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(gòu)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(shù)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(shè)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(cè)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(cè)主動性交互和用戶側(cè)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(gòu)建

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

圖1 海島智能用電系統(tǒng)組織架構(gòu)

終端層主要由各種分散分布的終端設(shè)備組成，根據(jù)設(shè)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(shè)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(shè)備和應用層的信息互換提供鏈路基礎(chǔ)，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(shè)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(wù)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(wù)層實現(xiàn)系統(tǒng)的各種應用業(yè)務(wù)邏輯，包括智能小區(qū)的各種應用。

2 微電網(wǎng)側(cè)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(jié)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(luò)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(gòu)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(jié)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(shè)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(shè)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(shè)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(cè)主動性交互策略實現(xiàn)

3 用戶側(cè)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(cè)的主動性交互外，還可以通過技術(shù)手段在用戶側(cè)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(jié)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(shè)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(cè)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(wù)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(guān)系圖為基礎(chǔ)，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(cè)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(jié)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(jié)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)模化應用的智能用電系統(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(shù)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(luò)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。