1光伏微电网软件系统分析
1.1软件系统广义分层根据光伏微电网软件系统的关联结构及其运行控制的功能需求，光伏微电网软件系统广义上可划分为三层结构形式，即物理层、数据层和应用层（图2）。（1）物理层。物理层主要面向环境底层设备（包括直接与被测量对象相连的各种数据采集设备），负责数据采集并传输给上层或接受上层指令，实现底层数字化和本地控制。例如，基于物理层的SCADA系统能实现对微电网现场数据的采集、逆变器的控制、设备的本地保护和控制、储能系统的充放电控制、馈线故障保护及环境测量等功能[12]。（2）数据层。数据层主要负责网络通信和数据交换，一方面支持各种软件通信协议，如Modbus、TCP和IEC61850等；另一方面采用各种先进算法对汇聚的数据做出系统决策，向下层发出指令[13]。光伏微电网存在并网模式和孤岛模式，既需要实现在较高安全性要求前提下运行模式的无缝切换，又需要具备负荷预测、发电预测、功率平衡控制和能量管理等大数据快速处理能力，以满足功率平衡要求和经济指标需求。（3）应用层。应用层主要是面向用户侧进行优化调度控制，负责数据汇总、按需分析、作出决策，实现人机交互，着力于实现多条件、多目标的光伏微电网经济运行。从用电经济性角度出发，在用电低谷期从电网买电并在高峰期卖出，以缓解电网压力；从发电经济性角度出发，综合考虑设备购买成本、运行管理成本、与大电网的交互成本以及储能系统充放电损耗和燃料等成本；在功率平衡等式约束条件以及DG（分布式发电）出力限值、与电网交互功率限值、发电机爬坡速率限值和储能荷电状态限值等不等式约束条件下，均衡各个DG的出力，实现经济效益最大化、技术最优化及环境友好化。1.2面向用户的光伏微电网软件平台随着软件管理模式的普及，用户对软件系统的稳定性、安全性、实时性、兼容性、易维护性和可扩展性等提出了更高的要求[14]。为实现人机交互的友好化，研发面向用户的光伏微电网软件平台，包括操作系统、支撑环境和应用功能3个板块（图3）。操作系统既是计算机系统的关键组成部分，也是光伏微电网软件平台运行的基础，常见的操作系统包括Unix、Linux和Windows。支撑环境板块为实现各种上层的应用功能提供通用的支撑服务，如系统管理、权限管理、图形界面、数据处理、数据报表、故障警告等。应用功能板块为光伏微电网的经济运行提供按需定制的服务，主要有数据采集、数据监控、发电预测、负荷预测、能量管理和优化调度等。用户可以根据各自光伏微电网系统的需求，使用光伏微电网软件平台上的应用功能，便捷地进行系统数据的监控、发电及负荷的预测和能源的管理调度。
2光伏微电网软件工程化
光伏微电网软件系统是微电网的监测控制中心，其工程化过程必须以先进的开发技术为支撑，选择合适的软件开发方法和软件开发过程模型，实现高质量、高效率、低成本的目标。2.1软件开发技术光伏微电网软件采用模块化和结构化设计，以增强可复用性和可扩充性；采用标准化程序设计语言，以提高可读性；创建结构化文档，以便于阅读、理解、分析和维护。下面以软件构件复用技术和基于MVC的Web技术为例进行说明。2.1.1软件构件复用技术随着计算机技术的发展和微电网技术的广泛应用，对光伏微电网软件的需求也在不断激增，且软件规模和复杂度也在不断增加。传统的开发方法会使大量资源浪费在重复开发上，因此开发过程实现标准化和简单化，能有效地降低软件的开发和维护成本，提高软件产品质量和生产效率。软件构件复用技术[15]是实现面向对象开发方法和集成构件模型的基础，也是软件走向工程化和产品化的关键技术之一。它以软件构架为组装蓝图，以可复用构件为组装预制块，支持组装式软件复用，是解决软件资源浪费问题最可行、最现实的方法。2.1.2基于MVC的Web技术传统的微电网软件多是基于特定平台下的应用软件，而Web技术[16]具有动态性、分布式及与平台无关等特点，支持安全连接后台系统、动态用户交互及实时信息发布，将其应用于光伏微电网，能有效地提高光伏微电网系统的信息化水平。