微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)功能與體系設(shè)計

摘要：根據(jù)微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的需要，提出了一套較為完善的智能微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)功能體系結(jié)構(gòu)。首先設(shè)計系統(tǒng)物理架構(gòu)，進而提出了M-EMS軟體功能體系結(jié)構(gòu)，最后對微電網(wǎng)的功能模塊涵蓋的內(nèi)容進行了介紹，為原型系統(tǒng)的開發(fā)及工程實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)；微電網(wǎng)調(diào)度與控制；用電管理

0.引言

微電網(wǎng)為分布式發(fā)電的綜合利用提供了一種有效的技術(shù)手段。微電網(wǎng)系統(tǒng)是由分布式電源、儲能單元、負荷以及監(jiān)控、保護裝置組成的集合，具有局部能量平衡、靈活的并網(wǎng)或孤網(wǎng)運行方式、可調(diào)度性能強等優(yōu)點，并且能充分滿足用戶對電能質(zhì)量、供電可靠性和安全性的要求，已經(jīng)成為智能電網(wǎng)的一個重要組成部分。微電網(wǎng)安全經(jīng)濟的運行方式與高質(zhì)量的供電服務(wù)，離不開完善的能量管理系統(tǒng)。目前，國外的相關(guān)科研組織對此已取得一定的研究成果。歐洲分別針對集中控制式和分散控制式微網(wǎng)系統(tǒng)框架展開研究，提出了一種智能能量管理系統(tǒng)以優(yōu)化微網(wǎng)的成本和效率為目標(biāo)，每個微網(wǎng)為一個獨立的代理并擁有互動和決策機制；研究了基于多代理系統(tǒng)技術(shù)的微網(wǎng)能量管理框架，該框架集成了多個功能，能夠適應(yīng)微網(wǎng)的復(fù)雜和規(guī)模，采用多代理強化學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)微網(wǎng)的孤島運行；日本已開發(fā)了能量管理軟件在投入所建的示范工程中應(yīng)用。而國內(nèi)關(guān)于微電網(wǎng)的研究，主要偏向于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形態(tài)以及單元級發(fā)電/儲能的控制，對微電網(wǎng)系統(tǒng)級能量管理系統(tǒng)的研究還處于理論起步階段。 研究了微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分布式電源單元級接口；對微網(wǎng)中分布式電源與儲能的模型與出力預(yù)測、逆變器控制仿真等方面進行了分析和研究；介紹了所建設(shè)的微網(wǎng)試驗綜合平臺，并 研究了微網(wǎng)并網(wǎng)控制和綜合調(diào)度方法。

綜上所述，微電網(wǎng)研究領(lǐng)域目前還未見對微電網(wǎng)系統(tǒng)級能量管理體系的研究與設(shè)計文獻。本文針對含分布式發(fā)電、儲能、智能用戶、負荷的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)展開研究，借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)分層分布控制的思想設(shè)計其控制框架結(jié)構(gòu)；充分繼承傳統(tǒng)電力系統(tǒng)EMS功能結(jié)構(gòu)體系，并結(jié)合微電網(wǎng)自身特點，提出一種較為完善的智能微電網(wǎng)功能體系結(jié)構(gòu)，并著重介紹實時安全穩(wěn)定控制、能量優(yōu)化調(diào)度、故障自愈、電能質(zhì)量監(jiān)測、集中抄表、用戶互動等關(guān)鍵功能模塊應(yīng)涵蓋的內(nèi)容。

.       系統(tǒng)物理架構(gòu)

為實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)級能量管理，借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)分層分布控制的思想，設(shè)計微電網(wǎng)能量管理 作為主站層、各測控終端單元作為物理元件層的兩層控制結(jié)構(gòu)，微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)物理架構(gòu)如圖1所示。

