智能微电网能源管理系统优化调度系统设计

安丽芳

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 概述

近年来，随着社会对能源和电力供应的质量要求的逐渐提高，传统的大电网供电方式由于其结构复杂、负荷特性恒功率化等缺陷已经不能满足与可再生能源共生发展的需要[1]。随着发电规模趋于多样化和分散化，能够集成分布式发电的新型电网——微电网应运而生[2- 5]，它能够节省投资、降低能耗、提高系统安全性和灵活性，是未来的发展方向。

微电网是由分布式电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇聚而成的小型发、配、用电系统，也称微网。微电网具备完整的发电和配电功能，是一个能够实现自我控制、保护和能量管理的自治系统。微电网可以与主网连接，也可以单独运行，当电网出现故障时，孤岛模式能够提高电力系统的稳定性[6- 7]。智能微电网的关键技术主要包括：可再生能源发电技术、储能技术、微电网能量优化调度技术、电容器故障监测及微电网保护控制技术等[8- 13]。

中央为推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效能体系的战略要求，并推进并网型微电网建设的技术，由国家发展改革委和国家能源局确定了全国28个新能源微电网示范项目[14]。甘肃酒泉肃州区新能源微电网示范项目以建设成为国家级新能源综合利用示范项目为目标，积极推进电力体制改革，降低当地用电成本，促进新能源就地消纳，有效解决弃光限电问题，并以建设智能微电网和实现大用户直供电为突破口，支持社会资本参与新能源、配电网和储能设施建设运营，大力引进环保型耗能产业落地试验区，实现光电资源开发、应用一体化发展，切实促进电能就地消纳，从而破解经济发展新常态下能源发展面临的传统能源产能过剩、可再生能源发展瓶颈制约、能源系统整体运行效率不高等突出问题，打造成高效清洁的能源利用与产业园深度融合的微电网示范区。

下面以此项目为背景介绍智能微电网及能量管理系统的结构及功能设计。

2 智能微电网系统总体设计方案

甘肃酒泉肃州区新能源微电网利用东洞滩光伏基地C区建设60MWp光伏发电站为微电网内负荷提供清洁电能，供电区域内负荷含常规电力负荷及供热电力负荷，其中常规电力负荷约20MW、供热负荷约3.2MW，总负荷约20MW(考虑常规负荷与供热负荷的同时率)。为充分消纳微电网内60MW光伏发电站发出的电能，微电网不再新增其它形式的电源。由于光伏出力的随机性和不可控性，且夜间零出力，因此考虑光伏电能不足部分由通过电力市场交易光伏和风力发电等新能源电量来弥补。

肃州区微电网总负荷为20MW，采用35kV电压等级与电网并网，微电网供电区域采用10kV配电网进行供电。在微电网供电区域内新建1座35kV变电站、2座10kV变电站及配套的10kV线路，同时考虑将10MW/20MW·h的电储能装置分散布置在1座35kV变电站和2座10kV变电站(以下将“35kV变电站”称之“35kV变电及储能站”；“10kV变电站”称之“10kV变电及储能站”)，35kV变电及储能站通过2回35kV线路接入C区2#光伏升压站，2座10kV变电及储能站均从35kV变电及储能站引接2回线路，并在2座10kV变电及储能站之间设置双回联络线。

3 智能微电网工程运行

3.1 微电网的能量流和信息流

从能量和信息的共性角度来考虑微电网运行方案，微电网中存在两个流。第一个流是在源、网、荷、储中流动的能量流。在本微电网方案中，“源”为60MWp光伏发电站，“网”包括微电网和外部公共电网，“荷”包括常规电力负荷和热负荷，“储”包括电储能。在任何时刻、任何位置，能量流都必须保持平衡。第二个流则是双向信息流，由微电网能量管理系统从全局角度对整个微电网进行监视和控制，保障着微电网内部平衡和交换功率稳定运行。

3.2 智能微电网运行

微网系统可并网运行或离网运行。在并网运行时，由于与大电网连接，其稳定性由电网承担，为提高多能互补系统的经济效益以及减少对电网的影响，需尽量减少与电网电量的交互，可以通过功率平衡控制系统自动对多能互补系统的发电负荷进行控制，根据用户侧的发电负荷需求，在满足系统负荷供应约束的基础上，综合考虑阶梯电价因素，对多能互补系统发电负荷进行自动调节，尽量减少与外电网联络线的交换功率；离网运行时，电网频率控制难度大，频率稳定问题也是系统面临的主要问题。为了保证系统的稳定运行，需要提升电网的频率调节能力，使得光储和特定的负荷，均具备快速的一次调频能力；建设完善的微网能量管理系统，在控制策略方面实现传统切机切负荷与新能源快速调节的协调优化控制。

