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配电网电力电子装备互联与网络化探讨

【摘要】在智能电网发展趋势下,配电网电力电子装备的互联水平和网络化水平逐步提升,为智能集中抄表、远程数据监控等提供了有力支持。本文首先对配电网电力电子装备进行研究,并分析其通信系统建设现状及发展趋势,在此基础上,探讨配电网电力电子装备互联及网络化的关键实现技术,包括系统架构设计、即插即用功率接口应用、能量路由器应用、开放标准操作系统等。

【关键词】配电网;电力电子装备;互联;网络化技术

前言

配电网中的电力电子装备不仅要保证自身的运行稳定性,还要实现与同一系统下的其他电力电子装备进行交互和通信,从而确保整个系统的正常运行以及智能化监测功能的正常使用。在电力电子技术的快速发展下,配电网设备的智能化功能已不再局限于电能质量调节,还可实现电能双向、多向流动控制或更复杂的电能调节功能。其中,改变传统装备独立工作运行方式,是满足复杂配电网控制功能的关键。需要建立一体化网络,进一步提高装备之间的联动性和通信及时性。

1配电网电力电子装备的研究

现代电力电子技术的研究和应用方向,实际上通过采用不同的电力电子装备,进行电能变换。配电系统中,应用的电力电子技术十分广泛,包括功率开关器件、无源元件、变换器技术、封装技术、冷却技术等。一个完整的配电网可以划分为三个层次,即器件、变压器、电力电子系统。其中,半导体开关器件是构成电力电子系统的重要基础,器件材料、结构、氧化层形成等则是影响器件性能的关键因素。随着材料科学的发展,目前SiC和GaN等新型半导体材料已经被应用到配电网中,使其开关损耗得到进一步降低。变换器是电能功率处理装置,将输入的电能形式转换为所需的电能幅值和频率,再进行输出。目前变换器功能已经达到99%以上,并能够通过多个变换器的连接,提高电压与电流处理能力,从而满足配电网容量要求。由多个不同类型的电力电子装备构成的复杂电路即为电力电子系统,一般设计为分层结构,由系统控制器收集变换器状态信息,并下达指令,执行闭环运算和保护等功能。目前高压大电流电气器件与无源元件的配合使用,使直流配电网的设计和实现成为可能。

2配电网通信系统分析

在电力电子技术和信息网络技术的快速发展下,配电网的智能化程度越来越高,许多电子装备可以进行信息自动采集,并利用网络方式进行传输,根据检测进行远程控制。但由于配电网中的电力电子装备数量多,运行方式复杂,要实现所有设备的互联和网络化通信,还需要建立更加智能的配电网通信系统。配电网通信系统要实现的功能主要包括全网节点的信息汇集、指令下派、辅助调度分析与决策等。目前电力系统主要采用三级通信结构,即高压等级到中压等级、发电端到176电力讯息输电端、以及主变电站的SCADA系统覆盖。在三级通信结构下,控制中心可实现对配电网中电力电子设备的实时数据收集与远程监控功能。随着配电网智能化程度的提高,其功能不再局限与对电力电子设备运行数据的简单监测,二是要实现配网调控,主动对配电网中的电力电子设备进行管理。采用单一通信方式难以实现不同规模的信息通信需要,因此,未来配电网通信系统将相多种通信方式的混合应用方向发展。

3配电网电力电子装备互联及网络化的关键技术

3.1系统框架设计

在智能配电网的建设过程中,越来越多的电力电子设备被应用到系统中,包括配电网DFACTS设备、可再生能源接口、用户侧用电设备电源等。以往配电网主要采取将不同电力电子设备功率端联接到一起的形式,但无法实现在电网层次对设备运行进行调节。因此,智能化装置的灵活性、可控性还没有被真正发挥出来。现阶段的配电网系统架构调整将逐渐改善这一问题,将每个电力电子装置看作一个网络节点,通过构建通信网络,连接所有的节点,实现对节点电能状态的实时采集、实时发布指令等功能,从而在电网层次,协调各电力电子装置运行,这是互联和网络化技术的关键所在。符合上述要求的配电网系统设计主要包括以下几个部分:电力电子模块(PEBB)、机械设备模块(MEBB)、能量管理模块(EM)、能量产生源(Producer)、储能(Storage)、负载(Load)等,如图1所示。在该系统框架下,电网不仅包括能量流,还包括各节点产生的信息流。智能装置具有对电能的主动调节能力,因此不同电网间接口以及分布式发电端、负载等均有智能装置承担,并参与通信和命令执行。该系统架构的应用可以将传统集中式发电和用电模式改变为分布式发电和用电模式,实现以用户为导向,汇集网络内所有信息,为实时电价的实现提供保障.

