基于压缩空气储能的清洁能源路由器信息-物理耦合系统

摘要

本发明公开了一种基于压缩空气储能的清洁能源路由器信息‑物理耦合系统，系统包括自下而上依次电讯双向连接的物理层、接口层、信息层、和高级应用层，并在接口层、信息层、和高级应用层设置安全层；信息层对接口层上传的数据进行异构数据存储和数据预处理，同时信息层对系统进行实时状态监测、安全评估、自愈保护和能流优化，并将能源控制的调度指令传输给接口层；高级应用层对多区域能源进行协同优化调度、开展多能源市场交易、中长期规划和预测。系统具有本地自治控制能力和区域协调性能，基于压缩空气储能的清洁能源路由器充分利用太阳能、风能等清洁能源，零碳排放无污染，有助于构建低碳、清洁、环保的综合能源体系。

说明书

技术领域

本发明属于新型能源技术领域，具体涉及基于压缩空气储能的清洁能源路由器信息-物理耦合系统。

背景技术

能源路由器是综合能源系统的智能化枢纽节点设备，通过耦合能量流和信息流，利用通信技术、优化技术、先进计算技术等实现智能能量转换、优化调度和控制。能源路由器是信息和能源深度耦合的复杂信息物理系统，其既可作为能源单元，承担多种形式能源产生、转换、存储、分配等任务；又是信息单元，具备数据采集、信息交互、智能调控、自愈保护等功能。先进绝热压缩空气储能具备冷热电三联供能力，同时无需外部燃料补燃，可实现零碳排放，且储能效率高，使用寿命长，可作为核心设备构建清洁能源路由器。

然而，目前能源路由器的能源形式和转换方式较为单一，且缺少统一的系统架构，难以为未来信息与能量密切交互，多形式能源深度耦合的能源互联网的构建提供支撑。因此，亟需一种能够满足多种形式能源高效存储和转化的清洁能源路由器。

如何综合设计清洁能源路由器的信息-物理耦合系统架构，优化的设计流程如何体现以满足多种形式能源的高效存储和转化，是清洁能源路由器顶层设计需要考虑的重点内容。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于压缩空气储能的清洁能源路由器信息-物理耦合系统。

本发明的目的：充分挖掘能源梯级利用潜力，发挥多能协同互补优势，提高系统能量综合利用效率和新能源消纳率，实现综合能源系统安全、经济、高效运行。

技术方案：为实现上述目的采用的技术方案如下。

基于压缩空气储能的清洁能源路由器信息-物理耦合系统，系统包括自下而上依次电讯双向连接的物理层、接口层、信息层、和高级应用层，并在接口层、信息层、和高级应用层设置安全层；所述接口层与物理层双向电讯连接，接口层实时采集并上传物理层实际运行数据，同时接口层传输信息层对物理层的控制指令；所述信息层对接口层上传的数据进行异构数据存储和数据预处理，同时信息层对系统进行实时状态监测、安全评估、自愈保护和能流优化，并将能源控制的调度指令传输给接口层；高级应用层是综合业务平台，包括系统调度交易中心和/或云平台，所述高级应用层与信息层双向电讯连接，所述高级应用层接收信息层的预处理数据，并对多区域能源进行协同优化调度、开展多能源市场交易、中长期规划和预测；所述安全层为接口层、信息层和高级应用层提供网络安全、数据安全和信息安全的保障，并对通讯质量进行实时监测。

优选的，所述物理层包括能量产生单元、能量存储单元、能量转换单元和用户单元，其中，能量生产单元包括风力发电机组、光伏发电组和光热集热器，能量存储单元包括不同温度的储热装置和压缩空气储能装置；能量转化单元包括吸收式制冷器、热泵、和电制冷器；用户单元包括电用户、热用户和冷用户。

