微電網能量管理系統

微電網能量管理系統是一套具有發電最佳化調度、負荷管理、實時監測並自動實現微電網同步等功能的能量管理系統。微電網的能量管理是微電網技術中一個重要的研究內容。隨著微電網的不斷發展和規模的擴大，微電網的能量管理將而臨控制結構、最佳化算法、通信設計等一系列需要解決的問題。

基本介紹

• 中文名：微電網能量管理系統
• 外文名：Micro-grid energy management system
• 作用：能量管理
• 控制結構：集中式控制和分散式控制
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

隨著微電網技術的不斷發展，微電網能量管理系統也逐漸成為研究熱點。總結了國內外微電網能量管理系統的研究現狀，分析了微電網能量管理系統的管理對象、基本功能、設計框架;闡述了微電網能量管理系統集中式控制和分散式控制兩種種控制結構，並分析了各自的優缺點;介紹了微電網能量管理的基本模型和算法。最後總結出微電網能量管理中需要解決3個問題:可再生能源和可控負荷的不確定性問題、多儲能技術的最佳化配合和聯合調度問題、微電網能量管理系統的通信設計和網路安全問題。

隨著全球能源、環境問題的凸顯，風能、太陽能等可再生能源得到較大的發展。與此同時，微電網作為一種包含可再生能源等分散式電源的綜合集成技術得到了廣泛的關注。微電網具有靈活的運行特性，可以併網或脫網運行，能同時滿足本地用戶的電能和熱能需求。微電網提高了分散式發電系統的供電可靠性，實現了分散式電源與負荷的一體化運行，減少了系統的污染排放，已經成為智慧型電網建設中一個重要的組成部分。

為了保證微電網高效穩定地運行，微電網通常由能量管理系統進行智慧型控制和自動調度決策。微電網能量管理系統是一套具有發電最佳化調度、負荷管理、實時監測並自動實現微電網同步等功能的能量管理軟體。微電網的能量管理包含短期和長期的能量管理[[2,6]。短期的能量管理包括:為分散式電源提供功率設定值，使系統滿足電能平衡、電壓穩定;為微電網電壓和頻率的恢復和穩定提供快速的動態回響;滿足用戶的電能質量要求;為微電網的併網提供同步服務。長期的能量管理包括:以最小化系統網損、運行費用，最大化可再生能源利用等為目標安排分散式電源的出力;為系統提供需求側管理，包括切負荷和負荷恢復策略;配置適當的備用容量，滿足系統的供電可靠性要求。

國內外研究現狀及典型案例分析

國內外已經興建了不少微電網示範工程和實驗基地，其中大部分微電網示範工程和實驗基地配置了相應的能量管理系統。下而簡要介紹國內外微電網的能量管理系統研究現狀，並結合一個典型套用案例對微電網能量管理系統進行剖析。

北美研究現狀

美國電力公司和美國電力可靠性技術協會CERTS(Consortium for Electric Reliability TechnologySolution)在俄亥俄州首府哥倫布建造了CERTS微電網示範平台圈。該示範平台主要由蓄電池、燃氣輪機、可控負荷和敏感負荷組成，其能量管理採用自治管理方式，不需要中央控制器統一安排分散式電源的發電;分散式電源根據下垂特性共享頻率或電壓，實現自治管理，即插即用;能量管理系統的一些必要控制信息通過乙太網傳輸給分散式電源控制器。

歐洲研究現狀

荷蘭的Bronsbergen假日公園微電網是歐盟資助的一個微電網示範工程:該微電網能量管理系統採用集中控制的方式，微電網中每條饋線的功率由監測系統傳送至中央控制器，中央控制器通過全球移動通信系統(GSM)與調度中心交流;此外，中央控制器還負責微電網併網和孤網的無縫切換。德國的Am Steinweg微電網由潮流和電能質量管理系統PoMS(Power flow and power quality Management Sys-tem)控制〔X07 : PoMS具有配電網管理、分散式電源管理和需求側管理等功能，它由一個中央處理器和幾個界而控制盒組成;數據監測系統和控制器通過界而控制盒與中央處理器交流，採用傳輸控制協定和網際網路協定((TCP/IP)進行通信。義大利的CESIRICERCA DER微電網示範工程的能量管理採用集中式控制方式:分散式電源和可控負荷與監測控制系統SCS(Supervision and Control System)相聯，採用分層式結構進行信息的交流與傳輸;SCS記錄和分析運行過程中的數據，監測系統電能質量和暫態過程，最佳化分散式電源的發電調度，並且向調度控制中心傳輸實時信息，其指令信息採用2.4 GHz的無線頻率傳輸。希臘雅典國立大學建立的NTUA微電網由光伏陣列、風機、蓄電池和可控負荷組成，該微電網的能量管理系統採用多代理系統MAS ( Multi-Agent System)結構，基於Java代理髮展框架3.0平台開發，採用XML和SL編寫。

