新能源接入（共9篇）
新能源接入 篇1
近年来, 世界范围内能源危机日益加剧, 能源的开采和使用加速了人类生存环境的恶化。人类必须在有限资源和环境保护要求的双重制约下发展经济。因此, 作为一次能源的最大使用者, 电力行业综合利用各种新能源具有非常重要的意义。与此同时, 以集中发电、远距离输电和大电网互联为主要特性的电力系统的弊端[1~2]也日益呈现, 如技术复杂、不能灵活跟踪负荷的变化、局部的偶然事故极易扩散, 导致大面积停电等等。因此, 各国不约而同的地提出要建设灵活、清洁、安全、经济、友好的智能电网, 将具有智能电网视为未来电网的发展方向, 我国也提出了建设坚强智能电网的战略部署。我国新能源近年发展迅速。截至2009年底, 风力发电总装机容量超过2500万k W, 光伏发电也已达29万k W[3]。由于新能源发电具有随机性、波动性和间歇性, 其接入电网会影响电力系统的安全稳定运行。同时, 在政府对电动车产业的大力推动下, 我国电动车发展迅速, 电动车的充电行为也具有随机性、间歇性, 并且由于其充电过程中使用整流装置, 将会给配电网带来较大的影响。
1 新能源发电技术及其对智能配电网的影响
在可再生能源中, 光伏发电和风力发电发展最快, 世界各国都将其作为重要的发展方向。新能源的转换、利用和并网运行技术, 是世界各国智能电网技术的研究焦点。
1.1 风力发电简介
风力发电是目前新能源开发中技术最成熟、最具规模化商业开发前景的发电方式。风力发电是利用天然风吹转叶片, 带动发电机转子旋转发电。其运行方式可分为独立运行、并网运行、与其它发电方式互补运行如与柴油机组、与太阳能光伏发电、与燃料电池发电方式等互补等[4]。除大型风电场外, 人们正在研究各种微型风力发电技术。据报道, 一个由英国、德国和荷兰联合组成的项目已经设计了一幢能利用风力发电的写字楼[5]。大楼呈“双塔”结构, 装有3组巨大的涡轮桨叶;两座主楼体的截面都是弧形的, 能将风挤向中间, 形成“风口”, 提高风扇的工作效率。在3组涡轮桨叶同时工作时, 所产生的电能至少能满足大楼20%的用电需求, 但建造成本昂贵。随着技术的发展成熟, 如果风电大楼可以在城市推广, 它将有望改变城市的供电结构。
1.2 光伏发电简介
光伏发电是应用太阳电池在受到太阳光照时产生光伏效应, 将太阳能转变为直流电能, 主要由光伏阵列、传感器、储能型蓄电池和充放电控制器、升压电路、逆变器、滤波器和系统控制器等组成。光伏发电具有无噪声、无污染、能量随处可得、不受地域限制、不消耗燃料、运行成本低、建设周期短、规模设计自由度大、可就地使用等优点。国际上利用太阳能光伏发电主要有独立光伏发电系统、联网光伏发电系统、屋顶发电三类[2]。目前, 我国光伏电池年产量已突破200万k W, 居世界第一, 但光伏发电安装量还不到世界总量的1%, 与生产大国的地位相差甚远。制约其发展的主要因素是并网成本过高。
1.3 新能源发电接入对电网的影响
新能源发电的目的是增加电力系统的电量, 减少电力系统对一次能源的消耗。新能源发电具有间歇性、随机性、可调度性差的特点。目前, 新能源的接入主要分可离网蓄电、并网发电及两者混合系统三类[6]。在电网接纳能力不足的情况下, 新能源发电并网会给电力系统带来一些不利影响, 存在的主要问题在众多文献中均有描述, 现总结如下。
(1) 对电能质量的影响。
风力发电和光伏发电受天气影响均具有间歇性和波动性特点, 且一般配有整流-逆变设备和大量的电力电子设备, 会产生一定的谐波和直流分量。谐波电流注入电力系统后, 会引起电网电压畸变, 影响电能质量, 造成测量仪表不准确、加重负荷, 还会造成电力系统继电保护、自动装置误动作, 影响电力系统安全运行。由于其并网电量随机波动较大、可调节性差, 并网时会产生较大的冲击电流, 从而会引起电网频率偏差、电压波动与闪变, 引起馈线中的潮流发生变化, 进而影响稳态电压分布和无功特性, 使电网的不可控性和调峰容量余度增大[6]。新能源发电单元的频繁启动会使配电线路的负荷潮流变化大, 从而加大了电压调整的难度。由于发电设备采用大量的电力电子装置, 电压的调节和的控制方式也与传统电网方式有很大不同。虽然一般新能源的发电装置上装有逆功率继电器, 正常运行时不会向电网注入功率, 但当配电系统发生故障时, 短路瞬间会有电流注入电网, 增加配电网开关电流, 可能使配电网的开关短路电流超标, 影响电网安全运行。
(2) 对网损的影响。
新能源接入配电网后, 配电系统将由原有的单电源辐射式网络变为用户互联和多电弱环网络[1]。电网的分布形式将发生根本性的变化, 负荷大小和方向都很难预测。这使得网损不但与负载等因素有关, 还与系统连接的电源具体位置和容量大小密切相关。
(3) 对配电网系统的实时监控的影响。
现行的配电网是一个无源的放射形电网, 信息采集、开关的操作、能源的调度等相应比较简单, 其实施监测、控制和高度是由供电部门统一来执行的。新能源的接入使此过程复杂化, 特别需要对新能源接入后可能出现的“孤岛”现象进行监测预防。当新能源的本电网与主配电网分离后, 仍继续向所在的独立配电网输电, 就会形成“孤岛”现象。孤岛中的电压和频率不受电网控制, 如果电压和频率超出允许的范围, 可能会对用户设备造成损坏;如果负载容量大于孤岛中逆变器容量, 会使逆变器过载, 可能会烧毁逆变器。同时, 会对检修人员造成危险;如果对孤岛进行重合闸操作, 会导致该线路再次跳闸, 而且负荷可能出现供需不平衡, 将严重损害电能质量, 从而降低配电网的供电可靠性。
(4) 并网标准。
目前, 我国还没有统一的关于新能源发电的并网标准, 关于大中型新能源发电并网对电力系统安全稳定性、电能质量、电网调度和运行等的影响因素, 以及电网接纳能力等方面的技术问题尚没有确切定论, 对接入系统的有功/无功控制能力、电能质量及低电压穿越能力等的检测手段也不完善, 包括对控制器、逆变器、输配电设备、双向计量设备及系统安全性方面的检测。随着大中型新能源并网系统的发展, 对电网的接纳能力、电量调度运行、配套政策等方面会提出新的要求。
2 电动车充电设备及其对智能配电网的影响
2.1 电动车充电设备简介
目前新能源汽车主要有替代燃料汽车、电动汽车、燃料电池汽车三种。电动汽车在环保、清洁、节能等方面有明显优势, 成为了当代汽车的主要发展方向, 是最有潜力的交通工具。电动车能源供给装置对于电动车产业而言是不可缺少的重要设备, 主要包括直流充电机和交流充电桩两种形式。直流充电机功率较大, 充电时间短, 体积较大, 用于大规模的充电站内。交流充电桩一般功率较少, 充电时间较大, 体积小, 占地少。电动车充电模式[7]主要有三种:常规充电、快速充电和更换电池组。常规充电一般需要8h~12h, 甚至更长, 通常在晚间进行。快速充电采用大电流, 可在车辆运行间隙进行, 但会对电网产生有害影响。更换电池组模式需要实现对电池和车辆专业化快速分离, 只适用于充电站。
2.2 电动车充电设备对智能配电网的影响
(1) 对电能质量的影响。
电动车直流充电机采用电力电子技术、整流装置等非线性设备, 在实际使用过程中不可避免的产生谐波和无功电流, 从而影响电能质量。文献[7~10]都对充电设备的谐波影响作了详细的研究与分析。
(2) 对配电网的其他影响。
电动车采用白天行驶、夜间充电的运行方式, 有利于电网的峰谷平衡, 改善电网负荷特点, 减少为维持电网低负荷运转而引起的调峰费用。不过也要看到, 当现存的电力系统容量已经充分利用, 且电动汽车在电力系统非低谷用电期充电时, 额外的电流需求就不可避免地使系统过载, 使其他用电设施受到影响。如果采用增加系统容量的方式就需要增加基础投入, 增加了电网的剩余容量, 资源利用率相应下降。
3 结语与展望
随着微网、物联网技术、微型风力发电和光伏发电并网技术以及新型滤波充电桩技术越来越成熟, 未来的智能配电网必须可以兼容新能源, 实现负荷侧的交互, 支持多元化电源的灵活接入和方便使用。
