能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與拓?fù)淠Ｐ?/h1>
2015-04-19 11:49:40王進(jìn)法賈思媛
電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2015年11期 關(guān)鍵詞：模型
趙 海 蔡 巍 王進(jìn)法 賈思媛，2
(1.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 沈陽 110819 2.美國加州大學(xué)圣地亞哥超級(jí)計(jì)算中心 圣地亞哥 CA 92093)
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能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與拓?fù)淠Ｐ?/p>
趙 海1蔡 巍1王進(jìn)法1賈思媛1，2
(1.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 沈陽 110819 2.美國加州大學(xué)圣地亞哥超級(jí)計(jì)算中心 圣地亞哥CA92093)
能源互聯(lián)網(wǎng)是解決能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)的重要手段之一，是第三次工業(yè)革命的技術(shù)支柱，架構(gòu)設(shè)計(jì)問題是能源互聯(lián)網(wǎng)研究和發(fā)展的基礎(chǔ)。從研究互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征入手，以能源互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)和特性為準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了一種基于分級(jí)儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)；為描述該架構(gòu)特征，提出了一種能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?，通過仿真，說明所提出的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)在拓?fù)湫螒B(tài)上相比較傳統(tǒng)電網(wǎng)更加接近于互聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，典型實(shí)驗(yàn)表明，該拓?fù)淠Ｐ驮诮Y(jié)構(gòu)魯棒性方面相比傳統(tǒng)電網(wǎng)有大幅度提高，所提出的拓?fù)淠Ｐ涂勺鳛槲磥硌芯磕茉椿ヂ?lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃和架構(gòu)設(shè)計(jì)的重要理論依據(jù)。
能源互聯(lián)網(wǎng) 智能電網(wǎng) 儲(chǔ)能技術(shù) 架構(gòu)設(shè)計(jì) 拓?fù)淠Ｐ?/p>
0 引言
能源是現(xiàn)代人類社會(huì)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，然而隨著化石能源的日漸枯竭以及越來越凸顯的環(huán)境問題，能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。J.Rifkin[1]提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的愿景，并引發(fā)了全世界范圍的廣泛關(guān)注。能源互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)更廣泛的分布式互聯(lián)系統(tǒng)，目標(biāo)是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動(dòng)由集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的轉(zhuǎn)變。德國提出了“E-Energy”計(jì)劃[2]，研究并建立新型能源網(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)能源供應(yīng)體系中實(shí)現(xiàn)綜合數(shù)字化互聯(lián)以及計(jì)算機(jī)控制和監(jiān)測的目標(biāo)。美國國家科學(xué)基金(NSF)項(xiàng)目未來可再生電力能源傳輸與管理系統(tǒng)(FREEDM)意圖設(shè)計(jì)一種構(gòu)建在分布式可再生能源發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)備基礎(chǔ)上的新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并提出能源互聯(lián)網(wǎng)是智能電網(wǎng)的發(fā)展方向[3]。能源互聯(lián)網(wǎng)是融合了電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)[4，5]以及信息網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜系統(tǒng)的高維復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。
當(dāng)今人類社會(huì)的能源骨干網(wǎng)絡(luò)和未來能源互聯(lián)網(wǎng)的核心基礎(chǔ)——電力系統(tǒng)，已被證明是一種典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[6]。傳統(tǒng)的基于還原分析和確定性理論的電力系統(tǒng)研究方法，無法解釋在現(xiàn)代大電網(wǎng)中的復(fù)雜性現(xiàn)象和行為。例如在實(shí)踐中，盡管人們盡可能地對電網(wǎng)進(jìn)行了隔離保護(hù)等安全措施，但一些微小的局部故障或波動(dòng)卻能夠演化為災(zāi)難性的全局崩潰。近年來，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論被用于電力系統(tǒng)尤其是電網(wǎng)系統(tǒng)的研究和分析，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性、級(jí)聯(lián)故障分析和仿真、關(guān)鍵控制支路和節(jié)點(diǎn)辨識(shí)等方面取得了豐碩的研究成果[7-11]。
能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、組成單元和主要功能需求等方面都還需不斷地深入研究[12]。然而結(jié)構(gòu)決定功能是自然界的普遍法則。作為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)及其宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響系統(tǒng)功能和特性的最重要的研究基礎(chǔ)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論是通過研究復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征與統(tǒng)計(jì)規(guī)律解釋復(fù)雜性問題的研究方法體系，對研究能源互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性問題有很重要的研究價(jià)值。研究能源互聯(lián)網(wǎng)的組成單元主要功能和協(xié)議設(shè)計(jì)與整體規(guī)劃都離不開架構(gòu)設(shè)計(jì)框架。
從互聯(lián)網(wǎng)的基本特點(diǎn)和拓?fù)涮卣魅胧郑Y(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵需求，設(shè)計(jì)一種基于儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)宏觀架構(gòu)，并以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究視角，建立拓?fù)淠Ｐ?，探討能源互?lián)網(wǎng)未來的架構(gòu)形態(tài)和拓?fù)涮卣鳎荚跒槟茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的研究發(fā)展提供理論研究的基礎(chǔ)支撐。
1 來自互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)涞膯l(fā)
互聯(lián)網(wǎng)自誕生以來，經(jīng)近50年的發(fā)展，已經(jīng)成為信息傳輸與共享的最重要的載體，形成了具有相當(dāng)規(guī)模和有效管理方式的體系結(jié)構(gòu)?；ヂ?lián)網(wǎng)已不僅是一種單純的技術(shù)范疇，而是有著強(qiáng)大融合能力的生態(tài)環(huán)境，并正以巨大的力量影響著人類社會(huì)的生存和發(fā)展形態(tài)。能源互聯(lián)網(wǎng)則將在能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過新能源技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)分布式的互聯(lián)和雙向的廣泛共享與交互。因此，借鑒互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和形態(tài)特征，是能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的最重要內(nèi)涵。
互聯(lián)網(wǎng)作為人類創(chuàng)造的最廣泛的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)之一，自復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論引起世人矚目起，就作為典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)實(shí)例為人們所重新認(rèn)知[13]。對電力系統(tǒng)而言，靈活、簡裝的拓?fù)浼軜?gòu)一直是電力網(wǎng)絡(luò)追求的目標(biāo)[14]。在建設(shè)目標(biāo)、功能特性、協(xié)議支持和服務(wù)范疇等方面，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)可為能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供大量的借鑒經(jīng)驗(yàn)[15]。研究表明，互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)涮卣饔绊懼ヂ?lián)網(wǎng)的諸多特性，因此，設(shè)計(jì)能源互聯(lián)網(wǎng)不僅要從理念上學(xué)習(xí)互聯(lián)網(wǎng)，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上也應(yīng)具備相似的特征，以真正實(shí)現(xiàn)能源的互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)聯(lián)接。研究和設(shè)計(jì)能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)還需要從參考互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)入手。
