配電網(wǎng)電力電子裝備的互聯(lián)與網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)

1、配電網(wǎng)電力電子裝備的互聯(lián)與網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)0引言電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展使大容量變換器具備了能量雙向/多向流動能力，同時可以實現(xiàn)各種電能形式的變換、調(diào)控和管理。電力電 子技術(shù)的廣泛應(yīng)用將給電力系統(tǒng)，尤其是配電網(wǎng)和用戶端帶來深刻變 革。電力電子技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合將成為一種趨勢，使得電力電子裝備成為能量與信息的一體化集成系統(tǒng)，其核心就是電力電子網(wǎng)絡(luò)化 技術(shù)。本文主要討論了電力電子網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的研究和應(yīng)用，包括電力電子裝備、通信系統(tǒng)和直流配電網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域的問題和挑戰(zhàn)。1配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電力電子裝備及應(yīng)用電力系統(tǒng)通常分為發(fā)電、輸電和配電系統(tǒng)三部分。配電系統(tǒng)又稱 為配電網(wǎng)，它面向用戶，其傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是從輸電系統(tǒng)接收電

2、能并分配給 各個用戶。傳統(tǒng)配電網(wǎng)有以下特點：1）電力的傳輸一般是單向的，即 向負載端傳遞1； 2）配電網(wǎng)中有大量電力電子裝備以滿足用戶對電能 質(zhì)量的要求；3）用電負荷中包含了各種電力電子設(shè)備以實現(xiàn)電能形式 多樣化；4）配電網(wǎng)中的配網(wǎng)自動化有信號和數(shù)據(jù)傳輸，其通信方式多 樣，通信速率不一，以滿足不同控制需求。作為一個時變系統(tǒng)，配電網(wǎng)對用戶負荷環(huán)境的每個變化都要具有 調(diào)控和適應(yīng)能力，電力電子裝備的使用能縮短電網(wǎng)的響應(yīng)時間并增強 電網(wǎng)的調(diào)控能力2。同時，為提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，需要各種配電 設(shè)備在工作頻率、阻抗特性、諧波產(chǎn)生等方面滿足一定條件。配電網(wǎng) 靈活 交流輸 電系統(tǒng)（distributionf

3、lexibleACtransmissionsystem , DFACTS）34電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合起來，對電力系統(tǒng)電 壓、線路阻抗、相位角、功潮流等參數(shù)進行快速、連續(xù)地調(diào)節(jié)控制， 從而大幅提高輸電線路的輸送能力和可控性，降低輸電損耗，保證安全供電。DFACT阱起關(guān)鍵作用的電力電子設(shè)備有：1）配網(wǎng)中的串并聯(lián)同步補償器。串聯(lián)裝置起著將系統(tǒng)與負荷隔離 的作用4,是面向負荷的補償方式，用于防止諸如電壓波動、不平衡 和高次諧波等系統(tǒng)非正常運行對負荷產(chǎn)生影響。并聯(lián)裝置與負荷并聯(lián) 用來抑制負荷（如鋼廠、電氣化鐵道、大型變流器等）所產(chǎn)生的高次諧 波、不對稱、無功和閃變等有害因素對系統(tǒng)的影響，是面向系

4、統(tǒng)的補 償方式5。為了充分利用串聯(lián)和并聯(lián)補償器各自的優(yōu)點，統(tǒng)一潮流控制器 （unifiedpowerflowcontroller , UPFC兩種補償方式混合起來使用，使 其具備雙向補償功能一一既面向系統(tǒng)，又面向負荷。2）有源濾波器（activepowerfilter, APF）是一種實現(xiàn)無功補償和抑制諧波的電力電子裝置6。它通過注入與負載諧波分量大小相等、方 向相反的補償電流，消除非線性負載對電網(wǎng)的影響。APF同樣分為并 聯(lián)和串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)，分別面向系統(tǒng)和負荷進行補償。3)固態(tài)開關(guān)。主要用來隔離電網(wǎng)中的故障，包括固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān) (solidstatetransferswitch , SSTS和

