智能电网：构建像互联网一样智能的电网，实现可再生能源的利用和分布式能源的平衡

工程6（2020）778研究智能电网与能源互联网-文章像互联网一样智能的网格刘燕丽a，刘伟，余怡欣a，高宁a，吴伟b，吴伟a天津大学电气与信息工程学院，天津300072b中国香港香港大学电机及电子工程系c美国加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系，CA 94720阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2019年2019年10月12日修订2019年11月4日接受2020年6月25日在线提供保留字：分布式智能电网互联网可再生能源A B S T R A C T一个新的电力时代正在到来，它将电网的脱碳与社会所有部门的广泛脱碳相需要像互联网一样智能的电网来充分利用可再生能源的潜力，适应技术中断，拥抱生产消费者的崛起，并无缝集成纳米，迷你和微电网。互联网是建立在一个分层的架构，促进技术创新，其智能分布在整个网络的层次结构。数据流和电力流之间的根本差异进行检查。目前的电网运行模式是基于这样的信念，即集中式电网运营商是必要的，以保持电网上的瞬时功率平衡。一个新的分布式范例可以通过将这种责任分配给子网格并要求每个子网格保持其净功率平衡来实现。基于这种新的范式，以及一个分层的网络结构和分层的体系结构的操作原则，网格智能互联网。©2020 THE COUNTORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是一篇CCBY-NC-ND许可（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍全球气候变化，主要是由于人类燃烧化石燃料产生的温室气体，已经发生。大气层中温室气体（主要是二氧化碳）的浓度已经增加到一百万年来地球上前所未有的水平。目前全球气温比工业化前水平高1°C温室气体在大气层中有增无减，导致变暖效应累积。2015年，来自世界各地的领导人在巴黎集体同意，人类行为引起的气候变化是对全人类的威胁，需要采取全球行动，大幅减少温室气体排放，努力将本世纪的气温上升限制在2°C以内，同时寻求将上升限制在1.5摄氏度。世界1.5 ° C和2°C之间的0.5度差异将显著加剧数亿人遭受严重干旱、洪水、极端高温和贫困的风险，必须立即采取行动将气温上升限制在在2030年左右的机会窗口关闭之前1.5°C世界上每一个公民在每一个职业都有责任去做*通讯作者。电子邮件地址：yanliliu@tju.edu.cn（Y. Liu），ffwu@eee.hku.hk（F. Wu）.他或她将尽其所能，采取或大或小的措施，立即和紧急地应对全球气候变化，为子孙后代拯救人类。经济发展伴随着更高的能源消耗。能源使用的增加推动了生活水平的提高。世界上大多数在今后十年左右，数十亿人-其中很大一部分在亚洲-将摆脱贫困或从低收入水平提高到中等收入水平。全球能源需求将上升。联合国在其可持续发展目标中明确认识到，消除贫困和促进经济增长必须与应对气候变化和环境保护齐头并进。简而言之，世界将需要更多的能源，但更少的碳。通过从化石燃料转向可再生能源和其他非化石能源来实现电力脱碳，再加上其他经济部门的电气化，被认为是实现可持续发展的有效途径[2，3]。然而，新的可再生能源的引入从根本上改变了通常被称为电网的电能系统的特性。风能和太阳能发电最好位于环境条件（即，风https://doi.org/10.1016/j.eng.2019.11.0152095-8099/©2020 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engY. Liu等人/工程6（2020）778779它几乎没有规模经济;因此，它主要以分散和分布式的方式部署，并且可以在消费者的场所安装和使用。由于这些变化，新电网的特征将更像互联网的特征，其中信息相对于能源，通过网络随时随地生成和共享。这种明显的相似性激发了一些人设想未来的电网，数亿人从可再生能源中生产自己的能源，将其存储在家中，办公室和工厂的电池中，然后通过电网与他人分享。互联网是聪明的。电网是否会本文件涉及以下问题：为什么我们希望电网像互联网一样智能？是什么让互联网变得聪明？为什么以前试图使电网像互联网一样不成功？● 如何让电网像互联网一样智能2. 