设计要求包括以下三个方面。

3.1 电力电子设备要求

能源路由器需要电力电子设备来实现能源的自动分配和管理。从上述应用场景可以看出，能源路由器从电网实时收集电力需求和供应信息，并根据需求和需求动态调整电力分配供应信息。在能源路由器中，电力电子器件是智能管理模块与固态变压器之间的接口。电力电子设备必须能够快速、可靠地运行，以保证智能管理模块发出的命令能够正确执行。

3.2 通信需求

能源路由器的运行依赖于它所收集的电网状态信息。例如，当能源路由器检测到“本地负载增加”时，启动光伏系统发电，当检测到电源设备工作不正常时，关闭电源设备。能源路由器之间的通信必须满足三个条件。

1)传输延迟:

通信延迟定义了特定消息通过通信网络到达目的地的最大时间。能量路由器之间通信的消息可能有不同的网络延迟要求[8]，[9]，这取决于触发消息的事件类型。智能电网中大多数时间关键的消息需要小至3毫秒的传输延迟。因此，能量路由器必须具有足够快的处理和通信能力，以保证低延迟的信息交换。

2)通信可靠性:

能源路由器之间的通信必须可靠[10]-[12]。能量路由器的设计必须使失效概率最小。此外，能量路由器必须具有通信故障检测能力，以便快速重传丢失的消息。如果能源路由器遇到设备故障，剩余的能源路由器应该能够通过旁路继续通信。

3)信息安全:

能源路由器之间交换的信息包含电网运行指令。伪造或假冒的消息将危害网格操作。因此，能源路由器必须保证通信的安全性。需要适当设计的安全机制来防止未经授权的用户读取和更改能源路由器之间通信的信息。如果恶意用户注入了伪造的消息，能量路由器应该能够检测到伪造并丢弃这些消息。

3.3 分布式电网智能

除了电力电子和通信外，能源路由器还必须具有分布式电网智能模块，以便对电网中的能源管理做出明智的判断。该网格智能模块利用通信模块收集到的信息，通过能源路由器的协作来确定要在网格中进行的控制变化。每个能源路由器负责一个微网，将不同能源路由器收集到的分布式电网状态信息进行组合处理，实现智能电网运行决策。

4.能源路由器架构设计

在本节中，我们提出了一种能源路由器架构，它结合了电力电子、通信和分布式电网智能模块。在输配电系统中，由于设备位置的不同，电压和电流的变化范围较大。在我们提出的能源路由器设计中，我们使用了一个20千伏安的固态变压器作为例子。本文提出的能量路由器架构经过轻微修改后，可应用于其他不同负载容量的固态变压器。我们在图1中说明了我们的能源路由器架构。

4.1 电力电子模块

电力电子模块的核心功能是将传输线上的高压电能转换为适合电器使用的不同等级的低压。因此，该模块由一系列按顺序连接的子变压器组成，进行电压转换，如7.2kV交流电转换为10 kV交流电，10 kV交流电转换为400 V交流电，400 V交流电转换为120 V交流电，从子变压器的输出中获得子变压器的电源。子变压器作为不同电器的接口，被连接到各种电气接口上。这些接口为许多电器提供即插即用的电力服务，并连接到智能电网。

4.2 通讯模块

能源路由器的通信模块由两个组件组成，一个组件用于能源路由器内部的内部通信，另一个组件用于不同能源路由器之间的内部通信.在图1所示的体系结构中，内部通信组件也称为电源通信接口。该组件负责管理固态变压器控制器与各电端口之间的通信。内部通信组件可以设计为一个专用的通信板建立与嵌入式系统。
它提供通信设施，连接到智能电网的信息交换基础设施。网络接入技术包括ZigBee、以太网和无线局域网。通信板可以是与SST控制板分离的独立单板，也可以是SST控制板集成的部件。如果是单独的单板，两个单板之间的连接可以使用串行链路、USB或其他可能的技术。图1以串行连接为例。

4.3 电网智能模块

电网智能模块集成在SST控制板中。它从通信模块收集能源路由器状态信息，并对微网内部的能源生产和分配进行优化管理在点对点微电网之间。智能模块的运行决策与电能质量管理组件进行通信，电能质量管理组件负责相应改变固态变压器的配置。典型的更改包括端口激活、设备附件和网格连接等。

5.通信模块实现和实验

我们已经为我们提出的能源路由器架构实现了一个通信模块的原型。该模块作为一个独立的嵌入式系统构建，通过通用异步收发(UART)串行链路连接到固态变压器控制器(本文称之为SST控制器)上。不同能量路由器的通信模块通过通信网络进行信息交换。所述通信模块及其与其他能源路由器组件的连接示意图如图2所示。

