劉艷麗 ，余貽鑫 ，高寧 ，吳復(fù)立

a School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China

b Department of Electrical and Electronic Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong, China

c Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley, CA 94720, USA

1. 引言

化石燃料的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體，從而導(dǎo)致全球氣候變化。大氣中溫室氣體（主要成分是二氧化碳）的濃度已經(jīng)達(dá)到100萬年來的最高水平。地球溫度相比工業(yè)化前已經(jīng)上升了1 ℃。然而大氣中的溫室氣體總量仍然呈現(xiàn)有增無減的趨勢(shì)，從而不斷加劇全球氣候變暖的危機(jī)。2015年，世界各國(guó)的領(lǐng)導(dǎo)人在巴黎氣候變化大會(huì)上達(dá)成共識(shí)，即人類行為所導(dǎo)致的氣候變暖將威脅全人類的生存，因此全世界應(yīng)當(dāng)共同采取行動(dòng)來大幅降低溫室氣體的排放水平，從而實(shí)現(xiàn)在21世紀(jì)末將全球溫度上升控制在2 ℃之內(nèi)的目標(biāo)，同時(shí)積極探尋將溫度上升控制在1.5 ℃內(nèi)的解決方案。近期，國(guó)際知名的氣候?qū)W家提醒我們[1]：1.5 ℃和2 ℃之間相差的0.5 ℃將會(huì)增加干旱、洪水、極端高溫天氣和數(shù)百萬人口貧困化等災(zāi)難的風(fēng)險(xiǎn)。因此，人類必須在2030年以前共同采取緊急行動(dòng)將氣溫上升控制在1.5 ℃以內(nèi)，否則后果將不堪設(shè)想。我們每個(gè)人都應(yīng)盡其所能，立即采取措施以應(yīng)對(duì)全球氣候變化，從而拯救人類和造福子孫。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展伴隨更多能源消耗，而生活水平的提高也會(huì)增加對(duì)能源的需求。目前世界上大部分人口仍然生活在發(fā)展中國(guó)家，人均能耗非常低。而在未來的10年左右，數(shù)十億人（其中很大一部分在亞洲）將脫貧或從低收入水平上升至中等收入水平，因此全球能源需求將會(huì)隨之上升。聯(lián)合國(guó)在其可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中已明確指出，消除貧困和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)必須與應(yīng)對(duì)氣候變化和環(huán)境保護(hù)攜手共進(jìn)。簡(jiǎn)言之，世界將需要更多的能源，但需要更少的碳。

從化石燃料轉(zhuǎn)向可再生能源和其他非化石能源來實(shí)現(xiàn)電力的去碳化，以及加深其他經(jīng)濟(jì)部門的電氣化程度，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[2,3]。然而，新型可再生能源并網(wǎng)將會(huì)從根本上改變電力系統(tǒng)的特性。風(fēng)光發(fā)電的最佳選址是環(huán)境條件（如風(fēng)速、太陽輻射）良好的地區(qū)。風(fēng)光發(fā)電不具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，因此主要以分布式的方式部署，并且可以在用戶側(cè)安裝使用。這些根本性的變化使新一代電網(wǎng)的特性越來越像互聯(lián)網(wǎng)，即能量可以像信息一樣在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中隨時(shí)隨地產(chǎn)生和共享。新一代電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間顯著的相似性啟發(fā)人們展望未來電網(wǎng)的新場(chǎng)景，即在未來的電網(wǎng)中，數(shù)以億計(jì)的人們?cè)诩依?、辦公室和工廠中利用可再生能源生產(chǎn)自己的能源，并儲(chǔ)存在本地的電池中，然后通過電網(wǎng)與他人共享[4]。互聯(lián)網(wǎng)是智能的，那么電網(wǎng)會(huì)像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能從而促進(jìn)能源的廣泛共享嗎?

本文將主要回答以下問題：

· 為什么我們需要像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能的電網(wǎng)？

· 互聯(lián)網(wǎng)智能的原因是什么？

· 為何以往對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)化改造的嘗試均未成功？

· 我們?nèi)绾巫岆娋W(wǎng)像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能？

2. 未來是電氣時(shí)代

一個(gè)嶄新的電力時(shí)代即將到來！利用可再生能源逐步實(shí)現(xiàn)電力的去碳化，為人類提供更多的能源和更少的碳，使電力行業(yè)成為減排的先鋒。進(jìn)一步加深其他經(jīng)濟(jì)部門的電氣化程度將成為應(yīng)對(duì)全球氣候變化的捷徑。

政府部門的政策和技術(shù)進(jìn)步極大地降低了可再生能源的成本。根據(jù)2017年的數(shù)據(jù)，已有179個(gè)國(guó)家制定了可再生能源的目標(biāo)，57個(gè)國(guó)家制定了100%可再生能源發(fā)電的目標(biāo)[5]。在2019年聯(lián)合國(guó)氣候行動(dòng)峰會(huì)上，77個(gè)國(guó)家和100多個(gè)城市承諾到2050年實(shí)現(xiàn)零碳排放的目標(biāo)。包括印度、中國(guó)和美國(guó)在內(nèi)的其他國(guó)家有望在短期內(nèi)采取行動(dòng)。中國(guó)是世界上最大的碳排放國(guó)，正在努力實(shí)現(xiàn)到2030年非化石能源占比至少達(dá)到20%的目標(biāo)。美國(guó)是第二大碳排放國(guó)，盡管在特朗普政府的領(lǐng)導(dǎo)下退出了《巴黎協(xié)定》，但許多州和私營(yíng)企業(yè)仍在積極努力實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)。例如，加利福尼亞州在2018年簽署了一項(xiàng)法案，要求到2030年該州60%的電力由可再生能源供應(yīng)，同時(shí)呼吁到2045年實(shí)現(xiàn)100%的零碳發(fā)電。紐約州正在推動(dòng)提前5年達(dá)到100%零碳排放的目標(biāo)。旨在鼓勵(lì)可再生能源開發(fā)和利用的各種政府政策激勵(lì)了相關(guān)領(lǐng)域密集的研發(fā)、技術(shù)革新和企業(yè)創(chuàng)業(yè)。由此帶來的技術(shù)進(jìn)步、規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和日益自動(dòng)化的生產(chǎn)流程將推動(dòng)可再生能源的成本大幅下降。

風(fēng)能是目前最廉價(jià)的電力來源之一，而且成本越來越低[6]。材料研究的進(jìn)步使太陽能電池板的成本大幅下降——從1977年每瓦77美元下降到2017年每瓦0.64美元，40年來下降了99%以上[7]。2010—2017年，美國(guó)民用太陽能發(fā)電的平均安裝成本下降了60%，而公用事業(yè)規(guī)模的太陽能發(fā)電的平均安裝成本則下降了77%[8]。可再生能源的成本預(yù)計(jì)將持續(xù)下降。2017年，包括發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家在內(nèi)的全球新增發(fā)電量中，可再生能源發(fā)電占2/3，而其中中國(guó)的可再生能源發(fā)電就占了一半[9]?？稍偕茉从型?040年發(fā)展成為世界主要電力來源[10]。

