能源互聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與未來

能源互聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與未來

0“能源互聯(lián)網(wǎng)”的概念自20世紀(jì)80年代以來，能源行業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)、組織結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)模式發(fā)生了逐步變化。推動這一轉(zhuǎn)變的主導(dǎo)性因素包括:(1)由于化石能源廣泛利用所導(dǎo)致的氣候變化等環(huán)境危機(jī)日益深化;(2)隨著人口眾多的發(fā)展中國家的崛起,傳統(tǒng)的依賴不可再生能源的工業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式難以持續(xù);(3)可再生能源與信息技術(shù)的快速發(fā)展。能源行業(yè)變革的最終目標(biāo)是建立更加高效、安全與可持續(xù)的能源利用模式,從而解決能源利用這一人類社會面臨的重大難題。美國著名學(xué)者杰里米·里夫金在其新著《第三次工業(yè)革命》一書中,首先提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的愿景,引發(fā)了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。里夫金認(rèn)為,由于化石燃料的逐漸枯竭及其造成的環(huán)境污染問題,在第二次工業(yè)革命中奠定的基于化石燃料大規(guī)模利用的工業(yè)模式正在走向終結(jié)。里夫金預(yù)言,以新能源技術(shù)和信息技術(shù)的深入結(jié)合為特征的一種新的能源利用體系,即“能源互聯(lián)網(wǎng)”(EnergyInternet)即將出現(xiàn)。而以能源互聯(lián)網(wǎng)為核心的第三次工業(yè)革命將給人類社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式與生活方式帶來深遠(yuǎn)影響。里夫金認(rèn)為,能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)具有以下四大特征:(1)以可再生能源為主要一次能源;(2)支持超大規(guī)模分布式發(fā)電系統(tǒng)與分布式儲能系統(tǒng)接入;(3)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)廣域能源共享;(4)支持交通系統(tǒng)的電氣化(即由燃油汽車向電動汽車轉(zhuǎn)變)。從上述特征可以看出,里夫金所倡導(dǎo)的能源互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵主要是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)廣域內(nèi)的電源、儲能設(shè)備與負(fù)荷的協(xié)調(diào);最終目的是實(shí)現(xiàn)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。由于能源領(lǐng)域的變革對于工業(yè)與社會發(fā)展具有決定性影響,一些主要發(fā)達(dá)國家的政府已開始關(guān)注和重點(diǎn)推動能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。2012年5月29日,歐盟在布魯塞爾召開了題為“成長任務(wù):歐洲領(lǐng)導(dǎo)第三次工業(yè)革命”的會議,歐盟理事會副主席AntonioTajani在會上明確提出“第三次工業(yè)革命將圍繞能源互聯(lián)網(wǎng)展開……,我們的2020戰(zhàn)略讓我們已經(jīng)走在了正確的道路上,但我們需要加快投入……”。德國對于能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展尤其積極,已經(jīng)率先提出了“E-Energy”計劃,力圖打造新型能源網(wǎng)絡(luò),在整個能源供應(yīng)體系中實(shí)現(xiàn)數(shù)字化互聯(lián)及計算機(jī)控制和監(jiān)測。在美國,國家科學(xué)基金會(NationalScienceFoundation)支持建立了FREEDM(FutureRenewableElectricEnergyDeliveryandManagement)研究中心,目的是研發(fā)可以實(shí)現(xiàn)分布式設(shè)備即插即用的下一代電力系統(tǒng),并以此作為能源互聯(lián)網(wǎng)的原型。由于能源互聯(lián)網(wǎng)的概念剛提出不久,其定義、架構(gòu)、組成和主要功能都還需要不斷完善。本文首先試圖給出能源互聯(lián)網(wǎng)較為明確的定義,并簡單討論其架構(gòu)、組成以及和“智能電網(wǎng)”的聯(lián)系與區(qū)別。最后,從廣域內(nèi)分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)與控制、電力系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的融合、電力系統(tǒng)與天然氣網(wǎng)絡(luò)的融合、信息物理建模及安全等幾個方面,探討了能源互聯(lián)網(wǎng)研究中可能面臨的主要挑戰(zhàn)。1能源互聯(lián)網(wǎng)的概念里夫金在《第三次工業(yè)革命》一書中提出的只是能源互聯(lián)網(wǎng)的愿景,并沒有給出能源互聯(lián)網(wǎng)明確而嚴(yán)格的定義。里夫金認(rèn)為,能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)當(dāng)包含以下五大主要內(nèi)涵。1)支持由化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)變(Shiftingtorenewableenergy)。2)支持大規(guī)模分布式電源的接入(Buildingsaspowerplants)。3)支持大規(guī)模氫儲能及其他儲能設(shè)備的接入(Deployinghydrogenandotherstoragetechnologies)。4)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造電力系統(tǒng)(Usinginternettechnologytotransformthepowergrid)。5)支持向電氣化交通的轉(zhuǎn)型(Transitioningthetransportfleettoelectric,plug-inandfuelcellvehicles)?；诶锓蚪鸬哪茉椿ヂ?lián)網(wǎng)愿景,本文試圖給出能源互聯(lián)網(wǎng)的初步定義,以達(dá)到拋磚引玉的效果。能源互聯(lián)網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為核心,以互聯(lián)網(wǎng)及其他前沿信息技術(shù)為基礎(chǔ),以分布式可再生能源為主要一次能源,與天然氣網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)等其他系統(tǒng)緊密耦合而形成的復(fù)雜多網(wǎng)流系統(tǒng)。