3.2直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流配電網(wǎng)的基本拓?fù)渲饕协h(huán)狀、放射狀和兩端配電3種，如圖3所示[20]。放射狀結(jié)構(gòu)的供電可靠性相對較低，但故障識別及保護(hù)控制配合等相對容易;環(huán)狀和兩端配電網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性較高，但故障識別及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)比較困難。實際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪x擇和電壓等級要根據(jù)工程所需的供電可靠性、供電范圍及投資等因素綜合考慮。無論哪種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其電力電子設(shè)備都是必不可少的。

3.3直流配電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備的研制

在現(xiàn)代柔性直流配電網(wǎng)的建設(shè)中，需要研制如下關(guān)鍵設(shè)備：

1)直流變壓器。對于直流型配網(wǎng)，傳統(tǒng)的交流變壓器已無法使用，需要依靠電力電子設(shè)備實現(xiàn)直流電壓的轉(zhuǎn)換，而這種DC-DC變壓器有其自身的特點。首先，電力電子變壓器的容量要大，在配網(wǎng)中傳統(tǒng)配變電站要承載至少幾百kVA甚至MVA的功率;其次，電力電子變壓器需要實現(xiàn)中、低電壓的轉(zhuǎn)換，這是一種高降(升)壓工作場合，以現(xiàn)有配電網(wǎng)來說，一種典型的配電站需要將10kV轉(zhuǎn)換為380V民用電，降壓比超過26(25)1;此外，不同電壓等級之間的能量方向不定，電力電子變壓器需要實現(xiàn)能量雙向流動的功能。

2)大功率AC/DC變換器。為實現(xiàn)直流配網(wǎng)與現(xiàn)有的交流輸電網(wǎng)相連，需要在中高壓交流輸電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)之間加入AC/DC變換器。這種AC/DC變換器同樣需要實現(xiàn)大容量傳送能力、高電壓變比、能量雙向流動等能力。此外，在應(yīng)用IGBT、IGCT等可關(guān)斷器件的情況下，AC-DC變換器還應(yīng)具備向交流側(cè)提供無功補(bǔ)償?shù)哪芰Α?/p>

3)直流斷路器。它起著隔離故障的作用，對直流配網(wǎng)的安全運行非常關(guān)鍵;但由于直流電流沒有過零點，直流斷路器比交流斷路器難度更大。2012年，ABB公司研制出適用于高壓直流輸電(high-voltagedirectcurrent，HVDC)的直流斷路器，其可以在5ms內(nèi)斷開9kA電流[21]。隨著器件技術(shù)和相關(guān)研究的深入，將會有更大通斷能力的裝備。

4)直流開關(guān)。在低壓直流配網(wǎng)中，對于電磁爐、暖風(fēng)機(jī)等功率較大的負(fù)載，現(xiàn)有交流開關(guān)、插頭不能斷開直流電流，不能直接應(yīng)用于直流配網(wǎng)。因此，直流開關(guān)、插座和插頭等設(shè)備的研發(fā)也是一個值得關(guān)注的課題[22]。

4配電網(wǎng)通信系統(tǒng)

目前，許多智能電力電子裝備已具備了一定的信息檢測、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制等功能。但配電網(wǎng)存在大量的電力電子互聯(lián)裝備，要實現(xiàn)電能信息集成一體化，還需要建立更加智能的通信系統(tǒng)。它不但將全網(wǎng)節(jié)點的信息匯集起來并下派指令，還能幫助調(diào)度端分析和決策[23]。圖4給出未來電力系統(tǒng)的三級通信結(jié)構(gòu)[24]。從高壓等級到中壓等級，從發(fā)電端、輸電端到主變電站上均有SCADA系統(tǒng)覆蓋，這也是現(xiàn)有的電力系統(tǒng)的主要通信方式。調(diào)度端和廠、站通過SCADA系統(tǒng)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)收集和控制命令發(fā)送。主要的配網(wǎng)通信是在城市外圍或內(nèi)部的35kV、10kV等中壓等級線路上，這一部分不單是簡單監(jiān)測運行數(shù)據(jù)，更要積極影響配網(wǎng)調(diào)控，通過控制電力電子裝備，實現(xiàn)主動配網(wǎng)電能管理和調(diào)控。在靠近用戶端的低壓等級，智能電表不僅負(fù)責(zé)收集用戶端的電能數(shù)據(jù)，還需具備電能質(zhì)量監(jiān)測、負(fù)載管理和切換負(fù)載等主動管理功能。