首先, 智能配电网可以利用太阳能光伏发电和微型风力发电不受地域限制的特点, 实现新能源的即插即用, 建立微型发网系统, 组成微型电网, 实现自发自用。所谓即插即用是指在配电网低压侧 (或用户侧) 自行组网或并网, 由智能控制器自动控制组网或并网条件, 当满足组网或并网条件时自动组网或并网, 反之, 则随时脱网。该方式无需建配电站, 可降低附加的配电成本, 并减少接入点配电网中的传输功率, 增加输配电网的输电裕度, 减轻输配电网过负荷压力, 提高末端电压和系统对电压的调节性能, 减少线路损耗。文献[11]提出将不同容量的分布式电源和电动汽车储能设备即插即用式接入, 通过收取过网服务费可增加供电企业收入。
其次, 电动车特别是电动汽车产业虽然发展迅速, 但普及率仍不高。文献[12]也提出了以纯电动汽车替代燃油汽车, 很可能是减少了石油进口, 但却要增加煤炭进口, 不能从根本上提高我国能源的安全性并认为目前不是电动汽车发展的最佳时期, 此时建立大型的充电站可能会造成资源浪费。因此, 可以考虑在居民小区、大型企事业单位内设立小规模电动车充电站为电动车提供充电服务。
最后, 智能配电网还应包括数据自动采集应用与信息的双向传输。通过自动采集配电网的相关数据如供用电量、电压、电流、谐波等进行监控分析, 从而实现对智能配电网的实时监控。
综上, 智能配电网应至少包括新能源 (供、用) 接入功能、双向通信网功能、数据自动采集应用功能。目前江门供电局已经建立了一个包括上述功能的智能配电网模型, 以便进一步研究分析新能源供用电接入对智能配电网的综合影响, 实现对配电网各组件的监控和最优供用电组合。
参考文献
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新能源接入 篇2
所谓接入层的流程和非接入层的流程，实际是从协议栈的角度出发的。在协议栈中，RRC和RANAP层及其以下的协议层称为接入层，它们之上的MM、SM、CC、SMS 等称为非接入层。简单地说，接入层的流程，也就是指无线接入层的设备RNC、NodeB需要参与处理的流程。非接入层的流程，就是指只有UE和CN需要处理的信令流程，无线接入网络RNC、NodeB是不需要处理的。举个形象的比喻，接入层的信令是为非接入层的信令交互铺路搭桥的。通过接入层的信令交互，在UE和CN之间建立起了信令通路，从而便能进行非接入层信令流程了。接入层的流程主要包括PLMN 选择、小区选择和无线资源管理流程。无线资源管理流程就是RRC层面的流程，包括RRC连接建立流程、UE和CN之间的信令建立流程、RAB建立流程、呼叫释放流程、切换流程和SRNS重定位流程。其中切换和SRNS重定位含有跨RNC、跨SGSN/MSC的情况，此时还需要SGSN/MSC协助完成。所以从协议栈的层面上来说，接入层的流程都是一些底层的流程，通过它们，为上层的信令流程搭建底层的承载。非接入层的流程主要包括电路域的移动性管理，电路域的呼叫控制，分组域的移动性管理、分组域的会话管理。UMTS的协议栈分为NAS和AS。NAS协议处理UE和CN之间信息的传输，传输的内容可以是用户信息或控制信息（如业务的建立、释放或者移动性管理信息）。NAS消息一定程度上独立于下面的AS协议结构，与采样什么样的无线接入网无关（可以是GSM、GPRS、WCDMA）。控制平面的NAS消息有CM、MM、SM以及GMM等。用户平面的网络层NAS协议是IP（分组交换），电路交换业务不需要。NAS消息的传输要基于底层的AS协议。AS是无线接入网采用的协议。UMTS中的AS协议包括：无线接口协议，Iub协议以及Iu协议。其中的无线接口协议是UE与UTRAN间的协议，协议的高层（包括MAC、RLC、RRC等）位于UE和RNC之间，而底层（PHY）位于UE和NodeB之间。
新能源接入 篇3
1继电保护的作用及其组成
继电保护能够在电力系统、电气设备发生故障时, 及时自动发出保护信号及警报信号, 进行断电控制, 以保护电力系统安全, 防止故障点扩大, 避免相关设备损坏。 继电保护主要由:测量比较元件、 执行输出元件、逻辑判断元件等几大部分组成。 其原理是通过监测电力系统运行参数, 来实施保护[1]。 电力系统运行时, 其参数在故障时和正常状态时有着明显区别, 这些参数包括电流、电压、功率、频率等, 继电保护就是利用这些参数的变化来判断电力系统状态, 分析故障范围和故障性质, 作出保护动作。 对于电力系统来说继电保护非常重要, 是保障电力系统运行安全, 降低设备故障率, 提高供电可靠性、稳定性的必要环节。
2分布式新能源的特征
分布式新能源突破了传统配电网系统构架的集中式能源供应模式, 是一种可独立运行, 也可并网运行, 以资源、环境效益最大化为目的, 对资源配置进行系统化整合, 采用需求对应式设计和新型能源模块系统的分散式供能方式。 应用了智能化监控技术、远程遥感技术、网络化群控技术、信息技术, 可实现现场无人看守。 分布式新能源具有经济性、灵活性、污染小、损耗小等特点, 能够将输送环节的损耗降至最低, 实现能源利用效能最大化。 分布式新能源在进行能源配置优化时, 根据的是终端能源利用效率来合理确定优化规模, 因此优化效率高, 灵活性强, 能源利用合理, 并且采用了新型能源转换技术, 使排放分散化, 尽可能降低污染程度, 使污染物便于被植物吸收。 将其接入配电网能够提高供电可靠性, 改善电能质量[2]。 但由于我国分布式新能源起步较晚, 相关技术和理论并不成熟, 所以应用中依然存在着许多问题, 其对继电保护产生的负面影响不容忽视。 分布式新能源的接入会改变配电网结构、电流分布, 这将导致继电保护拒动、误动、失灵等现象的发生, 还会对熔断器、自动重合闸产生影响, 造成继电保护保护命令无法执行。 因此, 分布式新能源应用中应采取相应措施, 克服分布式新能源给继电保护带来的影响。
3降低分布式新能源对继电保护影响的策略
通过前文分析可以看出, 分布式新能源虽然具有明显的应用优势, 能够很好的降低能源消耗, 提高供电质量。 但分布式新能源给继电保护带来的负面影响也是不可忽视的。 一旦继电保护因分布式新能源发生故障, 无法正常发挥职能, 在配电网故障时便无法起到有效的保护作用。 因此, 在分布式新能源应用中, 必须要做好相关设备维护, 降低故障率, 保障相关设备能够处于良好状态, 并定期检测分布式新能源对继电保护的影响程度。 设备故障的发生具有明显的突发性和偶然性, 往往只进行事后维护难以取得理想效果, 更会影响配电网运行安全, 增加维护成本, 因此定期维护必不可少[3]。 定期维护够提前排除故障隐患, 避免了故障点扩大, 降低分布式新能源对继电保护影响程度, 保障继电保护装置运行状态。 定期维护计划制定时, 应根据分布式新能源设备运行周期及电力系统运行周期与继电保护装置特征制定, 以确保定期维护的科学性和合理性, 保障维护有效性。 定期维护后必须进行详细的维护记录。 虽然设备故障具有突发性和偶然性, 但同样具有规律性, 不论继电保护装置, 还是分布式电源一些故障的发生往往在同一元件, 想要保障维护有效性, 提高维护效率, 掌握故障规律, 进行维护记录十分有必要。 通过对维护记录的总结与归纳, 便能找到故障原因, 掌握故障规律, 明确故障点, 排除故障, 大大提高了维护实效性和针对性。 除了要做好必要的定期维护外, 还应做好继电保护装置选型, 使继电保护装置能够适用分布式新能源, 降低二者间的影响程度, 保障二者都能处于良好运行状态中。
结束语
分布式新能源具有经济性、环保性特点, 在电力领域的应用, 对于促进电力发展有着重要意义, 是降低供电损耗, 提高供电质量的有效手段。 但分布式新能源的应用会改变电流分布, 将可能导致继电保护故障。 因此, 在分布式新能源应用中, 应采取相应措施, 克服对继电保护的影响。
参考文献
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[2]王仁祥, 王小曼.终端用户分布式新能源接入智能配电网技术研究[J].电气技术, 2010, 8:58-62.