圖1微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)物理架構(gòu)示意圖

物理元件層是微網(wǎng)的 層，包括風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、其它類型分布式發(fā)電單元（如柴油發(fā)電機、燃料電池、微型燃氣輪機等）、儲能單元、智能用戶管理單元、負荷測控單元、PCC保護測控單元等。物理元件層負責(zé)向能量管理 提供微電網(wǎng)內(nèi)各元件當(dāng)前的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時接收能量管理 主站下發(fā)的決策信息指令，對發(fā)電、儲能、負荷等進行調(diào)度控制。另外，物理元件層也可以根據(jù)本地信息做出局部決策，實現(xiàn)電壓、頻率的單元級就地調(diào)節(jié)，稱為就地分散控制。能量管理 主站層是決策層，根據(jù)元件層上傳的微電網(wǎng)運行信息，通過安全穩(wěn)定分析和能量優(yōu)化調(diào)度分析，做出系統(tǒng)級決策，并將其控制策略下發(fā)到相應(yīng)的物理元件執(zhí)行。微電網(wǎng)系統(tǒng)的通信體系是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，為保證運行數(shù)據(jù)及決策指令上傳下達的高速性及可靠性，通信主干網(wǎng)較適宜采用雙環(huán)自愈光纖網(wǎng)，各單元控制終端通過光端機節(jié)點經(jīng)光纖串聯(lián)

組成環(huán)路連接至能量管理 。

2.軟件體系結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)M-EMS軟件功能體系結(jié)構(gòu)設(shè)計思想：以SCADA功能模塊為系統(tǒng)與物理元件層數(shù)據(jù)上傳下達的傳輸模塊，以數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的交換存儲基地，實現(xiàn)微電網(wǎng)的實時安全穩(wěn)定控制、故障自愈、能量優(yōu)化調(diào)度、用戶雙向戶動、集中抄表、電能質(zhì)量監(jiān)測等應(yīng)用決策功能，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。該M-EMS軟件功能體系結(jié)構(gòu)分為“微電網(wǎng)調(diào)度與控制"和“用電管理"2部分。

微電網(wǎng)調(diào)度與控制分為實時安全穩(wěn)定控制、故障自愈控制與能量優(yōu)化調(diào)度3大功能模塊。實時安全穩(wěn)定控制與故障自愈控制目標(biāo)是維持微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，為秒級實時分析決策模塊，通過實時數(shù)據(jù)庫快速從SCADA獲取實時運行數(shù)據(jù)，并通過SCADA模塊下發(fā)決策控制指令；能量優(yōu)化調(diào)度模塊目標(biāo)是維持微電網(wǎng)經(jīng)濟運行，除了通過實時數(shù)據(jù)庫獲取當(dāng)前運行數(shù)據(jù)外，還需要對通過歷史數(shù)據(jù)庫獲取的微電網(wǎng)歷史運行數(shù)據(jù)、用戶互動信息和氣象等數(shù)據(jù)進行預(yù)測、分析，完成多時間尺度的發(fā)電計劃的制定，并通過數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信或SCADA系統(tǒng)下發(fā)調(diào)度計劃。

用電管理部分的主要任務(wù)是在滿足用戶對電能質(zhì)量、供電可靠性要求基礎(chǔ)上，實現(xiàn)電網(wǎng)電力流、信息流和業(yè)務(wù)流的實時互動，建立新型的供用電關(guān)系。用電管理包括電能質(zhì)量監(jiān)測、集中抄表、用戶互動3大功能模塊。電能質(zhì)量監(jiān)測模塊的主要任務(wù)是完成電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的測量、記錄和分析，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對不同干擾源的定位分析。集中抄表模塊的主要任務(wù)是為電力營銷業(yè)務(wù)和調(diào)度業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)用電分析功能。用戶互動模塊的目標(biāo)是實現(xiàn)有序用電和經(jīng)濟用電，分別對發(fā)電用戶和普通用戶提供電價信息、用電和供電信息雙向互動支持，并實現(xiàn)智能發(fā)電用戶與微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度的互動。

SCADA主要任務(wù)是實時采集微電網(wǎng)數(shù)據(jù)并監(jiān)視其狀態(tài)，是M-EMS與微電網(wǎng)物理系統(tǒng)聯(lián)系的總接口。對上通過數(shù)據(jù)庫向各應(yīng)用模塊提供實時數(shù)據(jù)和歷史運行數(shù)據(jù)；對下向物理元件層發(fā)送應(yīng)用模塊的決策控制指令。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是各功能軟件進行數(shù)據(jù)交換、存儲的基地，是把各功能軟件聯(lián)成M-EMS有機整體的關(guān)鍵部分。實時數(shù)據(jù)庫主要存放實時量測數(shù)據(jù)、應(yīng)用模塊間需實時交換的計算數(shù)據(jù)等；歷史數(shù)據(jù)庫主要存儲設(shè)備參數(shù)、歷史運行數(shù)據(jù)、地理氣象數(shù)據(jù)、各應(yīng)用模塊分析結(jié)果數(shù)據(jù)等。