目前，世界總能源消耗中約有1/5來自電力，重要的非電力部門（如交通、建筑和制造業(yè)）消耗的能源中有3/4以上來自化石燃料。電力供應(yīng)的去碳化和非電力部門的電氣化有可能顯著減少化石燃料的消耗和碳排放量[2,3]。交通部門在短期內(nèi)最有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)電氣化。雖然目前電動(dòng)汽車的市場(chǎng)份額仍然很低，但在過去的幾年中，電動(dòng)汽車發(fā)展迅速，目前全球已有300多萬輛電動(dòng)汽車。在2017年，僅中國(guó)就增加了50萬輛電動(dòng)汽車，比2016年增長(zhǎng)了72%，此外，中國(guó)還新增了37萬輛電動(dòng)公交車和2.5億輛電動(dòng)自行車。預(yù)計(jì)低成本的自動(dòng)駕駛（無人駕駛）車輛共享出行服務(wù)的興起將主要基于電動(dòng)汽車。據(jù)國(guó)際能源署（International Energy Agency, IEA）預(yù)測(cè)，到2030年，全球電動(dòng)汽車的數(shù)量將達(dá)到1.25億輛，甚至高達(dá)2.2億輛。建筑物在某種程度上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電氣化，而工業(yè)部門是除發(fā)電部門外最大的化石燃料消耗部門，由于其用戶的多樣性，實(shí)現(xiàn)電氣化相對(duì)更困難。與可再生能源發(fā)電和電動(dòng)汽車的情況一樣，積極的政府政策、技術(shù)創(chuàng)新和企業(yè)創(chuàng)業(yè)是進(jìn)一步降低這些部門電氣化成本的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電是可控的，以供應(yīng)電網(wǎng)中波動(dòng)的負(fù)荷需求。然而，依賴于風(fēng)能和太陽輻射的可變可再生能源（variable renewable energy, VRE）具有間歇性、可變性和隨機(jī)性的特點(diǎn)。VRE的大量接入正在改變現(xiàn)有電網(wǎng)的格局。近年來，為了平抑可再生能源的波動(dòng)和維持電網(wǎng)瞬時(shí)功率平衡，電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能等多種新型儲(chǔ)能系統(tǒng)迅猛發(fā)展。其中，電動(dòng)汽車對(duì)電池的需求促進(jìn)了技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)擴(kuò)張，從而推動(dòng)了電池技術(shù)的巨大進(jìn)步。2010—2016年，電池成本降幅超過1/4 [12]。電池既可以部署在網(wǎng)側(cè)，也可以部署在用戶側(cè)。一方面，安裝在電表前的大規(guī)模電池既可以幫助電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商維持電網(wǎng)功率平衡，也可以有其他各種用途。另一方面，安裝在電表后的本地太陽能電池板和電池可能會(huì)使用戶“背叛電網(wǎng)”（grid defection），從而降低電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的控制能力。從電網(wǎng)的角度來看，電池儲(chǔ)能與可再生能源發(fā)電相結(jié)合是傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電的弱替代品[13]。為了適應(yīng)快速增長(zhǎng)的VRE水平，僅儲(chǔ)能系統(tǒng)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上就需要滿足極高的規(guī)模和質(zhì)量要求。

另一種應(yīng)對(duì)可再生能源發(fā)電波動(dòng)性的方法是將負(fù)荷平移到其他供電更充足的時(shí)段，如陽光和風(fēng)力充足的時(shí)段。可以將這種需求響應(yīng)看作是一個(gè)虛擬的儲(chǔ)能系統(tǒng)。數(shù)字連接有助于持續(xù)監(jiān)測(cè)及控制電器和設(shè)備（如智能家電、智能恒溫器、樓宇能量管理系統(tǒng)、智能工業(yè)鍋爐等），以調(diào)整需求使其與可用供應(yīng)最佳匹配。更高的自動(dòng)化程度、物聯(lián)網(wǎng)（Internet-of-Things, IoT）設(shè)備在居民和商業(yè)領(lǐng)域的普及、電動(dòng)汽車和智能充電系統(tǒng)的強(qiáng)化部署，都將增強(qiáng)需求響應(yīng)能力。預(yù)計(jì)到2040年，20%的電力消耗有望在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)[14]。

自愛迪生點(diǎn)亮紐約千家萬戶之后的100多年來，電網(wǎng)每天都在為越來越多的人（目前為60億人）供電，讓他們享受到經(jīng)濟(jì)利益和機(jī)遇。然而，目前仍然有10億人面臨缺電的情況，他們中的大多數(shù)人都非常貧窮，并且住在偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村里。面對(duì)高昂的并網(wǎng)費(fèi)用，他們的政府也無能為力。在過去的10年中，新技術(shù)的涌現(xiàn)和私營(yíng)企業(yè)的興起從根本上降低了向偏遠(yuǎn)農(nóng)村居民供應(yīng)能源的成本，使貧困和偏遠(yuǎn)地區(qū)的人們能夠以更快的速度和前所未有的低成本使用電力。如上文所述，太陽能電池板和電池成本的大幅下降促進(jìn)了用戶或社區(qū)發(fā)展本地化的發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)。其他技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)迅猛，如更節(jié)能的家用電器（如LED照明和移動(dòng)電話）、用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和服務(wù)的IoT以及移動(dòng)支付，這使企業(yè)能夠提供可行的能源服務(wù)，例如，通過即付即用（pay-as-you-go, PAYG）的商業(yè)模式銷售從幾瓦到幾百瓦的發(fā)電/儲(chǔ)能組件。越來越多的企業(yè)正在積極嘗試各種商業(yè)模式，幫助推動(dòng)以可再生能源為基礎(chǔ)的迷你電網(wǎng)行業(yè)走向成熟。僅印度在2016—2017年就安裝了200多個(gè)迷你電網(wǎng)。通過部署離網(wǎng)太陽能系統(tǒng)或基于可再生能源的迷你電網(wǎng)，分布式可再生能源供應(yīng)系統(tǒng)正在為全球3.6億多人供電[5,15]。

發(fā)展中國(guó)家對(duì)電力供應(yīng)的需求和發(fā)達(dá)國(guó)家為實(shí)現(xiàn)減排而進(jìn)一步電氣化的需求可能會(huì)導(dǎo)致到2040年全球電力增長(zhǎng)高達(dá)60%～90% [3]。電力能源系統(tǒng)正在切身經(jīng)歷自誕生一個(gè)多世紀(jì)以來的最大變革。主要的變革包括：

（1）VRE份額不斷增加。電網(wǎng)去碳化越成功，電氣化程度就會(huì)越高，從而更大程度降低全球的碳排放量。電網(wǎng)的運(yùn)行必須適應(yīng)持續(xù)增加的VRE份額，并不斷提高VRE的利用率。