首先，互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)小世界網(wǎng)絡(luò)，其平均最短路徑長度遠(yuǎn)小于同規(guī)模隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度，即網(wǎng)絡(luò)平均最短路徑長度與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增長無關(guān)?；ヂ?lián)網(wǎng)的平均最短路徑在4左右。其次，互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)無尺度網(wǎng)絡(luò)，其度分布或累積度分布服從冪律分布p(k)～x-γ，AS級(jí)拓?fù)鋬缏煞植枷禂?shù)γ≈2.2。除此之外互聯(lián)網(wǎng)的社團(tuán)特征、層次性特征和分形特征也都非常明顯?，F(xiàn)代電網(wǎng)由于其規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，已具備了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征，在定性分析方面與互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)渚哂幸欢ǖ南嗨浦?，但其宏觀拓?fù)涮卣髋c互聯(lián)網(wǎng)在定量研究中的差別也十分明顯。
當(dāng)前電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男∈澜缣卣髋c互聯(lián)網(wǎng)相比還不夠明顯，一方面沒有形成明顯的社團(tuán)結(jié)構(gòu)，另一方面，無論在平均最短路徑還是聚集系數(shù)等量化指標(biāo)方面均弱于互聯(lián)網(wǎng)。因此，電力系統(tǒng)的連接性弱于互聯(lián)網(wǎng)。另外，電網(wǎng)拓?fù)涞膬缏商卣饕膊粔蛎黠@，在眾多的研究實(shí)力中[4]，電網(wǎng)拓?fù)涞亩确植即蠖喑手笖?shù)分布或弱冪律分布，結(jié)構(gòu)自相似和自組織特性不夠明顯，結(jié)構(gòu)張力和擴(kuò)展性不夠，網(wǎng)絡(luò)效率低。圖1中比較了傳統(tǒng)電網(wǎng)拓?fù)浜突ヂ?lián)網(wǎng)拓?fù)涞膬缏煞植迹瑘D1a是美國國家電網(wǎng)的累積度分布，圖1b是互聯(lián)網(wǎng)AS級(jí)拓?fù)涞睦鄯e度分布，可見互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)淅鄯e度分布的冪律特征十分顯著而電網(wǎng)的度分布冪律特征擬合較弱。圖2 比較了電網(wǎng)子網(wǎng)(中國某市電網(wǎng))和互聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)的拓?fù)洳町悾娋W(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)鋮^(qū)別不僅在宏觀層面，在基本的聯(lián)結(jié)原理方面也有根本性區(qū)別。電網(wǎng)的基本需求在于資源分配，網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)重點(diǎn)是分發(fā)；互聯(lián)網(wǎng)的基本需求在于資源貢獻(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)重點(diǎn)是高效的連接與交換。
圖1 互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)拓?fù)淅鄯e度分布比較Fig.1 Cumulative degree distribution comparison of internet and traditional power grid
圖2 局部電網(wǎng)拓?fù)渑c局部互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)涞谋容^Fig.2 The topologies comparison of subgraph of powergrid and subgraph of Internet
能源互聯(lián)網(wǎng)將傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的生產(chǎn)分配與消費(fèi)的簡單關(guān)系拓展開。因?yàn)槲磥砟茉吹南M(fèi)者，同時(shí)也是分布式可再生能源的生產(chǎn)者，因此，未來能源互聯(lián)網(wǎng)的基本需求將由能源分發(fā)的單一目的轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅茉捶职l(fā)為主，強(qiáng)調(diào)共享和連通性的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。
2 基于分級(jí)儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 儲(chǔ)能技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)
互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到當(dāng)前的形態(tài)，最重要的3個(gè)基本特點(diǎn)是：①分布式管理是互聯(lián)網(wǎng)的基本特征，分布式的形態(tài)促生了互聯(lián)網(wǎng)的開放和平等精神?；ヂ?lián)網(wǎng)整合了無數(shù)的分布式資源，構(gòu)成了天文數(shù)字級(jí)的體量，發(fā)展出了“人人為我、我為人人”的共享體系，動(dòng)態(tài)博弈中，形成了資源的優(yōu)化整合與分配。②即插即入的接入標(biāo)準(zhǔn)是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的高速公路，一方面使得互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具備強(qiáng)大的擴(kuò)展能力，另一方面又降低了用戶實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的接入難度。即插即用理念給予了互聯(lián)網(wǎng)兼容并包的異構(gòu)資源整合能力。③分組交換存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)支撐，分組交換也叫包交換，它將通信的整段數(shù)據(jù)劃分成若干更小的數(shù)據(jù)包，許多不同的數(shù)據(jù)包在物理線路上以動(dòng)態(tài)共享和復(fù)用方式進(jìn)行傳輸。分組交換和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，提高了資源的利用率和數(shù)據(jù)的傳輸率，提供給了用戶優(yōu)先級(jí)和服務(wù)質(zhì)量的不同配置選擇方案，同時(shí)在資源有限的情況下提供了更高的可靠性和更有效的傳輸手段。
儲(chǔ)能技術(shù)被引入智能電網(wǎng)等電力系統(tǒng)領(lǐng)域，最初的目的是幫助節(jié)能和調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，分布式的可再生能源將成為能源供應(yīng)主體，因?yàn)榭稍偕茉淳哂蟹稚⒎秶鷱V、生產(chǎn)不連續(xù)、波動(dòng)性和隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)，儲(chǔ)能技術(shù)成為分布式廣泛連接可再生能源入網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，也間接地成為了分布式管理能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。此外，借由儲(chǔ)能單元對能源進(jìn)行隔離式存儲(chǔ)，能夠有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的適應(yīng)性調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)即插即用的接入能力。最后，儲(chǔ)能單元給以電路交換為輸送方式的電力潮流以存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的能力，也使得能源的分組包交換成為可能。
如圖3所示，儲(chǔ)能單元相當(dāng)于互聯(lián)網(wǎng)中的服務(wù)器和緩沖區(qū)，是實(shí)現(xiàn)分布式互聯(lián)互通的基礎(chǔ)設(shè)施[16]?；趦?chǔ)能技術(shù)設(shè)計(jì)能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)理念上，首先接近了互聯(lián)網(wǎng)的基本特點(diǎn)。
圖3 互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)緩沖與能源互聯(lián)網(wǎng)中的儲(chǔ)能單元Fig.3 Buffering in the internet and energy storage in InterGrid
2.2 分級(jí)儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)
