智能用電系統(tǒng)與海島微電網(wǎng)系統(tǒng)交互運行研究

孫景釕，楊建華，李 琦，項燁鋆，胡長洪，趙 碚

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

微電網(wǎng)作為由分布式電源、儲能、負荷及控制裝置構成的獨立可控供能系統(tǒng)，是發(fā)揮分布式電源效能的最有效形式[1-4]。海島擁有豐富的風能和太陽能等資源，且海島電網(wǎng)一般規(guī)模較小，具備微電網(wǎng)全島覆蓋的可行性，因此微電網(wǎng)技術在海島得到了快速發(fā)展[5-8]。目前，我國已有多個海島微電網(wǎng)示范工程建成投運，浙江溫州也已實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)在南麂島和鹿西島的全覆蓋[6-10]。

智能用電系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是體現(xiàn)智能電網(wǎng)友好互動的核心[11-13]。將智能用電系統(tǒng)應用于海島微電網(wǎng)中，除了可以充分發(fā)揮智能用電系統(tǒng)自身固有的優(yōu)越特性外，還可以將其某些功能為海島微電網(wǎng)控制系統(tǒng)所使用，實現(xiàn)與海島微電網(wǎng)的有效互動，豐富海島微電網(wǎng)的控制手段，同時也符合當前建設綠色海島、智能海島的發(fā)展要求。

目前，針對智能用電系統(tǒng)和微電網(wǎng)之間交互運行的研究還比較少，現(xiàn)有研究主要側重于在智能用電小區(qū)中接入微電網(wǎng)系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，即將微電網(wǎng)系統(tǒng)作為智能用電小區(qū)的組成部分[14-19]。本文則是將智能用電系統(tǒng)作為一種交互控制手段，融入到海島微電網(wǎng)的整體控制策略中，通過微電網(wǎng)側主動性交互和用戶側主觀性交互研究，可以直接或間接地保證海島微電網(wǎng)更加經(jīng)濟、穩(wěn)定、可靠地運行。

1 海島智能用電系統(tǒng)構建

海島智能用電系統(tǒng)按照3層組織結構有序地構建，分為終端層、傳輸層和應用層，系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 海島智能用電系統(tǒng)組織架構

終端層主要由各種分散分布的終端設備組成，根據(jù)設備層級分為家庭級能量管理單元和智能小區(qū)級能量管理終端。家庭能量管理單元實現(xiàn)與上級單元的雙向互動，可采集用戶家庭照明、家電等各種設備的用電信息以及煙霧報警器、燃氣報警器等安全檢測裝置的安防信息，并向上級單元傳送；此外，它還能接收上級單元下發(fā)的控制命令，并對電價等電網(wǎng)信息做出響應，以達到對海島分布式電源合理利用的目的。智能小區(qū)能量管理終端則對智能小區(qū)內(nèi)的家庭能量管理單元進行集中管理，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的匯集、傳送，并向家庭能量管理單元下發(fā)主站系統(tǒng)的控制指令及電網(wǎng)信息。

傳輸層利用有線或無線通信信道，為分散分布的終端層設備和應用層的信息互換提供鏈路基礎，以完成終端層和應用層之間的通信。

應用層即為海島智能用電主站系統(tǒng)，實現(xiàn)對全島智能小區(qū)能量管理終端及家庭能量管理單元的集中管理和展示，提供實時電價等信息的下發(fā)、用戶能效分析和管理等功能，并與海島微電網(wǎng)控制中心進行信息交互，為海島微電網(wǎng)控制中心的負荷控制決策提供數(shù)據(jù)支撐，并將負荷控制策略下發(fā)到終端設備進行執(zhí)行。

主站系統(tǒng)主要包括前置數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理平臺和應用服務層。前置數(shù)據(jù)采集層主要負責各類數(shù)據(jù)的收集和下發(fā)，按既定通信協(xié)議解析數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行初步處理；數(shù)據(jù)管理平臺負責對上送的數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，并與海島微電網(wǎng)控制中心進行信息的協(xié)同和互通；應用服務層實現(xiàn)系統(tǒng)的各種應用業(yè)務邏輯，包括智能小區(qū)的各種應用。

