安科瑞 劉邁

　　摘要：隨著可再生能源發(fā)展，微電網已成為重要的能源供應形式。然而，源網荷儲的多元異構特性及其不確定性給系統優(yōu)化調度和穩(wěn)定控制帶來挑戰(zhàn)。文章分析了含多種分布式電源和儲能微電網面臨的挑戰(zhàn)，探討了含多種分布式電源和儲能的微電網控制技術，并提出了微電網多時間尺度協調控制策略，以期實現微電網的安全、經濟、運行，為能源互聯網發(fā)展提供支撐。

　　關鍵詞：微電網控制；分布式電源；儲能；分層協調控制；自適應控制算法

　　1引言

　　面對全球日益嚴重的能源短缺和環(huán)境污染問題，發(fā)展可再生能源已成為各國共識。微電網作為新型電力系統的一個核心組成部分，通過整合分布式電源、儲能設備及負荷，構建了一個既靈活可靠又經濟環(huán)保的能源供應網絡。

　　近年來，隨著光伏發(fā)電、風力發(fā)電、燃料電池等分布式能源技術的快速發(fā)展，以及電動汽車、智能家電等新型負荷的廣泛應用，微電網在智慧城市、工業(yè)園區(qū)、海島供電等場景中的部署規(guī)模不斷擴大。同時，能源互聯網的理念推動了微電網向更智能、更靈活的方向發(fā)展。

　　2基于隨機森林的協調控制方法設計

　　微電網作為集成分布式電源、儲能裝置和負荷的小型發(fā)配電系統，近年來呈現出多元異構的發(fā)展趨勢。這種多元異構性不僅體現在電源側，還表現在儲能側和負荷側，給微電網的優(yōu)化控制帶來了的挑戰(zhàn)。在電源側，微電網包括光伏、風電等間歇性可再生能源，以及燃料電池、微型燃氣輪機等可控分布式電源。不同類型電源的出力特性和控制要求差異顯著，如何優(yōu)化協調各電源出力，在保證電能質量和供電可靠性的同時實現經濟運行，是一個亟待解決的難題。在儲能側，微電網融合了電池、飛輪、電容等多種儲能形式。不同儲能裝置的動態(tài)響應特性、適用場景和優(yōu)化配置方法各不相同。如何根據微電網實際需求，優(yōu)化配置不同儲能類型的容量比例，協調控制儲能設備的充放電過程，以適應電源和負荷的隨機波動，提升微電網靈活性和可靠性，是一個富有挑戰(zhàn)性的課題。在負荷側，電動汽車、智能家電等新型負荷的大量接入，加劇了微電網負荷的多樣性和不確定性。

　　3含多種分布式電源和儲能的微電網控制技術

　　3.1分層協調控制技術

　　分層協調控制技術將控制系統分為全局優(yōu)化層、本地控制層和設備控制層3個層級，實現了不同時間和空間尺度下的協調控制。

　　（1）全局優(yōu)化層負責整個微電網的經濟優(yōu)化調度，根據負荷預測、電價信息和設備運行狀態(tài)制定*優(yōu)運行策略。

　　（2）本地控制層在全局優(yōu)化的基礎上對分布式電源和儲能設備進行實時控制，確保它們按照優(yōu)化調度指令運行。本地控制層利用模型預測控制、滑模控制等技術實現實時跟蹤控制。

　　（3）設備控制層直接與各個設備通信，執(zhí)行控制指令并反饋運行狀態(tài)。設備控制層采用基于智能體的分布式控制架構，通過智能電力電子設備直接控制逆變器和儲能變流器等設備。

　　采用分層協調控制方法能夠在保證系統穩(wěn)定運行的同時，實現微電網的經濟優(yōu)化調度，提高能源利用效率。以浙江景寧的綠色100%泛微網工程為例，這是國內應用主配微網協同的分層分級縣域電網模型，實現了對清潔能源的統一管控，*大化利用清潔能源。據介紹，該項目建成后，預計景寧縣域100%綠電供應時長將增加30%，電網損耗減少0.5%，新增新能源消納能力11×105kW·h，可為電網節(jié)省投資約1億元。景寧的案例充分展示了分層協調控制技術在實際應用中的可行性和效果，為其他地區(qū)的清潔能源利用和微電網管理提供了寶貴的經驗。

　　3.2多代理協同控制技術

　　多代理協同控制技術是微電網管理的一種*方法，將分布式電源、儲能設備和負荷視為獨立的智能代理。每個代理根據自身運行狀態(tài)和優(yōu)化目標，與其他代理進行信息交互和策略協商，在滿足全局優(yōu)化目標的同時實現自身利益*大化。這種技術通過引入市場機制，可實現分布式能源的交易和共享，促進微電網的經濟運行。各代理通過一致性算法、交替方向乘子法等分布式優(yōu)化算法，協同求解經濟調度和功率平衡問題。同時，多代理系統可引入增強學習技術，使代理能自主學習和適應環(huán)境變化，提高系統的自適應能力。以北京亦莊碳中和智慧園區(qū)的綠色微電網項目為例，該園區(qū)作為風電設備研發(fā)、制造基地，2022年總產值約1.06億元，總用電量約1.55×107kW·h。園區(qū)通過自主研發(fā)的智慧園區(qū)運營管理平臺，該系統實現了園區(qū)用能的智慧調配和自我調節(jié)。風電和光伏總發(fā)電量約7.8×106kW·h，其中7.25×106kW·h實現就地消納，可再生能源就地消納比例高達93%。該案例展示了多代理協同控制技術在實際工業(yè)園區(qū)中的成功應用，實現了多能互補和智能耦合，為類似的產城融合度高、土地資源集約利用的工業(yè)園區(qū)提供了可借鑒的智慧能源解決方案。

