3.2直流配電網的拓撲結構

直流配電網的基本拓撲主要有環狀、放射狀和兩端配電3種，如圖3所示[20]。放射狀結構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;環狀和兩端配電網絡的供電可靠性較高，但故障識別及網絡重構比較困難。實際網絡拓撲的選擇和電壓等級要根據工程所需的供電可靠性、供電范圍及投資等因素綜合考慮。無論哪種網狀結構，其電力電子設備都是必不可少的。

3.3直流配電網關鍵設備的研制

在現代柔性直流配電網的建設中，需要研制如下關鍵設備：

1)直流變壓器。對于直流型配網，傳統的交流變壓器已無法使用，需要依靠電力電子設備實現直流電壓的轉換，而這種DC-DC變壓器有其自身的特點。首先，電力電子變壓器的容量要大，在配網中傳統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中、低電壓的轉換，這是一種高降(升)壓工作場合，以現有配電網來說，一種典型的配電站需要將10kV轉換為380V民用電，降壓比超過26(25)1;此外，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能量雙向流動的功能。

2)大功率AC/DC變換器。為實現直流配網與現有的交流輸電網相連，需要在中高壓交流輸電網和低壓配電網之間加入AC/DC變換器。這種AC/DC變換器同樣需要實現大容量傳送能力、高電壓變比、能量雙向流動等能力。此外，在應用IGBT、IGCT等可關斷器件的情況下，AC-DC變換器還應具備向交流側提供無功補償的能力。

3)直流斷路器。它起著隔離故障的作用，對直流配網的安全運行非常關鍵;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)的直流斷路器，其可以在5ms內斷開9kA電流[21]。隨著器件技術和相關研究的深入，將會有更大通斷能力的裝備。

4)直流開關。在低壓直流配網中，對于電磁爐、暖風機等功率較大的負載，現有交流開關、插頭不能斷開直流電流，不能直接應用于直流配網。因此，直流開關、插座和插頭等設備的研發也是一個值得關注的課題[22]。

4配電網通信系統

目前，許多智能電力電子裝備已具備了一定的信息檢測、數據傳輸、遠程控制等功能。但配電網存在大量的電力電子互聯裝備，要實現電能信息集成一體化，還需要建立更加智能的通信系統。它不但將全網節點的信息匯集起來并下派指令，還能幫助調度端分析和決策[23]。圖4給出未來電力系統的三級通信結構[24]。從高壓等級到中壓等級，從發電端、輸電端到主變電站上均有SCADA系統覆蓋，這也是現有的電力系統的主要通信方式。調度端和廠、站通過SCADA系統進行實時數據收集和控制命令發送。主要的配網通信是在城市外圍或內部的35kV、10kV等中壓等級線路上，這一部分不單是簡單監測運行數據，更要積極影響配網調控，通過控制電力電子裝備，實現主動配網電能管理和調控。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據，還需具備電能質量監測、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，全面滿足各種規模和不同信息傳輸的需要，因此往往需要多種通信方式混合使用。

圖5給出未來配電網的通信系統框圖[24]。大型的發電廠、變電站以及控制室由現有的SCADA系統覆蓋，主要通過沿電力線鋪設的光纜相連，并主要采用成熟的互聯網技術。目前的挑戰集中在中、低壓配電網的通信系統，這一等級的通信節點覆蓋程度還很低。因此，不同的技術正在這一方面探索，包括以太網、電力線載波PLC、Zigbee、無線mesh網絡、蜂窩網絡技術等。

ZigBee因其簡易性、可移動性、高穩定性、低帶寬需求、開放的頻帶和低成本等優勢，已成為一種應用于電量管理和智能電表的理想通信方式。內嵌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數據處理能力不夠高，內存容量小以及對延時有苛刻限制。此外，ZigBee通常使用2.4GHz開放頻段，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網絡是一種包含了若干節點的靈活的網絡，新的節點可以隨時加進來，并且每個節點除了作為信息的接收端或發送端，還充當路由器的角色。也就是說，每個節點都可以作為信息轉發器，一段信息從發送端開始，經過若干個節點的路由，到達網絡接入點。無線mesh網絡具有自我組織、自我配置能力，以及高擴展性等特點，可以實現網絡負載平衡;并且，在城市及市郊，這種多跳路由方式有效的增大了網絡覆蓋面積，是一種性價比很高的解決方案;但網絡容量、衰減和干擾是無線mesh網絡的主要挑戰。在城市范圍內，電表的覆蓋范圍不足以使無線mesh網絡完全覆蓋整個區域;其次，由于每個節點都可以作為信息轉發器，如果算法不夠完善，很可能會形成信息環流，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。