能源互聯(lián)網(wǎng)中的儲(chǔ)能單元，根據(jù)其容量和處理能力以及相應(yīng)性能，廣義上分為小型、中型和大型3種儲(chǔ)能單元，其儲(chǔ)能容量以此遞增，如表1所示。小型儲(chǔ)能單元主要用于個(gè)人用戶端，如家庭住宅、電動(dòng)汽車、家庭小型微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(如屋頂光伏，屋頂風(fēng)電)等，要求價(jià)格低廉，同時(shí)具有較快的秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間。中型儲(chǔ)能單元主要用于大型企事業(yè)單位、配電站和新能源中型電站，容量要求較小型儲(chǔ)能系統(tǒng)有大幅度提高，且要求有更高的穩(wěn)定性和可靠性，轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)時(shí)間則可放寬到分鐘級(jí)。大型儲(chǔ)能單元主要是能源生產(chǎn)、傳輸和服務(wù)企業(yè)所獨(dú)有，有巨大的儲(chǔ)能容量和極高的可靠性，且長期儲(chǔ)能中損耗小，響應(yīng)時(shí)間可在小時(shí)級(jí)，表1說明了三級(jí)儲(chǔ)能單元的核心指標(biāo)和要求。在分級(jí)儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)中，除了傳統(tǒng)發(fā)電站可直接投入輸電網(wǎng)并網(wǎng)外，其他的設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)都要通過各級(jí)儲(chǔ)能單元的“緩沖”才能互聯(lián)互通。一方面通過儲(chǔ)能單元可規(guī)整電力參數(shù)，使能源可異構(gòu)傳輸；另一方面，儲(chǔ)能單元也隔離了網(wǎng)絡(luò)的各部分，可更有效地阻斷級(jí)聯(lián)故障對系統(tǒng)的破壞。
表1 儲(chǔ)能單元的分級(jí)指標(biāo)和要求Tab.1 The parameters and requirements of different levels of energy storage units
2.3 基于分級(jí)儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)的能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)
能源傳輸會(huì)產(chǎn)生損耗，這就決定了P2P連接的建立是有限制條件的。首先，不會(huì)存在跨越多層的長邊，因?yàn)槟茉吹漠愘|(zhì)性，使得長邊會(huì)打破分層結(jié)構(gòu)確保的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和協(xié)同性；其次，越低層次的P2P連邊，實(shí)際距離越短。因?yàn)槟芰咳萘吭叫?，能夠耐受的傳輸損耗越小。最后，將存在一個(gè)核心的最高層面的近似全連通網(wǎng)絡(luò)，確保能源互聯(lián)網(wǎng)的連通性。
圖4簡要展示了這種基于分級(jí)儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)的能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其中L、M、S分別代表大型、中型和小型儲(chǔ)能單元。實(shí)線邊為層級(jí)關(guān)系，虛線邊為P2P自主連邊。
圖4 基于分級(jí)儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)抽象拓?fù)銯ig.4 Abstract topology of intergrid architecture based on hierarchical energy storage units
3 一種能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)宏觀拓?fù)淠Ｐ?/h2>
根據(jù)第2節(jié)中架構(gòu)特征，給出一種能源互聯(lián)網(wǎng)宏
觀拓?fù)淠Ｐ?，以便為能源互?lián)網(wǎng)的宏觀拓?fù)浜腕w系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
若將能源網(wǎng)絡(luò)中的任何聯(lián)網(wǎng)設(shè)施都抽象為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，則能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可表示為由多顆樹形結(jié)構(gòu)聯(lián)合成的一個(gè)森林，樹的最頂端節(jié)點(diǎn)間構(gòu)成一個(gè)派系網(wǎng)絡(luò)，樹的同層節(jié)點(diǎn)或跨一層節(jié)點(diǎn)間會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生連邊。
為確定具體的模型生成參數(shù)，參考我國現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩訹17]和美國國家電網(wǎng)數(shù)據(jù)[9]，并統(tǒng)計(jì)了我國某市的局部電網(wǎng)拓?fù)湟?guī)律。結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)宏觀拓?fù)浣Y(jié)果的相關(guān)研究結(jié)果，得到以下指導(dǎo)原則：
1)能源互聯(lián)網(wǎng)中各級(jí)別單元存在的數(shù)目應(yīng)呈冪律分布，即等級(jí)越高的結(jié)點(diǎn)數(shù)目越少，等級(jí)越低的結(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，且數(shù)目呈冪律增加。
2)能源互聯(lián)網(wǎng)頂層結(jié)構(gòu)是一個(gè)派系網(wǎng)絡(luò)。
3)P2P的連邊有與度值相關(guān)的優(yōu)先連接規(guī)律。
(2)混凝土底板對組合梁的變形具有一定的抑制作用，但溫度應(yīng)力在某些部位仍然較大，所以應(yīng)當(dāng)重視組合箱梁溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)安全的影響。
依據(jù)此，在MLW[18]、PFP[19]和DP[20]模型的基礎(chǔ)上，給出一種以樹狀森林層級(jí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，輔以有條件隨機(jī)連邊機(jī)制的能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ停Ｐ退惴ㄈ缦?式(1)、式(2)中的系數(shù)依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)造)：
1)初始化一個(gè)派系網(wǎng)絡(luò)C。
2)以概率p增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)。添加一個(gè)新節(jié)點(diǎn)s，然后隨機(jī)選擇一個(gè)層次結(jié)構(gòu)h，通過式(1)選擇相應(yīng)的層L，以連接概率公式(2)選擇L層的一個(gè)節(jié)點(diǎn)t，最后以節(jié)點(diǎn)t為父節(jié)點(diǎn)、s為子節(jié)點(diǎn)建立一條邊。反復(fù)執(zhí)行直到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模達(dá)到需模擬的大小。
3)添加E條P2P邊。隨機(jī)選擇一個(gè)層次結(jié)構(gòu)h，通過式(1)選擇相應(yīng)的層L，然后在該層隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)s，接著從接近節(jié)點(diǎn)s度值的同層或跨一層節(jié)點(diǎn)集合中以式(2)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)t，最后在節(jié)點(diǎn)s、t之間建立P2P邊。
其中，概率計(jì)算公式為
(1)
式中，x為假設(shè)節(jié)點(diǎn)所在的層次，通過計(jì)算選取概率最大的層。
偏好依附公式為
(2)
式中，ki、kj分別為節(jié)點(diǎn)i、j的度值；a為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)具體調(diào)節(jié)。
如表2所示，選取p= 0.5生成500、1 000、2 000 三種規(guī)模的能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?，與2013年8月的互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)和2001年美國電網(wǎng)參數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，在各項(xiàng)參數(shù)中，能源互聯(lián)網(wǎng)宏觀拓?fù)涓咏贗nternet，與傳統(tǒng)電網(wǎng)有較大差別，說明以平等互聯(lián)廣泛共享為設(shè)計(jì)思路的能源互聯(lián)網(wǎng)的確可以向設(shè)計(jì)初衷一樣貼近互聯(lián)網(wǎng)的形態(tài)。如圖5所示，在拓?fù)淇梢暬慕Y(jié)果中，可發(fā)現(xiàn)模型仿真的基于分級(jí)儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)的能源互聯(lián)網(wǎng)(圖5a)相比美國國家電網(wǎng)(圖5c)，在直觀上與互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)?圖5b)更加相近。
表2 拓?fù)淠Ｐ蜕删W(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)和美國電網(wǎng)參數(shù)比較Tab.2 The comparison of the characters among the intergrid model，the internet and the US power grid
圖5 能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ团c互聯(lián)網(wǎng)和美國電網(wǎng)拓?fù)涞目梢暬容^Fig.5 The visibility comparison among the intergrid topological model，the internet and the US power grid
4 能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)湓u(píng)價(jià)
