安科瑞 陳聰

摘要：以海島為研究對象，根據(jù)其負荷及供電特點，對其微電網及其能量管理系統(tǒng)展開研究。

關鍵詞：孤島；微電網；能量管理系統(tǒng)；可再生能源

O引言

隨著電網“建設以特高壓電網為骨干網架、各級電網協(xié)調發(fā)展，以信息化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網”的提出，我國電力工業(yè)進入大容量、高電壓的大電網階段，網架結構日益復雜，由于大范圍交流同步電網存在低頻振蕩和不穩(wěn)定性，導致大面積停電的可能性變大。而微電網是對現(xiàn)有大電網的有效補充，可以在離網和并網兩種狀態(tài)之間任意切換，能提高電力系統(tǒng)的可靠性和抗災能力，同時微電網還有利于提高電能質量和可再生能源在我國的發(fā)展。

孤島微電網是為大電網無法覆蓋地區(qū)提供電能的一種有效途徑。在我國，海島地理位置*，風能、太陽能等資源充足，非常適合微電網的構建。微電網系統(tǒng)承受擾動的能力相對較弱，尤其是在孤島(自主)運行模式下，考慮到風能、太陽能資源的隨機性，系統(tǒng)的安全性可能面臨更高的風險。微電網能量管理系統(tǒng)可以保障微電網的穩(wěn)定運行。本文將對典型的孤島——海島的微電網及能量管理系統(tǒng)進行分析、研究。

1海島微電網特點

海島的負荷及供電具有負荷區(qū)域集中、功率等級小(一般在1MW以下)等特點。海島上通常使用柴油發(fā)電作為主要能源。故其供電往往需要持續(xù)性地提供柴油補給，用電成本高，有時會受氣候等因素影響無法補給，而且柴油發(fā)電也存在噪聲及環(huán)境污染等缺陷。海島上可利用的可再生能源通常有：風能、潮汐能、波浪能、洋流能等。

2海島微網及其能量管理系統(tǒng)設計

2.1設計目標及系統(tǒng)結構

根據(jù)海島的多能源及供電用電特點，系統(tǒng)設計目標包含：供電功率能支持到2MW，可以滿足絕大部分中小島嶼的供電需求；支持化石能源、風能、光伏、海洋能等多能源接入，且支持多能源間的無縫切換及組合；多能源能量輸入與用戶負荷端隔離，保障用電安全；大限度提高清潔能源的利用率；通過的電池管理控制，保證儲能單元的使用壽命。根據(jù)系統(tǒng)功能及設計目標，所構建系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)有如下特點：

(1)采用集中直流母線架構，所有能量交換均發(fā)生在直流母線。

(2)直流母線上的電能通過交流電壓源逆變器轉換為交流電源，負載從交流電源上獲取電能。直流母線與交流母線通過逆變器隔離。

(3)儲能單元直掛直流母線，可根據(jù)發(fā)電與用電端的負載匹配狀況，自動進行充、放電轉換。

(4)通過能量管理系統(tǒng)對各能源的發(fā)電功率進行調度，調度原則是以使用可再生能源為主，在不影響儲能單元壽命的前提下，盡量少用或不用化石能源。

2.2系統(tǒng)運行方式

以柴油發(fā)電機組和風力發(fā)電機組分別代表化石能源和可再生能源。以柴油發(fā)電機組為代表的化石能源不宜頻率啟動，并且啟動后通常有運行時間少的要求，故系統(tǒng)的基本運行原則為：較大化可再生能源輸出，當負載足夠消納時，可再生能源始終保持較大出力；較小化化石能源的啟動頻率，當化石能源啟動后，一直運行到儲能單元達到較大充電狀態(tài)時停止；充分保護蓄電池組壽命，根據(jù)蓄電池組的類型，使蓄電池組保持在正常運行狀態(tài)，保護蓄電池組壽命。系統(tǒng)有風儲模式、風柴儲模式和純柴模式等三種運行方式。其中純柴模式下，柴油機組作為交流電壓源使用，通過旁路開關直接向負載供電，可控整流器與交流逆變器均不工作，該模式屬于應急備用模式。三類模式的運行方式如圖2所示。

微網系統(tǒng)的自動運行主要通過能量管理系統(tǒng)通過儲能電池組、蓄電池管理系統(tǒng)、輸出逆變器之間的配合運行而實現(xiàn)。

3系統(tǒng)控制策略

根據(jù)系統(tǒng)的能量管理目標，系統(tǒng)采用修正的硬充電控制策略(RHCC)，即僅在蓄電池荷電狀態(tài)達到下限臨界值時啟動化石能源發(fā)電，啟動之后使化石能源保持能夠穩(wěn)定系統(tǒng)且為蓄電池組充電的較小功率運行，當蓄電池組充滿之后停止化石能源發(fā)電。其中蓄電池組荷電狀態(tài)下限為不影響蓄電池組壽命的預設值，根據(jù)儲能單元的類型不同而有所區(qū)別。