新能源接入 篇4
电信竞争的日趋激烈，使得宽带接入资源成为占领市场的重要因素。在市场需求的驱动下，各种宽带接入方案纷纷登场，但是一些新技术建设成本高、周期长而且所提供的带宽窄的问题渐渐暴露出来。如何提供快速、低价的宽带接入，成为迫切需要解决的问题。
无线光接入(FSO)技术作为解决“最后一公里”瓶颈的有效途径，以其带宽宽、部署快、不需频率申请的优势，一经推出就引起了业界的关注。业内专家指出，到，FSO会形成20亿美元的市场需求。科飞无线光通信有限公司首席代表章志坚对记者说，随着提供更高容量、可靠性和快速建网等竞争压力的不断增加，在将来的3G以及更高的网络中，具有先进技术水平的FSO系统最终将会成为网络传输设计者最有力的技术手段。
瑕不掩瑜
FSO与其他接入技术相比具有较多的优势。它能够快速部署链路。因为不需要埋设光纤，FSO可以在短时间内完成连接，因此大大缩短了施工周期。这对于运营商来说，是一种快速抢占市场的极好选择。
频带宽是FSO明显的优势。FSO网络有点到点、点到多点和格形三种组网方式。当采取点到点的组网方式时，FSO能支持155Mbit/s-10Gbit/s的传输速率，传输距离在2-4公里之间；当采取点到多点的组网方式时，FSO同样能支持155Mbit/s-10Gbit/s的传输速率，但传输距离为1公里-2公里；当采取格形的组网方式时，FSO支持622Mbit/s的传输速率，传输距离为200米-400米。
FSO的波束很窄，定向性非常好，属于非可视光，因此无法探测到链路的位置，更不存在 的可能性。并且用户到集线器之间的链路通常是加密的，因此安全保密性较强。
另外由于以大气为传输媒质，免去了昂贵的光纤铺设和维护工作。业内专家指出FSO系统的造价仅为光纤系统造价的五分之一左右。此外，由于只须在通信点上进行设备安装，而且安装灵活，特别适合临时使用和复杂地形中的紧急组网。
在谈到FSO的应用时，章志坚说，FSO结合了无线和光纤的优点，具有灵活、高带宽和高性价比等特性，应用领域主要作为“最后一公里”的无线宽带接入解决方案。在本地网和边缘网等近距离高速网的建设中大有用武之地，对需要稳定服务的商业应用来说，可作为预防服务中断的光纤备份设备。
当然，FSO在应用过程中也存在一定的瓶颈，基光束在传输中极易受大雾等恶劣天气的影响。在恶劣的天气下，光束传输的路径可能会发生改变，而降低通信的可靠性。另外，由于波束的传输不能受到阻挡，飞鸟也会对FSO产生影响。此外，尽管激光的定向性很好，但波束还是会随传输距离的增加而慢慢变宽，超过一定距离后就难以被正确接收。目前测试表明，在1公里以下FSO系统才能获得最佳的效率和质量。
备受青睐
随着城市建设步伐和力度的不断加大，城市的覆盖面积也在不断增加。各大运营商在抢占通信市场的时候，纷纷着手建设自己的基础网络设施。目前，城域网的建设可谓日新月异，通信带宽可达10G，已基本上能够满足数据通信的需求。如何高效、低成本地实现城域网的扩展，快速占领新市场，越来越受到各大电信运营商的关注。而采用无线光通信可以满足城市边缘网通信中对数据通信带宽的需求。
同样在校园网、小区网或大企业的内部网建设中，经常会碰到这样一种情况：马路对面的新建大楼急需接通，可挖路许可证却迟迟不能得到批准或者根本就无法取到。这时候无线光通信技术便可以大显身手。无线光通信设备配备标准RJ45接口或光接口，且对协议透明，可以非常方便的完成局域网的连接。
目前，随着移动电话用户的迅猛增长和移动数据业务的推广，无线网络需要具有更高的带宽和容量。现有的第二代移动通信系统已不能满足这一要求，从而使3G成为当今电信业的热点。如何充分地利用现有资源，在最低投入、最快速度的情况下实现从现有的第二代网络2G向第三代网络3G平滑过渡，成为移动网络运营商最为关注的问题。FSO作为一种接入技术，因为其自身的特点和在施工、带宽、成本等方面的优点，已逐渐成为各大运营商的首选方案之一。
前景看好
在谈到FSO的市场前景时，章志坚认为目前在中国市场上主要还处于观望阶段，首先是大量的宽带应用还没有到来，无线方式的带宽还以E1
或34Mbps以下为主，随着千兆百兆到大楼及光纤到户的普及，FSO应该占有一席之地，
另一方面前几年有些“先行者”由于种种原因，在国内的推广没有成功，给人们留下了该技术不可靠的印象，不敢轻易尝试。“只有正确认识FSO的技术特性，准确定位于短距离，高带宽以及宽波束才能进行可靠通信”章志坚说，“有理由相信，一旦在中国获得越来越多的成功应用，FSO定能扬长避短，得到市场的认可。”
目前FSO的应用范围已经扩展到公用电信网、光无线通信系统等领域，特别是宽带应用领域。尽管FSO以前只用于国防和企业专用网，但近一两年来，这类系统也开始在公用电信网出现。一方面，宽带接入需求旺盛，而现场问题常使传统技术难以克服;另一方面，公网所需的可用性，已在一定程度上得到光无线系统的保证。FSO技术是对厂商光纤网络解决方案的有利补充，将帮助运营商客户提供另一种方便、灵活的解决方案，同时满足他们的紧迫网络需求。
FSO尽管仍存在不少问题，但其技术优势更为明显。目前，FSO的优势正在逐渐吸引运营商，而其劣势正在被技术的进步所抵消。据悉，由于技术的进步，FSO在大气中的可视距离范围内，实现全天候“最后一公里”无线光通信已经没有技术障碍。但章志坚表示，在发展中还应采取积极务实的科学态度，避免使FSO的应用误入歧途。为提高FSO的可靠性，应着重于“最后一公里”的短距离高速传输。相信随着FSO技术发展成熟，在未来几年内，FSO技术必定成为脱颖而出的通信手段。
8问FSO
1.FSO系统传输的是什么类型的信号？
答：FSO产品传送和接收数字(光)信号，与具体协议无关，由标准的光接口连接到复用设备、交换设备和路由设备。
2.FSO系统的光对人体有害吗？
答：FSO在空气中利用激光脉冲在高频光谱范围内传送数据，不用激光而是采用红外光作为传输媒质，当收发器架设在大楼间时，不至于对人们的正常工作和生活造成影响。FSO产品都符合IETC(IEC60825-1/A2：)的安全标准类型Class1或Class1M，不会对人体造成任何伤害。
3.FSO产品安装、调试是否方便？
答：FSO产品体积小(215×200×400mm～300×300×640mm)、重量轻(4～13公斤左右)，非常容易安装。调试也主要是进行激光对准，FSO产品的安装、调试比微波更为简单。
4.FSO系统的MTBF是多少？FSO系统可靠吗？
答：通过对4500多个FSO安置的统计，获得系统平均故障间隔时间大于8年。FSO系统的红外频率光被限于一个很窄的频带，是人的肉眼看不见的， 的可能性极小。需要知道光束的物理位置，以及利用复杂的电子检测设备直接进入光束路径来获取传输的能力。这种 会中断数据信号，能被用户发觉。很多客户用FSO系统来发送敏感和机密信息，包括法律和金融信息，医学记录和军事情报。
5.FSO系统能通过玻璃发送和接收信号吗？
答：能通过玻璃有效的发送信号。但是，由于玻璃有滤光器的作用，在系统说明和安装前，应考虑玻璃的表面(单个或两个窗格玻璃)，色彩，反射面，玻璃的质量。依据我们的经验，标准的透明玻璃(老式的那种)不会引起多少衰减。
6.FSO光无线通信系统相对微波连接的优势何在？
答：主要的优势是更高的带宽容量。考虑到622Mbps的容量时，微波系统提供昂贵的连接。FSO单元比微波系统要求的大多数天线小，更易于安装。此外，FSO系统成本更低，无需申请许可证(能延迟安装或阻止运用微波系统)。另外，FSO技术避免EM干扰和辐射。
7.相对于光纤电缆，FSO系统的优势是什么？
答：在很多需要LAN或WAN链接的地方，难于用到光纤电缆，如被水隔开的地方、山区或街道，那里安装电缆极其昂贵，逻辑上行不通。当需要迅速部署连接时，FSO系统的安装比安装电缆花的时间少得多。FSO系统使在临时连接如会议、体育比赛或灾难发生时，不再需要铺设电缆。
8.什么样的机构能从FSO系统获益？
答：从医院、银行和电信公司到市镇、军队部署，FSO系统适合多种无线数据通信的需要。FSO系统为私企网络提供高带宽连接而不需付租赁费。对于通过遥测、电话、电视等手段求诊的远距离医学和视频会议等高带宽应用，FSO系统为费用昂贵和无法铺线的地区提供安装光纤电缆的新选择。对于临时的网络连接需要，如展览、会议、运动会或灾难恢复，运用便携式FSO系统可轻松迅速地提供高带宽连接。另外，FSO系统还被用作光纤电缆的高速无线备份和“最后一公里”连接解决方案，将客户地址连接到光纤骨干网。
新能源接入 篇5
