一种包括电、气、热三种能源形式的能源路由器

摘要

一种包括电、气、热三种形式的能源路由器，其特征在于它包括能量监控与管理系统、信息交换与管理系统和用户界面与接口系统；其优越性：①实现能源的合理流动，能源利用率高；②优先使用可再生能源产生的电能，减少化石能源的使用；③实现信息的实时交流和系统的远程控制；④利用新型日间控制算法，实现能量的精确控制；⑤采用开放接口设计，允许用户根据自身需要对功能进行个性化定制。

说明书

(一)技术领域：

本发明属于电力系统能源互联网领域，尤其是一种包括电、气、热三种能源形式的能源路由器。

(二)背景技术：

随着人类社会的进步，对于能源的需求量也越来越大。但是，传统化石能源的使用面临着巨大的问题。以太阳能和风能为代表的新能源的出现，为未来解决能源问题提供了思路。能源互联网是利用互联网思维的一种能源网络，分布式电能、天然气、热能都可以通过能源互联网进行传输和利用。在利用不同形式的能源时，能源路由器可以根据不同形式的能源的特点，通过自动控制，实现能源利用效率的最大化。在电力电子、高速数字通信和分布控制技术的支撑下,建立具有智慧功能的革命性电网构架吸纳大量分布式能源.通过综合控制能源的生产、传输和消费各环节,实现能源的高效利用和对可再生能源的兼容。能源路由器中的FREEDM系统是多技术融合的产物,固态变压器为实现与信息网络融合奠定了基础,市场经济模型考虑加快了市场化步伐.其中,固态变压器实现four-quadron功率流控制,使得分布电站变得即插即用,并同时保证电网中用户储能及负载的增加不会相互影响；系统设计激励策略确保绿色能源的最大化利用,大幅提升整个系统的能源利用率

但是，对于这一种新型的能源形式，目前并没有一种设备可以做到对多种能源和信息的有效传输和管理。之前提出的能源路由器，只是把新能源发电这一种形式的能源纳入其中，这和微网的结构非常相似，还不能构成能源互联网。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种包括电、气、热三种形式的能源路由器的设计，它由能量监控与管理系统、信息交换与管理系统和用户界面与接口系统三部分组成，可以在能量控制器的自动控制下综合利用电能、天然气、热能三种形式的能源，采用以太网络、4G两种网络连接方式，实现信息的实时传输处理、不同设备间的联网运行和远程控制，并且采用开放接口，支持用户根据自身需要进行功能定制。

本发明的技术方案：一种包括电、气、热三种形式的能源路由器，其特征在于它包括能量监控与管理系统、信息交换与管理系统和用户界面与接口系统；其中，所述能量监控与管理系统、信息交换与管理系统和用户界面与接口系统之间两两之间呈双向连接。

所述能量监控与管理系统、信息交换与管理系统和用户界面与接口系统之间两两之间通过UART通用异步收发传输器实现双向信息传递；所述信息交换与管理系统由信息交换单元、智能控制中心和远程控制及安全保护单元组成；所述用户界面与接口系统，其界面显示的信息包括登陆界面、能量管理信息、安全管理信息、优化界面、接口信息五个部分。

所述智能控制中心采用Intel 82547EI芯片进行信号的处理；所述智能控制中心收集的能量控制器、可再生能源发电管理单元、储能管理单元、天然气管理单元和热能管理单元的控制及通信信号，通过光纤和4G网络汇总到信息交换单元；所述信息交换单元作为用户界面与接口系统的信息源并通过光纤和4G网络与能源互联网中的其他能源路由器进行信息交换。

所述能量监控与管理系统是由能量控制器、可再生能源发电管理单元、储能管理单元、天然气管理单元和热能管理单元构成；所述可再生能源发电管理单元、储能管理单元、天然气管理单元和热能管理单元分别采集对应的能源形式的信息，将信息传输到能量控制器进行信息的汇总和计算；所述可再生能源发电管理单元、储能管理单元、天然气管理单元和热能管理单元与能量控制器的信息传输通过光纤或4G无线传输方式实现。

所述能量控制器的输入端采集的信号包括可再生能源发电单元的风力及太阳能发出的电量信号、储能管理单元的电量信号、天然气管理单元的天然气流量、压力及价格信号、热能单元的热水的流量、温度及压力信号；所述能量控制器采用AQUA单片四通道MAC控制芯片；由YPT—600能量监测网关进行安全防护。

所述信息交换与管理系统所收集的全部信息，通过电阻式可触摸屏同用户进行交流，并且预留Ethernet,Ad Hoc,CCN,SDN的信息网络接口,以便于未来能源路由器的联网运行和新设备接入。

所述可再生能源发电管理单元、储能管理单元、天然气管理单元和热能管理单元四个单元的输出信号分别进入能量控制器和智能控制中心，其中能量控制器进行能源潮流的计算和控制，智能控制中心进行整个系统的通信和控制，这两个控制系统都与远程控制及安全保护系统进行双向信号沟通。

一种包括电、气、热三种形式的能源路由器的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)信息交换单元获得的实际系统需求信号及用户通过用户界面管理与接口系统输入的需求信号即负荷信号在智能控制中心的控制下传输到能量控制器；

(2)信息交换单元根据获得的天气信号预测可再生能源单元的发电能力，其信号一并传输到能量控制器；

(3)能量控制器根据负荷信号及可再生能源发电单元的发电能力的大小预测信号，综合计算电、气、热最优潮流，以此生成日前调度计划即各单元优化目标及调度周期；

(4)能量控制器计算所得的各单元优化目标及调度周期信号在智能控制中心的控制下传输到可再生能源发电管理单元、储能管理单元、天然气管理单元和热能管理单元，以此控制各发电单元的状态；

