微电网能量管理系统

随着微电网技术的不断发展，微电网能量管理系统也逐渐成为研究热点。总结了国内外微电网能量管理系统的研究现状，分析了微电网能量管理系统的管理对象、基本功能、设计框架;阐述了微电网能量管理系统集中式控制和分散式控制两种种控制结构，并分析了各自的优缺点;介绍了微电网能量管理的基本模型和算法。最后总结出微电网能量管理中需要解决3个问题:可再生能源和可控负荷的不确定性问题、多储能技术的优化配合和联合调度问题、微电网能量管理系统的通信设计和网络安全问题。

随着全球能源、环境问题的凸显，风能、太阳能等可再生能源得到较大的发展。与此同时，微电网作为一种包含可再生能源等分布式电源的综合集成技术得到了广泛的关注。微电网具有灵活的运行特性，可以并网或脱网运行，能同时满足本地用户的电能和热能需求。微电网提高了分布式发电系统的供电可靠性，实现了分布式电源与负荷的一体化运行，减少了系统的污染排放，已经成为智能电网建设中一个重要的组成部分。

为了保证微电网高效稳定地运行，微电网通常由能量管理系统进行智能控制和自动调度决策。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软件。微电网的能量管理包含短期和长期的能量管理[[2,6]。短期的能量管理包括:为分布式电源提供功率设定值，使系统满足电能平衡、电压稳定;为微电网电压和频率的恢复和稳定提供快速的动态响应;满足用户的电能质量要求;为微电网的并网提供同步服务。长期的能量管理包括:以最小化系统网损、运行费用，最大化可再生能源利用等为目标安排分布式电源的出力;为系统提供需求侧管理，包括切负荷和负荷恢复策略;配置适当的备用容量，满足系统的供电可靠性要求。

国内外已经兴建了不少微电网示范工程和实验基地，其中大部分微电网示范工程和实验基地配置了相应的能量管理系统。下而简要介绍国内外微电网的能量管理系统研究现状，并结合一个典型应用案例对微电网能量管理系统进行剖析。

美国电力公司和美国电力可靠性技术协会CERTS(Consortium for Electric Reliability TechnologySolution)在俄亥俄州首府哥伦布建造了CERTS微电网示范平台圈。该示范平台主要由蓄电池、燃气轮机、可控负荷和敏感负荷组成，其能量管理采用自治管理方式，不需要中央控制器统一安排分布式电源的发电;分布式电源根据下垂特性共享频率或电压，实现自治管理，即插即用;能量管理系统的一些必要控制信息通过以太网传输给分布式电源控制器。

荷兰的Bronsbergen假日公园微电网是欧盟资助的一个微电网示范工程:该微电网能量管理系统采用集中控制的方式，微电网中每条馈线的功率由监测系统传送至中央控制器，中央控制器通过全球移动通信系统(GSM)与调度中心交流;此外，中央控制器还负责微电网并网和孤网的无缝切换。德国的Am Steinweg微电网由潮流和电能质量管理系统PoMS(Power flow and power quality Management Sys-tem)控制〔X07 : PoMS具有配电网管理、分布式电源管理和需求侧管理等功能，它由一个中央处理器和几个界而控制盒组成;数据监测系统和控制器通过界而控制盒与中央处理器交流，采用传输控制协议和因特网协议((TCP/IP)进行通信。意大利的CESIRICERCA DER微电网示范工程的能量管理采用集中式控制方式:分布式电源和可控负荷与监测控制系统SCS(Supervision and Control System)相联，采用分层式结构进行信息的交流与传输;SCS记录和分析运行过程中的数据，监测系统电能质量和暂态过程，优化分布式电源的发电调度，并且向调度控制中心传输实时信息，其指令信息采用2.4 GHz的无线频率传输。希腊雅典国立大学建立的NTUA微电网由光伏阵列、风机、蓄电池和可控负荷组成，该微电网的能量管理系统采用多代理系统MAS ( Multi-Agent System)结构，基于Java代理发展框架3.0平台开发，采用XML和SL编写。