（2）產(chǎn)消者的興起。目前，居民用戶擁有全球近1/3的太陽能光伏容量。電池儲(chǔ)能同樣如此。這種持續(xù)性的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)帶來兩個(gè)方面的影響：首先，成千上萬甚至上百萬的小型發(fā)電資源將會(huì)廣泛分布在整個(gè)系統(tǒng)中；其次，電網(wǎng)的用戶將同時(shí)充當(dāng)生產(chǎn)者和消費(fèi)者的角色，即成為產(chǎn)消者。

（3）智能的電網(wǎng)外圍。在數(shù)字時(shí)代，數(shù)據(jù)、分析和連通性對(duì)于電網(wǎng)外圍（即配電系統(tǒng)及其他地區(qū)）的產(chǎn)消者非常重要，這使他們能夠智能地調(diào)度、管理和控制自己的VRE、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車充電和各種需求響應(yīng)系統(tǒng)等。電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商不再是唯一具有控制能力和智能的角色。

（4）納米、迷你和微電網(wǎng)的普及。在很大程度上實(shí)現(xiàn)自給自足的微電網(wǎng)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)[16]?；诳稍偕茉吹拿阅汶娋W(wǎng)和離網(wǎng)納米電網(wǎng)（其中包括太陽能發(fā)電和電池）正在發(fā)展中國(guó)家迅速發(fā)展。與此同時(shí)，在發(fā)達(dá)國(guó)家，越來越多的擁有太陽能和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的產(chǎn)消者“背叛電網(wǎng)”，從而威脅著電力公司的生存，這種現(xiàn)象被稱為“公用事業(yè)的死亡螺旋”（utility death spiral）。

（5）技術(shù)創(chuàng)新步伐加快。近年來，太陽能光伏和電池技術(shù)的迅猛發(fā)展給傳統(tǒng)電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)帶來了巨大壓力。在未來的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，將會(huì)涌現(xiàn)出更多的創(chuàng)新技術(shù)，其中一些將具有顛覆性。電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)必須充分、及時(shí)地利用現(xiàn)有的創(chuàng)新成果。

電網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)和特性正在發(fā)生顯著變化，尤其在電網(wǎng)外圍[17]。但是電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)模式仍然沒有改變。目前用于電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的運(yùn)行規(guī)則、控制架構(gòu)和基本工具都是在20世紀(jì)中期最后一次電網(wǎng)擴(kuò)張期間發(fā)展起來的。雖然第一代數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)增強(qiáng)了控制中心的智能，但要求原來的運(yùn)營(yíng)模式完全適應(yīng)具有不同特性的新一代電網(wǎng)似乎難度較高。

到目前為止，電網(wǎng)應(yīng)對(duì)這些新變革的效果如何?首先讓我們看看它如何處理VRE的并網(wǎng)問題。2016年，中國(guó)作為世界上VRE裝機(jī)容量最大的國(guó)家，其太陽能和風(fēng)能裝機(jī)容量所占比例（13.7%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其發(fā)電量（5.3%）。VRE裝機(jī)容量排在第二位的美國(guó)的情況稍好一些（裝機(jī)容量占10.7%，發(fā)電量占6.9%）[18]。這些數(shù)據(jù)表明，VRE資產(chǎn)（即裝機(jī)容量）的利用率（即發(fā)電量）低于目前電網(wǎng)的平均水平（電網(wǎng)主要由常規(guī)機(jī)組和調(diào)峰機(jī)組構(gòu)成）。表1數(shù)據(jù)[19]顯示，全球風(fēng)電利用的容量系數(shù)（即如果全天可用，其實(shí)際發(fā)電量占所能發(fā)電總量的百分比）還比較低，并沒有隨著裝機(jī)容量的增加而提高。

眾所周知，在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，常常需要通過削減VRE資源的發(fā)電量以滿足電網(wǎng)的運(yùn)行約束[20-22]。削減率是指能源削減量占所產(chǎn)生的能源總量的百分比。例如，棄風(fēng)率可能達(dá)到10%或更高，這意味著每年浪費(fèi)數(shù)十太瓦小時(shí)的能源。這些運(yùn)行約束是由傳統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式造成的，即使在傳輸容量充足的情況下也難以避免。電網(wǎng)的建設(shè)本來是為了方便將能源從發(fā)電側(cè)傳輸?shù)接脩魝?cè)。在VRE的時(shí)代，電網(wǎng)不再是一個(gè)推動(dòng)者，而成為了一個(gè)阻礙者。

電網(wǎng)被認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明，而互聯(lián)網(wǎng)是21世紀(jì)最偉大的發(fā)明。互聯(lián)網(wǎng)是智能的，能很容易適應(yīng)快速變化的具有顛覆性的信息變革。電力新時(shí)代需要一個(gè)像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能的電網(wǎng)！這樣的電網(wǎng)應(yīng)該能夠充分發(fā)揮可再生能源的潛力，適應(yīng)技術(shù)創(chuàng)新、促進(jìn)產(chǎn)消者的興起并整合納米電網(wǎng)、迷你電網(wǎng)和微電網(wǎng)。

3. 互聯(lián)網(wǎng)

對(duì)于電網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的用戶而言，這兩種網(wǎng)絡(luò)都是泛在的（即隨時(shí)隨地可用）和異構(gòu)的（即傳輸任何形式的能量/數(shù)據(jù)）。但互聯(lián)網(wǎng)更加智能，原因在于其實(shí)現(xiàn)智能的方式。

3.1. 分布式智能

無論是文本、語音或視頻，任何形式的數(shù)據(jù)都可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸，它們僅依賴于本地節(jié)點(diǎn)的傳輸端來處理和完成任務(wù)，無需中央控制和協(xié)調(diào)設(shè)施?；ヂ?lián)網(wǎng)的智能分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)共同承擔(dān)確保數(shù)據(jù)傳輸成功以及數(shù)據(jù)完整性、可靠性和身份驗(yàn)證的責(zé)任。分布式智能和分散式控制使互聯(lián)網(wǎng)具有抗干擾和中斷的能力。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和操作協(xié)議的分層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，復(fù)雜的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)完美而高效的運(yùn)行[23,24]。

表1 風(fēng)電容量和容量系數(shù)

3.2. 互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)——子網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)

