郭媛，祁兵

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市102206)

直流微電網(wǎng)的電能路由算法

郭媛，祁兵

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市102206)

為了減少化石燃料的使用，越來越多的可再生分布式電源被應用到電網(wǎng)中。微電網(wǎng)是分布式電源的有效利用方式，但是在微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行中，分布式電源的頻率和電壓波動會對主電網(wǎng)產(chǎn)生很大的影響，而直流微電網(wǎng)可以抑制這些波動的干擾。同時，用戶終端的直流負荷日益增長，直流電網(wǎng)將是未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。基于此，構建了一個使用直流電的局域網(wǎng)絡，并利用電能信息進行直流電能的分配和路由。在直流局域網(wǎng)中，首先將直流電源進行數(shù)字化分組，然后通過電能路由器傳輸分組電能及其信息，實現(xiàn)分布式電源和負載之間的電能供需平衡。最后給出了基于連續(xù)最短路徑的電能路由算法，并對算法進行了仿真和分析。

分布式電源；電能路由器；電能路由算法

0 引 言

隨著化石燃料等傳統(tǒng)能源的枯竭以及電力需求的不斷增長，越來越多的可再生能源被應用于現(xiàn)有電網(wǎng)?？稍偕茉词侵竵碜杂谧匀唤缰械目梢匝h(huán)再生的能源，包括太陽能、風能、潮汐能和生物質能等，具有可再生、能量密度低、間歇性及分布分散等特點。采用分布式發(fā)電技術有助于可再生能源的高效利用，但是可再生分布式電源的輸出受環(huán)境的影響。因此，接入電網(wǎng)的可再生能源越多，對電網(wǎng)功率流頻率和電壓的影響越大。分布式電源主要以微電網(wǎng)的形式接入主電網(wǎng)，可以與主電網(wǎng)并網(wǎng)運行或者孤島運行。但是交流微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行不但需要適當?shù)碾妷弘娖娇刂?，還需要保持分布式發(fā)電單元之間的同步。而在直流微電網(wǎng)中，由于只需要調節(jié)電壓，這個問題就變得相對簡單[1-2]。另一方面，對電池進行充電是低優(yōu)先級任務，使用間歇的剩余功率對其進行充電就足夠了[3-4]，因此，大容量電池被用來暫時存儲能量以實現(xiàn)負載均衡[5]，這些趨勢正在將分布式電源擴展到消費領域。在家庭中推廣可再生電源意味著用戶將不再僅僅是負載，還是可以提供與主電網(wǎng)電流方向相反的電源。而用戶終端的直流負荷(如電動汽車、通信信息系統(tǒng)、節(jié)能燈等)不斷增長，采用變頻技術的家庭辦公設備(如電力機車、空調、電梯等)也不斷增多，現(xiàn)代用電設備逐步趨向使用直流電或包含直流環(huán)節(jié)[6]。然而，在交流微電網(wǎng)中，可再生能源的輸出功率需要經(jīng)過多次轉換才能被直流負荷所使用，這增加了電能損耗及設備成本[7]。例如，太陽能電池要進行直流到交流，再由交流到直流的2次轉換，會產(chǎn)生較大的轉換損失，即便是高達95%的轉換效率，也有約9.75%的電能損耗[8]。在用戶側引入直流供電，直接使用直流電驅動設備，利用分布式電力系統(tǒng)來降低總的電能消耗，同時恰當?shù)仄胶猹毩⒂脩舻碾娔苌a(chǎn)和消費，可以使分布式電源得到更好的應用。

本文在假設所有用戶為直流用電的情況下，提出一個靈活的由電能路由器和分布式電源組成的分布式直流電源局域網(wǎng)。利用在電能波形上疊加信息的方法，將分布式電源和負載之間的電流信息化。并設計一種直流電能路由器，實現(xiàn)特定電源和負載之間的電能路由，合理有效地利用分布式能源，減少對大電網(wǎng)的依賴。

1 分布式電源直流局域網(wǎng)