　　3.3基于模型預測的優(yōu)化控制技術

　　微電網的運行受負荷需求、天氣條件和電價等多種因素影響,具有較強的不確定性和隨機性。為應對這些挑戰(zhàn),可以采用基于模型預測的優(yōu)化控制技術。該技術通過建立微電網的動態(tài)模型,包括分布式電源、儲能設備、負荷和電網等元素，預測未來一段時間內的系統狀態(tài)和外部環(huán)境變化。在此基礎上，利用混合整數規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃和啟發(fā)式優(yōu)化等優(yōu)化算法求解*優(yōu)控制策略，包括分布式電源的儲力、儲能設備的充放電和負荷的調度等。模型預測控制技術可充分考慮系統的約束條件和優(yōu)化目標，如電壓、頻率、功率平衡和經濟效益等，實現微電網的安全、穩(wěn)定和運行。

　　同時，它還能通過滾動優(yōu)化與反饋校正機制，不斷更新優(yōu)化模型和控制策略，以靈活適應微電網運行狀態(tài)的變化情況?；谀Ｐ皖A測的優(yōu)化控制技術通過建立微電網的動態(tài)模型，預測未來一段時間內的系統狀態(tài)和擾動，并利用滾動優(yōu)化和反饋校正機制生成*優(yōu)控制策略。該技術采用混合邏輯動態(tài)系統理論，將微電網建模為連續(xù)狀態(tài)變量和離散事件驅動的混合系統[4]。在此基礎上，利用混合整數規(guī)劃、模型預測控制等方法，求解包含實時電價、風光功率預測等隨機因素在內的多階段優(yōu)化問題。

　　4 Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

　　4.1平臺概述

　　Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監(jiān)控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的*經驗，專門研制出的企業(yè)微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發(fā)電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩(wěn)定的基礎上以經濟優(yōu)化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩(wěn)定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

　　微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

　　4.2平臺適用場合

　　系統可應用于城市、公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統監(jiān)控和能量管理需求。

　　4.3系統架構

　　本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

　　5充電站微電網能量管理系統解決方案

　　5.1實時監(jiān)測

　　微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

　　系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設置等。

　　系統應可以對儲能系統進行狀態(tài)管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。

　　微電網能量管理系統的監(jiān)控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖1系統主界面

　　子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

　　5.1.1光伏界面

圖2光伏系統界面

　　本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統計、電站發(fā)電量年有效利用小時數統計、發(fā)電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　5.1.2儲能界面

圖3儲能系統界面

　　本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統PCS參數設置界面

　　本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統BMS參數設置界面

　　本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統PCS電網側數據界面

　　本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統PCS交流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統PCS直流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS狀態(tài)界面

　　本界面用來展示對PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態(tài)界面

　　本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

　　本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

　　5.1.3風電界面

圖12風電系統界面

　　本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數統計、發(fā)電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　5.1.4充電站界面

圖13充電站界面

　　本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

　　5.1.5視頻監(jiān)控界面

圖14微電網視頻監(jiān)控界面

　　本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

　　5.1.6發(fā)電預測

　　系統應可以通過歷史發(fā)電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發(fā)電計劃，便于用戶對該系統新能源發(fā)電的集中管控。

圖15光伏預測界面

　　5.1.7策略配置

　　系統應可以根據發(fā)電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態(tài)擴容等。

　　具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

　　5.1.8運行報表

　　應能查詢各子系統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

　　5.1.9實時報警

　　應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發(fā)出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

　　5.1.10歷史事件查詢

　　應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

　　5.1.11電能質量監(jiān)測

　　應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發(fā)現和消除供電不穩(wěn)定因素。

　　1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

　　2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

　　3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

　　4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

　　5）電壓暫態(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

　　6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

　　7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖20微電網系統電能質量界面

　　5.1.12遙控功能

　　應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

　　5.1.13曲線查詢

　　應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

　　5.1.14統計報表

　　具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的發(fā)電、用電、充放電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節(jié)能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統計報表

　　5.1.15網絡拓撲圖

　　系統支持實時監(jiān)視接入系統的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統拓撲界面

　　本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

　　5.1.16通信管理

　　可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監(jiān)測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

圖25通信管理

　　5.1.17用戶權限管理

　　應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

　　5.1.18故障錄波

　　應可以在系統發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發(fā)6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

　　5.1.19事故追憶

　　可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

　　用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監(jiān)視的數據點可由用戶隨意修改。

6.硬件及其配套產品

　　7結束語

　　隨著能源電力系統向清潔化、分布式、智能化方向發(fā)展，含多種分布式電源和儲能的微電網已成為能源變革的重要載體。文章圍繞微電網面臨的關鍵技術問題，提出了多時間尺度協調控制和靈活自主運行的系統解決方案。研究成果可為微電網規(guī)劃設計、優(yōu)化運行、需求響應等提供理論基礎和技術支撐，具有廣闊的應用前景。未來，還需進一步探索微電網群的協同互濟機制、源網荷儲的多能互補與優(yōu)化、安全可靠的信息物理融合架構等，助力能源互聯網的建設和發(fā)展。

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