區域性綜合能源管理與控制系統平臺設計

孫煒哲，劉健，徐立軍，蘇雨晴，孫榮智

（平高集團有限公司，河南平頂山 467001）

能源革命有兩個重要的替代，一是發電端使用清潔能源替代化石能源，二是終端能源使用電能替代非清潔能源[1-3]。清潔能源的研發對于我國愈發重要，它可以有效解決能源、環境等問題。雖然我國疆土遼闊，可再生能源蘊藏豐富，但傳統配電網的分布式能源消納能力不足，導致了可再生能源的嚴重浪費。另一方面，電動汽車充電設施的建設與運營，目前仍處于商業模式的可持續探索階段。但現階段電動汽車的使用與管理問題，對電力系統提出了新的要求。如何提高清潔能源的消納與利用、促進新能源汽車的推廣和普及，是解決能源危機的戰略性選擇。

基于微電網的園區綜合能源管理系統作為終端能源單元，其與大能源網互為補充，通過能源的調度和監控，可以實現多能協調互補，提高可再生能源滲透率，滿足電網需求側響應[4]，進一步提高園區供電系統運行的安全性、可靠性。對可再生發電、儲能、電動汽車等各種微源與負荷進行聚合分布，通過功率型電力電子裝置的柔性調控，實現高度自治，與大電網形成支撐與互動[5]。大電網通過園區綜合能源管理系統，充分調動分布式電源和負荷參與系統調峰，有效降低了峰谷差。園區綜合能源管理系統在大電網故障時可獨立運行，保證重要負荷的供電，提高供電可靠性。以大電網為主干、園區微電網（群）為機體組織的智能電網構架，將成為可再生能源發展的主要形式與重要技術，充分發揮可再生能源的應用潛力[6-8]。

1 區域性綜合能源網絡

1.1 綜合能源系統

綜合能源系統承接和融入全球能源互聯網，在兼容傳統電網的基礎上，緊密耦合電力網絡、天然氣網絡、熱∕冷供應網絡、交通網絡等復雜網絡，如圖1所示。

圖1 綜合能源系統結構示意

能源互聯網可以將能源與互聯網兩者進行良好的結合，實現不同網絡之間的相互支撐，從而達到不同能源系統的統籌優化調度[9-11]。

1.2 綜合能源系統規劃及實現

以水、電、氣、熱“四表”計量儀表數據及微網數據集中采集的數據為基礎，以能耗與充放電數據分類分項查詢、統計、結算、報表、圖表為重點，圍繞新能源微網、電動汽車充電網和園區電網的三網融合，引領集成化思路與技術體系進行能耗與充放電數據分析、重點能耗設備監測與微網接入控制為核心的園區綜合能源管控系統研究。

對大電網而言，園區綜合能源網絡可作為一個可控的“細胞”，是一個簡單的可調度負荷；對用戶而言，園區綜合能源網絡可作為一個可定制的電網。

對于這個可控“細胞”，也稱為能源轉換中心，可以概括多個能源組成的系統之間的關系。一個系統由能源的傳遞、變換和存儲等部分組成，由此可用耦合矩陣（Coupling Matrix）標記以上部分之間的關系，如式（1）所示：

式中，L為能量輸入；P為能量輸出；cnm標記為耦合因子（Coupling Factor），表示第m種形式能源與第n種形式能源之間的輸出與輸入值之比。

2 子系統構成及需求

2.1 園區一次系統

綜合能源系統，將變、配、用、光、儲、充、放各子系統進行高度整合，實現用戶側的就地消納分布式清潔能源發電、經濟用電，平抑電網接口峰谷差，提高電網側能效以及與電網系統調度的需求側進行友好互動響應。同時電力電子裝置具有柔性調節能力，還兼具調節無功與諧波抑制等電能質量的作用[12]。

2.2 計算機控制二次系統

園區綜合能源系統在應用二次系統后可加強抗干擾能力，其通過電子控制、通信、遠程操作等手段實現對園區能源的統一調度和控制，這樣可以使能源的管理更加合理，使用范圍進一步擴大[13]，系統硬件架構如圖2 所示。

圖2 監控及能量管理系統硬件架構

文中所建立平臺的二次系統必須具備的功能如下：

1）系統配置前置服務器、數據服務器、應用服務器、工作站、交換器等硬件設備。服務器和工作站的數量可根據微電網規模以及運算量的大小進行合理的增減。為了提高系統可靠性，可采用計算機和網絡設備的主從熱備模式。

2）系統應設置防火墻、隔離裝置等安全防護設備，網絡安全防護應符合GB∕T 20270 等規定的要求。

3）數據采集通信網連接分布式電源控制器、負荷控制器、測控保護設備、中央控制器、并網接口等設備。

4）系統內部與電網調度機構之間的通信宜采用以太網通信和光纖通信方式，通信及協議宜采用DL∕T634.5101、DL∕T634.5104 和DL∕T860。

3 系統總體架構及功能實現

3.1 系統軟件功能及組成

系統主要包括能量管理應用層、監控應用層、支撐平臺和計算機系統層等，具體信息如圖3 所示。

圖3 系統總體架構

3.2 能量與負荷預測方法

1）發電預測。文中所使用方法通過歷史數據、實測數據等進行發電功率預測，從而可接收功率預測系統的發電功率預測數據。同時對于包含風電、光伏發電等間歇式發電形式的微電網系統，宜配置相應的風力發電、光伏發電的電量預測功能。

