java路由仿真转发_分布式光伏发电网络构建与仿真

三江学院计算机科学与工程学院的研究人员曹鹏飞、杨君、饶纪全、邢德文，在2019年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，分布式光伏发电主要服务于户用和工业厂房，本质上每个发电用户都是一座小型电站，目前普遍采用并网的方式由国家电网来完成电力的统一调配，但存在不能实时计算输电路由、不能控制电量调配和电力传输距离、传输损耗大等问题。

本文提出了分布式光伏发电网络的构建方案，重点对能源路由器进行了研究和设计，通过连接分布式光伏发电网络各节点来实现电力能源点对点传输，利用云能源运算中心来进行统一运算及智能调度，可以对电力能源进行统一管理、监控、输电、计费，实现一定区域内电力能源互联、互通和共享。

随着化石能源的枯竭和环境不断变化，我国分布式光伏发电体系已经建立，目前主要通过国家补贴方式来维持运作，实现与国家电网并网发电、光伏个体自发自用和余电上网的运营模式。国家发改委、财政部、能源局三部门在2018年5月31日联合下发《关于2018年光伏发电有关事项的通知》(下面简称“新政”)。新政通过严控光伏新建规模、下调补贴等举措，给近年来高速发展的光伏行业“降速”。

新政为光伏能源的发展指明了方向：鼓励光伏发电与用户的直接电力交易，有效降低交易费用，继续推进新能源、微电网等有利于分布式光伏发展的新业态和新模式，促进光伏产业健康有序发展。

目前，分布式光伏发电主要服务于户用或工业厂房，每个个体本质上都是一座小型电站，与传统的光伏电站建设相比，在资金的投入和维护成本上都要低很多。但是目前普遍采用的并网方式是由国家电网来完成电力输送的任务，输电的主体由中间节点来控制，不能实时地计算输电路由和及时进行电量调配，不能控制电力传输距离，传输损耗也大。

“能源互联网”概念是2011年由美国著名学者杰里米•里夫金在其著作《第三次工业革命》中首次提出的，未来的能源体系是可再生能源+互联网为基础的能源共享网络。能源互联网在能源接入、能源控制和能源传输等方面面临诸多问题和挑战，但互联网技术的发展为能源互联网指明了技术方向，因此，借鉴互联网路由设计理念来打下能源网络互联网的基础，通过设计各级别的“能源路由器(Energy Router, ER)”来对电力能源和数据进行调度及其控制，已成为目前业界可行的设计方案。

1 分布式光伏发电网络解决方案设计

1.1 分布式光伏发电网络总体结构设计

互联网经过几十年的发展已趋于成熟，其本质是实现不同地域的信息和资源共享。提出能源互联网的初衷在于实现能源的高效传输、共享和利用，为经济社会发展提供坚实的能源基础设施。因此，互联网的发展模式对分布式光伏发电网络的构建具有参考意义。

分布式光伏电力能源在每时每刻的发电量和电能质量都会存在变化。每节点的用户实际对电能需求不一样，在设计时会优先考虑发电的自用，然后才会对多余的电进行传输和转换[9]，所以需要通过构建能源路由器来实现节点发电、用电、余电的监测、调配和传输。分布式光伏发电网络总体拓扑如图1所示。

图1 分布式光伏发电网络总体拓扑图

分布式光伏能源使用太阳能来进行发电，各节点被连接在能源路由器上，在多个能源路由器之间进行互联，以构成区域输电网络，而区域输电网络再与能源广域网进行互联，在云端能源广域网可以对电网群进行电力数据的监测和管理分配，输电控制由能源路由器进行转发，路由也由能源路由器建立，通过移动终端让用户通过移动网络与能源运算中心进行交互，实时获取数据，也可以将交互信息发送到能源运算中心。

1)能源广域网。主要由数据服务器群、数据存储区、能源运算中心、服务器、广域网能源路由器群等构成。通信服务器接收各节点信息并发往数据中心，运算中心负责将接收的指令进行分析、判断、筛选并向下发送指令，数据存储区存储发电数据供用户查询，数据库服务器负责与能源运算中心进行信息交互，生成动态的实时数据。

2)分布式光伏电网群。即户用、工业分布式能源节点，由现有房屋、光伏发电板、蓄电池和能源路由模块所构成的光伏房屋电网群，光伏所发电存至储能设备，能源路由模块负责监测实时发电、用电、余电，将数据发至云端并控制各节点输电线路开关，建立输电路由进行电力能源转发。

1.2 能源路由器设计

光伏发电组件、用电负载设备、逆变器等均被接入能源路由器中，能源路由器可以服务单节点，也可以服务于多节点，与区域中其他能源路由器通过线路进行互联，构成区域局域网络，每个节点均有发电和用电监测传感器，若节点用电自给自足，即节点发电大于负载用电，则电量富余；若节点发电小于负载用电，则缺电，需要电力富余的节点输电补充。只有当节点电量有富余时，能源路由器才将余电输送至其他缺电节点。多节点能源路由器的仿真结构设计如图2所示。

