基于分布式光伏发电的能源互联网平台研究

侯耀峰

（南京南瑞信息通信科技有限公司 江苏省南京市 210000）

2015年9月国务院办公厅正式发布《关于积极推进"互联网+"行动的指导意见》，阐述了"互联网+智慧能源"的基本概念，描绘了推动我国清洁能源行业互联网的未来发展重大战略以及路线图。2016年3月国家发改委、国家能源局、工信部联合正式发布《关于推进"互联网+"智慧能源发展的指导意见》，并明确提出我国要积极加快探索建设基于智能互联网的低碳智慧生态能源灵活式电能交易平台，支持在开展风电、光伏、水电等领域智慧能源与智慧电力系统用户之间的能源交易。意见稿中明确指出，在加快完善能源交易管理制度建设方面，逐步加快形成以再生能源、辅助性能源服务、新一代能源产品配额、虚拟货币和能源电子货币等产品作为交易目标的系统多元化能源交易管理制度；通过分层建设架起促进能量的传统能源交易市场与传统零售能量交易市场，基于移动互联网技术架起促进能量信息交易的能源电子信息商务平台，鼓励各种能量交易平台之间的公平竞争，实现随时、灵活和相对等的促进能源交易资料信息共享与能量交易[1]。

1 能源互联中的共享经济

能源互联网是运用信息通信技术，将分布式能量采集装置，储存装置和各类负载等能源节点互联起来,实现能量双向流动的交换与共享网络。随着新一代能源技术与移动互联网、大数据等新兴技术的发展，传统能源行业的结构、市场环境和商业模式也在逐渐发生着变化，带动资金、技术和产业，形成集聚效应，成为投资领域的新亮点[2]。

能源互联网通过分布式能源数据采集技术，可高效地收集、储存和利用能耗微小的清洁能源。采用互联网技术进行统一调度，提高能源的利用率，并为能源数据收集和共享提出新的方法和思路：首先，能源互联网将实现就地生产、消纳能源，有效减少能源在远距离传输中所带来的损耗；其次，能源互联网具有双向性，参与主体可能即是能源的制造商，也是能源的消费者；最后，能源互联网可接入稳定性相对不好的清洁能源，实现了能源的高效综合利用。

在住宅小区、商业区、工业园区中，存在大量闲置可用于光伏发电的区域，善加利用，可架设无数的小型光伏发电系统。运用“虚拟电厂”(VirtualPowerPlant，VPP)模式，可将这些发电系统作为分布式电源，通过与储能设备、通讯网络的整合，并通过内部先进的无线通信和控制系统结构，将一定地区内的分布式电源聚集起来，实现对各种大规模、分散的小型分布式电源的有效管理，形成一个由多个小型光伏发电机组组成的柔性聚合发电工厂[3]。将分布式电源的运行数据发布到统一对外信息中，使分布式电源的所有者和用户在电力市场中以能源制造商的身份与主网公司签订用电合约，进行售电交易，使得配电网中大量的分布式电源利用更加高效，是能源市场上一种典型的“共享经济”表现。

基于“共享经济”的理念，提出“基于分布式光伏发电的能源互联与交易平台”解决方案，不以拥有发电设备为手段，不以垄断能源供给为目的，收集能源并服务社会，是能源的集成者。最终的目标是，人人能发电，人人能获益。

2 平台总体架构

“基于分布式光伏发电的能源互联与交易平台”是一个典型的能源互联网应用，也是一个信息-物理融合系统，其以分布式能源技术和信息网络前沿技术两个层面的关键技术为支撑，实现城市能源的分散汇流、集中并网、和结算交易。

平台以单个大型园区为试点，用户自建的太阳能板经园区接入点可实现并网上送，同时系统将记录用户的发电量，可随时结算(如图1)，达到“人人能发电，人人能获益”的目标。

该平台以数据调用为依据，从下到上依次是分布式发电与并网系统、中央控制系统、实时监测与运维系统、能源结算与交易平台、用户应用系统，以及贯穿于整个平台的数据分析与服务平台。逻辑架构如图2 所示。