随着经济的持续发展和科技水平的逐步提高,高层建筑越来越多,电梯的应用越来越普及。由于电梯的用电量远远高于照明等其他行业的用电量,电梯行业需要寻求新能源的支持。 采用接入太阳能、风能等新能源来驱动电梯不仅大幅度提高了电梯行业的能源利用效率,有效地实现了电梯的节能,而且不会对环境造成污染, 很好地实现了环保[1,2,3]。
常用的电梯驱动技术中,其变频调速系统一般采用交-直-交型主电路拓扑结构,并且已经采用了双PWM控制方式,这使得变频调速系统具有高功率因数、低谐波污染和能量可逆的优势[4,5,6,7,8,9]。整个系统采用双闭环PI调节的控制策略,其中网侧变流器分别以电网电流和直流电压为内、外环控制对象进行调节,机侧变流器分别以电机电流和电动机转速为内、外环控制对象进行调节。但是系统在新能源接入时,由于新能源具有较大的波动性,容易引起直流侧功率的不平衡,进而降低了直流电压的稳定度。 针对上述问题提出在网侧变流器外环控制中, 引入网侧变流器负载电流补偿来实现网侧变流器、机侧变流器和新能源供电三者之间的功率快速平衡,从而实现直流电压的快速响应,增加直流电压的稳定度。同时针对整个系统是一个多变量耦合的非线性系统,采用基于反步法的非线性方法推导出控制算法,提高了系统的可靠性、控制精度与抗干扰能力。
2系统主电路及工作原理
整个系统主要由网侧变流器、机侧变流器和永磁同步电动机组成。同时为了验证系统能够支持新能源的接入,采用自主开发的光伏升压DC/DC变换器来进行新能源接入实验。网侧变流器和机侧变流器均采用PWM技术,双PWM具有以下特点[10,11,12,13]:输入电压、电流频率固定,波形为正弦波,可实现电网侧输入功率因数近似为1 ,消除谐波污染,输出电压、电流频率可变, 电流波形也为正弦波,可实现电动机的4象限运行,能量可双向传送,能量转换效率高。如图1所示,系统主电路由进线电抗器、网侧功率开关管IGBT构成的全桥电路、中间直流侧储能电容器、太阳能电池板、升压DC/DC变换器、机侧功率开关管IGBT构成的半桥电路和永磁同步电动机组成。其工作原理为[14,15]:1)太阳能供电未接入,系统仅由电网供电时,若电动机处于电动状态,则网侧变流器工作在整流状态,机侧变流器工作在逆变状态,能量由电网侧流向电机侧, 向电动机供电;若电动机处于发电状态,则网侧变流器工作在逆变状态,机侧变流器工作在整流状态,能量由电机侧流向电网侧,向电网回馈电能。2)太阳能供电接入时,若电动机处于电动状态,则机侧变流器工作在逆变状态,而网侧变流器的工作状态要根据负载电流来判断,负载电流由电网流向负载时,网侧变流器工作在整流状态,此时太阳能供电和电网一起向电动机供电,负载电流由负载流向电网时,网侧变流器工作在逆变状态,此时仅有太阳能供电向电动机供电,并将多余的电能经网侧变流器回馈到电网;若电动机处于制动发电状态,则网侧变流器工作在逆变状态,机侧变流器工作在整流状态,系统将太阳能供电和电动机制动发出的电能回馈至电网。
3数学模型
三相电压型PWM整流器电路结构如图2所示。
图2中,ea,eb,ec为三相对称电源相电压,ia, ib,ic为三相线电流,uao,ubo,uco为整流器输入相电压,R,L为滤波电抗器的电阻和电感,udc为直流侧电容电压,idc为直流侧电流,iL为负载电流, Q1 Q6为整流器开关管。sa,sb,sc分别表示三相桥臂的开关函数,三相桥臂的上下管互补导通, si= 1(i = abc)表示上管导通,下管关断;si= 0表示下管导通,上管关断。
在三相电压型PWM整流器的控制中,为了简化设计,一般采用空间坐标变换的思想,进行坐标变化。经dq坐标变换后,则可得三相电压型PWM整流器在dq坐标系下的方程为
式中:ω为电网基波角频率;sd,sq为dq坐标系下的开关函数。
交流电动机的数学模型具有多变量、强耦合和非线性的特点,转矩的控制比较困难,而电机调速系统的动态性能取决于对电机转矩的控制能力。控制的基本思想是在三相交流电动机上模拟直流电动机的转矩控制规律。对于表面贴式永磁同步电动机,可得在两相同步旋转dq坐标系下的方程为
式中:usd,usq为电机端电压的dq轴分量;isd,isq为定子电流的dq轴分量;Ls为同步电感;Ψf为转子磁链;ωs为电机电角速度;Es为空载电势;Te为电磁转矩;Np为电机极对数;Tm为负载转矩;J为电机转动惯量。
4控制策略
如图3所示,整个系统采用双闭环控制,在电网侧,为了稳定直流母线电压,取直流侧电容上的电压作为外环控制对象,对电压误差进行PI调节后作为在电流内环中电流d轴分量的参考值。 由于系统运行在单位功率因数状态,设定电流内环中电流q轴分量参考值为0。对电流误差进行PI调节后,输出相应的控制变量来控制系统电网侧变流器运行在稳定状态,实现对直流电压以及电流dq轴分量的无静差控制。在电机侧变流器的控制中,以电动机的转速作为外环控制对象, 电流内环的控制与电网侧类似。
常规的双PWM变频调速系统在太阳能供电接入系统时,由于太阳能发电具有波动性,引起直流侧功率的不平衡,进而影响直流电压的稳定度。针对上述问题,本文提出反步法设计方法, 通过提高网侧变流器负载电流的预测精度并进行补偿来实现直流侧功率快速平衡,使得直流电压快速稳定。如图1所示,对变频调速系统而言, 任意时刻 都满足直 流侧电流 平衡关系 ,即iL= iout- iin,其中iL为网侧变流器负载电流,iout为机侧变流器输入电流,iin为光伏供电输入电流,iL和iout方向流向电机侧时取正。将电流传感器检测出的网侧变流器负载电流iL补偿到外环控制中,经过双闭环PI调节后,加快了系统的动态响应速度,实现了直流电压的快速无静差控制。
由于网侧变流器本质上是具有多变量耦合的非线性系统,为了可以较好地解决大范围稳定性控制问题,本文采用了基于反步法的非线性控制方法,以电容、电感储能的定量关系建立Lyapunov函数。根据反步法设计原理,基于电容储能的公式,定义引入积分环节后的Lyapunov函数V1为
式中:Du = ud*c- udc;Ku I为电压外环积分系数。 对V1求导变形后可得:
为使V1′≤ 0,令
式中:Ku P为电压外环比例系数。
此时V1收敛于0,将式(1)代入式(5)化简后可得:
为了使系统工作在单位功率因数状态,令iq= 0, 即可得:
但式(7)中含有控制变量sd,为满足反步法设计要求,应将sdid分离,设sdid的期望值为s*di*d,令
并由电路稳态关系可得:
将式(9)代入式(8)可得:
将i*d作为引入网侧变流器负载电流补偿后的电流d轴参考值,对其求导可得:
针对电感储能的公式,定义引入积分环节后的Lyapunov函数V2为
式中:Ki I为电流内环积分系数。
对V2求导变形后可得:
为使V2′≤ 0,令
式中:Ki P为电流内环比例系数。
此时V2收敛于0,最后可以得到如下控制变量:
由式(11)看出,电流d轴参考值的导数含有Du分量,因此通过Lyapunov函数V2所得的控制变量sd中不仅含有Did分量,也含有Du分量,这使得直流电压的稳定度进一步提高。
整个控制系统的运行流程如图4所示。控制电路一上电,系统开始运行,电网侧控制开启时,电网侧接触器闭合,开始给直流侧电容预充电;当直流电压达到设定值时,直流侧接触器闭合,预充电过程结束,网侧变流器以单位功率因数状态整流;当电机侧控制开启时,电机侧接触器闭合,待电机相位初始化完成后,机侧变流器以单位功率因数状态逆变,电动机以电动状态运行;当光伏接触器闭合时,光伏接入直流侧进行供电;当给定电机转速信号时,系统控制电动机调节转速;同时系统实时调节着直流侧功率平衡。
5系统控制电路及辅助电路
系统的控制电路是以DSP控制芯片为核心的最小系统电路。辅助电路包括信号采集和处理电路、保护电路、驱动电路、编码器电路等。
最小系统电路主要包括DSP芯片、电源电路、时钟电路、复位电路和引导模式电路。本文采用TMS320F28335DSP作为最小系统的主控芯片。它能够执行复杂的浮点运算,可以节省代码执行时间和存储空间,具有精度高,成本低,功耗小等优点。因此,它可以简化软件开发,缩短开发周期,降低开发成本。
系统保护电路的功能包括过电压保护、过电流保护和三相电源缺相保护[16]。过电压保护和三相电源缺相保护是利用霍耳电压传感器采集电压,与设定值相比较,超过设定电压值,进行相应的保护动作。过流保护是把霍耳电流传感器采集的电流信号与设定值比较,从而进行过流保护。所有保护中有任一保护动作都会使功率管锁住,系统停止工作,防止系统在非正常工作状态下损坏设备。
系统的信号采集部分是利用霍耳传感器来采集电压电流等信号。传感器输出的模拟信号经过调理电路处理后转换为一定范围的电压模拟信号,再将电压模拟信号传送给模数转换芯片进行模数信号转换,转换输出的数字信号被送至DSP进行处理。