2 微電網(wǎng)側主動性交互研究

海島智能用電系統(tǒng)通過長期的數(shù)據(jù)采集，建立不同類型用戶能耗模型，掌握用戶用電行為和用電習慣，經(jīng)統(tǒng)計分析形成海島微電網(wǎng)的負荷綜合特性，包括不同季節(jié)、不同天氣條件、某一天的不同時段等多維度的負荷特征，并將其作為海島微電網(wǎng)控制中心的重要控制參數(shù)。

海島微電網(wǎng)控制中心利用智能用電系統(tǒng)得到的負荷綜合特性，結合微電網(wǎng)內(nèi)部風機、光伏等分布式電源的發(fā)電預測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與智能發(fā)電系統(tǒng)的主動交互。具體過程為：根據(jù)負荷特性合理制定微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的充放電控制策略，并利用智能用電系統(tǒng)的特點，將微電網(wǎng)的切負荷控制深入到家庭用戶，細化切負荷量，實現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)運行情況下的聯(lián)絡線定功率控制、離網(wǎng)運行情況下的穩(wěn)定控制以及并離網(wǎng)運行模式的切換控制等功能。

2.1 海島負荷分類

智能用電系統(tǒng)將參與微電網(wǎng)控制中心切負荷控制策略的全島負荷按照統(tǒng)一原則進行優(yōu)先級分類，可綜合用戶的重要程度、可切容量等因素將負荷分為3類，第1類負荷優(yōu)先級最高。當海島微電網(wǎng)控制中心需要通過智能用電系統(tǒng)切負荷時，優(yōu)先切除第1類負荷，若不足再切除第2類負荷，依此類推。若海島上的工商業(yè)用戶也納入智能用電系統(tǒng)，則將工商業(yè)用戶列為第1類負荷，優(yōu)先切除工商業(yè)用戶負荷，以保證居民生活用電。對于各種類型用戶，在各自所屬類型范圍內(nèi)按可切負荷容量再進行優(yōu)先排序，實時動態(tài)計算可切負荷量，優(yōu)先控制可切負荷容量大的用戶，以達到最優(yōu)的控制效果。

2.2 交互策略實現(xiàn)

海島微電網(wǎng)控制中心在與智能用電系統(tǒng)交互時，接收的負荷信息和下發(fā)的控制命令按照智能用電系統(tǒng)架構分層次有序進行。智能用電主站系統(tǒng)匯總各智能小區(qū)能量管理終端上送的負荷信息，得到全島當前各類可切負荷總量，并通過長期的統(tǒng)計分析形成海島的負荷綜合特性，同時將該類信息傳送到海島微電網(wǎng)控制中心。海島微電網(wǎng)控制中心根據(jù)當前負荷情況及負荷特性做出網(wǎng)內(nèi)負荷預測，并結合分布式電源的發(fā)電預測，給出微電網(wǎng)的整體協(xié)調(diào)控制策略，當需要進行切負荷控制時，生成需切負荷量，并下發(fā)給智能用電主站系統(tǒng)。

智能用電主站系統(tǒng)將需切負荷量按照全島3類負荷總量依次分配，若優(yōu)先級較高的某一類負荷全切之后仍然不足，則將這一類負荷全部切除之后繼續(xù)選切下一類型負荷，被選擇的最后一類負荷根據(jù)各智能小區(qū)可切負荷容量按比例分配，使選切的負荷量精準匹配微電網(wǎng)系統(tǒng)所需切除的負荷量。

假設第j類負荷是選擇的最后一類負荷，即智能用電主站系統(tǒng)按順序切除優(yōu)先級較高的前面幾類負荷后，剩余的需切量通過切除第j類負荷已經(jīng)足夠。在對各智能小區(qū)中的第j類負荷進行分配選擇時，智能小區(qū)i的第j類負荷需切容量可按式（1）計算：

