直流微电网的电能路由算法

郭媛，祁兵

(华北电力大学电气与电子工程学院，北京市102206)

直流微电网的电能路由算法

郭媛，祁兵

(华北电力大学电气与电子工程学院，北京市102206)

为了减少化石燃料的使用，越来越多的可再生分布式电源被应用到电网中。微电网是分布式电源的有效利用方式，但是在微电网的并网运行中，分布式电源的频率和电压波动会对主电网产生很大的影响，而直流微电网可以抑制这些波动的干扰。同时，用户终端的直流负荷日益增长，直流电网将是未来电网的发展趋势。基于此，构建了一个使用直流电的局域网络，并利用电能信息进行直流电能的分配和路由。在直流局域网中，首先将直流电源进行数字化分组，然后通过电能路由器传输分组电能及其信息，实现分布式电源和负载之间的电能供需平衡。最后给出了基于连续最短路径的电能路由算法，并对算法进行了仿真和分析。

分布式电源；电能路由器；电能路由算法

0 引 言

随着化石燃料等传统能源的枯竭以及电力需求的不断增长，越来越多的可再生能源被应用于现有电网。可再生能源是指来自于自然界中的可以循环再生的能源，包括太阳能、风能、潮汐能和生物质能等，具有可再生、能量密度低、间歇性及分布分散等特点。采用分布式发电技术有助于可再生能源的高效利用，但是可再生分布式电源的输出受环境的影响。因此，接入电网的可再生能源越多，对电网功率流频率和电压的影响越大。分布式电源主要以微电网的形式接入主电网，可以与主电网并网运行或者孤岛运行。但是交流微电网的并网运行不但需要适当的电压电平控制，还需要保持分布式发电单元之间的同步。而在直流微电网中，由于只需要调节电压，这个问题就变得相对简单[1-2]。另一方面，对电池进行充电是低优先级任务，使用间歇的剩余功率对其进行充电就足够了[3-4]，因此，大容量电池被用来暂时存储能量以实现负载均衡[5]，这些趋势正在将分布式电源扩展到消费领域。在家庭中推广可再生电源意味着用户将不再仅仅是负载，还是可以提供与主电网电流方向相反的电源。而用户终端的直流负荷(如电动汽车、通信信息系统、节能灯等)不断增长，采用变频技术的家庭办公设备(如电力机车、空调、电梯等)也不断增多，现代用电设备逐步趋向使用直流电或包含直流环节[6]。然而，在交流微电网中，可再生能源的输出功率需要经过多次转换才能被直流负荷所使用，这增加了电能损耗及设备成本[7]。例如，太阳能电池要进行直流到交流，再由交流到直流的2次转换，会产生较大的转换损失，即便是高达95%的转换效率，也有约9.75%的电能损耗[8]。在用户侧引入直流供电，直接使用直流电驱动设备，利用分布式电力系统来降低总的电能消耗，同时恰当地平衡独立用户的电能生产和消费，可以使分布式电源得到更好的应用。

本文在假设所有用户为直流用电的情况下，提出一个灵活的由电能路由器和分布式电源组成的分布式直流电源局域网。利用在电能波形上叠加信息的方法，将分布式电源和负载之间的电流信息化。并设计一种直流电能路由器，实现特定电源和负载之间的电能路由，合理有效地利用分布式能源，减少对大电网的依赖。

1 分布式电源直流局域网

在现有电网中，可再生能源的集成和渗透是一个极大的挑战。利用已有的控制方法，可利用的最大数量间歇性能源为总需求的20%～25%[9-11]。此外，配电系统是从电厂到负载的单向流动系统，分布式电源的引入带来的扩容成本高、扩展系统控制复杂等问题在当前电网模式中是不容易解决的。因此，文中结合Internet和分布式电源提出一个新的电网架构来解决前面提到的问题。该系统由电能路由器、负载、电源和存储设备组成，能够智能管理内部的电力需求，同时具有连接到外部电力系统的接口，称为“直流局域网”。直流局域网相对于外部电网是一个黑匣子，相当于一个恒定负载或一个恒定源或一个零负载，这使得间歇性电源直接接入时，不会对电网产生负面影响。直流局域网可以容纳不同层次等级和网络配置，从个人电子设备到家庭、邻居，直到城市规模。每个直流局域网与外部电网隔离，因此可以作为一个单独的网络进行操作。直流局域网可以相互连接形成一个大的网络，可以结合单个节点的存储能力和发电情况，形成一个本地发配电的自治分布式系统。