為了理解互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，讓我們舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。天津用戶A想向美國(guó)舊金山用戶B發(fā)送一封電子郵件（圖1）。用戶A的計(jì)算機(jī)連接在一個(gè)局域網(wǎng)（local area network, LAN）上，由中國(guó)的本地互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商（internet service provider, ISP）為其提供電子郵件服務(wù)（圖2）。這封電子郵件可能需要經(jīng)過ISP骨干網(wǎng)絡(luò)中的幾個(gè)中間節(jié)點(diǎn)（如從本地ISP到區(qū)域ISP）才能到達(dá)全球互聯(lián)網(wǎng)中一個(gè)管轄范圍較大的國(guó)際網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商（network service provider, NSP），而用戶B也是如此。但是，用戶A和用戶B的ISP可能不在同一個(gè)NSP網(wǎng)絡(luò)中，因此，電子郵件將通過兩個(gè)NSP骨干網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（network access point, NAP）進(jìn)行交換。傳送這封電子郵件所經(jīng)過的點(diǎn)到點(diǎn)路徑如下：從天津用戶A的計(jì)算機(jī)經(jīng)過LAN、ISP（可能有更多中間節(jié)點(diǎn)）、NSP（或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)）、NAP、另一個(gè)NSP（或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)）、另一個(gè)ISP（或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)）、另一個(gè)LAN，最后到舊金山用戶B的計(jì)算機(jī)上?；ヂ?lián)網(wǎng)是由分層結(jié)構(gòu)的（子）網(wǎng)絡(luò)組成的，最頂層是全球互聯(lián)網(wǎng)，中間層包括NSP骨干網(wǎng)、ISP骨干網(wǎng)等，最底層是LAN或用戶。

3.3. 路由器

圖1. 利用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送電子郵件的案例。

圖2. 互聯(lián)網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)。

電子郵件在互聯(lián)網(wǎng)中通過多個(gè)路由器進(jìn)行路由。路由器通常用于連接不同的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)ISP和NSP可能有多個(gè)路由器作為其骨干網(wǎng)絡(luò)的一部分。因此，互聯(lián)網(wǎng)在邏輯上是一種按層次結(jié)構(gòu)排列的路由器網(wǎng)絡(luò)。路由器是一種專門指導(dǎo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)。每個(gè)路由器能夠掌握其自身網(wǎng)絡(luò)和它下層所有子網(wǎng)的信息。當(dāng)電子郵件到達(dá)一個(gè)路由器時(shí)，它會(huì)提取收件人的地址，并根據(jù)一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)則將電子郵件發(fā)送到下一個(gè)正確的路由器，如果收件人地址在自己的子網(wǎng)中，電子郵件將被發(fā)送到子網(wǎng)路由器，否則，電子郵件將被發(fā)送到默認(rèn)路由器，該路由器通常是層級(jí)結(jié)構(gòu)中的上一層，該層具有范圍更廣的子網(wǎng)集合。

由于每個(gè)路由器都與它所屬的和它所負(fù)責(zé)的子網(wǎng)相連接，因此基于子網(wǎng)概念描述數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂綖槲覀兲峁┝肆硪粋€(gè)視角，這也將有利于對(duì)第4節(jié)和第5節(jié)內(nèi)容的理解。用戶A的計(jì)算機(jī)連接在LAN的路由器上。當(dāng)它通過一個(gè)ISP路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，它就成為ISP網(wǎng)絡(luò)的一部分，以此類推。因此，與其將電子郵件的傳輸路徑描述為在互聯(lián)網(wǎng)上從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)（即從路由器到路由器），不如將其看成從一個(gè)子網(wǎng)傳到另一個(gè)子網(wǎng)。電子郵件從天津的一個(gè)LAN，到包含LAN的中國(guó)ISP網(wǎng)絡(luò)，到包含ISP的NSP網(wǎng)絡(luò)，到全球互聯(lián)網(wǎng)中的NAP，到另一個(gè)NSP網(wǎng)絡(luò)，再到美國(guó)的另一個(gè)ISP網(wǎng)絡(luò)，最后到舊金山的LAN。電子郵件在子網(wǎng)層級(jí)結(jié)構(gòu)中的上下傳遞路徑取決于用戶的位置及其所屬的子網(wǎng)。

3.4. 互聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)體系

用戶A發(fā)給用戶B的電子郵件必須從文本信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行路由，然后再轉(zhuǎn)換回文本信息。路由器之間交換的信息會(huì)受到通信協(xié)議規(guī)范中規(guī)則和約定的限制。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，協(xié)議通過分層設(shè)計(jì)形成協(xié)議棧。分層是一種設(shè)計(jì)原則，它將設(shè)計(jì)任務(wù)拆分為更小的步驟，每個(gè)步驟完成一個(gè)特定的子任務(wù)，并且僅以少量明確定義的方式與其他子任務(wù)進(jìn)行交互。它允許將單個(gè)復(fù)雜的任務(wù)分解為更簡(jiǎn)單、清晰和相互協(xié)作的子任務(wù)。分層也是一種功能分解，每一層分別解決不同類型的通信問題。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義了7層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，稱為開放系統(tǒng)互聯(lián)（Open System Interconnection, OSI）參考模型，該模型也可簡(jiǎn)化為4層模型，如圖3所示。簡(jiǎn)化模型類似于互聯(lián)網(wǎng)上使用的協(xié)議棧，即傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/ Internet Protocol, TCP/IP）棧，下面簡(jiǎn)要介紹這4層模型的功能。

· 應(yīng)用層。用戶與應(yīng)用層交互。其中，互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用不僅包括簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議（Simple Mail Transfer Protocol, SMTP），還包括超文本傳輸協(xié)議（Hypertext Transfer Protocol, HTTP）和文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol, FTP）等應(yīng)用。應(yīng)用程序?qū)⑾鬟f到傳輸層進(jìn)行傳輸。

· 傳輸層。一條消息通常被分成更小的數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包與目標(biāo)地址一起單獨(dú)發(fā)送。傳輸層能確保數(shù)據(jù)包按順序且準(zhǔn)確無誤地到達(dá)。

· 網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層處理主機(jī)之間的通信。數(shù)據(jù)包被封裝在數(shù)據(jù)報(bào)中，基于路由算法確定該數(shù)據(jù)報(bào)是直接發(fā)送還是發(fā)送到一個(gè)路由器上。

· 物理層。物理層負(fù)責(zé)將包含文本信息的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并通過通信信道進(jìn)行傳輸。

圖3. 傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）棧。

消息（在本例中指電子郵件）從發(fā)送者的計(jì)算機(jī)的協(xié)議棧頂層開始向下傳遞（圖3）。上一層利用下一層中可用的功能，并指示下一層執(zhí)行任務(wù)。將上一層的指令編碼為標(biāo)頭并添加到消息的前端，每一層都在向下傳遞過程中添加一個(gè)標(biāo)頭。接收端的處理流程與發(fā)送端的流程正好相反，每一層從消息的標(biāo)頭中讀取并翻譯指令，并在從消息中刪掉用于指示本層的標(biāo)頭之后向上/向下傳遞消息。圖4展示了電子郵件在具有兩個(gè)中間路由器的協(xié)議棧中上下傳遞的路徑。在這個(gè)例子中，假設(shè)路由器D是ISP的主服務(wù)器，并執(zhí)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)功能。