系统的测速部分采用海德汉ER1387光电编码器,它不仅可以检测电机的转速,而且能够测定转子相对于定子的位置以及电机的转动方向, 利用它输出的正交编码信号和索引信号经过偏置、放大、比较后产生的高频脉冲信号确定电机的转向,并实时计算求得电机的角速度。
系统驱动IGBT部分采用经典的光耦隔离驱动电路,整个系统由DSP输出PWM控制信号,经过光耦驱动电路放大后,通过控制IGBT的开通和关断来进行电能的整流逆变。光耦隔离驱动电路解决了电压隔离、功率放大等问题,使得电路设计简单。
6实验结果
为了验证提出的网侧变流器负载电流补偿的控制方法和基于反步法的Lyapunov非线性控制方法的正确性和可行性,本文分别搭建了双PWM变频调速系统的仿真平台和试验平台。把负载电流补偿的控制策略和基于反步法的非线性控制策略相结合应用到实际系统中,在开发的试验装置上,进行了相关的运行控制实验。表1给出了变流器的相关参数。
图5为直流母线电容减小为100 μF时采用传统的电流内环dq解耦、电压外环PI控制的双闭环控制策略所得到的电压仿真波形,在0.05 s突加负载后直流电压不稳定,系统抗负载扰动能力差。
图6为直流母线电容相同的情况下采用考虑网侧变流器负载电流补偿的非线性控制策略所得到的电压仿真波形,同样在0.05 s突加负载后直流电压的动态响应性较好,系统具有较好的抗负载扰动能力。
实验时直流侧目标电压设定为600 V,将电网三相电压380 V接到双PWM变频调速系统上。实验波形见图7,图7a为系统网侧变流器启动时电压和电流的阶跃响应,其中udc为阶跃响应时直流电压曲线,ia为阶跃响应时启动电流曲线。图7b为系统稳定运行时的波形,其中udc为直流母线电压曲线,uab为交流侧AB两相之间的线电压曲线,ia为A相电流曲线,经比较后可看出线电压超前线电流30°,从而分析得出电压电流同相位。图7c为由空载到突然加负载的过渡过程波形,其中udc为直流母线电压曲线,可以看出突然加负载时,母线电压变化很小,电压稳定;uab为交流侧线电压曲线,ia为交流侧相电流曲线,可以看出由于突然加入负载, 电流明显增加,但电压变化较小,受负载的干扰小。图7d为光伏DC/DC变换器并入系统直流侧时,网侧变流器运行在逆变状态的波形,其中udc为直流母线电压曲线,uab为交流侧AB两相之间的线电压曲线,ia为A相电流曲线,经比较后得出线电压超前线电流210°,从而可以得出电压电流反相位。针对以上实验波形曲线的分析,采用网侧变流器负载电流补偿的控制策略和基于反步法的Lyapunov非线性控制策略能够得到比较满意的控制效果,使得双PWM变频调速系统具有良好的稳态特性和快速的动态响应特性。
7结论
在当前全球能源缺乏的大背景下,电梯供电的能源需求量越来越大。针对上述问题,本文研究了支持新能源接入的双PWM变频调速系统,推导了三相电压型PWM整流器和永磁同步电动机在两相同步旋转坐标系下的数学模型, 分析了双PWM变频调速系统的控制策略,并针对系统接入新能源时直流电压稳定度不高的问题和本身具有的非线性多变量耦合的特性,分别提出网侧变流器负载电流补偿的控制策略和基于反步法的Lyapunov非线性控制策略,利用数字信号处理器实现了支持新能源接入的变频调速控制系统。从实验的波形中可看出变频调速系统具有高功率因数、低谐波污染和能量可再生的优点,采用提出的控制策略后,提高了系统直流侧输出电压的稳定度和系统的动态响应。通过对实验结果的深入分析,本文设计的支持新能源接入的变频调速系统方案是正确的和可行的,在电梯行业具有非常广阔的应用前景。
摘要：针对传统电梯仅由电网供电时耗能严重的问题,研究了支持新能源接入的电梯控制系统。系统采用了具有高功率因数、低谐波污染和能量可逆优点的双PWM结构。通过建立三相电压型PWM整流器和永磁同步电动机在两相同步旋转dq坐标系下的数学模型后,采用了双闭环控制策略。为了在新能源功率变化时,使系统具有更好的稳定性和更快的响应特性,提出了采用基于反步法设计的非线性控制算法,提高了系统的控制性能。最后开发了新能源驱动的变频调速的实验平台,并进行了实验验证,实验结果验证了系统方案设计的正确性和有效性。
新能源接入 篇6
2010年3月30日,国家能源局在北京召开风电接入电网和市场消纳研究启动会,布置了工作方案和工作大纲。国家能源局副局长刘琦同志在会上指出,风电是我国重要的战略性新兴产业,发展风电等新能源产业是重大的战略任务。过去一年多来,随着内蒙古、东北、甘肃、河北等地风电开发规模逐渐增大,风电的接入电网和运行限电问题日益突出,风电并网运行问题已成为风电进一步规模化发展的最大制约。为协调风电开发与配套电网建设,提高电网消纳风电能力,确保我国可再生能源发展目标的实现,国家能源局统一组织开展风电接入电网和市场消纳研究,计划用半年时间在全国1 1个省(区)开展风电开发规划、市场消纳和输电规划研究工作,加强风电开发与电网的协调发展。开展风电接入电网和市场消纳研究工作应注意把握目标导向、综合配套、优先就近、区域统筹的原则,高度重视,统筹协调,深入研究,科学论证,抓住重点,讲究实效,在技术可行、经济合理的前提下,有效解决2015年9.0×107 kW和2020年1.5×108 kW风电的输送和市场消纳问题。要以这次研究为契机,完善风电等可再生能源政策和管理措施,为完成“十二五”能源发展规划和实现2020年能源发展的战略目标打好基础。
(信息来源:中国电力信息网)
新能源接入 篇7
2016年2月29日, 《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》正式发布, 意见中指出:能源互联网是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态, 具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征。国家电网公司董事长刘振亚提出全球能源互联网的实质就是“特高压电网+智能电网+清洁能源”, 特高压电网是关键, 智能电网是基础, 清洁能源是根本。
能源互联网是推动我国能源革命的重要战略支撑, 对适应可再生能源规模化发展, 提升能源开发利用效率, 推动能源市场开放和产业升级, 形成新的经济增长点, 提升能源国际合作水平具有重要意义。太阳能光伏发电作为能源互联网的一个重要分支, 对清洁能源的贡献不可估量, 从电网发展角度考虑, 太阳能光伏发电系统大规模接入电网运行, 实现清洁能源消纳, 还可以节约成本、降低环境污染, 有着重要的经济意义和社会意义。
二、光伏发电系统的组成及并网方案
太阳能光伏发电系统利用“光伏效应”的基本原理, 通过太阳能电池板作为介质, 将太阳能转换成电能。
1. 光伏发电系统的组成
并网运行的太阳能光伏发电系统主要是由太阳能光伏电池组件、光伏阵列汇流箱、交直流配电柜、光伏并网逆变器等设备组成。其中, 最基本的是太阳能电池, 也是一种半导体器件, 具有“光生伏打”效应。太阳光照射强度以及电池板的面积大小与电池的电流大小成正比。其次, 是光伏阵列汇流箱, 它的作用是汇流, 先串联后并联, 而后输出直流电, 经逆变器转变为交流电 (光伏专用) , 实现并网。除了主要的组成机构以外, 接入系统设备、系统的通信监控装置、防雷及接地装置、滤波装置、无功调节装置、电能质量监测装置等等, 主要对光伏并网的运行监控、提高电能质量等方面起支撑作用。
2. 光伏系统接入配电网方案研究
方案一:光伏发电系统专线接入公用站, 占用公用变电站10k V间隔, 出线线路上无其他任何性质的负荷, 并网点设置为用户进线断路器, 由该断路器控制光伏系统是否并网运行。该方案多为自发自用、余电上网类型的光伏系统使用。从供电企业角度考虑, 此类型光伏系统接线简单, 故障情况下隔离速度快, 影响小。
方案二:光伏发电系统“T接”接入10k V配电线路, 即在原有常规线路的某一个点接入光伏系统, 该线路仍为其他用户供电, 作为原线路的一个分支, 即是负荷也是电源, 需考虑与原线路保护的配合。
方案三:10k V专线客户本站低压接入光伏系统后, 该用户仍以普通负荷性质接入电网, 光伏系统在用户站低压侧安装开关为并网点, 资产为用户内部管理, 这样能够使用户能够同时满足常规电网用电和光伏系统用电。此方案多为自发自用、余电不上网类型的光伏用户使用。
