基于多能互補(bǔ)的綠色能源小區(qū)群構(gòu)建

李一凡

摘要：因?yàn)闅庀蟮碾S機(jī)性，能源的輸出具有一定的間歇性，導(dǎo)致嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。基于多能互補(bǔ)綠色能源小區(qū)群的構(gòu)建，包含物理層、信息層和決策管理層。物理層考慮了居民負(fù)荷、風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能及公共電網(wǎng)，通過(guò)信息層的數(shù)據(jù)采集及處理分析結(jié)果，提供給決策管理層，使得清潔能源就地消納，并將富余的電能輸送到公共電網(wǎng)。若清潔能源不能滿足小區(qū)群的用電情況，則接入公共電網(wǎng)，使得能源與負(fù)荷達(dá)到平衡，保證能其電能穩(wěn)定性。

Abstract： Because of the randomness of meteorology， the output of energy has a certain intermittent nature， leading to a serious abandonment of wind and light. Based on the construction of a multi-energy complementary green energy community group， it includes a physical layer， an information layer， and a decision management layer. The physical layer considers residential load， wind power， photovoltaics， energy storage and public power grids， and provides data to the decision-making management through the data collection and processing analysis results of the information layer， so that clean energy is absorbed locally and the surplus power is transferred to the public grid. If the clean energy can not meet the electricity consumption of the community， it will be connected to the public power grid to balance the energy and load and ensure the stability of its power.

關(guān)鍵詞：綠色能源小區(qū)群；分布式能源；信息采集；數(shù)據(jù)分析；決策管理

Key words： green energy community；distributed generation；information collection；data analysis；decision management

中圖分類號(hào)：TK01 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）30-0238-03

0 引言

隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)型及政策的支持，太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源快速發(fā)展，但新能源的接入也會(huì)給公共電網(wǎng)帶來(lái)許多不利的影響[1]，如保護(hù)問(wèn)題、電能質(zhì)量等。為消除分布式能源發(fā)電的間歇性，提出了多能互補(bǔ)的供電方式[2]，利用風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能等技術(shù)，根據(jù)氣象信息，協(xié)調(diào)分布式能源的輸出，保證供電連續(xù)性。另一些學(xué)者將互聯(lián)網(wǎng)的概念引入到能源領(lǐng)域，各種能源之間通過(guò)電力電子類的能源路由器[3][4]連接，形成以電力為中心的能源互聯(lián)網(wǎng)[5]。

無(wú)論是能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，還是冷熱電聯(lián)供，都在一個(gè)較大的區(qū)域內(nèi)，基于此提出多能互補(bǔ)的小區(qū)群，通過(guò)光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能，形成多種分布式能源的互補(bǔ)利用。為保證小區(qū)群用電的連續(xù)性及可靠性，需通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)小區(qū)群的能源設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，彼此交互信息，確定小區(qū)群的運(yùn)行情況，作為管理決策層的輸入，對(duì)小區(qū)群中的分布式能源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，從而提高小區(qū)群的能源利用效率。

1 小區(qū)群的物理結(jié)構(gòu)

目前為止，電能屬于所有能源中最為清潔的能源，所以綠色能源小區(qū)群以電能為主，主要由風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、居民負(fù)荷及公共電網(wǎng)幾大部分組成。綠色能源小區(qū)群的物理層主要指電力的一次設(shè)備，即物理實(shí)體部分，主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池板、變壓器、線路、各類開(kāi)關(guān)、負(fù)荷等。小區(qū)群的物理層如圖1所示。

綠色能源小區(qū)群的電能流動(dòng)如圖2所示，風(fēng)電和光伏既可以向居民負(fù)荷供電，也可將富余的電能送向儲(chǔ)能設(shè)備及公共電網(wǎng)。當(dāng)天氣發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力發(fā)電或光伏的電能輸出不能滿足居民負(fù)荷用電需求時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備的電能可向負(fù)荷供電，保證負(fù)荷用電的連續(xù)性。當(dāng)氣候條件不適合風(fēng)機(jī)和光伏發(fā)電，且儲(chǔ)能也不能維持居民負(fù)荷的用電情況，這時(shí)需將公共電網(wǎng)的電能引入小區(qū)群，解決居民負(fù)荷的用電，保證小區(qū)群的電能穩(wěn)定性。

因?yàn)榍鍧嵞茉床焕谶h(yuǎn)距離輸送，所以對(duì)居民負(fù)荷的供電首先是風(fēng)能、光伏，然后為儲(chǔ)能設(shè)備中的電能，最后是公共電網(wǎng)，其主要目的就是使得清潔能源就近消納，減少電能傳輸過(guò)程中的損耗。

2 綠色能源小區(qū)群的信息網(wǎng)絡(luò)

為了保證綠色能源小區(qū)群負(fù)荷用電的不間斷性及穩(wěn)定性，需要提取小區(qū)群中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、能量流動(dòng)的方向及大小、電能的質(zhì)量、氣候條件等信息，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理后，將信息提供給小區(qū)群的能源調(diào)度，對(duì)小區(qū)群電能進(jìn)行管理與決策。信息網(wǎng)絡(luò)層主要包括數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)的處理分析層，信息層的構(gòu)成如圖3所示。

2.1 綠色能源小區(qū)群的傳感器網(wǎng)絡(luò)

綠色能源小區(qū)群的傳感器網(wǎng)絡(luò)層包括公共電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電量、儲(chǔ)能、居民負(fù)荷、氣象及公共電網(wǎng)與多能互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)間變換器的量測(cè)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集層的各個(gè)量測(cè)系統(tǒng)都需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其自身的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行故障診斷，判斷是否發(fā)生故障。若發(fā)生故障，則需繼電保護(hù)動(dòng)作，并完成小區(qū)群的故障隔離，保證無(wú)故障部分的正常運(yùn)行，甚至是自愈。