魯棒性是電網(wǎng)最重要的性能指標(biāo)之一，電力設(shè)備出現(xiàn)故障和意外是在所難免的，少數(shù)非常重要的電力設(shè)施出現(xiàn)問題進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)隨之癱瘓是出現(xiàn)大規(guī)模電網(wǎng)故障的主要原因。為驗(yàn)證基于分級(jí)儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的魯棒性指標(biāo)，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用隨機(jī)攻擊法，即在仿真拓?fù)渲须S機(jī)刪除指定個(gè)數(shù)的節(jié)點(diǎn)，表示在實(shí)際工作過程中出現(xiàn)的隨機(jī)故障，觀察整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通程度的變化。
采用整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均最短路徑(Average path length，APL)表示網(wǎng)絡(luò)的連通性。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為n的無向網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)i、j之間的最短路徑表示為dij。 則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均最短路徑l定義為所有節(jié)點(diǎn)對i、j之間的最短路徑的平均值，即
(3)
式中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i、j不可達(dá)時(shí)，dij=0。
R.Albert和A.L.Barabasi[21]在研究Internet魯棒性時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著刪除的節(jié)點(diǎn)增多，網(wǎng)絡(luò)的平均最短路徑先變大后變小。但根據(jù)APL的定義可知，APL中不可到達(dá)兩點(diǎn)間的距離被定義為0。因此當(dāng)刪除了足夠多的節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)開始破碎，APL增大到峰值后開始變小。一般認(rèn)為研究網(wǎng)絡(luò)魯棒性，只需要考慮APL變大的這個(gè)區(qū)間，而當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值后，網(wǎng)絡(luò)已完全破碎而不再具備原網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)和功能。采用APL參數(shù)來分析能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)漪敯粜?，平均最短路徑長度對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行能源傳輸與通信的平均代價(jià)，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)整體的運(yùn)行效率，即網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的平均距離越短，網(wǎng)絡(luò)的連通性越好；相反若兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的平均距離越大，則網(wǎng)絡(luò)的連通性越差。實(shí)驗(yàn)采用100次隨機(jī)刪除指定比例的節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平均最短路徑求平均的方法。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，在隨機(jī)攻擊中，提出的基于分級(jí)儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)模型拓?fù)溥B通性變化與互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)涞倪B通性變化基本相同，在隨機(jī)攻擊下，都有很好的魯棒性和生存能力，平均最短路徑變化不大，即使隨機(jī)刪除網(wǎng)絡(luò)中2%的節(jié)點(diǎn)，100次實(shí)驗(yàn)的平均值表明，網(wǎng)絡(luò)的連通性并沒有受到很大影響。而在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，連通性隨著節(jié)點(diǎn)刪除比例的增大越來越差，而且在刪除全網(wǎng)絡(luò)2%節(jié)點(diǎn)的情況下，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了大量的孤立節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)也破碎成幾個(gè)互相不連通的子網(wǎng)絡(luò)，使得再計(jì)算平均最短路徑比較連通性已失去了意義。實(shí)驗(yàn)表明，所提出的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的拓?fù)渚哂泻突ヂ?lián)網(wǎng)近似的魯棒性，但相比傳統(tǒng)電網(wǎng)有了很大提高，這也得益于分布式的管理原則和P2P邊的存在。
圖6 隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)攻擊對網(wǎng)絡(luò)連通性的影響對比Fig.6 Networks connectivity effects comparison under random attacks
5 結(jié)論
為解決能源和環(huán)境雙重危機(jī)，跨越傳統(tǒng)電網(wǎng)與日益增長的能源需求之間越來越大的鴻溝，能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。互聯(lián)網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)支撐，在另一方面也為能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了借鑒。充分考慮了儲(chǔ)能技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要作用，利用儲(chǔ)能單元在能源互聯(lián)網(wǎng)中模擬了互聯(lián)網(wǎng)的主要設(shè)計(jì)理念，并給出了一種基于分級(jí)儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。通過對架構(gòu)宏觀拓?fù)溥M(jìn)行抽象，建立了能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ汀?/p>
仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的以分級(jí)儲(chǔ)能單元為基礎(chǔ)的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，在拓?fù)渖细咏咏ヂ?lián)網(wǎng)，在平均度、平均最短路徑等基本拓?fù)鋮?shù)方面與互聯(lián)網(wǎng)特征十分接近。體現(xiàn)了能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)初衷和目標(biāo)，是一種充分體現(xiàn)平等互聯(lián)、廣泛共享的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所提出的能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)電網(wǎng)在抵抗隨機(jī)故障和攻擊時(shí)魯棒性提高很大。
所提出的拓?fù)淠Ｐ鸵部勺鳛槲磥硌芯磕茉椿ヂ?lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃和架構(gòu)設(shè)計(jì)的重要理論依據(jù)和驗(yàn)證平臺(tái)，為研究能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的拓?fù)浞抡婺M實(shí)驗(yàn)提供支撐。
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An Architecture Design and Topological Model of InterGrid
ZhaoHai1CaiWei1WangJinfa1JiaSiyuan1，2
(1.College of Information Science and Engineering Northeastern University Shenyang 110819 China 2.San Diego Supercomputer Center University of California San Diego CA 92093 United States)
The InterGrid is an important method to solve energy and environment crisis and the technological backbone of the 3rdindustrial revolution.The architecture design issues are the fundamental aspects of the InterGrid research and development.An InterGrid architecture based on hierarchical energy storage units is designed，which is followed the aims and features of the InterGrid as the rules，while leaded by the succeeded Internet topological structural characters.Additionally，a topological model is proposed by bstractive presenting the designed architecture.The presented architecture appears more like to the Internet than the traditional power gird in the model simulations.In the meantime，the typical experiments show that the robustness of the proposed InterGrid architecture is significant improved comparing with the traditional power grids.And the proposed topological model could be an important theoretical foundation to study the future InterGrid system plans and architecture designs.
