微电网能量管理系统功能结构体系研究与设计_牛焕娜

用电管理 集中抄表
电能质量监测
用户用电 分析
电能质量指标 评估分析
实时数据库
实时遥测/ 遥信数据
用户发/用电计划
历史数据库
历史运行 数据
SCADA
图 2 微电网能量管理系统软件功能体系结构图 Fig.2 Software functional architecture diagram of microgrid energy management system
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对发电、储能、负荷等进行调度控制。另外，物理元 件层也可以根据本地信息做出局部决策， 实现电 压、频率的单元级就地调节，称为就地分散控制。 能量管理中心主站层是决策层， 根据元件层上传 的微电网运行信息， 通过安全稳定分析和能量优 化调度分析，做出系统级决策，并将其控制策略下 发到相应的物理元件执行。
摘 要： 根据微电网技术发展的需要，提出了一套较为完善的智能微电网能量管理系统功能体系结构。 首先设 计系统物理架构，进而提出了 M-EMS 软体功能体系结构，最后对微电网的功能模块涵盖的内容进行了介绍，为 原型系统的开发及工程实现奠定基础。 关键词： 微电网能量管理系统(M-EMS) ；物理架构；软件功能体系结构；微电网调度与控制；用电管理 中图分类号： TM 926 文献标志码： A 文章编号： 1671-5292（2013）06-0047-05
用电管理部分的主要任务是在满足用户对电 能质量、 供电可靠性要求基础上， 实现电网电力 流、信息流和业务流的实时互动，建立新型的供用 电关系。 用电管理包括电能质量监测、集中抄表、 用户互动 3 大功能模块。 电能质量监测模块的主 要任务是完成电能质量数据的测量、记录和分析，
并且能够实现对不同干扰源的定位分析。 集中抄 表模块的主要任务是为电力营销业务和调度业务 提供基础数据，并实现用电分析功能。用户互动模 块的目标是实现有序用电和经济用电， 分别对发 电用户和普通用户提供电价信息、 用电和供电信 息双向互动支持， 并实现智能发电用户与微电网 能量优化调度的互动。
为实现微电网系统级能量管理， 借鉴传统电 力系统分层分布控制的思想， 设计微电网能量管 理中心作为主站层、 各测控终端单元作为物理元 件层的两层控制结构， 微电网智能控制系统物理 架构如图 1 所示。
防火墙
运行管理 工作站
实时监控 工作站
中心主站层
大屏幕 投影仪
网络 打印机
数据库 服务器
前置机 服务器
收稿日期： 2012-11-02。 基金项目： 国家高技术研究发展计划项目（2012AA050217）。 作者简介： 牛焕娜（1976-），女，博士研究生，主要从事电力系统运行与控制、微电网技术研究。 E-mail：32450661@qq.com
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可再生能源
2013，31（6）
态以及单元级发电/储能的控制，对微电网系统级 能量管理系统的研究还处于理论起步阶段。 文献 [8] 重点研究了微网网络结构和分布式电源单元 级 接 口 ； 文 献 [9]，[10] 对 微 网 中 分 布 式 电 源 与 储 能 的模型与出力预测、 逆变器控制仿真等方面进行 了 分 析 和 研 究 ；文 献[11]，[12]介 绍 了 所 建 设 的 微 网试验综合平台， 并重点研究了微网并网控制和 综合调度方法。
物理元件层是微网的最底层， 包括风力发电 单元、 光伏发电单元、 其它类型分布式发电单元 （如柴油发电机、燃料电池、微型燃气轮机等）、储 能单元、智能用户管理单元、负荷测控 单 元 、PCC 保护测控单元等。 物理元件层负责向能量管理中 心提供微电网内各元件当前的运行状态数据，同 时接收能量管理中心主站下发的决策信息指令，
取得一定的研究成果。 欧洲分别针对集中控制式 和 分 散 控 制 式 微 网 系 统 框 架 展 开 研 究 ， 文 献 [3] 提 出了一种智能能量管理系统以优化微网的成本和 效率为目标， 每个微网为一个独立的代理并拥有 互 动 和 决 策 机 制 ； 文 献 [4] 研 究 了 基 于 多 代 理 系 统 技术的微网能量管理框架， 该框架集成了多个功 能，能够适应微网的复杂和规模，采用多代理强化 学习算法实现微网的孤岛运行； 日本已开发了能 量管理软件在投入所建的示范工程中应用[5]~[7]。 而 国内关于微电网的研究， 主要偏向于网络结构形
第 31 卷 第 6 期 2013 年 6 月
可再生能源
Renewable Energy Resources
Vol.31 No.6 Jun. 2013
微电网能量管理系统功能 结构体系研究与设计
牛焕娜 1， 黄秀琼 2， 杨仁刚 1， 唐云峰 1， 冯小明 1， 杨明皓 1 （1.中国农业大学 信息与电气工程学院， 北京 100083； 2.广西电网公司， 广西 南宁 530023）
综上所述， 微电网研究领域目前还未见对微 电网系统级能量管理体系的研究与设计文献。 本 文针对含分布式发电、储能、智能用户、负荷的微 电网能量管理系统展开研究， 借鉴传统电力系统
分层分布控制的思想设计其控制框架结构； 充分 继承传统电力系统 EMS 功能结构体系，并结合微 电网自身特点， 提出一种较为完善的智能微电网 功能体系结构，并着重介绍实时安全稳定控制、能 量优化调度、故障自愈、电能质量监测、集中抄表、 用户互动等关键功能模块应涵盖的内容。 1 系统物理架构
风力 发电机
光端机 其它发电单元
测控终端
并网 逆变器
其它类型 发电机
光端机
储能单元 测控终端
光端机
智能用户 测控管理终端
储能双向 逆变器
蓄电池等 储能系统
户用 负荷
双向 逆变器
户用光伏 发电
户用风力 发电机
蓄电池
图 1 微电网智能控制系统物理架构示意图 Fig.1 Physical structure diagram of microgrid intelligent control system
理元件层数据上传下达的传输模块，以数据库为 系统实时数据与历史数据的交换存储基地，实现 微电网的实时安全稳定控制、故障自愈、能量优化 调度、用户双向户动、集中抄表、电能质量监测等 高级应用决策功能，其体系结构如图 2 所示。 该 M-EMS 软件功能体系结构分为“微电网调度与控 制”和“用电管理”2 部分。