能源互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)與組成元素如圖1所示。在圖1中,分別以紅色、淺綠色和淺藍(lán)色箭頭表示能量流、信息流和交通流。從圖1可以看出,能源互聯(lián)網(wǎng)事實(shí)上由4個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),即電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、天然氣網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)緊密耦合構(gòu)成。首先,電力系統(tǒng)作為各種能源相互轉(zhuǎn)化的樞紐,是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心。其次,電力系統(tǒng)與交通系統(tǒng)之間通過充電設(shè)施與電動汽車相互影響;充電設(shè)施的布局及車主的駕駛和充電行為會影響交通網(wǎng)絡(luò)流量;反之,交通網(wǎng)絡(luò)流量也會影響車主的駕駛和充電行為,進(jìn)而影響電力系統(tǒng)運(yùn)行。第三,近年來,隨著水平井與壓裂技術(shù)的不斷進(jìn)步與完善,美國首先爆發(fā)了“頁巖氣革命”。隨著“頁巖氣革命”的出現(xiàn)和不斷深化,天然氣的成本呈下降趨勢,燃?xì)鈾C(jī)組在發(fā)電側(cè)的比例因此有望提高。這樣,天然氣網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行將直接影響電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及可靠性。另一方面,利用最近出現(xiàn)的電轉(zhuǎn)氣(powertogas,P2G)技術(shù),可以將可再生能源機(jī)組的多余出力轉(zhuǎn)化為甲烷(天然氣的主要成分),再注入天然氣網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)輸和利用。因此,未來的電力系統(tǒng)與天然氣網(wǎng)絡(luò)之間的能量流動將由單向變?yōu)殡p向。第四,能源互聯(lián)網(wǎng)還可能進(jìn)一步集成供熱網(wǎng)絡(luò)等其他二次能源網(wǎng)絡(luò)。熱能是分布式燃?xì)獍l(fā)電的重要副產(chǎn)品。以熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為紐帶,可以將電力網(wǎng)絡(luò)和供熱網(wǎng)絡(luò)相互集成和協(xié)調(diào),通過利用燃?xì)鈾C(jī)組排出的余熱,大大提高系統(tǒng)的整體能效。最后,上述系統(tǒng)內(nèi)的各種物理設(shè)備,尤其是分布式發(fā)電、儲能、可控負(fù)荷及電動汽車等,需要通過一個強(qiáng)大的信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。這里,信息網(wǎng)絡(luò)將不僅是傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò),而應(yīng)該由互聯(lián)網(wǎng)等開放網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)構(gòu)成。綜上可以看出,能源互聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)有很多相似之處,是智能電網(wǎng)概念的進(jìn)一步發(fā)展和深化。然而,能源互聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)也存在重要的區(qū)別:(1)智能電網(wǎng)的物理實(shí)體主要是電力系統(tǒng),而能源互聯(lián)網(wǎng)的物理實(shí)體由電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)和天然氣網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成;(2)在智能電網(wǎng)中,能量只能以電能形式傳輸和使用;而在能源互聯(lián)網(wǎng)中,能量可在電能、化學(xué)能、熱能等多種形式間相互轉(zhuǎn)化;(3)目前,智能電網(wǎng)研究對于分布式發(fā)電、儲能和可控負(fù)荷等分布式設(shè)備主要采取局部消納和控制。在能源互聯(lián)網(wǎng)中,由于分布式設(shè)備數(shù)量龐大,研究重點(diǎn)將由局部消納向廣域協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)變;(4)智能電網(wǎng)的信息系統(tǒng)以傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)為主體,而在能源互聯(lián)網(wǎng)中,互聯(lián)網(wǎng)等開放式信息網(wǎng)絡(luò)將發(fā)揮更大作用。2分布設(shè)備的大規(guī)模協(xié)調(diào)和制造2.1分布式電源的互聯(lián)能源互聯(lián)網(wǎng)最重要的核心內(nèi)涵是實(shí)現(xiàn)可再生能源,尤其是分布式可再生能源的大規(guī)模利用和共享。為了平抑可再生能源的間歇性,儲能與可控負(fù)荷等將是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。因此,上述分布式設(shè)備的接入是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要研究內(nèi)容之一。目前,針對分布式電源、儲能、可控負(fù)荷等設(shè)備接入的研究主要圍繞著以下幾個方面進(jìn)行:(1)分布式設(shè)備接入對于配電系統(tǒng)的影響分析,其中重點(diǎn)關(guān)注了對配電系統(tǒng)穩(wěn)定性、保護(hù)、電能質(zhì)量和可靠性等方面的影響;(2)分布式設(shè)備的規(guī)劃問題,研究重點(diǎn)在于分布式電源與儲能設(shè)備在配電系統(tǒng)內(nèi)的選址與定容,目的是通過合理規(guī)劃各種分布式設(shè)備,實(shí)現(xiàn)改善電壓輪廓、降低網(wǎng)損、延遲投資、提高系統(tǒng)可靠性等目標(biāo);(3)分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)與控制。其中,研究重點(diǎn)包括含分布式電源與儲能設(shè)備的智能配網(wǎng)或微網(wǎng)的能量管理、無功與電壓控制等問題。綜上所述,目前針對分布式電源與儲能等設(shè)備的研究主要是從智能配電系統(tǒng)或微網(wǎng)的角度出發(fā),關(guān)注重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)或微網(wǎng)內(nèi)功率的平衡與局部優(yōu)化。在研究時,一般將主網(wǎng)看成一個無窮大電源,并假定由于分布式電源容量較小,其運(yùn)行行為對主網(wǎng)的影響可以忽略。當(dāng)分布式電源的滲透率較低時,這樣的假定是合理的。但隨著電力系統(tǒng)內(nèi)分布式電源不斷增多,其對大系統(tǒng)的影響將越來越顯著。此時,不論從經(jīng)濟(jì)性還是安全性的角度看,僅僅對分布式進(jìn)行局部協(xié)調(diào)都是不夠的。