(5)信息交换单元根据小时级预测数据和采集的各单元数据，更新各单元状态分布；

(6)能量控制器根据日前调度计划中给定的联络线功率和短期的预测结果，在边界条件的限制下，生成对于天然气发电单元产生热能的调节信号和对于热负荷的控制信号；

(7)上述天然气发电单元产生热能的调节信号和对于热负荷的控制信号再返回到能量控制器更新计算数据；

(8)能量控制器计算能量调度数据，智能控制中心将能量控制器计算所得的调度数据传输到各单元并控制各单元的状态。

本发明的工作原理：

本案所涉及的一种包括电、气、热三种形式的能源路由器，采用两层结构的设计，上层结构通过信息采集系统采集到各传感器的参数后交由能量控制中心进行能源的调度。采用的日间调度算法，可以精确地管理三种不同形式的能源。下层采用两种信息传输通道，保证信息可以快速完整的在不同路由器之间传递，使得能源路由器可以联网运行，从而形成统一的能源网络。

本发明的优越性：①融合电能、天然气、热能三种不同形式的能源，实现能源的合理流动，能源利用率高；②优先使用可再生能源产生的电能，减少化石能源的使用；③利用以太网、4G两种形式的网络进行信息的交换，实现信息的实时交流和系统的远程控制；④利用新型日间控制算法，实现能量的精确控制；⑤采用开放接口设计，允许用户根据自身需要对功能进行个性化定制。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种包括电、气、热三种能源形式的能源路由器的整体结构图。

图2为本发明所涉一种包括电、气、热三种能源形式的能源路由器中的能源控制器分层调度策略的控制实现原理图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种包括电、气、热三种形式的能源路由器(见图1)，其特征在于它包括能量监控与管理系统、信息交换与管理系统和用户界面与接口系统；其中，所述能量监控与管理系统、信息交换与管理系统和用户界面与接口系统之间两两之间呈双向连接。

所述能量监控与管理系统、信息交换与管理系统和用户界面与接口系统之间两两之间通过通用异步收发传输器(UART)实现双向信息传递(见图1)；所述信息交换与管理系统由信息交换单元、智能控制中心和远程控制及安全保护单元组成；所述用户界面与接口系统，其界面显示的信息包括登陆界面、能量管理信息、安全管理信息、优化界面、接口信息五个部分。

所述智能控制中心采用Intel 82547EI芯片进行信号的处理；所述智能控制中心收集的能量控制器、可再生能源发电管理单元、储能管理单元、天然气管理单元和热能管理单元的控制及通信信号，通过光纤和4G网络汇总到信息交换单元；所述信息交换单元作为用户界面与接口系统的信息源并通过光纤和4G网络与能源互联网中的其他能源路由器进行信息交换。

所述能量监控与管理系统是由能量控制器、可再生能源发电管理单元、储能管理单元、天然气管理单元和热能管理单元构成；所述可再生能源发电管理单元、储能管理单元、天然气管理单元和热能管理单元分别采集对应的能源形式的信息，将信息传输到能量控制器进行信息的汇总和计算；所述可再生能源发电管理单元、储能管理单元、天然气管理单元和热能管理单元与能量控制器的信息传输通过光纤或4G无线传输方式实现。

所述能量控制器的输入端采集的信号包括可再生能源发电单元的风力及太阳能发出的电量信号、储能管理单元的电量信号、天然气管理单元的天然气流量、压力及价格信号、热能单元的热水的流量、温度及压力信号；所述能量控制器采用AQUA单片四通道MAC控制芯片；由YPT—600能量监测网关进行安全防护。

所述信息交换与管理系统所收集的全部信息，通过电阻式可触摸屏同用户进行交流，并且预留Ethernet,Ad Hoc,CCN,SDN的信息网络接口,以便于未来能源路由器的联网运行和新设备接入。

所述可再生能源发电管理单元、储能管理单元、天然气管理单元和热能管理单元四个单元的输出信号分别进入能量控制器和智能控制中心，其中能量控制器进行能源潮流的计算和控制，智能控制中心进行整个系统的通信和控制，这两个控制系统都与远程控制及安全保护系统进行双向信号沟通。

一种包括电、气、热三种形式的能源路由器的控制方法，其特征在于它包括以下步骤(见图2)：

(1)信息交换单元获得的实际系统需求信号及用户通过用户界面管理与接口系统输入的需求信号即负荷信号在智能控制中心的控制下传输到能量控制器；

(2)信息交换单元根据获得的天气信号预测可再生能源单元的发电能力，其信号一并传输到能量控制器；

(3)能量控制器根据负荷信号及可再生能源发电单元的发电能力的大小预测信号，综合计算电、气、热最优潮流，以此生成日前调度计划即各单元优化目标及调度周期；

(4)能量控制器计算所得的各单元优化目标及调度周期信号在智能控制中心的控制下传输到可再生能源发电管理单元、储能管理单元、天然气管理单元和热能管理单元，以此控制各发电单元的状态；

(5)信息交换单元根据小时级预测数据和采集的各单元数据，更新各单元状态分布；

(6)能量控制器根据日前调度计划中给定的联络线功率和短期的预测结果，在边界条件的限制下，生成对于天然气发电单元产生热能的调节信号和对于热负荷的控制信号；

(7)上述天然气发电单元产生热能的调节信号和对于热负荷的控制信号再返回到能量控制器更新计算数据；

(8)能量控制器计算能量调度数据，智能控制中心将能量控制器计算所得的调度数据传输到各单元并控制各单元的状态。