专家观点︱轨道交通能源互联网的思考
文 / 丁荣军,张志学,李红波 (中车株洲电力机车研究所有限公司)2016-06-24 11:21

0 引言

    近年来,我国轨道交通建设日新月异,极大地推动 了轨道交通装备制造业的发展,使之成为国内高端装 备制造领域自主创新程度最高、国际创新竞争力最强、 产业带动效应最明显的行业之一。在中国制造 2025 的 战略引导下,轨道交通装备制造业将重点研制安全可 靠、先进成熟、节能环保的绿色智能谱系化产品,实 现安全、高效、绿色、智能的发展理念,推进发展模 式由传统模式向可持续、互联互通和多运输模式转变, 全面推行产品的数字化设计、智能化制造和信息化服 务,使我国轨道交通真正迈入数字化和智能化时代 [1-4]

    能源互联网的理念方兴未艾,越来越引起电力系统重视。作为电力系统的重要组成部分,轨道交通供 电系统有必要顺应电力系统的技术发展潮流,以能源 互联网为基础,根据轨道交通的自身特点,构建轨道 交通能源互联网,从而优化轨道交通系统的节能水平, 提高轨道交通系统的经济效益,改善轨道交通供电系 统的供电品质,实现轨道交通系统的智能化,更好地 应对新时期轨道交通发展面临的机遇与挑战。

1 轨道交通能源互联网架构

    能源互联网运用互联网思维和电力电子技术,以 大量分布式能源和分布式储能为基础,通过多元能源 的产、转、输、储、配、用的整合,对各环节的信息流、 能量流、资金流进行优化,实现多种能源系统供需互 动、有序配置,增强能源价值创造链(产、消)功能, 提高能源价值传递链(输、储、配)效率,构建高效、 绿色、智能的新型生态化能源体系,进而推进社会经济、 低碳、智能、高效地可持续发展 [5-10]

 

近年我国轨道交通车辆规模

    如图 1 所示,近年我国轨道交通车辆规模增长迅速。 轨道交通的快速发展推动了能源消费结构的改变,是 实现能源消费低碳化的重要途径。发展轨道交通充放 电调节控制、参与削峰填谷、平抑负荷波动等电网优化运行,将有效促进能源、交通和信息系统的融合,成为能源互联网的重要组成部分。

 

轨道交通能源互联网构架 

    图 2 给出轨道交通能源互联网基本构架,其可以 划分为物理基础设施网络、信息数据通信平台和价值 挖掘与实现平台 3 层构架。

    1)物理基础设施网络

    轨道交通物理基础包括车 - 车,车 - 网、车 - 基 础设施之间的互联,覆盖包括能量生产、传输、消费、 存储、转换的整个能源链,具备柔性、可扩展的能力, 支持分布式可再生能源的即插即用。通过车联网,构 建轨道交通车辆基础网络平台,实现交通资源、能源 资源的效率最优和价值最大化利用。

    轨道交通供电基础设施与多种形式供电设施并存, 是大量移动负荷接入能源互联网的入口,是能源互联 网关键节点。物理上轨道交通能源互联网以局域网形 式出现,但依靠电力系统全国能源互联网可组建虚拟 的全国轨道交通能源网,实现同其他基础设施完美融 合,服务主体多元化,如图 3 所示。

图3 轨道交通基础设施物理网络示意图

    轨道交通车辆是接入能源互联网的重要移动设备,能够同电力系统完美融合,是可发挥多元 作用的能源互联网核心。轨道交通车辆在轨交能 源互联网中既是电力网络比重大的负荷(能源的 消费者),又是重要的能源存储单元和能源传输 主体(能源的创造者),具有大规模的能量存储 能力。城轨车辆制动地面能馈技术和石墨烯 / 活 性炭复合电极超级电容储能技术在机车上的应 用,奠定了轨道交通车辆作为车载储能的代表地 位。轨道交通车辆向下依托微网的自治控制,向 上与轨道交通配电网进行动态交互,有利于高渗 透率的分布式能源、能源供给和消费形式的灵活 多变、地域资源配置不均衡和时空差异性等问题 的解决 [11];更强调跨区域资源间的协同优化配置, 有利于提高能源互联网的能源交换能力,实现多 元能源协调优化与能量双向对等整合。轨道交通 车辆的这些作用,与互联网中的缓存高度契合, 表明以大数据为特征的轨道交通能源互联网进入 节能新时代。

    2)信息数据通信平台

    轨道交通能源互联网借鉴网络技术中数据和 服务资源的共享理念,将信息流与能量流通过信 息物理融合系统紧密耦合,为能源互联网提供数 据收集、传输和资源共享以及系统节点控制的泛 在网络,从而实现能源互联网络中各个设备的互 联和互操作,如图 4 所示。信息流贯穿于能源互联网的规划、设计、建设、运营、使用、监控、维护、 资产管理和资产评估与交易等全生命周期。信息数据 通信平台屏蔽物理层节点的异构性,为价值挖掘平台 提供透明的服务。 

