卫星辅助的可再生能源发电信息采集与智能管理

2023-08-04王烨

通信电源技术 2023年9期

王烨

（水电水利规划设计总院有限公司，北京 100120）

0 引言

目前，可再生能源发电受到越来越多的关注，可再生能源发电量在我国总发电量中的占比也逐年提高。现阶段，我国可广泛使用的可再生能源主要有光伏、风能、水能以及生物质能等多种形式，而不同可再生能源发电的特性差异较大。例如：光伏发电普及率较高，但它受光照条件影响较大；风能发电主要分布在风力资源较为丰富的区域如新疆维吾尔自治区、西藏自治区、沿海等区域，对电力的需求有限，而对电力需求较大的城镇区域，风力发电站部署难度较大，从而导致可再生能源电力的分布极不均匀，并且与用电需求不吻合。因此，可再生能源发电信息采集与管理是可再生能源发电中的重要一环，对于可再生能源电力的高效利用具有重要意义[1]。现有可再生能源发电信息采集主要依靠地面网络完成，如基于电力无线/有线专网，或者4G/5G 公网完成发电信息采集[2-4]。然而，现有以地面网络为主的发电信息采集方案中存在以下问题。

（1）地面网络容易受自然灾害等恶劣气象条件的影响而中断。地面网络一般需要地面电信基础设施的支撑，如光纤、通信基站、机房等，当地震、泥石流、洪涝灾害等自然灾害或恶劣气象条件发生时，地面电信基础设施容易受影响而不能正常工作，从而引起发电信息采集网络的中断。

（2）地面网络不能为可再生能源丰富的地区提供较好的网络覆盖[5]。地面网络一般部署在人口较为密集的城区，而在沙漠、海上、高山等人迹罕至的区域是可再生能源较为丰富的区域，但是这些区域网络部署难度较大甚至没有网络部署，导致地面网络不能为这些区域内的可再生能源发电节点提供较好的信息采集服务。

1 卫星通信技术

卫星通信技术是利用现代的计算机、网络和通信等高科技手段，将多个不同类型或用户集中于统一的信息平台，对整个通信系统所有资源进行高效管理。卫星通信的主要目的是实现对地面的“无缝”覆盖，卫星一般工作于几百、几千、甚至上万千米的轨道上，因此覆盖范围远大于一般的通信系统。在我国，卫星通信技术是一个比较新颖且具有长生命周期的技术，它不仅是一种通信手段，而且兼具着无线传输、信息处理和网络化等多种功能特点。此外，卫星通信具备灵活性强、兼容性好并且容易扩展、适用范围广等多方面优势，多年来在国际通信、国内通信、军事通信、移动通信和广播电视等领域得到了广泛应用。

卫星通信系统组成如图1 所示。卫星通信系统由空间段、地面段和用户段组成。空间段以卫星为主体，由一定数目的卫星按照特定规则分布在卫星轨道上。地面段包括地面卫星控制中心（Satellite Control Center，SCC）和跟踪遥测指令站及信关站，支持用户访问卫星转发器，并实现用户间通信的所有地面设施。用户段指通过卫星通信系统进行通信的终端，它可以是手持终端和车载终端，也可以是电视观众和网络信息供应商等。卫星通信系统根据不同指标可分为不同类别，按照通信业务种类可分为卫星固定通信系统、卫星移动通信系统以及卫星中继通信系统等。

图1 卫星通信系统组成

1.1 卫星固定通信系统

卫星固定通信系统中，卫星终端固定在地面并且采用传统的星型结构进行连接。这种模式存在许多问题，卫星传输效率低，缺乏相应配套技术和软件支持以及基础设施不完善等。这些问题将导致卫星固定通信在可再生能源发电信息采集与智能管理方面的可用性较低。目前，典型的卫星固定通信系统有国际卫星（Intelsat）通信系统、AmerHis 卫星通信系统、iPSTAR 卫星通信系统、宽带互联网工程试验与验证卫星（Wideband Internetworking Engineering Test and Demonstration Satellite，WINDS）通信系统以及Spaceway-3 卫星通信系统等。

1.2 卫星移动通信系统

卫星移动通信是通过卫星的无线电波传输实现信息双向传播，从而提高工作效率，降低成本，在全球范围内已经有越来越多的应用。卫星移动通信系统是一种具有自主控制、灵活扩展的新型网络，它为可再生能源发电信息采集与智能管理提供远程数据传输能力，实现能源需求情况及未来变化趋势的实时分析与监控。目前，典型的卫星移动通信系统有国际海事卫星（Inmarsat）、舒拉亚（Thuraya）卫星系统、亚洲蜂窝卫星系统（Asia Cellular Satellite，ACeS）系统、奥德赛（Odyssey）系统、中圆轨道系统（Intermediate Circular Orbit，ICO）系统、铱星（Iridium）系统以及全球星（Globalstar）系统。