式中：Pxqj表示需切j類負荷總量；Pij表示第i個智能小區(qū)的j類可切負荷總量；n表示海島智能小區(qū)總數(shù)；dPij表示計算得到的第i個智能小區(qū)j類需切負荷量。

智能用電主站系統(tǒng)在計算得出各智能小區(qū)的各類需切負荷容量后，向相應的智能小區(qū)能量管理終端發(fā)送dPij的切負荷信息。若j類負荷需要全切時，智能小區(qū)i的j類負荷需切容量就是j類負荷可切量，即dPij=Pij；若j類負荷只需要切除部分負荷時，dPij則按式（1）分配。

各智能小區(qū)能量管理終端對上與智能用電主站系統(tǒng)通信，計算本小區(qū)3類負荷的總量，上送給主站系統(tǒng)；對下與小區(qū)內(nèi)的家庭能量管理單元通信，接收家庭能量管理單元上送的3類負荷量信息其中即表示本小區(qū)第k個家庭能量管理單元的可切負荷量，且該家庭能量管理單元對應的用戶負荷被設置為j類負荷。此外，智能小區(qū)能量管理終端還接收裝置故障和異常信息，以便在可切負荷量統(tǒng)計和發(fā)送切負荷命令時剔除此異常裝置。

智能小區(qū)能量管理終端接收各家庭能量管理單元各類負荷信息之后，針對同類負荷再動態(tài)設置各自的切除優(yōu)先級。智能小區(qū)能量管理終端收到各類負荷的需切量之后，選切小區(qū)內(nèi)的各類負荷，按照第1類、第2類、第3類的順序選切，同類內(nèi)則再按照優(yōu)先級大小的順序選切。若全切某類負荷，則向該類型的家庭能量管理單元發(fā)送全切該類負荷的命令。若某類負荷夠切，則按照優(yōu)先級順序依次切除該類負荷，直到滿足需切量為止。智能用電系統(tǒng)與海島微電網(wǎng)控制中心之間的主動交互過程如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)側主動性交互策略實現(xiàn)

3 用戶側主觀性交互研究

海島微電網(wǎng)控制中心與智能用電系統(tǒng)除了進行微電網(wǎng)側的主動性交互外，還可以通過技術手段在用戶側實現(xiàn)主觀性交互。海島微電網(wǎng)控制中心將分布式電源發(fā)電預測數(shù)據(jù)通過智能用電主站系統(tǒng)下發(fā)到用戶終端，使用戶可以整體上了解當前及未來一段時間海島系統(tǒng)的電能裕度情況，并結合電價驅(qū)動機制，引導用戶更好地利用綠色能源。風機、光伏等可再生能源的電價與常規(guī)能源發(fā)電方式不同，智能用電主站系統(tǒng)將綜合當前不同類型能源的發(fā)電占比，實時下發(fā)電價信息，用戶可根據(jù)電價決定電力消費量，避免因電價變化而帶來的額外支出，實現(xiàn)對電價的實時響應。為了更好地體現(xiàn)用戶友好性，可考慮在終端設備上以指示燈的方式直觀地向用戶顯示當前可再生能源的發(fā)電占比情況，如在風光等可再生能源發(fā)電量較大時，顯示綠燈，表明當前電價較便宜，鼓勵用戶多用電；反之，在可再生能源發(fā)電量較少時，顯示紅燈，提醒用戶需要合理安排生產(chǎn)生活等用電計劃。

這種交互方式屬于需求側響應，需用戶主觀性參與，能夠更好地做到分布式電源發(fā)電與用電負荷之間的匹配，減少峰谷用電量的波動，平滑海島系統(tǒng)的負荷曲線，實現(xiàn)海島微電網(wǎng)的經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度控制，間接地參與到海島微電網(wǎng)的控制策略，提高海島系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時可減少對儲能系統(tǒng)的充放電控制，延長儲能系統(tǒng)的使用壽命。

