基于分布式光伏發(fā)電的能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)研究

侯耀峰

（南京南瑞信息通信科技有限公司 江蘇省南京市 210000）

2015年9月國務(wù)院辦公廳正式發(fā)布《關(guān)于積極推進(jìn)"互聯(lián)網(wǎng)+"行動(dòng)的指導(dǎo)意見》，闡述了"互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源"的基本概念，描繪了推動(dòng)我國清潔能源行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展重大戰(zhàn)略以及路線圖。2016年3月國家發(fā)改委、國家能源局、工信部聯(lián)合正式發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)"互聯(lián)網(wǎng)+"智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，并明確提出我國要積極加快探索建設(shè)基于智能互聯(lián)網(wǎng)的低碳智慧生態(tài)能源靈活式電能交易平臺(tái)，支持在開展風(fēng)電、光伏、水電等領(lǐng)域智慧能源與智慧電力系統(tǒng)用戶之間的能源交易。意見稿中明確指出，在加快完善能源交易管理制度建設(shè)方面，逐步加快形成以再生能源、輔助性能源服務(wù)、新一代能源產(chǎn)品配額、虛擬貨幣和能源電子貨幣等產(chǎn)品作為交易目標(biāo)的系統(tǒng)多元化能源交易管理制度；通過分層建設(shè)架起促進(jìn)能量的傳統(tǒng)能源交易市場與傳統(tǒng)零售能量交易市場，基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架起促進(jìn)能量信息交易的能源電子信息商務(wù)平臺(tái)，鼓勵(lì)各種能量交易平臺(tái)之間的公平競爭，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、靈活和相對(duì)等的促進(jìn)能源交易資料信息共享與能量交易[1]。

1 能源互聯(lián)中的共享經(jīng)濟(jì)

能源互聯(lián)網(wǎng)是運(yùn)用信息通信技術(shù)，將分布式能量采集裝置，儲(chǔ)存裝置和各類負(fù)載等能源節(jié)點(diǎn)互聯(lián)起來,實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的交換與共享網(wǎng)絡(luò)。隨著新一代能源技術(shù)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)能源行業(yè)的結(jié)構(gòu)、市場環(huán)境和商業(yè)模式也在逐漸發(fā)生著變化，帶動(dòng)資金、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，形成集聚效應(yīng)，成為投資領(lǐng)域的新亮點(diǎn)[2]。

能源互聯(lián)網(wǎng)通過分布式能源數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可高效地收集、儲(chǔ)存和利用能耗微小的清潔能源。采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，提高能源的利用率，并為能源數(shù)據(jù)收集和共享提出新的方法和思路：首先，能源互聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)就地生產(chǎn)、消納能源，有效減少能源在遠(yuǎn)距離傳輸中所帶來的損耗；其次，能源互聯(lián)網(wǎng)具有雙向性，參與主體可能即是能源的制造商，也是能源的消費(fèi)者；最后，能源互聯(lián)網(wǎng)可接入穩(wěn)定性相對(duì)不好的清潔能源，實(shí)現(xiàn)了能源的高效綜合利用。

在住宅小區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)園區(qū)中，存在大量閑置可用于光伏發(fā)電的區(qū)域，善加利用，可架設(shè)無數(shù)的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)。運(yùn)用“虛擬電廠”(VirtualPowerPlant，VPP)模式，可將這些發(fā)電系統(tǒng)作為分布式電源，通過與儲(chǔ)能設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)的整合，并通過內(nèi)部先進(jìn)的無線通信和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將一定地區(qū)內(nèi)的分布式電源聚集起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種大規(guī)模、分散的小型分布式電源的有效管理，形成一個(gè)由多個(gè)小型光伏發(fā)電機(jī)組組成的柔性聚合發(fā)電工廠[3]。將分布式電源的運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)布到統(tǒng)一對(duì)外信息中，使分布式電源的所有者和用戶在電力市場中以能源制造商的身份與主網(wǎng)公司簽訂用電合約，進(jìn)行售電交易，使得配電網(wǎng)中大量的分布式電源利用更加高效，是能源市場上一種典型的“共享經(jīng)濟(jì)”表現(xiàn)。

基于“共享經(jīng)濟(jì)”的理念，提出“基于分布式光伏發(fā)電的能源互聯(lián)與交易平臺(tái)”解決方案，不以擁有發(fā)電設(shè)備為手段，不以壟斷能源供給為目的，收集能源并服務(wù)社會(huì)，是能源的集成者。最終的目標(biāo)是，人人能發(fā)電，人人能獲益。

2 平臺(tái)總體架構(gòu)