在現(xiàn)有電網(wǎng)中，可再生能源的集成和滲透是一個極大的挑戰(zhàn)。利用已有的控制方法，可利用的最大數(shù)量間歇性能源為總需求的20%～25%[9-11]。此外，配電系統(tǒng)是從電廠到負載的單向流動系統(tǒng)，分布式電源的引入帶來的擴容成本高、擴展系統(tǒng)控制復雜等問題在當前電網(wǎng)模式中是不容易解決的。因此，文中結合Internet和分布式電源提出一個新的電網(wǎng)架構來解決前面提到的問題。該系統(tǒng)由電能路由器、負載、電源和存儲設備組成，能夠智能管理內部的電力需求，同時具有連接到外部電力系統(tǒng)的接口，稱為“直流局域網(wǎng)”。直流局域網(wǎng)相對于外部電網(wǎng)是一個黑匣子，相當于一個恒定負載或一個恒定源或一個零負載，這使得間歇性電源直接接入時，不會對電網(wǎng)產(chǎn)生負面影響。直流局域網(wǎng)可以容納不同層次等級和網(wǎng)絡配置，從個人電子設備到家庭、鄰居，直到城市規(guī)模。每個直流局域網(wǎng)與外部電網(wǎng)隔離，因此可以作為一個單獨的網(wǎng)絡進行操作。直流局域網(wǎng)可以相互連接形成一個大的網(wǎng)絡，可以結合單個節(jié)點的存儲能力和發(fā)電情況，形成一個本地發(fā)配電的自治分布式系統(tǒng)。

直流局域網(wǎng)是由電能路由器和分布式電源組成的網(wǎng)狀結構網(wǎng)絡，如圖1所示。電能路由器包含矩陣開關，通過控制電能路由器的開關，直流電源的電能被分組打包，然后通過電力線從電源路由引導到負載。電源和負載分別通過電力線連接到電能路由器的輸入和輸出端口上。所有的電源和負載都有一個獨立的IP地址，電能路由器根據(jù)IP識別這些基礎單元以實現(xiàn)電能分配[12]。在直流局域網(wǎng)中，用戶的用電負荷可以根據(jù)所需電能質量選擇分布式電源或者市電進行供電。當用戶想使用一個用電設備時，該設備就發(fā)送一個電能請求到電能路由器上，該請求包括電能需求、電能質量要求、設備的IP和電能請求優(yōu)先級等。電能質量包括最大可提供功率、頻率變化和電壓波動等。電能路由器接收信息，并選擇一個與該設備相應的合適電源，然后路由器為電源到負載配置一條合適的路徑。最后根據(jù)信息提供相應的電力，電能路由器盡可能選擇利用可再生能源發(fā)電的電源。

圖1 直流局域網(wǎng)

2 直流局域網(wǎng)系統(tǒng)配置

在傳統(tǒng)電力傳輸中，任何電源都無法通過電能本身進行區(qū)分，因此無法從特定的電源處獲得單一的電能。為實現(xiàn)電源與負載的匹配，電能路由器收集電源和負載的信息。在直流局域網(wǎng)中，利用在電能波形上疊加信息的方法，將電能和其信息作為一個電能包進行傳輸[13-14]。電能包通過時分復用(time division multiplexing，TDM)方式，將電能在時間上進行劃分，為不同的負載提供電能。電能的分組相當于電能的數(shù)字化，通過控制發(fā)送電能包的數(shù)量，可以調節(jié)電源所提供的電能。

2.1 電能包

電源被分為若干個載荷單元，為每個單元添加一個報頭和報尾就構成了一個電能包，如圖2所示。報頭包含開始信號和地址信號，開始信號代表分組的開始，地址信號包括目標負載的地址和發(fā)送電源的地址。報尾包含一個結束信號，其他信息也可以包含在其中。載荷是一個承載著電能的脈沖，可以通過調節(jié)有效載荷的長度或調制功率波形來改變電源的分組數(shù)量。當路由器發(fā)送電能包到多個負載時，裝載電能的時隙被分配給對應的負載。因此，負載在每單位時間內接收到的電能是變化的，取決于負載的數(shù)量。