InterGrid，smart grid，energy storage technology，architecture design，topological model
國家自然科學(xué)基金(60973022)，國家項(xiàng)目支撐計(jì)劃課題(2012BAH82F04)資助項(xiàng)目。
2015-02-14 改稿日期2015-03-06
TM711；TM743
趙 海 男，1959年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、普適計(jì)算、信息融合和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。(通信作者)
蔡 巍 男，1982年生，博士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。
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趙 海 蔡 巍 王進(jìn)法 賈思媛，2
(1.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 沈陽 110819 2.美國加州大學(xué)圣地亞哥超級(jí)計(jì)算中心 圣地亞哥 CA 92093)
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能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與拓?fù)淠Ｐ?/p>
趙 海1蔡 巍1王進(jìn)法1賈思媛1，2
(1.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 沈陽 110819 2.美國加州大學(xué)圣地亞哥超級(jí)計(jì)算中心 圣地亞哥CA92093)
能源互聯(lián)網(wǎng)是解決能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)的重要手段之一，是第三次工業(yè)革命的技術(shù)支柱，架構(gòu)設(shè)計(jì)問題是能源互聯(lián)網(wǎng)研究和發(fā)展的基礎(chǔ)。從研究互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征入手，以能源互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)和特性為準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了一種基于分級(jí)儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)；為描述該架構(gòu)特征，提出了一種能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?，通過仿真，說明所提出的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)在拓?fù)湫螒B(tài)上相比較傳統(tǒng)電網(wǎng)更加接近于互聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，典型實(shí)驗(yàn)表明，該拓?fù)淠Ｐ驮诮Y(jié)構(gòu)魯棒性方面相比傳統(tǒng)電網(wǎng)有大幅度提高，所提出的拓?fù)淠Ｐ涂勺鳛槲磥硌芯磕茉椿ヂ?lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃和架構(gòu)設(shè)計(jì)的重要理論依據(jù)。
能源互聯(lián)網(wǎng) 智能電網(wǎng) 儲(chǔ)能技術(shù) 架構(gòu)設(shè)計(jì) 拓?fù)淠Ｐ?/p>
0 引言
能源是現(xiàn)代人類社會(huì)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，然而隨著化石能源的日漸枯竭以及越來越凸顯的環(huán)境問題，能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。J.Rifkin[1]提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的愿景，并引發(fā)了全世界范圍的廣泛關(guān)注。能源互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)更廣泛的分布式互聯(lián)系統(tǒng)，目標(biāo)是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動(dòng)由集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的轉(zhuǎn)變。德國提出了“E-Energy”計(jì)劃[2]，研究并建立新型能源網(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)能源供應(yīng)體系中實(shí)現(xiàn)綜合數(shù)字化互聯(lián)以及計(jì)算機(jī)控制和監(jiān)測的目標(biāo)。美國國家科學(xué)基金(NSF)項(xiàng)目未來可再生電力能源傳輸與管理系統(tǒng)(FREEDM)意圖設(shè)計(jì)一種構(gòu)建在分布式可再生能源發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)備基礎(chǔ)上的新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并提出能源互聯(lián)網(wǎng)是智能電網(wǎng)的發(fā)展方向[3]。能源互聯(lián)網(wǎng)是融合了電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)[4，5]以及信息網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜系統(tǒng)的高維復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。
當(dāng)今人類社會(huì)的能源骨干網(wǎng)絡(luò)和未來能源互聯(lián)網(wǎng)的核心基礎(chǔ)——電力系統(tǒng)，已被證明是一種典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[6]。傳統(tǒng)的基于還原分析和確定性理論的電力系統(tǒng)研究方法，無法解釋在現(xiàn)代大電網(wǎng)中的復(fù)雜性現(xiàn)象和行為。例如在實(shí)踐中，盡管人們盡可能地對電網(wǎng)進(jìn)行了隔離保護(hù)等安全措施，但一些微小的局部故障或波動(dòng)卻能夠演化為災(zāi)難性的全局崩潰。近年來，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論被用于電力系統(tǒng)尤其是電網(wǎng)系統(tǒng)的研究和分析，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性、級(jí)聯(lián)故障分析和仿真、關(guān)鍵控制支路和節(jié)點(diǎn)辨識(shí)等方面取得了豐碩的研究成果[7-11]。
能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、組成單元和主要功能需求等方面都還需不斷地深入研究[12]。然而結(jié)構(gòu)決定功能是自然界的普遍法則。作為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)及其宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響系統(tǒng)功能和特性的最重要的研究基礎(chǔ)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論是通過研究復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征與統(tǒng)計(jì)規(guī)律解釋復(fù)雜性問題的研究方法體系，對研究能源互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性問題有很重要的研究價(jià)值。研究能源互聯(lián)網(wǎng)的組成單元主要功能和協(xié)議設(shè)計(jì)與整體規(guī)劃都離不開架構(gòu)設(shè)計(jì)框架。
從互聯(lián)網(wǎng)的基本特點(diǎn)和拓?fù)涮卣魅胧郑Y(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵需求，設(shè)計(jì)一種基于儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)宏觀架構(gòu)，并以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究視角，建立拓?fù)淠Ｐ?，探討能源互?lián)網(wǎng)未來的架構(gòu)形態(tài)和拓?fù)涮卣鳎荚跒槟茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的研究發(fā)展提供理論研究的基礎(chǔ)支撐。
1 來自互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)涞膯l(fā)
互聯(lián)網(wǎng)自誕生以來，經(jīng)近50年的發(fā)展，已經(jīng)成為信息傳輸與共享的最重要的載體，形成了具有相當(dāng)規(guī)模和有效管理方式的體系結(jié)構(gòu)?；ヂ?lián)網(wǎng)已不僅是一種單純的技術(shù)范疇，而是有著強(qiáng)大融合能力的生態(tài)環(huán)境，并正以巨大的力量影響著人類社會(huì)的生存和發(fā)展形態(tài)。能源互聯(lián)網(wǎng)則將在能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過新能源技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)分布式的互聯(lián)和雙向的廣泛共享與交互。因此，借鑒互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和形態(tài)特征，是能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的最重要內(nèi)涵。