4 智能用電系統(tǒng)功能擴展

為了更好地滿足與海島微電網(wǎng)控制中心的交互，智能用電系統(tǒng)除了滿足用電信息采集、用電分析和節(jié)能指導等基本智能用電業(yè)務應用邏輯外，還需要進行功能擴展。

4.1 終端裝置集中監(jiān)視

在智能用電主站系統(tǒng)實現(xiàn)終端裝置信息可視化集中分層展示。第一層為全局狀態(tài)監(jiān)視層，集中監(jiān)視海島智能用電負荷控制系統(tǒng)是否有異常、是否有終端裝置動作等實時運行狀態(tài)；第二層為負荷控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視層，以系統(tǒng)內(nèi)各終端裝置通道關系圖為基礎，集中顯示終端裝置運行狀態(tài)是否有異常、是否有動作，可視化展示通道狀態(tài)等；第三層為終端裝置監(jiān)視層，以單體終端裝置為單位，可視化展示終端裝置采集元件允許切負荷壓板狀態(tài)、各用戶負荷可切量和負荷分類統(tǒng)計等信息。

（1）監(jiān)視裝置各項運行信息，如裝置投退狀態(tài)、壓板狀態(tài)等。

（2）監(jiān)視裝置動作狀態(tài)。裝置動作后不僅在告警窗中顯示裝置動作報告，還在畫面上顯示裝置動作圖元。

（3）監(jiān)視裝置異常狀態(tài)。當裝置發(fā)生任何異常后，不僅在告警窗中顯示裝置發(fā)生的具體異常描述，還在畫面上顯示裝置異常圖元，并支持在畫面上顯示裝置間通道的異常狀態(tài)。

4.2 負荷控制信息監(jiān)視與統(tǒng)計

實時監(jiān)視可切負荷用戶可切狀態(tài)和可切量，監(jiān)視統(tǒng)計各類可切負荷總量信息等；接收裝置上送報文，實現(xiàn)動作事件、各級切負荷裝置實際切負荷量的監(jiān)視。

（1）智能用電負荷控制系統(tǒng)運行分析。通過實時和歷史運行數(shù)據(jù)的挖掘、分析，實現(xiàn)對負荷控制系統(tǒng)的分析。對主站、智能小區(qū)和家庭側用戶可切狀態(tài)和可切量進行分析，給出可切負荷量的概率分布信息，支持以曲線形式進行歷史數(shù)據(jù)展示，并可按年、月、日等不同周期統(tǒng)計出歷史最大值和最小值出現(xiàn)的時間，協(xié)助海島微電網(wǎng)運行人員把控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

（2）負荷控制策略實時診斷及告警。獲取海島微電網(wǎng)當前控制策略，評估系統(tǒng)實際可控制量是否足夠。若當前策略需控制量大于實際可控制量時，認為切負荷系統(tǒng)控制量不足，并發(fā)出告警信息。

（3）負荷控制系統(tǒng)超前預警。基于當前可切負荷量和負荷預測信息，結合歷史運行信息，快速預測未來可切負荷總量，若不滿足要求則給出告警信息。

5 結語

海島用戶在區(qū)域分布上一般比較集中，且用戶數(shù)量不會太多，智能用電系統(tǒng)具備在海島上大規(guī)模應用甚至全部覆蓋的條件，規(guī)?；瘧玫闹悄苡秒娤到y(tǒng)與微電網(wǎng)的交互將更有效。因此，將智能用電系統(tǒng)和微電網(wǎng)技術作為一個整體在海島上進行推廣應用具備可行性，這也為未來海島智能微電網(wǎng)的發(fā)展提供了思路。此外，在具備條件的海島，還可將電動汽車網(wǎng)絡作為一種特殊的可控負荷納入智能用電系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)對其充換電行為的更有序控制及與微電網(wǎng)系統(tǒng)的深入融合協(xié)調(diào)，進一步拓寬海島智能微電網(wǎng)的發(fā)展模式。