WO2013040837A1 - 微电网系统计算机监控方法 - Google Patents

Abstract

一种适用微电网系统计算机监控方法，能够为含有风力发电、光伏发电、微型燃气轮机等分布式电源和储能单元的微电网系统提供监视与控制功能。该控制方法可以对整个微电网内设备运行状态进行监视，还可以根据当前微电网系统运行情况与外界应用请求制定相应的优化控制策略，针对分布式电源出力的特点，采用合理的能量管理优化技术使分布式电源得到最大利用，充分发挥微电网低碳、经济的优势。

Description

微电网系统计算机监控方法 技术领域

[0001] 本发明专利涉及一种适用于微电网系统的计算机监控方法， 能够为含有风力发电、 光 伏发电等分布式电源和储能单元的微电网系统提供监视与控制功能， 属于微电网综合自动化 技术领域。

背景技术

[0002] 新世纪来， 发展可再生能源已经成说为国际社会应对能源危机、 环境保护和自然灾害等 问题的重要举措。 分布式发电作为可再生能源利用的一种重要形式， 在世界范围了得到了快 速的发展。 分布式发电的大规模接入对传统电力书系统的运行和管理带来了新的问题， 而微电 网能够对分布式发电实现有效的整合及灵活、 智能的控制， 是解决分布式发电并网问题的一 种重要的技术手段， 近年来得到了普遍的关注。

[0003] 微电网作为促进可再生能源的友好接入的一种技术手段， 是智能电网重要的组成部 分。 近年来， 我国能源行业对微电网的关注程度日趋增高， 目前已有多个企业单位开展了微 电网试点工程的建设， 在商业街区、 智能小区、 工厂厂房以及偏远农牧区均有规划试点， 部 分项目已经建成并投入运行。 风光资源、 分布式电源、 储能单元及用电负荷的多样化， 给微 电网综合自动化监控技术提出了更高的要求。

发明内容

[0004] 微电网监控系统对整个微电网内设备运行状态进行监视， 还将根据当前系统运行情况 与外界应用请求制定相应的运行控制策略， 针对分布式电源出力的特点， 采用合理的能量管 理优化技术使分布式电源得到最大利用， 充分发挥微电网低碳、 经济的优势。

[0005] 为实现上述技术要求， 本发明采用技术方案如下： 微电网系统计算机监控方法， 能够 为含有风力发电、 光伏发电、 微型燃气轮机等分布式电源和储能单元的微电网系统提供监视 与控制功能。

[0006] 本发明公开的监控方法可以对整个微电网内设备运行状态进行监视， 还可以根据当前 微电网系统运行情况与外界应用请求制定相应的优化控制策略，针对分布式电源出力的特点， 采用合理的能量管理优化技术使分布式电源得到最大利用， 充分发挥微电网低碳、 经济的优 势。 该监控系统可以根据实际需求分为三层结构和两层结构两种不同模式， 监控方案设计更 加灵活。

附图说明 [0007] 下面结合附图对本发明专利作进一步的说明。

[0008] 图 1为典型 400V低压母线微电网结构图。

[0009] 图 2为三层微电网监控系统典型结构图。

[0010] 图 3为两层微电网监控系统典型结构图。

具体实施方式

[0011] 1.名词解释

分布式发电通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的小型模块化、 分散式布置在用户附近的 高效、 可靠的发电单元。 主要包括： 以液体或气体为燃料的内燃机、 微型燃气轮机、 太阳能 发电（光伏发电、 光热发电）、 风力发电、 生物质能发电等， 在我国主要以光伏发电和风力发 电为主。

[0012] 微电网是一种由分布式发电、 储能和负荷共同组成的低压系统。 微电网内部的电源主 要由电力电子设备实现电能的变换， 并提供必需的控制。 微电网相对于外部电网表现为单一 的自治受控单元， 可同时满足用户对电能质量和供电安全方面的需求。

[0013] 储能技术主要有物理储能（如抽水蓄能、 压缩空气储能、 飞轮储能等）、化学储能（如 各类蓄电池、 锂电池、 燃料电池、 液流电池、 超级电容器等） 和电磁储能 （如超导电磁储能 等） 等。 储能系统一般由两大部分组成： 由储能元件组成的储能装置和由电力电子器件组成 的电网接入装置。 储能装置主要实现能量的储存、 释放或快速功率交换。 电网接入装置实现 储能装置与电网之间的能量双向传递与转换， 实现电力调峰、 能源优化、 提高供电可靠性和 电力系统稳定性等功能。