3.微電網(wǎng)調(diào)度與控制

3.1實時安全穩(wěn)定控制

微電網(wǎng)在并網(wǎng)以及孤網(wǎng)運行模式下的控制，不僅包括物理元件層的毫秒級就地式分散控制，還包括從系統(tǒng)整體上協(xié)調(diào)網(wǎng)內(nèi)潮流、電壓、頻率的秒級即時控制，以保證微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源多通過電力電子接口(逆變器)的快速調(diào)節(jié)并網(wǎng)，系統(tǒng)慣性小或無慣性，承受負載功率波動能力差；另外，微網(wǎng)內(nèi)各類型分布式電源容量及內(nèi)特性的差異，造成并網(wǎng)后電壓/頻率波動以及電源/儲能間的環(huán)流功率，在微電網(wǎng)孤島運行模式下，這種波動更加明顯。因此，需要在分析網(wǎng)內(nèi)潮流的基礎(chǔ)上，依靠有效的系統(tǒng)級協(xié)調(diào)控制手段施治。微電網(wǎng)實時安全穩(wěn)定控制本質(zhì)上是系統(tǒng)級功率/電壓/頻率協(xié)調(diào)控制，需要在微電網(wǎng)在線狀態(tài)估計、潮流計算基礎(chǔ)上，實現(xiàn)包括并網(wǎng)狀態(tài)下有功/頻率、無功/電壓協(xié)調(diào)控制，孤島狀態(tài)下頻率/電壓調(diào)整及有功/頻率、無功/電壓協(xié)調(diào)控制，并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島、孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)暫態(tài)下的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制。在按協(xié)調(diào)控制策略制定控制方案后，通過下發(fā)遙控、遙調(diào)指令給物理元件層執(zhí)行，來達到維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的目的。

3.2能量優(yōu)化調(diào)度

微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度通過對分布式電源、儲能單元、負荷以及電網(wǎng)當(dāng)前運行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)進行分析，繼而做出科學(xué)的評估和預(yù)測；根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各類型分布式電源享受的優(yōu)先調(diào)度權(quán)分級、負荷分級以及主網(wǎng)系統(tǒng)電價類型的不同選擇，不同的能量調(diào)度策略，確定相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度模型，采用有效的算法求解未來不同調(diào)度周期的運行計劃，包括對微電網(wǎng)內(nèi)可調(diào)度型單元的日前出力計劃、儲能單元日前調(diào)度計劃和實時調(diào)度計劃。能量優(yōu)化調(diào)度模塊包括發(fā)電/用電功率短期預(yù)測、發(fā)電/用電功率超短期預(yù)測、微電網(wǎng)日前優(yōu)化調(diào)度和實時優(yōu)化調(diào)度等功能，各功能的邏輯關(guān)系如圖3所示。短期發(fā)/用電功率預(yù)測以h為預(yù)測周期，為日前優(yōu)化調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。超短期發(fā)/用電功率預(yù)測以5~10m為預(yù)測周期，為實時優(yōu)化調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.3故障自愈

故障自愈功能主要實現(xiàn)微電網(wǎng)故障識別、自愈控制以及黑啟動控制等功能。建立微電網(wǎng)內(nèi)部、

外部故障識別方法，在并網(wǎng)條件下發(fā)生故障時，不論是微網(wǎng)側(cè)還是配網(wǎng)側(cè)故障，都以斷開微電網(wǎng)為先，以避免由于微網(wǎng)的加入使故障特性復(fù)雜化或影響重合閘的策略；建立微電網(wǎng)故障隔離后供電恢復(fù)控制方案；建立微電網(wǎng)正常運行工況下針對預(yù)想故障的預(yù)防控制方案；建立微電網(wǎng)出現(xiàn)支路或電壓越限緊急工況下校正控制方案；建立系統(tǒng)孤島運行時系統(tǒng)崩潰后啟動控制方案。

