基于云架构的智能微网群智能运维管理平台设计

万溧 蒲泽伟 吴敏 仓啦 桑拥拉姆

（西藏自治区能源研究示范中心，西藏 拉萨 850000）

0 引言

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］。同时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，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［2］。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［3］。智能微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。

国家政府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［4］。例如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。

本文中基于大数据分析的统一信息监控云平台智能互联管理技术研究，研发基于云平台应用的微网群智能运维管理平台，使其能够支持多个新能源系统（热电联用微网系统、风光互补电站、光伏电站、光热系统和空气源热泵系统）及微网系统以无线或有线方式接入，从而达到各类光伏发电系统和微电网之间的数据共享及智能统一调度管理的目的，实现大数据分析技术开展诸如负荷预测、发电预测、微电网能量优化调度等高级应用。

1 总体设计方案

1.1 设计目标

西藏农牧区的各类光伏电站因缺乏实时监控管理和可靠分析统计而无法及时准确判断故障原因在一定程度上延误了对故障光伏电站的维护，增加了电站维修成本，致使这些光伏电站未能充分发挥其作用。另外，充分发挥西藏优势太阳能资源、集供电+供热为一体的特点的太阳能光热光电技术和系统成为了践行绿色低碳经济发展理念，达到改善民生、保护生态、强化“科技稳边兴藏、科技富民强县、科技精准扶贫”、建设美丽西藏的有力支撑。

本文针对西藏农牧区居民聚居地较为分散、电力成本高，偏远地区电能质量较差的现状及供暖供电的实际需要，通过技术研发和集成创新开发1 套基于云平台应用的微网群智能运维管理平台及不少于4套太阳能热电联用微网系统，依托微网群智能运维管理平台实现对多能互补综合利用设施（新建的热电联用微网系统，已有新能源设施：风光互补电站、光伏电站、光热系统和空气源热泵系统）的智能化监控、运维及能量管理，在从根本上提高系统运行可靠性，降低运维成本，减少运行风险的同时，分析用户使用习惯，做出最优化运行策略，为西藏自治区多能互补综合利用提供新的运维管理方法和发展思路。

1.2 分布式热电联用微网系统设计

本文中开发可兼容多种通信协议的微网群智能运维管理平台,并通过太阳能热电联用微网技术研发和集成创新，构建适合西藏用能需要的热电联用微网系统与已有新能源设施（风光互补电站、光伏电站、光热系统和空气源热泵系统）共同用于验证该平台涉及的性能。搭建4 套太阳能保障率不低于50%的分布式热电联用微网系统其中每户3kW～5kW光伏发电系统，配套不少于4 套12kWh 的储能系统及输出功率不小于3kW(暂定5kW)的逆变器；配置不小于2.7kW 空气能热泵或不小于2.5kW 的聚合能光热一体系统（蓄能电暖气）供暖系统。最终，将其纳入基于云架构的智能微网群运维管理平台系统进行管理。

2 智能微网群智能运维管理平台设计

2.1 智能运维管理平台设计

为实现分布式发电及微电网群的智能化监控与运维，提高系统运行可靠性，降低运维成本，减少运行风险，本文针对分布式发电系统及微电网系统分布广，运维难的问题，研究可兼容各种通信协议的统一信息监控平台以及基于大数据分析的云平台智能互联管理技术；通过研究基于以太网为主，必要情况下考虑电力线载波、4G（5G）无线通信等适用于远距离传输的通信技术，制定适合云运维管理平台的通信系统方案；通过研究微网群分层分级运行控制策略及优化调度技术，制定综合指标最优、可靠性最高的智能云平台管理运维策略；通过研究基于云架构的监控和能量管理信息系统集成技术，制定云运维管理平台双机热备用软件实现方案，提高系统运行的可靠性；综合上述技术研究成果，研发具备实时感知与状态研判，分布式微网群协同控制、微电网并离网无缝切换、云运维管理等功能的微网群云运行管理平台系统［5］。开展云平台的软硬件架构设计、各功能模块划分及模块间交互关系设计、测量节点部署方案，从而研制基于云架构的微网群智能化运维管理平台系统，并应用于示范工程。智能运维管理平台框架，如图1 所示。