5.1 实现

我们使用Technologic Systems公司的TS7250嵌入式系统(本文命名为ARM板)来构建通信模块。ARM单板是一种通用单板计算机，具有200mhz ARM CPU和64mb内存，运行在经过修改的Linux内核上，提供WiFi、以太网、USB和串口等多种通信接口。SST控制器被实现为一个独立的板，从固态变压器采样状态值并改变配置。为了允许ARM板和SST控制器板之间的通信，已经建立了ARM-SST串行通信协议(下面解释)，在两个板的UART接口上工作。ARM板作为对端能源路由器的外部通信接口。在不同的能源路由器中可以使用多种网络技术来连接ARM板，如以太坊、无线局域网和ZigBee。我们已经实现了所有这三种类型的连接。然而，单靠网络连接不足以支持信息交换功能。为了保证通信的可靠性，需要使用网络层协议和传输层协议。在我们的原型中使用了分布式网络协议(DNP3)。

1) ARM-SST通信协议:

我们通过定义ARM板与SST控制器板之间交换的报文格式，设计了ARM-SST通信协议。如图3所示，报文格式包含多个字段。“start”字段表示报文的开始，“payload
type”字段表示报文是包含设定点还是所有点。从ARM到SST控制器的“有效载荷”由6个每个2字节的设定值组成，而从SST控制器到ARM的“有效载荷”由接收到的6个设定值和12个模拟点组成。最后一个字节表示数据包校验和。当ARM板接收到来自网络的控制命令时，这些命令会通过UART串行链路转发给SST控制器。SST控制器接收到的设定值负责控制接口电源设备，如继电器和断路器。作为对设定值的响应，SST控制器通过发送相同的控制点并附加存储结构的当前状态字段(模拟点)来承认ARM。存储的结构根据I/O端口的输入值定期更新。当从网络接收到新的设定点时，ARM板不断地向SST控制器发送设定点，直到收到确认。

2)分布式网络协议:

DNP3是一种开放、健壮、高效的网络协议，专门为在电力公用事业自动化系统的恶劣环境中可靠运行而设计。它可以用于通过通信网络监控远程位置的许多物理过程和信息状态，如电力消耗、电压、电流和温度。DNP3协议支持TCP/IP栈通信。我们采用DNP3协议作为不同能源路由器通信模块之间的网络协议。

5.2 实验

我们已经用我们的原型通信模块进行了测试，以测量分组延迟。分组延迟是电力系统通信中一项重要的性能指标，因为电力系统中的时间关键命令必须及时传输和交付。特别是，我们在三个场景中测试了包延迟。在每个场景中，长度不等(16~ 4096字节)的数据包通过DNP3协议传输，DNP3协议运行TCP/IP协议栈上。

通过以太网TS7250-TS7250。两个TS7250嵌入式系统通过100 Mbps以太网连接开关。每个TS7250配置一个200mhz的ARM-9 CPU和64mb内存，安装Linux操作系统。测量的数据包延迟在0.8 ~ 1.6毫秒之间。通过802.11 b TS7250-TS7250。两个TS7250嵌入式系统在其USB端口上连接了WiFi加密狗，并通过连接到共享的802.11b接入点进行通信。测量到的延迟在3.2到17毫秒之间变化。TS7250-ZigBee网关。TS7250嵌入式系统通过串口连接Xbee-Pro通信板，通过802.15.4 ZigBee网关进行数据交换。测量到的延迟在12到86毫秒之间变化。在智能电网通信中，大多数时间关键的消息需要一个小至3毫秒的延迟限制。然而，从实验结果可以观察到，在所有已测试的无线网络中，实际实现的通信延迟超过了界。注意，当网络经历较重的后台流量负载或使用更复杂的多跳网络时，延迟性能将变得更差。因此，如何提高不同能量路由器通信模块之间的分组传输速度仍然是一个具有挑战性的研究问题。

6.未来的工作

本文所做的工作是我们对能源路由器建设的展望，也是我们在通信方面的初步成果。实现能源路由器还有很多工作要做。根据我们确定的三个功能模块，我们下一步的工作可以分为以下三个方向。我们目前正在尝试制造SST控制板，并将其连接到固态变压器。SST控制器板由一个DSP芯片和一个FPGA芯片组成，通过编程可以自动读取SST状态信息，并在必要时更改SST配置。通信模块的通信时延有待改进。我们目前的实验结果表明，无线网络的数据包延迟明显大于以太网。然而，无线网络将是电力系统中重要的通信设备。因此，如何在无线网络中缩短分组时延还需要进一步的研究。通信的可靠性和安全性也将被研究。目前我们还没有对网格智能进行研究。它对电网实现高效的能源管理起着重要的作用。构建这个模块需要对电网中的能量分布有深刻的理解，需要先进的自动化实时决策软件来动态调整能源路由器的运行。

7.结论

在未来的智能电网中，能源路由器将是支持智能能源管理的基础和不可或缺的设备。在本文中，我们讨论了在不同的运行场景下，针对电网中能源路由器的使用情况，对能源路由器设计的功能期望。在功能分析的基础上，提出了一种能源路由器的设计架构，该架构由电力电子、通信和电网智能三个模块组成。实现了通信模块的部分功能，并对通信模块的延时性能进行了测试。实验结果表明，要使能量路由器在无线网络中具有良好的通信性能，还需要进一步的研究。最后，我们讨论了能源路由器设计和实现的下一步工作。本文总结了我们在能源路由器建设方面的进展，我们希望本文中的工作能够促进我们对能源路由器功能和实现的理解。

8. peferences