未来是电动的一个新的电力时代即将到来。可再生能源逐步实现电力脱碳，将为人类提供更多的能源和更少的碳，并将使电力部门成为减排努力的先锋。进一步加强其他经济部门的电气化将导致应对全球气候变化的快速通道。政府政策和技术进步使可再生能源的成本大幅降低。2017年的数据显示，179个国家制定了可再生能源目标，57个国家制定了100%可再生能源发电的目标[5]。 在2019年联合国气候行动峰会上，77个国家和100多个城市承诺到2050年实现净零碳排放。希望其他国家，包括印度、中国和美国，很快也会效仿.中国--世界上最大的碳排放国--正朝着实现到2030年非化石能源占比至少达到20%的承诺迈进。尽管第二大排放国美国在特朗普政府的领导下正在退出《巴黎协定》，但许多州和私营部门仍在积极努力实现《巴黎协定》及其他目标。例如，加利福尼亚州在2018年签署了一项法案，要求到2030年该州60%的电力由可再生资源提供，同时呼吁到2045年实现100%的零碳电力来源。纽约州正在努力提前五年实现100%零碳排放。旨在为可再生能源开发和利用提供鼓励和激励的各种政府政策刺激了密集的研究和开发（R D），技术创新和企业家精神。由此产生的技术进步、规模经济和日益自动化的生产过程已经推动可再生能源的成本大幅下降。风能是目前最便宜的电力来源之一而且越来越便宜[6]。材料研究的进步导致太阳能电池板的成本惊人地降低-在40年内下降了99%以上，从1977年的每瓦77美元下降到2017年的0.64美元[7]。从2010年到2017年，美国住宅太阳能发电的平均安装成本下降了60%，公用事业规模太阳能发电的平均安装成本下降了77%[8]。预计可再生能源的成本将继续下降。2017年，可再生能源占世界电网新增电力的三分之二可再生能源发电的份额可能会上升，最早在2040年成为世界目前，世界能源使用总量的约五分之一是通过电力使用的，四分之三以上的能源是由关键的非电力部门使用的（即，运输、建筑和工业）来自化石燃料。电力供应的脱碳加上这些行业的电气化，有可能大大减少化石燃料的使用和碳排放[2，3]。交通运输部门提供了最大的近期电气化机会。电动汽车（EV）在过去几年中发展迅速，全球有超过300万辆EV在路上行驶，尽管EV的市场份额仍然很低。仅中国在2017年就增加了超过50万辆电动汽车-比2016年增加了72%-除了37万辆电动公交车和2.5亿辆电动两轮车低成本共享移动服务的出现，无人驾驶）车辆预计将主要基于EV。国际能源署（IEA）预测，到2030年，道路上的电动汽车数量可能达到1.25亿辆，甚至高达2.2亿辆。建筑物在一定程度上已经通电。工业部门是除电力之外最大的化石燃料消费者，由于其用户的异质性，更难实现多样化。与可再生能源和电动汽车的情况类似，积极的政府政策、技术创新和企业家精神是降低这些行业进一步电气化成本的关键。传统的化石燃料发电是可控的，以供应电网上波动的负载需求可变可再生能源（VRE）依赖于风能和太阳辐射，具有间歇性、可变性和随机性。VRE的大量引入正在改变网格的格局近年来，包括电池、飞轮、压缩空气、热存储和氢存储在内的各种新的能量存储系统被迅速开发，以平滑可再生能源的可变性并协助电网所需的瞬时功率平衡特别是，由于技术创新和市场扩张，电池技术取得了巨大进步，这在很大程度上是由于电动汽车对电池的需求。从2010年到2016年，电池成本下降了四倍以上[12]。电池既可以部署在电网上，也可以部署在个人消费者驻地。在电表前大规模安装电池有助于电网运营商保持电力平衡和各种其他应用。另一方面，电表后面的当地太阳能电池板和电池可能导致电网缺陷，使电网运营商的可控性降低。从电网的角度来看，将电池储能与可再生能源发电相结合是传统化石燃料发电厂的薄弱替代品[13]。仅需要能量存储系统来适应快速增长的VRE水平的量级和质量被认为在技术上和经济上过高。另一个有助于应对可再生能源变化的选择发电是将消费转移到其他时期，当太阳升起，风吹过的时候，这种需求响应可以被认为是一个虚拟的能量存储系统，其中客户的能量需求被使用"仓库“数字连接允许电器和设备（例如，智能家用电器、智能恒温器、建筑能源管理系统、智能工业锅炉等）持续监测和控制，以形成需求，使其与现有供应最佳匹配。自动化程度的提高、物联网（IoT）设备在住宅和商业领域的普及以及电动汽车和智能充电系统的更高部署将扩大需求响应能力。一些估计认为，2040年20%的电力消耗将在技术上可用于需求响应[14]。