智能微電網能源管理系統優化調度系統設計

安麗芳

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

近年來，隨著社會對能源和電力供應的質量要求的逐漸提高，傳統的大電網供電方式由于其結構復雜、負荷特性恒功率化等缺陷已經不能滿足與可再生能源共生發展的需要[1]。隨著發電規模趨于多樣化和分散化，能夠集成分布式發電的新型電網——微電網應運而生[2- 5]，它能夠節省投資、降低能耗、提高系統安全性和靈活性，是未來的發展方向。

微電網是由分布式電源、儲能系統、能量轉換裝置、監控和保護裝置、負荷等匯聚而成的小型發、配、用電系統，也稱微網。微電網具備完整的發電和配電功能，是一個能夠實現自我控制、保護和能量管理的自治系統。微電網可以與主網連接，也可以單獨運行，當電網出現故障時，孤島模式能夠提高電力系統的穩定性[6- 7]。智能微電網的關鍵技術主要包括：可再生能源發電技術、儲能技術、微電網能量優化調度技術、電容器故障監測及微電網保護控制技術等[8- 13]。

中央為推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效能體系的戰略要求，并推進并網型微電網建設的技術，由國家發展改革委和國家能源局確定了全國28個新能源微電網示范項目[14]。甘肅酒泉肅州區新能源微電網示范項目以建設成為國家級新能源綜合利用示范項目為目標，積極推進電力體制改革，降低當地用電成本，促進新能源就地消納，有效解決棄光限電問題，并以建設智能微電網和實現大用戶直供電為突破口，支持社會資本參與新能源、配電網和儲能設施建設運營，大力引進環保型耗能產業落地試驗區，實現光電資源開發、應用一體化發展，切實促進電能就地消納，從而破解經濟發展新常態下能源發展面臨的傳統能源產能過剩、可再生能源發展瓶頸制約、能源系統整體運行效率不高等突出問題，打造成高效清潔的能源利用與產業園深度融合的微電網示范區。

下面以此項目為背景介紹智能微電網及能量管理系統的結構及功能設計。

2 智能微電網系統總體設計方案

甘肅酒泉肅州區新能源微電網利用東洞灘光伏基地C區建設60MWp光伏發電站為微電網內負荷提供清潔電能，供電區域內負荷含常規電力負荷及供熱電力負荷，其中常規電力負荷約20MW、供熱負荷約3.2MW，總負荷約20MW(考慮常規負荷與供熱負荷的同時率)。為充分消納微電網內60MW光伏發電站發出的電能，微電網不再新增其它形式的電源。由于光伏出力的隨機性和不可控性，且夜間零出力，因此考慮光伏電能不足部分由通過電力市場交易光伏和風力發電等新能源電量來彌補。

肅州區微電網總負荷為20MW，采用35kV電壓等級與電網并網，微電網供電區域采用10kV配電網進行供電。在微電網供電區域內新建1座35kV變電站、2座10kV變電站及配套的10kV線路，同時考慮將10MW/20MW·h的電儲能裝置分散布置在1座35kV變電站和2座10kV變電站(以下將“35kV變電站”稱之“35kV變電及儲能站”；“10kV變電站”稱之“10kV變電及儲能站”)，35kV變電及儲能站通過2回35kV線路接入C區2#光伏升壓站，2座10kV變電及儲能站均從35kV變電及儲能站引接2回線路，并在2座10kV變電及儲能站之間設置雙回聯絡線。

3 智能微電網工程運行

3.1 微電網的能量流和信息流

從能量和信息的共性角度來考慮微電網運行方案，微電網中存在兩個流。第一個流是在源、網、荷、儲中流動的能量流。在本微電網方案中，“源”為60MWp光伏發電站，“網”包括微電網和外部公共電網，“荷”包括常規電力負荷和熱負荷，“儲”包括電儲能。在任何時刻、任何位置，能量流都必須保持平衡。第二個流則是雙向信息流，由微電網能量管理系統從全局角度對整個微電網進行監視和控制，保障著微電網內部平衡和交換功率穩定運行。

3.2 智能微電網運行

微網系統可并網運行或離網運行。在并網運行時，由于與大電網連接，其穩定性由電網承擔，為提高多能互補系統的經濟效益以及減少對電網的影響，需盡量減少與電網電量的交互，可以通過功率平衡控制系統自動對多能互補系統的發電負荷進行控制，根據用戶側的發電負荷需求，在滿足系統負荷供應約束的基礎上，綜合考慮階梯電價因素，對多能互補系統發電負荷進行自動調節，盡量減少與外電網聯絡線的交換功率；離網運行時，電網頻率控制難度大，頻率穩定問題也是系統面臨的主要問題。為了保證系統的穩定運行，需要提升電網的頻率調節能力，使得光儲和特定的負荷，均具備快速的一次調頻能力；建設完善的微網能量管理系統，在控制策略方面實現傳統切機切負荷與新能源快速調節的協調優化控制。

