微電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

華光輝，吳福保，邱騰飛，陳然，赫衛(wèi)國(guó)

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，江蘇南京 210003）

分布式發(fā)電的大規(guī)模接入給電網(wǎng)，尤其是配電網(wǎng)的運(yùn)行控制、安全保護(hù)、調(diào)度管理等各個(gè)方面帶來了深刻的影響。為了充分發(fā)揮分布式發(fā)電的潛在優(yōu)勢(shì)，可以采用微電網(wǎng)技術(shù)來控制分布式電源[1-3]。歐洲、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家通過資助科研項(xiàng)目和制定一系列相關(guān)政策大力支持微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，都針對(duì)本國(guó)實(shí)際情況提出了微電網(wǎng)的概念，并積極開展技術(shù)研究，在微電網(wǎng)理論研究與工程應(yīng)用方面都取得了豐碩的成果[4-6]。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者積極開展了微電網(wǎng)領(lǐng)域各方面研究，在微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、我國(guó)發(fā)展微電網(wǎng)目的、方向、前景、政策等各方面進(jìn)行了有益的研究和探索[7-8]。

本文通過國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的微電網(wǎng)定義和示范工程總結(jié)微電網(wǎng)的體系架構(gòu)，專門針對(duì)微電網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究開發(fā)了一套面向智能電網(wǎng)的微電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)，并在新疆電科院微電網(wǎng)系統(tǒng)中做示范應(yīng)用。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)面向微電網(wǎng)監(jiān)視、控制、分析、運(yùn)行、決策和管理，遵循IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，基于Windows/Linux混合平臺(tái)架構(gòu)，集成調(diào)度自動(dòng)化、配網(wǎng)自動(dòng)化、變電站集中監(jiān)控應(yīng)用和分析功能，能夠?yàn)楹酗L(fēng)電、光伏等分布式發(fā)電和儲(chǔ)能單元的微電網(wǎng)系統(tǒng)提供監(jiān)視與控制功能[9]。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)還可以根據(jù)當(dāng)前微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行情況與外界應(yīng)用請(qǐng)求制定相應(yīng)的優(yōu)化控制策略，針對(duì)分布式電源出力和負(fù)荷用電的特點(diǎn)，采用合理的儲(chǔ)能優(yōu)化技術(shù)，使分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)得到最大利用，充分發(fā)揮微電網(wǎng)清潔高效、供電可靠的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及配置

1.1 微電網(wǎng)系統(tǒng)主回路及通信回路結(jié)構(gòu)

新疆電科院微電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)包括30 kW光伏發(fā)電（10 kW單晶硅、10 kW多晶硅、10 kW非晶硅）、20 kW風(fēng)力發(fā)電（10 kW一套、5 kW兩套）、30 kW鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)一套，通過并網(wǎng)開關(guān)接入3號(hào)變壓器低壓側(cè)65 kW手車開關(guān)。理化樓1～5層照明及辦公用電作為系統(tǒng)負(fù)荷，負(fù)荷電源引自雙向變流器。就地設(shè)備需要監(jiān)控的智能電子設(shè)備，如智能開關(guān)、變流器、匯流箱、電池管理系統(tǒng)（BMS）、智能測(cè)量?jī)x表、環(huán)境監(jiān)測(cè)儀等，其信息通過通信網(wǎng)絡(luò)匯總后，上送到微電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示。

1.2 微電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備主要有服務(wù)器、交換機(jī)、工作站、顯示器、大屏幕電視機(jī)、GPS、終端服務(wù)器、無線路由器以及通信網(wǎng)絡(luò)組成，如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of micro-grid integrated supervisory control system

數(shù)據(jù)服務(wù)器與采集服務(wù)器構(gòu)成冗余互備用系統(tǒng)，運(yùn)行Linux系統(tǒng)，與工作站和交換機(jī)組成雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)。服務(wù)器一方面要運(yùn)行商用應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、CIM模型數(shù)據(jù)以及歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的管理職能；另一方面要承擔(dān)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、分發(fā)、檢索以及雙服務(wù)器之間數(shù)據(jù)同步功能。應(yīng)用分析要進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行診斷、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)、氣象資源分析等。