优选的，其中，风力发电机组、光伏发电组和压缩空气储能装置的电能生成端并网成供电电网，并在系统控制下向电用户供电。

优选的，其中，所述光热集热器、供电电网驱动的热泵和压缩空气储能装置、储热装置并网形成热网，在系统控制下向热用户提供热能，同时可控的向气用户提供压缩空气。

优选的，其中，所述吸收式制冷器、压缩空气储能装置、和电制冷器并网形成冷网，在系统控制下向冷用户提供冷能，同时可控的向气用户提供压缩空气。

优选的，所述接口层包括信号采集组件、数据管理单元和能量管理单元，所述数据管理单元通过安全层的防火墙与信息层电讯连接；其中，所述信号采集组件包括内嵌的传感器和检测器以实时采集物理层的运行参数和运行状态，所述运行参数的模拟量信号通过模数转换器、信号调理器、采样装置后经通信通道传输给信息层，所述运行状态的开关量通过输入缓冲器、光电隔离器后传输给信息层；所述数据管理单元将信号采集组件的运行参数和运行状态、以及用户单元的用户数据预处理并依次经传输通道和防火墙后传输给信息层；所述能量管理单元将信息层发出的控制指令传输给物理层。

优选的，所述信息层包括异构数据存储单元、数据预处理单元、数据分析决策单元和控制指令转化系统；其中，所述异构数据存储单元接收来自接口层的数据并存储至本地存储装置和云存储装置，同时将接收的数据传输给数据预处理单元；所述数据预处理单元将将接收的数据预处理后分别传输给数据分析决策单元和高级应用层；所述数据分析决策单元通过接受的数据对系统进行状态监测和安全评估、能量优化、负荷侧管理以及系统自愈保护，对物理层能源的电、冷、热进行协调调度，同时对多能源的用户单元进行需求侧管理，并将生成的决策经控制指令转化系统转化为可执行的控制指令下达给接口层。

优选的，所述安全层包括加密技术、网络防火墙、入侵检测、信息隐藏、和病毒防护技术，避免信息系统受到扰动、故障和/或恶意攻击。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)基于所述信息-物理耦合架构的清洁能源路由器可实现信息流和能量流的融合控制，具有高自主性和智能化本地自治控制能力和区域协调性能，有助于实现分布式综合能源控制和区域能量管理。

(2)所述基于压缩空气储能的清洁能源路由器充分利用太阳能、风能等清洁能源，在能量产生和转换过程中实现零碳排放，不造成环境污染，有助于构建低碳、清洁、环保的综合能源体系。

附图说明

图1为本发明基于压缩空气储能的清洁能源路由器信息-物理耦合系统构架图；

图2为基于压缩空气储能的清洁能源路由器的物理系统结构和能量转化过程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明中描述采用的“自下而上”属于逻辑关系而非物理上的位置关系。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于压缩空气储能的清洁能源路由器信息-物理耦合系统，参见图1的系统构架图，系统包括自下而上依次电讯双向连接的物理层、接口层、信息层、和高级应用层，并在接口层、信息层、和高级应用层设置安全层，安全层对信息系统进行全面防护。根据实际系统需要每层均可进行细化。

连接关系：所述接口层与物理层双向电讯连接，接口层实时采集并上传物理层实际运行数据，同时接口层传输信息层对物理层的控制指令；所述信息层对接口层上传的数据进行异构数据存储和数据预处理，同时信息层对系统进行实时状态监测、安全评估、自愈保护和能流优化，并将能源控制的调度指令传输给接口层；高级应用层是综合业务平台，包括系统调度交易中心和/或云平台，所述高级应用层与信息层双向电讯连接，所述高级应用层接收信息层的预处理数据，并对多区域能源进行协同优化调度、开展多能源市场交易、中长期规划和预测；所述安全层为接口层、信息层和高级应用层提供网络安全、数据安全和信息安全的保障，并对通讯质量进行实时监测。

物理层包括能量产生单元、能量存储单元、能量转换单元和用户单元，参见图1和图2，相互间通过相关连接装置，如管道、管线等连接。

其中，能量生产单元包括风力发电机组(风机)、光伏发电组(光伏)和光热集热器。

能量存储单元包括不同温度的储热装置和压缩空气储能装置(也可视为能量转化单元)。

能量转化单元包括吸收式制冷器、热泵、和电制冷器。

用户单元包括电用户、热用户和冷用户。可扩展的，另一实施例中，用户单元还包括气用户。

系统利用的一次能源为太阳能和风能，风机输出端与电网相连，并将风能转化为电能。光伏经并网逆变器后接入电网，将太阳能转化为电能。光热集热器将太阳能转化为热能，并存储于高温储热装置内。热泵将电能转化为热能，吸收式制冷器和电制冷器分别将热能和电能转化为冷能。