自从爱迪生点亮纽约的家庭以来，100多年来，电网每天为60亿人提供电力，让他们享受经济利益和机会。●●●780Y. Liu等人/工程6（2020）778对于今天地球上剩下的10亿缺电的人来说，他们中的大多数都非常贫穷，生活在偏远的村庄，连接的成本令人望而却步，他们的政府太穷了，无法补贴他们。在过去十年中，新技术的兴起，加上私营部门企业家的出现，从根本上改变了向偏远农村居民提供能源的经济学，使更贫穷和更偏远的人能够比以前更快、更便宜地获得电力。如前所述，太阳能电池板和电池成本的大幅下降刺激了家庭或社区的本地发电和储存其他技术大趋势，如更节能的电器（如，电子商务（例如，LED照明和移动电话）、用于远程监控和服务的物联网以及移动货币，使企业家能够提供可行的能源服务，例如销售从几瓦到几百瓦的发电/储能套件，并通过现收现付（PAYG）商业模式进行商业化。越来越多的企业家正在积极测试一系列商业模式，并帮助可再生能源微型电网行业走向成熟。仅在印度，2016-2017年就安装了200多个微型电网。通过部署离网太阳能系统或基于可再生能源的小型电网，这些分布式可再生能源接入（DREA）系统正在为全球超过3.6亿人提供电力。发展中国家对电力接入的综合需求在发达国家，为减少排放而进一步电气化的尝试可能会导致到2040年全球电力增长60%这是在电力系统本身经历了自一个多世纪前创建以来最戏剧性的转变的时候发生的。主要变化包括：(1) VRE的份额越来越大。电网脱碳越成功，电气化程度就越高，从而导致全球碳减排量增加。电网运行必须努力适应不断增加的VRE份额，并不断提高其VRE利用率。(2) Prosumers的崛起如今，住宅客户拥有全球约三分之一的太阳能光伏（PV）容量。电池存储可能类似。 这种持续的趋势有两个含义：第一，将有成千上万甚至数百万的小发电源分散在整个系统中;第二，电网的用户将既是生产者又是消费者，或者将成为生产消费者。(3) 智能外设。在数字时代，数据、分析和连接对电网外围的生产消费者来说是丰富的（即，配电系统等）来智能地调度、管理和控制它们自己的可变可再生发电、电池存储系统、EV充电、各种需求响应系统等。 可控性和智能性不再是电网运营商的专利(4) 纳米、迷你和微电网的激增。在很大程度上自给自足的微电网已经变得流行[16]。发展中国家的可再生微型电网和离网纳米电网（结合太阳能和电池）正在蓬勃发展。与此同时，发达国家拥有自己的太阳能和电池存储系统的产消者越来越多地脱离电网，这正在威胁电力公司的生存（所谓的(5) 技术创新步伐快。近年来，太阳能光伏和电池技术的爆炸性发展对传统电网运营造成了很大压力。未来的某个时候，将会出现更多新的创新技术，其中一些将是颠覆性的电网运营必须充分和及时地利用现有的创新。电网的物理组成和特性正在发生重大变化，特别是在外围[17]。但电网的运行模式仍然没有改变。今天用于网格操作的操作原理、控制架构和基本工具是在20世纪中期，在上一次网格大扩展期间开发的。当第一代数字计算机出现时，控制中心的智能得到了增强。要求在一个新的和不同的环境中采用同样的运作模式是一项艰巨的任务。到目前为止，电网应对这些变化的情况如何让我们首先看看它如何处理VRE到网格的集成2016年，中国是世界上VRE装机容量最大的国家，其太阳能和风能装机容量的百分比（13.7%）远远高于其发电量（5.3%）。 美国是VRE安装量第二大的国家，稍好一些（容量为10.7%，能源为6.9%）[18]。这些数字表明，利用率（即，产生的能量）（即，容量）低于当今电网的平均水平数据来自Ref。[19]，总结在表1中，甚至更能说明问题，因为它表明风能的利用在容量因子方面（即，在全世界范围内，如果全天候可用，能源输出与本可产生的能源的百分比）相当低，并且不会随着容量的增加而改善在网格操作中，VRE资源由于网格施加的约束而经常受到削减是常识[20削减率定义为削减的能源占所产生能源的百分比。例如，风能的削减率可能达到10%或更高，这意味着每年浪费数十太瓦时的能源。这些限制是由传统的电网运行协议带来的，即使在传输容量足够大的情况下也是如此。电网的建立是为了促进能源从源头到消费者的传输。在VRE时代，网格不再是一个推动者;它变成了一个阻碍者。电网被认为是上个世纪最伟大的发明，而互联网则是本世纪最伟大的创新。互联网是智能的，可以随时适应不断破坏性信息革命的快速变化。在新的电力时代，我们希望电网像互联网一样智能！