CN112532707B - 一种分布式光伏电站运维数据传输方法 - Google Patents

一种分布式光伏电站运维数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分布式光伏电站运维数据传输方法，综合考虑数据传输方式，建立包括能量消耗模型与流量成本模型的分布式光伏电站的运维数据传输的效用模型，运用仿真计算得到基于分簇方式的分布式光伏电站运维数据传输方案，保证分布式光伏电站优异效能、减少数据传输的能量消耗、降低通信成本，提高分布式光伏电站的经济效益。

Description

一种分布式光伏电站运维数据传输方法
技术领域
本发明属于电力系统运维数据传输技术领域，更具体地，涉及一种分布式光伏电站运维数据传输方法。
背景技术
在当前全球能源危机、环境污染加剧的背景下，光伏作为一种高效、清洁的可再生能源，得到了世界各国的大力支持并得以迅速发展。我国十分重视光伏行业的发展，装机容量逐年提升，2019年，全国新增光伏发电装机3011万千瓦，同比下降31.6％，其中集中式光伏新增装机1791万千瓦，同比减少22.9％；分布式光伏新增装机1220万千瓦，同比增长41.3％。光伏发电累计装机达到20430万千瓦，同比增长17.3％，其中集中式光伏14167万千瓦，同比增长14.5％；分布式光伏6263万千瓦，同比增长24.2％。
在“国网阳光扶贫行动”中，国家电网有限公司出资2.32亿元为巴东县119个建档立卡贫困村每村建设200kW光伏扶贫电站，总容量23.6MW，发电收益用于贫困村经济社会发展和帮助贫困人口脱贫，按照相同的模式，分步逐年在安徽、江苏、河北等地区均推广示范。
一般而言，分布式光伏的示范应用场景主要分为三种：一是小型户用光伏电站；二是中型分布式光伏电站；三是大型分布式光伏电站。每种场景中，电站所处的地理环境、逆变器之间的拓扑结构、通信成本以及能耗等均不相同，综合考虑各种因素，分布式光伏运维数据采用点对点传输方式存在传输成本过高、传输稳定性和可靠性较低等多个问题，因此需要对小型分布式光伏运维数据传输方法进行研究，以兼顾通信成本和效能优化。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种分布式光伏电站运维数据传输方法，综合考虑多种数据传输方式并存，建立能够反映能量消耗与流量成本的分布式光伏电站的运维数据传输的效用模型，运用仿真计算，以效用最优为目标确定分布式光伏电站运维数据的传输方式，从而减少数据传输的能量消耗、降低通信成本。
本发明采用如下的技术方案。
一种分布式光伏电站运维数据传输方法的步骤如下：
步骤1，分布式光伏电站内的逆变器采集运维数据并传输至云平台，其中运维数据的传输包括：
(1)第一传输方式，是指分布式光伏电站内每台逆变器均通过运营商网络将运维数据传输至云平台；
(2)第二传输方式，是指对分布式光伏电站内的逆变器进行分簇处理；在一个簇内，先由簇头逆变器通过短距离通信采集簇内逆变器的运维数据，再由簇头逆变器通过运营商网络将全簇逆变器的运维数据传输至云平台；
步骤2，建立分布式光伏电站内逆变器传输运维数据的能量消耗模型；
步骤3，建立分布式光伏电站内逆变器传输运维数据的流量成本模型；
步骤4，分布式光伏电站的运维数据传输的效用模型，满足如下关系式：
C＝w1nuem(s)+w2ndayntimeETx(k,d)
式中，
w1表示流量成本的权重，
w2表示能量消耗的权重，
nue表示需要利用运营商网络的逆变器的数量；
nday表示单个运维数据传输周期内的天数，
ntime表示每天每台逆变器传输运维数据的次数，
m(s)表示需要利用运营商网络的逆变器在传输s bit数据时所消耗的流量成本；
步骤5：求解分布式光伏电站的运维数据传输的效用模型，以效用最优为目标确定分布式光伏电站运维数据的传输方式；
优选地，
在步骤1中，在一个簇内，与基站直线距离最小的逆变器是簇头逆变器，其余逆变器是簇内逆变器；
优选地，
在步骤1中，短距离通信采用星状型的ZigBee网络拓扑，以簇头逆变器作为协调器，各簇内逆变器作为终端节点；