因此,能源互聯(lián)網(wǎng)研究的重點(diǎn)之一是擴(kuò)大電力系統(tǒng)的互聯(lián)范圍。這里,互聯(lián)并不僅指電力一次系統(tǒng)之間通過輸配電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的物理互聯(lián),而且更應(yīng)著眼于廣域內(nèi)海量分布式設(shè)備之間的信息交互與協(xié)調(diào)。通過進(jìn)一步擴(kuò)大各區(qū)域間的信息互聯(lián),可以更好地利用廣域內(nèi)分布式電源的時空互補(bǔ)性,并充分發(fā)揮儲能和可控負(fù)荷等設(shè)備的調(diào)峰潛力,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性與安全性。能源互聯(lián)網(wǎng)中需要協(xié)調(diào)的分布式設(shè)備數(shù)量很大,其協(xié)調(diào)優(yōu)化問題可用一個維數(shù)很高的非線性優(yōu)化模型來描述,采用傳統(tǒng)的集中式優(yōu)化方法求解不太現(xiàn)實(shí)。針對大量分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題,現(xiàn)有文獻(xiàn)中主要提出了兩類求解方法,即“分層優(yōu)化”策略和“分布式優(yōu)化”策略。“分層優(yōu)化”策略是一種較為常見的求解方法。這類方法的基本思想是:將電力系統(tǒng)按照電壓等級劃分為若干層次,再進(jìn)一步根據(jù)地域和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等因素將系統(tǒng)劃分為若干區(qū)域;在每個區(qū)域中由一個代理機(jī)構(gòu)(aggregator)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)的分布式設(shè)備。輸電系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)并不直接控制分布式設(shè)備,只負(fù)責(zé)向代理機(jī)構(gòu)發(fā)布調(diào)度指令。這樣,分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題就轉(zhuǎn)化為多層優(yōu)化問題;其中,上層問題與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度問題相近,而下層問題則主要解決代理機(jī)構(gòu)如何基于上層優(yōu)化結(jié)果實(shí)現(xiàn)對分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)。在這類“分層優(yōu)化”策略中,代理機(jī)構(gòu)可以是配電系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)或其他第三方機(jī)構(gòu),如微網(wǎng)控制中心或虛擬發(fā)電廠(virtualpowerplant)等?！胺謱觾?yōu)化”策略的優(yōu)勢是技術(shù)難度相對較小,有利于實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度架構(gòu)的集成;而其面臨的主要困難包括:(1)上下層優(yōu)化模型需要迭代求解,解的存在性和算法收斂性在理論上無法保證;(2)雖然通過分層方式分散了計算負(fù)荷,但代理機(jī)構(gòu)仍然需要求解維數(shù)很高的非線性優(yōu)化問題,這需要強(qiáng)大的計算能力。隨著分布式設(shè)備數(shù)量不斷增大,代理機(jī)構(gòu)的計算設(shè)備也需要不斷升級,這會影響系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。其中一種解決辦法是采用云計算方式,將代理機(jī)構(gòu)的計算任務(wù)傳送到遠(yuǎn)端的計算中心完成,但這種方式也會受到信息安全和通信網(wǎng)絡(luò)性能等因素的制約。分布式優(yōu)化為求解大規(guī)模分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題提供了另一種途徑。分布式優(yōu)化方法的基本思想是將一個全局優(yōu)化目標(biāo)分解為若干個相互獨(dú)立的局部優(yōu)化目標(biāo),在若干個可以相互通信的節(jié)點(diǎn)上分布式求解。每一個節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)優(yōu)化本地決策變量;相鄰節(jié)點(diǎn)之間通過相互通信實(shí)現(xiàn)信息交互。從理論上講,分布式優(yōu)化算法在求解凸優(yōu)化問題時,具有和集中式優(yōu)化算法同樣的全局收斂性能;但由于將問題進(jìn)行了分布求解,因此可取得更快的計算速度。分布式優(yōu)化方法的主要缺點(diǎn)是當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)或約束非凸時,其收斂性無法保證,這就限制了其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍。總之,針對廣域內(nèi)大量分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題,目前還沒有較為成熟的解決辦法,還需要進(jìn)行深入研究。2.2非中斷性負(fù)荷控制:基于大數(shù)據(jù)分析與云存儲技術(shù)可控負(fù)荷是未來電力系統(tǒng)內(nèi)重要的分布式設(shè)備,其具有反應(yīng)時間快,地域分布廣的特點(diǎn),可以作為平抑可再生能源間歇性和故障情況下維持系統(tǒng)功率平衡的一種有效手段?？紤]到能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)可再生能源將占有很高比例,對大量可控負(fù)荷的協(xié)調(diào)控制將尤其重要。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界針對負(fù)荷側(cè)控制已經(jīng)做了大量研究和實(shí)踐?？刂曝?fù)荷的手段從總體上講主要有兩類,即直接負(fù)荷控制(directloadcontrol)與價格響應(yīng)(priceresponsiveload)。由于價格響應(yīng)更容易讓用戶接受,實(shí)現(xiàn)起來障礙就較小,便于實(shí)際應(yīng)用。然而,可再生能源發(fā)電出力與市場價格并不存在強(qiáng)相關(guān)性;此外,可再生能源發(fā)電出力波動非常頻繁,而價格響應(yīng)的相關(guān)實(shí)踐表明,過于頻繁的價格變化無法有效引導(dǎo)用戶行為。因此,要利用價格響應(yīng)方法平抑可再生能源發(fā)電出力較為困難,而應(yīng)用直接負(fù)荷控制手段則相對簡單?，F(xiàn)有的負(fù)荷控制方法的主要缺點(diǎn)在于常常以犧牲用戶的便利和舒適程度為代價。以空調(diào)為例,夏天的負(fù)荷高峰通常出現(xiàn)在氣溫較高的時段;而這些時段恰恰也是用戶最需要使用空調(diào)的時段。此時中斷空調(diào)的使用將嚴(yán)重影響用戶參與負(fù)荷控制的積極性。因此,文獻(xiàn)提出負(fù)荷控制應(yīng)該具有非中斷(non-disruptive)的特征,即在向電力系統(tǒng)提供服務(wù)的同時,不能對用戶產(chǎn)生明顯影響?