全文主旨【省时间快读】
背景：
论文标题：The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management (FREEDM) System: The Energy Internet
这篇文章发表于 2010 年，已经被引 1544 次。
避免能源危机，需要把新能源利用起来，所以 如何利用新能源呢？
能源互联网（Energy Internet）的愿景：
在信息互联网中，每个人都利用数据 消费数据，每个人也都生产数据。
被信息互联网 inspired，在可再生能源的愿景下，希望 每个人消耗能源的同时，每个人也生产可再生能源（如屋顶太阳能发电）、上传可再生能源给电网，电网负责灵活分配能源。
FREEDM 系统的目标：
实现 高度分布式的调度 / 控制，可扩展的结构，孤岛 / 并网的灵活切换。
将 现有电力系统和 可再生发电结合，用户能源 能买能卖。
更高效利用（可再生）能源。
FREEDM 系统的构成：
基本组成部件：
设备节点：DRER 分布式可再生能源，DESD 分布式储能设备，loads 负载。
连接以上节点：IEM 智能能源管理节点 + IFM 智能故障管理节点，内含：
low-level 微秒级控制：SST 固态变压器；
high-level 小时级控制：DGI 分布式电网智能。
（如后文，SST 类似路由器里 接收数据包的硬件，DGI 类似路由器里 智能转发数据包的软件。）
模仿信息互联网的结构，从 low-level 到 high-level：
即插即用（plug-and-play）接口，。
路由器（router）：固态变压器 SST，负责电力的微秒级控制。
TCP / IP 协议：分布式电网智能 DGI。
IEM 的 3 个主要功能：
动态识别 IEM 连接的各个设备节点：参数，需求（能源供电 / 存储的充放电 / 负载用电），控制方式（电压、充放电功率 等）。
能源 / 电力的调度（多目标优化，如 成本最低、可再生能源利用率最高、高优先级任务完成率最高 等）。
保证分布式通信 / 控制的一致性 consistency。
IFM 的主要功能：
识别 + 定位 + 协调 + Reclosing 电网故障（可能类似于 大功率用电 电源跳闸）。
单独说说 DGI：
DGI 内嵌在 ① IEM 智能能源管理，② IFM 智能故障管理 两种节点内，起到 计算机网络里 通信协议的作用。
根据 DGI 的约定 / 操作步骤，IEM 完成 能源调度策略 + 一致性控制，IFM 完成智能故障管理。
常用名词（可能需要回来查）
| 缩写 | 英文 | 中文 |
|---|---|---|
| DRER | Distributed renewable energy resource | 分布式可再生能源 |
| DESD | Distributed energy storage device | 分布式储能设备 |
| SST | Solid state transformer | 固态变压器 |
| IEM | Intelligent energy management | 智能能源管理 |
| IFM | Intelligent fault management | 智能故障管理 |
| DGI | Distributed grid intelligence | 分布式电网智能？ |
| FID | Fault Isolation Device | 故障隔离设备 |
0 abstract
FREEDM：是一个 分布式可再生能源 + 分布式能源存储、即插即用 的 能源分配系统，支持灵活的能源共享。
关键词：分布式发电，自动化配电，微电网，可再生能源，智能电网。
1 intro
第一段 & 第二段：我们需要用可再生能源 + 怎么用可再生能源。
美国现在用的能源很多，大部分是不可再生、不环保的能源，如煤炭、石油、天然气。所以，可能因为 1. 能源不安全（产油国比较动荡），2. 能源的不可再生，3. CO2 导致全球变暖，导致未来油价暴涨。
可再生能源（风能、太阳能、潮汐能 等）可以满足＞50% 的能源需求。因此，多去用可再生能源，可以缓解该问题。
所以我们要拥有 有效利用可再生能源 的能力，未来电网需要解决 1. 存储 2. 复杂控制 的问题。