优选地，
在步骤2中，第一传输方式和第二传输方式的分布式光伏电站内逆变器传输运维数据的能量消耗模型相同，满足如下关系式：
Figure BDA0002793882710000031
式中，
k表示一台逆变器传输的运维数据的字节数，
d表示数据的发送端和接收端之间的距离，
d0表示区分自由空间信道模型和多径衰落信道模型的距离阈值，当d<d0时能量消耗模型采用自由空间信道模型，当d>d0时能量消耗模型采用多径衰落信道模型；
ETx(k,d)表示一台逆变器将k bit数据发送距离d所消耗的能量，
Eelec表示数据传输装置的电路能耗，
εfx表示自由空间信道模型的功率放大常数，
εamp表示多径衰落信道模型的功率放大常数；
优选地，
在步骤3中，第一传输方式和第二传输方式的分布式光伏电站内逆变器传输运维数据的流量成本模型相同，满足如下关系式：
Figure BDA0002793882710000032
式中，
s表示每月每台逆变器消耗的数据流量，
sT表示每月每台逆变器消耗的数据流量的门限值，当s<sT时运营商网络采用单位流量计费方式，当s≥sT时运营商网络采用流量包计费方式，
pu表示采用单位流量计费方式的数据流量的价格，
pm表示采用流量包计费方式的数据流量的价格；
优选地，
在步骤4中，
第一传输方式下，分布式光伏电站内全部逆变器均需要利用运营商网络进行运维数据传输，因此nue表示分布式光伏电站内全部逆变器的数量；
第二传输方式下，分布式光伏电站内仅簇头逆变器需要利用运营商网络进行运维数据传输，因此nue表示分布式光伏电站内簇头逆变器的数量；
优选地，
在步骤4中，
第一传输方式下，m(s)表示分布式光伏电站内每台逆变器的流量成本；
第二传输方式下，m(s)表示分布式光伏电站内簇头逆变器的流量成本；
优选地，
在步骤5中，
效用最优包括：分布式光伏电站的能量消耗最小和分布式光伏电站的流量成本最小。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，综合考虑多种数据传输方式，保证分布式光伏电站优异效能、减少数据传输的能量消耗、降低通信成本，提高分布式光伏电站的经济效益。
附图说明
图1为本发明分布式光伏电站运维数据传输方法的流程图；
图2为本发明分布式光伏电站运维数据传输方法中第一传输方式的示意图；
图3为本发明分布式光伏电站运维数据传输方法中第二传输方式的示意图；
图4为本发明分布式光伏电站运维数据传输方法中基站以及分布式光伏电站内逆变器的分布位置图；
图5为本发明分布式光伏电站运维数据传输方法中短距离通信网络拓扑的示意图；
图6为本发明分布式光伏电站运维数据传输方法中基站位于分布式光伏电站内全体逆变器的左端位置时，两种传输方式的总能量消耗对比曲线图；
图7为本发明分布式光伏电站运维数据传输方法中基站位于分布式光伏电站内逆变器的中部位置时，两种传输方式的总能量消耗对比曲线图；
图8为本发明分布式光伏电站运维数据传输方法中两种传输方式的流量成本对比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1，一种分布式光伏电站运维数据传输方法的步骤如下：
步骤1，分布式光伏电站内的逆变器采集运维数据并传输至云平台，其中运维数据的传输包括：
(1)第一传输方式，如图2所示，是指分布式光伏电站内每台逆变器均通过运营商网络将运维数据传输至云平台；
(2)第二传输方式，如图3所示，是指对分布式光伏电站内的逆变器进行分簇处理；在一个簇内，先由簇头逆变器通过短距离通信采集簇内逆变器的运维数据，再由簇头逆变器通过运营商网络将全簇逆变器的运维数据传输至云平台。
具体地，
在步骤1中，如图3所示，在一个簇内，与基站直线距离最小的一台逆变器是簇头逆变器，其余逆变器是簇内逆变器。
本优选实施例中，基站以及分布式光伏电站内逆变器的分布位置如图4所示，图中实心圆点表示分布式光伏电站内各逆变器的分布位置，从图4中可以看出：