直流局域网是由电能路由器和分布式电源组成的网状结构网络，如图1所示。电能路由器包含矩阵开关，通过控制电能路由器的开关，直流电源的电能被分组打包，然后通过电力线从电源路由引导到负载。电源和负载分别通过电力线连接到电能路由器的输入和输出端口上。所有的电源和负载都有一个独立的IP地址，电能路由器根据IP识别这些基础单元以实现电能分配[12]。在直流局域网中，用户的用电负荷可以根据所需电能质量选择分布式电源或者市电进行供电。当用户想使用一个用电设备时，该设备就发送一个电能请求到电能路由器上，该请求包括电能需求、电能质量要求、设备的IP和电能请求优先级等。电能质量包括最大可提供功率、频率变化和电压波动等。电能路由器接收信息，并选择一个与该设备相应的合适电源，然后路由器为电源到负载配置一条合适的路径。最后根据信息提供相应的电力，电能路由器尽可能选择利用可再生能源发电的电源。

图1 直流局域网

2 直流局域网系统配置

在传统电力传输中，任何电源都无法通过电能本身进行区分，因此无法从特定的电源处获得单一的电能。为实现电源与负载的匹配，电能路由器收集电源和负载的信息。在直流局域网中，利用在电能波形上叠加信息的方法，将电能和其信息作为一个电能包进行传输[13-14]。电能包通过时分复用(time division multiplexing，TDM)方式，将电能在时间上进行划分，为不同的负载提供电能。电能的分组相当于电能的数字化，通过控制发送电能包的数量，可以调节电源所提供的电能。

2.1 电能包

电源被分为若干个载荷单元，为每个单元添加一个报头和报尾就构成了一个电能包，如图2所示。报头包含开始信号和地址信号，开始信号代表分组的开始，地址信号包括目标负载的地址和发送电源的地址。报尾包含一个结束信号，其他信息也可以包含在其中。载荷是一个承载着电能的脉冲，可以通过调节有效载荷的长度或调制功率波形来改变电源的分组数量。当路由器发送电能包到多个负载时，装载电能的时隙被分配给对应的负载。因此，负载在每单位时间内接收到的电能是变化的，取决于负载的数量。

图2 电能包配置

2.2 电能路由器

电能路由器由开关、二极管、控制器、驱动电路和隔离器组成，如图3所示。控制器通过隔离器读取电力线上的信息，并根据信息不断导通/关断驱动电路的控制开关，来产生电能包或者选择输出端口(可能目的负载，或下一跳路由器)。控制器控制时钟信号的产生，用于保持电能路由器之间的时钟同步。二极管可以防止电流反流，并滤除电容性负载产生的波形。路由器的输入端口连接到电源或电能路由器，接收传输线上传送的电能包，并将所接收电能包中的电能暂时存储在存储区中，然后重新添加信息标签并制造新电能包。路由器的输出端口连接路由器或目的负载，由控制器根据报头的地址进行分类，转发或分配电能包。

图3 电能路由器配置

以二电源和二负载为例进行说明，其中，省略转发路由器节点，如图4所示。由于电能包通过TDM的方式传输，因此，可以防止不同电源的电能混合，即使在同一电力线上传输也可以进行区分。

3 电能路由算法

在直流局域网中进行电能路由的目的是在传输电能的过程中尽量减少总成本，且最大限度地满足负荷需求。这2个问题可以分别对应于图论中的最小费用[15]和最大流[16]问题，可以利用图论以分布式的方法来解决。对于最小成本流问题的分布式实现，一个简单而有效的解决方案是采用连续最短路径算法[17]，因此采用此算法来实现分布式电源和负载之间的电能传输。