方案四:为满足具备条件的10k V用户站对光伏的接入需求, 将方案二与方案三融合, 更大程度地解决了路由问题, 节约成本, 为清洁能源消纳提供更优策略。但缺点是接线复杂, 不易管控, 相关设备改造不能同步, 相关技术课题有待进一步研究。
三、光伏系统接入对电网运行的影响分析
1. 光伏接入对继电保护的影响
就目前电力系统继电保护而言, 小容量光伏系统接入低压可能不会对系统保护运行造成影响, 但是在能源互联网发展的未来, 光伏以及各类清洁能源大规模的并网将使系统各项参数发生变化, 例如短路阻抗等。在系统发生故障时, 短路电流会因光伏电源的存在发生变化, 极易出现保护失去灵敏性和选择性。其次是对系统潮流的影响, 对方向性配合要求更高。在能源互联网建成的未来, 光伏发电系统占比扩大, 需要继电保护协调配置, 并满足不同电源的接入, 满足特高压电网运行要求, 形成更为智能、灵活的继电保护系统。
2. 光伏接入对供电网络电能质量的影响
我们知道, 太阳能系统受天气光照影响较为直接, 不能提供稳定的能源转化会使光伏系统出现各种扰动、谐波等, 进而影响供电系统对用户的供电频率、供电电压等电能质量标准, 对人们生活、生产造成困扰。在常规电网接入光伏系统可以通过电力电子逆变器、有源滤波器等措施减少对其对电能质量的影响, 但在全球能源互联网飞速发展的未来, 供电网络将通过“源-网-荷-储”协调发展、集成互补, 将分布式能源转型为常态电源, 降低光伏接入对电能质量的影响, 为全球能源用户提供稳定的电能供应。
3. 光伏接入对电网调控管理的影响电网调度控制中心作为电力系统
正常稳定运行的守护者和指挥者, 对光伏发电的接入影响有着更为直观的感受, 按照调度范围和电压等级不同, 调控管理工作也将面临光伏系统并网后, 在电网方式调整、优化网络运行、电网规划、建设等方面的困难。在能源互联网背景下, 供电企业应创新调控管理模式, 在电网调频调峰、电网故障处理、计划检修工作、防孤岛效应等方面充分考虑能源互联、集成协调、智能优化、三网合一, 建立适应新能源电力系统的调控管理模式。
建立适应能源互联网的光伏管理新模式
电网企业为适应全球能源互联网的发展, 应在现有管理理念的基础上, 针对光伏管理采取以下几方面的措施:
(1) 建立健全有针对性的管理标准。能源互联, 标准先行, 《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》已经发布, 在意见的指导下, 电网企业应积极探索太阳能开发具体技术领域的新标准, 形成较为完备的技术及标准体系, 并推动实现国际化, 引领全球能源互联网的发展。
(2) 从源头出发, 长远统筹互联网规划。能源互联网背景下的能源与电力规划关键技术应向着多能聚合、互补协调的方向发展, 着力研究新型太阳能体系及其耦合机理, 能源互联网规划方案优化及评价指标体系的建立, 太阳能及储能等关键设备的规划与投资等等。
(3) 创新电网调控运行管理模式。加强调控系统人员技术培训, 熟练掌握光伏并网运行的技术要求, 开展含光伏系统的各类故障演练, 探索大规模光伏接入后对电力系统负荷预测的影响。在供电企业内部建立“规划-营销-运维-调度”协同化管理模式, 全过程管控光伏系统接入电网运行。
(4) “源-网-荷-储”协调, 加快新能源电力系统改革。光伏接入电网运行作为有源网络, 从清洁能源利用、用户多元化需求、智能电网建设等方面对新能源电力系统建设提供支撑, 通过“源-网-荷-储”协调发展、集成互补, 进而促进能源互联网发展。
结语
在全球能源互联网发展的大背景下, 太阳能光伏发电系统的各项技术的成熟和实践应用, 将成为清洁能源高效利用的主要组成部分。在天津, 风、光等多种形式新能源的消纳利用和并网已有大量成功案例, 大中小不同企业以及居民个人的示范项目在天津全面落地开花, 国网天津电力正在以模式创新为突破点, 进一步创新分布式电源并网服务和技术, 确保清洁能源安全便捷并网、100%消纳, 支撑全球能源互联网发展, 着力解决能源安全、环境污染和气候变化等问题, 让人们生活更加美好, 让世界成为能源充足、天蓝地绿、和平和谐的地球村。
摘要：随着科学技术的日新月异, 全球能源互联网作为一场新的能源革命正在孕育而生, 特高压电网、智能电网、清洁能源成为能源互联网发展的支撑平台, 本文在此背景下, 对大规模光伏系统接入电网后的影响进行了分析, 并提出以完善标准、统筹规划、在线监测、创新调控、“源-网-荷-储”协调, 加快新能源电力系统改革等措施促进电网企业在光伏管控方面适应全球能源互联网发展。
关键词：能源互联网,光伏接入,调控管理
参考文献
新能源接入 篇8
近年来,环境问题和能源问题已成为全球可持续发展战略中迫切需要解决的问题,能源互联网作为可再生能源和互联网技术结合的产物,能够从本质上改变对传统能源的依赖,保障全球能源的可持续性供应[1]。目前,全球能源互联网正成为国内外学术界的研究热点,但对能源互联网尚未达成统一的概念。简单而言,能源互联网可理解为将大量分布式能源节点互联起来,实现能量对等交换和共享的智能电网。可以认为,能源互联网是智能电网概念的发展和深化。
与传统电网相比,智能电网具有“网络更广、用户更泛、交互更多、技术更新”等特点,信息安全隐患更加突出[2],如无线通信技术和智能传感技术在信息传输过程中存在被非法窃听、篡改和破坏的风险[3,4];海量交互信息往往导致数据吞吐量过大,造成网络波动、业务过载;终端用户交互信息存在泄露、篡改和破坏的风险;用户终端存在信息泄露、非法接入、被控制的风险;新型技术、智能设备本身存在安全缺陷,广泛应用后各类信息安全问题可能凸显。
尤其是随着智能表计、智能家电、分布式清洁能源设备等多种智能终端的大量接入,在加快智能电网发展的同时也带来了巨大的安全风险。传统“垒高墙,堵漏洞,防外攻”的被动式防御对于抵抗电网内部攻击见效甚微,对于已经接入电网内部的终端如果感染病毒或发起恶意攻击,已有的被动式防御方式已经不能有效抵抗。几乎所有的攻击事件追根溯源都是由终端发起[5],如果在终端接入电网时能够对其进行安全评估,对不符合要求的终端进行限制接入或阻断,从而保证电网中的每一个终端都事先经过安全检查,就从根源上控制了恶意攻击事件。对于数量庞大、类型多样的用户终端的存在,可以考虑采取终端可信接入技术对终端进行认证和授权,但由于传统的终端可信接入方式只在终端接入时对其进行身份认证,并没有动态地实时监测终端行为[6]。也就是说,在网络接入时的可信终端在运行过程中并不能保证一直是安全可信的,有可能被非法冒用、远程控制等,从而进行一系列非法操作。
1 可信网络连接
目前,保证终端安全可靠接入的技术主要有3 种:Cisco公司的网络准入控制(Network Admission Control,NAC)、Microsoft公司的网络访问保护(Network Access Protection,NAP)和TCG的可信网络连接(Trusted Network Connection,TNC)[7]。本文基于TNC思想提出基于用户行为的电网终端可信接入方法。
自可信计算组织(Trusted Computing Group,TCG)[8]2003 年成立以来,制定了一系列可信计算相关的标准规范,其中包括TNC[9,10,11,12]。可信计算的核心思想是将底层芯片作为信任根,层层认证,直到将这种信任扩展到整个计算机系统,从而保证终端计算环境的可信。TNC在其基础上,继续将这种信任扩展到整个网络中,保证这个网络成为一个可信的计算环境。具体来说,是在终端接入网络时对其进行身份认证,认证通过则对终端的完整性状态进行度量和验证[13],如果度量结果满足系统的安全策略,则允许终端接入网络。否则根据度量结果将终端接入隔离网络或者禁止终端接入,对于接入隔离网络的终端需要对其进行安全修复,直到满足系统的安全策略时才允许其接入。这样,信任就扩展到了整个网络,整个网络的安全性得到了很大提高。
TNC基础架构模型如图1 所示。
基于可信网络连接的思想,在终端接入过程中,当终端发出访问请求后,需对其进行身份认证和平台完整性度量,当终端满足网络预设的安全策略时被允许接入;当终端不满足上述要求时,被禁止接入或进行隔离修复。但从整个终端接入的过程看,这种接入方法只是在终端接入时对其进行认证,一旦终端被允许接入网络,则该终端的行为就不受制约,也就是说,终端如果被恶意控制,就可能以其合法身份做出威胁网络安全的行为。TNC只在终端接入网络时对其进行了身份和完整性认证,在接入之后没有对终端进行任何安全性保护,这种保护机制只能保护终端接入网络时的安全性,不能保证接入后网络的安全[8]。因此,在终端接入网络后,需从用户终端行为入手,对用户行为进行实时监控,才能保证终端接入后的安全。
