基于云平臺(tái)的智能微電網(wǎng)控制策略研究*

劉文洲，胡治輝，F(xiàn)rancesco Salvatore，陳健梅，張 蕭，姜志宏，楊鳴昊

（1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130000；2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春130000；3.意大利國(guó)家海洋工程研究院，意大利 羅馬00185；4.東北師范大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春130012）

微電源與負(fù)荷共同構(gòu)成了智能微電網(wǎng)，使用中可為用戶提供熱量與電能，內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換主要通過(guò)電力電子裝置實(shí)現(xiàn)，并建立了有效控制方式。智能微電網(wǎng)的運(yùn)行方式較為靈活，系統(tǒng)包括數(shù)字化電器設(shè)備與精密電子儀器，電能具有較高的安全性、可靠性，智能電網(wǎng)運(yùn)行中控制問(wèn)題是重要的研究項(xiàng)目之一，云平臺(tái)在智能微電網(wǎng)控制中運(yùn)用優(yōu)勢(shì)明顯。

1 智能微電網(wǎng)概述

智能微電網(wǎng)指的是將儲(chǔ)能裝置、分布式發(fā)電裝置與負(fù)載基于一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而構(gòu)成的運(yùn)行系統(tǒng)，可有效消解分布式電源在運(yùn)行中可能對(duì)主網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響，既有效發(fā)揮分布式電源自身的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，也對(duì)主網(wǎng)運(yùn)行起到一定的補(bǔ)充效果[1]。

智慧微電網(wǎng)是由微電源與負(fù)載共同作用下而形成的一種運(yùn)行系統(tǒng)，可為系統(tǒng)運(yùn)行提供必要的熱能、電能與冷能等，由電力電子裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)內(nèi)部微電源的有效控制與管理，可與上級(jí)電網(wǎng)相比，智慧微電網(wǎng)呈現(xiàn)出一種單一的可控單元形式，在運(yùn)行中具有較高的用電安全性與可靠性，智慧微電網(wǎng)運(yùn)行中可對(duì)電源進(jìn)行充分利用，可通過(guò)電力工程技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)等對(duì)一次電源有效利用，建立模塊化的微電源互聯(lián)方式，由此而建立對(duì)微電源的部分或全部控制方式，并為系統(tǒng)運(yùn)行配置儲(chǔ)能裝置，以此建立一種小型發(fā)配電系統(tǒng)，采用冷、熱、電三聯(lián)供的運(yùn)行體系[2]。

可運(yùn)用云平臺(tái)建立微電網(wǎng)和外部電網(wǎng)之間的公共耦合點(diǎn)PCC（Point of Common Coupling），具有較高的靈活性與可靠性。云平臺(tái)在智能微電網(wǎng)的運(yùn)用中迎合了當(dāng)前智能電網(wǎng)大力發(fā)展的需要，是有源配電網(wǎng)運(yùn)行的有效形式，為智能電網(wǎng)運(yùn)行提供了有效形式與重要支持。

2 基于云平臺(tái)的智能微電網(wǎng)控制中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多源數(shù)據(jù)采集清洗技術(shù)

多源數(shù)據(jù)采集清洗技術(shù)運(yùn)用中可運(yùn)用智能表計(jì)、大量傳感器等周期性采集電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中的相關(guān)數(shù)值，對(duì)數(shù)值建立周期性采集方式，要求數(shù)據(jù)采集覆蓋電網(wǎng)中變電站、用戶端口、控制中心、分段開(kāi)關(guān)等部分中的IP通信網(wǎng)，其中運(yùn)用了無(wú)線、光纖、載波等相關(guān)技術(shù)，在云平臺(tái)中建立各種配電終端與系統(tǒng)之間的有效聯(lián)系，這一過(guò)程中運(yùn)用了云計(jì)算的數(shù)據(jù)清洗技術(shù)，可有效規(guī)范、補(bǔ)充并清洗多源數(shù)據(jù)采集中出現(xiàn)的遺漏、錯(cuò)誤與格式差異等情況[3]。

2.2 傳感測(cè)量技術(shù)

傳統(tǒng)牽線路與電纜溫度測(cè)量、電能質(zhì)量測(cè)量、光學(xué)互感器、電力設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)等技術(shù)運(yùn)用中僅能夠傳感并量測(cè)電網(wǎng)數(shù)據(jù)，而難以有效辨識(shí)大量數(shù)據(jù)。先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)則融合了強(qiáng)大的云計(jì)算能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的高效測(cè)試、數(shù)據(jù)比對(duì)，從而有效分析數(shù)據(jù)測(cè)量的可靠性與準(zhǔn)確性，并且為智能電網(wǎng)的有效運(yùn)行與管理提供精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4]。

2.3 多維索引技術(shù)

利用Hive數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)在智能電網(wǎng)運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)有效的離并網(wǎng)高效切換、系統(tǒng)保護(hù)、碳足跡跟蹤以及產(chǎn)需匹配尋優(yōu)等，從而可實(shí)現(xiàn)在多個(gè)場(chǎng)景中進(jìn)行電源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的調(diào)取與分析。分布式多維索引D G F Index技術(shù)的運(yùn)用對(duì)原有的技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提升了微電網(wǎng)多維區(qū)間查詢性能[5]。