为了好好利用可再生能源，需要 1. 大规模的集中式装置（风能、太阳能发电站）2. 大规模 DRER（分布式可再生能源），重点在后者 目前集中式 → 未来分布式 的转变。
第三段：未来的可再生能源管理系统，FREEDM 愿景。
在 FREEDM 愿景【图1】中，住宅用户的能源需求用 小的 模块化的 DRER 来 cover，通过标准化的即插即用接口（FREEDM 的可扩展性）。
可以用 DESD（分布式储能设备）优化能源使用效率，如电池、氢能储存、flow batteries。
基于 智能能源管理软件 的分析，用户可以把过剩能源卖给电网。
第四段：能源互联网 & 为什么 FREEDM 需要分布式结构。
能源互联网（Energy Internet）的设想，被 20 世纪 80 90 年代 计算机领域的转变所 inspired，即 基于集中式计算设备 → 基于人手一个的分布式 client + 连接 client 的 internet。
其中，人手一个的 client 是基础设施（infrastructure），它们消费着资源 也上传着数据。这样分布式的基础设施，导致 创新 经济发展 等等。
相似的思想，为了利用可再生能源，是否可以让每个人 / 每个家庭，发挥 分布式基础设施 的作用呢？
我们需要新的 电力分配基础设施 “能源互联网” 来连接每个家庭，需要新的 能源输送 + 管理方案 实现分布式管理，因为传统的集中式结构不适合这种场景。
第五段：全文结构。
本文提出了一个新的能源输送基础设施 FREEDM 系统，所需关键技术 在发表时（2010年）还无。
第二节：FREEDM 的几个关键元素。
第三节：SST（固态变压器）FREEDM 里 能源路由器 的重要组成部分。
第四节：构成 分布式控制系统 的 IEM（智能能源管理）IFM（智能故障管理）系统。
第五节：FREEDM 中其他的 high-level 控制策略。
2 FREEDM 的具体架构
能源互联网与信息互联网的架构相似，有三个关键因素如下：
| 信息互联网（Information Internet） | 能源互联网（Energy Internet） |
|---|---|
| 即插即用的接口（plug-and-play interface，比如以太网接口） | 供能 / 储能 / 负载设备 - IEM（智能能源管理装置）的接口，和 这些设备与 DGI（分布式电网智能）的通信接口。 接口示意图见【图 2.a】，以 DGI 为核心的 FREEDM 结构见【图 2.b】。 |
| 路由器（router），把每个数据包 送到该送的地方去。 | 能源路由器（即 IEM 智能能源管理装置）。 1. 监测所有设备的状态 + 数据，并给出控制信号；如对于 DESD 分布式储能设备，可能是充电 / 放电功率。 2. 本地电源管理功能。 3. 隔离初级电路的潜在故障。 4. 为用户 / 负载 配置 功率 / 电量。 |
| 开放标准的（open-standard）协议 / 操作系统 / 操作规程，如 TCP / IP 协议 | FREEDM 的操作规程称为 DGI，DGI 被嵌入到所有 IEM 设备中，通过通信网络与 其他 IEM 进行协调。 |
misc：
当代计算机电源系统 已经具有 新能源系统愿景 的基本能力，但在计算机中的功率水平 要低几个数量级（例如 100W）。
交流总线：与传统电力基础设施共存，但可能难以智能控制。直流总线：扩展性好，但 IEM IFM 需要专门的开发工作（不能借鉴目前广泛应用的技术？）
考虑新模块进入 FREEDM 后的自适应配置，类别计算机的 USB 插拔，可能会引起系统的瞬态 / 不稳定。当然，计算机的解决方案已经很好了，而能源路由器还需要新技术。
3 固态变压器 SST
固态变压器 SST 是能源路由器的重要组成部分，本节主要讲了 SST 固态变压器 的 结构、特性、功能、性能指标 等。cs 出身的月出 并不了解这些硬核细节，所以基本上跳过啦。
能源路由器（IEM）连接大量 DESD、DRER、用户负载，IEM 实际上由 SST + DGI 软件 + 通信接口组成，功能为 执行物理（电力和能源）控制 + 降压功能，如【图 2.a】。
SST 是一个电力电子器件，【图3】为 SST 功能图，功能远不止降压功能。
)
SST 通常包括
