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分布式光伏發(fā)電主要服務(wù)于戶用和工業(yè)廠房，本質(zhì)上每個發(fā)電用戶都是一座小型電站，目前普遍采用并網(wǎng)的方式由國家電網(wǎng)來完成電力的統(tǒng)一調(diào)配，但存在不能實(shí)時計算輸電路由、不能控制電量調(diào)配和電力傳輸距離、傳輸損耗大等問題。

本文提出了分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方案，重點(diǎn)對能源路由器進(jìn)行了研究和設(shè)計，通過連接分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)電力能源點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，利用云能源運(yùn)算中心來進(jìn)行統(tǒng)一運(yùn)算及智能調(diào)度，可以對電力能源進(jìn)行統(tǒng)一管理、監(jiān)控、輸電、計費(fèi)，實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)電力能源互聯(lián)、互通和共享。

隨著化石能源的枯竭和環(huán)境不斷變化，我國分布式光伏發(fā)電體系已經(jīng)建立，目前主要通過國家補(bǔ)貼方式來維持運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)與國家電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電、光伏個體自發(fā)自用和余電上網(wǎng)的運(yùn)營模式。國家發(fā)改委、財政部、能源局三部門在2018年5月31日聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于2018年光伏發(fā)電有關(guān)事項(xiàng)的通知》（下面簡稱“新政”）。新政通過嚴(yán)控光伏新建規(guī)模、下調(diào)補(bǔ)貼等舉措，給近年來高速發(fā)展的光伏行業(yè)“降速”。

新政為光伏能源的發(fā)展指明了方向：鼓勵光伏發(fā)電與用戶的直接電力交易，有效降低交易費(fèi)用，繼續(xù)推進(jìn)新能源、微電網(wǎng)等有利于分布式光伏發(fā)展的新業(yè)態(tài)和新模式，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

目前，分布式光伏發(fā)電主要服務(wù)于戶用或工業(yè)廠房，每個個體本質(zhì)上都是一座小型電站，與傳統(tǒng)的光伏電站建設(shè)相比，在資金的投入和維護(hù)成本上都要低很多。但是目前普遍采用的并網(wǎng)方式是由國家電網(wǎng)來完成電力輸送的任務(wù)，輸電的主體由中間節(jié)點(diǎn)來控制，不能實(shí)時地計算輸電路由和及時進(jìn)行電量調(diào)配，不能控制電力傳輸距離，傳輸損耗也大。

“能源互聯(lián)網(wǎng)”概念是2011年由美國著名學(xué)者杰里米?里夫金在其著作《第三次工業(yè)革命》中首次提出的，未來的能源體系是可再生能源+互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的能源共享網(wǎng)絡(luò)。能源互聯(lián)網(wǎng)在能源接入、能源控制和能源傳輸?shù)确矫婷媾R諸多問題和挑戰(zhàn)，但互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為能源互聯(lián)網(wǎng)指明了技術(shù)方向，因此，借鑒互聯(lián)網(wǎng)路由設(shè)計理念來打下能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，通過設(shè)計各級別的“能源路由器（Energy Router, ER）”來對電力能源和數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度及其控制，已成為目前業(yè)界可行的設(shè)計方案。

1  分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)解決方案設(shè)計

1.1  分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已趨于成熟，其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)不同地域的信息和資源共享。提出能源互聯(lián)網(wǎng)的初衷在于實(shí)現(xiàn)能源的高效傳輸、共享和利用，為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供堅實(shí)的能源基礎(chǔ)設(shè)施。因此，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展模式對分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有參考意義。

分布式光伏電力能源在每時每刻的發(fā)電量和電能質(zhì)量都會存在變化。每節(jié)點(diǎn)的用戶實(shí)際對電能需求不一樣，在設(shè)計時會優(yōu)先考慮發(fā)電的自用，然后才會對多余的電進(jìn)行傳輸和轉(zhuǎn)換[9]，所以需要通過構(gòu)建能源路由器來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)發(fā)電、用電、余電的監(jiān)測、調(diào)配和傳輸。分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)總體拓?fù)淙鐖D1所示。


圖1  分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)總體拓?fù)鋱D

分布式光伏能源使用太陽能來進(jìn)行發(fā)電，各節(jié)點(diǎn)被連接在能源路由器上，在多個能源路由器之間進(jìn)行互聯(lián)，以構(gòu)成區(qū)域輸電網(wǎng)絡(luò)，而區(qū)域輸電網(wǎng)絡(luò)再與能源廣域網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，在云端能源廣域網(wǎng)可以對電網(wǎng)群進(jìn)行電力數(shù)據(jù)的監(jiān)測和管理分配，輸電控制由能源路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，路由也由能源路由器建立，通過移動終端讓用戶通過移動網(wǎng)絡(luò)與能源運(yùn)算中心進(jìn)行交互，實(shí)時獲取數(shù)據(jù)，也可以將交互信息發(fā)送到能源運(yùn)算中心。

