導(dǎo)語(yǔ)：配電網(wǎng)電力電子裝備互聯(lián)與網(wǎng)絡(luò)化探討一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

【摘要】在智能電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)下，配電網(wǎng)電力電子裝備的互聯(lián)水平和網(wǎng)絡(luò)化水平逐步提升，為智能集中抄表、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控等提供了有力支持。本文首先對(duì)配電網(wǎng)電力電子裝備進(jìn)行研究，并分析其通信系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上，探討配電網(wǎng)電力電子裝備互聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)化的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)，包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、即插即用功率接口應(yīng)用、能量路由器應(yīng)用、開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)等。

【關(guān)鍵詞】配電網(wǎng)；電力電子裝備；互聯(lián)；網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)

前言

配電網(wǎng)中的電力電子裝備不僅要保證自身的運(yùn)行穩(wěn)定性，還要實(shí)現(xiàn)與同一系統(tǒng)下的其他電力電子裝備進(jìn)行交互和通信，從而確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及智能化監(jiān)測(cè)功能的正常使用。在電力電子技術(shù)的快速發(fā)展下，配電網(wǎng)設(shè)備的智能化功能已不再局限于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，還可實(shí)現(xiàn)電能雙向、多向流動(dòng)控制或更復(fù)雜的電能調(diào)節(jié)功能。其中，改變傳統(tǒng)裝備獨(dú)立工作運(yùn)行方式，是滿(mǎn)足復(fù)雜配電網(wǎng)控制功能的關(guān)鍵。需要建立一體化網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高裝備之間的聯(lián)動(dòng)性和通信及時(shí)性。

1配電網(wǎng)電力電子裝備的研究

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的研究和應(yīng)用方向，實(shí)際上通過(guò)采用不同的電力電子裝備，進(jìn)行電能變換。配電系統(tǒng)中，應(yīng)用的電力電子技術(shù)十分廣泛，包括功率開(kāi)關(guān)器件、無(wú)源元件、變換器技術(shù)、封裝技術(shù)、冷卻技術(shù)等。一個(gè)完整的配電網(wǎng)可以劃分為三個(gè)層次，即器件、變壓器、電力電子系統(tǒng)。其中，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件是構(gòu)成電力電子系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，器件材料、結(jié)構(gòu)、氧化層形成等則是影響器件性能的關(guān)鍵因素。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，目前SiC和GaN等新型半導(dǎo)體材料已經(jīng)被應(yīng)用到配電網(wǎng)中，使其開(kāi)關(guān)損耗得到進(jìn)一步降低。變換器是電能功率處理裝置，將輸入的電能形式轉(zhuǎn)換為所需的電能幅值和頻率，再進(jìn)行輸出。目前變換器功能已經(jīng)達(dá)到99%以上，并能夠通過(guò)多個(gè)變換器的連接，提高電壓與電流處理能力，從而滿(mǎn)足配電網(wǎng)容量要求。由多個(gè)不同類(lèi)型的電力電子裝備構(gòu)成的復(fù)雜電路即為電力電子系統(tǒng)，一般設(shè)計(jì)為分層結(jié)構(gòu)，由系統(tǒng)控制器收集變換器狀態(tài)信息，并下達(dá)指令，執(zhí)行閉環(huán)運(yùn)算和保護(hù)等功能。目前高壓大電流電氣器件與無(wú)源元件的配合使用，使直流配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)成為可能。