維護(hù)工作站主要供值班人員進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)使用，進(jìn)行各種數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)、各種圖形的繪制及修改、報(bào)表的生成及維護(hù)、系統(tǒng)功能及權(quán)限維護(hù)、資料的錄入及管理等，配置雙屏，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。

監(jiān)控工作站提供友好的、豐富多彩的人機(jī)交互界面和監(jiān)控手段，如顯示各種畫面（包括系統(tǒng)圖、接線圖、曲線圖、地理圖、棒圖、餅圖和儀表圖）、報(bào)表、告警信息和管理信息。值班人員可以檢索各種歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行遙控、遙調(diào)操作和查詢各種參數(shù)，配置雙屏，運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)，方便用戶操作使用。

前置數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸采用冗余交換式以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用具備兩層交換功能的交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)交換速率采用100 Mb/s或1000 Mb/s自適應(yīng)。

以太網(wǎng)通信型就地設(shè)備直接用以太網(wǎng)形式接入數(shù)采交換機(jī)，串口通信型就地設(shè)備先接入終端服務(wù)器，變換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后接入數(shù)采交換機(jī)。另外，通過無線虛擬專網(wǎng)將信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)侥暇┻h(yuǎn)程維護(hù)中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)與數(shù)據(jù)監(jiān)視。

微電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)方式與就地控制器進(jìn)行通信，接收就地控制器上送的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)，以及圖形化展示功能；同時(shí)向微電網(wǎng)各就地控制器下發(fā)相關(guān)調(diào)度控制命令，或下發(fā)功率交換計(jì)劃曲線，或下發(fā)運(yùn)行控制策略，對(duì)微電網(wǎng)就地控制器的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理。

1.3 微電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

軟件體系結(jié)構(gòu)由操作系統(tǒng)、支撐平臺(tái)、應(yīng)用功能共3個(gè)層次組成，層次結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of software layers

1）操作系統(tǒng)選用Unix、Linux或Windows操作系統(tǒng)。

2）支撐平臺(tái)為各種應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)提供通用的支撐服務(wù)，主要包括以下幾部分。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸軟總線：提供數(shù)據(jù)交互和進(jìn)程管理服務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸軟總線可以監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，通過平衡分流技術(shù)，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的均衡。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)：提供系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)分布在系統(tǒng)所有結(jié)點(diǎn)上，并通過軟同步技術(shù)保證數(shù)據(jù)的一致性。

商用數(shù)據(jù)庫(kù)：提供整個(gè)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)服務(wù)，包括數(shù)據(jù)采樣、存儲(chǔ)和查詢。系統(tǒng)提供了完備的數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制，保證多組數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)同步。同時(shí)采用并行的處理技術(shù)，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的效率。

報(bào)表：采用Java方式構(gòu)建，采用模板定義和模板替換的方式來生成系統(tǒng)各類報(bào)表。報(bào)表系統(tǒng)兼容了Excel的各種操作特點(diǎn)，能夠運(yùn)行在各類操作系統(tǒng)上。

權(quán)限管理：提供系統(tǒng)的所有權(quán)限服務(wù)，權(quán)限內(nèi)容包括了實(shí)時(shí)庫(kù)讀寫、歷史庫(kù)讀寫、圖形查看編輯等等，同時(shí)按照分層分區(qū)的原則在支撐平臺(tái)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，簡(jiǎn)化了上層應(yīng)用的處理過程。

告警服務(wù)：提供整個(gè)系統(tǒng)的告警服務(wù)，告警內(nèi)容包括系統(tǒng)告警、微電網(wǎng)運(yùn)行告警、人工操作告警等。

通用服務(wù)：包括通用計(jì)算服務(wù)、通用查詢服務(wù)、通用數(shù)據(jù)采樣服務(wù)等。

人機(jī)界面：以Qt技術(shù)為基礎(chǔ)，采用插件、腳本以及Qt設(shè)計(jì)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)人機(jī)界面的整體管理，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面風(fēng)格的自定義并能動(dòng)態(tài)地生成人機(jī)界面，滿足用戶對(duì)人機(jī)界面修改的需求。

圖形：采用圖模庫(kù)一體化的方法設(shè)計(jì)，并考慮了其他行業(yè)的各類圖形特色，采用矢量技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形的無極縮放，采用svg格式進(jìn)行不同系統(tǒng)間的圖形交互。