2 基于用户行为的电网终端可信接入技术
针对现有技术的不足,本文提出一种基于用户行为的电网终端可信接入方法,在TNC的基础上从终端入手解决电网信息安全问题,从终端行为入手,对网络攻击进行主动防御,将大部分潜在攻击在发生前进行抑制。
2.1 可信接入架构
基于用户行为的电网终端可信接入架构如图2所示。该架构的核心思想是:在对终端进行身份认证和平台完整性度量的基础上,对电网用户的实时行为证据进行收集,周期性地判断用户行为是否可信,从而决定是否允许终端继续接入网络以及以何种身份接入等问题,并以此决定对用户采取实时监控的力度。
基于用户行为的电网终端可信接入架构包含3 个实体:电网接入终端,相当于TNC中的访问请求者(Access Requestor,AR);接入网关,相当于TNC中的策略执行点(Policy Enforcement Point,PEP);认证服务器,相当于TNC中的策略决策点(Policy Decision Point,PDP)。基于用户行为的电网终端可信接入架构从纵向考虑,包含3 个逻辑实体:终端访问层、可信评估层、可信度量层。
1)终端访问层。负责处理底层的通信数据,在该层次,AR和PDP分别需要建立可靠的数据传输通道,而PEP则根据PDP的判定结果执行允许、禁止和隔离等网络接入操作,完成电网接入终端的访问请求,申请建立网络连接。
2)可信评估层。 包括可信网络连接客户端(TNC Client,TNCC)和可信网络连接服务器(TNC Server,TNCS)2 个部分,负责处理网络接入策略,以及完整性和行为验证结果的评估,TNC客户端解析网络接入策略,指导完成相关数据收集,而TNC服务器则根据接入策略进行接入判定。
3)可信度量层。负责处理原始的、与具体接入策略无关的可信数据,AR需要收集可信数据,而对应的PDP则需要验证可信数据的正确性。可信度量层除了包括TNC基础架构中的完整性度量收集者(Integrity Measurement Collector,IMC)和完整性度量验证者(Integrity Measurement Verifier,IMV),还包括新增定义的用户行为证据收集(User Behavior Evidence Collector,UBEC)和用户行为统计检查(User Behavior Count Judge,UBCJ)。UBEC负责实时收集电网终端AR的行为证据,形成AR历史行为证据集。UBCJ根据行为证据集,周期性地加权判断用户行为是否可信,从而决定是否允许终端继续接入网络以及以何种身份接入等问题,并以此决定对用户采取实时监控的力度。
2.2 可信接入流程
在TNC可信网络连接的基础上增加行为可信判断过程,基于用户行为的电网终端可信接入流程如图3 所示。
具体流程如下。
1)在对终端进行身份认证之前,TNCC需要对IMC和UBEC进行初始化,确保TNCC拥有与IMC和UBEC的有效连接状态。TNCS也要对IMV和UBCJ进行初始化,确保TNCS拥有与IMV和UBCJ的有效连接状态。
2)当终端发出连接请求时,NAR就向PEP发送连接请求消息。
3)当PEP收到NAR的终端访问请求后,向NAA发送网络访问决策请求。NAA按照用户身份认证、平台身份认证、平台完整性验证和用户行为可信判断的顺序进行决策,如果其中有一个认证没有达到系统策略要求,则禁止用户接入。
4)终端通过用户身份认证后,NAA通知TNCS有一个连接请求到来。
5)TNCS和TNCC进行平台身份验证。
6)终端通过平台验证后,TNCS通知IMV需要进行完整性验证。同时,TNCC通知IMC需要准备完整性验证的相关信息。IMC向TNCC返回完整性相关信息。
7)完整性验证分为以下3 个步骤:TNCC和TNCS之间根据AR的完整性状态进行交互,直到满足系统要求;IMC发送给IMV的消息通过TNCS进行转发,IMV对IMC收集到的完整性消息进行分析。如果收集到的信息足够支撑IMV作出判断,IMV将结果通过相关接口发送给TNCS;TNCC转发TNCS与IMV之间的交互信息。
在用户身份认证、平台验证和完整性检查完成之后,就要对用户行为进行可信判断,主要分为以下3 个步骤。
8a)TNCS向UBCJ表示行为可信判断开始,UBCJ完成策略制定、异常行为判断阈值AAddabormal、周期性判断时间间隔TTimeint,证据信任的信任范围(Tlow,Thigh)等值的初始化,这些初始值的设定可以根据用户行为的判定情况进行调整。TNCC向UBEC发送请求收集用户实时行为证据,设实时获得用户行为证据值为Enew,并对以往用户行为证据进行统计存储,假设该用户过去的累加证据值为AAddevi。UBEC将用户行为证据收集结果汇报给TNCC。
8b)TNCC将用户行为证据信息发送给相应的TNCS,通过NAR、PEP和NAA进行转发。
8c)TNCS转发用户行为证据信息给相应的UBCJ。在预先设定的时间间隔TTimeint内,UBCJ根据UBEC收集到的实时用户行为证据判定用户行为是否可信,具体的判定过程如下:根据用户的累加证据值AAddevi判定收集到的用户实时证据Enew是否可信。如果不可信,则判断该实时证据为不可信,本次实时监控得到的证据为AnewAddevi。如果Enew可信,就将该实时证据与用户以往的信任结合起来,与自己的历史行为证据比较判断行为是否可信,|Enew–AAddevi|<D是否成立,D为异常行为的偏离度。 如果上式成立,则Enew为可信证据,如果不成立,则Enew列为有可能为不可信证据的怀疑证据。对于怀疑证据,需要进一步进行判断,将怀疑证据与整个系统行为证据信任化的信任范围比较判断,判断Tlow<Tnew<Thigh是否成立,如果成立则为可信证据,否则为不可信证据,即Enew=Eabnormal,也就是异常行为证据,并对该行为证据进行记录。在预先设定的时间TTimeint内,将异常行为的证据值按照预设的权重进行加权计算,判断∑iαiEabnormal>AAddabnormal是否成立,ai为各个异常行为的恶意指数。如果上式成立,则认为该用户的行为是不可信的,对于有不可信访问行为的用户在NAA的执行过程中应及时终止用户访问,禁止用户接入。UBCJ将用户行为是否可信的判定结果返回给TNCS。
9)TNCS根据完整性验证和行为可信判断结果,将操作建议发送给NAA。
10)最终的网络访问操作决策通过PEP执行,而这个结果通过TNCS发送给TNCC。
11)如果允许终端AR接入网络,那么在终端接入网络后,UBEC对用户行为证据进行周期性地收集,在预先设定的时间间隔TTimeint内对用户行为进行可信判断,将判断结果上报给TNCS。一旦发现用户行为异常,及时告知PEP对AR进行阻断连接,阻止有异常行为的用户访问网络。
3 结语
面对能源互联网的终端接入需求,本文基于可信网络连接思想,提出一种基于用户行为的电网终端可信接入方法。在原有对用户进行身份验证和平台完整性验证的基础上,增加了对用户行为的可信判断,实现了终端可信接入以及接入后的可信管控,解决了电网终端的安全可信接入问题。
摘要：未来能源发展的基本格局将以电力为中心,能源互联网可理解为将大量分布式能源节点互联起来,实现能量对等交换和共享的智能电网。随着全球能源互联网的发展,国家电网公司逐渐在信息外网开展互动化业务系统应用,电网智能终端的广泛使用在加快电网发展的同时也带来了安全隐患。文章基于可信网络连接的思想,提出了基于用户行为的电网终端可信接入方法,在对终端进行身份认证和平台完整性验证的基础上,增加了对用户行为进行周期性可信判断的过程,从而实现了终端的全过程实时管控,解决了电网终端的安全可信接入问题。
新能源接入 篇9
目前,由于可再生能源接入电网,其不确定性导致接入电网的潮流产生波动。因此,在制定含可再生能源的电力系统经济调度时,需要对线路潮流进行安全校核。安全校正控制是电力系统安全控制的一项重要内容,分为在线校正和离线校核2种。在线校正控制要求控制策略简单、可靠、易行,一般以灵敏度算法为主;离线校核相对来说可以考虑较复杂的情况,以优化算法为主。文献[1,2]对灵敏度进行了详细的定义,以线路潮流对发电机有功出力的灵敏度为基础进行快速调节,达到在线控制的效果。文献[3,4]是对灵敏度算法的改进。安全约束调度[5]问题是其中的一种典型应用,计及了所有支路的潮流限制不等式约束,以内点法或者单纯型法进行求解。文献[6]研究了电力市场中的安全校核问题。电力系统的无功安全校正问题在算法上与有功安全校正算法相类似。文献[7]以无功调整量最小和有功网损最小为目标函数,建立无功安全校正的数学模型,采用线性规划的方法进行求解。针对有功和无功综合安全校正问题的研究相对较少,文献[8]建立了有功和无功综合安全校正的模糊数学模型,并采用Dantzig Wolfe分解算法,将有功和无功安全校正问题进行解耦,分别求解。