日本的Iyotango微电网工程由新能源综合开发机构NEDO ( New Energy and industrial technology Development Organization)建造，该微电网能量管理由基于因特网的中央控制器控制，采用标准的ISDN或ADSL ISP接入因特网。中国合肥工业大学所建的微网实验平台的能量管理采用两层控制的方式，分为中央控制器和局部控制器;中央控制器为分布式电源制定提前1 h,30 min,15 min的发电计划;局部控制器负责控制馈线潮流、电压频率、无缝切换、电能质量和控制保护;该能量管理系统遵照IEC61970标准执行，由数据采集与监测系统、自动发电控制系统和其他能量应用软件构成。中国浙江电力试验研究院搭建的微电网能量管理采用分层式控制，其主站层负责监测系统运行、管理历史数据、绘制图形、控制运行方式等;其协调层主要负责微电网并网和孤网的状态切换。

从国内外的微电网能量管理研究情况可以看出，目前微电网的能量管理主要包括发电侧和需求侧的管理。发电侧管理包括分布式电源、储能系统、配网侧的管理，需求侧管理主要为分级负荷的管理。从管理的结构来看，北美微电网采用自治控制，为分散式控制，而亚洲的微电网倾向使用集中控制。在欧洲主要有集中控制和基于代理的控制这2种方式。目前集中控制在微电网工程中仍属于主流的能量管理方式，其在顶层决策中采用各种优化算法安机组出力，而底层控制器则按上层指令控制机组出力。能量管理系统中各种控制器均借助于无线或有线通信进行信息的传输与交流。

微电网中的分布式电源包括燃料电池、微型燃气轮机、柴油发电机、热电联产系统、风电、光伏等。其中，热电联产系统通过燃料电池、微型燃气轮机或其他燃机在发电的同时提供热能，能量利用率超过，在微电网中具有较好的应用前景。不同类型的电源通过整流器和逆变器等电力电子设备将不同频率的电能平滑地转换为相同频率交流或直流电能。通过控制逆变器可以控制分布式电源的输出，让分布式电源按指定的电压和频率或有功和无功(即控制)输出。这些基于逆变器的控制方式支撑着微电网系统的总体控制策略。分布式电源按可控性分为不可调度机组和可调度机组风电、光伏的发电主要取决于自然环境，具有随机性和波动性，属于不可调度机组，其具有一定的可预测性，但目前仍具有较大的预测误差。而燃料机组如微型燃气轮机、燃料电池、柴油机属于可调度机组，微电网能量管理系统需要预测风电、光伏的出力，并根据预测出力、燃料机组油耗、热电需求等制定可调度机组的调度计划。

储能系统在微电网中得到了广泛的应用，适合微电网的储能技术主要有蓄电池、飞轮、超级电容[}z3}蓄电池具有电能容量大、能量密度大、循环寿命短等特点在并网时起削峰填谷和能量调度的作用，在孤网时常作为中心存储单元，维护微电网的频率与电压稳定。飞轮具有较大的能量密度、较高的功率输出和无限的充放电次数常用来平抑微电网中的瞬时功率波动。超级电容具有功率密度大、循环寿命长、能量密度低等特点但相对于其他2种储能技术具有较高的成本。由于具有较低的惯性，储能系统在微电网中可以平抑可再生能源和负荷的功率波动，维护系统的实时功率平衡，同时能在微电网并网与孤网状态切换时提供瞬时的功率支撑，维持系统稳定。储能系统一般通过逆变器接入微电网，采用刀夕’控制和PQ控制，接受微电网能量管理系统的指令来决定工作方式和发电功率。储能系统的管理目标取决于微电网的工作方式。在并网模式下，其主要是确保分布式电源的稳定出力，容量充足时可以起削峰填谷和能量调度的辅助作用;在孤网模式下，储能系统主要是维护系统稳定，减少终端用户的电能波动。

