分布式光伏空間互聯網絡無線覆蓋技術應用研究

摘" 要：隨著能源需求增長和對可再生能源的重視，分布式光伏發電雖綠色環保，但傳統有線網絡難以支撐其覆蓋，致使運檢效率質量低。針對上述問題，提出了分布式光伏空間互聯網絡無線覆蓋技術，給出其組成、探討功用與技術實現并研究介質訪問控制方法。實際應用數據吞吐量分析表明，該技術可以實現對分布式光伏電網有效運檢管理，能夠作為現場運維數據傳輸的通信保障手段，為分布式光伏提供靈活、低成本無線網絡覆蓋方式。

關鍵詞：分布式光伏" ""空間互聯網絡 ""無線覆蓋 ""能源管理

中圖分類號：TP393.2

Application Research on Wireless Coverage Technology of Distributed Photovoltaic Space Interconnection Network

LYU "Chuan

Hubei New Energy Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei "Province， 430061 China

Abstract： With the increasing demand growth of energy demand and the emphasis on renewable energy， distributed photovoltaic power generation is green and environmentally friendly， but the traditional wired network is difficult to support its coverage， resulting in low operation and inspection efficiency and quality. In order to solve the above problems， the wireless coverage technology of distributed photovoltaic space interconnection network is proposed， its composition is given， the function and technical implementation are discussed， and the medium access control method is studied. The practical application data throughput analysis shows that this technology can realize the effective operation and maintenanceinspection management of distributed photovoltaic power grids， and can serve asbe used as a communication guarantee means for on-site operation and maintenance data transmission， providing flexible and low-cost wireless network coverage for distributed photovoltaics networks.

Key Wwords： Distributed photovoltaics; Spacetial interconnection network; Wireless coverage; Energy management

全球能源使用量每年都在急劇上升，能源供需壓力、能源價格的不穩定性與化石能源產生的環境影響，都導致了大眾對可再生能源需求迫切。其中，光伏發電因其清潔、效率和靈活性的特質獲得了廣泛的應用場景。隨著分布式光伏的不斷建設，對其電網的運維及網絡的搭建也提出了新的要求。

1"" 研究背景

分布式光伏發電系統是一種能源體系，其核心思想是在用戶所在位置附近散布太陽能電池元件，在建筑屋頂或與建筑整體設計的一體化中進行配置，以便在現場生成電能并在該地點投入使用。

根據《中國光伏產業發展報告》所指出，我國的光伏裝機容量目前已經達到全球總裝機容量的大約30%^[1]。利用無線覆蓋的現代手段，可以使分布式光伏設備之間實現更高效的互聯互通，從而增加數據傳輸的穩定性和時效性。華北水利水電大學研究表明，無線通信技術在光伏傳輸和維護中的運用有望使系統運行效率增加15%～20%^[2]。

2"" 分布式光伏空間互聯網絡

2.1"" 基本概念

空間互聯網的核心思想基于各類無線通信終端載體組成的數據通信網絡，旨在確保各空間緯度內的數據能夠相互連接和交換。分布式光伏空間互聯網絡借助無線通信網絡，有效地擴展網絡覆蓋率、提升數據傳輸可靠性和降低數據傳輸延遲。

2.2""" 現有網絡部署情況

在當下分布式光伏組網中，主要采用無線通信的方式進行組網，其中，Wi-Fi、Zigbee、LoRa以及蜂窩式網絡技術是被廣泛使用的無線覆蓋方法。Wi-Fi作為一項被廣泛利用的無線溝通方法，其優點包括高數據傳輸速度及良好的兼容性，但分布式光伏分散的部署條件使得Wi-Fi網絡覆蓋能力較差。Zigbee被用于短距離和低速的數據交流，適合需要較低帶寬但功耗特別敏感的場景，在分布式光伏系統的設備監視和狀態數據傳輸方面表現較為薄弱。LoRa具有遠程通信、功耗較低和成本效益高的優點，其網絡覆蓋范圍足以應對大范圍的光伏系統，但只適應于那些只需傳輸較少信息的監測和狀態的網絡。蜂窩網絡優勢在于其超高的帶寬和較低的延遲性能，但其過度依賴基礎設施建設，在缺乏基站覆蓋區域內難以保障可靠通信網絡^[3]。

基于上述問題，本論文采用了基于無線自組網網絡覆蓋的方式對分布式光伏進行了無線網絡的搭建，通過自主可控無線網絡，實現對分布式光伏的直采直控。

2.3"" 分布式光伏信道接入機制

分布式光伏無線網絡需要具備節點自組織特點，各個節點無須依賴中心節點對信道進行統一管理，降低了組網成本，增強了結構靈活性。在分布式光伏網絡中，多個用戶間存在競爭關系，在一定程度上影響了接入效率，同時，源節點與目的節點間無線鏈路的高時變性進一步凸顯了這一問題^[4]。因此，對分布式光伏的媒體接入控制（Media access control，MAC）層進行深入研究顯得尤為重要。

當前，分布式信道接入的優化研究普遍致力于實現系統吞吐量最大化。部分研究業已針對信道接入方法進行了設計與優化，并取得了一定程度的成果。本文聚焦于多播接入問題，旨在驗證IEEE802.11標準下MAC層協議的性能表現。