，F(xiàn)有的負(fù)荷控制方面的一些研究工作試圖對非中斷性進(jìn)行量化,然而所采用的數(shù)學(xué)模型過于粗糙,通常僅以用電設(shè)備的離線時間作為量化負(fù)荷控制對用戶影響的指標(biāo)。在部分近期的負(fù)荷控制研究文獻(xiàn)中,開始嘗試引入更為精確的數(shù)學(xué)模型以評估非中斷性。例如,在文獻(xiàn)[18-19]中,引入了較為詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型來評估空調(diào)開斷對室溫的影響。需要指出,不同的用電設(shè)備的用電特性不同,且其對用戶舒適/便利程度的影響還會受到周圍環(huán)境、用戶的主觀偏好等因素的影響。因此,量化非中斷性是一個非常困難的問題,尚有很大研究空間。其中,非中斷性負(fù)荷控制應(yīng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要研究內(nèi)容之一。通過對廣域內(nèi)大量負(fù)荷設(shè)備的非中斷性控制,可以在盡量不影響用戶的前提下,實(shí)現(xiàn)支持大規(guī)?？稍偕茉唇尤搿⑻岣呦到y(tǒng)整體能效和在故障情況下提高系統(tǒng)可靠性等目標(biāo)。而上述目標(biāo)正是發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)的最終目的。如前所述,要實(shí)現(xiàn)非中斷性負(fù)荷控制,需要對用電設(shè)備的特性、周邊環(huán)境和用戶的主觀偏好等信息有比較準(zhǔn)確的把握。高級測量體系(advancedmeteringinfrastructure)的引入雖然為負(fù)荷設(shè)備與調(diào)度機(jī)構(gòu)之間建立了通信信道,但無法解決對于用電設(shè)備特性、周邊環(huán)境和用戶偏好的感知問題。因而,大數(shù)據(jù)分析與云存儲技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)非中斷性負(fù)荷控制的關(guān)鍵。首先,為量化負(fù)荷控制對用戶的影響,需要采集海量的環(huán)境(室溫、建筑通風(fēng)與隔熱性能、光照等)與用戶用電行為數(shù)據(jù)。采用云存儲技術(shù)可以對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲與管理。云存儲研究的重點(diǎn)是數(shù)據(jù)的采集與存儲策略,包括數(shù)據(jù)采樣頻率、如何確定哪些數(shù)據(jù)需要保存、在本地還是數(shù)據(jù)中心保存、數(shù)據(jù)保存位置如何與計算任務(wù)相配合等。其次,要重點(diǎn)研究如何基于上述數(shù)據(jù)構(gòu)建用電設(shè)備的用電特性模型、用電設(shè)備對用戶便利/舒適程度的影響模型和用戶的用電行為模型。由于上述建模過程涉及的數(shù)據(jù)量非常龐大,因此適于采用基于分布式的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在具體實(shí)現(xiàn)過程中,可以考慮以現(xiàn)有開源大數(shù)據(jù)分析平臺如Hadoop為基礎(chǔ)。開源大數(shù)據(jù)分析平臺里通常已經(jīng)集成了云存儲管理系統(tǒng)(如HDFS)和分布式計算資源調(diào)度系統(tǒng)(如HadoopYARN)?？梢栽谏鲜鱿到y(tǒng)基礎(chǔ)上考慮能源互聯(lián)網(wǎng)自身的特點(diǎn)進(jìn)一步研發(fā)。近年來,Google和阿里巴巴等大型企業(yè)都在試圖進(jìn)入智能樓宇/智能家居行業(yè),并紛紛推出了基于大數(shù)據(jù)存儲與分析的智能家居系統(tǒng)。因此可以預(yù)見,在未來幾年里智能家居行業(yè)將迎來一個高速發(fā)展期。上述智能家居系統(tǒng)已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)了家庭能量管理、環(huán)境信息及用戶用電行為采集等功能。電網(wǎng)公司可以嘗試與智能家居企業(yè)合作,推動智能家居系統(tǒng)與電力信息系統(tǒng)的集成,從而降低實(shí)現(xiàn)非中斷性負(fù)荷控制的難度,推動能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。2.3分布式設(shè)備接入考慮到能源互聯(lián)網(wǎng)中分布式設(shè)備,尤其是可控負(fù)荷數(shù)量龐大,其接入系統(tǒng)的問題完全由電網(wǎng)公司進(jìn)行人工規(guī)劃和設(shè)計顯然已不現(xiàn)實(shí)。這要求能源互聯(lián)網(wǎng)必須具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性(scalability)。未來的電網(wǎng)公司應(yīng)當(dāng)主要承擔(dān)輸配電系統(tǒng)的升級與擴(kuò)容,并確保用戶側(cè)的能量管理系統(tǒng)與調(diào)度機(jī)構(gòu)間具有足夠的通信能力,而不具體干涉分布式設(shè)備的接入。這要求能源互聯(lián)網(wǎng)具有支持分布式設(shè)備即插即用(plugandplay)的能力。文獻(xiàn)指出,能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是發(fā)展支持分布式發(fā)電、儲能、可控負(fù)荷等設(shè)備即插即用的標(biāo)準(zhǔn)接口。從技術(shù)層面上講,能源互聯(lián)網(wǎng)的即插即用接口包括物理與信息兩個方面。物理接口應(yīng)當(dāng)支持各種符合相應(yīng)電氣標(biāo)準(zhǔn)的分布式設(shè)備的接入,尤其是能夠支持分布式電源與儲能設(shè)備通過高頻電力電子接口接入配電系統(tǒng)。文獻(xiàn)提出了固態(tài)變壓器(solidstatetransformer)的概念,其本質(zhì)上是一個可以同時實(shí)現(xiàn)AC/DC、DC/DC和DC/AC三種轉(zhuǎn)換的電力電子設(shè)備。利用固態(tài)變壓器可以將低壓配網(wǎng)與上游網(wǎng)絡(luò)分隔開來,減小上游網(wǎng)絡(luò)的電壓和頻率波動對分布式設(shè)備的影響,提高系統(tǒng)的兼容性和靈活性。另一方面,能源互聯(lián)網(wǎng)的信息接口應(yīng)當(dāng)可以支持各種分布式設(shè)備的識別與通信。實(shí)現(xiàn)分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)優(yōu)化與控制的前提是對于能源互聯(lián)網(wǎng)而言,各種分布式設(shè)備是“可見”的。因此,信息接口需要能夠在分布式設(shè)備接入后識別其身份及設(shè)備類型,而這需要有標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的支持。目前,支持分布式設(shè)備接入的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議尚不存在?？紤]到分布式設(shè)備的數(shù)量很大,可以考慮選擇IPv6作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。