3）應(yīng)用功能主要包含以下幾部分。

數(shù)據(jù)采集：主要用于數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理、通信源碼監(jiān)視及轉(zhuǎn)發(fā)、與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心交換數(shù)據(jù)等功能。

分布式電源監(jiān)控：對(duì)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、低壓開關(guān)柜的各種參數(shù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與顯示。

儲(chǔ)能子系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控：一方面對(duì)儲(chǔ)能電池的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息、報(bào)警信息進(jìn)行全面監(jiān)視，并進(jìn)行多方面的統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能的全面掌控；另一方面根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化控制結(jié)果對(duì)儲(chǔ)能變流器下發(fā)儲(chǔ)能控制策略。

負(fù)荷監(jiān)控：對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各等級(jí)負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，根據(jù)運(yùn)行策略和運(yùn)行模式下發(fā)負(fù)荷運(yùn)行策略。

電能統(tǒng)計(jì)分析功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分布式電源的發(fā)電情況、各類負(fù)荷的用電情況以及微電網(wǎng)與主網(wǎng)的交換功率情況，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

經(jīng)濟(jì)性分析功能：分析對(duì)比各分布式電源的發(fā)電量、運(yùn)行狀況、以及建設(shè)投資，計(jì)算項(xiàng)目投資回報(bào)率，對(duì)項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

能量管理功能：微電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)接受電網(wǎng)調(diào)度/控制指令，結(jié)合分析、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算功能，形成對(duì)分布式發(fā)電單元的功率控制和對(duì)儲(chǔ)能單元的充放電計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)可再生能源的充分利用和微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 微電網(wǎng)系統(tǒng)建模

與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，微電網(wǎng)系統(tǒng)具有設(shè)備種類多樣、運(yùn)行模式靈活、功率雙向流動(dòng)、控制方法多變的特點(diǎn)，而IEC61970中的公共信息模型（CIM）無法準(zhǔn)確描述微電網(wǎng)本身及其內(nèi)部各類設(shè)備，需要進(jìn)一步擴(kuò)展。在此先引入“支路”的概念，用來表示相關(guān)設(shè)備的邏輯組合，具體是指包含一個(gè)400 V低壓接入開關(guān)、一個(gè)主設(shè)備（光伏逆變器、儲(chǔ)能變流器、風(fēng)機(jī)控制器、負(fù)荷、公共連接點(diǎn)等）及附屬設(shè)備的物理設(shè)備集合[10-12]。需要建模的支路有以下幾種。

2.1 光伏發(fā)電支路

400 V微電網(wǎng)系統(tǒng)中光伏發(fā)電典型支路如圖4所示。

圖4 光伏發(fā)電支路結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of PV branch

光伏發(fā)電支路需要監(jiān)控的信息有：支路開關(guān)狀態(tài)、光伏逆變器運(yùn)行狀態(tài)、光伏直流匯流箱信息、電能計(jì)量信息。

需要?jiǎng)討B(tài)建模的對(duì)象有：支路開關(guān)、光伏逆變器、光伏直流匯流箱、電能計(jì)量。

2.2 風(fēng)力發(fā)電支路

400 V微電網(wǎng)系統(tǒng)中10 kW以下風(fēng)機(jī)支路如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)支路結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of wind turbine branch

需要監(jiān)控的信息有：支路開關(guān)狀態(tài)、風(fēng)機(jī)一體化控制逆變器運(yùn)行狀態(tài)、電能計(jì)量信息。

需要?jiǎng)討B(tài)建模的對(duì)象有：支路開關(guān)、風(fēng)機(jī)一體化控制逆變器、電能計(jì)量。

2.3 儲(chǔ)能支路

400 V微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能典型支路如圖6所示。

圖6 儲(chǔ)能支路結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of energe storage branch

儲(chǔ)能支路需要監(jiān)控的信息有：支路開關(guān)狀態(tài)、雙向變流器（PCS）運(yùn)行狀態(tài)、電池堆運(yùn)行狀態(tài)、電池串運(yùn)行狀態(tài)、電能計(jì)量信息。