1）能源廣域網(wǎng)。主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器群、數(shù)據(jù)存儲區(qū)、能源運(yùn)算中心、服務(wù)器、廣域網(wǎng)能源路由器群等構(gòu)成。通信服務(wù)器接收各節(jié)點(diǎn)信息并發(fā)往數(shù)據(jù)中心，運(yùn)算中心負(fù)責(zé)將接收的指令進(jìn)行分析、判斷、篩選并向下發(fā)送指令，數(shù)據(jù)存儲區(qū)存儲發(fā)電數(shù)據(jù)供用戶查詢，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)與能源運(yùn)算中心進(jìn)行信息交互，生成動態(tài)的實(shí)時數(shù)據(jù)。

2）分布式光伏電網(wǎng)群。即戶用、工業(yè)分布式能源節(jié)點(diǎn)，由現(xiàn)有房屋、光伏發(fā)電板、蓄電池和能源路由模塊所構(gòu)成的光伏房屋電網(wǎng)群，光伏所發(fā)電存至儲能設(shè)備，能源路由模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測實(shí)時發(fā)電、用電、余電，將數(shù)據(jù)發(fā)至云端并控制各節(jié)點(diǎn)輸電線路開關(guān)，建立輸電路由進(jìn)行電力能源轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2  能源路由器設(shè)計

光伏發(fā)電組件、用電負(fù)載設(shè)備、逆變器等均被接入能源路由器中，能源路由器可以服務(wù)單節(jié)點(diǎn)，也可以服務(wù)于多節(jié)點(diǎn)，與區(qū)域中其他能源路由器通過線路進(jìn)行互聯(lián)，構(gòu)成區(qū)域局域網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點(diǎn)均有發(fā)電和用電監(jiān)測傳感器，若節(jié)點(diǎn)用電自給自足，即節(jié)點(diǎn)發(fā)電大于負(fù)載用電，則電量富余；若節(jié)點(diǎn)發(fā)電小于負(fù)載用電，則缺電，需要電力富余的節(jié)點(diǎn)輸電補(bǔ)充。只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)電量有富余時，能源路由器才將余電輸送至其他缺電節(jié)點(diǎn)。多節(jié)點(diǎn)能源路由器的仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2  多節(jié)點(diǎn)能源路由器的仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2中顯示的是4節(jié)點(diǎn)能源路由器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，外部連接光伏組件、負(fù)載、通信網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部主要由網(wǎng)絡(luò)模塊、主控模塊、電路控制模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、供電模塊構(gòu)成，詳述如下。

1）網(wǎng)絡(luò)模塊。服務(wù)器與硬件通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊連接流通數(shù)據(jù)，服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議（intellectual property, IP）數(shù)據(jù)報文發(fā)送到以太網(wǎng)通信串口模塊中，以太網(wǎng)串口將傳入數(shù)據(jù)與RS 232信號轉(zhuǎn)換。模塊內(nèi)部封裝了TCP/IP協(xié)議，可正常實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，也可以增加4G、WiFi模塊用于連接無線網(wǎng)絡(luò)。
2）主控模塊。使用嵌入式CPU芯片作為硬件控制核心，通常為ARM結(jié)構(gòu)，曾稱進(jìn)階精簡指令集機(jī)器（advanced RISC machines, ARM），是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)路由器數(shù)據(jù)處理和軟硬件的控制功能。
3）電力控制模塊?？梢赃x用固態(tài)繼電器、電子開關(guān)等，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間電路的通斷以及電力的流通。
4）數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊。負(fù)責(zé)監(jiān)測每個節(jié)點(diǎn)實(shí)時的發(fā)電和用電數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，將數(shù)據(jù)上傳到能源運(yùn)算中心。
5）供電模塊。指提供能源路由器基礎(chǔ)的硬件供電，保證路由器硬件的正常運(yùn)作。
6）指令集設(shè)計。能源路由器控制部分的指令集設(shè)計示例見表1。


表1  能源路由器控制部分的指令集設(shè)計示例

1.3  電力流向控制（略）

通過基爾霍夫定律施行高低壓電流導(dǎo)向傳輸方案，當(dāng)存在富余電量和缺電時，余電可按需多向傳輸，保持就地給電、取電的動態(tài)平衡。

1.4  能源路由表的構(gòu)建及路徑選擇

迪杰斯特拉（Dijkstra）算法主要用來解決最短路徑的問題，通過按路徑長度遞增的次序產(chǎn)生最短路徑。最短路徑計算公式為D[j]=Min{D[i]|vi∈V}  （4）

