任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:設計一種基于電力集能器的微電網能力管理系統，由能源局域網、能源子網能量管理系統組成，采用專家控制策略多種策略，正常運行、故障處理和孤島運行模式。電力集能器自帶電網交流、微網直流、負荷交流轉換等功能滿足系統負荷的不同供電需求，通過微網及光伏起到能量協調平衡功能遙主要能源從交流電網獲取,光伏與直流微電網做為輔助能源，該系統主要負責系統級控制與協調，在子網系統實現電能管理及電能平衡。通過對微網能量管理、儲能數據的集中管理分析，在削峰填谷、節省電費開支、延緩輸配電擴容升級等方面具有良好的經濟效益。

關鍵詞：智能微電網；微電網能量管理；分布式發電

0引言

隨著風電、光電可再生能源大力發展，分布式電源以智能微電網形式接入智能大電網成為低碳智能配電網的發展趨勢。智能電網核心在智能, 是傳統電力行業可以通過數字化信息系統，將能源開發、轉換、傳輸、存儲、配送等環節，與終端用戶的各種用電設備連接在一起,通過智能化控制,實現對應供能、互助供能和互補供能。微電網的提岀旨在實現分布式電源的靈活，解決數量龐大、 形式多樣的分布式電源并網問題，既可與配電網運行（并網運行），也可與配電網斷開獨立運行（孤島運行）。 微電網能量管理系統是一套具有發電優化調度、負荷管理、 實時監測并自動實現微電網同步等功能的能量管理系統。能量管理系統主要用于為含有風力發電、光伏發電、微型燃氣輪機等分布式電源和儲能單元的微電網系統提供監視與控制功能。智能微電網能量管理系統基于云平臺設計，它總結并吸收了多套成熟系統的成功開發和工程經驗, 并通過國內外現有的微電網定義和示范工程總結現在微電網的體系架構，采用多項新技術, 專門針對微電網應用技術發展趨勢而研究開發的一套面向智能電網的能量管理系統，降低新能源發電的波動性、隨機性、 間歇性影響;減少大規模新能源介入對電力系統的沖擊，并離網運行,且可無縫切換。

1微電網能量物理結構及特點

微電網管理系統是基于電力集能器的能源子網能量管理系統，通過新能源發電、微能源的采集、匯聚與分享以及儲能和負荷用電消納形成層次化結構的能源局域網，是在現有電網基礎上通過電力電子和信息技術，融合大量分布式可再生能源發電和分布式儲能裝置,能實現電能和信息雙向流動的對等共享網絡。

能源子網能量管理系統核心是電力集能器, 包括電力集能器I型和電力集能器II型設備各一套，直流負荷主要是充電樁與LED燈，其主要能源從交流電網獲取,光伏與直流微電網做為輔助能源協調控制。I型電力集能器雙饋線路互聯，具有靈活的系統互聯結構和更高供電可靠性。在交流電網岀現故障時,可通過750V直流母線與直流微電網互聯，保證能源子網直流負荷的不間斷供電。

2 微電網能量管理系統設計

能量管理系統核心技術思路:分層控制,其在能源子網中起到至關重要的作用。整個能源子網通過它來統一協調管理微源控制器和負荷控制器，實現能源子網安全穩定運行以及經濟效益的優化。

電能量管理系統功能主要包含數據通訊、系統控制、人機交互三個組成部分。對于用戶可直接交互參與的人機交互則是該系統的主要部分，其架構分為監視、控制和分析三大模塊。具體內容如下:

1） 監視部分主要是實時監控袁采用多層面模式袁包含： 總體數據層（下網電網、上網電量等）、集能器電氣模型層（遙測、遙信）、三方系統模型層（光伏系統等）；

2） 控制部分主要是系統級控制,采用分類模式，包括:Auto模式、Manual模式（其中能源局域網只具備手動控制功能）。Auto模式根據自動發電與控制策略（類AGC（進行系統控制；在Manual模式下，用戶根據系統運行情況進行實時控制，主要有對遙控、遙測、控制閉鎖、權限校驗等功能。二者都工作安全校核的基礎上實現。控制部分需要建立一個完善的穩定控制策略專家庫，在執行相應設備動作執行流程導向。

監視與分析是基礎數據單向管理,控制部分為雙向管理。能源子網可處于Auto在Manual兩種模式，能源局域網處于手動控制模式，但是無論處于那種模式,整個靈活配電能量管理系統都要遵循控制策略庫,并在安全校核機制管理下執行管理。

3） 數據分析主要是對系統的歷史數據進行分析統計，作為微電網能量管理的輔助決策作用。

3數據采集與處理及通訊

3.1數據采集

能源局域網系統主要將各單個能源子網所采集的數據進行集中匯總;能源子網管理系統主要采集直流側的光伏系統、直流微電網系統、充電樁系統、直流斷路器、直流負荷系統，交流側的外部電源系統、交流斷路器、交流負荷系統，以及交直流轉換的電力集能器系統的遙測、遙信參數信息，具體如下：

