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更新時間：2024-07-18 
瀏覽次數：678安科瑞 陳聰
摘要：為了提升交直流混合微電網健康有效發展，提高直流互聯微電網中分布式電源的能源使用效率，提升區域微電網穩定發展，對交直流混合微電網能量管理系統關鍵技術進行分析和研究很有必要。文章主要從交直流混合微電網能量管理系統架構、主要功能及系統通訊等方面進行了分析，并對其未來發展進行了展望，以期為能量管理與運行控制系統的研究和發展起到一定的推動作用。
關鍵詞：交直流混合微電網；中央控制器；能量管理系統
1概述
交直流混合微電網能夠有效整合交流微電網和直流微電網各自優勢，構成交直流互補式供能系統。根據不同種類的分布式電源（交流型、直流型）和儲能設備供給電能和存儲電能方式的不同，來確定接入電網的方式，可有效提高運行效率；同時，根據交流負荷和直流負荷用電方式不同，選擇合理的電能供給模式，又可顯著提高用電效率。
微電網采用交直流互補供用電模式可有效減少單一的傳統交流供用電模式中AC/DC和DC/AC等電能變換環節，從而有效降低多級變換造成的能量損耗；交直流混合微電網中直流網絡部分有利于減少線損，避免多模態諧振。鑒于交直流混合微電網的諸多特點和優勢，對交直流混合微電網能量管理系統進行開發和研究，以解決交直流混合微電網與配電網協調、交直流潮流斷面分散協調、源荷互動協調、源源互動協調等復雜問題，同時通過優化算法來顯著提高交直流混合微電網可再生能源利用率及綜合效益水平，為需求側提供一個穩定、可靠、綠色的供用電環境，具有較大的現實意義。
2系統結構
能量管理與運行控制系統（能量管理系統）由中央控制器和能量管理服務器組成。配置一套“源網荷儲、多能互補”協調互動技術的綜合能源管控系統，在以分布式光伏、直流負荷、充電樁，儲能設備等構成的交直流微網的基礎上，通過采集光伏變流器、儲能變流器、風機變流器、充電樁、交直流多元化負荷、交直流母線、潮流控制器、電力電子變壓器與并網支路測控裝置等信息，智能處理各類信息數據，監控和管理整個能源系統，實現能源就地消納、電能質量監測、負荷管理、用電信息采集、用戶用能服務、削峰填谷、優化運行和經濟調度等功能等功能。
3系統功能
3.1實時數據采集與處理
（1）具備數據采集功能，實時數據可從變流器、測控裝置等采集，也可從監控系統獲取。
（2）運行人員可在操作臺上進行微電網源網荷互動優化、分散互動協調功能切換，實現微電網優化運行。
（3）具備安全閉鎖功能。在運行參數超出規定的約束條件或相關保護動作時，控制功能自動閉鎖，運行狀態異常時及時報警。
（4）具備運行監視功能。運行人員能方便地監視交直流混合微電網系統的運行工況，母線電壓、有功功率、無功功率、開關狀態、設備運行狀態、與其他設備的通信狀態，能對一些關鍵狀態進行監視。
（5）具備報警處理功能。能量管理系統運行異常或故障時能自動報警，停止分配結果輸出，并形成事件記錄。
（6）提供嚴格的權限管理保障運行人員操作安全。
（7）具備事件記錄功能，可對能量管理系統告警、人員操作等形成事件記錄。
3.2微電網源網荷互動優化
交直流混合微電網中的分布式發電與大電網供電互相補充，與大電網進行功率交換是交直流混合微電網的通常運行模式。在交直流混合微電網中源、網、荷分別指分布式電源、電網、負荷，而源網荷的建設及投資由不同主體管控，隸屬于不同的主體，在電力市場環境下，分布式電源發電方、電網企業、電力用戶成為具有各自利益的個體，具有的決策權，相互之間通過電量或電價聯系。由于各方投資對象和關注的點不同，各方的投資收益受對方決策的影響，三方之間存在博弈關系，面向復雜主體多目標優化的博弈論可以解決這一難題。當微電網內負荷需求波動時，交直流混合微電網能量管理系統通過比較微電源發電成本和大電網的購（售）電成本，采用基于多方博弈模型的混沌粒子群算法，優化確定各分布式電源出力的調整量以及向大電網的購（售）電量，從而保證交直流混合微電網內的功率平衡，為用戶提供可靠、經濟的電能，實現能量結構的優化，使分布式電源、電網及負荷能夠協調發展；
3.3交直流潮流斷面分散協調
為了更好的滿足高密度分布式能源的接入以及日益增加的直流負荷的需要，避免電能在多級轉換中的損耗，融合了交流微網和直流微網各自優點的交直流混合微電網已日益成為微電網領域研究的熱點。交直流混合微電網包含交流子微網和直流子微網，其交流區和直流區通過AC/DC雙向潮流控制器相連。多臺并列運行的AC/DC雙向潮流控制器、電力電子變壓器構成了交直流潮流斷面，其對實現功率的跨區交互，以及維持交直流混合微電網內功率的動態平衡起到至關重要的作用。在交直流混合微電網中，交流區域和直流區域之間通過功率的雙向流動實現相互支撐，實現互聯。交流區域和直流區域各自的功率平衡要靠協調負荷、分布式發電單元、儲能和AC/DC雙向潮流控制器共同完成。因而AC/DC雙向潮流控制器承擔著交直流區域之間功率交換的任務，反映有功功率的交互情況，更是交直流潮流斷面所在。
考慮到分布式電源出力具有波動性和不確定性，交直流負荷具有強隨機性的特點，交直流混合微電網能量管理系統開發交直流潮流斷面分散互動協調功能應用，通過交直潮流斷面上多臺AC/DC雙向潮流控制器、電力電子變壓器的功率通道，協調控制各個對象，實現交直流子微網之間潮流跨區互補，實現交直流混合微電網內功率實時、動態平衡，同時改善交流微網內頻率質量和直流微網內的電壓質量。
3.4其他功能
交直流混合微電網能量管理系統還有光伏預測、負荷預測、負荷控制、負荷追蹤、平抑新能源波動、備用電源、移峰填谷、離網運行、并離網切換及黑啟動等功能。
4系統通訊
能量管理與運行控制系統分為監控與能量管理控制系統（簡稱管理控制系統）和中央控制器兩部分。管理控制系統用于界面展示，能量管理與能量調節等。管理控制系統通過以太網與中央控制器通訊。