像互联网这样智能的电网应该能够充分利用可再生能源的潜力，整合技术创新，拥抱产消者的崛起，并整合纳米、迷你和微型电网。3. 互联网对于电网和互联网的用户来说，这两种网络都是无处不在的（随时随地可用）和异构的（通过任何形式的能量/数据）。互联网之所以更智能，是因为智能的部署方式3.1. 分布式智能任何形式的数据文本、语音或视频都是通过互联网传输的，没有中央控制或协调设施，完全依赖于本地节点上的传输端点，这些节点负责处理以完成任务。没有延伸表1风能容量和容量系数。国家/地区风电容量（GW）容量系数（%）美国82.232.0欧洲联盟153.022.5中国168.716.5Y. Liu等人/工程6（2020）778781由一个单一的权威机构全球覆盖。智能分布在整个网络中，确保成功传输以及数据完整性、可靠性和认证的责任在节点之间共享。分布式智能和分散控制使互联网能够抵御干扰和中断。通过设计网络结构和操作协议的分层体系结构，使复杂的系统能够无干扰地有效工作[23，24]。3.2. 互联网结构：子网络为了理解互联网的结构，让我们举一个简单的例子：天津的用户A想给旧金山的用户B发一封电子邮件（图1）。用户A电子邮件可能必须通过ISP的骨干网络中的几个中间点（例如，本地ISP到区域ISP）以到达全球互联网的大型国际网络的网络服务提供商（NSP）;类似地用于用户B。但是用户A和用户B的ISP可能不属于同一个NSP网络。电子邮件必须通过两个NSP骨干网之间的网络接入点（NAP）进行交换。电子邮件的点对点路径可以从A在天津的计算机追踪到LAN，ISP（可能有更多中间点），NSP（或更多中间点），NAP，另一个NSP（或更多中间点），另一个ISP（或更多中间点），另一个LAN，最后到达B在旧金山的计算机。互联网是以具有多个层的分层方式构造的（子）网络的网络。在顶部是全球互联网，其次是几个层次，包括NSP骨干网，ISP骨干网，等等，局域网或用户在底部。3.3. 路由器电子邮件通过多个路由器在互联网上路由。路由器通常用于连接不同的网络。ISP和NSP可能有多个路由器作为其骨干网络的一部分因此，互联网的逻辑视图是一个按层次结构排列的路由器网络路由器是一台专门的计算机，用于引导数据流量。每个路由器都知道自己的网络和它下面的所有子网当电子邮件到达路由器时，它会检查收件人的地址，并根据一个简单的规则将其发送到下一个正确的路由器：如果它在自己的子网内，它将被发送到子网路由器;否则，它将被发送到默认路由器，该路由器通常是层次结构中的一个，由于每个路由器都与它所属的子网相关联，并且在子网上负责，因此这里提供了关于子网的数据传输路径的另一种视图，这将在第4节和第5节中有用。用户A的计算机连接到局域网的路由器上.当它通过ISP路由器连接到互联网时，它成为ISP网络的一部分从路由器到路由器），我们可以说电子邮件从一个网络移动到另一个网络。这封电子邮件从天津的一个局域网发送到一个中国的ISP网络，Fig. 1. 一个通过互联网发送电子邮件的例子。图二.互联网的结构。NAP：网络接入点; NSP：网络服务提供商。LAN，到包含ISP的NSP网络，到全球互联网中的NAP，到另一个NSP网络，到美国的另一个ISP网络，最后到旧金山的LAN电子邮件的路径（在子网层次结构中向上和向下）取决于用户的位置和他们所属的子网3.4. 分层互联网架构从用户A到用户B的电子邮件必须从文本转换为电子信号，通过互联网路由，然后再转换回文本。路由器之间交换的信息由通信协议规范中规定的规则和约定管理。在现代设计中，协议被分层以形成协议栈。分层是一种设计原则，它将设计任务划分为更小的步骤，每个步骤完成一个特定的子任务，并仅以少量定义良好的方式与其他子任务交互。它允许将单个复杂的任务分解为更简单、清晰和协作的子任务。分层也是一种功能分解;每一层都解决一类不同的通信问题。国际标准化组织定义了七层网络协议，称为开放系统互连（OSI）参考模型，可以简化为四层，如图3所示。简化版本大致对应于在互联网上使用的协议栈，称为传输控制协议/互联网协议（TCP/IP）栈。四层的功能简述如下：应用层用户与应用层交互。电子邮件（简单邮件传输协议，SMTP）是互联网应用之一。其他包括万维网（超文本传输协议，HTTP）和文件传输（文件传输协议，FTP）。应用程序将消息传递到传输层进行传递。传输层。消息通常被分成较小的数据包，这些数据包与目的地址一起单独发送。传输层确保数据包按顺序无误地到达.网络层。网络层处理机器之间的通信。数据包被封装在数据报中.