基于分布式光伏發電的能源互聯網平臺研究

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月國務院辦公廳正式發布《關于積極推進"互聯網+"行動的指導意見》，闡述了"互聯網+智慧能源"的基本概念，描繪了推動我國清潔能源行業互聯網的未來發展重大戰略以及路線圖。2016年3月國家發改委、國家能源局、工信部聯合正式發布《關于推進"互聯網+"智慧能源發展的指導意見》，并明確提出我國要積極加快探索建設基于智能互聯網的低碳智慧生態能源靈活式電能交易平臺，支持在開展風電、光伏、水電等領域智慧能源與智慧電力系統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方面，逐步加快形成以再生能源、輔助性能源服務、新一代能源產品配額、虛擬貨幣和能源電子貨幣等產品作為交易目標的系統多元化能源交易管理制度；通過分層建設架起促進能量的傳統能源交易市場與傳統零售能量交易市場，基于移動互聯網技術架起促進能量信息交易的能源電子信息商務平臺，鼓勵各種能量交易平臺之間的公平競爭，實現隨時、靈活和相對等的促進能源交易資料信息共享與能量交易[1]。

1 能源互聯中的共享經濟

能源互聯網是運用信息通信技術，將分布式能量采集裝置，儲存裝置和各類負載等能源節點互聯起來,實現能量雙向流動的交換與共享網絡。隨著新一代能源技術與移動互聯網、大數據等新興技術的發展，傳統能源行業的結構、市場環境和商業模式也在逐漸發生著變化，帶動資金、技術和產業，形成集聚效應，成為投資領域的新亮點[2]。

能源互聯網通過分布式能源數據采集技術，可高效地收集、儲存和利用能耗微小的清潔能源。采用互聯網技術進行統一調度，提高能源的利用率，并為能源數據收集和共享提出新的方法和思路：首先，能源互聯網將實現就地生產、消納能源，有效減少能源在遠距離傳輸中所帶來的損耗；其次，能源互聯網具有雙向性，參與主體可能即是能源的制造商，也是能源的消費者；最后，能源互聯網可接入穩定性相對不好的清潔能源，實現了能源的高效綜合利用。

在住宅小區、商業區、工業園區中，存在大量閑置可用于光伏發電的區域，善加利用，可架設無數的小型光伏發電系統。運用“虛擬電廠”(VirtualPowerPlant，VPP)模式，可將這些發電系統作為分布式電源，通過與儲能設備、通訊網絡的整合，并通過內部先進的無線通信和控制系統結構，將一定地區內的分布式電源聚集起來，實現對各種大規模、分散的小型分布式電源的有效管理，形成一個由多個小型光伏發電機組組成的柔性聚合發電工廠[3]。將分布式電源的運行數據發布到統一對外信息中，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公司簽訂用電合約，進行售電交易，使得配電網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“共享經濟”表現。

基于“共享經濟”的理念，提出“基于分布式光伏發電的能源互聯與交易平臺”解決方案，不以擁有發電設備為手段，不以壟斷能源供給為目的，收集能源并服務社會，是能源的集成者。最終的目標是，人人能發電，人人能獲益。

2 平臺總體架構

“基于分布式光伏發電的能源互聯與交易平臺”是一個典型的能源互聯網應用，也是一個信息-物理融合系統，其以分布式能源技術和信息網絡前沿技術兩個層面的關鍵技術為支撐，實現城市能源的分散匯流、集中并網、和結算交易。

平臺以單個大型園區為試點，用戶自建的太陽能板經園區接入點可實現并網上送，同時系統將記錄用戶的發電量，可隨時結算(如圖1)，達到“人人能發電，人人能獲益”的目標。

該平臺以數據調用為依據，從下到上依次是分布式發電與并網系統、中央控制系統、實時監測與運維系統、能源結算與交易平臺、用戶應用系統，以及貫穿于整個平臺的數據分析與服務平臺。邏輯架構如圖2 所示。