3.2即插即用功率接口

在上述电力电子装备的互联与网络结构中,关键实现要素包括即开放标准操作系统、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负责计入储能电池和分布式发电终端等装置。在这种功率接口的应用下,各种不同设备输入的电能形式可分别被转换为匹配于系统运行的形式,实现对不同电能形式的转换。而且这种功率接口实际上也是一种电力电子设备,可采用PV并网逆变器和双向变换器等实现。在采用该功率接口时,需要配置通信接口,通过采用标准协议,对接入到配电网中的设备进行快速识别,最终将终端设备的信息上传到网络控制中心处,由控制中心发布调控指令,调节设备运行。即插即用功率接口的使用不仅能够满足功能接口的一般功能要求,而且具有使用方便、反映灵敏等优势,目前已经在配电网中得到了较为广泛的应用。

3.3能量路由器

能量路由器即能量智能管理模块(IEM),在中低压配电网中,能量路由器主要作为接口来使用,可实现能量的双向流通,并提供低压直流母线,方便可再生能源设备的接入。在上述的网络化系统架构中,同样需要采用标准开放协议,确保能量路由器功能的正常发挥,实时接收功率接口传输过来的终端信息,并为各终端设备提供指令参考。其中,参考指令参数主要根据当前配电网中的终端设备工作状态及电网质量来确定。同时,能量路由器还负责维持低压配电网电压的稳定性,限制电压穿越与故障电流等。配电网中的用户类型和规模均不同,在能量路由器选择过程中,功率和电压等级方面也应加以区分。比如一部分能量路由器是针对民用用户设计的,容量一般为20kVA,还有部分能量路由器是针对工业用电大户设计的,容量可达到500kVA。对于后者,可直接由中压配电网供电,然后通过三相低压交流母线为用户供电。在上述互联网络中,能量路由器是一个关键设备。

3.4开放标准操作系统

上述配电网电力电子装备互联与网络化系统的实现需要采用开放通信协议标准操作系统,包括TCP/IP或HTML协议等。开放标准操作系统是一个通用网络协议,在配电网中使用的功率接口、能量路由器等装置,都必须支持开放标准协议,从而实现全网设备的识别、监测和调控等功能,协调全网运行。此外,通过将通用网络协议安装到智能手机端或用户PC机端,还可以满足用户实时查询用电信息、网上电价查询及电费缴纳等功能提供支持。用户在操作过程中可连接到区域网络调度中心,汇总实时用电信息,对其加以分析,并根据结构进行主动控制。从系统主要功能来看,上述系统架构又可以成为能量互联网,其重要组成部分是能量流与信息流,这是组成电力电子互联网的重要基础。在不同类型的电力电子装置广泛应用下,目前能量层已基本实现了互联互通,而通信层的网络化程度仍较低,具体表现为各网络节点的信息化程度较低、智能电表等通信功能设备利用效率低,因此目前配电网实时控制能力还未达到预期水平,需要进一步研究通信层网络化技术的实现。

4结束语

综上所述,电力电子设备在配电网中应用广泛,实现其互联和网络化管理,可以进一步提升智能电网的自动化水平,实现不同装置之间的联动管理。目前电力电子技术的快速发展以及智能化技术的发展都为新型电力电子装置互联网络的构建提供了基础,本次研究提出了一种具体的互联网络实现方式,并指出其中的关键技术,希望可以为配电网电力电子装备网络化的研究及系统设计提供参考。

参考文献

[1]刘润宇.探究配电网电力电子装备的互联与网络化技术[J].通讯世界,2017(19):212~213.

[2]逯志刚.浅谈网络化技术在配电网电力电子装备互联中的应用[J].中外企业家,2016(30):95.

[3]王亚刚,方真真,刘鹏涛.配电网电力电子装备的互联与网络化技术研究[J].科技展望,2016,26(03):105.

作者:柯鸿源 单位:东莞润赢电力科技有限公司

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