5、固態(tài)斷路器(solidstatebreaker, SSB)7其中SSTS可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，在幾毫秒之內(nèi)將負荷由故 障母線轉(zhuǎn)換到備用電源；而SSBM當系統(tǒng)發(fā)生故障時，將設(shè)備從系統(tǒng) 中切除。當其與電抗相連時，可用作固態(tài)限流器 (solidstatecurrentlimiter, SSCL)除了配電線路，用戶端也大量應(yīng)用了電力電子裝置。電力電子變換器將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換成各種用戶所需的電能形式，達到節(jié)能和提高用電質(zhì)量的目的。例如，電氣化鐵路中的電機驅(qū)動采用IGCT和IGBT 等器件8,整流和逆變環(huán)節(jié)通過PWM控制，使輸入電流功率因數(shù)為 1,既提高了機車性能，又維持了電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量，并降低了無功 補

6、償和諧波抑制裝置的容量。又如在工業(yè)電力傳動調(diào)速系統(tǒng)中廣泛使 用變頻器，以實現(xiàn)電機節(jié)電運行。對中小容量風機、水泵、壓縮機等 采用低壓變頻調(diào)速技術(shù)，一般可節(jié)能20%50%中大容量設(shè)備采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)可節(jié)能 25%40%這對占我國總用電量 40%以上 電動機耗電而言，其節(jié)能效果非?？捎^。止匕外，一些對供電質(zhì)量要求 高的場合必須采用電力電子裝置。電壓調(diào)整模塊(voltageregulationmodule, VRM)由于其負載動態(tài)性能好，廣泛用于IT、 通信領(lǐng)域的供電9。銀行、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心等場所對供電的可靠性要 求很高，必須采用不間斷電源 UPS以提高供電的安全性10。電動汽 車和儲能裝置中，充

7、放電設(shè)備是必不可少的。正是由于電力電子裝備 在用戶端具有節(jié)能、高性能、負荷特性易于控制等優(yōu)勢，可以預見將 來大部分電能在傳輸?shù)接脩舳饲岸紩?jīng)過電力電子變換設(shè)備，這會對配電網(wǎng)產(chǎn)生巨大的影響。但是電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用還需要考慮如 下問題：1)成本。隨著功率器件和DSP/MCU的廣泛應(yīng)用和價格不斷下降， 設(shè)備硬件成本不斷降低。對于大部分通用電力電子設(shè)備，成本將不再 成為其推廣應(yīng)用的障礙。但是，傳統(tǒng)的電力電子裝置設(shè)計需要多個領(lǐng) 域有經(jīng)驗的研發(fā)人員的配合，研發(fā)成本很高，尤其對于那些小批量的 個性化設(shè)備。為了降低研發(fā)和制造成本，國內(nèi)外學者研究電力電子模 塊單元(powerelectronicbuildi

8、ngblock , PEBB)11力圖簡化電力電子 設(shè)備的研發(fā)和設(shè)計，使其適用于大規(guī)模生產(chǎn)，通過提高產(chǎn)量降低整機 成本。2)可靠性。按成本計算，分布式配電網(wǎng)中電力電子裝備的比例一 般低于總系統(tǒng)的50%,但目前來說，電力電子設(shè)備仍然是總系統(tǒng)中故 障率較高的部分。因此，需要通過優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、精確控制策略和保 護機制，來提高電力電子系統(tǒng)的可靠性。3）干擾。電力電子設(shè)備采用高頻斬波技術(shù)，較高的3）干擾。電力電子設(shè)備采用高頻斬波技術(shù)，較高的dv/dt、di/dt會對電網(wǎng)造成明顯的電磁干擾和諧波污染等危害，甚至影響監(jiān)控系統(tǒng)通信質(zhì)量。隨著軟開關(guān)和 EMC技術(shù)的進一步發(fā)展，電力電子變換器 的電磁干擾將不斷降低

9、12。4）容量。相對于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)備，電力電子變換器的容量相 對較小，這是電力電子技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)。盡管多電平 多重化技術(shù)的變流器達 MW至幾十MW級，輕型直流輸電裝備采用 可關(guān)斷器件，已到幾百 MVA,這些都無法和電力系統(tǒng)裝備容量相比 較。因此，電力電子設(shè)備可處理的功率等級還需要大幅度擴充，提高 電力電子裝備技術(shù)是當務(wù)之急。2電力電子裝備技術(shù)的發(fā)展電力電子技術(shù)是基于電力電子器件實現(xiàn)電能變換的技術(shù)。一個完整的電力電子系統(tǒng)包含相當寬泛的技術(shù)領(lǐng)域，如功率開關(guān)器件技術(shù)、 變換器技術(shù)、控制理論、無源元件、封裝、 EMC冷卻技術(shù)等，如圖 1所示13。要使電力電子裝備技術(shù)在配電網(wǎng)系統(tǒng)得到更