蜂窩網絡作為一種移動通信網絡已經運用較長時間，已是一種成熟的技術。它包括2G、2.5G、3G、4G-LTE、WiMAX等通信技術。現有的蜂窩網絡是一個的很好選擇，它有利于實現智能電表和變配電站之間或遠距離節點間的通信。國內外有很多公司已經展開基于GSM、GPRS、3GCDMA等通信技術應用于電力系統通信的研發，其中包括Verizon公司的應用于智能住宅電網的基于CDMA的解決方案，GE正在研發基于WiMAX的智能電表等。蜂窩網絡最突出的優勢就是其設施較完善，無需再次投入經費進行基礎設施建設和維護。同時，蜂窩網絡的覆蓋范圍很廣，無論城市和鄉村覆蓋面積基本已經達到100%，因此非常適合配電網的通信需求。但由于蜂窩網絡往往是公共平臺，一旦移動通信業務繁忙，網絡堵塞，會降低蜂窩網絡的可用性，導致信息傳輸延時或失敗，這是電力系統所不允許的。對此，網絡供應商可以為電力系統提供專用的通信網絡，以解決和民用通信系統沖突的問題。此外，由于無線蜂窩網絡的傳輸媒介開放，必須采用信息加密技術以保證信息的安全性。

低壓電力線載波技術是依靠電力線為傳輸媒介的一種專用于電力系統通信的技術。該技術的最大優勢是傳輸媒介無需額外投入，通信覆蓋范圍達到100%，而且有較高的安全性。電力線載波技術分窄帶電力線載波(narrow-bandpowerlinecommunications，NB-PLC)和寬帶電力線載波(broad-bandpowerlinecommunications，BB-PLC)兩類，設備控制一般采用窄帶電力線載波技術，其載波頻率不超過300kHz。在法國開展的LinkyMeterProject項目中，電力線載波技術已被用于3500萬個智能電表與通信子站的通信方式，而GPRS技術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設計，其通信環境比較苛刻，易受干擾，長距離傳輸的信號衰減嚴重，因此需要通過通信協議的設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的隔離變壓器，需要增加額外的設備來傳遞信號，增加了系統的復雜度。

數字用戶環路DSL技術是應用在有限電話線上的高速傳輸技術。現有的固定電話基礎設施顯著減少了通信系統建設的開支，但現有ADSL網絡在農村的覆蓋范圍不高，尤其是偏遠地區，而在這些地區鋪設傳輸線和基礎設施的成本是很高的[25]。

目前，電力電子裝備的互聯采用何種通信方式來統一還沒有定論，許多電力電子裝備雖然具備了網絡或者通信接口，但不同設備生產廠家采用的是不同的協議和標準，無法直接連通。因此，網絡標準化的電力電子裝備還在發展中。

5電力電子裝備的互聯和系統網絡化

如上文所述，雖然近年來電力電子設備被廣泛應用于電力系統中，如配網中的DFACTS設備、用戶側的各種用電設備的電源、可再生能源發電的接口等。但是，電網雖然將這些電力電子設備的功率端連在一起，卻未能從電網層次協調這些設備的運行，因而無法充分利用電力電子系統應用所帶來的電能管理的靈活性和可控性。而隨著通信技術的快速發展，這一現狀將會改變。如果將每個電力電子設備視為電網中的一個節點，用通信網絡把將各個節點連接起來，便可實時收集各個節點的電能狀態數據，實時發出節點指令，從總體上協調網絡中的所有電力電子設備，這就是電力電子互聯網技術。