平台各层次面向的对象和功能简述如下：

2.1 分布式发电与并网系统

分布式发电与并网系统是整个平台的基础层，主要是各种分布式发电设备、储能设备、逆变设备，以及用于采集数据的传感设备，负责发电、并网和数据采集。

2.2 中央控制系统

中央控制系统通过对采集到相关电气数据，进行逻辑处理和运算，应用大数据分析技术得出控制策略，指导人工对各种电网设备进行智能化调节和控制，从而实现对微电网的电源、储能、负载的动态控制，以此有效地保证微电网安全、稳定地运行。

2.3 实时监测与运维系统

实时监测与运维系统将采集的电气数据进行实时的可视化展示，为运维人员提供准确、实时、易懂的展示平台。

2.4 能源结算与交易平台

能源结算与交易平台面向平台的终端用户和运营人员，实现电量的互联共享，提供电量托管、交易委托等增值服务。

2.5 用户应用系统

用户应用系统面向平台终端用户，以移动应用的方式实现用户可随时随地实时监测到自家的发电情况，以及并网售电的收益。

2.6 数据分析与服务平台

数据分析与服务平台面向平台运营管理人员和政企单位，实现多领域数据的融合，提升能源数据统计、分析、预测的时效性和准确度。

3 系统关键技术

3.1 基于SOA的能源数据集成与交换技术

图1：系统概念模型图

能源数据的集成和交换是一种实现异构能源体系之间信息透明化交换的解决途径。搭建一个能源数据交换的平台，制定一套统一的能源数据交换协议,各种异构网络系统和能源数据交换的平台互相连接,通过这些能源数据交换的平台互联网络来直接实现能源数据的路由和信息共享。该解决方案隔离了数据存储管理层和用户应用管理层，应用系统与底层的数据架构和存储模式完全无关，保留其业务流程,无需对其原有的业务系统进行大量的改造。实现数据的无缝衔接和共享，提升了各个源端接入平台的协同效率，降低了耦合度，提升了独立性，从而在整体上可以大大提高平台的正常运行效率与安全。

能源数据交换平台主要由信息标准、消息服务能力和数据交换系统组成。信息标准包括元语言标准、元数据标准、显示标准、解析、转换和封装等标准。消息服务能力实现信息的统一对外接口和访问地址。数据交换系统通过消息队列服务器实现分布式数据交换。见图3。

能源数据交换平台各模块的协同工作过程如下：

数据交换接口：负责定义交换对象、数据源和触发机制。

数据交换适配器：平台提供多种数据接入方式，包括：WebService、结构化文件等，根据不同的数据源端系统，配置数据接入适配器，平台也可扩展所需的数据适配器。

数据交换标准：定义数据元和数据字典，形成数据交换目录。

数据交换系统管理：对数据交换后的用户权限信息进行配置，描述各个用户与其他用户群、账号组织的帐户属性，定义各个角色和操作权限，对每一个用户都进行授权。

图3：基于SOA 的能源数据集成与交换

数据交换处理管道：根据处理来自源用户数据和来自目标用户数据或者相关物的不同数据项，以及不同应用类型的数据用户对各种数据信息进行各种交换处理的不同要求，以灵活地自行配置一个数据管道项或插件的操作形式对各种数据信息进行交换处理，如数据项的处理合并、拆分、格式化的转换、数据项的过滤、安全数据加密等。

数据交换管理：负责协调各子系统协同工作，实现数据交换。

数据交换任务调度管理：根据不同类型和种类的用户对于数据交换模型的需求，配置相应的数据交换服务参数，如发起方式、时间、频率等。

通过以上各个子系统的协同执行，数据交换平台即可根据预先配置好的数据交换任务，自动进行数据交换。

3.2 基于多微网的电能质量控制技术

含有分布式发电系统及负载的微电网在与配电网进行功率交换时将引起配电网的相关电能质量问题，主要是电压三相不平衡、谐波和电压跌落等。

微电网通常作为单相-三相混合的复杂供电系统存在，普遍采用三相四线制的供电方式，微电网本身容量相对较小且突显出弱电网的特点，微电网的电压等级低，网内的微电源及负荷的种类多，单相微电源将严重加剧电网的三相不平衡[4]。在负载非线性、不平衡突变等情况的影响下，微电网内可能出现电压、电流谐波、三相电压不平衡、电压波动跌落等电能质量问题，尤其微电网与配电网公共联接点(Pointofcommon coupling，PCC)的电能质量问题，除影响微电网的稳定运行外还会对配电网带来影响。