“基于分布式光伏發(fā)電的能源互聯(lián)與交易平臺(tái)”是一個(gè)典型的能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，也是一個(gè)信息-物理融合系統(tǒng)，其以分布式能源技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)兩個(gè)層面的關(guān)鍵技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)城市能源的分散匯流、集中并網(wǎng)、和結(jié)算交易。

平臺(tái)以單個(gè)大型園區(qū)為試點(diǎn)，用戶自建的太陽能板經(jīng)園區(qū)接入點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)上送，同時(shí)系統(tǒng)將記錄用戶的發(fā)電量，可隨時(shí)結(jié)算(如圖1)，達(dá)到“人人能發(fā)電，人人能獲益”的目標(biāo)。

該平臺(tái)以數(shù)據(jù)調(diào)用為依據(jù)，從下到上依次是分布式發(fā)電與并網(wǎng)系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測與運(yùn)維系統(tǒng)、能源結(jié)算與交易平臺(tái)、用戶應(yīng)用系統(tǒng)，以及貫穿于整個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析與服務(wù)平臺(tái)。邏輯架構(gòu)如圖2 所示。

平臺(tái)各層次面向的對(duì)象和功能簡述如下：

2.1 分布式發(fā)電與并網(wǎng)系統(tǒng)

分布式發(fā)電與并網(wǎng)系統(tǒng)是整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)層，主要是各種分布式發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、逆變?cè)O(shè)備，以及用于采集數(shù)據(jù)的傳感設(shè)備，負(fù)責(zé)發(fā)電、并網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集。

2.2 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)通過對(duì)采集到相關(guān)電氣數(shù)據(jù)，進(jìn)行邏輯處理和運(yùn)算，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)得出控制策略，指導(dǎo)人工對(duì)各種電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)和控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)的電源、儲(chǔ)能、負(fù)載的動(dòng)態(tài)控制，以此有效地保證微電網(wǎng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測與運(yùn)維系統(tǒng)

實(shí)時(shí)監(jiān)測與運(yùn)維系統(tǒng)將采集的電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的可視化展示，為運(yùn)維人員提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、易懂的展示平臺(tái)。

2.4 能源結(jié)算與交易平臺(tái)

能源結(jié)算與交易平臺(tái)面向平臺(tái)的終端用戶和運(yùn)營人員，實(shí)現(xiàn)電量的互聯(lián)共享，提供電量托管、交易委托等增值服務(wù)。

2.5 用戶應(yīng)用系統(tǒng)

用戶應(yīng)用系統(tǒng)面向平臺(tái)終端用戶，以移動(dòng)應(yīng)用的方式實(shí)現(xiàn)用戶可隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)監(jiān)測到自家的發(fā)電情況，以及并網(wǎng)售電的收益。

2.6 數(shù)據(jù)分析與服務(wù)平臺(tái)

數(shù)據(jù)分析與服務(wù)平臺(tái)面向平臺(tái)運(yùn)營管理人員和政企單位，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域數(shù)據(jù)的融合，提升能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)測的時(shí)效性和準(zhǔn)確度。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于SOA的能源數(shù)據(jù)集成與交換技術(shù)

圖1：系統(tǒng)概念模型圖

能源數(shù)據(jù)的集成和交換是一種實(shí)現(xiàn)異構(gòu)能源體系之間信息透明化交換的解決途徑。搭建一個(gè)能源數(shù)據(jù)交換的平臺(tái)，制定一套統(tǒng)一的能源數(shù)據(jù)交換協(xié)議,各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和能源數(shù)據(jù)交換的平臺(tái)互相連接,通過這些能源數(shù)據(jù)交換的平臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來直接實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的路由和信息共享。該解決方案隔離了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理層和用戶應(yīng)用管理層，應(yīng)用系統(tǒng)與底層的數(shù)據(jù)架構(gòu)和存儲(chǔ)模式完全無關(guān)，保留其業(yè)務(wù)流程,無需對(duì)其原有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行大量的改造。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫銜接和共享，提升了各個(gè)源端接入平臺(tái)的協(xié)同效率，降低了耦合度，提升了獨(dú)立性，從而在整體上可以大大提高平臺(tái)的正常運(yùn)行效率與安全。

能源數(shù)據(jù)交換平臺(tái)主要由信息標(biāo)準(zhǔn)、消息服務(wù)能力和數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)組成。信息標(biāo)準(zhǔn)包括元語言標(biāo)準(zhǔn)、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、顯示標(biāo)準(zhǔn)、解析、轉(zhuǎn)換和封裝等標(biāo)準(zhǔn)。消息服務(wù)能力實(shí)現(xiàn)信息的統(tǒng)一對(duì)外接口和訪問地址。數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)通過消息隊(duì)列服務(wù)器實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)交換。見圖3。