路由算法用于确定数据报应直接传递还是发送到路由器。物理层。物理层负责将包含文本的包转换为电子信号，并通过通信信道传输它们。●●●●782Y. Liu等人/工程6（2020）778图3.第三章。传输控制协议/互联网协议（TCP/IP）堆栈。消息（在本例中是电子邮件）从发送者计算机上协议栈的顶部开始上层使用下一层中可用的函数，并指示下一层做什么。该指令被编码为添加到消息前面的报头。每一层都在向下的过程中添加一个标题。这个过程在接收端反转。每一层都读取并解释来自报头的指令，并在剥离消息中用于此层的标头。图4示出了具有两个中间路由器的协议栈中电子邮件上下路径的另一示例。这里，假设路由器D是ISP的主服务器，并执行存储转发功能。互联网是智能的，因为分层架构提供了劳动分工，分布式控制使责任分担成为可能。将消息从A发送到B的责任由路径上的许多路由器分担。每个路由器所需的智能是简单而具体的，即，将消息正确地转发到下一个接收者。分层架构中的功能分解使得通过利用和配置现有的较低层功能来添加新的应用或功能成为可能。创新变得更容易实现。分布式控制和分层架构也使互联网对干扰具有弹性，并适应技术进步。4. 数据流和电源流以前试图使网格像互联网一样的尝试集中在互联网中路由器的角色上，作为将传入的“数据包”传递到下一个路由器的在现代电力电子学的帮助下，已经开发了所谓的不同的所有这些努力都是值得称赞的，并有助于电力系统技术的进步;然而，它们还没有使电网变得像互联网一样。我们将研究使互联网上的数据流与电网上的电力流不同图四、数据流路径的示例（a）在网络结构中，（b）在协议栈中Y. Liu等人/工程6（2020）7787834.1. 数据流语音、视频和其他数据信号通常叠加在某种适合在所选介质上传输的波上[29]。在通信网络中，物理介质是信号传播或数据流动的传输路径许多不同类型的通信介质-有线或无线-被使用，包括电话线、电缆、光纤、微波和无线电。高频正弦波通常用作载波，但它可以是 直 流 或 脉 冲 链 ， 具 体 取 决 于 应 用 。 在 诸 如 正 交 频 分 复 用（OFDM）或码分多址（CDMA）的现代无线电通信中，使用各种频率的载波的多个或扩展载波，无论是电磁波、光波还是无线电波，都涉及电子或光子的物理运动。修改载波以携带来自发射机的信号的过程称为调制。在接收端，通过解调恢复信号。调制对于长距离传输信号很重要，因为不可能将低频信号发送到更远的距离。通信中的调制波可以被认为是将数据流添加到载波的电子或光子流上。高容量的通信介质可以分为数字式和数字式两种。着色段（即，带宽），然后可以将其出租给不同的公司并由不同的公司独立地操作此外，多个信号通常在共享介质上组合成一个信号用于传输。这个过程称为多路复用。多路复用通过频分、时分或其他方式将通信信道进一步划分为若干逻辑信道，并且将每个逻辑信道分配给不同且独立的数据流集合多个发射器和接收器可以共享公共介质，从而在通信中产生多址信道。总之，数据流被添加到通信介质中的电子或光子流，并且可以被引导为在通信网络中从一个节点流以图4为例：A中产生的数据通过中间路由器发送到B，即从A到C，C到D，D到B。4.2. 功率流功率直接由功率流中的电子携带[30]。更多的能量意味着移动更多的电子。能量的流动必须遵守物理定律，即基尔霍夫定律和欧姆定律。这些物理定律可以概括为电力必须在电网上的任何时候和任何地方保持平衡的要求。电力消耗的任何增加或减少都必须同时伴随着电网上某个地方电网上的功率流分布是功率平衡物理学的结果电力供需的任何变化都会导致互联电网中的电力流重新分配。从技术的角度来看，人们从电力系统的第一门课程中了解到，电网上的功率流是在求解所谓的功率流（或负载流）方程之后进行的，功率流（或负载流）方程是有功功率和无功功率必须在电网的每个节点处平衡潮流方程是从欧姆定律和基尔霍夫电流和电压定律推导出来的应该指出的是，在交流电力系统中，也就是我们今天所拥有的电网中，功率包括有功（或有功）功率和无功功率。实际功率是产生或消耗的平均功率。无功功率与电压相关：需要足够的无功功率来维持期望电压电平。此外，在电网运行期间，功率必须在稳态和瞬态突然变化（即，扰动）将导致系统移动到新的功率平衡平衡。在过渡期间，任何过载保护装置都不应触发电网运行的进一步电力系统稳定性是指电网在发生扰动后，能够持续保持功率平衡而不引起过载或其他异常情况的能力。