智能微电网能量管理系统围绕源网荷储，通过数据传输、监控，同时对区域内配电系统、用户用电进行监控和管理，实现能源系统相关数据的汇集和集中监控；能源总体优化从不同维度对园区能源进行优化分析，分别为区域多能流协同优化、区域能源优化管理、分布式能源系统控制、“源网荷储”一体化调控、区域能源效益评估，从而实现基于全能流模型的区域能源总体优化。

4 智能微电网系统结构

4.1 网络构架

本工程微网控制保护系统采用分层分布式设计，分为就地控制层、协调控制层和优化控制层。智能微电网网络构架如图1所示。

(1)就地控制层

图1 智能微电网网络构架

包含DG、储能变流器、分布式发电并网接口装置以及保护装置，装置之间不依赖于通信，响应速度快。当系统发生小的扰动或短路故障时，通过变流器自身的调节或保护的快速动作，能够快速平抑系统波动，恢复稳定供电。

(2)协调控制层

包含微网协调控制装置，需要通过控制通信网络采集DG、储能以及重要负荷的信息，微网发生大的扰动(如电网非计划停电、孤岛运行时大容量的DG跳闸等)，微网协调控制装置通过对储能以及DG的控制，确保电压、频率均维持在允许的范围内，保证微网系统的稳定安全运行。

(3)优化控制层

包含微网能量管理系统，在数据采集与监视控制、调度计划、负荷预测等相关系统提供的数据基础上，实现对特定应用进行数据分析、能量预测、负荷管理、优化运行和经济调度等功能，为实现网内能源综合利用效率的最大化提供保障。

4.2 组网配置

4.2.135kV变电站组网

35kV站内配置1面协调控制柜，协调控制柜中包含1台微网控制器PCS- 9617MG，用于协调各站微网运行，1台储能协调装置PCS- 9567C用于协调35kV储能PCS运行，1台光纤交换机PCS- 9882BD用于组建高速控制网GOOSE，1台网络交换机PCS- 9882AD用于站控层组网，2台线路保护装置PCS- 9611D- D用于采集35kV I母和II母电压电流并通过高速控制网传输给微网协调控制装置，1台数据网关机PCS- 9799用于与EMS通讯，通讯采用104规约。

35kV站内配置1面储能后台监控柜，包含2台前置采集服务器用于站控层数据采集处理，2台SCADA数据服务器用于安装EMS系统实现监控协调，1台高级应用服务器安装高级应用，2台站控层交换机用于组成微网调度A/B网，1台前置采集交换机用于站控层监控数据采集。光伏站内监控经站内远动采用104规约经储能后台监控柜内前置采集交换机接入EMS系统。

4.2.210kV开闭所组网

10kV#1和10kV#2开闭所分别配置1面储能协调控制柜，储能协调控制柜中包含储能协调装置PCS- 9567C 1台，用于协调10kV储能PCS运行， 1台光纤交换机PCS- 9882BD用于组建高速控制网GOOSE，1台网络交换机PCS- 9882AD用于站控层组网，1台数据网关机PCS- 9799用于与EMS通讯，通讯采用104规约。

4.2.3储能系统组网

本项目每个PCS集装箱配置1面通讯控制柜，通讯柜中包含1台光纤交换机PCS- 9882BD用于组建高速控制网GOOSE；1台网络交换机PCS- 9882用于站控层组网；1台变压器测控保护及规转装置PCS- 9726，PCS接入高速控制网交换机用于快速控制，同时PCS接入站控交换机用于EMS系统通讯；PCS与监控后台支持103、61850等多种电力系统标准规约。智能并网接口装置PCS- 9726，具备升压变保护功能外和规约转换的功能，电池管理系统(BMS)直接采用Modbus规约485串口接入PCS- 9726，通过PCS- 9726将Modbus规约转换成103规约与EMS系统通讯。电池管理系统(BMS)与PCS控制装置采用Modbus TCP接口。

4.3 微电网能量管理系统功能

4.3.1微电网能量管理系统基本功能

微网能量管理系统(MEMS)是对微网进行采集、监控、优化和管理的调度自动化系统。它通过对微网内部进行协调、调度，使其高效、经济、安全、可靠运行。

MEMS完整体系结构如图2所示。

图2 MEMS完整体系结构图

MEMS应用功能主要包括实时监控、优化调度和能量管理这三个子系统，具体如下：

(1)实时监控子系统包括采集与监视控制、自动发电控制、电压无功控制和黑启动控制。

采集与监视控制是MEMS的基础，它采集微网内源网荷数据，并进行监视和控制。同时还集成气象数据，为微网优化调度提供基础。自动发电控制实现对微网并网运行模式下的联络线有功功率控制和孤岛运行模式下的频率控制，消除可再生能源输出功率不确定性的负面影响，保证微网有功功率和频率稳定。

电压无功控制利用微网中无功控制设备和分布式电源无功控制能力，通过无功协调控制实现微网电压的快速控制和连续调节。黑启动控制在整个微网进入全黑状态后，仅通过启动微网内部微电源，逐步扩大系统的恢复范围，实现整个微网的重新启动。

