衛星輔助的可再生能源發電信息采集與智能管理

王 燁

（水電水利規劃設計總院有限公司，北京 100120）

0 引 言

目前，可再生能源發電受到越來越多的關注，可再生能源發電量在我國總發電量中的占比也逐年提高。現階段，我國可廣泛使用的可再生能源主要有光伏、風能、水能以及生物質能等多種形式，而不同可再生能源發電的特性差異較大。例如：光伏發電普及率較高，但它受光照條件影響較大；風能發電主要分布在風力資源較為豐富的區域如新疆維吾爾自治區、西藏自治區、沿海等區域，對電力的需求有限，而對電力需求較大的城鎮區域，風力發電站部署難度較大，從而導致可再生能源電力的分布極不均勻，并且與用電需求不吻合。因此，可再生能源發電信息采集與管理是可再生能源發電中的重要一環，對于可再生能源電力的高效利用具有重要意義[1]。現有可再生能源發電信息采集主要依靠地面網絡完成，如基于電力無線/有線專網，或者4G/5G 公網完成發電信息采集[2-4]。然而，現有以地面網絡為主的發電信息采集方案中存在以下問題。

（1）地面網絡容易受自然災害等惡劣氣象條件的影響而中斷。地面網絡一般需要地面電信基礎設施的支撐，如光纖、通信基站、機房等，當地震、泥石流、洪澇災害等自然災害或惡劣氣象條件發生時，地面電信基礎設施容易受影響而不能正常工作，從而引起發電信息采集網絡的中斷。

（2）地面網絡不能為可再生能源豐富的地區提供較好的網絡覆蓋[5]。地面網絡一般部署在人口較為密集的城區，而在沙漠、海上、高山等人跡罕至的區域是可再生能源較為豐富的區域，但是這些區域網絡部署難度較大甚至沒有網絡部署，導致地面網絡不能為這些區域內的可再生能源發電節點提供較好的信息采集服務。

1 衛星通信技術

衛星通信技術是利用現代的計算機、網絡和通信等高科技手段，將多個不同類型或用戶集中于統一的信息平臺，對整個通信系統所有資源進行高效管理。衛星通信的主要目的是實現對地面的“無縫”覆蓋，衛星一般工作于幾百、幾千、甚至上萬千米的軌道上，因此覆蓋范圍遠大于一般的通信系統。在我國，衛星通信技術是一個比較新穎且具有長生命周期的技術，它不僅是一種通信手段，而且兼具著無線傳輸、信息處理和網絡化等多種功能特點。此外，衛星通信具備靈活性強、兼容性好并且容易擴展、適用范圍廣等多方面優勢，多年來在國際通信、國內通信、軍事通信、移動通信和廣播電視等領域得到了廣泛應用。

衛星通信系統組成如圖1 所示。衛星通信系統由空間段、地面段和用戶段組成。空間段以衛星為主體，由一定數目的衛星按照特定規則分布在衛星軌道上。地面段包括地面衛星控制中心（Satellite Control Center，SCC）和跟蹤遙測指令站及信關站，支持用戶訪問衛星轉發器，并實現用戶間通信的所有地面設施。用戶段指通過衛星通信系統進行通信的終端，它可以是手持終端和車載終端，也可以是電視觀眾和網絡信息供應商等。衛星通信系統根據不同指標可分為不同類別，按照通信業務種類可分為衛星固定通信系統、衛星移動通信系統以及衛星中繼通信系統等。

圖1 衛星通信系統組成

1.1 衛星固定通信系統

衛星固定通信系統中，衛星終端固定在地面并且采用傳統的星型結構進行連接。這種模式存在許多問題，衛星傳輸效率低，缺乏相應配套技術和軟件支持以及基礎設施不完善等。這些問題將導致衛星固定通信在可再生能源發電信息采集與智能管理方面的可用性較低。目前，典型的衛星固定通信系統有國際衛星（Intelsat）通信系統、AmerHis 衛星通信系統、iPSTAR 衛星通信系統、寬帶互聯網工程試驗與驗證衛星（Wideband Internetworking Engineering Test and Demonstration Satellite，WINDS）通信系統以及Spaceway-3 衛星通信系統等。

1.2 衛星移動通信系統

衛星移動通信是通過衛星的無線電波傳輸實現信息雙向傳播，從而提高工作效率，降低成本，在全球范圍內已經有越來越多的應用。衛星移動通信系統是一種具有自主控制、靈活擴展的新型網絡，它為可再生能源發電信息采集與智能管理提供遠程數據傳輸能力，實現能源需求情況及未來變化趨勢的實時分析與監控。目前，典型的衛星移動通信系統有國際海事衛星（Inmarsat）、舒拉亞（Thuraya）衛星系統、亞洲蜂窩衛星系統（Asia Cellular Satellite，ACeS）系統、奧德賽（Odyssey）系統、中圓軌道系統（Intermediate Circular Orbit，ICO）系統、銥星（Iridium）系統以及全球星（Globalstar）系統。