2.4 高級(jí)配電自動(dòng)化技術(shù)

基于云平臺(tái)的智能微電網(wǎng)高級(jí)配電自動(dòng)化技術(shù)主要包括配電管理自動(dòng)化、配電運(yùn)行自動(dòng)化、需求側(cè)響應(yīng)自動(dòng)化等，配電管理自動(dòng)化主要體現(xiàn)在設(shè)備管理、配電地理信息系統(tǒng)、檢修管理等層面，配電自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用中主要包括綜合自動(dòng)化、安全監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集、饋線自動(dòng)化等層面，在微電網(wǎng)云平臺(tái)建立中運(yùn)用了IP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高級(jí)配電自動(dòng)化，運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)模型、系統(tǒng)接口、通信服務(wù)等運(yùn)行中的開(kāi)放性與標(biāo)準(zhǔn)性[6]。

3 基于云平臺(tái)的智能微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 整體架構(gòu)

云平臺(tái)微電網(wǎng)中具有多個(gè)儲(chǔ)能裝置、分布式電源，兩者共同作用而向負(fù)載供電，建立了多種微電源運(yùn)行方式，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、太陽(yáng)能光伏電池、蓄電池等，一般主要將其安裝在負(fù)荷附近，利用電力電子裝置連接電池與饋線，由此而減少電力線路運(yùn)行中可能產(chǎn)生的損耗，為饋線末端運(yùn)行提供必要的電壓支持[7]。

基于云平臺(tái)下的智能微電網(wǎng)控制系統(tǒng)包括四層部分，分別為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)層及數(shù)據(jù)展示層。在數(shù)據(jù)采集層中可利用智能表計(jì)等傳感器設(shè)備得到智能電力系統(tǒng)運(yùn)行中的相關(guān)數(shù)值，包括儲(chǔ)能、用電量、能源參數(shù)、光伏發(fā)電情況等信息。在數(shù)據(jù)傳輸層，則主要是將能源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為TCP/IP協(xié)議格式下的相關(guān)數(shù)值，并將其反映在數(shù)據(jù)庫(kù)管理信息系統(tǒng)之中。在數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)層中則重點(diǎn)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行與管理中的能源信息及其他數(shù)值等在匯總之后建立數(shù)據(jù)分析與處理方式，并對(duì)此進(jìn)行存儲(chǔ)[8]。

基于云平臺(tái)的智能微電網(wǎng)云平臺(tái)包括數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)冗^(guò)程，涵蓋了Web服務(wù)器、功能子系統(tǒng)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、表計(jì)和傳感器等。在數(shù)據(jù)展示層中，通過(guò)相關(guān)處理之后展示并發(fā)布儲(chǔ)存層中的能耗數(shù)值等。在智能電網(wǎng)運(yùn)行管理過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建H adoop生態(tài)系統(tǒng)，以此進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理。

3.2 云平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

從安全性、開(kāi)放性以及性能等層面進(jìn)行云平臺(tái)設(shè)計(jì)，要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠符合大數(shù)據(jù)分析需要，可對(duì)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，可構(gòu)建關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)與非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)[9]。

通過(guò)技術(shù)保障提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性與完整性，對(duì)數(shù)據(jù)建立有效的分析與處理方式。要求數(shù)據(jù)架構(gòu)中加強(qiáng)與電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行之間的有效融合，建立半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等多種類型的數(shù)據(jù)方式，以此為平臺(tái)運(yùn)行提供多種數(shù)據(jù)支撐。為系統(tǒng)建立百TB至PB級(jí)數(shù)據(jù)，使得在系統(tǒng)管理中可對(duì)數(shù)據(jù)查詢實(shí)現(xiàn)秒級(jí)相應(yīng)機(jī)制。在平臺(tái)運(yùn)行中能夠統(tǒng)一處理半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等。并對(duì)y千億文本建立秒級(jí)的響應(yīng)機(jī)制。大數(shù)據(jù)平臺(tái)信息采集包括太陽(yáng)能發(fā)電、電動(dòng)汽車、氫儲(chǔ)能、風(fēng)力發(fā)電、充電樁、園區(qū)用能等，建立的架構(gòu)包括事實(shí)數(shù)據(jù)、低粒度聚合數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)型存儲(chǔ)、圖存儲(chǔ)、流處理、對(duì)象存儲(chǔ)等，運(yùn)用的算法包括隨機(jī)森林、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、實(shí)時(shí)計(jì)算、Tom or－Flow、決策樹(shù)、支持向量機(jī)等，可將其應(yīng)用于多源協(xié)同優(yōu)化控制、分布式能源發(fā)電預(yù)測(cè)與負(fù)荷預(yù)測(cè)、微網(wǎng)負(fù)荷實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能調(diào)試、園區(qū)區(qū)域用能分析等領(lǐng)域之中。構(gòu)建PAC K ET數(shù)據(jù)封包格式的交互平臺(tái)，見(jiàn)表1。