互聯(lián)網(wǎng)之所以是智能的，原因在于分層架構(gòu)明確了分工以及分布式控制實(shí)現(xiàn)了責(zé)任共享。從A到B發(fā)送消息的責(zé)任由傳輸路徑上的多個(gè)路由器共同承擔(dān)。每個(gè)路由器的智能在于完成簡(jiǎn)單且具體的任務(wù)，即正確地將消息轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)接收方。分層架構(gòu)體系中的功能分解可以通過利用和配置已有的底層功能來實(shí)現(xiàn)添加新的應(yīng)用程序或功能，從而有利于創(chuàng)新。分布式控制和分層架構(gòu)體系也使互聯(lián)網(wǎng)能夠抗干擾并且適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步。

4. 數(shù)據(jù)流與潮流

以往對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)化改造的嘗試主要集中于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)中路由器的功能，即作為“交換機(jī)”（switch）將傳入的數(shù)據(jù)包傳遞到下一個(gè)路由器[25-28]。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，已提出一種“能量路由器”（energy router），用于引導(dǎo)或限制從微電網(wǎng)或產(chǎn)消者到電網(wǎng)的潮流[26]。另一種“能量路由器”基于交流/直流/交流（AC/DC/AC）變換器調(diào)節(jié)潮流[27,28]，利用電力電子電路更好地控制設(shè)備中直流環(huán)節(jié)中的潮流，本質(zhì)上將交流電網(wǎng)劃分為許多交流-直流-交流混合子電網(wǎng)。這些嘗試都是值得肯定的且有助于推動(dòng)電力系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步；然而，這些嘗試并沒有使電網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)化。我們將分析使互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)流和電網(wǎng)中潮流不同的基本物理原理。

4.1. 數(shù)據(jù)流

語音、視頻和其他數(shù)據(jù)信號(hào)通常會(huì)疊加在適用于指定介質(zhì)中進(jìn)行傳輸?shù)妮d波上[29]。通信網(wǎng)絡(luò)中的物理介質(zhì)是信號(hào)傳播或數(shù)據(jù)流通過的傳輸路徑。通常采用許多不同類型的有線或無線通信媒體，包括電話線、電纜、光纖、微波和無線電等。高頻正弦波通常被用作載波，但針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，它既可以是直流形式的，也可以是脈沖鏈形式的。在現(xiàn)代無線電通信中，如正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM）或碼分多址（code-division multiple access, CDMA），通常使用多個(gè)不同頻率的載波進(jìn)行通信。無論是電磁波、光波還是無線電波，載波都涉及電子或光子的物理運(yùn)動(dòng)。為攜帶來自發(fā)射機(jī)的信號(hào)而進(jìn)行的載波處理過程被稱為調(diào)制。在接收端，信號(hào)通過解調(diào)得以恢復(fù)。調(diào)制對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)至關(guān)重要，因?yàn)榈皖l信號(hào)無法遠(yuǎn)距離發(fā)送。我們可以將通信中的調(diào)制波理解為數(shù)據(jù)流被疊加到載波的電子流或光子流中。

圖4. 案例分析——數(shù)據(jù)流分別在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（a）和協(xié)議棧（b）中的路徑。

大容量通信介質(zhì)可以被分成不同的段（即帶寬）用于非重疊的調(diào)制載波，帶寬可租給不同的公司供其獨(dú)立使用。此外，通常在公共介質(zhì)中將多個(gè)信號(hào)組合為一個(gè)信號(hào)進(jìn)行傳輸，該過程即為多路復(fù)用。多路復(fù)用通過頻分、時(shí)分或其他方式將通信信道進(jìn)一步劃分為多個(gè)邏輯信道，并將每個(gè)信道分配給不同且獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。多個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可以共享一個(gè)公共介質(zhì)，從而在通信中形成多路訪問信道。

總之，電子或光子流攜帶數(shù)據(jù)流在通信介質(zhì)中傳輸，而且可以在通信網(wǎng)絡(luò)中從一個(gè)節(jié)點(diǎn)流到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)（或者從一個(gè)子網(wǎng)流到另一個(gè)子網(wǎng)）。以圖4為例，A中生成的數(shù)據(jù)通過中間路由器發(fā)送到B，即從A到C，C到D，最后從D到B。

4.2. 潮流

在潮流中，功率直接由電子攜帶[30]。更大的功率意味著移動(dòng)更多電子。功率的流動(dòng)必須服從物理定律，即基爾霍夫定律和歐姆定律。這些物理定律可概括為：要求在電網(wǎng)中必須隨時(shí)隨地維持功率的平衡。若電網(wǎng)中某一時(shí)刻的用電量出現(xiàn)增加或減少，則必須在電網(wǎng)某處同時(shí)出現(xiàn)發(fā)電量的增加或減少。功率在電網(wǎng)中的分布是功率平衡的物理規(guī)律所決定的。任何電力供需的變化都將導(dǎo)致互聯(lián)電網(wǎng)中潮流的重新分配。從技術(shù)角度來看，電力系統(tǒng)專業(yè)的入門課程會(huì)介紹電網(wǎng)中的潮流在數(shù)學(xué)上是通過求解潮流方程所得到的，潮流方程是對(duì)電網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須維持有功和無功功率平衡的數(shù)學(xué)描述。潮流方程是由歐姆定律和基爾霍夫電流、電壓定律推導(dǎo)出來的。

在如今的交流電力系統(tǒng)中，功率包括有功功率和無功功率。有功功率是產(chǎn)生或消耗功率的平均值；無功功率與電壓相關(guān)，即要維持期望的電壓水平，必須有充足的無功功率。此外，在電網(wǎng)運(yùn)行期間，必須同時(shí)維持穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的功率平衡。電網(wǎng)上功率的突變（即擾動(dòng)）將導(dǎo)致系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移至一個(gè)新的功率平衡狀態(tài)。在暫態(tài)過程中，任何過載保護(hù)裝置都不應(yīng)引發(fā)電網(wǎng)運(yùn)行的進(jìn)一步中斷（如停電）。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是指電網(wǎng)在發(fā)生擾動(dòng)后始終維持功率平衡且不會(huì)引起過載或其他異常運(yùn)行狀態(tài)的能力。在下面的討論中，為簡(jiǎn)潔起見，功率泛指有功功率和無功功率，功率平衡泛指穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的功率平衡。

由于電網(wǎng)上的功率必須處處平衡，所以對(duì)于任何一個(gè)子電網(wǎng)或電網(wǎng)區(qū)域，所有子電網(wǎng)邊界線路上流入和流出功率疊加得到的凈功率必須平衡。相反，如果任何子電網(wǎng)能維持凈功率平衡，且所有子電網(wǎng)的集合覆蓋整個(gè)電網(wǎng)，則整個(gè)電網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)功率平衡。