									图4 轨道交通能源互联网信息数据通信平台

    为保证控制策略能被及时可靠地执行,在车辆、变电所、轨旁储能站等处设置通信设备,实现易扩展、 便维护、多业务支持的信息互联网构架,给轨道交通 能源互联网提供信息支撑。

    集成通信协议是实现信息能源基础设施一体化的 基础,为实现用户用能定制化,支持交互实时通信协 议成为保证能源生产和负荷平衡的关键。因此轨道交 通能源互联网的通信基础设施和协议应满足双向通信, 具备面向高级应用的互操作性,实现端到端可靠安全 通信,能抵御潜在网络攻击 [11-13]。目前尚待开发全面 的通信基础架构和协议来支撑能源高效传输、能源精 准度量、网络优化控制、网络运维管理等功能。

    3)价值挖掘与实现平台

    信息物理融合实现创新模式运营,带来市场配置 效益。创新模式能源运营要充分运用互联网思维,以源、 网、荷汇集的海量数据为枢纽 [14-15],构建连接电网上 层应用与车辆间的信息通道,利用大数据分析、云计 算等互联网技术,准确预测运输负荷需求并以此取代 基于经验的决策方式,进行调度运行、规划建设、运 营服务业务,实现能源生产者、消费者、运营者和监 控者的整体效益最大化,从而发挥出“互联网 +”作用。

2 轨道交通能源互联网特征

 

5 轨道交通能源互联网特征 

    如图 5 所示,轨道交通能源互联网具有五大特征:

    1开放性:轨道交通网络涵盖干线铁路、轻轨、 地铁、磁悬浮等多种网络,同时也包含了依附其上的 轨旁或车载储能装置。轨道交通能源互联网是多元能 源链协同优势互补的重要一环,可应对可再生能源的 不确定性,减少弃风、弃光率,提高可再生能源的消 纳能力,支撑大量分布式可再生能源的高渗透接入。

    2再生性: 轨道交通车辆的运行会消耗大量的能源,但在制动过程中也能产生再生能源,实现能源的 回馈。传统的能源网络中,能源从产生、传输、配电 到消耗,是单向流动的,这个过程中存在着大量的损耗。 轨道交通能源互联网通过信息的共享实现能量的交互, 改变行业对能源的消费模式,进而辐射整个轨道交通 行业,带来技术和服务模式的变革。构建轨道交通能 量互联网的核心是要实现从能源的单向消耗到能源与 信息的双向流动。在用能侧采取阶梯式利用和余能回 收,提高一次能源综合利用效率,减少能源消耗和各 种污染排放,为多样化用户用能选择提供优化空间, 从而满足用户不同的能源体验,既提高用能可靠性, 又同时降低用能成本。

    3分布性:轨道交通网络遍布全国,分布式轨道 交通车辆联结能够实现全国联网的能量交换和共享。 轨道交通车辆作为能源互联网节点具有广泛的移动性。 同时,轨道交通车辆作为最小的功能单元,在轨道交 通能源互联网中扮演着多种角色,承担用电、发电、 储电等功能。从网络拓扑角度来看,轨道交通能源互 联网物理上以局域网形式出现,需要依靠电力系统全 国能源互联网实现能源生产从集中到分布的泛在化, 能源单元之间的对等互联,使能源设备和用能终端基 于互联网进行双向通信和智能调控,实现分布式能源 的即插即用。

    4智能性:物联网技术与移动互联网技术为轨道 交通提供了全生命周期的信息采集与实时处理;大数 据、云计算、能量信息化、物理信息融合等信息新技 术能更透彻地感知、更全面地互联和更深入地将能量 流和信息流融合。在此基础上构建轨道交通智能基础 设施、智慧轨道交通全联网、智慧管理、决策与指挥 系统。通过数据的智慧采集、智慧融合、智慧挖掘和 指挥决策,完成螺旋上升的智能信息处理过程,最终 达到智慧轨道交通目的,进而实现整个铁路系统信息 的互联和共享,提升铁路系统的服务质量、安全性、 可靠性并降低运营成本。

    5高效性:依托智能化信息处理,实现轨道交通 再生能源的综合利用将极大地提高能源管理效率、装 备运维效率,实现节能、高效。轨道交通能源互联网 着眼系统效益提升,以能源生产、消费、运营和监控 等环节的效能为本,基于能源互联的管理系统、能源 互动交易系统、能量流的智能控制技术,提升能源系 统的整体效能。

3 轨道交通能源互联网价值及意义

    发展轨道交通能源互联网,提高能源利用效率, 建设低碳、节能、环保的轨道交通供电系统,将促进 当前电力工业格局的改变,并对分布式能源的接入、 可再生能源的消纳及需求侧管理产生积极影响。其意 义如下:

    1社会效益:轨道交通能源互联网,是“一带一路” 建设的创新发展,对增强国家间、组织间、企业间以 及社会各方产能合作具有重要的意义。大规模开发智 能高效的轨道交通,充分消纳可再生能源,可解决缺 电问题,消除贫困,缩小地区差异,让人人享有可持 续能源,推动人类社会的共同发展。

    2经济效益:轨道交通能源互联网核心价值就是 对能源的最优配置,实现能源效率的最大化。能效被 视为一种成本效益方案,可用来替代建设发电厂和电 网扩容等供电侧资源的投资。通过这一方式,提升能 效可为电力系统、电力用户乃至整个社会带来诸多好 处 [15-16]。据统计,综合能效提升 10%,我国城市轨道 交通系统全年节能可达 44.27 亿度电,相当于 1/3 个葛 洲坝的发电量,而全国铁路全年节能可达 119 亿度电, 节电经济效益相当可观。

    轨道交通能源互联网能大幅提升轨道交通系统能 效,方便分布式可再生能源的消纳以及能量回馈电网, 保证充足、清洁、廉价、高效、便捷的能源供应,为 社会发展提供不竭动力。轨道交通与物联网、互联网 等深度融合,带动新能源、新材料、智能制造等战略 性新兴产业创新发展,推动经济增长、结构调整和产 业升级。预计 2016~2030 年我国清洁能源及相关产业 每年投资达 8 200 亿元,可拉动 GDP 年均增长约 0.6%[16]

    3环境效益:当今世界主要经济体进行了 20 年持 续谈判,期望以碳减排、碳定价、碳交易、碳关税等 方式来解决日益恶劣的环境污染,但举步维艰、收效 甚微。构建轨道交通能源互联网,一方面大幅度提升 用能效率,减少电能需求;另一方面还能提供清洁、 绿色电能,满足减排需求,为 2050 年全球温升仍控制2°C以内的目标 [17-18] 做出贡献。 4技术推进:轨道交通能源互联网的建设将产生

    良好的技术推动作用。首先,能提升轨道交通装备的 智能化水平,有助于实现轨道交通系统的智能化运营, 进而提升轨道交通的安全性与可靠性。其次,在能源 应用方面,能优化轨道交通系统的节能水平,提高轨 道交通系统的经济效益,改善轨道交通供电系统的供 电品质。再次,在服务的智能化、人性化方面,可基 于移动互联网,实现服务手段的便捷化、定制化与个 性化,提供更好的轨道交通体验。

    轨道交通能源互联网的建设,可发挥轨道交通产 业的技术优势,孵化和扶持行业内创新型企业,引领 产业链的升级,引导高端生产制造业向智能化服务业 的转型;还可培养完整的产业链,所有参与方资源合 作共享,促进前沿技术和创新成果及时转化。如图 6 所示,轨道交通能源互联网产业链包括从高端芯片、 器件、装置、系统到运维服务的提供商。在整个产业 链上、每个环节上都有涉及到国计民生的核心技术需 要攻关。

															
															图6 轨道交通能源互联网产业链

4 轨道交通能源互联网关键技术

    如图 7 所示,轨道交通能源互联网涵盖了电力、 材料、器件、设备、通信等多学科技术领域 [19-22], 总体可分为部件、装置和系统 3 个技术层次,如表 1 所示。

																		图7 轨道交通能源互联网技术关联图

表 1 轨道交通能源互联网关键技术一览表 

     轨道交通网络中,有了 SiC 器件、永磁电机等关 键部件,利用高频化和 SiC 变流技术,搭建了电力电 子变压器、同相供电、能馈及储能等高效能量处理装置, 便可实现轨道交通车辆优化操纵、寿命预测、智能变 电所等局部能量优化,进而利用大数据和信息交互等 技术实现大系统能量优化,便有了轨道交通能源互联 网的技术基础。有了电力交易平台的建设,便有了轨 道交通能源互联网的经济基础,从而使轨道交通能源 互联网的高效特征呈现出规模效益。 

 

5 结语

     本文阐述了轨道交通能源互联网基本体系构架, 分析了轨道交通能源互联网的特征和意义,从部件、 装置、系统 3 个层面梳理了支撑其发展的关键技术。 轨道交通能源互联网规模庞大,需从系统架构规划、 关键技术攻关、标准协议制定、政策设计等多方面着手, 建立其产业发展体系。展望未来,轨道交通能源互联 网战略性和市场性兼备,是解决能源危机和环境污染 的有力手段,是维持社会可持续发展的重要举措,是 我国成功抢占未来市场、赢得全球竞争的战略制高点。 

联系我们

联系人:万 玲

电 话:021 - 5187 0312

传 真:021 - 3325 0557

E-mail:ling.wan@rt-media.cn

合作伙伴

扫码关注微信公众平台

版权所有:上海鸿众展览服务有限公司        备案号:沪ICP备15057112号