智能微電網能量管理系統圍繞源網荷儲，通過數據傳輸、監控，同時對區域內配電系統、用戶用電進行監控和管理，實現能源系統相關數據的匯集和集中監控；能源總體優化從不同維度對園區能源進行優化分析，分別為區域多能流協同優化、區域能源優化管理、分布式能源系統控制、“源網荷儲”一體化調控、區域能源效益評估，從而實現基于全能流模型的區域能源總體優化。

4 智能微電網系統結構

4.1 網絡構架

本工程微網控制保護系統采用分層分布式設計，分為就地控制層、協調控制層和優化控制層。智能微電網網絡構架如圖1所示。

(1)就地控制層

圖1 智能微電網網絡構架

包含DG、儲能變流器、分布式發電并網接口裝置以及保護裝置，裝置之間不依賴于通信，響應速度快。當系統發生小的擾動或短路故障時，通過變流器自身的調節或保護的快速動作，能夠快速平抑系統波動，恢復穩定供電。

(2)協調控制層

包含微網協調控制裝置，需要通過控制通信網絡采集DG、儲能以及重要負荷的信息，微網發生大的擾動(如電網非計劃停電、孤島運行時大容量的DG跳閘等)，微網協調控制裝置通過對儲能以及DG的控制，確保電壓、頻率均維持在允許的范圍內，保證微網系統的穩定安全運行。

(3)優化控制層

包含微網能量管理系統，在數據采集與監視控制、調度計劃、負荷預測等相關系統提供的數據基礎上，實現對特定應用進行數據分析、能量預測、負荷管理、優化運行和經濟調度等功能，為實現網內能源綜合利用效率的最大化提供保障。

4.2 組網配置

4.2.135kV變電站組網

35kV站內配置1面協調控制柜，協調控制柜中包含1臺微網控制器PCS- 9617MG，用于協調各站微網運行，1臺儲能協調裝置PCS- 9567C用于協調35kV儲能PCS運行，1臺光纖交換機PCS- 9882BD用于組建高速控制網GOOSE，1臺網絡交換機PCS- 9882AD用于站控層組網，2臺線路保護裝置PCS- 9611D- D用于采集35kV I母和II母電壓電流并通過高速控制網傳輸給微網協調控制裝置，1臺數據網關機PCS- 9799用于與EMS通訊，通訊采用104規約。

35kV站內配置1面儲能后臺監控柜，包含2臺前置采集服務器用于站控層數據采集處理，2臺SCADA數據服務器用于安裝EMS系統實現監控協調，1臺高級應用服務器安裝高級應用，2臺站控層交換機用于組成微網調度A/B網，1臺前置采集交換機用于站控層監控數據采集。光伏站內監控經站內遠動采用104規約經儲能后臺監控柜內前置采集交換機接入EMS系統。

4.2.210kV開閉所組網

10kV#1和10kV#2開閉所分別配置1面儲能協調控制柜，儲能協調控制柜中包含儲能協調裝置PCS- 9567C 1臺，用于協調10kV儲能PCS運行， 1臺光纖交換機PCS- 9882BD用于組建高速控制網GOOSE，1臺網絡交換機PCS- 9882AD用于站控層組網，1臺數據網關機PCS- 9799用于與EMS通訊，通訊采用104規約。

4.2.3儲能系統組網

本項目每個PCS集裝箱配置1面通訊控制柜，通訊柜中包含1臺光纖交換機PCS- 9882BD用于組建高速控制網GOOSE；1臺網絡交換機PCS- 9882用于站控層組網；1臺變壓器測控保護及規轉裝置PCS- 9726，PCS接入高速控制網交換機用于快速控制，同時PCS接入站控交換機用于EMS系統通訊；PCS與監控后臺支持103、61850等多種電力系統標準規約。智能并網接口裝置PCS- 9726，具備升壓變保護功能外和規約轉換的功能，電池管理系統(BMS)直接采用Modbus規約485串口接入PCS- 9726，通過PCS- 9726將Modbus規約轉換成103規約與EMS系統通訊。電池管理系統(BMS)與PCS控制裝置采用Modbus TCP接口。

4.3 微電網能量管理系統功能

4.3.1微電網能量管理系統基本功能

微網能量管理系統(MEMS)是對微網進行采集、監控、優化和管理的調度自動化系統。它通過對微網內部進行協調、調度，使其高效、經濟、安全、可靠運行。

MEMS完整體系結構如圖2所示。

圖2 MEMS完整體系結構圖

MEMS應用功能主要包括實時監控、優化調度和能量管理這三個子系統，具體如下：

(1)實時監控子系統包括采集與監視控制、自動發電控制、電壓無功控制和黑啟動控制。

采集與監視控制是MEMS的基礎，它采集微網內源網荷數據，并進行監視和控制。同時還集成氣象數據，為微網優化調度提供基礎。自動發電控制實現對微網并網運行模式下的聯絡線有功功率控制和孤島運行模式下的頻率控制，消除可再生能源輸出功率不確定性的負面影響，保證微網有功功率和頻率穩定。

電壓無功控制利用微網中無功控制設備和分布式電源無功控制能力，通過無功協調控制實現微網電壓的快速控制和連續調節。黑啟動控制在整個微網進入全黑狀態后，僅通過啟動微網內部微電源，逐步擴大系統的恢復范圍，實現整個微網的重新啟動。

