能源互联网的信息物理系统

能量流 信息流
风力
控制中心
水力
生物 能源 局域网 能源 局域网 能源互联网的信息物理系统（CPS）
控制
采用集中与分布结合的系统控制架构
主要是考虑能源互联网的系统复杂性及各能源局域网的高度自治能
力，构建能源用户局部利益 与能源系统全局利益 相协调的集中与分 布相结合的系统控制架构，为实施多层级交叉的能量管理与协同控 制奠定基础。
能源互联网是通过能源技术与信息技术的深度融合 ，逐渐形成的 以电力为核心，涵盖供电、供热、供冷、供气、电气化交通等多 个复杂系统的综合能源网络，必将要求其是一个 信息物理系统， 以保证能源互联网的 灵活性、自治性、可靠性、经济性和安全性。
能源互联网的信息物理系统（CPS）
信息流 能量流
计算中心
基于能源互联网大数据的类型、特点及分析需求，重点突破平台体
系架构、大数据建模、大数据存储和大数据分析等关键技术，构建 能源互联网大数据处理分析平台。
研究提出支持横向扩展， 具有分布、并行、高效等 特点，且面向服务的支持 大数据工程全生命周期活 动的平台体系架构。 研究提出合理的集群存储 资源映射方法，建立基于 Hadoop分布式文件系统 的大数据存储机制。
能源互联网的信息物理系统（CPS）
• • • • •
感知
构建高级量测体系（AMI）
主要以支持智能计量终端的 双向化、智能化、多功能化、多表计化
发展为目标，为能源分时定价、用户需求侧响应、多种能源协调互 补等奠定基础。 高级量测体系
• • • • • 完善智能电表等智能计量 终端的计量功能 增强智能计量终端的监控 互动能力 拓展计量数据的应用范围 加强与其它系统的信息集 成能力 …
析影响各层通信可靠性和网络安全性的因素；对传统电网通信网络 的通信协议分析, 根据能源互联网信息物理系统的体系结构改进或重 新设计通信协议。
能源互联网信息物理系统 通信网络
• • • • • 可靠安全通信网络软硬件结构设计 通信优先级设计 通信安全措施分类 通信性能要求确定 通信媒介选择与确定
可靠、安全、高效
• • • •
绿色能源网络控制协议（IEEE 1888等） 能量管理与分布式管理系统协议（IEC61970等） 变电站间通信协议（IEC62445-1等） 控制中心通信协议（IEC60870-6等）
能源互联网的信息物理系统（CPS）
通信
异构通信系统集成与安全防护
主要基于通信协议层 和数据传输层，对各能源局域网系统中不同通

Cyber-physical systems, CPS 是在物理世界感知的基础上，深度融合计算、通信和控制能力，通过信 息空间虚拟网络和物理空间实体网络的相互 协调，形成的多维异构的计 算单元和物理对象在网络环境中高度集成交互的新型智能复杂系统。
Information
Systems
能源互联网的信息物理系统（CPS）
通信与控制层（IEM）
状态感知 智能控制 优化调度 通信 总线
固态变压器
能量转换与执行层（SST）
AC/DC
直流 总线
智能能量管理
互联网应用模块
DC/DC
DC/AC
交流 总线
能量网关
储能系统（可扩展）
能源管理系统
能量流
信息流
能源交易执行终端
能源互联网的信息物理系统（CPS）
信息流 能量流
计算中心
交易中心
生产能力
气象条件
用户需求
设备状态
负荷行为
……
能源互联网的信息物理系统（CPS）
感知
开展一体化智能监测装置设计
主要是实现对能源互联网所涉及各类设备的多种状态参数进
行监测和收集，为这些设备的状态实时监控和潜伏故障发现 等提供有效的数据支持。
建立统一规范的监测 体系 制定监测参数及监测 指标标准 提高在线信息的监测 性能和数据精度 制定监测数据通信传 输协议 …
数据挖掘
机器学习 模式识别 鲁棒优化 智能算法 ……
能源互联网的信息物理系统（CPS）
控制
随着大量分布式能源的广泛接入，能源互联网信息物理系统将包含大量
自治能力强、异构的能源局域网系统，并具有系统规模十分庞大、网络拓扑 动态变化、局部能量供需不均、能量水平随机演变、能量管控异常复杂等特
点，要求能源互联网系统具备较强的分布式协同控制能力。
能源互联网的信息物理系统（CPS）
控制
突破基于预测的智能协同调度技术
综合考虑各能源局域网内部的发电能力和负载状态，动态预测其整
体的能量可调度能力，并将各能源局域网的能量可调度能力信息在 能源互联网信息物理系统中实施共享，最终从系统层全局利益出发， 协同各能源局域网之间的能量调度。