此外，光伏发电由于受天气环境等因素影响产生的功率波动也会影响微电网的电能质量，特别是对PCC 点电压、频率的稳定性影响。尽管可以采取加装有源电力滤波器（Active power filter， APF）等措施，但微电网向配电网输出功率时电流谐波仍可能会注入到配电网，从而加剧谐波污染，随着微电网渗透率的提高，配电系统的谐波水平也将上升。

当配电网内存在不平衡或非线性负载，或其他类型负载波动时，由于线路上存在阻抗，致使负载各相电压不平衡或波动，从而引起配电网电压质量问题。微电网与配电网并网时，配电网中电压的跌落、骤升、不平衡、谐波等扰动可能会传导到微电网，影响微电网内部敏感负荷供电可靠性和电能质量，导致微电网内微电源的电压和功率波动，影响微电网的正常并网运行，较高的配电网电压谐波不仅影响微电网的电压质量，甚至造成微电网并网运行失败。对注入PCC 处的谐波电流值、引起的PCC 电压变化和谐波电压值相关标准均有明确规定，因此在微电网与配电网并网运行时，应保证接入系统的电能质量[5]。

为解决微电网与配电网的交互影响，平台采用串-并联和串联两种方式接入在PCC 处连接微电网与配电网，在保持原有微电源性能提供短时功率的基础上，实现电能质量控制，改善微电网中的电能质量问题。串-并联接入控制目标主要是抑制配电网侧电压跌落、不平衡、谐波畸变，以及微电网中功率波动、电流谐波和不平衡等引起的微电网与配电网之间的电能质量问题交互影响，实现电能质量控制。在电压跌落(暂升)时最大限度保持微电网并网运行，保证微电网重要负荷可靠工作。

3.3 基于多智能体的自适应逆变技术

在并网接入点中采用能源集成方式进行分布式电源的组织，逆变器的输入功率方面难以进行有效的预先估计，当输入功率超出额定值时，需要适时改变逆变器的并联结构，采用自适应控制的方式自动调整功率分配。该模式下逆变器可根据自身的功率自动调整，当逆变器输出功率小于或超过其额定功率时，可自主调节自身的功率权重系数，并将调节后的功率权重系数通过网络发送给其他逆变器，逆变器之间自主协调，使本身所分配的功率发生变化，继续高效率运行。即使某台逆变器的通讯模块或其本身发生故障，其余逆变器也可以根据检测到的功率进行自主调节[6]。

3.4 基于“虚拟电厂”模式的并网技术

平台以“虚拟电厂”VPP 方式运行，VPP 主要通过其内部的控制中心，利用互联网通信技术对分布式电源进行聚集控制，使其运行具有柔性特征，且VPP在分布广泛的区域内整合大量的电源出力，通过多个联络点与电网相连。VPP 与电网解列时，一般不能成为封闭系统独立运行，且一直与主网进行能量流、信息流、货币流的交换，表现出开放系统的特征。此外，VPP 通过中低压配电网接入主干网，而且内部也存在配电网络，因此配电网在边界节点通过电压、频率、电价、网损等信息影响着VPP 内部的运行方式[3]。

4 结语

当前移动通信和物联网技术在飞速的发展，分布式能源互联网将会有广阔的发展空间，分布式能源的利用也将更加高效。本文在成熟的信息通信技术基础上，结合能源互联网典型特征和应用场景，对基于分布式光伏发电的能源互联网平台做了初步的分析与研究，并提出了平台的设计架构和关键技术，从理论上分析了平台建设的可行性。随着分布式能源的推广应用，可逐渐实现对智能化分布式能源推广好的社区开展试点区域能源互联网，实现“低碳社区”，再延拓到“低碳园区”、“低碳城镇”，这样区域性的能源互联网就可涵盖亿万民众生活、工作的各个领域，实现亿万人的能源互联和共享。