安科瑞 陈聪

摘要:设计一种基于电力集能器的微电网能力管理系统，由能源局域网、能源子网能量管理系统组成，采用专家控制策略多种策略，正常运行、故障处理和孤岛运行模式。电力集能器自带电网交流、微网直流、负荷交流转换等功能满足系统负荷的不同供电需求，通过微网及光伏起到能量协调平衡功能遥主要能源从交流电网获取,光伏与直流微电网做为辅助能源，该系统主要负责系统级控制与协调，在子网系统实现电能管理及电能平衡。通过对微网能量管理、储能数据的集中管理分析，在削峰填谷、节省电费开支、延缓输配电扩容升级等方面具有良好的经济效益。

关键词：智能微电网；微电网能量管理；分布式发电

0引言

随着风电、光电可再生能源大力发展，分布式电源以智能微电网形式接入智能大电网成为低碳智能配电网的发展趋势。智能电网核心在智能, 是传统电力行业可以通过数字化信息系统，将能源开发、转换、传输、存储、配送等环节，与终端用户的各种用电设备连接在一起,通过智能化控制,实现对应供能、互助供能和互补供能。微电网的提岀旨在实现分布式电源的灵活，解决数量庞大、 形式多样的分布式电源并网问题，既可与配电网运行（并网运行），也可与配电网断开独立运行（孤岛运行）。 微电网能量管理系统是一套具有发电优化调度、负荷管理、 实时监测并自动实现微电网同步等功能的能量管理系统。能量管理系统主要用于为含有风力发电、光伏发电、微型燃气轮机等分布式电源和储能单元的微电网系统提供监视与控制功能。智能微电网能量管理系统基于云平台设计，它总结并吸收了多套成熟系统的成功开发和工程经验, 并通过国内外现有的微电网定义和示范工程总结现在微电网的体系架构，采用多项新技术, 专门针对微电网应用技术发展趋势而研究开发的一套面向智能电网的能量管理系统，降低新能源发电的波动性、随机性、 间歇性影响;减少大规模新能源介入对电力系统的冲击，并离网运行,且可无缝切换。

1微电网能量物理结构及特点

微电网管理系统是基于电力集能器的能源子网能量管理系统，通过新能源发电、微能源的采集、汇聚与分享以及储能和负荷用电消纳形成层次化结构的能源局域网，是在现有电网基础上通过电力电子和信息技术，融合大量分布式可再生能源发电和分布式储能装置,能实现电能和信息双向流动的对等共享网络。

能源子网能量管理系统核心是电力集能器, 包括电力集能器I型和电力集能器II型设备各一套，直流负荷主要是充电桩与LED灯，其主要能源从交流电网获取,光伏与直流微电网做为辅助能源协调控制。I型电力集能器双馈线路互联，具有灵活的系统互联结构和更高供电可靠性。在交流电网岀现故障时,可通过750V直流母线与直流微电网互联，保证能源子网直流负荷的不间断供电。

2 微电网能量管理系统设计

能量管理系统核心技术思路:分层控制,其在能源子网中起到至关重要的作用。整个能源子网通过它来统一协调管理微源控制器和负荷控制器，实现能源子网安全稳定运行以及经济效益的优化。

电能量管理系统功能主要包含数据通讯、系统控制、人机交互三个组成部分。对于用户可直接交互参与的人机交互则是该系统的主要部分，其架构分为监视、控制和分析三大模块。具体内容如下:

1） 监视部分主要是实时监控袁采用多层面模式袁包含： 总体数据层（下网电网、上网电量等）、集能器电气模型层（遥测、遥信）、三方系统模型层（光伏系统等）；

2） 控制部分主要是系统级控制,采用分类模式，包括:Auto模式、Manual模式（其中能源局域网只具备手动控制功能）。Auto模式根据自动发电与控制策略（类AGC（进行系统控制；在Manual模式下，用户根据系统运行情况进行实时控制，主要有对遥控、遥测、控制闭锁、权限校验等功能。二者都工作安全校核的基础上实现。控制部分需要建立一个完善的稳定控制策略专家库，在执行相应设备动作执行流程导向。

监视与分析是基础数据单向管理,控制部分为双向管理。能源子网可处于Auto在Manual两种模式，能源局域网处于手动控制模式，但是无论处于那种模式,整个灵活配电能量管理系统都要遵循控制策略库,并在安全校核机制管理下执行管理。

3） 数据分析主要是对系统的历史数据进行分析统计，作为微电网能量管理的辅助决策作用。

3数据采集与处理及通讯

3.1数据采集

能源局域网系统主要将各单个能源子网所采集的数据进行集中汇总;能源子网管理系统主要采集直流侧的光伏系统、直流微电网系统、充电桩系统、直流断路器、直流负荷系统，交流侧的外部电源系统、交流断路器、交流负荷系统，以及交直流转换的电力集能器系统的遥测、遥信参数信息，具体如下：

