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

關鍵詞：微電網能量管理系統(tǒng)；微電網調度與控制；用電管理

0.引言

微電網為分布式發(fā)電的綜合利用提供了一種有效的技術手段。微電網系統(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、靈活的并網或孤網運行方式、可調度性能強等優(yōu)點，并且能充分滿足用戶對電能質量、供電可靠性和安全性的要求，已經成為智能電網的一個重要組成部分。微電網安全經濟的運行方式與高質量的供電服務，離不開完善的能量管理系統(tǒng)。目前，國外的相關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)化微網的成本和效率為目標，每個微網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)技術的微網能量管理框架，該框架集成了多個功能，能夠適應微網的復雜和規(guī)模，采用多代理強化學習算法實現(xiàn)微網的孤島運行；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用。而國內關于微電網的研究，主要偏向于網絡結構形態(tài)以及單元級發(fā)電/儲能的控制，對微電網系統(tǒng)級能量管理系統(tǒng)的研究還處于理論起步階段。 研究了微網網絡結構和分布式電源單元級接口；對微網中分布式電源與儲能的模型與出力預測、逆變器控制仿真等方面進行了分析和研究；介紹了所建設的微網試驗綜合平臺，并 研究了微網并網控制和綜合調度方法。

綜上所述，微電網研究領域目前還未見對微電網系統(tǒng)級能量管理體系的研究與設計文獻。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計其控制框架結構；充分繼承傳統(tǒng)電力系統(tǒng)EMS功能結構體系，并結合微電網自身特點，提出一種較為完善的智能微電網功能體系結構，并著重介紹實時安全穩(wěn)定控制、能量優(yōu)化調度、故障自愈、電能質量監(jiān)測、集中抄表、用戶互動等關鍵功能模塊應涵蓋的內容。

.       系統(tǒng)物理架構

為實現(xiàn)微電網系統(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，設計微電網能量管理 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構，微電網智能控制系統(tǒng)物理架構如圖1所示。

圖1微電網智能控制系統(tǒng)物理架構示意圖

物理元件層是微網的 層，包括風力發(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。物理元件層負責向能量管理 提供微電網內各元件當前的運行狀態(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運行信息，通過安全穩(wěn)定分析和能量優(yōu)化調度分析，做出系統(tǒng)級決策，并將其控制策略下發(fā)到相應的物理元件執(zhí)行。微電網系統(tǒng)的通信體系是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃瑸楸ＷC運行數(shù)據(jù)及決策指令上傳下達的高速性及可靠性，通信主干網較適宜采用雙環(huán)自愈光纖網，各單元控制終端通過光端機節(jié)點經光纖串聯(lián)

組成環(huán)路連接至能量管理 。

2.軟件體系結構

微電網能量管理系統(tǒng)M-EMS軟件功能體系結構設計思想：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)微電網的實時安全穩(wěn)定控制、故障自愈、能量優(yōu)化調度、用戶雙向戶動、集中抄表、電能質量監(jiān)測等應用決策功能，其體系結構如圖2所示。該M-EMS軟件功能體系結構分為“微電網調度與控制"和“用電管理"2部分。

微電網調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是維持微電網的安全穩(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)化調度模塊目標是維持微電網經濟運行，除了通過實時數(shù)據(jù)庫獲取當前運行數(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、網絡通信或SCADA系統(tǒng)下發(fā)調度計劃。

用電管理部分的主要任務是在滿足用戶對電能質量、供電可靠性要求基礎上，實現(xiàn)電網電力流、信息流和業(yè)務流的實時互動，建立新型的供用電關系。用電管理包括電能質量監(jiān)測、集中抄表、用戶互動3大功能模塊。電能質量監(jiān)測模塊的主要任務是完成電能質量數(shù)據(jù)的測量、記錄和分析，并且能夠實現(xiàn)對不同干擾源的定位分析。集中抄表模塊的主要任務是為電力營銷業(yè)務和調度業(yè)務提供基礎數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)用電分析功能。用戶互動模塊的目標是實現(xiàn)有序用電和經濟用電，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)電用戶與微電網能量優(yōu)化調度的互動。