能源數(shù)據(jù)交換平臺(tái)各模塊的協(xié)同工作過程如下：

數(shù)據(jù)交換接口：負(fù)責(zé)定義交換對(duì)象、數(shù)據(jù)源和觸發(fā)機(jī)制。

數(shù)據(jù)交換適配器：平臺(tái)提供多種數(shù)據(jù)接入方式，包括：WebService、結(jié)構(gòu)化文件等，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)源端系統(tǒng)，配置數(shù)據(jù)接入適配器，平臺(tái)也可擴(kuò)展所需的數(shù)據(jù)適配器。

數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)：定義數(shù)據(jù)元和數(shù)據(jù)字典，形成數(shù)據(jù)交換目錄。

數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)管理：對(duì)數(shù)據(jù)交換后的用戶權(quán)限信息進(jìn)行配置，描述各個(gè)用戶與其他用戶群、賬號(hào)組織的帳戶屬性，定義各個(gè)角色和操作權(quán)限，對(duì)每一個(gè)用戶都進(jìn)行授權(quán)。

圖3：基于SOA 的能源數(shù)據(jù)集成與交換

數(shù)據(jù)交換處理管道：根據(jù)處理來自源用戶數(shù)據(jù)和來自目標(biāo)用戶數(shù)據(jù)或者相關(guān)物的不同數(shù)據(jù)項(xiàng)，以及不同應(yīng)用類型的數(shù)據(jù)用戶對(duì)各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行各種交換處理的不同要求，以靈活地自行配置一個(gè)數(shù)據(jù)管道項(xiàng)或插件的操作形式對(duì)各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行交換處理，如數(shù)據(jù)項(xiàng)的處理合并、拆分、格式化的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)項(xiàng)的過濾、安全數(shù)據(jù)加密等。

數(shù)據(jù)交換管理：負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

數(shù)據(jù)交換任務(wù)調(diào)度管理：根據(jù)不同類型和種類的用戶對(duì)于數(shù)據(jù)交換模型的需求，配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換服務(wù)參數(shù)，如發(fā)起方式、時(shí)間、頻率等。

通過以上各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同執(zhí)行，數(shù)據(jù)交換平臺(tái)即可根據(jù)預(yù)先配置好的數(shù)據(jù)交換任務(wù)，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.2 基于多微網(wǎng)的電能質(zhì)量控制技術(shù)

含有分布式發(fā)電系統(tǒng)及負(fù)載的微電網(wǎng)在與配電網(wǎng)進(jìn)行功率交換時(shí)將引起配電網(wǎng)的相關(guān)電能質(zhì)量問題，主要是電壓三相不平衡、諧波和電壓跌落等。

微電網(wǎng)通常作為單相-三相混合的復(fù)雜供電系統(tǒng)存在，普遍采用三相四線制的供電方式，微電網(wǎng)本身容量相對(duì)較小且突顯出弱電網(wǎng)的特點(diǎn)，微電網(wǎng)的電壓等級(jí)低，網(wǎng)內(nèi)的微電源及負(fù)荷的種類多，單相微電源將嚴(yán)重加劇電網(wǎng)的三相不平衡[4]。在負(fù)載非線性、不平衡突變等情況的影響下，微電網(wǎng)內(nèi)可能出現(xiàn)電壓、電流諧波、三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)跌落等電能質(zhì)量問題，尤其微電網(wǎng)與配電網(wǎng)公共聯(lián)接點(diǎn)(Pointofcommon coupling，PCC)的電能質(zhì)量問題，除影響微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行外還會(huì)對(duì)配電網(wǎng)帶來影響。

此外，光伏發(fā)電由于受天氣環(huán)境等因素影響產(chǎn)生的功率波動(dòng)也會(huì)影響微電網(wǎng)的電能質(zhì)量，特別是對(duì)PCC 點(diǎn)電壓、頻率的穩(wěn)定性影響。盡管可以采取加裝有源電力濾波器（Active power filter， APF）等措施，但微電網(wǎng)向配電網(wǎng)輸出功率時(shí)電流諧波仍可能會(huì)注入到配電網(wǎng)，從而加劇諧波污染，隨著微電網(wǎng)滲透率的提高，配電系統(tǒng)的諧波水平也將上升。