Web技术发展较快，一般采用B/S模式，其中服务端技术包含JSP、CGI、ASP、ISAPI、PHP、Servlet等，客户端技术包含JavaApplet、VBScript、JavaScript等。为了实现软件系统的“低耦合、高内聚”，以“分而治之”的思想、采用分层方式架构系统，把待解决问题划分开来。用MVC模式将系统分层，层次清晰、解耦良好、便于维护及扩展。对于中等规模以上的应用程序，应用MVC构架得到的好处能大大抵消因其带来的工作量和复杂度增加而造成的不利影响。因此在光伏微电网软件工程中应用基于MVC模型的Web技术是比较理想的。在Java技术中，Hibernate、Struts、Spring及Ibatis等框架技术能很好地实现MVC模式，为基于MVC的Web技术应用于光伏微电网软件提供强大的技术支撑。2.2软件开发方法软件开发方法在开发步骤、软件文档格式和开发方案评价标准3个方面提出了相应的规范要求，使得光伏微电网软件生产进入有章可循、向规范化和标准化迈进的“工程化”阶段。软件开发方法在不断推陈出新，目前常见的开发方法有结构化方法、面向对象方法和形式化方法（表1）。面向对象开发方法[17]以结构化系统开发方法基本框架为基础，以封装、继承及多态为基本特征，将系统抽象变成一个由很多对象互相作用、互相联系而形成的整体，包括分析方法、设计方法和程序设计（编程）方法，从而使软件开发更具灵活性和可靠性。光伏微电网软件系统不仅需要数据库的支持以实时处理信息，同时还涉及大量的事务性操作请求，因此面向对象开发方法无疑是最佳选择，而在局部处理上结合结构化方法则更为有利，故而将面向对象方法与结构化方法有机地结合起来，以指导光伏微电网软件的开发工作。2.3软件开发过程模型软件开发过程模型对提高软件质量、增强软件开发团队的竞争力起着至关重要的作用[18]。典型的过程模型包括瀑布模型、快速原型模型、增量模型、螺旋模型、喷泉模型及集成构件模型等。针对光伏微电网项目应用性质、采用方法、需要的控制方式以及所要交付产品的特点，选择合适的软件过程模型，能对软件开发提供有效的支持，确保工程进展顺利。光伏微电网软件需求明确，是应用于电力行业中的中等规模软件。集成构件模型能够有效解决光伏微电网软件工程问题，主要包括：（1）开发适用于面向对象的软件，提供有效实现面向对象开发的方法；（2）融合螺旋模型的特征，支持软件开发的迭代方法和软件复用，提高开发效率（图4）。
3光伏微电网软件工程实例
中国南车光伏发电示范工程暨微电网综合试验系统，依托1MW光伏电站平台，包括2个100kW光伏发电单元、1个50kW光伏发电单元、100kW电动模拟柴油发电机组、100kW×1h磷酸铁锂蓄电池储能系统、100kW×3s超级电容储能系统、100kW±100kvar智能负载以及200kVA模拟电网装置。其光伏微电网能量管理系统基于改进的B/S五层结构，支持具有MVC思想的成熟SSH2框架技术，并且结合Ajax和SVG等先进的Web技术（图5）。系统具体分为表现层、控制层、业务逻辑层、数据访问层和数据持久层，每层任务明确且彼此独立，满足软件构件复用技术。系统软件在SCADA系统的基础上运行，并融合了各种先进的算法，例如，基于初始位置、配置参数、预测天气等进行光伏预测，并用历史数据进行在线修正，有效地增加了光伏预测的准确性。实用结果证明，该软件不仅使用方便，操作友好，响应速度快，满足可用性、可靠性、可维护性和安全性的定性要求和定量要求，而且能满足能量管理优化的时间常数τ≤2min、预测1h内各DG发电量及其精度大于80%、优化调度时间常数Τ≤3s等要求。
4结语
软件工程化是保证软件开发有序进行和保证软件产品质量最有效的手段之一。将软件的工程化开发方法与光伏微电网软件系统很好地协同，用工程化的软件过程管理方法贯穿于光伏微电网软件系统的各个阶段，将能高效地开发出先进的控制及管理软件，保证光伏微电网高效运行。
作者：冯江华 李志勇 赵勇 单位：南车株洲电力机车研究所有限公司 中南大学信息科学与工程学院 中南大学软件学院