.       用電管理

4.1電能質(zhì)量監(jiān)測

電能質(zhì)量監(jiān)測模塊主要完成對觀測點電壓/電流的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)波形記錄與數(shù)據(jù)分析。穩(wěn)態(tài)電

能質(zhì)量監(jiān)測主要包括：諧波/間諧波監(jiān)測、分析和干擾源定位；電壓偏移度和三相電壓不平衡監(jiān)測和分析。暫態(tài)電能質(zhì)量監(jiān)測主要包括：暫態(tài)波形捕捉、電壓驟升/驟降監(jiān)測、電壓波動及閃變分析、離/并網(wǎng)準(zhǔn)暫態(tài)電壓和頻率分析。

4.2集中抄表

集中抄表功能要建立雙向、集成的量測/通信系統(tǒng)，為微電網(wǎng)中用戶負荷的采集/控制提供技術(shù)支撐。采集的用戶電表數(shù)據(jù)既可以作為能量調(diào)度時負荷數(shù)據(jù)的來源，為負荷預(yù)測、負荷控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；又可以作為智能用電技術(shù)的基礎(chǔ)，實現(xiàn)對普通用戶用電計量計費、用電情況分析、信息交互互動、用電監(jiān)測、智能控制的要求。

4.3用戶互動

智能微電網(wǎng)對實現(xiàn)需方響應(yīng)的用電智能化服務(wù)提出了更高的要求，是智能用電技術(shù)的體現(xiàn)。因此，友好、開放、靈活的用戶互動功能是用電管理的重要組成部分。對于含分布式電源的智能用戶，根據(jù)負荷預(yù)測及可再生能源發(fā)電量預(yù)測產(chǎn)生次日供需電量預(yù)測曲線參與上級微電網(wǎng)的日前計劃制定，并根據(jù)日前計劃優(yōu)化出的供需電量計劃及峰谷電價/實時電價情況，建立發(fā)用電優(yōu)化調(diào)度模型，制定智能用戶發(fā)用電實時調(diào)度計劃，以實現(xiàn)參與主網(wǎng)削峰填谷、指導(dǎo)用戶合理用電減少電費支出的目的。

5.安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

5.1概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)了儲能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)下級各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實現(xiàn)與上級調(diào)度系統(tǒng)和云平臺的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級調(diào)度指令，又可以滿足遠程監(jiān)控與運維，確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行。

5.2應(yīng)用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

（1）實時監(jiān)管

對微電網(wǎng)的運行進行實時監(jiān)管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

（2）智能監(jiān)控

對系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風(fēng)電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設(shè)備等進行實時監(jiān)測，掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀況。

（3）功率預(yù)測

對分布式發(fā)電系統(tǒng)進行短期、超短期發(fā)電功率預(yù)測，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質(zhì)量

實現(xiàn)整個微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監(jiān)測。

（5）可視化運行

實現(xiàn)微電網(wǎng)無人值守，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設(shè)備進行不間斷監(jiān)控。

（6）優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對負荷進行功率預(yù)測，并結(jié)合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

（8）能源分析

通過分析光伏、風(fēng)電、儲能設(shè)備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率，用于評估設(shè)備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運行策略及統(tǒng)計值進行設(shè)置。其中策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

6.硬件及其配套產(chǎn)品

7.結(jié)論

研制開發(fā) 、經(jīng)濟、安全、可靠運行的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)成為目前微電網(wǎng)技術(shù)研究中的一個重要方面。本文在充分繼承EMS現(xiàn)有成果，借鑒分層分布控制的思想，設(shè)計了智能微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的物理控制架構(gòu)；結(jié)合微電網(wǎng)含間歇性/隨機性電源、更直接面向用戶等自身特點，提出了一種較為完善的軟件功能體系結(jié)構(gòu)； 介紹了區(qū)別于傳統(tǒng)EMS的微電網(wǎng)調(diào)度與控制、用電管理兩大功能所涵蓋的內(nèi)容，為微電網(wǎng)能量管理原型系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻

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