进一步的，能量产生单元、能量存储单元、能量转换单元和用户单元构成本发明的基于压缩空气储能的清洁能源路由器。

其中，风力发电机组、光伏发电组和压缩空气储能装置的电能生成端并网成供电电网，并在系统控制下向电用户供电。

其中，所述光热集热器、供电电网驱动的热泵和压缩空气储能装置、储热装置并网形成热网，在系统控制下向热用户提供热能，同时可控的向气用户提供压缩空气。

其中，所述吸收式制冷器、压缩空气储能装置、和电制冷器并网形成冷网，在系统控制下向冷用户提供冷能，同时可控的向气用户提供压缩空气。

物理层是实现多能源灵活转换、协调互补、高效供能，满足用户多样化能源需求的基础。

接口层包括信号采集组件、数据管理单元和能量管理单元，所述数据管理单元通过安全层的防火墙与信息层电讯连接。信息网和能量网的初步耦合点和直接连接端口。

一方面通过系统内嵌的传感器等接口设备感知、测量系统内部各元件的运行参数(模拟量)和运行状态(开关量)，另一方面，接口层能够接收上层信息层对系统内部元件的控制信号并将其作用于物理层。

其中，运行参数的模拟信号包括风机和光伏的实时功率、电流、电压；新能源接入点的太阳辐射、风速，以及温度、湿度、气压等环境参数；压缩空气储能系统储气室的气压、温度等储能状态量和充放电功率；不同温度储热罐内的蓄热介质质量和温度、吸放热功率等；其它能量转换设备包括电制冷器、热泵、吸收式制冷器的输出功率、温度等，并通过无线网、光纤等通信通道将采集信息上传至信息层。

其中，采集运行状态的模拟量信号通过模数转换器、信号调理器、采样装置后向上层传递；采集的开关状态量通过输入缓冲器、光电隔离器后向上传递。

信息层包括异构数据存储单元、数据预处理单元、数据分析决策单元和控制指令转化系统。

其中，所述异构数据存储单元接收来自接口层的数据并存储至本地存储装置和云存储装置，同时将接收的数据传输给数据预处理单元。

所述数据预处理单元将将接收的数据预处理后分别传输给数据分析决策单元和高级应用层。

所述数据分析决策单元通过接受的数据对系统进行状态监测和安全评估、能量优化、负荷侧管理以及系统自愈保护，对物理层能源的电、冷、热进行协调调度，同时对多能源的用户单元进行需求侧管理，并将生成的决策经控制指令转化系统转化为可执行的控制指令下达给接口层。

需要说明的是，由于目标函数(经济指标、环境指标)不同，以及系统元件建模精度的不同，最终优化问题形式不同，具体求解方法不同，本申请不考虑具体调度模型和优化求解过程，根据实际情况采用现有模型和优化算法即可。

高级应用层是能源路由器参与区域综合能源系统协同优化调度、开展多能源市场交易、中长期规划等综合业务的平台。各能源路由器将数据上传至系统调度交易中心或云平台，同时各能源路由器之间进行信息交互，利用云计算、雾计算、边缘计算、大数据分析等工具实现区域综合能源系统能量管理和优化决策。其中云计算一般在调度交易中心和云平台集中进行，雾计算和边缘计算主要应用于能源枢纽、用户终端、需求响应负荷集成商等信息汇聚点对实时数据进行分析处理，借助大数据分析等工具实现用户用能行为分析、负荷预测、新能源出力预测等功能。

安全层包括加密技术、网络防火墙、入侵检测、信息隐藏、和病毒防护技术，避免信息系统受到扰动、故障和/或恶意攻击。

安全层全面防护接口层、信息层和高级应用层的网络安全、数据安全和信息安全，并对通讯质量进行实时监测。安全层是保证综合能源系统安全、高效、稳定运行的基础，避免信息系统受到扰动、故障或恶意攻击(如坏数据注入、通信延时、传输中断)时对物理系统的安全运行带来潜在风险。

综上，基于压缩空气储能的清洁能源路由器信息-物理耦合系统可实现信息流和能量流的融合控制，满足本地自治控制自主性、智能化，以及区域能量协调管理要求。基于压缩空气储能的清洁能源路由器可实现多种形式能源灵活转换、协调互补，满足用户冷、热、电、气(工业用压缩空气)等多样化能源需求，而且充分考虑不同能源的蓄能和利用，在能量产生和转换过程中实现零碳排放，不造成环境污染，有助于构建低碳、清洁、环保、经济、高效的综合能源体系。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。