1）光伏系統遙測量包括電壓、電流、功率因數、有功、無功；遙信量包括系統運行狀態和故障狀態；

2） 交、直流斷路器遙信量包括斷路器的開合和故障狀態；

3） 交、直流負荷遙測量包括交、直流電壓、電流、有功、無功等；

4）電力集能器遙測量包括交、直流側電壓、電流;遙信量包括設備運行狀態和故障狀態。

3.2數據處理

1） 遙測量的采集處理

遙測量描述電力系統運行的實時量化值,包括各逆變器、匯流箱、箱變、線路及主變的有功、無功、電流、電壓、主變油溫及系統周波等值。

2） 遙信量的采集處理

遙信量描述電站運行狀態,一般包括各開關位置、各刀閘位置、發電設備投退狀態、升壓站開關狀態及主變分接頭位置、保護硬結點動作狀態、各通道運行工況以及虛擬遙信等。

3.3數據通訊

采集程序,需支持Modbus、104、103、101等標準通訊協議；具有將采集到的數據按照配置的信息點號存入實時數據的功能；具有提供數據轉發的功能,可以作為從站進行數據轉發配置。采集程序需支持跨平臺部署,可部署至通訊管理機或普通服務器。

4控制策略

電力集能器的主要電能供應來自于電網，并有內部的VSG來協調控制負荷平衡。在異常工況或特殊情況下，由能量管理通過控制策略實現系統的整體穩定運行。系統控制包括Auto模式和Manual手動模式兩種。基于系統底層硬件采集回來的實時數據,選擇合適的控制策略來穩定系統平衡。 根據項目的實際運行情況，采用窮舉法找岀每一種運行模式,制定相應控制策略，形成一套完整的控制策略模型庫，并封裝到能源子網管理系統中。 能量管理系統的穩定運行的基礎包括實時數據采集與判斷、運行專家策略執行、通訊與控制保障袁在具體的策略執行過程中袁 能量管理系統將采用流程引導與強制校核方式保證每個策略安全無差異執行：

1）能量調度策略。能量調度程序主要是通過合理的使用蓄電池和交流市電，在保證整個系統穩定的前提下，充分利用光伏能源。系統可對采集的實時運行數據進行實時分析,判斷岀當前運行模式,并自動調取模型庫中對應的控制策略并下發。主要控制策略分為正常運行、故障處理、孤島運行模式。正常運行是兩臺電力集能器獨立運行，其負荷供能主要來自于電網，光伏以優化協調控制方式參與負荷平衡管理。故障處理是指交流電網、光伏系統及直流微網等在日常運行過程中都可能會發生故障，當故障發生后我們需要立即對故障進行響應、處理，保證敏感負荷及重要負荷的不間斷供電。

2）孤島保護策略。監測市電狀態，處于孤島,停止能源調度子程序，開啟電池放電，非孤島狀態時，保持電池充電到50%后，開啟電池不工作狀態,啟動能源調度策略。孤島運行簡單來說，就是電力集能器發生故障后無法給相應的重要負荷進行供電,此時切斷與交流主網的聯系，由直流微網為負荷進行供電， 而這些負荷也將與直流微網形成一個脫離主電網的環形電路， 這就是孤島運行；孤島運行可以保證直流微網持續不斷地為負荷進行供電,而孤島運行也相當于該環島中的設備離網運行。

5 Acrel-2000MG微電網能量管理系統概述

5.1概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電樁的接入，進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，提升可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

5.2技術標準

本方案遵循的標準有：

本技術規范書提供的設備應滿足以下規定、法規和行業標準：

GB/T26802.1-2011工業控制計算機系統通用規范的1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工業控制計算機系統工業控制計算機基本平臺2部分：性能評定方法

GB/T26802.5-2011工業控制計算機系統通用規范5部分：場地安全要求

GB/T26802.6-2011工業控制計算機系統通用規范6部分：驗收大綱

GB/T2887-2011計算機場地通用規范

GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求

GB50174-2018電子信息系統機房設計規范

DL/T634.5101遠動設備及系統5-101部分:傳輸規約基本遠動任務配套標準

DL/T634.5104遠動設備及系統5-104部分:傳輸規約采用標準傳輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101

GB/T33589-2017微電網接入電力系統技術規定

GB/T36274-2018微電網能量管理系統技術規范

GB/T51341-2018微電網工程設計標準

GB/T36270-2018微電網監控系統技術規范

DL/T1864-2018型微電網監控系統技術規范

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規范

T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規范

T/CEC152-2018并網型微電網需求響應技術要求

T/CEC153-2018并網型微電網負荷管理技術導則

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC5005-2018微電網工程設計規范

NB/T10148-2019微電網的1部分：微電網規劃設計導則

NB/T10149-2019微電網2部分：微電網運行導則

5.3適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

5.4型號說明

6系統配置

6.1系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

7系統功能

7.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖2系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

7.1.1光伏界面

圖3光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

7.1.2儲能界面

圖4儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的大、小電壓、溫度值及所對應的位置。

7.1.3風電界面

圖13風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

7.1.4充電樁界面

圖14充電樁界面

本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

7.1.5視頻監控界面

圖15微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

7.2發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界面

7.3策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界面

7.4運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備規定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

7.5實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

7.6歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

7.7電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網系統電能質量界面

7.8遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

7.9曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

7.10統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

7.11網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

7.12通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖26通信管理

7.13用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

7.14故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖28故障錄波

7.15事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故qian10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶規定和隨意修改。

圖29事故追憶

8硬件及其配套產品

9結束語

本系統系統基于云平臺和電力集能器設備, 通過電力集能器集成能源子網能量管理系統和能源局域網能量管理子系統,采用自動和手動兩種控制測量對VSG自平衡控制,從而實現了對微電網的實時監控、發用電預測、儲能調度優化和信息綜合管理。本系統已在電力研究院和多個能源電力公司推廣運行,達到其微電網的經濟優化運行,具有推廣應用價值,有助于綠色、節能微電網的推廣。

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作者介紹：
任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。