2配電網(wǎng)通信系統(tǒng)分析

在電力電子技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展下，配電網(wǎng)的智能化程度越來(lái)越高，許多電子裝備可以進(jìn)行信息自動(dòng)采集，并利用網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行傳輸，根據(jù)檢測(cè)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。但由于配電網(wǎng)中的電力電子裝備數(shù)量多，運(yùn)行方式復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)化通信，還需要建立更加智能的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)。配電網(wǎng)通信系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能主要包括全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的信息匯集、指令下派、輔助調(diào)度分析與決策等。目前電力系統(tǒng)主要采用三級(jí)通信結(jié)構(gòu)，即高壓等級(jí)到中壓等級(jí)、發(fā)電端到176電力訊息輸電端、以及主變電站的SCADA系統(tǒng)覆蓋。在三級(jí)通信結(jié)構(gòu)下，控制中心可實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)中電力電子設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。隨著配電網(wǎng)智能化程度的提高，其功能不再局限與對(duì)電力電子設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單監(jiān)測(cè)，二是要實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)調(diào)控，主動(dòng)對(duì)配電網(wǎng)中的電力電子設(shè)備進(jìn)行管理。采用單一通信方式難以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模的信息通信需要，因此，未來(lái)配電網(wǎng)通信系統(tǒng)將相多種通信方式的混合應(yīng)用方向發(fā)展。

3配電網(wǎng)電力電子裝備互聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)化的關(guān)鍵技術(shù)

3.1系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

在智能配電網(wǎng)的建設(shè)過(guò)程中，越來(lái)越多的電力電子設(shè)備被應(yīng)用到系統(tǒng)中，包括配電網(wǎng)DFACTS設(shè)備、可再生能源接口、用戶(hù)側(cè)用電設(shè)備電源等。以往配電網(wǎng)主要采取將不同電力電子設(shè)備功率端聯(lián)接到一起的形式，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)層次對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，智能化裝置的靈活性、可控性還沒(méi)有被真正發(fā)揮出來(lái)?，F(xiàn)階段的配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)調(diào)整將逐漸改善這一問(wèn)題，將每個(gè)電力電子裝置看作一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，連接所有的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)電能狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)指令等功能，從而在電網(wǎng)層次，協(xié)調(diào)各電力電子裝置運(yùn)行，這是互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的關(guān)鍵所在。符合上述要求的配電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：電力電子模塊（PEBB）、機(jī)械設(shè)備模塊（MEBB）、能量管理模塊（EM）、能量產(chǎn)生源（Producer）、儲(chǔ)能（Storage）、負(fù)載（Load）等，如圖1所示。在該系統(tǒng)框架下，電網(wǎng)不僅包括能量流，還包括各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的信息流。智能裝置具有對(duì)電能的主動(dòng)調(diào)節(jié)能力，因此不同電網(wǎng)間接口以及分布式發(fā)電端、負(fù)載等均有智能裝置承擔(dān)，并參與通信和命令執(zhí)行。該系統(tǒng)架構(gòu)的應(yīng)用可以將傳統(tǒng)集中式發(fā)電和用電模式改變?yōu)榉植际桨l(fā)電和用電模式，實(shí)現(xiàn)以用戶(hù)為導(dǎo)向，匯集網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有信息，為實(shí)時(shí)電價(jià)的實(shí)現(xiàn)提供保障.

3.2即插即用功率接口

在上述電力電子裝備的互聯(lián)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)要素包括即開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)、能量路由器和插即用功率接口等。其中，即插即用功率接口主要負(fù)責(zé)計(jì)入儲(chǔ)能電池和分布式發(fā)電終端等裝置。在這種功率接口的應(yīng)用下，各種不同設(shè)備輸入的電能形式可分別被轉(zhuǎn)換為匹配于系統(tǒng)運(yùn)行的形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電能形式的轉(zhuǎn)換。而且這種功率接口實(shí)際上也是一種電力電子設(shè)備，可采用PV并網(wǎng)逆變器和雙向變換器等實(shí)現(xiàn)。在采用該功率接口時(shí)，需要配置通信接口，通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，對(duì)接入到配電網(wǎng)中的設(shè)備進(jìn)行快速識(shí)別，最終將終端設(shè)備的信息上傳到網(wǎng)絡(luò)控制中心處，由控制中心調(diào)控指令，調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行。即插即用功率接口的使用不僅能夠滿(mǎn)足功能接口的一般功能要求，而且具有使用方便、反映靈敏等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)在配電網(wǎng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

