信息物理能量系統：能量和信息融合技術

清華大學 慈松

1 背景與意義

當下能源行業經歷著巨大變革——傳統化石能源逐漸枯竭，分布式發電大量興起，用電需求呈現多樣性并快速增長。在人們不斷探尋有效的能源革命路徑的同時，以實現最大范圍的信息互聯共享為基本目標的互聯網，正以前所未有的速度與力度影響著人類社會。互聯網在改變人類生產生活方式的同時，也顛覆了許多傳統行業保持了數十年的運行方式，推動了“工業4.0”和“互聯網+”的快速興起。以互聯網為載體的信息資源作為當今時代的一種新型生產資料，催化衍生出不同形態的產品、效益與價值。

互聯網的成功在于借助信息技術實現了“人、機、物”的三元融合與互聯共享，極大地激發了產業價值鏈上每個智能單元的創新能動性，進而推動了各行各業的創新與變革。隨著互聯網思想與應用潛移默化地滲透到人類社會活動的各個角落，第三次工業革命和能源互聯網應時而生并成為“互聯網+智慧能源”的實現平臺技術，其核心思想是傳統產業模式與相應基礎設施碎片化后進而通過信息技術進行優化重組融合。具體來說，在能源領域中，第三次工業革命和能源互聯網表現為由現代化大工業催生出的集中式即發即用的單向發電供電模式，將轉向與工業4.0為代表的定制化生產相匹配的大規模分布式發電和用電，同時將產生以滿足用戶定制化能量需求為目標的虛擬電網和電廠等新的業態。通過能量的信息化與互聯共享技術對現存能源系統進行優化配置，達到盤活存量提高效率的目的。

從能量與信息的本質關系上看，能量與信息的內在聯系被長期割裂。能量從信息領域的角度看通常只是一個模擬連續變量，即只關注其物理屬性（如開/關、電流、電壓、功率等）而忽略其內在的信息屬性，更無法從信息領域進行能量的動態時空可變粒度調配。要實現類似于互聯網中信息共享那樣的能量互聯共享，首先需要基于信息物理融合系統（Cyber Physical System, CPS）實現能量的信息化，即通過電力電子半導體技術在物理上把能量進行離散化存儲在單體電池中，并通過信息技術將離散化存儲的能量在時空可變控制粒度的層面進行處理和調度。能量信息化技術改變了傳統電網即發即用的集中管控模式，極大提升了用戶側海量雙向電源的接納能力；其次，基于能量的離散化存儲，將能量系統與負載系統通過信息化統一整合，使能量轉化成同計算資源、帶寬資源及信息存儲資源等信息領域中可以精細管控和計量的資源，進而通過互聯網技術進行靈活的網絡化管理與調控，催生出能量云與能量大數據業務，支撐能量C2C/C2B的運營模式。

2 能量物理信息系統核心思想與分層架構

能量物理信息系統是通過CPS思想與能源互聯網思想的融合，借助智能硬件、物聯網技術、大數據、能量網卡、能量路由器、分布式儲能技術、軟件定義網絡等關鍵技術，最終實現能量信息化與智能化互聯的目標。

能量物理信息系統的分層架構如圖1所示，分為能量與數據平面和管理平面。其中，能量與數據平面包含物理層、CPS層、應用層與服務層；管理平面包含本地管理數據庫和全局管理數據庫，下面對各層進行說明。

3 能量物理信息系統各層關鍵技術

3.1 物理層

如圖2所示，能量物理信息系統的物理層是能源運營商構建的能源互網絡基礎設施，如電力網絡中發、輸、變、配、用的端到端網絡，由于能源互聯網中供給側能源運營商的多元化，用電側用戶的用電選擇同樣多元化，因此，從供給側到用電側如何通過能量與信息融合技術，實現能源端到端最優管控與最優配給，是能源互聯網的重要目標之一。

3.2 CPS層

CPS是一個在環境感知的基礎上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控可信、可擴展的網絡化物理設備系統，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環，實現深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監測或者控制一個物理實體。CPS的最終目標是實現信息世界和物理世界的完全融合，構建一個可控、可信、可擴展并且安全高效的CPS網絡，并最終從根本上改變人類構建工程物理系統的方式。其基本組件一般包括傳感器及網絡、執行器和決策控制單元。

CPS節點是基于物聯網技術與智能硬件技術，實現面向能源互網絡多元化物理量、多空間尺度、多時間尺度的關鍵物理與能量的感知，如圖3所示，為深度挖掘信息和能量的互換關系，以及能量與信息的智能管控，提供有效性的數據感知服務，CPS節點邏輯上由數據采集單元、數據存儲單元及數據計算與通信單元組成，并通過能量控制接口與信息控制接口形成能量與信息的雙向交換。