(1)对于基站1，由于基站1位于逆变器IN01处，而逆变器IN01是分布式光伏电站内各逆变器中最左端的一台逆变器，因此将逆变器IN01及其右侧全部逆变器划分为同一簇，逆变器IN01与基站1直线距离最小，因此逆变器IN01为簇头逆变器，其余逆变器为簇内逆变器。
(2)对于基站2，由于基站2位于逆变器IN02和逆变器IN03的中间位置，因此，将逆变器IN02及其左侧全部逆变器划分为第一簇，并且逆变器IN02与基站2的直线距离最小，逆变器IN02是第一簇的簇头逆变器，逆变器IN02左侧的全部逆变器为第一簇的簇内逆变器；将逆变器IN03及其右侧全部逆变器划分为第二簇，并且逆变器IN03与基站2的直线距离最小，逆变器IN03是第二簇的簇头逆变器，逆变器IN03右侧的全部逆变器为第二簇的簇内逆变器。
具体地，
在步骤1中，短距离通信采用星状型的ZigBee网络拓扑，以簇头逆变器作为协调器，各簇内逆变器作为终端节点。
具体地，
如图5所示，ZigBee网络拓扑包括星状型、树状型和网状型；进行分簇处理后，簇内逆变器仅与簇头逆变器进行运维数据传输，而不与其余簇内逆变器进行运维数据传输，因此对于一簇中的ZigBee网络采用星状型的组网方式，即以簇头逆变器作为协调器，以各簇内逆变器作为终端节点。从图5中可以看出，如果采用树状型或网状型的拓扑结构，终端节点与协调器之间的通信通道必须经由路由器，即簇内逆变器与簇头逆变器之间的通信通道必须经由外部配置的路由器装置，因此会带来数据传输中的损耗与延时，增加通信成本。
值得注意的是，所属领域技术人员可以根据通信网络运行要求和通信通道特性任意选择ZigBee网络拓扑结构，例如但不限于星状型、树状型和网状型；本实施例给出的星状型ZigBee网络仅是实现本发明分布式光伏电站运维数据传输方法的非限制性的优选。
步骤2，建立分布式光伏电站内逆变器传输运维数据的能量消耗模型。
具体地，
在步骤2中，第一传输方式和第二传输方式的分布式光伏电站内逆变器传输运维数据的能量消耗模型相同，满足如下关系式：
Figure BDA0002793882710000061
式中，
k表示一台逆变器传输数据的字节数，
d表示数据的发送端和接收端之间的距离，
d0表示区分自由空间信道模型和多径衰落信道模型的距离阈值，当d<d0时能量消耗模型采用自由空间信道模型，当d>d0时能量消耗模型采用多径衰落信道模型，本优选实施例中，d0设置为50m，
ETx(k,d)表示一台逆变器将k bit数据发送距离d所消耗的能量，
Eelec表示数据传输装置的电路能耗，本优选实施例中，Eelec设置为50nJ/bit，
εfx表示自由空间信道模型的功率放大常数，本优选实施例中，εfx设置为10pJ/(bit.m2)，
εamp表示多径衰落信道模型的功率放大常数，本优选实施例中，εamp设置为0.0013pJ/(bit.m4)。
步骤3，建立分布式光伏电站内逆变器传输运维数据的流量成本模型。
具体地，
在步骤3中，第一传输方式和第二传输方式的分布式光伏电站内逆变器传输运维数据的流量成本模型相同，满足如下关系式：
Figure BDA0002793882710000071
式中，
s表示每月每台逆变器消耗的数据流量，
sT表示每月每台逆变器消耗的数据流量的门限值，当s<sT时运营商网络采用单位流量计费方式，当s≥sT时运营商网络采用流量包计费方式，本优选实施例中，sT设置为200MB，
pu表示采用单位流量计费方式的数据流量的价格，本优选实施例中，pupu设置为0.1RMB/MB，
pm表示采用流量包计费方式的数据流量的价格，本优选实施例中，pm设置为20RMB(1GB)。
由于第一传输方式和第二传输方式下，与云平台之间利用运营商网络传输运维数据的逆变器数量是不一样的，因此，m(s)表示某种传输方式下需要利用运营商网络的逆变器在传输s bit数据时所消耗的流量成本，对于第一传输方式下，m(s)表示分布式光伏电站内每台逆变器传输s bit数据时的流量成本；对于第二传输方式，m(s)表示分布式光伏电站内簇头逆变器传输s bit数据时的流量成本。
步骤4，分布式光伏电站的运维数据传输的效用模型，满足如下关系式：
C＝w1nuem(s)+w2ndayntimeETx(k,d)
式中，
w1表示流量成本的权重，