表1 PAC K ET數(shù)據(jù)封包的格式

云平臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中具有性能上的顯著特征，在微電網(wǎng)運(yùn)行中采用了實(shí)時(shí)增量數(shù)據(jù)處理方式，運(yùn)行中可在20min以內(nèi)處理高于千萬(wàn)級(jí)別的對(duì)象一次增量60萬(wàn)的數(shù)據(jù)。建立了超高速大數(shù)據(jù)交換方式，運(yùn)行中針對(duì)在10個(gè)節(jié)點(diǎn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)中可實(shí)現(xiàn)對(duì)3000萬(wàn)與4000萬(wàn)記錄數(shù)據(jù)交換的有效處理，前者處理記錄可控制在6min以內(nèi)，后者處理時(shí)間可控制在10min以內(nèi)。

在關(guān)鍵業(yè)務(wù)接口的處理方面，可將15min以內(nèi)業(yè)務(wù)控制在4min以內(nèi)，將1h以上業(yè)務(wù)處理控制在10min以內(nèi)，將8h以上業(yè)務(wù)處理控制在25min以內(nèi)。大數(shù)據(jù)平臺(tái)運(yùn)行中具有較高的可靠性，一旦主控節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)一些故障，則H A節(jié)點(diǎn)能夠在2s時(shí)間內(nèi)進(jìn)行漂移接管，由此運(yùn)行中建立了對(duì)故障的有效處理方式。

4 基于云平臺(tái)的智能微電網(wǎng)控制策略研究

4.1 云平臺(tái)智能微電網(wǎng)控制情況總體分析

在智能微電網(wǎng)運(yùn)行中，在外部電網(wǎng)出現(xiàn)故障情況下可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行中供電可靠性與質(zhì)量不符合系統(tǒng)運(yùn)行要求?？梢岳弥鞲綦x開(kāi)關(guān)將主網(wǎng)、PC之間的聯(lián)系切斷，而在系統(tǒng)運(yùn)行中采用孤島運(yùn)行模式，此時(shí)通過(guò)微電網(wǎng)全部負(fù)載均由分布式電源與儲(chǔ)能設(shè)備所承擔(dān)。在運(yùn)行中若出現(xiàn)微電網(wǎng)微電源電力供給不足現(xiàn)象，可將饋線C上的非重要負(fù)荷切除，以此系統(tǒng)運(yùn)行中可對(duì)敏感負(fù)荷、重要負(fù)荷等進(jìn)行持續(xù)供電。運(yùn)行中在解除外部電網(wǎng)故障之后，將主隔離開(kāi)關(guān)再次合上，此時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)正常的并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。由此為微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行建立兩種運(yùn)行方式，并實(shí)現(xiàn)兩者之間的有效切換。同時(shí)，在微電網(wǎng)運(yùn)行中還建立了潮流控制器和能量管理器的管理方式，以此有效分析控制單體微電源和整體微電網(wǎng)。

4.2 電網(wǎng)跟隨控制

基于云平臺(tái)的智能微電網(wǎng)跟隨控制方式包括交互式電網(wǎng)跟隨控制以及非交互式電網(wǎng)跟隨控制兩種方式。在交互式電網(wǎng)跟隨控制中，在系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)可以不直接進(jìn)行電壓與頻率控制中，功率參考值可選擇有功/無(wú)功設(shè)定值，以此進(jìn)行功率控制。結(jié)合指定功率調(diào)度、饋線、負(fù)載的功率補(bǔ)償量而確定功率設(shè)定數(shù)值，可對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行建立有功/無(wú)功（PQ）控制策略。PQ控制中通過(guò)有功/無(wú)功功率解耦可促進(jìn)電流控制分量的制定，電流誤差信號(hào)可通過(guò)PI調(diào)節(jié)器提供脈寬調(diào)制信號(hào)，PWM以理想開(kāi)關(guān)模型運(yùn)行，在分布式發(fā)電單元中可以運(yùn)用有功/無(wú)功（PQ）控制策略[10]。交互過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)字簽名認(rèn)證協(xié)議

5 結(jié)束語(yǔ)

基于云平臺(tái)的智能微電網(wǎng)運(yùn)行中可有效解決傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行中對(duì)運(yùn)行人員的管理難度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式能源較為靈活、高效地運(yùn)用，在運(yùn)用中可加強(qiáng)云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)之間的深度融合，從而可利用大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)的智能化管控。在云平臺(tái)系統(tǒng)中，可針對(duì)數(shù)據(jù)信息建立有效的采集、清洗、貫通、存儲(chǔ)等管理方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)信息的集中統(tǒng)一管理。在運(yùn)行中建立數(shù)據(jù)的分散控制與集中管理模式，以此不斷優(yōu)化電力能源管理流程，并針對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行建立能源價(jià)值評(píng)價(jià)體系，為智能電網(wǎng)的良好運(yùn)行提供了支持依據(jù)。