[0014] 无功功率补偿， 简称无功补偿， 在供电系统中起提高电网的功率因数的作用， 降低供 电变压器及输送线路的损耗， 提高供电效率， 改善供电环境。

[0015] 气象环境监测功能一般由微型气象站完成， 对现场实时气温、 湿度、 风速、 风向、 气 压、 太阳能辐射量、 日照时数、 是否降雨等与微电网发电强相关的气象环境进行监测。 光伏 组件温度等微电网运行环境参数由相应的测量装置完成。

[0016] 有源滤波器 （APF) 是利用可关断电力电子器件， 产生与负荷电流中谐波分量大小相 等、 相位相反的电流来抵消微电网系统内由电力电子变流装置引起的谐波电流的滤波装置。

[0017] 2.典型 400V低压母线微电网结构

图 1是一个典型 400V低压母线微电网结构图， 包含分布式发电单元， 储能系统， 负荷， 并 网开关， 电能质量监测装置、 环境监测， 监控系统等部分组成。 在典型的 400V低压微电网 结构中， 所有的分布式电源、 储能、 无功补偿器、 用户负荷都连接到低压 400V母线， 并通 过并网开关与外部配电网联接， 可实现离网与并网运行模式之间的平滑切换。

[0018] 在结构上， 微电网可以视作由若干 "支路"组成。 支路是指包含一个 400V低压接入 开关、 一个主设备 （光伏逆变器、 通用变流器， 储能变流器、 负荷、 APF、 无功补偿器、 电 能质量监测装置、 公共联接点） 及附属设备 （电能表） 的一个物理设备集合。 支路是相关设 备的逻辑组合， 支路的提出主要是为了将设备在逻辑上进行分组， 便于微电网的监控分析和 应用功能实现。

[0019] 微电网中的分布式发电单元多为小型电源， 它们接在用户侧， 具有成本低、 电压低、 低排放等特点。 其主要可以分为两类， 一类是经电力电子接口接入的分布式电源 （<100kW) 的机组， 如光伏发电， 风力发电， 储能装置等， 另一类为旋转设备， 以传统方式直接并网， 如分轴式微型燃气轮机， 柴油机等。 为了最大利用清洁能源， 光伏发电， 风力发电一般均按 最大输出功率方式工作， 因此其出力大小只与资源状况有关， 一般不限制出力。 此外， 微电 网内电能质量应满足国家相关标准， 在微电网内设置有源滤波装置和无功补偿装置， 分别对 微电网内电能质量和无功功率进行合理的调节。

[0020] 微电网中的储能装置目前以能量型电池储能装置为主， 在某些场合， 为了满足特殊用 户电能质量需求， 辅助以超级电容、 飞轮等功率型储能装置。 在微电网并网运行时， 储能装 置在微电网协调控制器或能量管理系统的控制下， 平抑光伏、 风力发电出力波动， 调节微电 网并网点功率交换。 在微电网离网运行时， 储能装置作为离网系统的功率平衡单元， 弥补分 布式发电单元出力与用电负荷之间的功率差额， 维持微电网稳定运行。 储能装置还作为微电 网离网运行时的主电源， 提供系统离网运行时的电压和频率， 在离网运行中发挥电压和频率 控制作用。

[0021] 微电网中的用电负荷根据其重要程度，可以将其分为可切负荷，可控负荷与敏感负荷。 敏感负荷对电能质量要求较高， 要求微电网提供连续不中断供电； 可控负荷接受控制， 在必 要的情况下可以中断供电， 停止运行； 可切负荷是指一些对供电可靠性要求不高的负载， 可 以随时切除。 就图 1而言， 一般情况下， 敏感负荷和可控负荷供电要求较高， 外部配电网故 障时， 并网点处的并网开关会快速动作使重要负荷与故障隔离且不间断正常供电， 而可切负 荷， 系统则会根据网络功率平衡的需求， 在必要的时候切除。

[0022] 微电网并网点所在的位置， 一般选择为配电变压器的低压侧或主网与微电网的连接点 处。 在并网点处， 设有电能质量监测装置， 保证微电网的并网点各项技术指标满足相关技术 规范的要求。