为了使微电网在紧急情况下仍能运行，微电网的负荷一般分级管理，主要分为关键负荷和可控负荷。关键负荷为需要重点保护电力供应的负荷;而可控负荷在紧急情况下可以适当切除，在正常情况下也可以通过需求侧管理或者需求侧响应达到优化负荷使用、节能省电的目的。比如一栋楼在不影响用户满意度的情况下可以通过调节供热通风与空气调节HVAC(Heating Ventilation and Air Conditioning)系统或者照明系统来达到节能的目的。微电网负荷侧的管理是微电网能量管理中的重要部分。随着电动汽车的普及，充电电动汽车PEV (Plug-in ElectricVehicle)和混合充电电动汽车PHEV (Plug-in HybridElectric Vehicle)在微电网中得到了广泛的应用[3uPHEV和PE V既可以随时随地从电网中充电，又可以通过汽车到电网V2G ( Vehicle to Grid )技术向电网输电，具有可控负荷和电源的双重身份，这类负荷的大规模接入将给微电网能量管理系统增加难度。

微电网能量管理系统具有预测可再生能源机组出力、优化燃料机组发电、安排储能充放电、管理可控负荷、维持系统稳定等功能。显示了微电网能量管理系统的几个主要功能。微电网能量管理系统主要有4个功能模块:人机交流模块、数据分析模块、预测模块、决策优化模块。一些外部信息如设备信息、天气预报等通过数据接口传递给微电网能量管理系统，同时微电网能量管理系统也通过接口与分布式电源互相交换信息。

人机交流模块主要负责人与能量管理系统的交流，其采用可视化人机接口，并提供一个统一的图形平台。通过人机界而可以查看微电网的拓扑结构和所有电气元件的接入情况，并能实时操作开关与刀闸的状态，控制微电网的工作方式。监测系统采集的电压、电流、有功、无功、温度等实时数据将在图形系统中显示。通过对人机界而的监视，工作人员可以实时了解微电网系统、后台系统和通信系统的运行工况。系统的运行信息将通过文字、图形、声光、颜色等多种方式在人机界而中显示。

数据分析模块将系统采集的实时数据、各种操作日志以及预测数据存储到系统的数据库当中其历史服务功能按照不同的存储周期和预先设定的存储策略将实时数据写入数据库中，并负责日、月、年统计量的统计工作。报表分析功能将历史数据和预测数据灵活地组织到表格中，形成实时、日、月、年等历史统计报表和预测误差统计报表，可统计最大值、最小值、平均值等，同时具有打印和表格编辑功能。

预测模块是微电网能量管理系统的一个重要模块。为优化分布式电源的发电调度，需要对未来某段时间内的负荷、可再生能源、市场电价进行预测根据调度计划的时间尺度不同，通常有短期(1天至1周)预测和超短期(分钟级或几小时内)预测。短期预测可以采用离线的方式，而超短期预测通常需要在线预测并实时滚动。预测所需要的基础数据主要为系统采集的历史数据，预测结果每隔一定的时间段传送回微电网能量管理系统。

决策优化是微电网能量管理系统的核心模块。该优化系统根据负荷和可再生能源的预测值、用户的用电需求、调度规则、市场电价等信息决策分布式电源的发电调度、从电网的购电计划、储能的出力分配、负荷的安排该决策需要满足一系列约束条件以及控制目标，如满足系统中的热电负荷需求，确保微电网与主网系统间的运行协议，尽可能使能源消

耗与系统损耗最小，使分布式电源的运行效率最高。优化决策模块还能提供微电网系统故障情况下孤岛运行和重合闸的逻辑与控制方法等，保障微电网的高效稳定运行。

常用的微电网能量管理系统的基本设计框架如图2所示，其主要由硬件层和软件层两方而构成。硬件层包含相关的硬件设备和支撑平台:硬件设备包括服务器、控制设备等;支撑平台层包括公共服务层、数据库层、网络通信层，它支撑着系统的公共服务、数据管理、通信交流。软件层包括操作系统、功能应用软件等。