图2 多节点能源路由器的仿真结构设计

图2中显示的是4节点能源路由器的结构设计，外部连接光伏组件、负载、通信网络，内部主要由网络模块、主控模块、电路控制模块、数据监测模块、供电模块构成，详述如下。

• 1)网络模块。服务器与硬件通过网络通信模块连接流通数据，服务器将网络之间互连的协议(intellectual property, IP)数据报文发送到以太网通信串口模块中，以太网串口将传入数据与RS 232信号转换。模块内部封装了TCP/IP协议，可正常实现数据传输功能，也可以增加4G、WiFi模块用于连接无线网络。
• 2)主控模块。使用嵌入式CPU芯片作为硬件控制核心，通常为ARM结构，曾称进阶精简指令集机器(advanced RISC machines, ARM)，是一个32位精简指令集(RISC)处理器架构，以实现路由器数据处理和软硬件的控制功能。
• 3)电力控制模块。可以选用固态继电器、电子开关等，实现节点间电路的通断以及电力的流通。
• 4)数据监测模块。负责监测每个节点实时的发电和用电数据，并对数据进行统计分析，将数据上传到能源运算中心。
• 5)供电模块。指提供能源路由器基础的硬件供电，保证路由器硬件的正常运作。
• 6)指令集设计。能源路由器控制部分的指令集设计示例见表1。

表1 能源路由器控制部分的指令集设计示例

1.3 电力流向控制(略)

通过基尔霍夫定律施行高低压电流导向传输方案，当存在富余电量和缺电时，余电可按需多向传输，保持就地给电、取电的动态平衡。

1.4 能源路由表的构建及路径选择

迪杰斯特拉(Dijkstra)算法主要用来解决最短路径的问题，通过按路径长度递增的次序产生最短路径。最短路径计算公式为D[j]=Min{D[i]|vi∈V} (4)

式中，引入一个辅助向量D，它的每个分量D[i]表示当前找到的从始点v到每个终点vi的最短路径的长度。它的初态为：若从v到vi有弧，则D[i]为弧上的权值；否则置D[i]为∞。

1)能源路由表的构建方法

能源路由器使用Dijkstra最短路径算法来计算当前节点到其他各节点间最短路径，以便实现近距离的电力输送，提高输电效率。能源路由表的构建方法如下：

• (1)路由设备初始化起动时，此时只有自身一个节点。
• (2)路由通过通信通道，确认在物理上与之直连的节点值ID。当能源路由器开始工作时，会发送报文至其他节点，每个节点接收到信息都会返回自身ID及其他相关信息。
• (3)确认每个节点返回信息的时间及节点经过的跳数(每个接收到数据包的节点返回一个应答分组报文。将路径往返时间折半计算，计算时延)，获得最终稳定路由表。
• (4)动态更新。节点每隔一段时间发送更新报文，同时接收其他节点的实时信息，报文中携带路由表信息，节点根据接收的路由表信息更新路由表，通过路由表的动态更新可得知区域网络节点的变化，如：节点增加或减少。

能源路由表的构建示例见表2。如表2所示，节点标志字段分为以下两种类型。

表2 能源路由表的构建示例

• (1)U：该路由可以使用。
• (2)G：该路由是到一个节点。如果没有设置该标志，就说明目的地是直接相连的；由它区分了间接路由和直接路由(直连的节点不需要设置标志G)。

2)能源路由表的路径选择

能源路由器通过节点生成能源路由表，从而明确了网络中路由器的位置以及它们之间的链接关系。在路由表中计算每个节点跳数和通往其他节点所需的时长，来指导电力转发路径的选择。

当光伏节点在供电自发自用的基础上仍有富余电能时，此时能源路由器接收服务器指令，导通对应输电点，将电量从余电点抽调到缺电点，A到D之间若最近线路被占用或被弃用，则根据路由所建立的路由表，将自动划分最优化的输电路径来导通电力传输点。

根据有效路径路由算法策略(efficient path strategy, EPS)，可将能源路由传输点i与能源路由目的点j之间的可能传输路径定义为P(i→j)≔i≡x0,x1,…,x(n1), xn≡j (5)

式(5)结合路由表中的路由跳数和传输时间等因素，选择最佳的传输路径进行能源的输送，以动态调整输电线路。

2 实验仿真测试与分析(略)

图3 实验拓扑图

根据实测数据分析，当节点内部用电量高于节点发电量时，可通过能源运算中心发送输电指令，能源路由器通过路由表和路由算法将其余节点余电送至缺电节点，使各节点负载能够正常运作，并记录详细输电电量，完成电力能源的互联共享，保证区域内节点的用电。

总结

构建分布式光伏发电网络能够将分散的电力能源进行综合利用和共享，分布式光伏发电中的能源管理、能源分配、能源传输等问题是需解决的主要问题。本文借助互联网成功的经验，提出了分布式光伏发电网络设计方案，重点对分布式光伏发电网络构建的核心能源路由器进行了研究和设计，并在实验环境下进行了仿真测试。经过测试证明，所设计的能源路由器模型能够完成电力能源的寻址和转发。