如圖4所示，CPS節點通過互聯網或移動互聯網向本地管理數據庫和全局管理數據庫上傳采集信息，并接收本地化控制與遠端云的控制信息。其中CPS節點的實現將借助智能硬件、低功耗廣域網、物聯網、分布式儲能等技術以能量網卡形式實現。本地數據庫與管控平臺其存在形態，將以基于ARM、FPGA、DSP或X86服務器設備的近端分布式管控服務器系統實現，遠端數據庫與管控平臺將基于云服務的集中管控系統實現。

3.3 應用層

應用層是通過先進的信息通信技術（如大數據、軟件定義網絡、智能學習等），基于CPS層提供的用戶相關信息、能量相關信息、網絡拓撲相關信息等，為能源互聯網服務提供支撐。如圖5所示，其包含信息處理子系統、數據處理子系統、運營支撐子系統、監控子系統等。

3.4 服務層

服務層是提供能量運營商直接與用戶交互的服務。如圖6所示，服務層的服務形式可以包括用戶門戶網站、分布式發電應用、電網應用、能量交易應用、智慧城市應用、運維門戶、客服門戶等。服務層將隨著能源互聯網應用形式的無限可能不斷發展。

4 信息物理能量系統實例：能源互聯網的關鍵設備——能量網卡

在信息互聯網中網卡的物理形態就是一塊PCB電子線路板，其網絡形態是互聯網的末梢設備，其功能形態是成千上萬網絡設備及終端設備與互聯網之間的物理接口。互聯網時代之前的計算機是計算與信息的集中式承載，而互聯網時代的計算機則通過互聯網協議之間的交互，動態優化地使用分布式計算與信息資源，從而實現對計算、存儲與通信資源進行靈活、可控、高效配置的目的。信息互聯網網卡的主要功能是：① 物理連接功能，主要包括電氣接口（通過雙絞線、同軸電纜或者光纖，發送或接收經過調制的電信號）、信息接口（互聯網中終端接收和發送雙向信息流動的必要環節）。② 信息處理和通信功能，主要包括網絡協議處理/轉換（將接收數據包和發送信息通過解封與封裝、解碼與編碼分別轉換為高層協議能夠識別的信息幀和能夠在互聯網中流通的數據包，保證終端與互聯網有條不紊地進行交互）、終端設備狀態管理（通過幀間距調整、流速控制，提高終端與網絡的工作效率）、軟件定義接口（協議軟件可配置，并且在軟件定義網絡時代實現智能化控制的數據與轉發功能相分離）、網絡管理接口（網管網元可遠程管理終端與網絡設備）。

從人、機、物三元融合的角度看網卡的功能完成了信息物理融合中的兩種重要互換：①物理世界連續變量和信息世界離散數字變量的互換；②信息流和能量流的互換。物理信息融合過程將之前碎片化的分布計算資源和存儲資源連接整合成一個大的分布式計算系統，而網卡在這個大的分布式系統中起到的作用類似于人體中的毛細血管（信息能量）和神經末梢（控制信息），具備了信息流和能量流融合的特質。信息的能量屬性是顯而易見的，信息本身就是能量的調制（如調幅、調相、調頻），所以能量是信息的使能技術，而網卡就是互聯網中信息與能量融合具體實現的載體。

能源互聯網同樣需要能量網卡，能源互聯網是信息與能量高度融合、高度自治與協同管控的網絡。能量網卡從信息與能量融合上看有兩方面作用。首先，在物理上把能量進行離散化（或碎片化），使離散化的能量在時空可變控制粒度的層面進行調度；其次，基于能量的離散化，將能量系統與負載系統通過信息化整合，使能量轉化成同計算資源、帶寬資源以及存儲資源等信息通信領域資源一樣的資源，進而通過互聯網技術進行靈活的網絡化管理與調控。能量網卡從連接功能上看是成千上萬用能終端，與發、輸、變、配等電力系統設備接入能源互聯網的物理入口：首先，通過能量網卡實現各種電力設備中的信息交互、能量管控與能量交易；其次，通過能量網卡適配任意類型的電力設備，實現智能化的產能、儲能與用能，以及平抑分布式能源的波動；再次，通過能量網絡適配任意類型的分布式能源和大量的分布式碎片化的儲能資源，從而實現能源利用率最大化。

對于能量網卡的技術研發進展，目前慈松教授團隊已完成能量網卡的核心技術研究，特別是已研發完成了分布式能量管控芯片，分布式電池能量交換設備及電池網絡系統軟硬件和電池云平臺，并已在數據中心、電動汽車及鐵塔基站機房等領域示范應用。

在能源互聯網時代，能量網卡將廣泛應用于各類能量設備。如圖7所示，在用戶側，能量網卡可用于家庭、寫字樓、基站機房、電動汽車與數據中心等應用場景中的任一用能終端。針對于分布式儲能的場景，用戶可根據自身用能需求與投資預算，通過能量網卡選擇任意廠家、類型、種類、品牌等。