圖2 電能包配置

2.2 電能路由器

電能路由器由開關、二極管、控制器、驅動電路和隔離器組成，如圖3所示?？刂破魍ㄟ^隔離器讀取電力線上的信息，并根據(jù)信息不斷導通/關斷驅動電路的控制開關，來產(chǎn)生電能包或者選擇輸出端口(可能目的負載，或下一跳路由器)?？刂破骺刂茣r鐘信號的產(chǎn)生，用于保持電能路由器之間的時鐘同步。二極管可以防止電流反流，并濾除電容性負載產(chǎn)生的波形。路由器的輸入端口連接到電源或電能路由器，接收傳輸線上傳送的電能包，并將所接收電能包中的電能暫時存儲在存儲區(qū)中，然后重新添加信息標簽并制造新電能包。路由器的輸出端口連接路由器或目的負載，由控制器根據(jù)報頭的地址進行分類，轉發(fā)或分配電能包。

圖3 電能路由器配置

以二電源和二負載為例進行說明，其中，省略轉發(fā)路由器節(jié)點，如圖4所示。由于電能包通過TDM的方式傳輸，因此，可以防止不同電源的電能混合，即使在同一電力線上傳輸也可以進行區(qū)分。

3 電能路由算法

在直流局域網(wǎng)中進行電能路由的目的是在傳輸電能的過程中盡量減少總成本，且最大限度地滿足負荷需求。這2個問題可以分別對應于圖論中的最小費用[15]和最大流[16]問題，可以利用圖論以分布式的方法來解決。對于最小成本流問題的分布式實現(xiàn)，一個簡單而有效的解決方案是采用連續(xù)最短路徑算法[17]，因此采用此算法來實現(xiàn)分布式電源和負載之間的電能傳輸。

圖4 二電源和二負載情況

首先，把直流局域網(wǎng)用圖G(V,E)來表示，其中V代表一個頂點(用戶)，E代表邊(用戶之間的電力連接線)。邊成本為cij，與每條邊(i，j)相關的剩余容量為rij，傳輸線的容量為uij。在圖中增加2個頂點，即一個虛擬源節(jié)點S和一個匯聚節(jié)點T。每個區(qū)域i有發(fā)電機，每個源邊(s，i)包括剩余容量rsi(電源可用發(fā)電量)和成本csi(發(fā)電生產(chǎn)成本)。假設每個用戶j都有負載，匯聚邊(j，t)的剩余容量(用戶負荷需求)為rjt，成本為cjt，用戶負載優(yōu)先級成本為γj。其中，節(jié)點的電位πi與圖G(V,E)的每個頂點相關，以圖5為例，算法流程如下。

圖5 連續(xù)最短路徑算法示例

(1)將源節(jié)點的電位設為0。利用πj≥πi-cij不斷更新其他節(jié)點電位，直到其滿足最短路徑的最優(yōu)條件。圖5中節(jié)點1、2的電位分別被更新為-3和-4。雖然節(jié)點1還收到節(jié)點2傳來的更新信息-5，但π2仍保持為-4，因為其需要滿足方程：πj≥πi-cij。

(2)更新所有頂點最短路徑的節(jié)點電位后，通過跟蹤從t到s的邊，得到最短路徑。圖5中虛線為最短路徑樹，第1次得到的最短路徑為s-1-t。

(3)增大從s流出的流量，直到至少達到一條邊的容量。路徑s-1-t中，邊1-t的容量為11，因此從節(jié)點s流出11的流量到節(jié)點t。

(4)更新流量后，邊s-1的容量更新為4，邊1-t的容量更新為0。

(5)重復步驟(1)～(4)，當不存在從s到t的路徑時，算法結束。

4 電能路由仿真

以5個用戶的直流局域網(wǎng)的電能分配和路由為例，該系統(tǒng)中有3個用戶包含電源，每個用戶都包含負載。表1給出了各用戶的發(fā)電容量、生產(chǎn)成本、負載需求和負載優(yōu)先級成本。

表1 各用戶的供需參數(shù)

Table 1 Supply and demand parameters of users

上述直流局域網(wǎng)中，各用戶的電能供需情況及用戶之間的電力線連接情況如圖6所示。將含有電源的節(jié)點分別與節(jié)點s相連接，連線代表了相關用戶的發(fā)電成本和發(fā)電容量。所有含有負載的節(jié)點分別與節(jié)點t相連，連線代表了相關用戶的負載需求和優(yōu)先級成本。用戶之間相互連接，這些邊的數(shù)值代表了傳輸成本cij和傳輸線容量uij。