目前，還沒有任何一種單一的通信方式在合理的性能價格比或功能上，全面滿足各種規(guī)模和不同信息傳輸?shù)男枰虼送枰喾N通信方式混合使用。

圖5給出未來配電網(wǎng)的通信系統(tǒng)框圖[24]。大型的發(fā)電廠、變電站以及控制室由現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)覆蓋，主要通過沿電力線鋪設(shè)的光纜相連，并主要采用成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。目前的挑戰(zhàn)集中在中、低壓配電網(wǎng)的通信系統(tǒng)，這一等級的通信節(jié)點覆蓋程度還很低。因此，不同的技術(shù)正在這一方面探索，包括以太網(wǎng)、電力線載波PLC、Zigbee、無線mesh網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

ZigBee因其簡易性、可移動性、高穩(wěn)定性、低帶寬需求、開放的頻帶和低成本等優(yōu)勢，已成為一種應(yīng)用于電量管理和智能電表的理想通信方式。內(nèi)嵌ZigBee的智能電表不但可以檢測電量，還能與裝有ZigBee的智能家居電器進(jìn)行通信并控制。但ZigBee數(shù)據(jù)處理能力不夠高，內(nèi)存容量小以及對延時有苛刻限制。此外，ZigBee通常使用2.4GHz開放頻段，容易被其他同樣利用這一頻帶的通信方式干擾，如WiFi和Bluetooth等。

無線mesh網(wǎng)絡(luò)是一種包含了若干節(jié)點的靈活的網(wǎng)絡(luò)，新的節(jié)點可以隨時加進(jìn)來，并且每個節(jié)點除了作為信息的接收端或發(fā)送端，還充當(dāng)路由器的角色。也就是說，每個節(jié)點都可以作為信息轉(zhuǎn)發(fā)器，一段信息從發(fā)送端開始，經(jīng)過若干個節(jié)點的路由，到達(dá)網(wǎng)絡(luò)接入點。無線mesh網(wǎng)絡(luò)具有自我組織、自我配置能力，以及高擴(kuò)展性等特點，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡;并且，在城市及市郊，這種多跳路由方式有效的增大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，是一種性價比很高的解決方案;但網(wǎng)絡(luò)容量、衰減和干擾是無線mesh網(wǎng)絡(luò)的主要挑戰(zhàn)。在城市范圍內(nèi)，電表的覆蓋范圍不足以使無線mesh網(wǎng)絡(luò)完全覆蓋整個區(qū)域;其次，由于每個節(jié)點都可以作為信息轉(zhuǎn)發(fā)器，如果算法不夠完善，很可能會形成信息環(huán)流，這樣無疑增大了額外的通信處理開銷，同時降低了通訊帶寬。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為一種移動通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)運用較長時間，已是一種成熟的技術(shù)。它包括2G、2.5G、3G、4G-LTE、WiMAX等通信技術(shù)。現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)是一個的很好選擇，它有利于實現(xiàn)智能電表和變配電站之間或遠(yuǎn)距離節(jié)點間的通信。國內(nèi)外有很多公司已經(jīng)展開基于GSM、GPRS、3GCDMA等通信技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)通信的研發(fā)，其中包括Verizon公司的應(yīng)用于智能住宅電網(wǎng)的基于CDMA的解決方案，GE正在研發(fā)基于WiMAX的智能電表等。蜂窩網(wǎng)絡(luò)最突出的優(yōu)勢就是其設(shè)施較完善，無需再次投入經(jīng)費進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)。同時，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍很廣，無論城市和鄉(xiāng)村覆蓋面積基本已經(jīng)達(dá)到100%，因此非常適合配電網(wǎng)的通信需求。但由于蜂窩網(wǎng)絡(luò)往往是公共平臺，一旦移動通信業(yè)務(wù)繁忙，網(wǎng)絡(luò)堵塞，會降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)的可用性，導(dǎo)致信息傳輸延時或失敗，這是電力系統(tǒng)所不允許的。對此，網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商可以為電力系統(tǒng)提供專用的通信網(wǎng)絡(luò)，以解決和民用通信系統(tǒng)沖突的問題。此外，由于無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸媒介開放，必須采用信息加密技術(shù)以保證信息的安全性。

