微电网能量管理系统功能与体系设计

摘要：根据微电网技术发展的需要，提出了一套较为完善的智能微电网能量管理系统功能体系结构。首先设计系统物理架构，进而提出了M-EMS软体功能体系结构，最后对微电网的功能模块涵盖的内容进行了介绍，为原型系统的开发及工程实现奠定基础。

关键词：微电网能量管理系统；微电网调度与控制；用电管理

0.引言

微电网为分布式发电的综合利用提供了一种有效的技术手段。微电网系统是由分布式电源、储能单元、负荷以及监控、保护装置组成的集合，具有局部能量平衡、灵活的并网或孤网运行方式、可调度性能强等优点，并且能充分满足用户对电能质量、供电可靠性和安全性的要求，已经成为智能电网的一个重要组成部分。微电网安全经济的运行方式与高质量的供电服务，离不开完善的能量管理系统。目前，国外的相关科研组织对此已取得一定的研究成果。欧洲分别针对集中控制式和分散控制式微网系统框架展开研究，提出了一种智能能量管理系统以优化微网的成本和效率为目标，每个微网为一个独立的代理并拥有互动和决策机制；研究了基于多代理系统技术的微网能量管理框架，该框架集成了多个功能，能够适应微网的复杂和规模，采用多代理强化学习算法实现微网的孤岛运行；日本已开发了能量管理软件在投入所建的示范工程中应用。而国内关于微电网的研究，主要偏向于网络结构形态以及单元级发电/储能的控制，对微电网系统级能量管理系统的研究还处于理论起步阶段。 研究了微网网络结构和分布式电源单元级接口；对微网中分布式电源与储能的模型与出力预测、逆变器控制仿真等方面进行了分析和研究；介绍了所建设的微网试验综合平台，并 研究了微网并网控制和综合调度方法。

综上所述，微电网研究领域目前还未见对微电网系统级能量管理体系的研究与设计文献。本文针对含分布式发电、储能、智能用户、负荷的微电网能量管理系统展开研究，借鉴传统电力系统分层分布控制的思想设计其控制框架结构；充分继承传统电力系统EMS功能结构体系，并结合微电网自身特点，提出一种较为完善的智能微电网功能体系结构，并着重介绍实时安全稳定控制、能量优化调度、故障自愈、电能质量监测、集中抄表、用户互动等关键功能模块应涵盖的内容。

.       系统物理架构

为实现微电网系统级能量管理，借鉴传统电力系统分层分布控制的思想，设计微电网能量管理 作为主站层、各测控终端单元作为物理元件层的两层控制结构，微电网智能控制系统物理架构如图1所示。

图1微电网智能控制系统物理架构示意图

物理元件层是微网的 层，包括风力发电单元、光伏发电单元、其它类型分布式发电单元（如柴油发电机、燃料电池、微型燃气轮机等）、储能单元、智能用户管理单元、负荷测控单元、PCC保护测控单元等。物理元件层负责向能量管理 提供微电网内各元件当前的运行状态数据，同时接收能量管理 主站下发的决策信息指令，对发电、储能、负荷等进行调度控制。另外，物理元件层也可以根据本地信息做出局部决策，实现电压、频率的单元级就地调节，称为就地分散控制。能量管理 主站层是决策层，根据元件层上传的微电网运行信息，通过安全稳定分析和能量优化调度分析，做出系统级决策，并将其控制策略下发到相应的物理元件执行。微电网系统的通信体系是数据传输的通道，为保证运行数据及决策指令上传下达的高速性及可靠性，通信主干网较适宜采用双环自愈光纤网，各单元控制终端通过光端机节点经光纤串联

组成环路连接至能量管理 。

2.软件体系结构

微电网能量管理系统M-EMS软件功能体系结构设计思想：以SCADA功能模块为系统与物理元件层数据上传下达的传输模块，以数据库为系统实时数据与历史数据的交换存储基地，实现微电网的实时安全稳定控制、故障自愈、能量优化调度、用户双向户动、集中抄表、电能质量监测等应用决策功能，其体系结构如图2所示。该M-EMS软件功能体系结构分为“微电网调度与控制"和“用电管理"2部分。