1.3 衛星中繼通信系統

衛星中繼通信系統是一種新型的網絡，它將多種信息融合在一塊，通過無線方式傳輸到地面控制中心，其工作原理主要以中繼衛星作為轉發站，地面終端負責將采集到的信息進行轉換，并將其轉換后的信息上傳到衛星中繼通信系統中。該系統一般利用地球同步軌道衛星（Geosynchronous Orbit，GEO）建造天地信息傳輸的通路，為衛星通信系統中的用戶提供及時性、準確性的中轉服務。衛星中繼通信系統與傳統有線通信相比有以下2 點優勢。

（1）具有較高可靠性和安全性。衛星中繼通信系統已經被廣泛應用于各個領域，同時解決了偏遠地區接入困難、成本高等問題，其發展前景良好，且有廣闊的市場空間。衛星中繼網絡可以實現遠距離信息傳輸，從而提高系統運行速度及抗干擾能力等特性。

（2）可有效支持可再生能源發電信息的采集與實時管理及分析功能。隨著衛星通信技術和網絡技術的不斷發展成熟，衛星中繼系統將發揮更大作用，特別是對于大規模、大數據量可再生能源發電信息采集具有較好的支撐作用，可滿足海量電力信息采集、處理的需求。目前，典型的衛星中繼通信系統有美國的跟蹤與數據中繼衛星系統（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）、歐盟的DRS 計劃、日本的數據中繼試驗衛星（Data Relay Test Satellite System，DRTSS）和中國跟蹤與數據中繼衛星系統（Chinese Tracking & Data Relay Satellite System，CTDRSS）等。

2 衛星輔助的可再生能源發電信息采集與智能管理系統

結合衛星通信技術的特點，衛星通信可有效解決傳統地面通信網絡容易受自然災害影響以及網絡部署中的地理環境限制等問題，為可再生能源發電信息采集提供高可靠、大覆蓋的傳輸通道。因此，提出衛星輔助的可再生能源發電信息采集與智能管理系統，如圖2 所示。

圖2 衛星輔助的可再生能源發電信息采集與智能管理系統

圖2 中，衛星輔助的可再生能源發電信息采集與智能管理系統主要由3 個分系統組成，分別為發電信息采集分系統、衛星傳輸分系統、信息處理分系統。這3 個分系統的組成及作用主要體現在以下方面。

（1）發電信息采集分系統。發電信息采集分系統主要由可再生能源發電信息采集設備組成，完成不同種類可再生能源發電信息的采集。由于可再生能源有多種如風能、太陽能、生物質等，不同種類的可再生能源使用的發電信息采集設備也會有所差別，但它們都需要具備統一的數據接口格式，以便于后續的信息傳輸與處理。

（2）衛星傳輸分系統。衛星傳輸分系統主要負責連接發電信息采集分系統和信息處理分系統，由衛星收發信機、衛星網絡及相關的傳輸設備構成。在該系統中，衛星傳輸分系統主要為信息采集節點提供數據傳輸通道，不需要關注具體的可再生能源形式及不同種類可再生能源發電的特點，以簡化衛星傳輸分系統的設計。

（3）信息處理分系統。信息處理分系統是該系統的核心，主要負責對采集的可再生能源發電信息進行處理、分析，并根據可再生能源發電情況，用戶用電需求等進行動態管理與調度，以提高可再生能源電力使用效率。信息處理分系統主要由分散在各地的云計算中心、控制中心以及相關的高速互聯網絡組成。其中，云計算中心主要負責海量數據實時處理，控制中心負責電力信息的實時調度、管理等。

3 關鍵技術分析

（1）可再生能源發電信息實時采集。可再生能源發布范圍廣，通常部署在人跡罕至的區域，如何利用衛星通信技術解決可再生能源發電信息的實時采集問題，降低可再生能源發電信息回傳時延，提高信息可靠性，是本系統建設中需要重點關注的問題之一。

（2）海量電力信息智能分析與處理。可再生能源發電信息具有非平穩特性，不同時間、不同地點可再生能源發電信息差異較大，可再生能源發電信息處理、分析往往需要大范圍、長時間的數據積累，如何完成海量電力信息智能分析與處理是可再生能源高效利用的又一關鍵問題，也是本系統需要解決的關鍵問題之一。

（3）可再生能源電力智能調度。可再生能源發電信息采集的最終目的是實現可再生能源電力的高效利用，而電力的高效利用離不開電力智能調度，如根據可再生能源不同地理區域、不同時間的發電情況以及不同區域電力需求情況，對可再生能源電力進行動態調配，解決可再生能源發電量與區域電力需求不匹配的問題，從而提高可再生能源發電的利用效率。

4 結 論

文章分析了現有可再生能源發電信息采集與管理系統中存在的問題，結合衛星通信技術的特點，提出衛星輔助的可再生能源發電信息采集與智能管理系統，并分析了該系統中需要解決的關鍵技術問題，為可再生能源的高效管理與利用提供了可行方案。