在下面的讨论中，为了简短起见，术语“功率”被宽泛地由于电力必须在电网上的任何地方平衡，因此对于电网的任何子电网或区域，净电力-计算流入（输入）和流出（输出）穿过子电网边界的所有线路的电力-必须平衡。相反，如果净功率在其联合覆盖整个电网的电网的任何子电网上平衡，则功率将在整个电网上平衡由于数据在互联网上流动，电力不能从一个节点定向到另一个节点。然而，从逻辑上讲，可以通过子电网跟踪从发电到消费的电力流，就像可以通过子网络跟踪数据流一样，如第3.2节所述。例如，假设A向B售电，其中假设A和B在同一配电子站中，如图5所示。从A到B的附加功率表示功率平衡的变化，这将影响连接到A和B两者的电网部分上的功率流，即， 配电变电站的子电网。A和B所属的子电网分别定义为A和B，也是变电站D的子电网。让我们假设定义了一个附加的子电网C（其选择见第5.2节），并尝试跟踪出受潮流变化影响的子电网。由于（子电网）A必须保持其净功率平衡，因此来自A的额外功率必须输出到C，其中在该示例中，C是包含A的馈电线的子电网。类似地，输入到C的额外功率必须输出到D，以便C维持其净功率平衡。D可以保持其功率平衡，因为B将消耗来自C的额外功率，并且C和B都在D内部。当然，所有这些权力流动都是同时发生的。5. 使用带智能外围设备的网格（GRIP）能源管理系统（EMS），这是放置在高压输电系统，覆盖数百台发电机，图五、权力从A流向B。784Y. Liu等人/工程6（2020）778几十年来，变电站在管理和控制电力系统以确保其经济和可靠运行方面取得了巨大成功[31]。将这一系统及其底层的集中式操作范式扩展到配电系统以及未来电网中成千上万的生产消费者，将使极限延伸到效率低下、不明智和站不住脚的地步。最近的一项研究得出结论，随着未来电网变得越来越复杂，如果当前的集中式操作模式继续下去，其可靠性和弹性将面临巨大压力[32]。互联网已经证明，分布式智能和分散控制提供了增强系统可靠性和弹性的最有效手段。提出了一种具有分布式智能和 责 任 分 担 的 网 格 运 行 模 式 。 提 出了 一 种 具 有 智 能 外 围 的 网 格（GRIP），通过授权网格的外围设备来拥抱新的操作范例，使网格与互联网一样智能[33，34]。GRIP侧重于外围，并不要求废除成功的EMS或运行良好的输电系统的电网运行实践，只是为了使它们更简单（不对外围负责）。尽管如此，未来的输电系统可以自由地发展成与新范式相一致的更加分散的运营。5.1. 分布式智能传统的操作范例留下了系统操作的基本责任，即，保持瞬时功率平衡，而没有整个电网的过载和异常状况，交给单个集中式决策者：电网运营商。如第4所述，当且仅当电网的任何子电网上的净功率平衡（无过载和异常条件）时，电网上的功率平衡后者的原则可以作为一个新的分布式操作范例的未来网格的基础让我们称之为电网的连接子电网，由具有管理和控制其净功率平衡的智能的产消者组成，称为集群。有了这个定义，以下所有ing是集群的例子：一个互联的输电系统，由一个独立的系统运营商（ISO）操作EMS，以控制其定义管辖范围内成员的发电和用电;将EMS作为“控制区”运行的传输公司或机构具有现代配电自动化系统以控制功率流和电压调节（即，无功功率流）和/或高级计量基础设施（AMI）系统以控制客户负载;微电网、迷你电网或纳米电网;一个拥有自己的EMS的智能社区可以通过增加管理和控制其净功率平衡的能力而成为一个一个智能建筑与建筑EMS可以成为一个集群，通过增加管理和控制其净功率平衡的能力;智能家庭也可以通过使用智能电表添加管理和控制其净功率聚合器可以在同一配电公司上签约一组智能家居、智能建筑、智能社区和微电网，以通过管理和控制聚合的发电和消耗来形成集群5.2. GRIP结构：簇的层次结构两个集群不能部分重叠，因为如果它们重叠，它们中没有一个可以管理自己的净功率平衡。因此，两个群集要么不重叠，要么一个完全包含在另一个内，就像LAN被视为位于互联网的ISP子网内一样（图2）。一个集群可以包含许多集群，也可以不包含集群。本身是较大群集的一部分的群集可能包含多个群集。这导致了一个自然的层次结构的集群安排在层（图6）。在层次结构的顶部是整个互连的网格。下面的一层可以是电力局，或者是一家拥有自己的EMS的公司，作为互联中的最底层可能是智能家居。让我们重温图中的例子。 5，其中A向B出售电力，并且A、B、C和D都是集群。我们将根据集群中的功率流来查看事务的路径;更符合通过与互联网路由器相关联的许多子网的数据流的观点，如第3.3节所述。