在电网安全校核方面,文献[9,10][9,10]在安排发电调度方案时考虑了计划运行情形,但对于可再生能源带来的不确定性考虑不足。文献[11]在安全约束校核过程中考虑了风电场出力偏差,通过调节平衡节点发电机组出力来平衡风电偏差,达到了一定的安全校核效果,但由于在实际运行过程中参与调节的机组并不只是位于平衡节点,因此需要综合有功无功运行情况对安全校核的调节方式进行研究。此外,在校核安全约束过程中,需要模拟不同可再生能源出力场景以应对其出力的不确定性,目前最为常用的分析方法是蒙特卡洛算法[12,13],但这种方法计算的时间比较长。因此,在考虑含有大规模可再生能源接入电网的有功无功安全校核问题时,合理考虑由于可再生能源的不确定性引起的安全约束建模和计算方法仍是值得研究的问题。
本文将电力网络方程进行拓展,以回路(支路)电流和节点电压作为状态变量,推导支路电流和节点电压与节点注入功率之间的灵敏度关系,以发电成本和网损综合最小化为目标函数,建立有功和无功综合安全校正的数学模型。为了简化计算,只考虑越限支路潮流和越限节点电压的不等式约束。并且没有考虑变压器分接头对节点电压的调整作用。本文所提出的模型在IEEE-30节点系统上进行验证,得到了很好的仿真结果。
1 综合安全校正问题的数学模型
1.1 控制变量和状态变量
在安全校正问题中,所有的发电机节点的P、Q和节点电压、相角都是变量;平衡节点的P、Q是变量,节点电压、相角是不变的;负荷节点的P、Q是不变的,节点电压、相角是变量。
所以,与常规潮流分析不同,发电机(PV)节点的假设有所不同,控制变量一般是发电机(不包括平衡节点)的有功和无功出力;状态变量则是节点电压(不包括平衡节点)和支路电流。
1.2 目标函数
当认为电力系统的负荷不变时,对各个发电机的有功和无功出力进行调整,以消除线路潮流越限以及节点电压越限。发电机的有功调整需要煤耗,而发电机的无功调整不引起煤耗,却引起网络的潮流变化,即引起网损的变化。在电力系统中,网损的变化是通过平衡节点功率的变化反映出来的,而平衡节点通常也是发电机节点,所以以经济性为目标函数可以表示为:
式中:F为系统中所有发电机组调整有功、无功出力引起的总成本;NG、NS分别为发电机和平衡节点的总数;ai表示发电机组i单位发电成本;ΔPi为有功功率损耗。上述目标函数可以分为两部分,表示调整发电机有功出力产生的发电成本;表示调整发电机的有功和无功出力产生的网损成本。
1.3 约束条件
有功—无功综合安全校正问题应满足等式约束:
有功—无功综合安全校正问题应满足不等式约束包括以下几点:
1)发电机的出力限制约束。
即:
式中:Pi0、Qi0、Si0为调整前的发电机有功、无功和视在功率。展开后略去二次项,有:
2)节点电压约束。
式中:Uj为负荷节点j处的节点电压;NF为负荷节点的数量。即:
3)线路潮流约束。
式中:L为网络的支路数。同样有:
2 网络方程的混合表示
2.1 直角坐标方程
回路电流法是网络分析的一种主要方法。在电力网络的回路电流分析法中,首要的问题是基本回路的建立。对于电力网络而言,当采用π型等值模型时,可将并联的接地支路作为树支、串联的阻抗支路作为连支来构成基本回路,见图1。
图1中:Si、Sj为支路首末两端节点的注入功率,Si=pi+j qi、Sj=pj+jqj;同时设节点i、j(i,j=1,2,…,N)的电压分别为:ui=ei+jfi、uj=ej+j fj;回路l(l=1,2,…,L)的电流为。令Rl=Ri j、Xl=Xi j,则回路l的电流方程可表示如下:
将带入式(1 0)后得:
式中:pi、qi表示节点i的注入功率;表示节点注入电流,为与节点i相关联的所有支路电流之和;表示与节点i相关联的所有支路对地导纳;表示对地支路中的电流。
将ui=ei+j fi代入式(12)有:
由式(11)及式(13)共同构成节点—回路混合分析方程。
2.2极坐标方程
将节点与回路方程表示成极坐标的形式时,有:
式中:Ui、θi分别为节点i的电压幅值和相角;φl为支路电流的相角;qci为节点i的无功补偿容量。进一步写成:
其中回路电流由下列方程描述:
3 灵敏度分析
将式(15)和式(16)线性化,得:
式中:ΔUL、ΔθL表示回路电压偏差向量;ΔPS、ΔQS、ΔPG、ΔQG、ΔPF、ΔQF、分别为平衡节点、发电机节点和负荷节点的注入功率偏差向量;ΔI、Δφ为支路电流偏差向量;ΔUS、ΔθS、ΔUG、ΔθG、ΔUF、ΔθF分别为平衡节点、发电机节点和负荷节点的电压偏差向量;H、N、J、L为对应的雅可比矩阵。按照式(21),回路电压偏差向量为0,即ΔUL=0、ΔθL=0;按照上述假设,负荷节点的注入功率是不变化的,即ΔPF=0、ΔQF=0;平衡节点的电压是不变化的,即ΔUS=0、ΔθS=0。上式变化为:
展开整理可得到:
支路电流与节点注入功率的灵敏度矩阵:
节点电压与节点注入功率的灵敏度矩阵:
平衡节点注入功率与发电机节点注入功率之间的灵敏度矩阵:
4 计算方法
综合安全校正问题的目标函数变化为:
式中:AG、AS分别对应发电机节点和平衡节点的发电机发电成本系数向量。则综合安全校正问题可以描述为:
式中:E为元素都为1的向量;△ SG,m in、PTG0、QTG0、△ SG,m ax、△UF,m in、△UF,m ax、△UG,m in、△UG,m ax、△I,m in、△I,m ax分别为系数向量。
灵敏度矩阵的计算涉及到大量的矩阵运算,可以采用连续回代算法[13]求解矩阵的灵敏度,计算的效率就较高。对于式(24)所示的有功和无功综合安全校正问题,是针对△PG、△QG的线性规划问题,采取单纯型法或者内点法进行求解。
5 实例
以IEEE-30节点为例,系统见图2,计算原始数据参见文献[13]。以第35条支路(节点25与节点27之间的支路)为例,计算其对节点注入的灵敏度见表1。
在没有进行节点注入功率调整之前,支路35的电流实部、虚部、幅值和相角分别为:-0.280654、0.275091、0.392991及44.4265。依次调节发电机节点的注入功率,调整系数取0.05,计算后支路35的电流大小见表2。
由表2可知,按相同比例依次调节发电机节点的注入功率,支路35电流减小的趋势完全按照表1中计算的灵敏度顺序。计算结果表明所建立的支路电流—节点注入功率的灵敏度有效,能很好地指出对支路电流影响大的发电机节点。
按照灵敏度对发电机有功进行调整,取不同的调整系数时,支路35的电流计算结果见表3。
通过上述3组数据对比,随着调整系统的变大,支路35的电流不断减小。如负荷也参与调整,调整系数取0.001,则计算后支路35的电流实部、虚部、幅值和相角分别为:-0.277334、0.265729、0.384091及-43.7758,电流下降的幅度更大。
6 结语
本文对电力网络建立节点电压与回路(支路)电流混合表示的数学模型,在此混合模型的基础上推导出支路电流、节点电压、平衡节点有功功率对于发电机节点的灵敏度矩阵,在线形化后得到了有功和无功综合校正问题的数学模型,通过对IEEE-30节点网络计算分析得到如下结论:
1)支路电流表示的线路潮流相比于节点电压法计算的潮流,能更准确地体现线路的过负荷状况,更加适合于电力系统精确分析的场合;
2)将有功和无功综合安全校正问题放在发电机上进行综合控制,可以避免单独调整一台发电机所造成的控制策略冲突问题;
3)在可再生能源大规模接入电网的背景下,对于可再生能源在考虑其容量置信度后,本文所提出的算法也适合于考虑大规模可再生能源接入电网的有功和无功安全校正问题,而且还可应用于发电计划的调整和校核问题。
摘要：电力系统的有功和无功安全校正是运行和控制的一项重要内容,特别是在大规模可再生能源接入的情况下。文章首先将(回路)支路电流变量引入到电力网中,建立电力网络分析的拓展方程。其次根据支路电流、节点电压和平衡节点有功功率针对发电机节点注入的有功和无功功率灵敏度,以平衡节点有功功率变化表示网损的变化,以发电成本和网损综合最小为目标函数,考虑节点电压约束、支路潮流约束和发电机视在功率限制约束,建立电力系统线性化的有功和无功综合安全校正的数学模型,从而对电力系统的有功和无功安全校正问题进行综合考虑。最后以IEEE-30节点系统进行实例验证分析,证明该方法是有效的。