平臺各層次面向的對象和功能簡述如下：

2.1 分布式發電與并網系統

分布式發電與并網系統是整個平臺的基礎層，主要是各種分布式發電設備、儲能設備、逆變設備，以及用于采集數據的傳感設備，負責發電、并網和數據采集。

2.2 中央控制系統

中央控制系統通過對采集到相關電氣數據，進行邏輯處理和運算，應用大數據分析技術得出控制策略，指導人工對各種電網設備進行智能化調節和控制，從而實現對微電網的電源、儲能、負載的動態控制，以此有效地保證微電網安全、穩定地運行。

2.3 實時監測與運維系統

實時監測與運維系統將采集的電氣數據進行實時的可視化展示，為運維人員提供準確、實時、易懂的展示平臺。

2.4 能源結算與交易平臺

能源結算與交易平臺面向平臺的終端用戶和運營人員，實現電量的互聯共享，提供電量托管、交易委托等增值服務。

2.5 用戶應用系統

用戶應用系統面向平臺終端用戶，以移動應用的方式實現用戶可隨時隨地實時監測到自家的發電情況，以及并網售電的收益。

2.6 數據分析與服務平臺

數據分析與服務平臺面向平臺運營管理人員和政企單位，實現多領域數據的融合，提升能源數據統計、分析、預測的時效性和準確度。

3 系統關鍵技術

3.1 基于SOA的能源數據集成與交換技術

圖1：系統概念模型圖

能源數據的集成和交換是一種實現異構能源體系之間信息透明化交換的解決途徑。搭建一個能源數據交換的平臺，制定一套統一的能源數據交換協議,各種異構網絡系統和能源數據交換的平臺互相連接,通過這些能源數據交換的平臺互聯網絡來直接實現能源數據的路由和信息共享。該解決方案隔離了數據存儲管理層和用戶應用管理層，應用系統與底層的數據架構和存儲模式完全無關，保留其業務流程,無需對其原有的業務系統進行大量的改造。實現數據的無縫銜接和共享，提升了各個源端接入平臺的協同效率，降低了耦合度，提升了獨立性，從而在整體上可以大大提高平臺的正常運行效率與安全。

能源數據交換平臺主要由信息標準、消息服務能力和數據交換系統組成。信息標準包括元語言標準、元數據標準、顯示標準、解析、轉換和封裝等標準。消息服務能力實現信息的統一對外接口和訪問地址。數據交換系統通過消息隊列服務器實現分布式數據交換。見圖3。

能源數據交換平臺各模塊的協同工作過程如下：

數據交換接口：負責定義交換對象、數據源和觸發機制。

數據交換適配器：平臺提供多種數據接入方式，包括：WebService、結構化文件等，根據不同的數據源端系統，配置數據接入適配器，平臺也可擴展所需的數據適配器。

數據交換標準：定義數據元和數據字典，形成數據交換目錄。

數據交換系統管理：對數據交換后的用戶權限信息進行配置，描述各個用戶與其他用戶群、賬號組織的帳戶屬性，定義各個角色和操作權限，對每一個用戶都進行授權。

圖3：基于SOA 的能源數據集成與交換

數據交換處理管道：根據處理來自源用戶數據和來自目標用戶數據或者相關物的不同數據項，以及不同應用類型的數據用戶對各種數據信息進行各種交換處理的不同要求，以靈活地自行配置一個數據管道項或插件的操作形式對各種數據信息進行交換處理，如數據項的處理合并、拆分、格式化的轉換、數據項的過濾、安全數據加密等。

數據交換管理：負責協調各子系統協同工作，實現數據交換。

數據交換任務調度管理：根據不同類型和種類的用戶對于數據交換模型的需求，配置相應的數據交換服務參數，如發起方式、時間、頻率等。

通過以上各個子系統的協同執行，數據交換平臺即可根據預先配置好的數據交換任務，自動進行數據交換。

3.2 基于多微網的電能質量控制技術

含有分布式發電系統及負載的微電網在與配電網進行功率交換時將引起配電網的相關電能質量問題，主要是電壓三相不平衡、諧波和電壓跌落等。

微電網通常作為單相-三相混合的復雜供電系統存在，普遍采用三相四線制的供電方式，微電網本身容量相對較小且突顯出弱電網的特點，微電網的電壓等級低，網內的微電源及負荷的種類多，單相微電源將嚴重加劇電網的三相不平衡[4]。在負載非線性、不平衡突變等情況的影響下，微電網內可能出現電壓、電流諧波、三相電壓不平衡、電壓波動跌落等電能質量問題，尤其微電網與配電網公共聯接點(Pointofcommon coupling，PCC)的電能質量問題，除影響微電網的穩定運行外還會對配電網帶來影響。