由于IPv6可以支持對多達(dá)3.4×1038個設(shè)備的尋址,因此可以為能源互聯(lián)網(wǎng)提供足夠大的地址空間。而采用TCP/IP協(xié)議組也有利于與智能家居等第三方系統(tǒng)的互聯(lián)。在TCP/IP基礎(chǔ)之上,應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步根據(jù)分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)與控制的數(shù)據(jù)通信要求(需要采集與傳輸哪些數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)量大小等),以及能源互聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的要求,設(shè)計實(shí)現(xiàn)針對能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層協(xié)議。信息接口的另一個重要特征是支持多種通信協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換。目前,在配電系統(tǒng)自動化、智能用電和智能家居等領(lǐng)域存在著多種不同的通信協(xié)議。在配網(wǎng)通信系統(tǒng)中,仍在廣泛使用現(xiàn)場總線、DNP3等工業(yè)通信協(xié)議。不過,在不同的智能配用電示范工程中,已經(jīng)應(yīng)用了多種不同協(xié)議實(shí)現(xiàn)終端通信(如Ethernet,GPRS,LTE,Wifi,Zigbee等等)。另外,下一代的5G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也正在被積極開發(fā)之中。5G可望作為提供全方位高性能多設(shè)備通訊服務(wù)的新技術(shù)。在未來的能源互聯(lián)網(wǎng)中,各類分布式設(shè)備既可能通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò),也可能通過互聯(lián)網(wǎng)等開放網(wǎng)絡(luò)接入到系統(tǒng)中。為適應(yīng)多種通信協(xié)議并存的現(xiàn)象,能源互聯(lián)網(wǎng)必須能夠支持上述各種通信協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換,從而保證系統(tǒng)的兼容性。3氣電協(xié)調(diào)規(guī)劃與其他一次能源相比,天然氣對環(huán)境的影響相對較小。此外,聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鈾C(jī)組具有高效、反應(yīng)快、建設(shè)時間短等顯著優(yōu)勢。前已述及,隨著“頁巖氣革命”不斷深化,燃?xì)獍l(fā)電在總發(fā)電容量中所占比重在未來有望明顯上升。在2006年至2010年的短短5年間,美國頁巖氣產(chǎn)量增長超過20倍。目前美國全國天然氣總量中的23%已由頁巖氣供應(yīng)。美國的“頁巖氣革命”已經(jīng)改變了世界天然氣市場格局,可能造成天然氣價格顯著下跌,進(jìn)而推動燃?xì)獍l(fā)電的快速發(fā)展?？梢灶A(yù)見,作為最重要的一次能源之一,天然氣在未來能源消費(fèi)中所占比重有望明顯上升。因此,未來的能源互聯(lián)網(wǎng)將是天然氣網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)高度耦合的產(chǎn)物。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度中,一般不考慮天然氣供給的可靠性,即假定在機(jī)組需要時,天然氣的供給不受限制。事實(shí)上,天然氣供給受到管道容量和儲氣容量的制約;因此,隨著燃?xì)獍l(fā)電比例的增大,這一假定就未必總是成立。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界開始關(guān)注和研究天然氣網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃與運(yùn)行問題。部分國家開始嘗試對天然氣網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。例如,澳大利亞在2009年將國內(nèi)的電力系統(tǒng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)和天然氣網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營機(jī)構(gòu)合并,成立了國家能源市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)(AustralianEnergyMarketOperator,AEMO),負(fù)責(zé)對電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一規(guī)劃與管理。到目前為止,針對電力系統(tǒng)與天然氣網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)規(guī)劃的研究報道尚不多見。所謂的“氣電協(xié)調(diào)規(guī)劃”的核心思想是將天然氣網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、天然氣發(fā)電機(jī)組規(guī)劃與輸配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃統(tǒng)一協(xié)調(diào)考慮。氣電協(xié)調(diào)規(guī)劃問題在數(shù)學(xué)上可以抽象成一個多階段混合整數(shù)規(guī)劃模型。優(yōu)化目標(biāo)通常采用最小化氣與電兩個系統(tǒng)的投資成本與運(yùn)行成本之和。模型中需要計入氣與電兩個系統(tǒng)的相關(guān)約束。其中,電力系統(tǒng)約束與傳統(tǒng)的發(fā)電規(guī)劃和電網(wǎng)規(guī)劃模型類似;天然氣網(wǎng)絡(luò)約束主要包括節(jié)點(diǎn)氣量平衡約束、儲氣設(shè)施氣量平衡約束、輸氣管道潮流上下限約束、儲氣設(shè)施容量約束等。通過氣電協(xié)調(diào)規(guī)劃,可以確定包括天然氣管道的選址與定容、燃?xì)鈾C(jī)組的選址與定容、輸電線路的選址與定容等在內(nèi)的最優(yōu)氣電協(xié)調(diào)規(guī)劃方案。由于針對氣電協(xié)調(diào)規(guī)劃的研究最近幾年才開始,尚有很多問題值得研究。首先,由于天然氣網(wǎng)絡(luò)、燃?xì)獍l(fā)電廠和電力網(wǎng)絡(luò)通常由不同的實(shí)體負(fù)責(zé)運(yùn)營,因此無法強(qiáng)制要求這些實(shí)體執(zhí)行協(xié)調(diào)規(guī)劃結(jié)果。以澳大利亞為例,AEMO制定的協(xié)調(diào)規(guī)劃方案不具有強(qiáng)制效力,僅供這些實(shí)體參考。不同實(shí)體在規(guī)劃決策上的各自為政必然會給下一階段的規(guī)劃引入不確定性。此外,在市場環(huán)境下,各實(shí)體還可能面對包括負(fù)荷增長、其他發(fā)電技術(shù)擴(kuò)張、市場管制條例變化等不確定性因素。