集群A看到集群内部没有额外的功率需求来平衡生成的额外功率;它将功率输出（发送）到其连接的上一层集群，即集群C。类似地，C的额外功率被发送到D。集群D内部的B的额外需求现在平衡了从C流向D的额外功率。功率流的路径是从A到C，C到D，D到B。管理额外权力从因此，A到B分布在一组集群中;每个集群将功率发送到层次结构中的上一层集群或接收器（如果它在集群内部）从物理上讲，A产生额外的功率，B同时获得相同的功率。只要所有集群A、B、C和D保持净功率平衡，功率传输就会立即发生。因此，维护电网功率平衡的责任在受影响的集群之间共享;每个集群都有维护自己的净功率平衡的责任。图5在图7中重新绘制，以示出集群层级中的功率流的路径。5.3. 能源路由器或集群EMS集群必须具有管理和控制其净功率平衡的智能。集群的能量管理系统（CEMS）由管理和控制其净功率平衡的所有必要的硬件和软件组成，相当于互联网中的路由器，并且可以合理地称为GRIP中的能量路由器（E-router）。E路由器或CEMS必须具有传感器来监测跨集群边界的功率流;功率调节设备（例如，电流限制器）来控制功率见图6。群集的嵌套层次结构●●●●●●●●Y. Liu等人/工程6（2020）778785图7.第一次会议。在集群的层次结构中从A到B的电力输送信息和通信技术（ICT）能力，以管理集群中的发电和负荷以及电力5.4. GRIP的分层结构GRIP的分层架构由三层组成-即市场层，调度层和平衡层-被提出（图8）。电网的用户，也就是产消者，与电力市场（有时也称为电力市场）互动，分享或交易电力。事务必须在网格上进行调度和物理实现，并且集群的净功率必须始终保持平衡。(1) 市场层。在不同的国家和地区，各种形式的日前、小时前、实时和其他类型的电力市场在不同的规则和法规双边交易是能源共享市场活动的最简单形式，可以在任何市场中进行实际实现可能需要一个更普遍的多边贸易计划[36]。多边贸易已在一个由五个区域电网组成的互联电网中成功实施[37]。现代区块链技术提供了一个开放和分布式的账本，可以有效地用于促进多边贸易。电力市场交易必须是可实现的，调度层中的分段。离线分析用于将集群操作限制转化为集群可以参与的可接受事务的约束。对于配电系统上的集群，其中网络主要是径向的，并且限制是线路负载和允许的电压带，与重网状传输系统相比，这可能相对简单。对于复杂的传输系统，可以使用经过时间考验的控制区操作标准协议。(2) 调度层。产消者可以参与一个或多个日前、小时前和实时市场，以最大化他/她的利益。调度的准备工作必须提前完成，以确保，首先，集群有能力在执行事务时保持净功率平衡。由于在电网上经常发生诸如发电或线路中断之类的意外事件或干扰，因此集群必须具有承受能力，并且具有足够的可用储备来填补集群中任何可信干扰所引起的功率不平衡集群的备用是额外的在电力系统术语中，抗干扰能力称为安全性。对于具有多个发电和消费的集群，可以进行供应和需求的调度，以最有效和经济的方式共享资源。提出了一种用于调度功能的综合工具，称为风险限制调度（RLD），它将调度、调度、安全和经济考虑因素考虑在内[38，39]。RLD建立在多阶段随机优化框架上（图9），具有以下特点：这些阶段对应于市场的调度阶段也就是说，提前一天、提前一小时、实时等等。随机性质的VRE，其他类型的生成，和负载被认为是。控制变量是集群中可调度的发电量和需求量。所允许的终端状态被限制为未实现净功率平衡的风险被限制在可接受水平（类似于银行部门中的风险管理）的对群集操作施加了安全约束。优化的目标函数是集群的经济效益。图中使用的符号。 9在表2中定义。因此，RLD是一长串传统电力系统运行工具的进化扩展，包括经济调度、机组组合、最优潮流、安全约束经济调度、随机最优潮流等，适用于未来电网的运行输电系统上现有EMS对RLD的调整可以是渐进式的，但可以在配电系统及其他系统的较小集群中开发和实施更简单的方法(3) 平衡层。调度层确保集群的净功率可以在调度的时间步长内平衡，该时间步长可以是秒或更少。见图8。GRIP的分层架构见图9。 RLD的多阶段随机优化框架（用p表示）。●●●●●●786Y. Liu等人/工程6（2020）778ðÞ ð Þ ðÞðÞ ð Þ ð ÞðÞ表2图中使用的符号9.第九条。符号描述Y1;Y2;Y3;每个阶段的现有信息k0;k1;k2; k3;：：初始阶段，阶段1，阶段2，阶段3，. .t时间s k1;s k1;k2;s k1;k2;k3;：各阶段x k0;x k0;k1;x k0;k1;k2;x k0;k1;k2;k3;：总调度净供应量在每个阶段在集群中的发电或负载中，必须平滑以维持瞬时净功率平衡。