- 高压 交流 → 直流 的电源转换阶段，
高频 直流 → 直流转换器 以产生一个调节直流母线，
直流 → 交流 以产生低压调节交流母线。
因此，SST 的本质是一个三口电源交换器 + 能源路由器。（不知读者能否理解，反正月出是没看懂）
使用 SST 可以实现兼容性、灵活性：SST（或更准确的说，是 IEM 设备）可以实现 DRER DESD 负载 的即插即用。
SST可以转换、分配 这些来自不同子系统的电能，有些通过交流端口，有些通过直流端口。
SST 将电网侧的参数（电压、频率）与 DRER DESD 侧分开，这是 FREEDM 系统一个非常重要的能力，加强了系统的稳定性。
接下来就是技术细节了，此处省略。
4 故障隔离设备 FID
故障隔离设备 FID + 软件 + 通信 = IFM 智能故障管理设备。
FID 用于快速隔离、重新配置故障设备，个人理解是 功率太大就跳闸。
接下来依旧是技术细节，月出也讲不清楚。
下一代 FID 依赖于大电流的 SiC 技术，与目前的硅基 FID 相比，损耗低得多 尺寸小得多。
5 FREEDM 的系统控制
FREEDM 有 4 层控制，如【图 12】。
| level | 描述 | 功能 |
|---|---|---|
| 1 | user-level | 部件的 接入 / 拔出 部件与 IEM 通信 部件通过电网 进行双向充放电 |
| 2 | SST-level | AC / DC 输出电压 的 regulation SST 的各种功能… |
| 3 | FREEDM-level | 能源分配 调度（IEM） 故障隔离 保护（IFM） 并网 / 孤岛模式的转换 【需要设计算法】 |
| 4 | 多个 FREEDM 的交互 | 暂不清楚，可能也是相似的优化 【需要设计算法】 |
本节重点关注 第三层 FREEDM-level，即 能源调度 + 故障管理，它是由 IEM IFM 节点的 DGI 软件实现的。
5.1 IEM 智能能源管理
IEM 负责实现时间不敏感的控制（时间敏感的底层控制 交给 SST）。
希望通过控制 IEM 连接的资源（DRER DESD 负载），实现能源的合理分配。
一般而言，这是个多目标优化问题，可以使用 Pareto 技术。
三个主要功能：
识别 + 整合 分布式资源（DRER DESD 负载）。
对于 一连接 就主动汇报自己情况（参数 + 控制方式）的设备，无需识别。
对于 不主动汇报（传统电网的）设备，我们需要通过它的行为 推断它是什么（听起来好难）。
通过控制本 IEM 连接的资源，进行电力 / 能源调度。
在特定期望下（如 尽可能利用可再生能源、尽可能利用存储、尽可能减小成本、尽可能满足高优先级负载），使用特定策略，在各个资源间分配能源。
比如，预测接下来能源不够用（比如有风暴），则尽量减少低优先级负载的能源消耗，同时多存储能源。
协调者（coordinator）agent 出现在动态 DGI 中，当通信网络拓扑变化是，具有更完整信息的新 coordinator 可以无缝占据主导地位。（月出并没看懂……）
基于共识算法的分布式控制。
意思可能是，考虑节点通信延迟、重复、错误、甚至恶意节点的情况下，达成控制的一致性（consistency，大家接收到同样的东西）。
5.2 IFM 智能故障隔离
IFM 也通过 IFM 节点内的 DGI 实现，功能大致为 找到故障 + 处理故障，如下：
智能故障识别 + 定位。
基于电流上升率（而非电流幅度）的故障检测，是 IFM 故障检测的主要方法。
智能故障协调 + Reclosing。
隔离故障，保护 FREEDM 系统，其中或许需要通信。
因为一些技术细节，传统的故障协调可能不 work。
6 分布式电网智能 DGI 的实现
FREEDM 的主要挑战，是希望 DGI 能够分布式管理电网。
【图 15】是 DGI 框架图，左侧是 hierarchical 的需求，右上是 DGI 的 扁平 拓扑 分布式 结构，右下是 DGI 需要的功能。
他们的实验 我没看懂。
7 conclusion
本文描述了 FREEDM，高效、高度分布式、可扩展、将现有电力系统和可再生发电结合。
基于这样的信念：避免能源危机的关键，不一定是可再生能源本身，而是 开发 使用 管理 大规模分布式可再生能源的 基础设施。