从微电网能量管理系统的控制结构来看，微电网可以分为集中式控制和分散式控制

集中式控制一般由中央控制器和局部控制器构成，其中，中央控制器通过优化计算后向局部控制器发出调度指令，局部控制器执行该指令控制分布式电源的输出。给出了一种3层结构的典型集中式能量管理系统，其3层结构分别为:市场和配电网中心、中央控制器、局部控制器。市场中心负责电力市场和微电网之间的信息交流。配电网中心负责微电网与主网之间的信息交流。中央控制器是微电网能量管理系统的核心单元，其负责上层系统与底层单元的信息交流。一方而，中央控制器要满足配电网的负荷需求，参与电力市场，监测系统运行，维护系统稳定，处理微电网工作模式的转换;另一方而，中央控制器要根据局部控制器传来的机组信息、市场和配电网中心的信息，在各种机组约束和物理约束条件下，以系统网损最小、利润最大等为控制目标安排分布式电源的功率分配，并将指令传递给局部控制器。

集中式控制的优点是:有明确的分工，较容易执行和维护;具有较低的设备成本，能控制整个系统;目前使用得比较广泛，技术上更加成熟。其缺点是:随着分布式电源的增加，要求中央控制器有较强的计算处理能力，同时对其通信能力也有较高的要求;一旦中心单元故障，整个系统而临瘫痪的风险;分布式电源不能即插即用，不容易拓展应用。这些缺点成为这种模式的发展瓶颈。

分散式控制是微电网能量管理系统的另一种控制方式。分散式控制方式下，微电网中的每个元件都由局部控制器控制，每一个局部控制器监测微源的运行状况，并通过通信网络与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，有自主决定所控微源运行状况的权力。由于局部控制器仅需要与邻近的设备通信交流，其信息传输量比集中式控制要少;其计算量也分担到各个局部控制器当中，降低了中央控制器的工作负担。中央控制器在分散式控制结构中主要负责传递上层系统的负荷和电价信息，以及在紧急事件或故障情况下从系统层而上操控局部控制器。

分散式控制的优点是:中央控制器的计算量得到了大幅的削减;如果中央控制器故障，系统仍然能够运行;其分散式的控制模式保证了分布式电源即插即用的功能;适用于大规模、复杂的分布式系统。其缺点有:由于局部控制器有较大的自主权，其存在安全方而的隐患，较难及时检测和维修;分布式电源的平滑控制依赖于局部控制器之间的交流，需要设计一种有效的通信拓扑结构;其局部控制器之间的交流可能需要更长的时间达成协议;由于此种控制方式相比传统的主从式控制有较大的通信变革，在实际当中还而临较大的设备投资和复杂的通信要求。这使得这种较有潜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导功能，通过强化周边通信，将控制权力分散到局部控制器。中央控制器和局部控制器甚至配电网中心在管理系统中均扮演着一定的角色，多代理系统这一概念可以较好地模拟这一特定功能的角色。多代理系统具有较好的灵活性与可扩展性，既可以设计成集中式控制，又可以设计成分散式控制，在微电网的能量管理和控制领域受到了关注。多代理系统的能量管理策略主要有基于市场交易的竞争协调和基于各种智能算法的优化调度。基于市场交易的多代理系统模拟电力市场环境，由各分布式电源代理和负荷代理根据成本和需求进行投标，中央控制代理经过决策确定最后的出力状况。基于智能算法的优化调度类似于传统的集中式控制，其根据各代理申报的情况以特定的目标进行优化计算来确定各微源的发电安排。

微电网的能量管理是微电网技术中一个重要的研究内容。随着微电网的不断发展和规模的扩大，微电网的能量管理将而临控制结构、优化算法、通信设计等一系列需要解决的问题。 总结了国内外微电网能量管理的研究现状，从微电网能量管理系统的管理对象、基本功能、设计框架、控制结构等方而全而介绍了微电网能量管理系统的软硬件的构成和主要功能。此外，针对当前微电网能量管理的理论研究给出了微电网能量管理的基本模型和优化算法，对现在研究工作存在的问题和难点进行了概括，指出了进一步研究的方向。

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