一種設想的未來電力系統結構如圖6所示[24]。其中，PEBB為電力電子模塊;MEBB為機械設備模塊;EM為能量管理;Producer為能量產生源;Storage為儲能;Load為負載。全網不但包括能量流，還有信息流貫穿各個節點。由于電力電子設備對電能強大的主動調節能力，各種負載、分布式發電端、儲能設備以及不同電網之間的接口均由電力電子設備承擔，同時參與通信，執行調配命令。

2011年美國北卡州立大學的FREEDM研究中心提出了能量互聯網“EnergyInternet”的概念[26]。它類比信息互聯網，將電力電子設備與通信技術結合起來，以構造一種全新的配電網架構，將傳統的集中式發電、輸電、用電的格局改變為分布式發電、用電的網絡。以此為基礎構造用戶導向的用電網絡。同時，強大的通信功能將網絡內所有的信息匯集起來，實現實時電價。此結構與智能電網的主要理念不謀而合。

該能量互聯網將應用于配電網中，直接面對民用和工業用戶。其架構主要包括三個要素：即插即用的功率接口、能量路由器和基于開放通信協議(如TCP/IP或HTML)的操作系統，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、分布式發電等終端接入配電網[26]。該功率接口的基本功能是將不同設備的電能輸入形式轉換為與電網相匹配的形式，即電能形式轉換功能。這表明該功率接口是一個電力電子設備，如儲能系統的雙向變換器、PV并網逆變器等。作為即插即用的功率接口還需具有通信接口，并支持標準操作協議，可以立刻識別接入電網的終端設備，并將終端設備的信息上傳給網絡，接受調控指令。

2)能量路由器(energyrouter)，也稱為智能能量管理模塊IEM，是中壓配電網和低壓區域網的接口，可以實現能量的雙向流動，同時為可再生能源設備提供低壓直流母線。能量路由器同樣支持通用開放標準的網絡協議，實時接收所有功率接口上傳的終端信息，并提供終端設備的參考指令。這些指令值的確定取決于當前所有終端設備的工作狀態以及中壓配電網的指令。同時，能量路由器還肩負著區域低壓配電網的電壓穩定、低壓穿越以及限制故障電流等任務。由于面對的用電戶不同，能量路由器的電壓等級和功率等級會有所差異。例如針對民用用電戶的能量路由器是20kVA[27];而針對工業用戶的容量可能達到500kVA，可直接從中壓配電網取電，輸出三相低壓交流母線給用戶供電。

3)開放標準的操作系統，這是個通用的網絡協議。所有功率接口和能量路由器均需支持該網絡協議，以便將網絡內所有的設備加以識別、監測和統一協調[28]。圖8給出能量互聯網的控制結構圖[26]。將通用的網絡協議安裝到用戶的個人電腦或手機上，這樣用戶可以實時了解家里的用電狀況以及上網電價等信息;連接到區域網絡的調度中心，實時的用電狀況便可以匯總，加以分析并進行主動控制。

從圖8可以看出，能量流和信息流是能量互聯網的兩個重要組成部分，也是電力電子互聯網的基礎。隨著電力電子設備廣泛應用于配電網中，能量層已經初步形成互聯基礎;通信層還亟待發展，配電網各節點的信息化程度還不夠，智能電表等具有通信功能的設備的使用率還較低，其要實現配電網各節點的實時可控，還有待進一步完善。

6結論

電力電子裝備在配電網中的廣泛應用不但為配電網帶來了性能提升，而且使其結構發生變革，并使直流配電網成為現實。電力電子技術自身的發展，特別是新型電力電子器件和無源元件性能的提高，雙向/多向變流器大容量化，智能控制手段的完善等，使得配電網和用戶端采用的電力電子裝備都能夠滿足電能形式多樣化和大功率電能交互的需求。各種通信方式的出現和相關技術的發展，并和電力電子技術相結合將可以實現各種電力電子裝備的互聯，形成電能和信息集成一體化系統，這就是電力電子技術網絡化——或者稱之為電力電子互聯網。電力電子技術網絡化要完成功率流和信息流控制、管理還面臨許多的挑戰，但它作為電能高效利用非常有效的方法和手段在未來配電網中將起著十分重要的作用。