信息物理能量系统：能量和信息融合技术

清华大学 慈松

1 背景与意义

当下能源行业经历着巨大变革——传统化石能源逐渐枯竭，分布式发电大量兴起，用电需求呈现多样性并快速增长。在人们不断探寻有效的能源革命路径的同时，以实现最大范围的信息互联共享为基本目标的互联网，正以前所未有的速度与力度影响着人类社会。互联网在改变人类生产生活方式的同时，也颠覆了许多传统行业保持了数十年的运行方式，推动了“工业4.0”和“互联网+”的快速兴起。以互联网为载体的信息资源作为当今时代的一种新型生产资料，催化衍生出不同形态的产品、效益与价值。

互联网的成功在于借助信息技术实现了“人、机、物”的三元融合与互联共享，极大地激发了产业价值链上每个智能单元的创新能动性，进而推动了各行各业的创新与变革。随着互联网思想与应用潜移默化地渗透到人类社会活动的各个角落，第三次工业革命和能源互联网应时而生并成为“互联网+智慧能源”的实现平台技术，其核心思想是传统产业模式与相应基础设施碎片化后进而通过信息技术进行优化重组融合。具体来说，在能源领域中，第三次工业革命和能源互联网表现为由现代化大工业催生出的集中式即发即用的单向发电供电模式，将转向与工业4.0为代表的定制化生产相匹配的大规模分布式发电和用电，同时将产生以满足用户定制化能量需求为目标的虚拟电网和电厂等新的业态。通过能量的信息化与互联共享技术对现存能源系统进行优化配置，达到盘活存量提高效率的目的。

从能量与信息的本质关系上看，能量与信息的内在联系被长期割裂。能量从信息领域的角度看通常只是一个模拟连续变量，即只关注其物理属性（如开/关、电流、电压、功率等）而忽略其内在的信息属性，更无法从信息领域进行能量的动态时空可变粒度调配。要实现类似于互联网中信息共享那样的能量互联共享，首先需要基于信息物理融合系统（Cyber Physical System, CPS）实现能量的信息化，即通过电力电子半导体技术在物理上把能量进行离散化存储在单体电池中，并通过信息技术将离散化存储的能量在时空可变控制粒度的层面进行处理和调度。能量信息化技术改变了传统电网即发即用的集中管控模式，极大提升了用户侧海量双向电源的接纳能力；其次，基于能量的离散化存储，将能量系统与负载系统通过信息化统一整合，使能量转化成同计算资源、带宽资源及信息存储资源等信息领域中可以精细管控和计量的资源，进而通过互联网技术进行灵活的网络化管理与调控，催生出能量云与能量大数据业务，支撑能量C2C/C2B的运营模式。

2 能量物理信息系统核心思想与分层架构

能量物理信息系统是通过CPS思想与能源互联网思想的融合，借助智能硬件、物联网技术、大数据、能量网卡、能量路由器、分布式储能技术、软件定义网络等关键技术，最终实现能量信息化与智能化互联的目标。

能量物理信息系统的分层架构如图1所示，分为能量与数据平面和管理平面。其中，能量与数据平面包含物理层、CPS层、应用层与服务层；管理平面包含本地管理数据库和全局管理数据库，下面对各层进行说明。

3 能量物理信息系统各层关键技术

3.1 物理层

如图2所示，能量物理信息系统的物理层是能源运营商构建的能源互网络基础设施，如电力网络中发、输、变、配、用的端到端网络，由于能源互联网中供给侧能源运营商的多元化，用电侧用户的用电选择同样多元化，因此，从供给侧到用电侧如何通过能量与信息融合技术，实现能源端到端最优管控与最优配给，是能源互联网的重要目标之一。

3.2 CPS层

CPS是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信、可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环，实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体。CPS的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。其基本组件一般包括传感器及网络、执行器和决策控制单元。

CPS节点是基于物联网技术与智能硬件技术，实现面向能源互网络多元化物理量、多空间尺度、多时间尺度的关键物理与能量的感知，如图3所示，为深度挖掘信息和能量的互换关系，以及能量与信息的智能管控，提供有效性的数据感知服务，CPS节点逻辑上由数据采集单元、数据存储单元及数据计算与通信单元组成，并通过能量控制接口与信息控制接口形成能量与信息的双向交换。