低壓電力線載波技術(shù)是依靠電力線為傳輸媒介的一種專用于電力系統(tǒng)通信的技術(shù)。該技術(shù)的最大優(yōu)勢是傳輸媒介無需額外投入，通信覆蓋范圍達(dá)到100%，而且有較高的安全性。電力線載波技術(shù)分窄帶電力線載波(narrow-bandpowerlinecommunications，NB-PLC)和寬帶電力線載波(broad-bandpowerlinecommunications，BB-PLC)兩類，設(shè)備控制一般采用窄帶電力線載波技術(shù)，其載波頻率不超過300kHz。在法國開展的LinkyMeterProject項目中，電力線載波技術(shù)已被用于3500萬個智能電表與通信子站的通信方式，而GPRS技術(shù)被用于通信子站和通信總站的信息傳輸。但是，由于低壓電力線并非為通信系統(tǒng)設(shè)計，其通信環(huán)境比較苛刻，易受干擾，長距離傳輸?shù)男盘査p嚴(yán)重，因此需要通過通信協(xié)議的設(shè)計以克服傳輸可靠性問題。另外，通信信號無法通過變電站內(nèi)的隔離變壓器，需要增加額外的設(shè)備來傳遞信號，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

數(shù)字用戶環(huán)路DSL技術(shù)是應(yīng)用在有限電話線上的高速傳輸技術(shù)。現(xiàn)有的固定電話基礎(chǔ)設(shè)施顯著減少了通信系統(tǒng)建設(shè)的開支，但現(xiàn)有ADSL網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)村的覆蓋范圍不高，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)，而在這些地區(qū)鋪設(shè)傳輸線和基礎(chǔ)設(shè)施的成本是很高的[25]。

目前，電力電子裝備的互聯(lián)采用何種通信方式來統(tǒng)一還沒有定論，許多電力電子裝備雖然具備了網(wǎng)絡(luò)或者通信接口，但不同設(shè)備生產(chǎn)廠家采用的是不同的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，無法直接連通。因此，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化的電力電子裝備還在發(fā)展中。

5電力電子裝備的互聯(lián)和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化

如上文所述，雖然近年來電力電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，如配網(wǎng)中的DFACTS設(shè)備、用戶側(cè)的各種用電設(shè)備的電源、可再生能源發(fā)電的接口等。但是，電網(wǎng)雖然將這些電力電子設(shè)備的功率端連在一起，卻未能從電網(wǎng)層次協(xié)調(diào)這些設(shè)備的運行，因而無法充分利用電力電子系統(tǒng)應(yīng)用所帶來的電能管理的靈活性和可控性。而隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，這一現(xiàn)狀將會改變。如果將每個電力電子設(shè)備視為電網(wǎng)中的一個節(jié)點，用通信網(wǎng)絡(luò)把將各個節(jié)點連接起來，便可實時收集各個節(jié)點的電能狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時發(fā)出節(jié)點指令，從總體上協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中的所有電力電子設(shè)備，這就是電力電子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

一種設(shè)想的未來電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示[24]。其中，PEBB為電力電子模塊;MEBB為機(jī)械設(shè)備模塊;EM為能量管理;Producer為能量產(chǎn)生源;Storage為儲能;Load為負(fù)載。全網(wǎng)不但包括能量流，還有信息流貫穿各個節(jié)點。由于電力電子設(shè)備對電能強(qiáng)大的主動調(diào)節(jié)能力，各種負(fù)載、分布式發(fā)電端、儲能設(shè)備以及不同電網(wǎng)之間的接口均由電力電子設(shè)備承擔(dān)，同時參與通信，執(zhí)行調(diào)配命令。

2011年美國北卡州立大學(xué)的FREEDM研究中心提出了能量互聯(lián)網(wǎng)“EnergyInternet”的概念[26]。它類比信息互聯(lián)網(wǎng)，將電力電子設(shè)備與通信技術(shù)結(jié)合起來，以構(gòu)造一種全新的配電網(wǎng)架構(gòu)，將傳統(tǒng)的集中式發(fā)電、輸電、用電的格局改變?yōu)榉植际桨l(fā)電、用電的網(wǎng)絡(luò)。以此為基礎(chǔ)構(gòu)造用戶導(dǎo)向的用電網(wǎng)絡(luò)。同時，強(qiáng)大的通信功能將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的信息匯集起來，實現(xiàn)實時電價。此結(jié)構(gòu)與智能電網(wǎng)的主要理念不謀而合。