1）光伏系统遥测量包括电压、电流、功率因数、有功、无功；遥信量包括系统运行状态和故障状态；

2） 交、直流断路器遥信量包括断路器的开合和故障状态；

3） 交、直流负荷遥测量包括交、直流电压、电流、有功、无功等；

4）电力集能器遥测量包括交、直流侧电压、电流;遥信量包括设备运行状态和故障状态。

3.2数据处理

1） 遥测量的采集处理

遥测量描述电力系统运行的实时量化值,包括各逆变器、汇流箱、箱变、线路及主变的有功、无功、电流、电压、主变油温及系统周波等值。

2） 遥信量的采集处理

遥信量描述电站运行状态,一般包括各开关位置、各刀闸位置、发电设备投退状态、升压站开关状态及主变分接头位置、保护硬结点动作状态、各通道运行工况以及虚拟遥信等。

3.3数据通讯

采集程序,需支持Modbus、104、103、101等标准通讯协议；具有将采集到的数据按照配置的信息点号存入实时数据的功能；具有提供数据转发的功能,可以作为从站进行数据转发配置。采集程序需支持跨平台部署,可部署至通讯管理机或普通服务器。

4控制策略

电力集能器的主要电能供应来自于电网，并有内部的VSG来协调控制负荷平衡。在异常工况或特殊情况下，由能量管理通过控制策略实现系统的整体稳定运行。系统控制包括Auto模式和Manual手动模式两种。基于系统底层硬件采集回来的实时数据,选择合适的控制策略来稳定系统平衡。 根据项目的实际运行情况，采用穷举法找岀每一种运行模式,制定相应控制策略，形成一套完整的控制策略模型库，并封装到能源子网管理系统中。 能量管理系统的稳定运行的基础包括实时数据采集与判断、运行专家策略执行、通讯与控制保障袁在具体的策略执行过程中袁 能量管理系统将采用流程引导与强制校核方式保证每个策略安全无差异执行：

1）能量调度策略。能量调度程序主要是通过合理的使用蓄电池和交流市电，在保证整个系统稳定的前提下，充分利用光伏能源。系统可对采集的实时运行数据进行实时分析,判断岀当前运行模式,并自动调取模型库中对应的控制策略并下发。主要控制策略分为正常运行、故障处理、孤岛运行模式。正常运行是两台电力集能器独立运行，其负荷供能主要来自于电网，光伏以优化协调控制方式参与负荷平衡管理。故障处理是指交流电网、光伏系统及直流微网等在日常运行过程中都可能会发生故障，当故障发生后我们需要立即对故障进行响应、处理，保证敏感负荷及重要负荷的不间断供电。

2）孤岛保护策略。监测市电状态，处于孤岛,停止能源调度子程序，开启电池放电，非孤岛状态时，保持电池充电到50%后，开启电池不工作状态,启动能源调度策略。孤岛运行简单来说，就是电力集能器发生故障后无法给相应的重要负荷进行供电,此时切断与交流主网的联系，由直流微网为负荷进行供电， 而这些负荷也将与直流微网形成一个脱离主电网的环形电路， 这就是孤岛运行；孤岛运行可以保证直流微网持续不断地为负荷进行供电,而孤岛运行也相当于该环岛中的设备离网运行。

5 Acrel-2000MG微电网能量管理系统概述

5.1概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，提升可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

5.2技术标准

本方案遵循的标准有：

本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：

GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范的1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台2部分：性能评定方法

GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范5部分：场地安全要求

GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范6部分：验收大纲

GB/T2887-2011计算机场地通用规范

GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求

GB50174-2018电子信息系统机房设计规范

DL/T634.5101远动设备及系统5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

DL/T634.5104远动设备及系统5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101

GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定

GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范

GB/T51341-2018微电网工程设计标准

GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范

DL/T1864-2018型微电网监控系统技术规范

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范

T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范

T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求

T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC5005-2018微电网工程设计规范

NB/T10148-2019微电网的1部分：微电网规划设计导则

NB/T10149-2019微电网2部分：微电网运行导则

5.3适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

5.4型号说明

6系统配置

6.1系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层

7系统功能

7.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

7.1.1光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

7.1.2储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的大、小电压、温度值及所对应的位置。

7.1.3风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

7.1.4充电桩界面

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

7.1.5视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

7.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

7.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

图17策略配置界面

7.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备规定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

7.5实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

7.6历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图20历史事件查询

7.7电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

7.8遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

7.9曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

7.10统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

7.11网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

7.12通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图26通信管理

7.13用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图27用户权限

7.14故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图28故障录波

7.15事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故*个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户规定和随意修改。

图29事故追忆

8硬件及其配套产品

9结束语

本系统系统基于云平台和电力集能器设备, 通过电力集能器集成能源子网能量管理系统和能源局域网能量管理子系统,采用自动和手动两种控制测量对VSG自平衡控制,从而实现了对微电网的实时监控、发用电预测、储能调度优化和信息综合管理。本系统已在电力研究院和多个能源电力公司推广运行,达到其微电网的经济优化运行,具有推广应用价值,有助于绿色、节能微电网的推广。

参考文献

[1]张海龙.中国新能源发展研究[D].长春:吉林大学管理学院,2014:1-6

[2]邵林.微电网能量管理系统设计与实现[D].南京:东南大学电气工程学院,2013.

[3]杨新法,苏剑,吕志鹏等.微电网技术综述[J].中国机电工程学报,2014,34(1):57-70

[4]王城山,周越.微电网示范工程综述[J].供用电,2015(1):16-21

[5]吴建锋.储能系统的实时运行与控制策略研究[D].合肥:合肥工业大学,2014.

[6]吴雄,王秀丽,刘世民,等.微电网能量管理系统研究综述[J].电力自动化设备,2014,34(10):7-14

[7]白雅静.智能微电网能量管理系统设计与应用.

[8]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022年05版.