此外，光伏發電由于受天氣環境等因素影響產生的功率波動也會影響微電網的電能質量，特別是對PCC 點電壓、頻率的穩定性影響。盡管可以采取加裝有源電力濾波器（Active power filter， APF）等措施，但微電網向配電網輸出功率時電流諧波仍可能會注入到配電網，從而加劇諧波污染，隨著微電網滲透率的提高，配電系統的諧波水平也將上升。

當配電網內存在不平衡或非線性負載，或其他類型負載波動時，由于線路上存在阻抗，致使負載各相電壓不平衡或波動，從而引起配電網電壓質量問題。微電網與配電網并網時，配電網中電壓的跌落、驟升、不平衡、諧波等擾動可能會傳導到微電網，影響微電網內部敏感負荷供電可靠性和電能質量，導致微電網內微電源的電壓和功率波動，影響微電網的正常并網運行，較高的配電網電壓諧波不僅影響微電網的電壓質量，甚至造成微電網并網運行失敗。對注入PCC 處的諧波電流值、引起的PCC 電壓變化和諧波電壓值相關標準均有明確規定，因此在微電網與配電網并網運行時，應保證接入系統的電能質量[5]。

為解決微電網與配電網的交互影響，平臺采用串-并聯和串聯兩種方式接入在PCC 處連接微電網與配電網，在保持原有微電源性能提供短時功率的基礎上，實現電能質量控制，改善微電網中的電能質量問題。串-并聯接入控制目標主要是抑制配電網側電壓跌落、不平衡、諧波畸變，以及微電網中功率波動、電流諧波和不平衡等引起的微電網與配電網之間的電能質量問題交互影響，實現電能質量控制。在電壓跌落(暫升)時最大限度保持微電網并網運行，保證微電網重要負荷可靠工作。

3.3 基于多智能體的自適應逆變技術

在并網接入點中采用能源集成方式進行分布式電源的組織，逆變器的輸入功率方面難以進行有效的預先估計，當輸入功率超出額定值時，需要適時改變逆變器的并聯結構，采用自適應控制的方式自動調整功率分配。該模式下逆變器可根據自身的功率自動調整，當逆變器輸出功率小于或超過其額定功率時，可自主調節自身的功率權重系數，并將調節后的功率權重系數通過網絡發送給其他逆變器，逆變器之間自主協調，使本身所分配的功率發生變化，繼續高效率運行。即使某臺逆變器的通訊模塊或其本身發生故障，其余逆變器也可以根據檢測到的功率進行自主調節[6]。

3.4 基于“虛擬電廠”模式的并網技術

平臺以“虛擬電廠”VPP 方式運行，VPP 主要通過其內部的控制中心，利用互聯網通信技術對分布式電源進行聚集控制，使其運行具有柔性特征，且VPP在分布廣泛的區域內整合大量的電源出力，通過多個聯絡點與電網相連。VPP 與電網解列時，一般不能成為封閉系統獨立運行，且一直與主網進行能量流、信息流、貨幣流的交換，表現出開放系統的特征。此外，VPP 通過中低壓配電網接入主干網，而且內部也存在配電網絡，因此配電網在邊界節點通過電壓、頻率、電價、網損等信息影響著VPP 內部的運行方式[3]。

4 結語

當前移動通信和物聯網技術在飛速的發展，分布式能源互聯網將會有廣闊的發展空間，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基礎上，結合能源互聯網典型特征和應用場景，對基于分布式光伏發電的能源互聯網平臺做了初步的分析與研究，并提出了平臺的設計架構和關鍵技術，從理論上分析了平臺建設的可行性。隨著分布式能源的推廣應用，可逐漸實現對智能化分布式能源推廣好的社區開展試點區域能源互聯網，實現“低碳社區”，再延拓到“低碳園區”、“低碳城鎮”，這樣區域性的能源互聯網就可涵蓋億萬民眾生活、工作的各個領域，實現億萬人的能源互聯和共享。