該能量互聯(lián)網(wǎng)將應(yīng)用于配電網(wǎng)中，直接面對民用和工業(yè)用戶。其架構(gòu)主要包括三個要素：即插即用的功率接口、能量路由器和基于開放通信協(xié)議(如TCP/IP或HTML)的操作系統(tǒng)，這三個要素具體敘述如下。

1)即插即用的功率接口(見圖7)將普通用電器、儲能電池、分布式發(fā)電等終端接入配電網(wǎng)[26]。該功率接口的基本功能是將不同設(shè)備的電能輸入形式轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)相匹配的形式，即電能形式轉(zhuǎn)換功能。這表明該功率接口是一個電力電子設(shè)備，如儲能系統(tǒng)的雙向變換器、PV并網(wǎng)逆變器等。作為即插即用的功率接口還需具有通信接口，并支持標(biāo)準(zhǔn)操作協(xié)議，可以立刻識別接入電網(wǎng)的終端設(shè)備，并將終端設(shè)備的信息上傳給網(wǎng)絡(luò)，接受調(diào)控指令。

2)能量路由器(energyrouter)，也稱為智能能量管理模塊IEM，是中壓配電網(wǎng)和低壓區(qū)域網(wǎng)的接口，可以實現(xiàn)能量的雙向流動，同時為可再生能源設(shè)備提供低壓直流母線。能量路由器同樣支持通用開放標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實時接收所有功率接口上傳的終端信息，并提供終端設(shè)備的參考指令。這些指令值的確定取決于當(dāng)前所有終端設(shè)備的工作狀態(tài)以及中壓配電網(wǎng)的指令。同時，能量路由器還肩負(fù)著區(qū)域低壓配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定、低壓穿越以及限制故障電流等任務(wù)。由于面對的用電戶不同，能量路由器的電壓等級和功率等級會有所差異。例如針對民用用電戶的能量路由器是20kVA[27];而針對工業(yè)用戶的容量可能達(dá)到500kVA，可直接從中壓配電網(wǎng)取電，輸出三相低壓交流母線給用戶供電。

3)開放標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，這是個通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。所有功率接口和能量路由器均需支持該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以便將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的設(shè)備加以識別、監(jiān)測和統(tǒng)一協(xié)調(diào)[28]。圖8給出能量互聯(lián)網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)圖[26]。將通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議安裝到用戶的個人電腦或手機(jī)上，這樣用戶可以實時了解家里的用電狀況以及上網(wǎng)電價等信息;連接到區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度中心，實時的用電狀況便可以匯總，加以分析并進(jìn)行主動控制。

從圖8可以看出，能量流和信息流是能量互聯(lián)網(wǎng)的兩個重要組成部分，也是電力電子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。隨著電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)中，能量層已經(jīng)初步形成互聯(lián)基礎(chǔ);通信層還亟待發(fā)展，配電網(wǎng)各節(jié)點的信息化程度還不夠，智能電表等具有通信功能的設(shè)備的使用率還較低，其要實現(xiàn)配電網(wǎng)各節(jié)點的實時可控，還有待進(jìn)一步完善。

6結(jié)論

電力電子裝備在配電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用不但為配電網(wǎng)帶來了性能提升，而且使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變革，并使直流配電網(wǎng)成為現(xiàn)實。電力電子技術(shù)自身的發(fā)展，特別是新型電力電子器件和無源元件性能的提高，雙向/多向變流器大容量化，智能控制手段的完善等，使得配電網(wǎng)和用戶端采用的電力電子裝備都能夠滿足電能形式多樣化和大功率電能交互的需求。各種通信方式的出現(xiàn)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，并和電力電子技術(shù)相結(jié)合將可以實現(xiàn)各種電力電子裝備的互聯(lián)，形成電能和信息集成一體化系統(tǒng)，這就是電力電子技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化——或者稱之為電力電子互聯(lián)網(wǎng)。電力電子技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化要完成功率流和信息流控制、管理還面臨許多的挑戰(zhàn)，但它作為電能高效利用非常有效的方法和手段在未來配電網(wǎng)中將起著十分重要的作用。