現(xiàn)有的確定性氣電協(xié)調(diào)規(guī)劃模型顯然不足以解決上述問題,而必須深入研究計及各類不確定性因素的氣電協(xié)調(diào)規(guī)劃模型。其次,由于氣電協(xié)調(diào)規(guī)劃問題涉及包括監(jiān)管機(jī)構(gòu)在內(nèi)的多個不同的市場參與者,因此有必要利用博弈論研究市場參與者之間的博弈行為和相互影響,尤其是研究監(jiān)管機(jī)構(gòu)如何通過合理設(shè)計政策來引導(dǎo)其他市場參與者的投資決策。這一領(lǐng)域的研究目前還是空白。最后,隨著燃?xì)獍l(fā)電比例上升,天然氣網(wǎng)絡(luò)對于發(fā)電充裕度甚至整個電力系統(tǒng)的可靠性都會有越來越顯著的影響,因而有必要在氣電協(xié)調(diào)規(guī)劃中對其給予充分考慮。氣電網(wǎng)絡(luò)融合研究的另一個重要課題是2個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。文獻(xiàn)首先提出了能源中心(energyhub)的概念,作為未來集成了電力、天然氣及其他能源形式的多能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建模工具;能源中心被定義為由能源轉(zhuǎn)化設(shè)備和儲能設(shè)備構(gòu)成、能夠?qū)崿F(xiàn)多種能源相互轉(zhuǎn)化和存儲的虛擬實(shí)體。能源中心是一個非常靈活的概念,可用于對包括發(fā)電廠、變電站、工廠、大型建筑、微網(wǎng)等在內(nèi)的各種物理實(shí)體的建模。能源中心之間通過能源傳輸設(shè)備(如輸電線路、天然氣管道等)相互連接,構(gòu)成多能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在能源中心內(nèi)部,能源可能被負(fù)荷消耗,或者被轉(zhuǎn)化為其他形式(例如利用燃?xì)鈾C(jī)組將天然氣轉(zhuǎn)化為電能)。文獻(xiàn)提出了耦合矩陣(couplingmatrix)的概念,用于描述能源中心內(nèi)不同能源之間的相互轉(zhuǎn)化。耦合矩陣中的系數(shù)由不同能源之間的轉(zhuǎn)化效率和調(diào)度系數(shù)(dispatchfactor)得到,調(diào)度系數(shù)是決定能源如何相互轉(zhuǎn)化的決策變量。以能源中心和耦合矩陣概念為基礎(chǔ),文獻(xiàn)[27-30]初步研究了氣電網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)運(yùn)行問題,其可以在數(shù)學(xué)上抽象為單時段或多時段的優(yōu)化問題,一般以最小化兩個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行成本之和為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化模型中除了傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)潮流等約束外,還需要計入天然氣網(wǎng)絡(luò)的物理約束,包括節(jié)點(diǎn)氣量平衡約束、輸氣管道流量約束、輸氣管道與儲氣設(shè)施容量約束和加壓站損耗約束等。與協(xié)調(diào)規(guī)劃類似,氣電網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)運(yùn)行研究也還非常初步,很多問題有待研究,如運(yùn)行過程中不確定性因素的處理、電負(fù)荷與氣負(fù)荷的相互影響與轉(zhuǎn)化、有效的求解算法、天然氣網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)行為等?；谀茉粗行暮婉詈暇仃嚨母拍?可以將氣電網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)運(yùn)行問題進(jìn)一步擴(kuò)展到多能源網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)運(yùn)行問題。文獻(xiàn)初步建立了能源中心最優(yōu)調(diào)度、多能源網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)潮流等問題的基本模型。能源中心最優(yōu)調(diào)度問題可采用最小化整個能源中心的供能成本作為優(yōu)化目標(biāo),其決策變量則為輸入能源中心的不同類型的能源量以及耦合矩陣的系數(shù)(即不同類型能源相互轉(zhuǎn)化的比例)。多能源網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)潮流問題可采用最小化整個網(wǎng)絡(luò)的總供能成本為優(yōu)化目標(biāo),其決策變量則為各個能源中心的輸入和輸出能源量以及各耦合矩陣的系數(shù)。除了電力和天然氣網(wǎng)絡(luò)的物理約束之外,如果在上述模型中包括了供熱網(wǎng)絡(luò),則還需要進(jìn)一步考慮其物理約束,如供熱網(wǎng)絡(luò)的流量方程和供熱管道的容量約束等。上述模型還可以進(jìn)一步擴(kuò)展以計入其他二次能源。近年來出現(xiàn)的電轉(zhuǎn)氣技術(shù)有可能進(jìn)一步推動天然氣網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)的深度融合。簡言之,電轉(zhuǎn)氣就是將水電解后產(chǎn)生氫氣與氧氣,再將氫氣與二氧化碳混合產(chǎn)生甲烷。電轉(zhuǎn)氣生產(chǎn)的甲烷可以直接注入天然氣網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行運(yùn)輸和儲存。電轉(zhuǎn)氣的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)60%~70%,德國目前已經(jīng)在進(jìn)行商業(yè)示范。天然氣可以大規(guī)模存儲,如果能將電轉(zhuǎn)氣設(shè)施與可再生能源發(fā)電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行,就可以將多余的電能轉(zhuǎn)化為天然氣存儲起來。電轉(zhuǎn)氣技術(shù)為解決電能存儲問題提供了一條極有前景的新思路。4基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃與交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的耦合交通行業(yè)是除發(fā)電行業(yè)之外的另一化石能源消耗大戶。近年來,隨著電池技術(shù)的逐漸成熟和成本的不斷下降,以電動汽車為核心的電氣化交通正在快速發(fā)展?？梢灶A(yù)見,以電動汽車為紐帶,電力系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的耦合程度在未來將不斷加深。電氣化交通系統(tǒng)尤其是電動汽車將成為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。電動汽車是一種比較特殊的用電設(shè)備。一方面,大量電動汽車接入電力系統(tǒng)后,其隨機(jī)、無序充電行為可能會給電力系統(tǒng)帶來顯著負(fù)面影響,例如增大系統(tǒng)峰荷和系統(tǒng)網(wǎng)損、惡化電能質(zhì)量等。