綠色能源小區(qū)群各個(gè)設(shè)備的量測(cè)系統(tǒng)通過(guò)電流互感器、電壓互感器、溫度采集器等傳感器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，采集綠色能源小區(qū)群各方面的信息，利用采集到信息，掌握小區(qū)群中每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)備之間的能源交互，為管理決策提供依據(jù)。

2.2 綠色能源小區(qū)群的信息處理

綠色能源小區(qū)群具有區(qū)域性的量測(cè)系統(tǒng)，對(duì)小區(qū)群中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)，借助傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得小區(qū)群全面而詳細(xì)的物理信息，它包括各分布式能源的電氣量信息、未來(lái)時(shí)段的氣象環(huán)境信息、小區(qū)群配電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息等。

多能互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)的建立使得數(shù)據(jù)采集的范圍的迅速擴(kuò)大，這就需要充分融合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、信息處理技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)，將云計(jì)算、云存儲(chǔ)、壓縮感知、人工智能、大數(shù)據(jù)融合等現(xiàn)代化手段運(yùn)用到綠色能源小區(qū)群，大力挖掘小區(qū)群的數(shù)據(jù)價(jià)值，提高外部數(shù)據(jù)的利用，對(duì)小區(qū)群的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、用戶用電行為分析等提供數(shù)據(jù)支撐；通過(guò)壓縮感知理論減少對(duì)傳感器硬件的需求，減輕數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸和分析處理的壓力；利用人工智能等技術(shù)，不斷的認(rèn)知、學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)群各方面的智能監(jiān)控及優(yōu)化調(diào)度，保證綠色能源小區(qū)群的安全可靠、故障的自適應(yīng)處理與自愈，提升綠色能源小區(qū)群的友好服務(wù)水平。

3 綠色能源小區(qū)群的管理決策層

物理層中的傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)信息采集將能量流轉(zhuǎn)化為信息流，信息流經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊、信息分析處理，轉(zhuǎn)化為決策管理層的輸入信息，決策管理層根據(jù)輸入的信息，產(chǎn)生控制指令將其下發(fā)至物理層，其過(guò)程如圖4所示。

管理決策層是綠色能源小區(qū)群中分布式能源與用戶負(fù)荷之間平衡的協(xié)同優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)小區(qū)群的電能穩(wěn)定。集中式控制中信息量的傳輸過(guò)于龐大，容易造成傳輸堵塞；分布式控制可利用的消息較為有限，無(wú)法感知全網(wǎng)的狀態(tài)，難以進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)控制。為防止因數(shù)據(jù)量過(guò)大造成傳輸阻塞，保證小區(qū)群全網(wǎng)信息的優(yōu)化管理及全網(wǎng)數(shù)據(jù)的交互與共享，所以小區(qū)群利用分布式的協(xié)同控制[6]，對(duì)小區(qū)群的分布式電源及負(fù)荷、公共電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，保證小區(qū)群信息交互的實(shí)時(shí)性及控制的靈活性。

3.1 綠色能源小區(qū)群分布控制

小區(qū)群可將各種設(shè)備進(jìn)行智能化連接，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息交互，并通過(guò)與用戶的互動(dòng)，建立信息及電能的雙向傳輸通道。通過(guò)已建立實(shí)時(shí)雙向需求響應(yīng)，讓用戶積極參與電力平衡調(diào)整，可以更好地實(shí)現(xiàn)電力供需平衡。任何能源連接在網(wǎng)絡(luò)中都可以是動(dòng)態(tài)互為備用，具有很強(qiáng)的靈活性，且可以保證冗余和可靠性，為此，需要實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的關(guān)鍵信息的共享，從而支撐調(diào)度與管理。

3.2 綠色能源小區(qū)群集中控制

小區(qū)群將設(shè)備之間互相交換測(cè)量及控制信息，以協(xié)作完成控制任務(wù)，完成分散控制，以避免由控制中心的通信故障，延時(shí)和中斷引起的系統(tǒng)性能影響，在必要時(shí)也可以由控制中心集中控制。

管理決策層主要服務(wù)于調(diào)度控制，根據(jù)風(fēng)電、光伏等分布式能源的發(fā)電量和負(fù)荷預(yù)測(cè)，可利用物理層與信息層的關(guān)聯(lián)特性，將物理層、傳感器網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)處理分層聯(lián)合起來(lái)，從整個(gè)小區(qū)群層面，根據(jù)互感器網(wǎng)絡(luò)采集到的信息及數(shù)據(jù)分析層挖掘的知識(shí)，充分利用大數(shù)據(jù)分析、分布式智能、全局優(yōu)化等技術(shù)，通過(guò)對(duì)小區(qū)群的能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行未來(lái)態(tài)勢(shì)的分析，對(duì)物理層的設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)小區(qū)群的全面優(yōu)化控制。

4 結(jié)語(yǔ)

多能互補(bǔ)分布式能源的小區(qū)群是將多種清潔能源集中在小區(qū)群，將各種分布式能源、負(fù)荷以及公共電網(wǎng)按照一定的運(yùn)行方式進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化管理。基于分布式電源多能互補(bǔ)的小區(qū)群，闡述了小區(qū)群的電能管理系統(tǒng)的構(gòu)成，通過(guò)互感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理層的設(shè)備及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集整理，利用信息層的數(shù)據(jù)處理分析平臺(tái)得出小區(qū)群的運(yùn)行情況，作為管理決策層的輸入，通過(guò)管理決策層對(duì)小區(qū)群中的各種分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度，使得能源的利用率達(dá)到最大化。

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