潮流不能像互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流，可以控制從一個(gè)節(jié)點(diǎn)流到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)。盡管如此，從邏輯上可以基于子電網(wǎng)追蹤從發(fā)電到負(fù)荷的潮流，就像第3.2節(jié)中基于子網(wǎng)追蹤數(shù)據(jù)流。例如，假設(shè)A將電力出售給B，其中A和B在同一個(gè)配電變電站下，如圖5所示。由A出售給B的多余功率代表功率平衡的變化，這將影響與A和B均相連的電網(wǎng)區(qū)域（即配電變電站下的子電網(wǎng)）的潮流。分別將A和B所屬的子電網(wǎng)定義為A和B，它們都是配電變電站D的子電網(wǎng)，再定義另一個(gè)子電網(wǎng)C（參見第5.2節(jié)），試圖找出所有受功率平衡變化影響的子電網(wǎng)。由于（子電網(wǎng)）A必須維持凈功率平衡，因此來自A的多余功率必須輸出到C（在本例中，C是包含A的饋線的子電網(wǎng)）。類似地，為了使C維持凈功率平衡，必須將輸入到C的多余功率輸出到D。D可以維持其功率平衡，因?yàn)镃和B都在D內(nèi)，且B能消耗來自C的多余功率。當(dāng)然，所有這些潮流變化都是同時(shí)且瞬間發(fā)生的。

圖5. 從A到B的潮流。

5. 具有智能外圍的智能電網(wǎng)

裝在涵蓋數(shù)百個(gè)發(fā)電機(jī)和變電站的高壓輸電系統(tǒng)中的能量管理系統(tǒng)（energy management systems, EMS）近幾十年來成功管理和控制電力系統(tǒng)以確保電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行[31]。然而，若將該能量管理系統(tǒng)及其集中式的運(yùn)營(yíng)模式拓展應(yīng)用到未來擁有成千上萬個(gè)產(chǎn)消者的配電系統(tǒng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)效率低下、智能不足和難以維持的問題。最近的一項(xiàng)研究表明，隨著未來電網(wǎng)變得越來越復(fù)雜，如果繼續(xù)維持目前集中式的運(yùn)營(yíng)模式，電網(wǎng)的可靠性和韌性將面臨巨大挑戰(zhàn)[32]。互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)說明了分布式智能和分散式控制是提高系統(tǒng)可靠性和韌性的最有效手段。因此，我們提出了一種具有分布式智能和責(zé)任共享的新型電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式。為了適應(yīng)這種新型運(yùn)營(yíng)模式，擁有智能外圍的電網(wǎng)（GRIP）被提出，即通過賦予電網(wǎng)外圍更多權(quán)力，從而使電網(wǎng)像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能[33,34]。GRIP聚焦電網(wǎng)外圍，但不需舍棄成功的EMS或良好的輸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的做法，僅是使其變得更簡(jiǎn)單（對(duì)外圍設(shè)備不承擔(dān)任何責(zé)任）。而且，未來的輸電系統(tǒng)仍然可以演變成與新型運(yùn)營(yíng)模式相適應(yīng)的更為分散的運(yùn)營(yíng)模式。

5.1. 分布式智能

在傳統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)模式中，唯一的集中決策者（電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商）負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行的基本責(zé)任，即維持整個(gè)電網(wǎng)的瞬時(shí)功率平衡，不出現(xiàn)過載和異常運(yùn)行狀態(tài)。如第4節(jié)所述，當(dāng)且僅當(dāng)電網(wǎng)任何一個(gè)子電網(wǎng)凈功率平衡（不出現(xiàn)過載和異常運(yùn)行狀態(tài)），則電網(wǎng)的功率平衡（不出現(xiàn)過載和異常運(yùn)行狀態(tài)），該原則可作為構(gòu)建未來電網(wǎng)新型分布式運(yùn)營(yíng)模式的基礎(chǔ)。

集群（cluster）是指電網(wǎng)中一個(gè)由一群具有管理和控制凈功率平衡能力的產(chǎn)消者構(gòu)成的連通子電網(wǎng)。根據(jù)這個(gè)定義，以下均是集群的例子。

· 一個(gè)擁有獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（independent system operator, ISO）的互聯(lián)輸電系統(tǒng)，其中ISO在管轄范圍內(nèi)通過管理EMS控制其成員的發(fā)電和用電；

· 一個(gè)作為“控制區(qū)”運(yùn)行的帶有EMS的輸電公司或機(jī)構(gòu)[35]；

· 一個(gè)擁有現(xiàn)代配電自動(dòng)化系統(tǒng)和（或）高級(jí)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施（advanced metering infrastructure, AMI）系統(tǒng)的配電公司，其中現(xiàn)代配電自動(dòng)化系統(tǒng)用于控制饋線和分支線上的潮流和電壓（即無功潮流），AMI協(xié)助控制用戶負(fù)荷；

· 微電網(wǎng)、迷你電網(wǎng)或納米電網(wǎng)；

· 一個(gè)擁有EMS的智能社區(qū)，可以通過為其增加管理和控制凈功率平衡的功能，使其成為一個(gè)集群；

· 一個(gè)擁有樓宇EMS的智能樓宇，可以通過為其增加管理和控制凈功率平衡的功能，使其成為一個(gè)集群；

· 一個(gè)智能住宅，可以通過為其增加管理和控制凈功率平衡的功能，使其成為一個(gè)集群；

· 一個(gè)聚合商，可以與同一配電公司下屬的智能住宅、智能樓宇、智能社區(qū)和微電網(wǎng)簽約管理和控制聚合的發(fā)電和用電形成一個(gè)集群。

5.2. GRIP結(jié)構(gòu)——群集的層次結(jié)構(gòu)

兩個(gè)集群不能有重疊，因?yàn)橐坏┯兄丿B會(huì)導(dǎo)致它們都無法維持自身的凈功率平衡。因此，兩個(gè)集群要么完全不重疊，要么一個(gè)集群完全包含于另一個(gè)集群，就像互聯(lián)網(wǎng)中的LAN被視為包含于ISP子網(wǎng)一樣（圖2）。一個(gè)集群可以包含多個(gè)集群，也可以不包含任何集群；作為一個(gè)更大集群的一部分，一個(gè)集群還可以包含幾個(gè)集群。這形成了群集的自然層次結(jié)構(gòu)（圖6），頂層是整個(gè)互聯(lián)電力系統(tǒng)，下面的一層可以是一個(gè)作為互聯(lián)電力系統(tǒng)“控制區(qū)”運(yùn)行的擁有EMS的電力機(jī)構(gòu)或公司，最底層可能是一個(gè)智能住宅。

圖6. 群集嵌套層次關(guān)系。

讓我們回顧圖5中的例子，其中A向B售電，而A、B、C和D都是集群。我們將根據(jù)潮流在集群之間的流動(dòng)來分析這筆交易的路徑，這與第3.3節(jié)中分析數(shù)據(jù)流在很多與互聯(lián)網(wǎng)路由器連接的子網(wǎng)中流動(dòng)路徑的思路一致。集群A內(nèi)部沒有多余的功率需求來平衡產(chǎn)生的多余功率，因此集群A把功率輸出到與其相連的上一層集群，即集群C。同樣，C的多余功率輸出到D。在集群D中，B具有多余的功率需求，可以平衡從C輸出到D的多余功率。潮流的路徑是從A到C，從C到D，最后從D到B。因此，從A向B轉(zhuǎn)移多余功率的任務(wù)由一組集群共同承擔(dān)；每個(gè)集群要么將功率輸出給上層的集群，要么輸出給集群內(nèi)部的功率需求方。從物理角度分析，在A產(chǎn)生多余的功率的同時(shí)，B消耗等量的功率。只要所有集群（A、B、C和D）維持凈功率平衡，能量轉(zhuǎn)移瞬間完成。