另一方面,如果能夠有效利用電動汽車的車載電池,就可以構(gòu)成一個超大規(guī)模的分布式儲能網(wǎng)絡(luò),有效實(shí)現(xiàn)支持可再生能源接入、削峰填谷等功能。在過去幾年中,針對電動汽車接入電力系統(tǒng)的相關(guān)問題,國內(nèi)外已經(jīng)做了很多研究工作。研究重點(diǎn)主要包括3個方面,即電動汽車接入對電力系統(tǒng)的影響、計及電動汽車充放電的電力系統(tǒng)調(diào)度與控制方法、電動汽車充電設(shè)施規(guī)劃。然而,現(xiàn)有研究工作主要是從電力系統(tǒng)的角度出發(fā),并沒有系統(tǒng)考慮電動汽車作為一種交通工具所具有的行為特征,尤其是無法適當(dāng)描述電力系統(tǒng)與交通系統(tǒng)之間的交互影響。隨著電氣化程度的加深,未來交通系統(tǒng)與電力系統(tǒng)將逐步由相互獨(dú)立演變?yōu)楦叨锐詈?。兩者的耦合主要體現(xiàn)在規(guī)劃與運(yùn)行兩個層面上。在規(guī)劃層面上,充電設(shè)施將是未來連接交通與電力系統(tǒng)的紐帶。首先,建設(shè)充電設(shè)施的目的是向車主提供充電服務(wù),因此充電設(shè)施規(guī)劃必須考慮交通網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、道路車流量、車主的便利程度等因素。其次,充電設(shè)施的選址會影響車主的日常駕駛行為,從而最終影響交通網(wǎng)絡(luò)的流量分配。最后,充電設(shè)施的選址和定容會影響電力系統(tǒng)負(fù)荷的時空分布。因此,充電設(shè)施規(guī)劃有必要與電力系統(tǒng)和交通系統(tǒng)的規(guī)劃協(xié)調(diào)進(jìn)行。目前,就充電設(shè)施規(guī)劃問題國內(nèi)外已做了一些初步研究工作,但一般僅針對給定的交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、道路流量、充電需求和配電系統(tǒng)容量來設(shè)計規(guī)劃方案,而沒有系統(tǒng)地考慮充電設(shè)施、交通系統(tǒng)和電力系統(tǒng)之間的復(fù)雜交互影響。文獻(xiàn)對充電設(shè)施與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)規(guī)劃問題做了些探索性的研究。文獻(xiàn)引入了基于用戶平衡(userequilibrium)的交通配流模型對交通流量進(jìn)行計算,并在此基礎(chǔ)上以截獲的交通流量最大、配電系統(tǒng)網(wǎng)損以及節(jié)點(diǎn)電壓偏移最小為目標(biāo),建立了電動汽車充電站規(guī)劃的多目標(biāo)優(yōu)化模型。從總體上講,上述文獻(xiàn)中的模型仍然相當(dāng)初步,尤其是僅計及了交通網(wǎng)絡(luò)流量對充電設(shè)施和電力系統(tǒng)規(guī)劃的影響,而沒能考慮充電設(shè)施布局對于交通網(wǎng)絡(luò)流量的反向影響。總之,充電設(shè)施規(guī)劃的研究目前還有很大的發(fā)展與完善空間。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步深入探討交通系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的復(fù)雜交互影響,并發(fā)展交通系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃方法,是非常值得研究的重要課題。交通系統(tǒng)與電力系統(tǒng)在運(yùn)行層面的協(xié)調(diào)是另一個有重要意義的研究課題。與電力系統(tǒng)類似,交通系統(tǒng)也是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。交通系統(tǒng)運(yùn)行所關(guān)注的目標(biāo)主要是交通網(wǎng)絡(luò)流量,即特定時間段內(nèi)通過道路某一地點(diǎn)、斷面或車道的交通工具數(shù)量。交通流量受到用戶行為和交管部門決策的共同影響。傳統(tǒng)上,交管部門主要通過交通信號控制、道路管制等手段控制道路流量,從而實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)性能的優(yōu)化。由于缺乏對交通網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時監(jiān)測能力,交通信號等的控制策略只能根據(jù)長時間內(nèi)的平均道路流量制定,而無法做到動態(tài)調(diào)整。隨著實(shí)時道路監(jiān)測、衛(wèi)星定位、車載導(dǎo)航等技術(shù)的不斷發(fā)展,交通流量控制正在由靜態(tài)向動態(tài)轉(zhuǎn)變。利用視頻監(jiān)測、車聯(lián)網(wǎng)(connectedvehicle)等技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對道路流量的實(shí)時監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上,可以進(jìn)一步通過實(shí)時調(diào)整交通信號綠信比、行駛路徑誘導(dǎo)、自動駕駛等技術(shù),實(shí)現(xiàn)對交通流量的實(shí)時優(yōu)化控制。隨著電動汽車的普及,交通系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制間可能產(chǎn)生復(fù)雜的交互影響。首先,用戶對于充電地點(diǎn)和時間的選擇會顯著影響電力系統(tǒng)負(fù)荷的時空分布。因此,在設(shè)計交通系統(tǒng)的控制策略時,如果以盡量不影響用戶的出行便利為前提,將充電負(fù)荷對于電力系統(tǒng)的影響計入到數(shù)學(xué)模型之中,就可能達(dá)到改變電力系統(tǒng)的潮流分布、改善系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性的目的。其次,以V2G技術(shù)為基礎(chǔ)的電動汽車充放電控制是目前的研究熱點(diǎn)之一。然而,采用不同的充放電控制策略時車輛離網(wǎng)時的剩余電量不同,這自然會影響車主后續(xù)的駕駛行為以及對下一次充電地點(diǎn)和時間的選擇,從而間接影響交通網(wǎng)絡(luò)的流量。綜上所述,交通系統(tǒng)與電力系統(tǒng)之間存在復(fù)雜的交互影響,通過對這兩個系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,有可能同時提高兩者的運(yùn)行性能。目前,這一領(lǐng)域的研究基本還是空白,但很有研究價值。5能源網(wǎng)絡(luò)信息的物理建模和安全性5.1信息與物理系統(tǒng)的交互研究建立能源互聯(lián)網(wǎng)的最終目的是協(xié)調(diào)廣域內(nèi)的海量能量生產(chǎn)與消耗設(shè)備。信息在各種設(shè)備之間有效的雙向傳遞是實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。因此,前沿信息技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中將發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵作用。