微电网调度与控制分为实时安全稳定控制、故障自愈控制与能量优化调度3大功能模块。实时安全稳定控制与故障自愈控制目标是维持微电网的安全稳定运行，为秒级实时分析决策模块，通过实时数据库快速从SCADA获取实时运行数据，并通过SCADA模块下发决策控制指令；能量优化调度模块目标是维持微电网经济运行，除了通过实时数据库获取当前运行数据外，还需要对通过历史数据库获取的微电网历史运行数据、用户互动信息和气象等数据进行预测、分析，完成多时间尺度的发电计划的制定，并通过数据库、网络通信或SCADA系统下发调度计划。

用电管理部分的主要任务是在满足用户对电能质量、供电可靠性要求基础上，实现电网电力流、信息流和业务流的实时互动，建立新型的供用电关系。用电管理包括电能质量监测、集中抄表、用户互动3大功能模块。电能质量监测模块的主要任务是完成电能质量数据的测量、记录和分析，并且能够实现对不同干扰源的定位分析。集中抄表模块的主要任务是为电力营销业务和调度业务提供基础数据，并实现用电分析功能。用户互动模块的目标是实现有序用电和经济用电，分别对发电用户和普通用户提供电价信息、用电和供电信息双向互动支持，并实现智能发电用户与微电网能量优化调度的互动。

SCADA主要任务是实时采集微电网数据并监视其状态，是M-EMS与微电网物理系统联系的总接口。对上通过数据库向各应用模块提供实时数据和历史运行数据；对下向物理元件层发送应用模块的决策控制指令。数据库系统是各功能软件进行数据交换、存储的基地，是把各功能软件联成M-EMS有机整体的关键部分。实时数据库主要存放实时量测数据、应用模块间需实时交换的计算数据等；历史数据库主要存储设备参数、历史运行数据、地理气象数据、各应用模块分析结果数据等。

3.微电网调度与控制

3.1实时安全稳定控制

微电网在并网以及孤网运行模式下的控制，不仅包括物理元件层的毫秒级就地式分散控制，还包括从系统整体上协调网内潮流、电压、频率的秒级即时控制，以保证微电网的安全稳定运行。微电网内分布式电源多通过电力电子接口(逆变器)的快速调节并网，系统惯性小或无惯性，承受负载功率波动能力差；另外，微网内各类型分布式电源容量及内特性的差异，造成并网后电压/频率波动以及电源/储能间的环流功率，在微电网孤岛运行模式下，这种波动更加明显。因此，需要在分析网内潮流的基础上，依靠有效的系统级协调控制手段施治。微电网实时安全稳定控制本质上是系统级功率/电压/频率协调控制，需要在微电网在线状态估计、潮流计算基础上，实现包括并网状态下有功/频率、无功/电压协调控制，孤岛状态下频率/电压调整及有功/频率、无功/电压协调控制，并网转孤岛、孤岛转并网暂态下的优化协调控制。在按协调控制策略制定控制方案后，通过下发遥控、遥调指令给物理元件层执行，来达到维持系统安全稳定运行的目的。

3.2能量优化调度

微电网能量优化调度通过对分布式电源、储能单元、负荷以及电网当前运行状态和历史数据进行分析，继而做出科学的评估和预测；根据微电网系统内各类型分布式电源享受的优先调度权分级、负荷分级以及主网系统电价类型的不同选择，不同的能量调度策略，确定相应的优化调度模型，采用有效的算法求解未来不同调度周期的运行计划，包括对微电网内可调度型单元的日前出力计划、储能单元日前调度计划和实时调度计划。能量优化调度模块包括发电/用电功率短期预测、发电/用电功率超短期预测、微电网日前优化调度和实时优化调度等功能，各功能的逻辑关系如图3所示。短期发/用电功率预测以h为预测周期，为日前优化调度提供基础数据。超短期发/用电功率预测以5~10m为预测周期，为实时优化调度提供基础数据。

3.3故障自愈

故障自愈功能主要实现微电网故障识别、自愈控制以及黑启动控制等功能。建立微电网内部、

外部故障识别方法，在并网条件下发生故障时，不论是微网侧还是配网侧故障，都以断开微电网为先，以避免由于微网的加入使故障特性复杂化或影响重合闸的策略；建立微电网故障隔离后供电恢复控制方案；建立微电网正常运行工况下针对预想故障的预防控制方案；建立微电网出现支路或电压越限紧急工况下校正控制方案；建立系统孤岛运行时系统崩溃后启动控制方案。