因此，維持電網(wǎng)功率平衡的責(zé)任由受影響的所有集群共同承擔(dān)，每個(gè)集群都有責(zé)任維持自身的凈功率平衡。為了表示潮流在群集的層次結(jié)構(gòu)中流動(dòng)的路徑，將圖5內(nèi)容更新為圖7。

5.3. 能量路由器或集群能量管理系統(tǒng)

集群必須具有管理和控制其凈功率平衡的智能。集群能量管理系統(tǒng)（cluster energy management system,CEMS）由管理和控制集群凈功率平衡所需的所有硬件和軟件共同構(gòu)成，類似于互聯(lián)網(wǎng)中的路由器，因此在GRIP中稱之為能量路由器（E-router）。能量路由器或者CEMS必須有監(jiān)測(cè)集群邊界潮流的傳感器、控制潮流的功率調(diào)節(jié)設(shè)備（如限流器）以及管理集群中發(fā)電和負(fù)荷的信息通信技術(shù)。

5.4. GRIP的分層體系結(jié)構(gòu)

GRIP分層體系結(jié)構(gòu)包括三層，即市場(chǎng)層、調(diào)度層和平衡層（圖8）。電網(wǎng)用戶（即產(chǎn)消者）與電力市場(chǎng)交互以共享或交易電力。交易必須通過電網(wǎng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)，并且集群的凈功率必須始終維持平衡。

（1）市場(chǎng)層。在不同的國(guó)家和地區(qū)，各種形式的日前、小時(shí)前、實(shí)時(shí)和其他類型的電力市場(chǎng)都具有不同的規(guī)章制度。雙邊交易是用于共享能量的最簡(jiǎn)單的市場(chǎng)交易形式，能夠與任何市場(chǎng)兼容。實(shí)際中可能需要更通用的多邊交易方案[36]。多邊交易已經(jīng)在一個(gè)含有五個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)電力系統(tǒng)中成功實(shí)施[37]。現(xiàn)代區(qū)塊鏈技術(shù)，即開放的分布式賬本，可以有效促進(jìn)多邊交易。市場(chǎng)中的電力交易必須能在調(diào)度層中實(shí)現(xiàn)，可以通過離線分析將集群運(yùn)行約束轉(zhuǎn)換為集群可接受的交易約束。對(duì)于配電系統(tǒng)中的集群，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大多是輻射狀的，運(yùn)行約束包括線路負(fù)載和允許的電壓范圍，相較于輸電系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單。對(duì)于復(fù)雜的輸電系統(tǒng)，可以采用成熟的“控制區(qū)”運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

（2）計(jì)劃層。產(chǎn)消者可以通過參與日前市場(chǎng)、小時(shí)前市場(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)中的一個(gè)或多個(gè)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自身利益的最大化。首先，在調(diào)度前需要提前確保集群具有在執(zhí)行交易過程中維持凈功率平衡的能力。電網(wǎng)經(jīng)常會(huì)發(fā)生意外事件或擾動(dòng)，例如發(fā)電機(jī)或者線路停電，因此集群必須能夠承受并擁有充足的備用容量來補(bǔ)償內(nèi)部由任何干擾所引起的功率不平衡量。集群的備用容量是指能夠快速補(bǔ)償由干擾引起的功率不平衡量的額外可控的發(fā)電或者負(fù)荷。在電力系統(tǒng)術(shù)語中，這種承受干擾的能力稱為安全性。對(duì)于一個(gè)擁有多個(gè)發(fā)電和負(fù)荷的集群，可以通過供需調(diào)度實(shí)現(xiàn)資源的高效、經(jīng)濟(jì)共享。風(fēng)險(xiǎn)抑制調(diào)度（risk-limiting dispatch, RLD）方案同時(shí)考慮了計(jì)劃、調(diào)度、安全性和經(jīng)濟(jì)性[38,39]。RLD是基于多階段的隨機(jī)優(yōu)化框架（圖9）實(shí)現(xiàn)的，具有如下特征：

圖7. 在群集的層次結(jié)構(gòu)中從A到B的功率傳輸。

圖8. 集群的分層體系結(jié)構(gòu)。

· 不同階段對(duì)應(yīng)電力市場(chǎng)中的不同調(diào)度階段——日前、小時(shí)前、實(shí)時(shí)等。

· 考慮了VRE、其他類型發(fā)電以及負(fù)荷的不確定性。

· 控制變量是集群內(nèi)可計(jì)劃和調(diào)度的發(fā)電和負(fù)荷。

· 終端狀態(tài)需要將其凈功率不平衡的風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)格限制在可接受范圍內(nèi)（類似銀行部門的風(fēng)險(xiǎn)管理）。

· 集群運(yùn)行滿足安全約束。

· 優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是集群的經(jīng)濟(jì)效益。

圖9中的符號(hào)定義如表2所示。

因此，RLD是在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)大量運(yùn)行分析工具的基礎(chǔ)上演變而來的，其中包括經(jīng)濟(jì)調(diào)度、機(jī)組組合、最優(yōu)潮流、安全約束的經(jīng)濟(jì)調(diào)度、隨機(jī)最優(yōu)潮流等，能夠適應(yīng)未來電網(wǎng)的運(yùn)行。輸電系統(tǒng)中現(xiàn)有的EMS可以漸進(jìn)式地采用RLD，而配電系統(tǒng)中規(guī)模更小的集群可以輕松實(shí)現(xiàn)RLD的簡(jiǎn)化形式。

（3）平衡層。計(jì)劃層能確保集群在調(diào)度時(shí)間步長(zhǎng)（幾秒鐘或者更短時(shí)間）內(nèi)維持凈功率平衡。為了維持凈功率平衡，需要消除由于集群內(nèi)發(fā)電或負(fù)荷波動(dòng)造成的與計(jì)劃功率平衡的偏差。研究人員為外圍集群發(fā)明了電力彈簧（electric spring, ES），它沒有用于輸電系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速器和勵(lì)磁系統(tǒng)[40,41]。ES是一種電力電子設(shè)備，它利用普遍存在于外圍集群中的負(fù)荷來消除功率偏差。由于某些負(fù)荷（如熱水器、空調(diào)和非必要的照明等）能夠承受短暫的功率降低或增加，而且自身無明顯不良影響，可以將這些負(fù)荷認(rèn)為是非重要負(fù)荷。ES與非重要負(fù)荷以串聯(lián)或者嵌入的方式組合連接，并將該組合與其他負(fù)荷（重要負(fù)荷）并聯(lián)連接，如圖10所示。當(dāng)出現(xiàn)供電盈余或者不足時(shí)，ES將暫時(shí)的功率不平衡量轉(zhuǎn)移給非重要負(fù)荷，通過讓非重要負(fù)荷消耗更多或者更少的功率來消除集群內(nèi)的功率不平衡。嵌入ES的智能負(fù)荷可以被視為一個(gè)高級(jí)的需求響應(yīng)系統(tǒng)。