當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)存在不平衡或非線性負(fù)載，或其他類型負(fù)載波動(dòng)時(shí)，由于線路上存在阻抗，致使負(fù)載各相電壓不平衡或波動(dòng)，從而引起配電網(wǎng)電壓質(zhì)量問題。微電網(wǎng)與配電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，配電網(wǎng)中電壓的跌落、驟升、不平衡、諧波等擾動(dòng)可能會(huì)傳導(dǎo)到微電網(wǎng)，影響微電網(wǎng)內(nèi)部敏感負(fù)荷供電可靠性和電能質(zhì)量，導(dǎo)致微電網(wǎng)內(nèi)微電源的電壓和功率波動(dòng)，影響微電網(wǎng)的正常并網(wǎng)運(yùn)行，較高的配電網(wǎng)電壓諧波不僅影響微電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，甚至造成微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行失敗。對(duì)注入PCC 處的諧波電流值、引起的PCC 電壓變化和諧波電壓值相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均有明確規(guī)定，因此在微電網(wǎng)與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保證接入系統(tǒng)的電能質(zhì)量[5]。

為解決微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的交互影響，平臺(tái)采用串-并聯(lián)和串聯(lián)兩種方式接入在PCC 處連接微電網(wǎng)與配電網(wǎng)，在保持原有微電源性能提供短時(shí)功率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量控制，改善微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題。串-并聯(lián)接入控制目標(biāo)主要是抑制配電網(wǎng)側(cè)電壓跌落、不平衡、諧波畸變，以及微電網(wǎng)中功率波動(dòng)、電流諧波和不平衡等引起的微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的電能質(zhì)量問題交互影響，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量控制。在電壓跌落(暫升)時(shí)最大限度保持微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，保證微電網(wǎng)重要負(fù)荷可靠工作。

3.3 基于多智能體的自適應(yīng)逆變技術(shù)

在并網(wǎng)接入點(diǎn)中采用能源集成方式進(jìn)行分布式電源的組織，逆變器的輸入功率方面難以進(jìn)行有效的預(yù)先估計(jì)，當(dāng)輸入功率超出額定值時(shí)，需要適時(shí)改變逆變器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用自適應(yīng)控制的方式自動(dòng)調(diào)整功率分配。該模式下逆變器可根據(jù)自身的功率自動(dòng)調(diào)整，當(dāng)逆變器輸出功率小于或超過其額定功率時(shí)，可自主調(diào)節(jié)自身的功率權(quán)重系數(shù)，并將調(diào)節(jié)后的功率權(quán)重系數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給其他逆變器，逆變器之間自主協(xié)調(diào)，使本身所分配的功率發(fā)生變化，繼續(xù)高效率運(yùn)行。即使某臺(tái)逆變器的通訊模塊或其本身發(fā)生故障，其余逆變器也可以根據(jù)檢測到的功率進(jìn)行自主調(diào)節(jié)[6]。

3.4 基于“虛擬電廠”模式的并網(wǎng)技術(shù)

平臺(tái)以“虛擬電廠”VPP 方式運(yùn)行，VPP 主要通過其內(nèi)部的控制中心，利用互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)對(duì)分布式電源進(jìn)行聚集控制，使其運(yùn)行具有柔性特征，且VPP在分布廣泛的區(qū)域內(nèi)整合大量的電源出力，通過多個(gè)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)與電網(wǎng)相連。VPP 與電網(wǎng)解列時(shí)，一般不能成為封閉系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，且一直與主網(wǎng)進(jìn)行能量流、信息流、貨幣流的交換，表現(xiàn)出開放系統(tǒng)的特征。此外，VPP 通過中低壓配電網(wǎng)接入主干網(wǎng)，而且內(nèi)部也存在配電網(wǎng)絡(luò)，因此配電網(wǎng)在邊界節(jié)點(diǎn)通過電壓、頻率、電價(jià)、網(wǎng)損等信息影響著VPP 內(nèi)部的運(yùn)行方式[3]。

4 結(jié)語

當(dāng)前移動(dòng)通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在飛速的發(fā)展，分布式能源互聯(lián)網(wǎng)將會(huì)有廣闊的發(fā)展空間，分布式能源的利用也將更加高效。本文在成熟的信息通信技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)典型特征和應(yīng)用場景，對(duì)基于分布式光伏發(fā)電的能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)做了初步的分析與研究，并提出了平臺(tái)的設(shè)計(jì)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，從理論上分析了平臺(tái)建設(shè)的可行性。隨著分布式能源的推廣應(yīng)用，可逐漸實(shí)現(xiàn)對(duì)智能化分布式能源推廣好的社區(qū)開展試點(diǎn)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“低碳社區(qū)”，再延拓到“低碳園區(qū)”、“低碳城鎮(zhèn)”，這樣區(qū)域性的能源互聯(lián)網(wǎng)就可涵蓋億萬民眾生活、工作的各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)億萬人的能源互聯(lián)和共享。