需要?jiǎng)討B(tài)建模的對(duì)象有：支路開關(guān)、儲(chǔ)能雙向變流器、電池串、電池堆、電能計(jì)量。

2.4 負(fù)荷支路

400 V微電網(wǎng)系統(tǒng)中負(fù)荷典型支路如圖7所示。

圖7 負(fù)荷支路結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of load branch

負(fù)荷支路需要監(jiān)控的信息有：支路開關(guān)狀態(tài)、負(fù)荷信息、電能計(jì)量信息。

需要?jiǎng)討B(tài)建模的對(duì)象有：支路開關(guān)、負(fù)荷模型、電能計(jì)量。

2.5 并網(wǎng)支路

400 V微電網(wǎng)系統(tǒng)中并網(wǎng)典型支路如圖8所示。

圖8 并網(wǎng)點(diǎn)支路結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of PCC branch

并網(wǎng)支路需要監(jiān)控的信息有：并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)狀態(tài)，并網(wǎng)點(diǎn)兩側(cè)電壓、頻率、相角，并網(wǎng)點(diǎn)電量，電能質(zhì)量。

需要?jiǎng)討B(tài)建模的對(duì)象有：并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)、公共連接點(diǎn)（電壓、頻率、功率交換）、電能計(jì)量、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

為提高微電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，一般將光伏、風(fēng)電等分布式電源運(yùn)行在最大功率跟蹤模式，而通過對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的合理控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)微電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行[13-15]。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)控制是微電網(wǎng)控制策略的核心。

新疆電科院微電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置為30 kW·h的鐵鋰電池，配置容量為50 kW的雙向變流器，同時(shí)接入負(fù)荷以及一個(gè)10 kW的薄膜光伏組件，如圖9所示。

圖9 雙向變流器結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure of power conversion system

綜合監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能電池的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息、報(bào)警信息進(jìn)行全面的監(jiān)視，根據(jù)實(shí)際需求制定協(xié)調(diào)控制策略，包括并離網(wǎng)運(yùn)行控制、并離網(wǎng)切換控制、無功優(yōu)化、黑啟動(dòng)等。

3.1 儲(chǔ)能抗擾動(dòng)自動(dòng)控制策略

系統(tǒng)選用的雙向變流器，在功率大小設(shè)置為0的情況下，會(huì)有200至300 mA的自充電或自放電電流出現(xiàn)，因此，在并網(wǎng)狀態(tài)下需保證電池不被過充或過放。據(jù)此，設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)針對(duì)雙向變流器的控制方案如圖10所示。

圖10 儲(chǔ)能系統(tǒng)安全控制方案Fig.10 Energy storage system safety control strategy

此方案中，并網(wǎng)狀態(tài)下，監(jiān)控系統(tǒng)考慮到電池的容許充電和放電電流，保證在安全的范圍內(nèi)維持電池的容量在96%以上。在離網(wǎng)狀態(tài)下，在維持電池安全的前提下，保證電力負(fù)荷的供給，使儲(chǔ)能系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[16-17]。

3.2 儲(chǔ)能充放電計(jì)劃控制策略

除了抵御擾動(dòng)電流之外，監(jiān)控系統(tǒng)還提供了儲(chǔ)能系統(tǒng)計(jì)劃充放電控制策略。計(jì)劃控制策略將一天分為96個(gè)時(shí)段，用戶可以在每個(gè)時(shí)段設(shè)置儲(chǔ)能電池的充電或放電功率，這樣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在晚間負(fù)荷較高的時(shí)段放電，而在白天及深夜負(fù)荷較低的情況下進(jìn)行充電，參與調(diào)峰，達(dá)到能量的優(yōu)化配置。

4 結(jié)論

微電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)在IEC61970基礎(chǔ)上對(duì)CIM進(jìn)行了擴(kuò)展，建立了光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能等多種分布式電源模型，在此基礎(chǔ)上建立完整的微電網(wǎng)公共信息模型，并應(yīng)用到微電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，達(dá)到系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件化，使系統(tǒng)具有很好的開放性。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能以及負(fù)荷運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和控制，在設(shè)定控制參數(shù)之后，可以做到對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)無人值守。另外，還可以通過優(yōu)化控制策略，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率及經(jīng)濟(jì)效益。

采用該系統(tǒng)，可以降低微電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的軟硬件投資，系統(tǒng)維護(hù)方便，可擴(kuò)充性強(qiáng)，數(shù)據(jù)共享方便，可促進(jìn)微電網(wǎng)自動(dòng)化水平的提高，保證微電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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