1.3 卫星中继通信系统

卫星中继通信系统是一种新型的网络，它将多种信息融合在一块，通过无线方式传输到地面控制中心，其工作原理主要以中继卫星作为转发站，地面终端负责将采集到的信息进行转换，并将其转换后的信息上传到卫星中继通信系统中。该系统一般利用地球同步轨道卫星（Geosynchronous Orbit，GEO）建造天地信息传输的通路，为卫星通信系统中的用户提供及时性、准确性的中转服务。卫星中继通信系统与传统有线通信相比有以下2 点优势。

（1）具有较高可靠性和安全性。卫星中继通信系统已经被广泛应用于各个领域，同时解决了偏远地区接入困难、成本高等问题，其发展前景良好，且有广阔的市场空间。卫星中继网络可以实现远距离信息传输，从而提高系统运行速度及抗干扰能力等特性。

（2）可有效支持可再生能源发电信息的采集与实时管理及分析功能。随着卫星通信技术和网络技术的不断发展成熟，卫星中继系统将发挥更大作用，特别是对于大规模、大数据量可再生能源发电信息采集具有较好的支撑作用，可满足海量电力信息采集、处理的需求。目前，典型的卫星中继通信系统有美国的跟踪与数据中继卫星系统（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）、欧盟的DRS 计划、日本的数据中继试验卫星（Data Relay Test Satellite System，DRTSS）和中国跟踪与数据中继卫星系统（Chinese Tracking & Data Relay Satellite System，CTDRSS）等。

2 卫星辅助的可再生能源发电信息采集与智能管理系统

结合卫星通信技术的特点，卫星通信可有效解决传统地面通信网络容易受自然灾害影响以及网络部署中的地理环境限制等问题，为可再生能源发电信息采集提供高可靠、大覆盖的传输通道。因此，提出卫星辅助的可再生能源发电信息采集与智能管理系统，如图2 所示。

图2 卫星辅助的可再生能源发电信息采集与智能管理系统

图2 中，卫星辅助的可再生能源发电信息采集与智能管理系统主要由3 个分系统组成，分别为发电信息采集分系统、卫星传输分系统、信息处理分系统。这3 个分系统的组成及作用主要体现在以下方面。

（1）发电信息采集分系统。发电信息采集分系统主要由可再生能源发电信息采集设备组成，完成不同种类可再生能源发电信息的采集。由于可再生能源有多种如风能、太阳能、生物质等，不同种类的可再生能源使用的发电信息采集设备也会有所差别，但它们都需要具备统一的数据接口格式，以便于后续的信息传输与处理。

（2）卫星传输分系统。卫星传输分系统主要负责连接发电信息采集分系统和信息处理分系统，由卫星收发信机、卫星网络及相关的传输设备构成。在该系统中，卫星传输分系统主要为信息采集节点提供数据传输通道，不需要关注具体的可再生能源形式及不同种类可再生能源发电的特点，以简化卫星传输分系统的设计。

（3）信息处理分系统。信息处理分系统是该系统的核心，主要负责对采集的可再生能源发电信息进行处理、分析，并根据可再生能源发电情况，用户用电需求等进行动态管理与调度，以提高可再生能源电力使用效率。信息处理分系统主要由分散在各地的云计算中心、控制中心以及相关的高速互联网络组成。其中，云计算中心主要负责海量数据实时处理，控制中心负责电力信息的实时调度、管理等。

3 关键技术分析

（1）可再生能源发电信息实时采集。可再生能源发布范围广，通常部署在人迹罕至的区域，如何利用卫星通信技术解决可再生能源发电信息的实时采集问题，降低可再生能源发电信息回传时延，提高信息可靠性，是本系统建设中需要重点关注的问题之一。

（2）海量电力信息智能分析与处理。可再生能源发电信息具有非平稳特性，不同时间、不同地点可再生能源发电信息差异较大，可再生能源发电信息处理、分析往往需要大范围、长时间的数据积累，如何完成海量电力信息智能分析与处理是可再生能源高效利用的又一关键问题，也是本系统需要解决的关键问题之一。

（3）可再生能源电力智能调度。可再生能源发电信息采集的最终目的是实现可再生能源电力的高效利用，而电力的高效利用离不开电力智能调度，如根据可再生能源不同地理区域、不同时间的发电情况以及不同区域电力需求情况，对可再生能源电力进行动态调配，解决可再生能源发电量与区域电力需求不匹配的问题，从而提高可再生能源发电的利用效率。