亞洲研究現狀

日本的Iyotango微電網工程由新能源綜合開發機構NEDO ( New Energy and industrial technology Development Organization)建造，該微電網能量管理由基於網際網路的中央控制器控制，採用標準的ISDN或ADSL ISP接入網際網路。中國合肥工業大學所建的微網實驗平台的能量管理採用兩層控制的方式，分為中央控制器和局部控制器;中央控制器為分散式電源制定提前1 h,30 min,15 min的發電計畫;局部控制器負責控制饋線潮流、電壓頻率、無縫切換、電能質量和控制保護;該能量管理系統遵照IEC61970標準執行，由數據採集與監測系統、自動發電控制系統和其他能量套用軟體構成。中國浙江電力試驗研究院搭建的微電網能量管理採用分層式控制，其主站層負責監測系統運行、管理歷史數據、繪製圖形、控制運行方式等;其協調層主要負責微電網併網和孤網的狀態切換。

從國內外的微電網能量管理研究情況可以看出，目前微電網的能量管理主要包括發電側和需求側的管理。發電側管理包括分散式電源、儲能系統、配網側的管理，需求側管理主要為分級負荷的管理。從管理的結構來看，北美微電網採用自治控制，為分散式控制，而亞洲的微電網傾向使用集中控制。在歐洲主要有集中控制和基於代理的控制這2種方式。目前集中控制在微電網工程中仍屬於主流的能量管理方式，其在頂層決策中採用各種最佳化算法安機組出力，而底層控制器則按上層指令控制機組出力。能量管理系統中各種控制器均藉助於無線或有線通信進行信息的傳輸與交流。

微電網能量管理系統的主要管理對象

分散式電源

微電網中的分散式電源包括燃料電池、微型燃氣輪機、柴油發電機、熱電聯產系統、風電、光伏等。其中，熱電聯產系統通過燃料電池、微型燃氣輪機或其他燃機在發電的同時提供熱能，能量利用率超過，在微電網中具有較好的套用前景。不同類型的電源通過整流器和逆變器等電力電子設備將不同頻率的電能平滑地轉換為相同頻率交流或直流電能。通過控制逆變器可以控制分散式電源的輸出，讓分散式電源按指定的電壓和頻率或有功和無功(即控制)輸出。這些基於逆變器的控制方式支撐著微電網系統的總體控制策略。分散式電源按可控性分為不可調度機組和可調度機組風電、光伏的發電主要取決於自然環境，具有隨機性和波動性，屬於不可調度機組，其具有一定的可預測性，但目前仍具有較大的預測誤差。而燃料機組如微型燃氣輪機、燃料電池、柴油機屬於可調度機組，微電網能量管理系統需要預測風電、光伏的出力，並根據預測出力、燃料機組油耗、熱電需求等制定可調度機組的調度計畫。

儲能系統

儲能系統在微電網中得到了廣泛的套用，適合微電網的儲能技術主要有蓄電池、飛輪、超級電容[}z3}蓄電池具有電能容量大、能量密度大、循環壽命短等特點在併網時起削峰填谷和能量調度的作用，在孤網時常作為中心存儲單元，維護微電網的頻率與電壓穩定。飛輪具有較大的能量密度、較高的功率輸出和無限的充放電次數常用來平抑微電網中的瞬時功率波動。超級電容具有功率密度大、循環壽命長、能量密度低等特點但相對於其他2種儲能技術具有較高的成本。由於具有較低的慣性，儲能系統在微電網中可以平抑可再生能源和負荷的功率波動，維護系統的實時功率平衡，同時能在微電網併網與孤網狀態切換時提供瞬時的功率支撐，維持系統穩定。儲能系統一般通過逆變器接入微電網，採用刀夕’控制和PQ控制，接受微電網能量管理系統的指令來決定工作方式和發電功率。儲能系統的管理目標取決於微電網的工作方式。在併網模式下，其主要是確保分散式電源的穩定出力，容量充足時可以起削峰填谷和能量調度的輔助作用;在孤網模式下，儲能系統主要是維護系統穩定，減少終端用戶的電能波動。