(2)优化调度子系统包括光伏功率预测、负荷预测和协同优化调度。

光伏功率预测是对光伏输出功率进行预测，为微网调度决策提供基础数据，减少其不可控性和间歇性对电网的不利影响。负荷预测对微网历史负荷、气象、节假日以及特殊事件等信息进行分析，挖掘负荷变化规律，建立预测模型，预测未来系统负荷变化。

协同优化调度建立微网源网荷多目标优化模型，利用分布式发电、柔性负荷的预测结果以及微网实时运行状态，对微网的电源、负荷进行时空协同优化调度，实现能源互补和综合利用。

(3)能量管理子系统包括分布式能源管理、发电计划管理、需求侧管理和交易管理。

分布式能源管理包括对分布式电源的安全、运行、设备和资料管理等。保证分布式电源运行符合安全规范、实现对分布式电源资产的全生命周期管理。发电计划管理制定微网日前、日内等不同周期的电力电量平衡，根据检修情况安排各分布式电源的电量、开停机和出力计划，统计并考核发电计划执行状况。

需求侧管理采取有效激励和引导措施，引导微网用户改变用电方式，提高用电效率，优化资源配置，改善和保护环境，减少供电服务成本。交易管理根据微网用户与配电公司的交易合同以及微电网实际运行情况，管理微电网与配电公司的电力交易。

4.3.2基于NSGA- Ⅱ的微电网能量调度策略

根据微电网运行过程中微电源的功率特性，为了提升电能质量、提高经济效益，需要在多个指标约束下对微电网进行优化调度，考虑指标主要包括经济指标和技术指标。

微电网规划调度的经济指标是要使得分布式电源投资最小，而运行成本最小，指标表达式如下：

(1)

式中，C—微电网中电源的投资成本；CMA，i—在节点i处电网运行成本；r—市场贴现率；CFX，i—微电网节点i的设备成本；n—设备的预计使用年数；NDG—当前电网的支路数目；Y—节点处是否安装有分布式电源，若Y=1为已安装，Y=0为未安装。

微电网规划调度的技术指标为系统的有功网络损耗最小，节点电压的偏移量最小。这两个指标表达式分别为：

(2)

除此之外，多目标优化还包括等式约束和不等式约束，等式约束由潮流方程组成，不等式约束由功率之间的数值关系组成，表达式如下：

(3)

(4)

式中，PDGi和QDGi—分布式电源的有功功率和无功功率；PDGmax、PDGmin、QDGmax、QDGmin分—有功和无功功率的边界；Vimin、Vimax—线电压的边界值；∑PDG、Pmax分布式电源总有功功率和容许接入配电网的分布式电源的最大容量。

NSGA- II是一种优秀的多目标优化算法，通过增加拥挤度和拥挤度比较算子，保持了种群的多样性的同时，还采用精英保留策略维持了扩大了采样空间，使得最佳个体不会丢失，迅速提升了种群水平[15- 16]。

NSGA- II算法步骤描述如下，算法流程如图3所示：

Step 1:令迭代次数为G，等级数为Rank，随机产生规模为NG的初始种群P0(t)；

Step 2:确定种群的拥挤度计算以及登记排序是否已完成，若完成则转入Step 4，否则转入Step 2；

Step 3:进行种群的快速非支配排序，首先根据目标函数值确定第1级非劣种群个体，接着将第1级个体移出种群，在剩余种群中按照同样的方法确定新的非劣解，定义为等级2，以此类推，直至所有的个体都被确定其相应的等级；

Step 4:对于隶属与同一非劣等级下的种群个体计算其拥挤密度；

Step 5:进行锦标赛选择。在种群中随机选取两个染色体，进行等级比较，取等级较小的个体，若二者具有相同等级，则进行拥挤度比较，选取密度较小的个体，形成种群P0；

Step 6:进行自适应交叉、变异，生成子代种群Q；

Step 7:合并种群Pt和Qt形成新种群Rt；

Step 8:按照精英策略产生新一代种群Pt+1；

Step 9:对迭代次数进行判断，若达到次数限制，则输出结果，循环结束，否则，转到Step 2。

5 结论

本文以甘肃酒泉肃州区新能源微电网项目为背景从总体设计方案、工程运行、系统构架和系统功能等方面介绍了智能微电网及能量管理系统的应用现状。智能微电网可利用不同能源的互补替代性，可以实现光/电、风/电、直/交流的能源交换。各类能源在源- 储- 荷各环节的分层实现有序梯级优化调度，达到能源利用效率的最优。当系统发生扰动或短路故障时，智能微电网保护系统能够快速平抑系统波动，保证微网系统的稳定安全运行。相较于传统供电方式的能源管理系统，智能微电网虽有优势，但在当今时代背景下还面临困难与挑战：微电网中的负荷和新能源的可预测性差;微电网能源管理中很多问题是复杂的系统化问题，基于规则的启发方法和数学优化算法各有特色，如何兼顾算法最优性和可靠性需要深入研究。