圖9. RLD多階段隨機(jī)優(yōu)化框架。

表2 圖9中的符號(hào)定義

為了說明集群不同層次所發(fā)揮的功能，圖5（或圖7）中的示例如圖11所示。其中，假設(shè)需要配電站集群D進(jìn)行發(fā)電/負(fù)荷的再調(diào)度。

在GRIP中，維持功率平衡的責(zé)任由所有集群共同承擔(dān)，即每個(gè)集群必須維持自身的功率平衡，同時(shí)承擔(dān)計(jì)劃、調(diào)度、功率平衡和安全性的所有職責(zé)。每個(gè)集群必須作為自治單元運(yùn)行，即使在發(fā)生擾動(dòng)事件（如集群內(nèi)發(fā)電機(jī)故障）的情況下，也必須嚴(yán)格執(zhí)行其上報(bào)的調(diào)度計(jì)劃。每個(gè)集群必須能夠避免非計(jì)劃潮流的擾動(dòng)，并能從集群內(nèi)部或者上層集群中獲得必要的備用容量。從上層獲得的備用容量能夠維持集群的凈功率平衡，從而避免干擾的影響進(jìn)一步擴(kuò)散。與目前的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式不同，最頂層的互聯(lián)電力系統(tǒng)不再是供應(yīng)或吸收不平衡電量的最后手段。僅為了確?？煽啃远⒕W(wǎng)的微電網(wǎng)或者產(chǎn)消者不再有“搭便車”（free ride）的機(jī)會(huì)。

在分層體系結(jié)構(gòu)中，下層需要執(zhí)行上層指示的任務(wù)，并且明確定義接口。市場(chǎng)層期望計(jì)劃層能夠執(zhí)行計(jì)劃層可接受的所有交易，必須明確定義如何構(gòu)成可接受的交易。計(jì)劃層需要準(zhǔn)確地知道平衡層消除波動(dòng)的能力水平。各層之間沒有反復(fù)協(xié)商。

6. 結(jié)論

圖10. 一個(gè)嵌入ES的智能負(fù)荷。

圖11. 集群層次架構(gòu)中從A到B的功率傳輸過程。

電網(wǎng)運(yùn)行的基本要求是維持電網(wǎng)瞬時(shí)功率的平衡。當(dāng)前電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)模式是由集中式的運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)維持電網(wǎng)瞬時(shí)功率平衡。在即將來臨的電力新時(shí)代，產(chǎn)消者將具有完全的控制能力和數(shù)字化的智能，以更好地管理自己的資源和智能設(shè)備，并且不再需要將權(quán)限授予電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商。通過將功率平衡的責(zé)任分配給電網(wǎng)外圍的子電網(wǎng)，即讓其各自維持自身的凈功率平衡，可以實(shí)現(xiàn)一種新型分布式運(yùn)營(yíng)模式?；谶@種新型運(yùn)營(yíng)模式，本文提出一個(gè)像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能的電網(wǎng)——GRIP。

GRIP具有如下的特性，并且適合服務(wù)于未來的電網(wǎng)：

· 更好利用可再生能源。分布式運(yùn)營(yíng)模式能最大化可再生能源的利用率，因?yàn)榭稍偕茉磳⒂杀镜乩嫦嚓P(guān)方運(yùn)營(yíng)，這些利益相關(guān)方能掌握更多信息進(jìn)行發(fā)電的預(yù)測(cè)、調(diào)度和控制。

· 賦予產(chǎn)消者更多權(quán)利。產(chǎn)消者可以完全控制自己的發(fā)電和負(fù)荷資源，有安裝和運(yùn)行更高效的設(shè)備的激勵(lì)，如太陽能光伏、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)以及ICT硬件和軟件。

· 與電網(wǎng)外圍共享責(zé)任。在新型數(shù)字化時(shí)代，隨著硬件成本的逐漸降低和軟件的日益智能化，電網(wǎng)外圍在管理自己的子電網(wǎng)方面具有與電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商相似的智能和能力。

· 與納米、迷你、微電網(wǎng)的無縫銜接。新型運(yùn)營(yíng)模式的責(zé)任共享特征與目前納米、迷你、微電網(wǎng)的自治或者半自治思想兼容，從而有利于它們的無縫銜接。此外，允許集群的半自治運(yùn)行將會(huì)防止產(chǎn)消者“背叛電網(wǎng)”。

· 快速適應(yīng)技術(shù)創(chuàng)新。GRIP的分層體系結(jié)構(gòu)更有利于兼容新技術(shù)。

一旦采用新型運(yùn)營(yíng)模式，可以任何速度從現(xiàn)有電網(wǎng)演變形成GRIP。具有EMS的輸電網(wǎng)可以成為互聯(lián)的第一個(gè)集群。在此基礎(chǔ)上，可以添加更多的配電公司群集，每個(gè)都覆蓋配電變電站的一個(gè)子電網(wǎng)。還可以添加智能住宅群集、智能樓宇群集、智能社區(qū)群集、微電網(wǎng)群集等。由于集群既可以成為現(xiàn)有集群的一部分，也可以包含任意數(shù)目的現(xiàn)有集群，因此可以靈活添加新的群集。GRIP架構(gòu)不需要拋棄在輸電網(wǎng)中成功運(yùn)行的EMS或者有效的傳統(tǒng)運(yùn)行方法，只需要聚焦為目前普遍的被動(dòng)配電系統(tǒng)增加更多的智能和責(zé)任，它可以建立在現(xiàn)有電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，并通過加強(qiáng)電網(wǎng)外圍以兼容創(chuàng)新技術(shù)。

能源互聯(lián)網(wǎng)是近年來的發(fā)展趨勢(shì)，即整合和管理包括電、熱、天然氣和交通在內(nèi)的多種能源系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)并協(xié)調(diào)不同能源系統(tǒng)之間的耦合環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)適用于各能源部門以及整個(gè)系統(tǒng)的最佳調(diào)度[42]。將電力工業(yè)所產(chǎn)生的多余熱量用于區(qū)域供熱已有數(shù)十年的歷史。而電、熱和天然氣之間的三向轉(zhuǎn)換以及電能和電動(dòng)汽車電池之間的雙向轉(zhuǎn)換為能源管理提供了更多的靈活性。不同形式的能量都遵循相同的基本物理定律，即能量守恒定律。采用文中相同的思想，將能源互聯(lián)網(wǎng)分解為分層群集，其中每個(gè)集群能維持自身的凈能量平衡，那么能源互聯(lián)網(wǎng)也會(huì)像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能。

致謝

本研究受到中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB0903000）“電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)分析與控制的基礎(chǔ)理論與方法”資助。

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