負荷系統

為了使微電網在緊急情況下仍能運行，微電網的負荷一般分級管理，主要分為關鍵負荷和可控負荷。關鍵負荷為需要重點保護電力供應的負荷;而可控負荷在緊急情況下可以適當切除，在正常情況下也可以通過需求側管理或者需求側回響達到最佳化負荷使用、節能省電的目的。比如一棟樓在不影響用戶滿意度的情況下可以通過調節供熱通風與空氣調節HVAC(Heating Ventilation and Air Conditioning)系統或者照明系統來達到節能的目的。微電網負荷側的管理是微電網能量管理中的重要部分。隨著電動汽車的普及，充電電動汽車PEV (Plug-in ElectricVehicle)和混合充電電動汽車PHEV (Plug-in HybridElectric Vehicle)在微電網中得到了廣泛的套用[3uPHEV和PE V既可以隨時隨地從電網中充電，又可以通過汽車到電網V2G ( Vehicle to Grid )技術向電網輸電，具有可控負荷和電源的雙重身份，這類負荷的大規模接入將給微電網能量管理系統增加難度。

基本功能

微電網能量管理系統具有預測可再生能源機組出力、最佳化燃料機組發電、安排儲能充放電、管理可控負荷、維持系統穩定等功能。顯示了微電網能量管理系統的幾個主要功能。微電網能量管理系統主要有4個功能模組:人機交流模組、數據分析模組、預測模組、決策最佳化模組。一些外部信息如設備信息、天氣預報等通過數據接口傳遞給微電網能量管理系統，同時微電網能量管理系統也通過接口與分散式電源互相交換信息。

人機交流模組主要負責人與能量管理系統的交流，其採用可視化人機接口，並提供一個統一的圖形平台。通過人機界而可以查看微電網的拓撲結構和所有電氣元件的接入情況，並能實時操作開關與刀閘的狀態，控制微電網的工作方式。監測系統採集的電壓、電流、有功、無功、溫度等實時數據將在圖形系統中顯示。通過對人機界而的監視，工作人員可以實時了解微電網系統、後台系統和通信系統的運行工況。系統的運行信息將通過文字、圖形、聲光、顏色等多種方式在人機界而中顯示。

數據分析模組將系統採集的實時數據、各種操作日誌以及預測數據存儲到系統的資料庫當中其歷史服務功能按照不同的存儲周期和預先設定的存儲策略將實時數據寫入資料庫中，並負責日、月、年統計量的統計工作。報表分析功能將歷史數據和預測數據靈活地組織到表格中，形成實時、日、月、年等歷史統計報表和預測誤差統計報表，可統計最大值、最小值、平均值等，同時具有列印和表格編輯功能。

預測模組是微電網能量管理系統的一個重要模組。為最佳化分散式電源的發電調度，需要對未來某段時間內的負荷、可再生能源、市場電價進行預測根據調度計畫的時間尺度不同，通常有短期(1天至1周)預測和超短期(分鐘級或幾小時內)預測。短期預測可以採用離線的方式，而超短期預測通常需要線上預測並實時滾動。預測所需要的基礎數據主要為系統採集的歷史數據，預測結果每隔一定的時間段傳送回微電網能量管理系統。

決策最佳化是微電網能量管理系統的核心模組。該最佳化系統根據負荷和可再生能源的預測值、用戶的用電需求、調度規則、市場電價等信息決策分散式電源的發電調度、從電網的購電計畫、儲能的出力分配、負荷的安排該決策需要滿足一系列約束條件以及控制目標，如滿足系統中的熱電負荷需求，確保微電網與主網系統間的運行協定，儘可能使能源消

耗與系統損耗最小，使分散式電源的運行效率最高。最佳化決策模組還能提供微電網系統故障情況下孤島運行和重合閘的邏輯與控制方法等，保障微電網的高效穩定運行。

設計框架

常用的微電網能量管理系統的基本設計框架如圖2所示，其主要由硬體層和軟體層兩方而構成。硬體層包含相關的硬體設備和支撐平台:硬體設備包括伺服器、控制設備等;支撐平台層包括公共服務層、資料庫層、網路通信層，它支撐著系統的公共服務、數據管理、通信交流。軟體層包括作業系統、功能套用軟體等。