10、好的應(yīng)用， 器件、變換器和系統(tǒng)三個層次都必須同時發(fā)展， 將對這三個層次展開 具體敘述。1）器件。半導體開關(guān)器件是電力電子的基礎(chǔ)，包括IGBT IGCT SCR亨,其電壓/電流等級已分別達到6500V, 4500A。提高現(xiàn)有器件的水平， 發(fā)展新型器件是電力電子學科的前沿課題。 影響器件性能的因素包括 器件材料、器件結(jié)構(gòu)及氧化層形成等相關(guān)工藝技術(shù)14。近年來，新型半導體材料如SiC和GaN等寬禁帶材料得到迅猛發(fā) 展，使電力電子器件的工作溫度和頻率進一步提升。表 1給出了 Si、 SiC以及GaN等三種材料特性的對比15。當前SiC主要被用作超高壓 大功率器件16,而GaN主要用于制造高頻器件，如1

11、MHz以上17 隨著器件技術(shù)發(fā)展，各種工藝的進步，開關(guān)速度不斷提高，開關(guān)損耗 逐步降低，驅(qū)動功率也相應(yīng)減小。另一方面，隨著電力電子設(shè)備工作 頻率和功率密度的提升，無源元件的寄生參數(shù)也會對電路性能產(chǎn)生較 大影響。在其制作中，磁性元件和絕緣材料的改進不但可以降低損耗， 還有助于縮小體積。2）變換器。從電力電子學科的誕生伊始，變換器技術(shù)就不斷地向前發(fā)展。變 換器作為電能的功率處理器，將某種頻率、某種幅度的輸入電能形式 變換成另一種頻率和幅值的電能，使電能完全適用于配電網(wǎng)和用戶端。如今研究人員已經(jīng)提出了適用于雙向、 多向電能流動控制與傳輸 應(yīng)用的大量拓撲結(jié)構(gòu)。變換器的效率也已經(jīng)被提升到前所未有的高度，

12、幾乎各類變換器的效率均已超過 90%,甚至99%這樣的高效率也 已經(jīng)不罕見18。另外，大功率系統(tǒng)中將多個變換器串聯(lián)或并聯(lián)，通 過這種方式以提高電壓和電流處理能力，來匹配配電網(wǎng)容量。3）電力電子系統(tǒng)。一些大型電力電子裝備往往需要多個變換器以及復雜的輔助電路，這構(gòu)成了一個電力電子系統(tǒng)。圖2為一個典型電力電子系統(tǒng)的框 圖19。系統(tǒng)中有多個變換器進行能量處理，它們彼此可能是串聯(lián)、 并聯(lián)、級聯(lián)或者甚至沒有直接的電氣連接。由于系統(tǒng)規(guī)模較大，使用 一個控制器無法處理如此龐大而復雜的裝備和系統(tǒng)，而且單一控制器 也不利于系統(tǒng)的設(shè)計、擴展和維護。因此，需要多個控制器同時運行， 且往往是分層結(jié)構(gòu)，可分為系統(tǒng)控制器和

13、變換器控制器，如圖2所示。 系統(tǒng)控制器收集各個變換器的狀態(tài)信息，并給各個變換器下派指令。變換器控制器一般對應(yīng)單一變換器， 保證變換器的正常工作，執(zhí) 行閉環(huán)運算、驅(qū)動、保護等功能。主控制器分別和每個變換器控制器 通信，而變換器之間是否需要通信則根據(jù)應(yīng)用要求而定。正是高壓大電流電力電子器件以及無源元件組合，構(gòu)成具有電能雙向、甚至多向流動的變換器，并能實現(xiàn)電能的調(diào)控管理。這樣的電 力電子裝備在滿足配電網(wǎng)和用戶端的需要的同時，又為配電網(wǎng)帶來新的變革一一讓直流配電網(wǎng)的實現(xiàn)變?yōu)榭赡堋?直流配電網(wǎng)直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢隨著城市規(guī)模的發(fā)展，用電量的增大，電網(wǎng)中的敏感負荷、非線 性負荷越來越多，交流配電網(wǎng)面臨線路損耗