能力预测 信息共享 协同调度
•
各种不同级层通信网络 (广 域网、区域网、家庭网)的 高效互联互通； 能容纳各种不同类型的通 信设备； 能量控制相对通信时延短； 控制命令通信差错率低；
保 证
• • •
•
…
能源互联网的信息物理系统（CPS）
通信
设计能源互联网通信架构与通信协议
主要从地理与控制关系上将通信网络进行合理的层次划分与设计, 分
电动汽车
智能家电 储能系统
能源互联网的信息物理系统（CPS）
能源互联网的信息物理系统（CPS）
能源互联网的信息物理系统（CPS）
通信
能源互联网信息物理系统是能源与信息高度融合的大系统， 其通信结构复杂并具有多尺度动态性，对能量控制与信息交互响 应要求严格，因此要求这类系统具有 高可靠、高安全的通信能力 。
•
• • • • • •
稳定运行
网络时延小 数据可靠传输 数据优先级分类 时间同步 多点传输 …
主从控制的拓扑结构较为僵化，且 主控中心计算量巨大， 一旦崩溃会 波及整个能源互联网系统。
分布式对等控制没有控制中心，结 构比较复杂，接口较多，响应速度 相对集中控制稍慢。
采用动态拓扑结构，采用各能源局 域网分布式控制与多能源局域网间 的协同配合管理相结合，快速、高 效地从全局进行能量优化管理控制。
交易中心
控制中心
能源生产侧 数据采集
能源生产侧 系统控制
信息网络
能源用户侧 数据采集
能源用户侧 系统控制
能源输配网络 数据采集
能源输配网络 系统控制 分布式电源
智能楼宇
燃气厂 水电厂 核电站 大型风厂 光伏电站
火电厂
能源网络
电动汽车 储能系统
智能家电
能源互联网的信息物理系统（CPS）
感知
能源互联网信息物理系统所涉及的设施、设备及终端类型多、数 量大，为实现对这类系统的信息主导、精准控制，需要对气象条件、 生产能力、设备状态、负荷能力和用户需求等信息进行精确感知，具 备从态势觉察、态势理解到态势预测的全面态势感知能力。
控制中心
能量生产侧 数据采集
能量生产侧 系统控制
信息网络
能量用户侧 数据采集
能量用户侧 系统控制
能量输配网络 数据采集
能量输配网络 系统控制 分布式电源
智能楼宇
燃气厂 水电厂 核电站 大型风厂 光伏电站
全面态势感知能力 高可靠通信能力 大数据处理分析能力 能源网络
火电厂
分布协同控制能力
提出适合能源互联网大数 据特点的数据描述方法， 解决多源、分布和异构数 据整合和统一管理问题。
主要针对能源互联网所涉 及的大规模海量数据，研 究提出云计算环境下的并 行数据挖掘算法与策略。
能源互联网的信息物理系统（CPS）
计算
拓展和深化能源互联网大数据应用
通过对大数据进行分析，更准确的掌握能源 负荷变化规律，提高负荷预测精度。 分析新能源产出与气象环境条件的关联关系， 更准确的对新能源发电能力进行预测。 研究检修、运行工况、气象条件等因素对设 备状态的影响，基于设备运行机理和退化规 律，开展故障预测与健康管理。 基于用户的能源消费习惯，为优化用户的节 能减排行为提供建议。 基于气象环境信息、能源产出能力、用户耗 能习惯和设备健康状态，对能源的跨区域调 度提供辅助决策支持。
信子系统进行 异构通信数据集成，同时考虑不同通信子系统的数据 传输对信息物理系统中能量控制的影响，设置相应的安全防护功能， 保证数据信息在通信网络中可靠传输的同时，满足系统对能量管控 响应的要求。
异构集成
安全防护
能源互联网的信息物理系统（CPS）
计算
能源互联网作为一类典型的 CPS系统，随着其应用模式的成熟和 应用程度的深化，必将获得海量数据，其规模也将沿数据类型、量测 终端、采用频率等多个维度呈现爆发式增长，需要具备良好的大数据 处理计算能力。
随着大量分布式电源的接入及需求响应侧的实施，包括气象信息、 用户行为信息等数据类型都将纳入系统。 随着高级测量技术的普及和应用，系统中具有量测功能的智能终端 的数量将迅速增加。 随着信息采样频率的增加，上述两个维度的数据将随时间积累呈几 何级数增加。
能源互联网的信息物理系统（CPS）
计算
构建能源互联网大数据处理分析平台
能源互联网的信息物理系统（CPS）
控制
研制以能量路由器为核心的管控设备
电能依然是进行能源互联和共享的主要传输介质，为了支撑能源互
联网环境下的分布式协同控制，必须研发采用新型电力电子技术 实 现的电力转换设备，在此基础上研制具有 信息主导、精确控制能力 的新型能源管控设备，其中能量路由器其中的核心设备 。