微電網能量管理系統的控制結構

從微電網能量管理系統的控制結構來看，微電網可以分為集中式控制和分散式控制

集中式控制結構

集中式控制一般由中央控制器和局部控制器構成，其中，中央控制器通過最佳化計算後向局部控制器發出調度指令，局部控制器執行該指令控制分散式電源的輸出。給出了一種3層結構的典型集中式能量管理系統，其3層結構分別為:市場和配電網中心、中央控制器、局部控制器。市場中心負責電力市場和微電網之間的信息交流。配電網中心負責微電網與主網之間的信息交流。中央控制器是微電網能量管理系統的核心單元，其負責上層系統與底層單元的信息交流。一方而，中央控制器要滿足配電網的負荷需求，參與電力市場，監測系統運行，維護系統穩定，處理微電網工作模式的轉換;另一方而，中央控制器要根據局部控制器傳來的機組信息、市場和配電網中心的信息，在各種機組約束和物理約束條件下，以系統網損最小、利潤最大等為控制目標安排分散式電源的功率分配，並將指令傳遞給局部控制器。

集中式控制的優點是:有明確的分工，較容易執行和維護;具有較低的設備成本，能控制整個系統;目前使用得比較廣泛，技術上更加成熟。其缺點是:隨著分散式電源的增加，要求中央控制器有較強的計算處理能力，同時對其通信能力也有較高的要求;一旦中心單元故障，整個系統而臨癱瘓的風險;分散式電源不能即插即用，不容易拓展套用。這些缺點成為這種模式的發展瓶頸。

分散式控制結構

分散式控制是微電網能量管理系統的另一種控制方式。分散式控制方式下，微電網中的每個元件都由局部控制器控制，每一個局部控制器監測微源的運行狀況，並通過通信網路與其他的局部控制器交流。局部控制器不需要接收中央控制器的控制指令，有自主決定所控微源運行狀況的權力。由於局部控制器僅需要與鄰近的設備通信交流，其信息傳輸量比集中式控制要少;其計算量也分擔到各個局部控制器當中，降低了中央控制器的工作負擔。中央控制器在分散式控制結構中主要負責傳遞上層系統的負荷和電價信息，以及在緊急事件或故障情況下從系統層而上操控局部控制器。

分散式控制的優點是:中央控制器的計算量得到了大幅的削減;如果中央控制器故障，系統仍然能夠運行;其分散式的控制模式保證了分散式電源即插即用的功能;適用於大規模、複雜的分散式系統。其缺點有:由於局部控制器有較大的自主權，其存在安全方而的隱患，較難及時檢測和維修;分散式電源的平滑控制依賴於局部控制器之間的交流，需要設計一種有效的通信拓撲結構;其局部控制器之間的交流可能需要更長的時間達成協定;由於此種控制方式相比傳統的主從式控制有較大的通信變革，在實際當中還而臨較大的設備投資和複雜的通信要求。這使得這種較有潛力的控制方式仍然需要深入研究。

集中式和分散式控制方式都有中央控制器和局部控制器，只是分散式控制弱化了中央控制器的主導功能，通過強化周邊通信，將控制權力分散到局部控制器。中央控制器和局部控制器甚至配電網中心在管理系統中均扮演著一定的角色，多代理系統這一概念可以較好地模擬這一特定功能的角色。多代理系統具有較好的靈活性與可擴展性，既可以設計成集中式控制，又可以設計成分散式控制，在微電網的能量管理和控制領域受到了關注。多代理系統的能量管理策略主要有基於市場交易的競爭協調和基於各種智慧型算法的最佳化調度。基於市場交易的多代理系統模擬電力市場環境，由各分散式電源代理和負荷代理根據成本和需求進行投標，中央控制代理經過決策確定最後的出力狀況。基於智慧型算法的最佳化調度類似於傳統的集中式控制，其根據各代理申報的情況以特定的目標進行最佳化計算來確定各微源的發電安排。

總結

微電網的能量管理是微電網技術中一個重要的研究內容。隨著微電網的不斷發展和規模的擴大，微電網的能量管理將而臨控制結構、最佳化算法、通信設計等一系列需要解決的問題。 總結了國內外微電網能量管理的研究現狀，從微電網能量管理系統的管理對象、基本功能、設計框架、控制結構等方而全而介紹了微電網能量管理系統的軟硬體的構成和主要功能。此外，針對當前微電網能量管理的理論研究給出了微電網能量管理的基本模型和最佳化算法，對現在研究工作存在的問題和難點進行了概括，指出了進一步研究的方向。

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