发明了一种用于外围集群的电弹簧（ES），其中在同步发电机中没有调速器和励磁机，这些调速器和励磁机在输电网中用于平滑波动[40，41]。ES是一种利用外围集群中普遍存在的负载来完成工作的电力电子装置一些负荷，如热水器、空调和非必要照明，被认为是非关键的，因为它们可以承受暂时的电力减少或增加，而不会产生明显的不利影响。ES与非关键负载串联或嵌入非关键负载中，组合与其余负载（关键负载）并联，如图所示。 10个。ES将暂时的功率不平衡转储到非关键负载，即，当存在过/欠功率供应时，ES让非关键负载消耗更多/更少的功率，以便吸收集群中的不平衡。嵌入ES的智能负荷可以被认为是一种先进的需求响应系统。为了示出由集群的不同层执行的各种功能，在图11中再次使用图5（或图7）中的相同示例，其中假设集群中的发电/负载的重新调度是配电变电站集群D所必需的。在GRIP中维护功率平衡的责任由所有集群分担;这意味着每个集群必须见图10。嵌入ES的智能负载。维持其净功率平衡，负责调度、调度、平衡和安全。每个集群都必须作为一个自治单元运行，严格遵守其宣布的时间表，即使在集群发生发电故障等干扰的情况下也是如此。每个集群必须能够防止unsched- uled功率流，并从内部或从集群上一层获得必要的储备。来自上述集群的储备将能够维持该集群的净功率平衡，并防止干扰的影响进一步传播。各层级顶部的互联电网不再像今天的做法那样，作为供应或吸收失衡的最后手段。对于微电网或仅仅为了可靠性保证而连接到电网的生产者来说，没有在分层体系结构中，下层执行上层指示的任务，并且接口必须定义良好。市场层期望调度层实现调度层认为可接受的任何交易什么是可接受的交易必须明确定义。调度层精确地知道平衡层在平滑波动方面的能力水平层与层之间没有来回的协商。6. 结论电网运行的基本要求是保持电网瞬时功率平衡。当前的操作范例是基于这样的假设，即集中式网格操作者是维持功率平衡所必需在即将到来的新时代，生产消费者将拥有完全的可控性和数字智能，以更好地管理自己的资源和智能设备，并且不再需要将权力移交给电网运营商。通过将功率平衡的责任分配给电网外围的子电网，以单独维持其净功率平衡，可以实现一种新的分布式运行模式。一个网格智能互联网的基础上，这种新的范式-GRIP-。GRIP具有以下特点，适合服务于未来的电网：更好地利用VRE。分布式操作模式将导致VRE资源的最大化利用，因为VRE的操作将取决于本地利益相关者，他们具有更好的知识来预测、调度和控制资源。赋予产消者权力。产消者将完全控制自己的发电和负荷的运行，并有动力安装和运行最有效的设施，如太阳能光伏、电池存储系统、电动汽车充电系统以及ICT硬件和软件。与外围国家分担责任在新的数字时代，随着硬件变得更便宜，软件变得更智能，外围设备在管理自己的子电网方面具有与电网运营商相似的智能和能力水平见图11。 在集群的分层架构中从A到B的电力输送。●●●Y. Liu等人/工程6（2020）778787纳米、迷你和微电网的无缝集成。新范式的责任分担特征与当今纳米、迷你和微电网的自主或半自主哲学相此外，允许集群的半自治操作将防止产消者的总网格背叛快速适应技术创新。GRIP的分层架构使其易于整合创新的新技术。一旦采用新的操作模式，GRIP可以以任何速度从现有网格发展具有自己的EMS的输电网可以是互连的第一集群可以添加更多还可以添加智能家居、智能建筑、智能社区、微电网等集群。可以灵活地形成和添加其他集群，因为集群可以是现有集群的一部分，并且可以包含任何数量的预先存在的集群。GRIP不需要废除成功的EMS或输电网运行中的有效传统，而是专注于为目前大多数被动配电系统及其他系统增加更多的智能和责任。它可以建立在现有电网运营的成功基础上，并加强电网的外围，以拥抱创新的新技术。能源互联网是最近的趋势，旨在通过识别和协调它们之间的协同作用来整合和管理多个能源系统，包括电力，热力，天然气和运输，以便为每个单独的部门以及整个系统实现最佳解决方案[42]。利用电力生产和工业的余热进行区域供暖已经有几十年的历史了电力、热力和燃气之间的三向转换，以及电力和电动汽车电池之间的双向转换，增加了能源管理的灵活性不同形式的能量都有相同的基本物理定律，即能量守恒定律我们相信，将系统分解为一个层次结构的集群，每个集群都保持自己的净能量