4 Acrel-2000MG微電網能量管理系統(tǒng)概述

4.1概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統(tǒng)，是我司根據(jù)新型電力系統(tǒng)下微電網監(jiān)控系統(tǒng)與微電網能量管理系統(tǒng)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(yè)微電網能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電樁的接入，進行數(shù)據(jù)采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統(tǒng)、充電樁運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎上以經濟優(yōu)化運行為目標，提升可再生能源應用，提高電網運行穩(wěn)定性、補償負荷波動；有效實現(xiàn)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(yè)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(tǒng)應采用分層分布式結構，整個能量管理系統(tǒng)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(xié)議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

4.2技術標準

本方案遵循的標準有：

本技術規(guī)范書提供的設備應滿足以下規(guī)定、法規(guī)和行業(yè)標準：

GB/T26802.1-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通用規(guī)范的1部分：通用要求

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

GB/T26802.5-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通用規(guī)范5部分：場地安全要求

GB/T26802.6-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通用規(guī)范6部分：驗收大綱

GB/T2887-2011計算機場地通用規(guī)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(tǒng)機房設計規(guī)范

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

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

GB/T33589-2017微電網接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定

GB/T36274-2018微電網能量管理系統(tǒng)技術規(guī)范

GB/T51341-2018微電網工程設計標準

GB/T36270-2018微電網監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范

DL/T1864-2018型微電網監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規(guī)范

T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規(guī)范

T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規(guī)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(guī)范

T/CEC5005-2018微電網工程設計規(guī)范

NB/T10148-2019微電網的1部分：微電網規(guī)劃設計導則

NB/T10149-2019微電網2部分：微電網運行導則

4.3適用場合

系統(tǒng)可應用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

4.4型號說明

5系統(tǒng)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

6系統(tǒng)功能

6.1實時監(jiān)測

微電網能量管理系統(tǒng)人機界面友好，應能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)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(shù)、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數(shù)主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

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

系統(tǒng)應可以對儲能系統(tǒng)進行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)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(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)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(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據(jù)不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統(tǒng)信息進行顯示。

圖2系統(tǒng)主界面

子界面主要包括系統(tǒng)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(tǒng)計列表等。

6.1.1光伏界面

圖3光伏系統(tǒng)界面

本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進行展示。

6.1.2儲能界面

圖4儲能系統(tǒng)界面

本界面主要用來展示本系統(tǒng)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(tǒng)PCS參數(shù)設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數(shù)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(tǒng)BMS參數(shù)設置界面

本界面用來展示對BMS的參數(shù)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(tǒng)PCS電網側數(shù)據(jù)界面

本界面用來展示對PCS電網側數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等。

圖8儲能系統(tǒng)PCS交流側數(shù)據(jù)界面

本界面用來展示對PCS交流側數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)、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(tǒng)PCS直流側數(shù)據(jù)界面

本界面用來展示對PCS直流側數(shù)據(jù)，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(tǒng)PCS狀態(tài)界面

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

圖11儲能電池狀態(tài)界面

本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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。

6.1.3風電界面

圖13風電系統(tǒng)界面

本界面用來展示對風電系統(tǒng)信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、風速/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進行展示。

6.1.4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(tǒng)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(shù)據(jù)等。

6.1.5視頻監(jiān)控界面

圖15微電網視頻監(jiān)控界面

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

6.2發(fā)電預測

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

圖16光伏預測界面

6.3策略配置

系統(tǒng)應可以根據(jù)發(fā)電數(shù)據(jù)、儲能系統(tǒng)容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統(tǒng)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(tài)擴容等。

圖17策略配置界面

6.4運行報表

應能查詢各子系統(tǒng)、回路或設備規(guī)定時間的運行參數(shù)，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(shù)、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

6.5實時報警

應具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠對各子系統(tǒng)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(fā)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

6.6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(shù)、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(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

6.7電能質量監(jiān)測

應可以對整個微電網系統(tǒng)的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統(tǒng)電能質量情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除供電不穩(wěn)定因素。

1）在供電系統(tǒng)主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統(tǒng)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(tǒng)應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6）電能質量數(shù)據(jù)統(tǒng)計：系統(tǒng)應能顯示1min統(tǒng)計整2h存儲的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，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(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖21微電網系統(tǒng)電能質量界面

6.8遙控功能

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

圖22遙控功能

6.9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(shù)、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

6.10統(tǒng)計報表

具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。對微電網與外部系統(tǒng)間電能量交換進行統(tǒng)計分析；對系統(tǒng)運行的節(jié)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(shù)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(tǒng)計報表

6.11網絡拓撲圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)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(tǒng)拓撲界面

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

6.12通信管理

可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)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(shù)據(jù)情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

圖26通信管理

6.13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(shù)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(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

6.14故障錄波

應可以在系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)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(fā)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

6.15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(shù)據(jù)，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數(shù)據(jù)基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故前*個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數(shù)據(jù)。啟動事件和監(jiān)視的數(shù)據(jù)點可由用戶規(guī)定和隨意修改。

圖29事故追憶

7硬件及其配套產品

8結束語

通過運行分析，該系統(tǒng)采用的集中直流母線架構設計可實現(xiàn)多種可再生能源和化石能源同時并網發(fā)電，并且能夠實現(xiàn)對微電網的實時監(jiān)控、發(fā)用電預測、儲能調度優(yōu)化和信息綜合管理。通過能量管理系統(tǒng)的控制，可實現(xiàn)可再生能源的有效利用，以及系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

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