.       用电管理

4.1电能质量监测

电能质量监测模块主要完成对观测点电压/电流的稳态和暂态波形记录与数据分析。稳态电

能质量监测主要包括：谐波/间谐波监测、分析和干扰源定位；电压偏移度和三相电压不平衡监测和分析。暂态电能质量监测主要包括：暂态波形捕捉、电压骤升/骤降监测、电压波动及闪变分析、离/并网准暂态电压和频率分析。

4.2集中抄表

集中抄表功能要建立双向、集成的量测/通信系统，为微电网中用户负荷的采集/控制提供技术支撑。采集的用户电表数据既可以作为能量调度时负荷数据的来源，为负荷预测、负荷控制提供基础数据；又可以作为智能用电技术的基础，实现对普通用户用电计量计费、用电情况分析、信息交互互动、用电监测、智能控制的要求。

4.3用户互动

智能微电网对实现需方响应的用电智能化服务提出了更高的要求，是智能用电技术的体现。因此，友好、开放、灵活的用户互动功能是用电管理的重要组成部分。对于含分布式电源的智能用户，根据负荷预测及可再生能源发电量预测产生次日供需电量预测曲线参与上级微电网的日前计划制定，并根据日前计划优化出的供需电量计划及峰谷电价/实时电价情况，建立发用电优化调度模型，制定智能用户发用电实时调度计划，以实现参与主网削峰填谷、指导用户合理用电减少电费支出的目的。

5.安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统

5.1概述

Acrel-2000MG储能能量管理系统是安科瑞专门针对工商业储能电站研制的本地化能量管理系统，可实现了储能电站的数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表、策略管理、历史曲线等功能。其中策略管理，支持多种控制策略选择，包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等。该系统不仅可以实现下级各储能单元的统一监控和管理，还可以实现与上级调度系统和云平台的数据通讯与交互，既能接受上级调度指令，又可以满足远程监控与运维，确保储能系统安全、稳定、可靠、经济运行。

5.2应用场景

适用于工商业储能电站、新能源配储电站。

5.3系统结构

5.4系统功能

（1）实时监管

对微电网的运行进行实时监管，包含市电、光伏、风电、储能、充电桩及用电负荷，同时也包括收益数据、天气状况、节能减排等信息。

（2）智能监控

对系统环境、光伏组件、光伏逆变器、风电控制逆变一体机、储能电池、储能变流器、用电设备等进行实时监测，掌握微电网系统的运行状况。

（3）功率预测

对分布式发电系统进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。

（4）电能质量

实现整个微电网系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。如电压谐波、电压闪变、电压不平衡等稳态数据和电压暂升/暂降、电压中断暂态数据进行监测分析及录波展示，并对电压、电流瞬变进行监测。

（5）可视化运行

实现微电网无人值守，实现数字化、智能化、便捷化管理;对重要负荷与设备进行不间断监控。

（6）优化控制

通过分析历史用电数据、天气条件对负荷进行功率预测，并结合分布式电源出力与储能状态，实现经济优化调度，以降低尖峰或者高峰时刻的用电量，降低企业综合用电成本。

（7）收益分析

用户可以查看光伏、储能、充电桩三部分的每天电量和收益数据，同时可以切换年报查看每个月的电量和收益。

（8）能源分析

通过分析光伏、风电、储能设备的发电效率、转化效率，用于评估设备性能与状态。

（9）策略配置

微电网配置主要对微电网系统组成、基础参数、运行策略及统计值进行设置。其中策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、新能源消纳、逆功率控制等。

6.硬件及其配套产品

7.结论

研制开发 、经济、安全、可靠运行的微电网能量管理系统成为目前微电网技术研究中的一个重要方面。本文在充分继承EMS现有成果，借鉴分层分布控制的思想，设计了智能微电网能量管理系统的物理控制架构；结合微电网含间歇性/随机性电源、更直接面向用户等自身特点，提出了一种较为完善的软件功能体系结构； 介绍了区别于传统EMS的微电网调度与控制、用电管理两大功能所涵盖的内容，为微电网能量管理原型系统的开发奠定了基础。

参考文献

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[3] 牛焕娜，黄秀琼，杨仁刚，唐云峰，冯小明，杨明皓。微电网能量管理系统功能结构体系研究与设计.

[4] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022年05版