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用模块分析结果数据等。 3 微电网调度与控制 3.1 实时安全稳定控制
微电网在并网以及孤网运行模式下的控制， 不仅包括物理元件层的毫秒级就地式分散控制， 还包括从系统整体上协调网内潮流、电压、频率的 秒级即时控制，以保证微电网的安全稳定运行。微 电网内分布式电源多通过电力电子接口(逆变器) 的快速调节并网，系统惯性小或无惯性，承受负载 功率波动能力差；另外，微网内各类型分布式电源 容量及内特性的差异，造成并网后电压/频率波动 以及电源/储能间的环流功率，在微电网孤岛运行 模式下，这种波动更加明显。 因此，需要在分析网 内潮流的基础上， 依靠有效的系统级协调控制手 段施治。
故障自愈控制与能量优化调度 3 大功能模块。 实 时安全稳定控制与故障自愈控制目标是维持微电 网的安全稳定运行，为秒级实时分析决策模块，通 过实时数据库快速从 SCADA 获取全网实时运行 数据，并通过 SCADA 模块下发决策控制指令；能 量优化调度模块目标是维持微电网经济运行，除 了通过实时数据库获取全网当前运行数据外，还 需要对通过历史数据库获取的微电网历史运行数 据、用户互动信息和气象等数据进行预测、分析， 完成多时间尺度的最优发电计划的制定， 并通过 数据库、网络通信或 SCADA 系统下发调度计划。
SCADA 主要任务是实时采集 微 电 网 数 据 并 监视其状态， 是 M-EMS 与微电网物理系统联系 的总接口。 对上通过数据库向各高级应用模块提 供实时数据和历史运行数据； 对下向物理元件层 发送高级应用模块的决策控制指令。 数据库系统 是各功能软件进行数据交换、存储的基地，是把各 功能软件联成 M-EMS 有机整体的关键部分。 实 时数据库主要存放实时量测数据、 高级应用模块 间需实时交换的计算数据等； 历史数据库主要存 储设备参数、历史运行数据、地理气象数据、各应
微电网调度与控制分为实时安全稳定控制、
微电网调度与控制
实时安全稳定
故障自愈
控制
控
制
P/U/f 协 调 控 制
指
令
在线潮流计算
故障识别/ 自愈恢复控制 /黑启动控制
在线状态估计
网络拓扑分析
能量优化调度
多时间尺度 发/储/用电 最优计划
多时间尺度 发/用电预测
用户互动
普通 用户 有序 用电 方案
智能 用户 发/ 用电 优化 计划
0 引言 微电网为分布式发电的综合利用提供了一种
有效的技术手段 。 [1],[2] 微电网系统是由分布式电 源、储能单元、负荷以及监控、保护装置组成的集 合，具有局部能量平衡、灵活的并网或孤网运行方 式、可调度性能强等优点，并且能充分满足用户对 电能质量、供电可靠性和安全性的要求，已经成为 智能电网的一个重要组成部分。 微电网安全经济 的运行方式与高质量的供电服务， 离不开完善的 能量管理系统。目前，国外的相关科研组织对此已
光纤以Baidu Nhomakorabea网 转换器
光端机
双向 数据传输
光纤 通信通道
高级分析应用 服务器
WEB 发 布 服务器
光端机
保护控制 一体化终端
光端机
负荷 管理终端
PCC
微网与主 网公共连 接点开关
微网与主 网公共连 接点开关
一般负荷
光端机 光伏发电单元
测控终端 AC
DC
光伏阵列
光端机
风力发电单元 测控终端
AC DC
DC AC
牛焕娜，等 微电网能量管理系统功能结构体系研究与设计
微电网系统的通信体系是数据传输的通道， 为保证运行数据及决策指令上传下达的高速性 及可靠性，通信主干网较适宜采用双环自愈光纤 网，各单元控制终端通过光端机节点经光纤串联 组成环路连接至能量管理中心。 2 软件体系结构
微电网能量管理系统 M-EMS 软件功能体系 结构设计思想： 以 SCADA 功能模块为系统与物
Abstract： An improved functional architecture system of smart microgrid energy management system is proposed in this paper. First, according to the layered and distributed idea, the system is divided into physical components layer and the central station layer; and then a M-EMS functional architecture system is proposed, function and interaction of the component modules are introduced. It lays a foundation to realize development and engineering of prototype system. Key words： microgrid energy management system(M-EMS)； physical structure； software functional architecture； scheduling and control of microgrid； power use management
Research and design of functional architecture system in microgrid energy management system
NIU Huan-na1， HUANG Xiu-qiong2， YANG Ren-gang1， TANG Yun-feng1， FENG Xiao-ming1， YANG Ming-hao1
（1.China Agricultural University, College of Information and Electrical Engineering, Beijing 100083, China； 2.Guangxi grid corporation, Nanning 530023, China）