互聯(lián)網(wǎng)作為人類創(chuàng)造的最廣泛的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)之一，自復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論引起世人矚目起，就作為典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)實(shí)例為人們所重新認(rèn)知[13]。對電力系統(tǒng)而言，靈活、簡裝的拓?fù)浼軜?gòu)一直是電力網(wǎng)絡(luò)追求的目標(biāo)[14]。在建設(shè)目標(biāo)、功能特性、協(xié)議支持和服務(wù)范疇等方面，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)可為能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供大量的借鑒經(jīng)驗(yàn)[15]。研究表明，互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)涮卣饔绊懼ヂ?lián)網(wǎng)的諸多特性，因此，設(shè)計(jì)能源互聯(lián)網(wǎng)不僅要從理念上學(xué)習(xí)互聯(lián)網(wǎng)，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上也應(yīng)具備相似的特征，以真正實(shí)現(xiàn)能源的互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)聯(lián)接。研究和設(shè)計(jì)能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)還需要從參考互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)入手。
首先，互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)小世界網(wǎng)絡(luò)，其平均最短路徑長度遠(yuǎn)小于同規(guī)模隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度，即網(wǎng)絡(luò)平均最短路徑長度與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增長無關(guān)?；ヂ?lián)網(wǎng)的平均最短路徑在4左右。其次，互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)無尺度網(wǎng)絡(luò)，其度分布或累積度分布服從冪律分布p(k)～x-γ，AS級(jí)拓?fù)鋬缏煞植枷禂?shù)γ≈2.2。除此之外互聯(lián)網(wǎng)的社團(tuán)特征、層次性特征和分形特征也都非常明顯?，F(xiàn)代電網(wǎng)由于其規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，已具備了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征，在定性分析方面與互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)渚哂幸欢ǖ南嗨浦?，但其宏觀拓?fù)涮卣髋c互聯(lián)網(wǎng)在定量研究中的差別也十分明顯。
當(dāng)前電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男∈澜缣卣髋c互聯(lián)網(wǎng)相比還不夠明顯，一方面沒有形成明顯的社團(tuán)結(jié)構(gòu)，另一方面，無論在平均最短路徑還是聚集系數(shù)等量化指標(biāo)方面均弱于互聯(lián)網(wǎng)。因此，電力系統(tǒng)的連接性弱于互聯(lián)網(wǎng)。另外，電網(wǎng)拓?fù)涞膬缏商卣饕膊粔蛎黠@，在眾多的研究實(shí)力中[4]，電網(wǎng)拓?fù)涞亩确植即蠖喑手笖?shù)分布或弱冪律分布，結(jié)構(gòu)自相似和自組織特性不夠明顯，結(jié)構(gòu)張力和擴(kuò)展性不夠，網(wǎng)絡(luò)效率低。圖1中比較了傳統(tǒng)電網(wǎng)拓?fù)浜突ヂ?lián)網(wǎng)拓?fù)涞膬缏煞植迹瑘D1a是美國國家電網(wǎng)的累積度分布，圖1b是互聯(lián)網(wǎng)AS級(jí)拓?fù)涞睦鄯e度分布，可見互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)淅鄯e度分布的冪律特征十分顯著而電網(wǎng)的度分布冪律特征擬合較弱。圖2 比較了電網(wǎng)子網(wǎng)(中國某市電網(wǎng))和互聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)的拓?fù)洳町悾娋W(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)鋮^(qū)別不僅在宏觀層面，在基本的聯(lián)結(jié)原理方面也有根本性區(qū)別。電網(wǎng)的基本需求在于資源分配，網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)重點(diǎn)是分發(fā)；互聯(lián)網(wǎng)的基本需求在于資源貢獻(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)重點(diǎn)是高效的連接與交換。
圖1 互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)拓?fù)淅鄯e度分布比較Fig.1 Cumulative degree distribution comparison of internet and traditional power grid
圖2 局部電網(wǎng)拓?fù)渑c局部互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)涞谋容^Fig.2 The topologies comparison of subgraph of powergrid and subgraph of Internet
能源互聯(lián)網(wǎng)將傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的生產(chǎn)分配與消費(fèi)的簡單關(guān)系拓展開。因?yàn)槲磥砟茉吹南M(fèi)者，同時(shí)也是分布式可再生能源的生產(chǎn)者，因此，未來能源互聯(lián)網(wǎng)的基本需求將由能源分發(fā)的單一目的轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅茉捶职l(fā)為主，強(qiáng)調(diào)共享和連通性的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。
2 基于分級(jí)儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 儲(chǔ)能技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)
互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到當(dāng)前的形態(tài)，最重要的3個(gè)基本特點(diǎn)是：①分布式管理是互聯(lián)網(wǎng)的基本特征，分布式的形態(tài)促生了互聯(lián)網(wǎng)的開放和平等精神?；ヂ?lián)網(wǎng)整合了無數(shù)的分布式資源，構(gòu)成了天文數(shù)字級(jí)的體量，發(fā)展出了“人人為我、我為人人”的共享體系，動(dòng)態(tài)博弈中，形成了資源的優(yōu)化整合與分配。②即插即入的接入標(biāo)準(zhǔn)是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的高速公路，一方面使得互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具備強(qiáng)大的擴(kuò)展能力，另一方面又降低了用戶實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的接入難度。即插即用理念給予了互聯(lián)網(wǎng)兼容并包的異構(gòu)資源整合能力。③分組交換存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)支撐，分組交換也叫包交換，它將通信的整段數(shù)據(jù)劃分成若干更小的數(shù)據(jù)包，許多不同的數(shù)據(jù)包在物理線路上以動(dòng)態(tài)共享和復(fù)用方式進(jìn)行傳輸。分組交換和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，提高了資源的利用率和數(shù)據(jù)的傳輸率，提供給了用戶優(yōu)先級(jí)和服務(wù)質(zhì)量的不同配置選擇方案，同時(shí)在資源有限的情況下提供了更高的可靠性和更有效的傳輸手段。
儲(chǔ)能技術(shù)被引入智能電網(wǎng)等電力系統(tǒng)領(lǐng)域，最初的目的是幫助節(jié)能和調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，分布式的可再生能源將成為能源供應(yīng)主體，因?yàn)榭稍偕茉淳哂蟹稚⒎秶鷱V、生產(chǎn)不連續(xù)、波動(dòng)性和隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)，儲(chǔ)能技術(shù)成為分布式廣泛連接可再生能源入網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，也間接地成為了分布式管理能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。此外，借由儲(chǔ)能單元對能源進(jìn)行隔離式存儲(chǔ)，能夠有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的適應(yīng)性調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)即插即用的接入能力。最后，儲(chǔ)能單元給以電路交換為輸送方式的電力潮流以存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的能力，也使得能源的分組包交換成為可能。
如圖3所示，儲(chǔ)能單元相當(dāng)于互聯(lián)網(wǎng)中的服務(wù)器和緩沖區(qū)，是實(shí)現(xiàn)分布式互聯(lián)互通的基礎(chǔ)設(shè)施[16]?；趦?chǔ)能技術(shù)設(shè)計(jì)能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)理念上，首先接近了互聯(lián)網(wǎng)的基本特點(diǎn)。
圖3 互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)緩沖與能源互聯(lián)網(wǎng)中的儲(chǔ)能單元Fig.3 Buffering in the internet and energy storage in InterGrid
2.2 分級(jí)儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)