图1 微网群智能运维管理平台框架图

2.2 热电联用微网系统设计

为构建适合西藏特殊环境和气候条件下热电联用微网系统,主要是通过对应的发输配网络，实现电能传递，合理选取供暖设备和散热装置，在保证供暖可靠性和安全性的前提，提高能源利用效率，进而做到清洁能源（光伏）的消纳和灵活运行，从而提升示范点人居舒适性［6］。系统主要包括光伏和供暖两个模块，具体构成:将根据屋顶面积或建筑周边空地计划铺设3kW～5kW 光伏组件，配置不小于3kW(暂定5kW)储能逆变器，储能电池容量12kWh，系统具备SCADA 监控。负载配置不小于2.7kW 空气能热泵或不小于2.5kW 的聚合能光热一体系统（蓄能电暖气）供暖系统。

2.2.1 光伏技术方案。根据提供的安装图纸，光伏理论装机容量为楼正面3kW 至5kW，根据现场实际安装情况，预计安装结合建筑构造以及光照资源情况，有效利用建筑体空间，铺设光伏组件。在光伏组件安装稳固，高效率发电的情况下，光伏组件与建筑有效融合，不影响到建筑体的主要功能以及美观。光伏组件安装可利用空间包括空地、屋顶、建筑玻璃幕墙、阳光走廊、窗户飘窗遮阳台等，并根据不同的光照强度，选择合适的光伏组件，做到强光、弱光均能长时间有效发电，践行绿色建筑、节能减排的发展理念。

2.2.2 电能转换系统技术方案。本文中通过储能逆变器优先使用组件发出电能为前提，在光照充足时，太阳光的能量通过储能逆变器转化为交流电，供负载使用，多余的能量存贮在铁锂电池中；如果电池已经满电则将电能输送电网。光照不足时，将铁锂电池中储存的能量通过储能逆变器转化为交流电补充太阳能发电不足，如果太阳能和电池系统电能不足，则由市电补充不足为负载提供能量。

对应于12kWh 的光储系统，需要配置一个由交流配电箱为核心最后接入微网互联网云平台，提高用电管理水平和可靠性，打造绿色环保的新型电源体系，实现在太阳能保障类不低于50%.储能系统原理如图2所示。

图2 储能系统原理图

2.3 硬件架构/通信系统设计

本文中将采用分层分级的通信方案，中央控制器作为本套系统的核心装置，部署在本地，起到承上启下的作用。对下负责底层设备的数据采集和运行控制，对上负责设备的集中转发。通信架构如图3所示。

图3 通信架构图

底层设备（即光伏逆变器、BMS、线路保护等设备）根据现场条件确定通信方案，对于设备距离较近或设备数量有限的系统，可采用以太网、RS485 或光纤等有线通信；对于设备距离较远、且设备数量众多的系统，可采用电力线载波通信。

中央控制器用于实现本地系统的数据集中采集和转发。对上数据转发支持4G（5G）无线通信、光纤通信等多种模式，可根据接入系统的位置和条件灵活匹配。

数据服务器、通信服务器、算法服务器等部署在云端，可采用现有的商业云解决方案，具备完善的数据安全服务。用户只要能够接入互联网，即可通过虚拟专网（VPN）实时访问各地系统的运行情况，实现集中运维和管理［7］。

2.4 控制策略设计

典型微网群架构示意图如图4所示［8］。高压配电网经变压器与35kV中压母线相连。35kV母线经变压器降压到10kV，10kV 母线按分段接线的方式分为3段，每段上既接有未加入微网的低压DG、储能、负荷等，也接有电压等级为400V 的低压子微网。各子微网中包括可再生能源发电装置（光伏或风力发电装置）、常规能源发电装置（柴油发电机）、储能装置和负荷，且各子微网的微型电源类型组成不同。其中微网群涵盖10kV 母线及其下的三个子微网和未加入微网的低压用户。

图4 典型微网群架构示意图

我们可以对微网群的概念做如下定义［9］：对某一含多个低压微网的中压等级配电网，微网群包含该网络下的所有中低压线路、未参与微网的低压设备和参与微网的低压设备。其中，参与微网的低压用户根据其地理位置将分配到不同的子微网中，和该微网下的微型电源及储能装置形成一个整体。每个子微网都可以运行在并网/孤岛两种状态，且它们彼此的状态相互独立，令配电网的供电可靠性大大提高。微网群通过合适的控制策略和管理策略来对多个子微网进行调控，能同时实现子微网并网运行下的配电网运行最优与子微网孤岛运行下的单微网运行最优。

3 结论

本文以西藏自治区能源研究示范中心微网群智能运维管理平台项目为背景，从总体设计方案、分布式热电联用微网系统设计、热电联用微网系统设计、硬件架构/通信系统设计以及控制策略设计几个方面，介绍了基于云架构的智能微网群智能运维管理平台。智能微网群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，智能微网群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，智能微网群虽有优势，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现各有特色，如何兼顾算法以达到最优性和可靠性，还需要深入研究。