14、大、供電走廊緊張以及電 壓瞬時跌落、電壓波動、電網(wǎng)諧波、三相不平衡現(xiàn)象加劇等一系列電 能質(zhì)量問題20。在20世紀電網(wǎng)初建伊始，直流電網(wǎng)方案和交流電網(wǎng) 有過激烈的競爭，但由于變壓的不便，直流電網(wǎng)方案被淘汰，如今電 力電子技術(shù)發(fā)展迅猛，讓直流配電網(wǎng)重新回到人們的視野。 相對于交 流配網(wǎng)，直流配網(wǎng)有以下優(yōu)勢：1）線路容量增大。在同樣的線路建造費用或走廊空間的情況下， 直流輸電的容量是交流輸電的150%20。同時，直流配電網(wǎng)只需兩根 線，線損小。直流輸電沒有集膚效應(yīng)，導線截面利用充分，而且也沒 有金屬護套渦流損耗和無功損耗。2）電能質(zhì)量提高。直流配電網(wǎng)中，儲能裝置（如蓄電池、超級電容）的加入，使直流電

15、網(wǎng)變得更穩(wěn)定，有效的解決了電壓閃變問題。柔性直流配電網(wǎng)中的換流器無需交流側(cè)提供無功功率，還能起到靜止無功補償器(staticsynchronouscompensator, STATCOM用。3)穩(wěn)定性提升。采用直流輸電線路連接兩個交流系統(tǒng)，由于直流 線路沒有電抗，具有隔離故障的能力，所以不存在穩(wěn)定性問題，提高 了運行的可靠性。4)可再生能源更易接入。配電網(wǎng)將接納大量的風能、太陽能、海 洋能源等可再生能源發(fā)電入網(wǎng)。這些新能源大多是直流輸出的系統(tǒng)， 若采用直流形式的配電網(wǎng)，可再生分布式能源以及儲能設(shè)備的接入得 到簡化，提高效率。5)更利于用戶電氣設(shè)備供電。目前，大量智能化電器都是基于直 流電源供電

16、的，如電動汽車、服務(wù)器、手機等。從直流配網(wǎng)直接給這 些電器供電，可提高效率，降低成本。即使如空調(diào)、冰箱、微波爐等 交流設(shè)備，直流配網(wǎng)也有利于變頻技術(shù)的引入。直流配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)直流配電網(wǎng)的基本拓撲主要有環(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)拓撲的選擇和電壓等級要根 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。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)

17、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-D嚷壓器有 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;止匕外，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

18、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。止匕外，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)提供無功補償?shù)哪芰Α?)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)勺直流斷路器，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

19、流配網(wǎng)中，對于電磁爐、暖風機等功率較 大的負載，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

20、、站通過 SCADA 系統(tǒng)進行實時數(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 負責收集用戶端的電能數(shù)據(jù)，還需具備電能質(zhì)量監(jiān)測、負載管理和切 換負載等主動管理功能。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?，因此往往需要多種通信方式混合使用。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

21、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。止匕外，ZigBee通常使用2.4GHz開放頻段，

22、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，以及高擴展性等特點， 可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負載平衡；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

23、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)?，F(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GSMkGPRS 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

24、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)費進行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護。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。止匕外，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

25、無需額外投入，通 信覆蓋范圍達到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)口寬帶 電力線載波(broad-bandpowerlinecommunications, BB-PLC)f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 GPRSK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，

26、易受干擾，長距離傳輸?shù)男盘査p嚴重，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)的復雜度。數(shù)字用戶環(huán)路DS庚術(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)議和標準，無法直接連通。因此，網(wǎng)絡(luò)標準 化的電力電子裝備還

27、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DFACTSS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

28、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)備對電能強大的主動調(diào)節(jié) 能力，各種負載、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，同時參與通信，執(zhí)行調(diào)配命令。2011年美國北卡州立大學的 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

29、為分布式發(fā)電、用電的網(wǎng)絡(luò)。以此 為基礎(chǔ)構(gòu)造用戶導向的用電網(wǎng)絡(luò)。同時，強大的通信功能將網(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 支持標準操作協(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（en