w2表示能量消耗的权重，
nue表示需要利用运营商网络的逆变器的数量，
nday表示单个运维数据传输周期内的天数，本优选实施例中，运维数据传输的单个周期设置为30天，
ntime表示每天每台逆变器传输运维数据的次数，本优选实施例中，运维数据每半个小时进行一次采集与传输，因此ntime设置为48，
m(s)表示需要利用运营商网络的逆变器在传输s bit数据时所消耗的流量成本。
具体地，
在步骤4中，
第一传输方式下，分布式光伏电站内全部逆变器均需要利用运营商网络进行运维数据传输，因此nue表示分布式光伏电站内全部逆变器的数量；
第二传输方式下，分布式光伏电站内仅簇头逆变器需要利用运营商网络进行运维数据传输，因此nue表示分布式光伏电站内簇头逆变器的数量，在本优选实施例中，第二传输方式下的nue为1。
具体地，
在步骤4中，
第一传输方式下，m(s)表示分布式光伏电站内每台逆变器的流量成本；
第二传输方式下，m(s)表示分布式光伏电站内簇头逆变器的流量成本。
步骤5：求解分布式光伏电站的运维数据传输的效用模型，以效用最优为目标确定分布式光伏电站运维数据的传输方式。
具体地，
在步骤5中，
效用最优包括：分布式光伏电站的能量消耗最小和分布式光伏电站的流量成本最小。
实施例1。
本优选实施例中，基站到逆变器直线最小距离分别设置为h＝200m和h＝500m，每台逆变器之间的距离设置为r＝10m。
对于图4中的基站1，光伏电站内每个逆变器均传输3kbits的数据，全部逆变器的总能量消耗如图6所示。
从图6看出，总能量消耗随着逆变器数量的增加而提升，并且第一传输方式下的总能量消耗略高于第二传输方式下的总能量消耗，可见，第二传输方式能够降低能量消耗。但是，第二传输方式下，能量消耗降低的幅度不显著，尤其是逆变器数目较少时，两种传输方式之间的能量消耗的差异非常小。
从图6看出，总能量消耗随着基站与逆变器之间距离的增加而提升，这是因为发送功率随着距离的增大会增大。
对于图4中的基站2，光伏电站内每个逆变器均传输3kbits的数据，全部逆变器的总能量消耗如图7所示。
从图7看出，总能量消耗随着逆变器数量的增加而提升，并且第一传输方式下的总能量消耗略高于第二传输方式下的总能量消耗，可见，第二传输方式能够降低能量消耗。但是，第二传输方式下，能量消耗降低的幅度不显著，尤其是逆变器数目较少时，两种传输方式之间的能量消耗的差异非常小。
从图7看出，全部逆变器的总能量消耗随着基站与逆变器之间距离的增加而提升，这是因为发送功率随着距离的增大会增大。
从图7看出，全部逆变器的总能量消耗的大小与基站相对于全部逆变器的位置有关，即相比基站1所在位置，基站2所在位置下全部逆变器的总能量消耗较小。
从本优选实施例可以看出，虽然采用第二传输方式不一定能够达到理想的节能目标值，需要融合多种数据处理技术，以实现大幅度的节能；但是，通过对分布式光伏电站的能量消耗模型求解，可以确定选择第二传输方式实现分布式光伏电站运维数据的传输。
实施例2。
本优选实施例种，分别设置逆变器总数为80、100、120，逆变器每次传输数据量为0.2～1Mb，采用两种不同的传输方式的流量成本如图8所示。
从图8中看出，采用第二传输方式，即对逆变器进行分簇处理，运维数据传输的流量成本显著下降，并且由于对簇头逆变器的数据传输设置了流量包计费方式，因此，当每个逆变器每次数据传输量达到0.4Mb以上时，流量成本保持不变。
从本优选实施例可以看出，采用第二传输方式，能够达到节约通信成本的目标，尤其是根据具体数据传输量的大小以及运营商流量的计费策略，选择合适的流量包，能够进一步降低流量成本。
通过实施例1和实施例2可知，以效用最优为目标时，分布式光伏电站运维数据的采用第二传输方式。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，综合考虑数据传输方式，保证分布式光伏电站优异效能、减少数据传输的能量消耗、降低通信成本，提高分布式光伏电站的经济效益。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分布式光伏电站运维数据传输方法，其特征在于，