2.3.1" "CSMA/CA協議

CSMA/CA協議包括基本通信方式及請求發送/清除發送（Request to Send/Clear to Send，RTS/CTS）通信方式兩種。基本通信方式只對發送站數據幀DATA和接收站確認幀（Acknowledge character，ACK）進行傳輸。發送站在通信之前會先檢測信道，若信道空閑，那么等待一個分布式幀間間隙（Distributed Inter-frame Spacing，DIFS），若是在這一個DIFS結束時信道狀態依然空閑，則立即發送DATA幀。接收站接收到該DATA幀后會回送一個ACK幀。如果信道忙，就執行退避算法，等退避結束后再進行通信^[5]。

RTS/CTS通信訪問方式發送站在正式傳輸數據之前先預約信道，預約成功后進行數據發送，主要用于解決CSMA/CA協議中存在的隱蔽站和暴露站問題。

在RTS/CTS通信流程中，發送數據之前，首要步驟是檢查信道狀態。若信道處于空閑狀態，則發送站將等待一個DIFS時長。若DIFS結束時信道仍為空閑，則發送站將以廣播方式發送一個請求發送（RTS）控制幀，以給予其他高優先級幀優先發送的機會。當目的站接收到RTS幀且信道依然空閑時，將回復CTS幀。其他站點在接收到RTS幀后，會讀取其中的時間值，并據此重新設置其網絡分配向量（Network Allocation Vector，NAV），在此期間，這些站點將無法使用信道。源站在正確接收到CTS幀后，將等待一個最小幀間間隔（Short Interframe Space，SIFS）時長，隨后開始發送數據幀（DATA）。與此同時，其他站點在接收到CTS幀時，也會讀取其中的時間值并更新其NAV。目的站在接收到DATA幀后，會向源站發送一個確認（ACK）幀。一旦源站正確接收到ACK幀，即表示數據傳輸已成功完成^[6]。

退避算法規定，站點通信之前必須先監聽信道狀態：所有站點均已配置了網絡分配向量（NAV），在整個通信流程終結之前，將執行退避算法，隨機選定退避時長以延遲數據發送，并設置退避計時器（backoff timer）。在計時器歸零之前，站點將在每個時隙內對信道狀態進行一次檢測。若信道處于占用狀態，則暫停計時；若信道空閑，則表明先前的通信已告結束，同時其他站點的NAV時間亦同步終止。此時，退避計時器將從暫停點繼續遞減計時。在每個時隙開始時，計時器數值減1，當計時器歸零時，即可啟動數據幀的完整發送流程^[7]。

2.3.2" 優化后的CSMA/CA協議

優化后的CSMA/CA協議的信道接入算法由兩個部分組成，分別是閾值算法和信道接入算法。

各源節點與目標節點之間的無線信道服從瑞利信道衰落模型。考慮節點移動性，無線信道服從塊衰落模型，同時，隨著信道信噪比的增加，系統的平均吞吐量提升幅度逐漸減小^[8]。該現象歸因于最優方法充分利用了鏈路多樣性與信道時間多樣性，然而，其吞吐量的相對增益卻受限于信道接入時間和多播組數量的因素。在涉及CSMA/CA協議的退避機制應用場景中，于多播組的分布式信道接入流程里，一旦發生沖突事件，產生沖突的信源將采取減半信道競爭概率的措施，旨在有效預防信道沖突的持續發生。

2.4""" 現場部署情況

如圖2所示，選取分布式光伏電板部署集中區域，以無線通信終端的網絡覆蓋半徑為基準，具體部署配置如下。

（1）1個數據匯集節點，實現分布式光伏與調度中心之間的數據交互。

由于分布式光伏往往部署于現有建筑物的建筑屋頂、農村戶用屋頂等區域，其單一并網區域內網絡覆蓋范圍有限，所以，該配置方式具有可行性，并且由于性能有冗余，可以應對復雜的地理環境變化。

3"" 運行及測試效果

本論文采用IxChariot6.7版對分布式光伏無線覆蓋區域的帶寬進行測試，測試結果如表1所示。

測試數據表明：分布式光伏的無線通信網絡足以支撐運維視頻與應急場景下數據的傳輸；對于普通規模的分布式電網，多跳中繼方式能夠滿足分布式光伏網絡覆蓋需求。

4" ""結語

分布式光伏空間互聯網絡的推行勢必對推進新型城市化進程和縮減城鄉間的發展差距產生正面效果。得益于無線覆蓋技術的加持，太陽能電池板可以更加高效地進行布局和維護，從而提高了地區電力的供應水平，進一步增強了居民的生活品質。

參考文獻

[1]王江泉.數字產業與能源產業融合發展評價及影響因素研究[D].福州：福建師范大學，2023.

[2]秦龍.HN電網公司數字化轉型戰略研究[D].鄭州：華北水利水電大學，2023.

[3]曹靖.面向偏遠地區電力通信的邊緣計算卸載與能耗管理策略[D].北京：華北電力大學（北京），2023.

[4]黃銘軒.移動中繼輔助的多用戶邊緣計算任務卸載策略[D].合肥：中國科學技術大學，2023.

[5]肖健倫.基于云平臺的分布式光伏電站遠程監控系統研究與設計[D].南寧：廣西大學，2022.

[6]葉原兵.配電網PMU位置與資源配置問題研究[D].南京：東南大學，2022.

[7]吳帆，鄭臻哲.基于博弈論的頻譜動態管理研究[J].計算機研究與發展，2016（53）：38-52.

[8]李喬木，傅質馨，袁越，等.基于可靠性分析的光伏發電系統監控網絡拓撲結構設計[J].可再生能源，2014（32）：1255-1262.