圖6 五用戶的直流局域網(wǎng)

利用MATLAB進行仿真，得到各用戶之間的電能分配如表2所示。由表2可知，網(wǎng)絡中的最大流為35，用戶2中的電源僅為用戶內部提供電能，用戶1和3中的電源不僅為用戶內部提供電能，還為其他的需求用戶提供電能，所有的負載需求都得到了滿足。

表2 用戶電能分配

Table 2 Power allocation of users kW

供電用戶的發(fā)電量、線路容量和各個成本的改變對直流局域網(wǎng)中的電能分配都有影響，表3給出了改變發(fā)電量和線路容量后的電能路由結果。第1組數(shù)據(jù)對應最初的例子，即表2中的情況。第2、3、4組數(shù)據(jù)對應供電用戶發(fā)電量的改變：第2組中，用戶3的發(fā)電容量由18 kW減少為10 kW；第3組中，用戶3的發(fā)電容量由18 kW增加為20 kW；第4組中，用戶2的發(fā)電容量由10 kW減少為8 kW。第5和6組數(shù)據(jù)對應線路容量的變化：第5組中，線路2→4的容量由5 kW減少為2 kW；第6組中，線路2→4的容量由5 kW增加為8 kW。第7和8組數(shù)據(jù)對應線路成本的變化：第7組中，線路2→4的成本由1增加為3；第8組中，線路3→5的成本由1增加為2。

由表3可知，供電用戶首先滿足了自身的負載需求，然后將多余的電能提供給外界，符合本文所設計的電能路由策略。當供電用戶所提供的發(fā)電容量改變時，對應的路由路徑發(fā)生變化，從表中可以看出用戶3對外供電能力對整個網(wǎng)絡的總成本影響較大；線路2→4的容量變化對整個網(wǎng)絡的總成本影響較小。

5 結 語

本文構建了一個由分布式電源供電，不依賴于現(xiàn)有電網(wǎng)的直流局域網(wǎng)。并在此基礎上，利用同時傳輸電能和其信息的方法，提出了包含分布式電源的直流電能傳輸系統(tǒng)。通過時分復用技術，系統(tǒng)可以轉發(fā)和靈活地管理電能包，為不同的負載提供電能，同時能夠區(qū)分出不同的電源。將電源打包，在產(chǎn)生的電能脈沖頭部和尾部加上標簽，組成一個電能包。電能包通過多個路由器從電源傳輸?shù)侥康呢撦d。通過控制發(fā)送電能包的數(shù)量，可以調節(jié)電源所提供的電能。最后文中給出了直流電能的路由算法，實現(xiàn)了分布式電源和負載之間的最佳匹配和電能傳輸。隨著新的電能傳輸方法的發(fā)展，包含分布式電源的直流局域網(wǎng)將是未來配電網(wǎng)的重要組成部分。

表3 不同情況下的電能分配表

Table 3 Power allocation under different conditions

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(編輯 張小飛)

Power Routing Algorithm of DC Micro-grid

GUO Yuan，QI Bing

(College of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

To reduce the use of fossil fuels, more and more renewable distributed power is applied in power grid. Micro-Grid is an effective utilization mode for distributed generation; however, during the grid-connected operation of micro-grid, the frequency and voltage fluctuation of distributed generation will have great influence on main power grid. DC micro-grid can suppress the interference of these fluctuations. At the same time, the DC load of user terminal is increasing, and the DC grid will be the development trend of the future grid. Therefore, we construct a local network with using DC, and use the information of power for dispatching and routing DC power. The digital packet should be carried out for DC power in the DC local network. Then, the power supply and demand balance between distributed generation and load can be realized by transferring the power and its information through power routers. Finally, we present the power routing algorithm based on continuous shortest path, and carry out the simulation and analysis of this algorithm.

distributed generation; power router; power routing algorithm

TM 727

A

1000-7229(2016)01-0045-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.007

2015-07-25

郭媛(1992)，女，工學碩士，研究方向為通信在智能電網(wǎng)中的應用；

祁兵(1965)，男，教授，IEC PC118 工作組專家，研究方向為電力系統(tǒng)信息、通信及智能用電。