中央控制器通過RS485采集光伏DC/DC、光伏AC/DC、儲能雙向AC/DC、AC/DC換流器、DC/DC變壓器、直流斷路器、充電樁、各類負荷等設備數據。通過以太網與交流子系統、直流子系統等進行通訊。
能量管理與運行控制系統網絡架構分為三部分：應用層、網絡層、感知層。應用層配置有操作人員工作站，主要用于運行人員監視及操作控制；可實現對系統軟件、教據庫的在線維護和修改；接受電網調度以及完成功率和負荷預測等功能；
應用層通過以太網或光纖通訊將這些設備與現場感知單元層互連，實現信息交換。
網絡層包括中央控制器、工業交換機、本地配置設備等。
接收感知層設備的遙測、遙信信息以及應用層的遙控信息。
感知層主要包括電網系統的一次設備，如光伏組件及DC/DC變換器、儲能電池及DC/DC變換器等。感知層設備通過RS485、以太網、CAN等通訊接口接入中央控制器，并接收中央控制器的控制指令。
系統內各個設備和中央控制器之間的通信采用網線或者RS485。監控與能量管理控制系統和中央控制器采用雙網冗余配置，互為熱備用。中央控制器和監控與能量管理控制系統都具備至少雙網口，實現雙網冗余通訊。軟硬件的冗余結構將確保數據可靠、程序安全。
5 Acrel-2000MG微電網能量管理系統概述
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先進經驗，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，全天候進行數據采集分析，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。
本方案遵循的國家標準有：
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第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第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第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第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遠動設備及系統第5-101部分:傳輸規約基本遠動任務配套標準
DL/T634.5104遠動設備及系統第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微電網第1部分：微電網規劃設計導則
NB/T10149-2019微電網第2部分：微電網運行導則
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。
6系統配置
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
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。
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。
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。
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，并展示當前電芯的最大、最小電壓、溫度值及所對應的位置。
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。
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。
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。
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。
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
應能查詢各子系統、回路或設備*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、三相電壓不平衡度百分*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度百分*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、最大值、最小值、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*10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指*和隨意修改。
圖29事故追憶
8結束語
為了提升交直流微電網的控制調度水平和電網運維服務水平，國內外眾多科研機構和設備廠商紛紛開展了能量管理與運行控制系統的研究，其主要在數據采集與監視控制系統、調度計劃、負荷預測等相關系統提供的數據基礎上，實現對特定應用進行數據分析、能量預測、負荷管理、優化運行和經濟調度等功能。目前研究較多的有通過開展“源網荷儲”協調優化功能建設，協調控制可控的源網荷儲資源，實現源網荷儲綜合效益，這體現智能配電網的主動控制理念；同時，多能互補用戶側集成優化能量管理系統是我國能源互聯網領域的一個重要研究方向，它通過采集、控制以電為主的多種能源的信息流，實現了供給側常規能源和可再生能源管理的有序、互補、梯次和優化利用。可以看到，能量管理與運行控制系統的研究及應用有很大的發展空間，需要更多科研力量的投入、科學技術的積累以及市場機制的完善來共同推動其發展。
參考文獻
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