图4 二电源和二负载情况

首先，把直流局域网用图G(V,E)来表示，其中V代表一个顶点(用户)，E代表边(用户之间的电力连接线)。边成本为cij，与每条边(i，j)相关的剩余容量为rij，传输线的容量为uij。在图中增加2个顶点，即一个虚拟源节点S和一个汇聚节点T。每个区域i有发电机，每个源边(s，i)包括剩余容量rsi(电源可用发电量)和成本csi(发电生产成本)。假设每个用户j都有负载，汇聚边(j，t)的剩余容量(用户负荷需求)为rjt，成本为cjt，用户负载优先级成本为γj。其中，节点的电位πi与图G(V,E)的每个顶点相关，以图5为例，算法流程如下。

图5 连续最短路径算法示例

(1)将源节点的电位设为0。利用πj≥πi-cij不断更新其他节点电位，直到其满足最短路径的最优条件。图5中节点1、2的电位分别被更新为-3和-4。虽然节点1还收到节点2传来的更新信息-5，但π2仍保持为-4，因为其需要满足方程：πj≥πi-cij。

(2)更新所有顶点最短路径的节点电位后，通过跟踪从t到s的边，得到最短路径。图5中虚线为最短路径树，第1次得到的最短路径为s-1-t。

(3)增大从s流出的流量，直到至少达到一条边的容量。路径s-1-t中，边1-t的容量为11，因此从节点s流出11的流量到节点t。

(4)更新流量后，边s-1的容量更新为4，边1-t的容量更新为0。

(5)重复步骤(1)～(4)，当不存在从s到t的路径时，算法结束。

4 电能路由仿真

以5个用户的直流局域网的电能分配和路由为例，该系统中有3个用户包含电源，每个用户都包含负载。表1给出了各用户的发电容量、生产成本、负载需求和负载优先级成本。

表1 各用户的供需参数

Table 1 Supply and demand parameters of users

上述直流局域网中，各用户的电能供需情况及用户之间的电力线连接情况如图6所示。将含有电源的节点分别与节点s相连接，连线代表了相关用户的发电成本和发电容量。所有含有负载的节点分别与节点t相连，连线代表了相关用户的负载需求和优先级成本。用户之间相互连接，这些边的数值代表了传输成本cij和传输线容量uij。

图6 五用户的直流局域网

利用MATLAB进行仿真，得到各用户之间的电能分配如表2所示。由表2可知，网络中的最大流为35，用户2中的电源仅为用户内部提供电能，用户1和3中的电源不仅为用户内部提供电能，还为其他的需求用户提供电能，所有的负载需求都得到了满足。

表2 用户电能分配

Table 2 Power allocation of users kW

供电用户的发电量、线路容量和各个成本的改变对直流局域网中的电能分配都有影响，表3给出了改变发电量和线路容量后的电能路由结果。第1组数据对应最初的例子，即表2中的情况。第2、3、4组数据对应供电用户发电量的改变：第2组中，用户3的发电容量由18 kW减少为10 kW；第3组中，用户3的发电容量由18 kW增加为20 kW；第4组中，用户2的发电容量由10 kW减少为8 kW。第5和6组数据对应线路容量的变化：第5组中，线路2→4的容量由5 kW减少为2 kW；第6组中，线路2→4的容量由5 kW增加为8 kW。第7和8组数据对应线路成本的变化：第7组中，线路2→4的成本由1增加为3；第8组中，线路3→5的成本由1增加为2。

由表3可知，供电用户首先满足了自身的负载需求，然后将多余的电能提供给外界，符合本文所设计的电能路由策略。当供电用户所提供的发电容量改变时，对应的路由路径发生变化，从表中可以看出用户3对外供电能力对整个网络的总成本影响较大；线路2→4的容量变化对整个网络的总成本影响较小。

5 结 语

本文构建了一个由分布式电源供电，不依赖于现有电网的直流局域网。并在此基础上，利用同时传输电能和其信息的方法，提出了包含分布式电源的直流电能传输系统。通过时分复用技术，系统可以转发和灵活地管理电能包，为不同的负载提供电能，同时能够区分出不同的电源。将电源打包，在产生的电能脉冲头部和尾部加上标签，组成一个电能包。电能包通过多个路由器从电源传输到目的负载。通过控制发送电能包的数量，可以调节电源所提供的电能。最后文中给出了直流电能的路由算法，实现了分布式电源和负载之间的最佳匹配和电能传输。随着新的电能传输方法的发展，包含分布式电源的直流局域网将是未来配电网的重要组成部分。

表3 不同情况下的电能分配表

Table 3 Power allocation under different conditions

[1]KARLSSON P. DC distributed power systems-analysis， design and control for a renewable energy system [D] . Lund：Lund University， 2002.