所述分布式光伏电站运维数据传输方法的步骤如下：
步骤1，分布式光伏电站内的逆变器采集运维数据并传输至云平台，其中运维数据的传输包括：
(1)第一传输方式，是指分布式光伏电站内每台逆变器均通过运营商网络将运维数据传输至云平台；
(2)第二传输方式，是指对分布式光伏电站内的逆变器进行分簇处理；在一个簇内，先由簇头逆变器通过短距离通信采集簇内逆变器的运维数据，再由簇头逆变器通过运营商网络将全簇逆变器的运维数据传输至云平台；
步骤2，建立分布式光伏电站内逆变器传输运维数据的能量消耗模型；
步骤3，建立分布式光伏电站内逆变器传输运维数据的流量成本模型；
步骤4，建立分布式光伏电站的运维数据传输的效用模型，满足如下关系式：
C＝w1nuem(s)+w2ndayntimeETx(k，d)
式中，
w1表示流量成本的权重，
w2表示能量消耗的权重，
nue表示需要利用运营商网络的逆变器的数量；
nday表示单个运维数据传输周期内的天数，
ntime表示每天每台逆变器传输运维数据的次数，
m(s)表示需要利用运营商网络的逆变器在传输s bit数据时所消耗的流量成本；
步骤5：求解分布式光伏电站的运维数据传输的效用模型，以效用最优为目标确定分布式光伏电站运维数据的传输方式。
2.根据权利要求1所述的分布式光伏电站运维数据传输方法，其特征在于，
在步骤1中，在一个簇内，与基站直线距离最小的一台逆变器是簇头逆变器，其余逆变器是簇内逆变器。
3.根据权利要求1所述的分布式光伏电站运维数据传输方法，其特征在于，
在步骤1中，所述短距离通信采用星状型的ZigBee网络拓扑，以簇头逆变器作为协调器，各簇内逆变器作为终端节点。
4.根据权利要求1所述的分布式光伏电站运维数据传输方法，其特征在于，
在步骤2中，第一传输方式和第二传输方式的分布式光伏电站内逆变器传输运维数据的能量消耗模型相同，满足如下关系式：
Figure FDA0002793882700000021
式中，
k表示一台逆变器传输的运维数据的字节数，
d表示数据的发送端和接收端之间的距离，
d0表示区分自由空间信道模型和多径衰落信道模型的距离阈值，当d＜d0时能量消耗模型采用自由空间信道模型，当d＞d0时能量消耗模型采用多径衰落信道模型；
ETx(k，d)表示一台逆变器将k bit数据发送距离d所消耗的能量，
Eelec表示数据传输装置的电路能耗，
εfx表示自由空间信道模型的功率放大常数，
εamp表示多径衰落信道模型的功率放大常数。
5.根据权利要求1所述的分布式光伏电站运维数据传输方法，其特征在于，
在步骤3中，第一传输方式和第二传输方式的分布式光伏电站内逆变器传输运维数据的流量成本模型相同，满足如下关系式：
Figure FDA0002793882700000022
式中，
s表示每月每台逆变器消耗的数据流量，
sT表示每月每台逆变器消耗的数据流量的门限值，当s＜sT时运营商网络采用单位流量计费方式，当s≥sT时运营商网络采用流量包计费方式，
pu表示采用单位流量计费方式的数据流量的价格，
pm表示采用流量包计费方式的数据流量的价格。
6.根据权利要求1所述的分布式光伏电站运维数据传输方法，其特征在于，
在步骤4中，
第一传输方式下，分布式光伏电站内全部逆变器均需要利用运营商网络进行运维数据传输，因此nue表示分布式光伏电站内全部逆变器的数量；
第二传输方式下，分布式光伏电站内仅簇头逆变器需要利用运营商网络进行运维数据传输，因此nue表示分布式光伏电站内簇头逆变器的数量。
7.根据权利要求1所述的分布式光伏电站运维数据传输方法，其特征在于，
在步骤4中，
第一传输方式下，m(s)表示分布式光伏电站内每台逆变器的流量成本；
第二传输方式下，m(s)表示分布式光伏电站内簇头逆变器的流量成本。
8.根据权利要求1所述的分布式光伏电站运维数据传输方法，其特征在于，
在步骤5中，所述效用最优包括：分布式光伏电站的能量消耗最小和分布式光伏电站的流量成本最小。
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