如图4所示，CPS节点通过互联网或移动互联网向本地管理数据库和全局管理数据库上传采集信息，并接收本地化控制与远端云的控制信息。其中CPS节点的实现将借助智能硬件、低功耗广域网、物联网、分布式储能等技术以能量网卡形式实现。本地数据库与管控平台其存在形态，将以基于ARM、FPGA、DSP或X86服务器设备的近端分布式管控服务器系统实现，远端数据库与管控平台将基于云服务的集中管控系统实现。

3.3 应用层

应用层是通过先进的信息通信技术（如大数据、软件定义网络、智能学习等），基于CPS层提供的用户相关信息、能量相关信息、网络拓扑相关信息等，为能源互联网服务提供支撑。如图5所示，其包含信息处理子系统、数据处理子系统、运营支撑子系统、监控子系统等。

3.4 服务层

服务层是提供能量运营商直接与用户交互的服务。如图6所示，服务层的服务形式可以包括用户门户网站、分布式发电应用、电网应用、能量交易应用、智慧城市应用、运维门户、客服门户等。服务层将随着能源互联网应用形式的无限可能不断发展。

4 信息物理能量系统实例：能源互联网的关键设备——能量网卡

在信息互联网中网卡的物理形态就是一块PCB电子线路板，其网络形态是互联网的末梢设备，其功能形态是成千上万网络设备及终端设备与互联网之间的物理接口。互联网时代之前的计算机是计算与信息的集中式承载，而互联网时代的计算机则通过互联网协议之间的交互，动态优化地使用分布式计算与信息资源，从而实现对计算、存储与通信资源进行灵活、可控、高效配置的目的。信息互联网网卡的主要功能是：① 物理连接功能，主要包括电气接口（通过双绞线、同轴电缆或者光纤，发送或接收经过调制的电信号）、信息接口（互联网中终端接收和发送双向信息流动的必要环节）。② 信息处理和通信功能，主要包括网络协议处理/转换（将接收数据包和发送信息通过解封与封装、解码与编码分别转换为高层协议能够识别的信息帧和能够在互联网中流通的数据包，保证终端与互联网有条不紊地进行交互）、终端设备状态管理（通过帧间距调整、流速控制，提高终端与网络的工作效率）、软件定义接口（协议软件可配置，并且在软件定义网络时代实现智能化控制的数据与转发功能相分离）、网络管理接口（网管网元可远程管理终端与网络设备）。

从人、机、物三元融合的角度看网卡的功能完成了信息物理融合中的两种重要互换：①物理世界连续变量和信息世界离散数字变量的互换；②信息流和能量流的互换。物理信息融合过程将之前碎片化的分布计算资源和存储资源连接整合成一个大的分布式计算系统，而网卡在这个大的分布式系统中起到的作用类似于人体中的毛细血管（信息能量）和神经末梢（控制信息），具备了信息流和能量流融合的特质。信息的能量属性是显而易见的，信息本身就是能量的调制（如调幅、调相、调频），所以能量是信息的使能技术，而网卡就是互联网中信息与能量融合具体实现的载体。

能源互联网同样需要能量网卡，能源互联网是信息与能量高度融合、高度自治与协同管控的网络。能量网卡从信息与能量融合上看有两方面作用。首先，在物理上把能量进行离散化（或碎片化），使离散化的能量在时空可变控制粒度的层面进行调度；其次，基于能量的离散化，将能量系统与负载系统通过信息化整合，使能量转化成同计算资源、带宽资源以及存储资源等信息通信领域资源一样的资源，进而通过互联网技术进行灵活的网络化管理与调控。能量网卡从连接功能上看是成千上万用能终端，与发、输、变、配等电力系统设备接入能源互联网的物理入口：首先，通过能量网卡实现各种电力设备中的信息交互、能量管控与能量交易；其次，通过能量网卡适配任意类型的电力设备，实现智能化的产能、储能与用能，以及平抑分布式能源的波动；再次，通过能量网络适配任意类型的分布式能源和大量的分布式碎片化的储能资源，从而实现能源利用率最大化。

对于能量网卡的技术研发进展，目前慈松教授团队已完成能量网卡的核心技术研究，特别是已研发完成了分布式能量管控芯片，分布式电池能量交换设备及电池网络系统软硬件和电池云平台，并已在数据中心、电动汽车及铁塔基站机房等领域示范应用。

在能源互联网时代，能量网卡将广泛应用于各类能量设备。如图7所示，在用户侧，能量网卡可用于家庭、写字楼、基站机房、电动汽车与数据中心等应用场景中的任一用能终端。针对于分布式储能的场景，用户可根据自身用能需求与投资预算，通过能量网卡选择任意厂家、类型、种类、品牌等。