能源互聯(lián)網(wǎng)中的儲(chǔ)能單元，根據(jù)其容量和處理能力以及相應(yīng)性能，廣義上分為小型、中型和大型3種儲(chǔ)能單元，其儲(chǔ)能容量以此遞增，如表1所示。小型儲(chǔ)能單元主要用于個(gè)人用戶端，如家庭住宅、電動(dòng)汽車、家庭小型微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(如屋頂光伏，屋頂風(fēng)電)等，要求價(jià)格低廉，同時(shí)具有較快的秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間。中型儲(chǔ)能單元主要用于大型企事業(yè)單位、配電站和新能源中型電站，容量要求較小型儲(chǔ)能系統(tǒng)有大幅度提高，且要求有更高的穩(wěn)定性和可靠性，轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)時(shí)間則可放寬到分鐘級(jí)。大型儲(chǔ)能單元主要是能源生產(chǎn)、傳輸和服務(wù)企業(yè)所獨(dú)有，有巨大的儲(chǔ)能容量和極高的可靠性，且長期儲(chǔ)能中損耗小，響應(yīng)時(shí)間可在小時(shí)級(jí)，表1說明了三級(jí)儲(chǔ)能單元的核心指標(biāo)和要求。在分級(jí)儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)中，除了傳統(tǒng)發(fā)電站可直接投入輸電網(wǎng)并網(wǎng)外，其他的設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)都要通過各級(jí)儲(chǔ)能單元的“緩沖”才能互聯(lián)互通。一方面通過儲(chǔ)能單元可規(guī)整電力參數(shù)，使能源可異構(gòu)傳輸；另一方面，儲(chǔ)能單元也隔離了網(wǎng)絡(luò)的各部分，可更有效地阻斷級(jí)聯(lián)故障對系統(tǒng)的破壞。
表1 儲(chǔ)能單元的分級(jí)指標(biāo)和要求Tab.1 The parameters and requirements of different levels of energy storage units
2.3 基于分級(jí)儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)的能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)
能源傳輸會(huì)產(chǎn)生損耗，這就決定了P2P連接的建立是有限制條件的。首先，不會(huì)存在跨越多層的長邊，因?yàn)槟茉吹漠愘|(zhì)性，使得長邊會(huì)打破分層結(jié)構(gòu)確保的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和協(xié)同性；其次，越低層次的P2P連邊，實(shí)際距離越短。因?yàn)槟芰咳萘吭叫?，能夠耐受的傳輸損耗越小。最后，將存在一個(gè)核心的最高層面的近似全連通網(wǎng)絡(luò)，確保能源互聯(lián)網(wǎng)的連通性。
圖4簡要展示了這種基于分級(jí)儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)的能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其中L、M、S分別代表大型、中型和小型儲(chǔ)能單元。實(shí)線邊為層級(jí)關(guān)系，虛線邊為P2P自主連邊。
圖4 基于分級(jí)儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)抽象拓?fù)銯ig.4 Abstract topology of intergrid architecture based on hierarchical energy storage units
3 一種能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)宏觀拓?fù)淠Ｐ?/h2>
根據(jù)第2節(jié)中架構(gòu)特征，給出一種能源互聯(lián)網(wǎng)宏
觀拓?fù)淠Ｐ?，以便為能源互?lián)網(wǎng)的宏觀拓?fù)浜腕w系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
若將能源網(wǎng)絡(luò)中的任何聯(lián)網(wǎng)設(shè)施都抽象為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，則能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可表示為由多顆樹形結(jié)構(gòu)聯(lián)合成的一個(gè)森林，樹的最頂端節(jié)點(diǎn)間構(gòu)成一個(gè)派系網(wǎng)絡(luò)，樹的同層節(jié)點(diǎn)或跨一層節(jié)點(diǎn)間會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生連邊。
為確定具體的模型生成參數(shù)，參考我國現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩訹17]和美國國家電網(wǎng)數(shù)據(jù)[9]，并統(tǒng)計(jì)了我國某市的局部電網(wǎng)拓?fù)湟?guī)律。結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)宏觀拓?fù)浣Y(jié)果的相關(guān)研究結(jié)果，得到以下指導(dǎo)原則：
1)能源互聯(lián)網(wǎng)中各級(jí)別單元存在的數(shù)目應(yīng)呈冪律分布，即等級(jí)越高的結(jié)點(diǎn)數(shù)目越少，等級(jí)越低的結(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，且數(shù)目呈冪律增加。
2)能源互聯(lián)網(wǎng)頂層結(jié)構(gòu)是一個(gè)派系網(wǎng)絡(luò)。
3)P2P的連邊有與度值相關(guān)的優(yōu)先連接規(guī)律。
(2)混凝土底板對組合梁的變形具有一定的抑制作用，但溫度應(yīng)力在某些部位仍然較大，所以應(yīng)當(dāng)重視組合箱梁溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)安全的影響。
依據(jù)此，在MLW[18]、PFP[19]和DP[20]模型的基礎(chǔ)上，給出一種以樹狀森林層級(jí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，輔以有條件隨機(jī)連邊機(jī)制的能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ停Ｐ退惴ㄈ缦?式(1)、式(2)中的系數(shù)依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)造)：
1)初始化一個(gè)派系網(wǎng)絡(luò)C。
2)以概率p增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)。添加一個(gè)新節(jié)點(diǎn)s，然后隨機(jī)選擇一個(gè)層次結(jié)構(gòu)h，通過式(1)選擇相應(yīng)的層L，以連接概率公式(2)選擇L層的一個(gè)節(jié)點(diǎn)t，最后以節(jié)點(diǎn)t為父節(jié)點(diǎn)、s為子節(jié)點(diǎn)建立一條邊。反復(fù)執(zhí)行直到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模達(dá)到需模擬的大小。
3)添加E條P2P邊。隨機(jī)選擇一個(gè)層次結(jié)構(gòu)h，通過式(1)選擇相應(yīng)的層L，然后在該層隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)s，接著從接近節(jié)點(diǎn)s度值的同層或跨一層節(jié)點(diǎn)集合中以式(2)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)t，最后在節(jié)點(diǎn)s、t之間建立P2P邊。
其中，概率計(jì)算公式為
(1)
式中，x為假設(shè)節(jié)點(diǎn)所在的層次，通過計(jì)算選取概率最大的層。
偏好依附公式為
(2)
式中，ki、kj分別為節(jié)點(diǎn)i、j的度值；a為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)具體調(diào)節(jié)。
如表2所示，選取p= 0.5生成500、1 000、2 000 三種規(guī)模的能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?，與2013年8月的互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)和2001年美國電網(wǎng)參數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，在各項(xiàng)參數(shù)中，能源互聯(lián)網(wǎng)宏觀拓?fù)涓咏贗nternet，與傳統(tǒng)電網(wǎng)有較大差別，說明以平等互聯(lián)廣泛共享為設(shè)計(jì)思路的能源互聯(lián)網(wǎng)的確可以向設(shè)計(jì)初衷一樣貼近互聯(lián)網(wǎng)的形態(tài)。如圖5所示，在拓?fù)淇梢暬慕Y(jié)果中，可發(fā)現(xiàn)模型仿真的基于分級(jí)儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)的能源互聯(lián)網(wǎng)(圖5a)相比美國國家電網(wǎng)(圖5c)，在直觀上與互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)?圖5b)更加相近。
表2 拓?fù)淠Ｐ蜕删W(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)和美國電網(wǎng)參數(shù)比較Tab.2 The comparison of the characters among the intergrid model，the internet and the US power grid
圖5 能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ团c互聯(lián)網(wǎng)和美國電網(wǎng)拓?fù)涞目梢暬容^Fig.5 The visibility comparison among the intergrid topological model，the internet and the US power grid
4 能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)湓u(píng)價(jià)
魯棒性是電網(wǎng)最重要的性能指標(biāo)之一，電力設(shè)備出現(xiàn)故障和意外是在所難免的，少數(shù)非常重要的電力設(shè)施出現(xiàn)問題進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)隨之癱瘓是出現(xiàn)大規(guī)模電網(wǎng)故障的主要原因。為驗(yàn)證基于分級(jí)儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的魯棒性指標(biāo)，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用隨機(jī)攻擊法，即在仿真拓?fù)渲须S機(jī)刪除指定個(gè)數(shù)的節(jié)點(diǎn)，表示在實(shí)際工作過程中出現(xiàn)的隨機(jī)故障，觀察整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通程度的變化。