[2]SALOMONSSON D.Modeling control and protection of low-voltage dc microgrids [D].Stockholm，Sweden： Royal Institute of Technology，2008.

[3]SAKAI K, OKABE Y. Quality-aware energy routing toward on-demand home energy networking:(Position paper)[C]//Consumer Communications and Networking Conference (CCNC), 2011 IEEE. Las Vegas, NV: IEEE, 2011: 1041-1044.

[4]SHIBATA T,SAKAI K, OKABE Y. The design and implementation of an on-demand DC grid in home[C]//Applications and the Internet (SAINT), 2011 IEEE/IPSJ 11th International Symposium on. Munich, Bararia: IEEE, 2011: 152-159. [5]TAKUNO T， KITAMORI Y， TAKAHASHI R, et al.AC power routing system in home based on demand and supply utilizing distributed power sources[J].Energies，2011，4(5)：717-726.

[6]江道灼，郑欢.直流配电网研究现状与展望[J].电力系统自动化，2012，36(8)：98-104. JIANG Daozhuo, ZHENG Huan. Research status and developing prospect of DC distribution network[J]. Automation of Electric Power System, 2012，36(8)：98-104.

[7]朱克平.适应于分布式电源接入的直流微网研究[D].杭州： 浙江大学，2013. ZHU Keping. Study on DC micro-grid for distributed power access[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013.

[8]SALOMONSSON D，SANNINO A.Load modeling for steady state and transient analysis of low-voltage DC systems[J] .IET Electric Power Applications，2007，1(5)：690-696.

[9]于慎航，孙莹，牛晓娜，等.基于分布式可再生能源发电的能源互联网系统[J].电力自动化设备，2010，30(5)：104-108. YU Shenghang, SUN Ying, NIU Xiaona, et al. Energy internet system based on distributed renewable energy generation[J]. Electric Power Automation Equipment, 2010, 30(5):104-108.

[10]王宇, 温家良, 邱宇峰, 等. 分布式发电直流联网对接入交流系统的影响[C]//分布式发电, 智能微电网与电能质量:第三届全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛论文集. 2013.

[11]杨素琴，韩念杭，罗念华.分布式发电系统并网影响研究综述[J].自动化与仪器仪表，2012(1)：15-18.

[12]曹军威，孟坤，王继业，等.能源互联网与能源路由器[J].中国科学(信息科学)，2014，44(6)：714-727. CAO Junwei, MENG Kun, WANG Jiye, et al. An energy internet and energy routers[J]. Science China (Information Science), 2014，44(6)：714-727.

[13]TAKUNO T, KOYAMA M, HIKIHARA T. In-home power distribution systems by circuit switching and power packet dispatching[C]//Smart Grid Communications (SmartGridComm), 2010 First IEEE International Conference on. Gaithersbayg, M D: IEEE, 2010: 427-430.

[14]张跃.基于分布式发电与微网的一种新型电力集群网络技术研究[D].青岛：青岛科技大学，2010. ZHANG Yue. Research on a novel electric cluster oriented network based on distributed generation and microgrid[D]. Qingdao: Qingdao Universtiy of Science & Technology, 2010.

[15]WEI P，YAN Y，NI Y，et al.A decentralized approach for optimal wholesale cross-border trade planning using multi-agent technology [J].IEEE Transaction on Power Systems，2011，16(8)：833-838.

[16]ARMBRUSTER A, GOSNELL M, Mcmillin B, et al. Power transmission control using distributed max-flow[C]//Computer Software and Applications Conference, 2005. COMPSAC 2005. 29th Annual International. Edinburgh, UK: IEEE, 2005(1): 256-263. [17]AHUJA R K, MAGNANTI T L, ORLIN J B. Network flows: theory, algorithms and applications[R]. Massachusetts: Alfred P Sloan School of Management Cambridge Ma, 1988.

(编辑 张小飞)

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，工学硕士，研究方向为通信在智能电网中的应用；

祁兵(1965)，男，教授，IEC PC118 工作组专家，研究方向为电力系统信息、通信及智能用电。