(2)優化調度子系統包括光伏功率預測、負荷預測和協同優化調度。

光伏功率預測是對光伏輸出功率進行預測，為微網調度決策提供基礎數據，減少其不可控性和間歇性對電網的不利影響。負荷預測對微網歷史負荷、氣象、節假日以及特殊事件等信息進行分析，挖掘負荷變化規律，建立預測模型，預測未來系統負荷變化。

協同優化調度建立微網源網荷多目標優化模型，利用分布式發電、柔性負荷的預測結果以及微網實時運行狀態，對微網的電源、負荷進行時空協同優化調度，實現能源互補和綜合利用。

(3)能量管理子系統包括分布式能源管理、發電計劃管理、需求側管理和交易管理。

分布式能源管理包括對分布式電源的安全、運行、設備和資料管理等。保證分布式電源運行符合安全規范、實現對分布式電源資產的全生命周期管理。發電計劃管理制定微網日前、日內等不同周期的電力電量平衡，根據檢修情況安排各分布式電源的電量、開停機和出力計劃，統計并考核發電計劃執行狀況。

需求側管理采取有效激勵和引導措施，引導微網用戶改變用電方式，提高用電效率，優化資源配置，改善和保護環境，減少供電服務成本。交易管理根據微網用戶與配電公司的交易合同以及微電網實際運行情況，管理微電網與配電公司的電力交易。

4.3.2基于NSGA- Ⅱ的微電網能量調度策略

根據微電網運行過程中微電源的功率特性，為了提升電能質量、提高經濟效益，需要在多個指標約束下對微電網進行優化調度，考慮指標主要包括經濟指標和技術指標。

微電網規劃調度的經濟指標是要使得分布式電源投資最小，而運行成本最小，指標表達式如下：

(1)

式中，C—微電網中電源的投資成本；CMA，i—在節點i處電網運行成本；r—市場貼現率；CFX，i—微電網節點i的設備成本；n—設備的預計使用年數；NDG—當前電網的支路數目；Y—節點處是否安裝有分布式電源，若Y=1為已安裝，Y=0為未安裝。

微電網規劃調度的技術指標為系統的有功網絡損耗最小，節點電壓的偏移量最小。這兩個指標表達式分別為：

(2)

除此之外，多目標優化還包括等式約束和不等式約束，等式約束由潮流方程組成，不等式約束由功率之間的數值關系組成，表達式如下：

(3)

(4)

式中，PDGi和QDGi—分布式電源的有功功率和無功功率；PDGmax、PDGmin、QDGmax、QDGmin分—有功和無功功率的邊界；Vimin、Vimax—線電壓的邊界值；∑PDG、Pmax分布式電源總有功功率和容許接入配電網的分布式電源的最大容量。

NSGA- II是一種優秀的多目標優化算法，通過增加擁擠度和擁擠度比較算子，保持了種群的多樣性的同時，還采用精英保留策略維持了擴大了采樣空間，使得最佳個體不會丟失，迅速提升了種群水平[15- 16]。

NSGA- II算法步驟描述如下，算法流程如圖3所示：

Step 1:令迭代次數為G，等級數為Rank，隨機產生規模為NG的初始種群P0(t)；

Step 2:確定種群的擁擠度計算以及登記排序是否已完成，若完成則轉入Step 4，否則轉入Step 2；

Step 3:進行種群的快速非支配排序，首先根據目標函數值確定第1級非劣種群個體，接著將第1級個體移出種群，在剩余種群中按照同樣的方法確定新的非劣解，定義為等級2，以此類推，直至所有的個體都被確定其相應的等級；

Step 4:對于隸屬與同一非劣等級下的種群個體計算其擁擠密度；

Step 5:進行錦標賽選擇。在種群中隨機選取兩個染色體，進行等級比較，取等級較小的個體，若二者具有相同等級，則進行擁擠度比較，選取密度較小的個體，形成種群P0；

Step 6:進行自適應交叉、變異，生成子代種群Q；

Step 7:合并種群Pt和Qt形成新種群Rt；

Step 8:按照精英策略產生新一代種群Pt+1；

Step 9:對迭代次數進行判斷，若達到次數限制，則輸出結果，循環結束，否則，轉到Step 2。

5 結論

本文以甘肅酒泉肅州區新能源微電網項目為背景從總體設計方案、工程運行、系統構架和系統功能等方面介紹了智能微電網及能量管理系統的應用現狀。智能微電網可利用不同能源的互補替代性，可以實現光/電、風/電、直/交流的能源交換。各類能源在源- 儲- 荷各環節的分層實現有序梯級優化調度，達到能源利用效率的最優。當系統發生擾動或短路故障時，智能微電網保護系統能夠快速平抑系統波動，保證微網系統的穩定安全運行。相較于傳統供電方式的能源管理系統，智能微電網雖有優勢，但在當今時代背景下還面臨困難與挑戰：微電網中的負荷和新能源的可預測性差;微電網能源管理中很多問題是復雜的系統化問題，基于規則的啟發方法和數學優化算法各有特色，如何兼顧算法最優性和可靠性需要深入研究。