SCADA主要任務是實時采集微電網數(shù)據(jù)并監(jiān)視其狀態(tài)，是M-EMS與微電網物理系統(tǒng)聯(lián)系的總接口。對上通過數(shù)據(jù)庫向各應用模塊提供實時數(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有機整體的關鍵部分。實時數(shù)據(jù)庫主要存放實時量測數(shù)據(jù)、應用模塊間需實時交換的計算數(shù)據(jù)等；歷史數(shù)據(jù)庫主要存儲設備參數(shù)、歷史運行數(shù)據(jù)、地理氣象數(shù)據(jù)、各應用模塊分析結果數(shù)據(jù)等。

3.微電網調度與控制

3.1實時安全穩(wěn)定控制

微電網在并網以及孤網運行模式下的控制，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)調網內潮流、電壓、頻率的秒級即時控制，以保證微電網的安全穩(wěn)定運行。微電網內分布式電源多通過電力電子接口(逆變器)的快速調節(jié)并網，系統(tǒng)慣性小或無慣性，承受負載功率波動能力差；另外，微網內各類型分布式電源容量及內特性的差異，造成并網后電壓/頻率波動以及電源/儲能間的環(huán)流功率，在微電網孤島運行模式下，這種波動更加明顯。因此，需要在分析網內潮流的基礎上，依靠有效的系統(tǒng)級協(xié)調控制手段施治。微電網實時安全穩(wěn)定控制本質上是系統(tǒng)級功率/電壓/頻率協(xié)調控制，需要在微電網在線狀態(tài)估計、潮流計算基礎上，實現(xiàn)包括并網狀態(tài)下有功/頻率、無功/電壓協(xié)調控制，孤島狀態(tài)下頻率/電壓調整及有功/頻率、無功/電壓協(xié)調控制，并網轉孤島、孤島轉并網暫態(tài)下的優(yōu)化協(xié)調控制。在按協(xié)調控制策略制定控制方案后，通過下發(fā)遙控、遙調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)化調度

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

3.3故障自愈

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

外部故障識別方法，在并網條件下發(fā)生故障時，不論是微網側還是配網側故障，都以斷開微電網為先，以避免由于微網的加入使故障特性復雜化或影響重合閘的策略；建立微電網故障隔離后供電恢復控制方案；建立微電網正常運行工況下針對預想故障的預防控制方案；建立微電網出現(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電能質量監(jiān)測

電能質量監(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/并網準暫態(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)，為微電網中用戶負荷的采集/控制提供技術支撐。采集的用戶電表數(shù)據(jù)既可以作為能量調度時負荷數(shù)據(jù)的來源，為負荷預測、負荷控制提供基礎數(shù)據(jù)；又可以作為智能用電技術的基礎，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

智能微電網對實現(xiàn)需方響應的用電智能化服務提出了更高的要求，是智能用電技術的體現(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)負荷預測及可再生能源發(fā)電量預測產生次日供需電量預測曲線參與上級微電網的日前計劃制定，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)化調度模型，制定智能用戶發(fā)用電實時調度計劃，以實現(xiàn)參與主網削峰填谷、指導用戶合理用電減少電費支出的目的。

5.安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統(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、經濟運行。

5.2應用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

5.3系統(tǒng)結構

5.4系統(tǒng)功能

（1）實時監(jiān)管

對微電網的運行進行實時監(jiān)管，包含市電、光伏、風電、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、風電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進行實時監(jiān)測，掌握微電網系統(tǒng)的運行狀況。

（3）功率預測

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

（4）電能質量

實現(xiàn)整個微電網系統(tǒng)范圍內的電能質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測，并結合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實現(xiàn)經濟優(yōu)化調度，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、風電、儲能設備的發(fā)電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網配置主要對微電網系統(tǒng)組成、基礎參數(shù)、運行策略及統(tǒng)計值進行設置。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.硬件及其配套產品

7.結論

研制開發(fā) 、經濟、安全、可靠運行的微電網能量管理系統(tǒng)成為目前微電網技術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，設計了智能微電網能量管理系統(tǒng)的物理控制架構；結合微電網含間歇性/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構； 介紹了區(qū)別于傳統(tǒng)EMS的微電網調度與控制、用電管理兩大功能所涵蓋的內容，為微電網能量管理原型系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎。

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