式中，引入一個輔助向量D，它的每個分量D[i]表示當(dāng)前找到的從始點(diǎn)v到每個終點(diǎn)vi的最短路徑的長度。它的初態(tài)為：若從v到vi有弧，則D[i]為弧上的權(quán)值；否則置D[i]為∞。

1）能源路由表的構(gòu)建方法

能源路由器使用Dijkstra最短路徑算法來計算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到其他各節(jié)點(diǎn)間最短路徑，以便實(shí)現(xiàn)近距離的電力輸送，提高輸電效率。能源路由表的構(gòu)建方法如下：

（1）路由設(shè)備初始化起動時，此時只有自身一個節(jié)點(diǎn)。
（2）路由通過通信通道，確認(rèn)在物理上與之直連的節(jié)點(diǎn)值ID。當(dāng)能源路由器開始工作時，會發(fā)送報文至其他節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)接收到信息都會返回自身ID及其他相關(guān)信息。
（3）確認(rèn)每個節(jié)點(diǎn)返回信息的時間及節(jié)點(diǎn)經(jīng)過的跳數(shù)（每個接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)返回一個應(yīng)答分組報文。將路徑往返時間折半計算，計算時延），獲得最終穩(wěn)定路由表。
（4）動態(tài)更新。節(jié)點(diǎn)每隔一段時間發(fā)送更新報文，同時接收其他節(jié)點(diǎn)的實(shí)時信息，報文中攜帶路由表信息，節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收的路由表信息更新路由表，通過路由表的動態(tài)更新可得知區(qū)域網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的變化，如：節(jié)點(diǎn)增加或減少。

能源路由表的構(gòu)建示例見表2。如表2所示，節(jié)點(diǎn)標(biāo)志字段分為以下兩種類型。


表2  能源路由表的構(gòu)建示例

（1）U：該路由可以使用。
（2）G：該路由是到一個節(jié)點(diǎn)。如果沒有設(shè)置該標(biāo)志，就說明目的地是直接相連的；由它區(qū)分了間接路由和直接路由（直連的節(jié)點(diǎn)不需要設(shè)置標(biāo)志G）。

2）能源路由表的路徑選擇

能源路由器通過節(jié)點(diǎn)生成能源路由表，從而明確了網(wǎng)絡(luò)中路由器的位置以及它們之間的鏈接關(guān)系。在路由表中計算每個節(jié)點(diǎn)跳數(shù)和通往其他節(jié)點(diǎn)所需的時長，來指導(dǎo)電力轉(zhuǎn)發(fā)路徑的選擇。

當(dāng)光伏節(jié)點(diǎn)在供電自發(fā)自用的基礎(chǔ)上仍有富余電能時，此時能源路由器接收服務(wù)器指令，導(dǎo)通對應(yīng)輸電點(diǎn)，將電量從余電點(diǎn)抽調(diào)到缺電點(diǎn)，A到D之間若最近線路被占用或被棄用，則根據(jù)路由所建立的路由表，將自動劃分最優(yōu)化的輸電路徑來導(dǎo)通電力傳輸點(diǎn)。

根據(jù)有效路徑路由算法策略（efficient path strategy, EPS），可將能源路由傳輸點(diǎn)i與能源路由目的點(diǎn)j之間的可能傳輸路徑定義為P(i→j)?i≡x0,x1,…,x(n?1), xn≡j   （5）

式（5）結(jié)合路由表中的路由跳數(shù)和傳輸時間等因素，選擇最佳的傳輸路徑進(jìn)行能源的輸送，以動態(tài)調(diào)整輸電線路。

2  實(shí)驗(yàn)仿真測試與分析（略）


圖3  實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析，當(dāng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部用電量高于節(jié)點(diǎn)發(fā)電量時，可通過能源運(yùn)算中心發(fā)送輸電指令，能源路由器通過路由表和路由算法將其余節(jié)點(diǎn)余電送至缺電節(jié)點(diǎn)，使各節(jié)點(diǎn)負(fù)載能夠正常運(yùn)作，并記錄詳細(xì)輸電電量，完成電力能源的互聯(lián)共享，保證區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的用電。

總結(jié)
構(gòu)建分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒎稚⒌碾娏δ茉催M(jìn)行綜合利用和共享，分布式光伏發(fā)電中的能源管理、能源分配、能源傳輸?shù)葐栴}是需解決的主要問題。本文借助互聯(lián)網(wǎng)成功的經(jīng)驗(yàn)，提出了分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，重點(diǎn)對分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的核心能源路由器進(jìn)行了研究和設(shè)計，并在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行了仿真測試。經(jīng)過測試證明，所設(shè)計的能源路由器模型能夠完成電力能源的尋址和轉(zhuǎn)發(fā)。