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)研究中,對于信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的交互并沒有進(jìn)行全面深入的探討,一般假定信息系統(tǒng)提供的信息是完整、準(zhǔn)確和及時的。事實(shí)上,隨著物理系統(tǒng)的各種調(diào)度與控制功能對于信息系統(tǒng)的依賴不斷加深,上述假定可能不再成立。因此,很有必要深入研究信息系統(tǒng)的信息質(zhì)量對于物理系統(tǒng)性能的影響。信息系統(tǒng)所提供的信息的質(zhì)量可以從完整性、準(zhǔn)確性和及時性三個方面加以評估。其中,信息的完整性指物理系統(tǒng)的調(diào)度與控制功能可以基于信息系統(tǒng)所提供的信息完全實(shí)現(xiàn),而不需要額外的信息。信息的準(zhǔn)確性指信息系統(tǒng)提供給調(diào)度中心和其他控制單元的信息與物理系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)的吻合程度。信息的及時性指物理系統(tǒng)的調(diào)度中心與控制單元可以在規(guī)定時限內(nèi)獲得其所需要的信息。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)研究在一定程度上涉及了信息質(zhì)量的上述3個方面。例如,在傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)分析中的“可觀性”概念,事實(shí)上就是對信息完整性的一個評估指標(biāo)。然而,現(xiàn)有研究并未形成一個評價信息質(zhì)量的成熟理論框架,也無法用于指導(dǎo)信息系統(tǒng)的規(guī)劃與運(yùn)行。在能源互聯(lián)網(wǎng)中,信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)同樣重要,因此就需要發(fā)展相關(guān)的信息質(zhì)量評估和信息系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行的完整理論體系。對能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)信息與物理系統(tǒng)之間的交互研究可以從3個方面進(jìn)行。首先,需要研究信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的統(tǒng)一建模理論,這種新的建模方法稱為信息物理建模(cyberphysicalmodeling)。其次,需要結(jié)合物理系統(tǒng)及其調(diào)度與控制功能的特性,研究信息質(zhì)量的評估方法。最后,可以在上述研究的基礎(chǔ)上,發(fā)展與物理系統(tǒng)相適應(yīng)的信息系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行方法。文獻(xiàn)[42-43]對電力系統(tǒng)的信息物理建模做了些初步探討,但研究范圍僅限于電力系統(tǒng);可以考慮把[42-43]所構(gòu)造的研究框架擴(kuò)展到能源互聯(lián)網(wǎng)所包括的其他系統(tǒng)。能源互聯(lián)網(wǎng)的信息質(zhì)量評估和信息系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行研究目前還未見報道,這是值得研究的重要領(lǐng)域。5.2信息物理安全性隨著信息系統(tǒng)與一次能源系統(tǒng)的融合不斷加深,能源互聯(lián)網(wǎng)的信息安全問題將逐漸凸顯。事實(shí)上,電力、天然氣、供水等復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的信息安全問題近年來已經(jīng)引起了多國政府和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。以電力系統(tǒng)為例,傳統(tǒng)上一般認(rèn)為由于電力信息系統(tǒng)與外部信息網(wǎng)絡(luò)相對獨(dú)立,其受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的可能性不大。然而,在2010年,人們發(fā)現(xiàn)了有史以來第一個專門針對工業(yè)控制系統(tǒng)的計算機(jī)病毒Stuxnet。通常Stuxnet首先通過受感染的USB等設(shè)備滲透計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。因此,即便是與外部網(wǎng)絡(luò)相互隔離的企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)也可能受到Stuxnet的攻擊。Stuxnet在部分國家造成了嚴(yán)重破壞。據(jù)報道,伊朗有超過1/5的核電站離心機(jī)因Stuxnet遭到了損壞。Stuxnet的發(fā)現(xiàn)顛覆了人們對于工業(yè)系統(tǒng)信息安全問題的傳統(tǒng)認(rèn)知。除了Stuxnet,美國等國家又多次發(fā)現(xiàn)了工業(yè)系統(tǒng)包括電力系統(tǒng)遭到黑客入侵的實(shí)例。這引起了多國政府和學(xué)術(shù)界的高度重視。以美國為例,美國國會專門批準(zhǔn)了170億美元的預(yù)算用于提高政府網(wǎng)絡(luò)和重要基礎(chǔ)設(shè)施的信息安全,并開始大規(guī)模資助關(guān)于工業(yè)系統(tǒng)信息安全的研究。網(wǎng)絡(luò)攻擊并不能直接對物理系統(tǒng)造成破壞,但可能削弱甚至完全破壞信息系統(tǒng)的正常功能。由于能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的物理設(shè)備的控制與相互協(xié)調(diào)在很大程度上依賴信息系統(tǒng),因此針對信息系統(tǒng)的攻擊就有可能導(dǎo)致能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)發(fā)生多種復(fù)雜的物理交互過程,并最終威脅整個系統(tǒng)的安全。為了與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)安全性相區(qū)別,一般把這種新的安全性問題稱為信息物理安全性(cyberphysicalsecurity)。信息物理安全性是智能電網(wǎng)研究領(lǐng)域中的一個熱點(diǎn)問題。文獻(xiàn)[47-48]較早開始研究了網(wǎng)絡(luò)攻擊過程的建模問題,提出了以攻擊樹(attacktree)作為攻擊過程的建模工具,以攻擊后的失負(fù)荷量作為攻擊后果的量化指標(biāo)。文獻(xiàn)對于電力系統(tǒng)中常見的控制回路做了較為全面的討論,將其劃分為發(fā)電、輸電和配電三類,然后針對每一類中的控制回路分析了其脆弱性和黑客可能采取的攻擊手段。文獻(xiàn)嘗試將傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)預(yù)想事故分析拓展為智能電網(wǎng)的信息物理預(yù)想事故分析(cyberphysicalcontingencyanalysis)。文獻(xiàn)引入博弈論作為數(shù)學(xué)工具,試圖分析攻擊者與調(diào)度人員之間的博弈對于網(wǎng)絡(luò)攻擊的過程和結(jié)果的影響。文獻(xiàn)詳細(xì)介紹了美國愛荷