2）分布式電源管理策略。分布式電源管理策略首先對微電網中燃氣輪機、柴油機等發電裝置進行管理，主要包括消耗計算、余下燃料量的顯示與預判。需要對發電設備的運維狀態進行管控，同時，還應對儲能系統的狀態實現動態管理，在狀態達到極值時可提前警報。

3）負荷管理方法。參照負荷分類預先制定出微電網不同工況下的負荷投切策略和計劃，然后根據負荷的實時監測數據和負荷用電計劃，對負荷用電進行綜合管理。綜合能源系統在離網狀態下，可以實現對各終端用能的單獨控制，包括對用電的輪次、時段、功率、電量等參數的控制，并下發到監控系統執行。

除以上措施外，還需對微電網中電源的主次設置規則，對于存在多個可作為主電源運行的微電網，應對各備用主電源設置相應的備用次序，以此提升分布式電源管理的有效性。

3.3 綜合優化調度算法

文中所建立的綜合能源管理系統優化調度算法主要通過凸優化理論來實現，其主要技術指標如下：

式中，Vi,t、Vj,t為節點電壓；Gij為電導；T為計算周期；ΔV為平均電壓偏移率。

優化目標函數主要體現在網損和電壓偏移程度兩方面，即minPTLoss和minΔV。

根據相關指標，文中設定的電壓偏差不超過±10%。

支路電流約束為根據導線截面計算的最大載流量：

4 算例分析

文中算例基于110 kV 區域綜合能源系統進行，電氣節點數為118 個，新能源包括風電、光伏，裝機分別為80 MVA、100 MVA，同時在發電側配有30%的儲能裝置。負荷由電負荷、熱負荷以及天然氣需求量構成，其中熱負荷與電負荷可相互轉化，天然氣需求量與電負荷可形成互補。正常運行情況下，區域綜合能源系統與大電網并網運行，進行少量的電能交換，優先發揮園區電源的調節能力；故障條件下可孤島運行，減少停電時間[14-15]。

根據文中區域能源網絡數據，首先建立新能源出力特性曲線的數學模型，同時以典型的負荷曲線描述負荷波動特點，經過文中區域綜合能源管理策略統籌安排新能源出力。

4.1 風電場

該區域呈現4～6 月、9～11 月風電出力較大，冬季12 月～次年2 月出力較小的特點，據此可對該區域其他風電出力進行中長期預測。根據該地區風電出力波動情況，文中采取多個函數擬合的形式對其出力特性進行建模，包括兩個高斯函數和一個一元線性函數。

1）基本函數線。由于風電出力的月平均出力波動是以年為周期分布的，因此可分離出一個隨月份線性增大的一次函數，如式（7）所示：

2）高斯分布1（Gaussian1）。高斯函數的基本形式如下：

3）高斯分布2（Gaussian2）。擬合結果如下：

綜上所述，具體月均出力以年為單位的波動規律可用如下所示的數學模型描述：

4.2 光伏電站

該地區光伏電站出力波動以天為周期進行變化，中午出力較大，夜晚出力較小，接近為0。其中，夜晚出現了負功率，分析其主要原因為夜晚光伏電站的廠用電需從主網進行獲取[16]。

根據光伏電站出力曲線趨勢，可采用正態分布來描述光伏出力的日特性。根據光伏電站日出力特性擬合結果，可用式（10）描述光伏電站的日出力特性：

其中，Px為x采樣時刻光伏發電功率；P總裝機為光伏電站的總裝機容量。

4.3 分析結果

根據前述對風電、光伏發電的數字模擬，與園區負荷需求相匹配，驗證管控平臺建立前后的新能源消納能力，具體結果如表1 和圖4 所示。

表1 系統平臺使用前后效果對比

圖4 管控平臺建立前后的新能源消納能力對比

由表1 和圖4 的新能源出力情況結果可知，采用文中的綜合能源管理平臺，能夠顯著提升新能源滲透率，提高區域綜合能源系統的清潔性。

5 結束語

文中基于未來綜合能源系統架構，建立了區域綜合能源系統管理和控制平臺，有效提升了綜合能源網絡的能源利用清潔化，能夠最大化地發揮新能源的作用。同時對區域內風電、光伏及儲能進行數字建模，使其能夠準確地進行發電預測，便于調度安排和能源的統籌利用，仿真算例證明了所建立能量管控平臺和控制系統的有效性。下一步將繼續完善綜合能源管理平臺，最大限度地實現園區內多能互補與統籌配置。