采用整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均最短路徑(Average path length，APL)表示網(wǎng)絡(luò)的連通性。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為n的無向網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)i、j之間的最短路徑表示為dij。 則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均最短路徑l定義為所有節(jié)點(diǎn)對i、j之間的最短路徑的平均值，即
(3)
式中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i、j不可達(dá)時(shí)，dij=0。
R.Albert和A.L.Barabasi[21]在研究Internet魯棒性時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著刪除的節(jié)點(diǎn)增多，網(wǎng)絡(luò)的平均最短路徑先變大后變小。但根據(jù)APL的定義可知，APL中不可到達(dá)兩點(diǎn)間的距離被定義為0。因此當(dāng)刪除了足夠多的節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)開始破碎，APL增大到峰值后開始變小。一般認(rèn)為研究網(wǎng)絡(luò)魯棒性，只需要考慮APL變大的這個(gè)區(qū)間，而當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值后，網(wǎng)絡(luò)已完全破碎而不再具備原網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)和功能。采用APL參數(shù)來分析能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)漪敯粜?，平均最短路徑長度對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行能源傳輸與通信的平均代價(jià)，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)整體的運(yùn)行效率，即網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的平均距離越短，網(wǎng)絡(luò)的連通性越好；相反若兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的平均距離越大，則網(wǎng)絡(luò)的連通性越差。實(shí)驗(yàn)采用100次隨機(jī)刪除指定比例的節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平均最短路徑求平均的方法。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，在隨機(jī)攻擊中，提出的基于分級(jí)儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)模型拓?fù)溥B通性變化與互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)涞倪B通性變化基本相同，在隨機(jī)攻擊下，都有很好的魯棒性和生存能力，平均最短路徑變化不大，即使隨機(jī)刪除網(wǎng)絡(luò)中2%的節(jié)點(diǎn)，100次實(shí)驗(yàn)的平均值表明，網(wǎng)絡(luò)的連通性并沒有受到很大影響。而在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，連通性隨著節(jié)點(diǎn)刪除比例的增大越來越差，而且在刪除全網(wǎng)絡(luò)2%節(jié)點(diǎn)的情況下，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了大量的孤立節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)也破碎成幾個(gè)互相不連通的子網(wǎng)絡(luò)，使得再計(jì)算平均最短路徑比較連通性已失去了意義。實(shí)驗(yàn)表明，所提出的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的拓?fù)渚哂泻突ヂ?lián)網(wǎng)近似的魯棒性，但相比傳統(tǒng)電網(wǎng)有了很大提高，這也得益于分布式的管理原則和P2P邊的存在。
圖6 隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)攻擊對網(wǎng)絡(luò)連通性的影響對比Fig.6 Networks connectivity effects comparison under random attacks
5 結(jié)論
為解決能源和環(huán)境雙重危機(jī)，跨越傳統(tǒng)電網(wǎng)與日益增長的能源需求之間越來越大的鴻溝，能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。互聯(lián)網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)支撐，在另一方面也為能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了借鑒。充分考慮了儲(chǔ)能技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要作用，利用儲(chǔ)能單元在能源互聯(lián)網(wǎng)中模擬了互聯(lián)網(wǎng)的主要設(shè)計(jì)理念，并給出了一種基于分級(jí)儲(chǔ)能單元的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。通過對架構(gòu)宏觀拓?fù)溥M(jìn)行抽象，建立了能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ汀?/p>
仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的以分級(jí)儲(chǔ)能單元為基礎(chǔ)的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，在拓?fù)渖细咏咏ヂ?lián)網(wǎng)，在平均度、平均最短路徑等基本拓?fù)鋮?shù)方面與互聯(lián)網(wǎng)特征十分接近。體現(xiàn)了能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)初衷和目標(biāo)，是一種充分體現(xiàn)平等互聯(lián)、廣泛共享的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所提出的能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)電網(wǎng)在抵抗隨機(jī)故障和攻擊時(shí)魯棒性提高很大。
所提出的拓?fù)淠Ｐ鸵部勺鳛槲磥硌芯磕茉椿ヂ?lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃和架構(gòu)設(shè)計(jì)的重要理論依據(jù)和驗(yàn)證平臺(tái)，為研究能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的拓?fù)浞抡婺M實(shí)驗(yàn)提供支撐。
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An Architecture Design and Topological Model of InterGrid
ZhaoHai1CaiWei1WangJinfa1JiaSiyuan1，2
(1.College of Information Science and Engineering Northeastern University Shenyang 110819 China 2.San Diego Supercomputer Center University of California San Diego CA 92093 United States)
The InterGrid is an important method to solve energy and environment crisis and the technological backbone of the 3rdindustrial revolution.The architecture design issues are the fundamental aspects of the InterGrid research and development.An InterGrid architecture based on hierarchical energy storage units is designed，which is followed the aims and features of the InterGrid as the rules，while leaded by the succeeded Internet topological structural characters.Additionally，a topological model is proposed by bstractive presenting the designed architecture.The presented architecture appears more like to the Internet than the traditional power gird in the model simulations.In the meantime，the typical experiments show that the robustness of the proposed InterGrid architecture is significant improved comparing with the traditional power grids.And the proposed topological model could be an important theoretical foundation to study the future InterGrid system plans and architecture designs.
InterGrid，smart grid，energy storage technology，architecture design，topological model
國家自然科學(xué)基金(60973022)，國家項(xiàng)目支撐計(jì)劃課題(2012BAH82F04)資助項(xiàng)目。
2015-02-14 改稿日期2015-03-06
TM711；TM743
趙 海 男，1959年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、普適計(jì)算、信息融合和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。(通信作者)
蔡 巍 男，1982年生，博士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。
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