3.3能量路由器

能量路由器即能量智能管理模塊（IEM），在中低壓配電網(wǎng)中，能量路由器主要作為接口來(lái)使用，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流通，并提供低壓直流母線(xiàn)，方便可再生能源設(shè)備的接入。在上述的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)架構(gòu)中，同樣需要采用標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放協(xié)議，確保能量路由器功能的正常發(fā)揮，實(shí)時(shí)接收功率接口傳輸過(guò)來(lái)的終端信息，并為各終端設(shè)備提供指令參考。其中，參考指令參數(shù)主要根據(jù)當(dāng)前配電網(wǎng)中的終端設(shè)備工作狀態(tài)及電網(wǎng)質(zhì)量來(lái)確定。同時(shí)，能量路由器還負(fù)責(zé)維持低壓配電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，限制電壓穿越與故障電流等。配電網(wǎng)中的用戶(hù)類(lèi)型和規(guī)模均不同，在能量路由器選擇過(guò)程中，功率和電壓等級(jí)方面也應(yīng)加以區(qū)分。比如一部分能量路由器是針對(duì)民用用戶(hù)設(shè)計(jì)的，容量一般為20kVA，還有部分能量路由器是針對(duì)工業(yè)用電大戶(hù)設(shè)計(jì)的，容量可達(dá)到500kVA。對(duì)于后者，可直接由中壓配電網(wǎng)供電，然后通過(guò)三相低壓交流母線(xiàn)為用戶(hù)供電。在上述互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，能量路由器是一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。

3.4開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)

上述配電網(wǎng)電力電子裝備互聯(lián)與網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要采用開(kāi)放通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)，包括TCP/IP或HTML協(xié)議等。開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)是一個(gè)通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在配電網(wǎng)中使用的功率接口、能量路由器等裝置，都必須支持開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)設(shè)備的識(shí)別、監(jiān)測(cè)和調(diào)控等功能，協(xié)調(diào)全網(wǎng)運(yùn)行。此外，通過(guò)將通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議安裝到智能手機(jī)端或用戶(hù)PC機(jī)端，還可以滿(mǎn)足用戶(hù)實(shí)時(shí)查詢(xún)用電信息、網(wǎng)上電價(jià)查詢(xún)及電費(fèi)繳納等功能提供支持。用戶(hù)在操作過(guò)程中可連接到區(qū)域網(wǎng)絡(luò)調(diào)度中心，匯總實(shí)時(shí)用電信息，對(duì)其加以分析，并根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)控制。從系統(tǒng)主要功能來(lái)看，上述系統(tǒng)架構(gòu)又可以成為能量互聯(lián)網(wǎng)，其重要組成部分是能量流與信息流，這是組成電力電子互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。在不同類(lèi)型的電力電子裝置廣泛應(yīng)用下，目前能量層已基本實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，而通信層的網(wǎng)絡(luò)化程度仍較低，具體表現(xiàn)為各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息化程度較低、智能電表等通信功能設(shè)備利用效率低，因此目前配電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制能力還未達(dá)到預(yù)期水平，需要進(jìn)一步研究通信層網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電力電子設(shè)備在配電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛，實(shí)現(xiàn)其互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)化管理，可以進(jìn)一步提升智能電網(wǎng)的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)不同裝置之間的聯(lián)動(dòng)管理。目前電力電子技術(shù)的快速發(fā)展以及智能化技術(shù)的發(fā)展都為新型電力電子裝置互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了基礎(chǔ)，本次研究提出了一種具體的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方式，并指出其中的關(guān)鍵技術(shù)，希望可以為配電網(wǎng)電力電子裝備網(wǎng)絡(luò)化的研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

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作者:柯鴻源 單位:東莞潤(rùn)贏電力科技有限公司