[0023] 微电网电能质量监测系统由安装在各个支路的电能质量监测装置组成， 及时收集各条 支路的电能质量信息上送至微电网监控系统， 供其作出正确的策略。 鉴于图 1所示的微电网 结构， 所有设备都并联在同一根母线上， 其电压水平相同， 因此电能质量监测装置在母线处 监测母线电压电能质量水平， 在各支路上设置监测点， 监测各支路流经电流的电能质量水平。 微电网电能质量监测仪收集微电网电能质量实时数据， 上送至微电网监控系统。

[0024] 3.微电网系统监控需求

本微电网监控系统的主要功能分为三大部分， 数据采集与监控功能， 运行控制功能和优化控 制功能。

[0025] ( 1 ) 数据采集与监控功能

主要完成微电网的运行数据采集、 运行数据处理、 公式计算、 告警处理、 画面显示、 曲线显 示、 简单控制、 报表打印、 时钟同步、 权限管理、 拓扑着色以及网页浏览功能。

[0026] 微电网可以看作是由风力发电支路、 光伏发电支路、 储能支路、 无功补偿支路、 负荷 支路、 有源滤波支路、 并网支路等， 所有支路通过 400V母线汇集。 所有设备的信息都以支 路为单位上送到微电网监控系统， 具体数据如下：

(a) 光伏支路：

直流汇流箱 /柜： 电池串直流电压、 电流、 功率， 直流汇流箱母线电压、 电流、 状态； 光伏逆变器： 各逆变器直流输入电压、 电流， 交流输出电压、 电流、 频率、 谐波， 时钟， 逆 变器状态； 交流汇流柜状态；

支路数据： 支路开关状态， 电压、 电流、 频率（可选）， 支路当前有功功率、 无功功率、 功率 因数， 日发电量， 累积发电量， 电能表状态；

(b) 风电支路

风机控制器： 子转速， 叶轮转速， 偏航方向， 调桨角度， 输出交流电压、 电流、 频率、 当前 发出有功功率、 无功功率、 功率因数， 风机发出总电量， 风机状态；

风机逆变器： 各逆变器直流输入电压、 电流， 交流输出电压、 电流、 频率、 谐波， 时钟， 逆 变器状态； 交流汇流柜状态；

支路数据： 支路开关状态， 电压、 电流、 频率（可选）， 支路当前有功功率、 无功功率、 功率 因数， 日发电量， 累积发电量， 电能表状态；

(c) 储能系统支路

电池堆： 正负母线对地绝缘值、 电池串电流、 各电池串效率和循环次数、 电池堆充放电电量 及其剩余容量和可用容量、 电池串充放电电量及其剩余容量与可用容量、 电池串中各电池箱 平均电压和温度 双向变流器： 交流侧输出三相电压、 三相电流、 输出电量、 输出功率、 输出有功功率、 输出 有功电量、 输出无功功率、 输出无功电量、 交流侧功率因数、 直流侧电压、 直流侧电流、 直 流侧功率、 直流侧充电量、 直流侧放电量， 双向变换器效率、 工作状态 （启 /停）、 运行模式

(并离网）、 运行状态 （充放电）。

[0027] 支路数据： 支路开关状态， 电压、 电流、 频率 （可选）， 支路当前有功功率、 无功功 率、 功率因数， 日发电量， 累积发电量， 电能表状态；

(d) 微型燃气轮机支路

微型燃气轮机本体： 燃料进气量， 转子转速， 输出电压、 电流、 功率因数， 输出功率， 发电 机状态， 冷热机排气量、 输出功率、 冷热机状态、 燃气温度、 燃机工作温度；

双向变流器： 各变换器直流输入电压、 电流， 交流输出电压、 电流、 频率、 谐波， 时钟， 变 换器器状态； 交流汇流柜状态；

支路数据： 支路开关状态， 电压、 电流、 频率（可选）， 支路当前有功功率、 无功功率、 功率 因数， 日发电量， 累积发电量， 电能表状态；

(e) 负荷支路

负荷组件： 负荷端电压， 电流、 功率因数， 当前负荷量， 每小时负荷量， 每日负荷量， 当前 负荷预测值， 负荷状态， 负荷点各装置状态；

支路数据： 支路开关状态， 电压、 电流、 频率（可选）， 支路当前有功功率、 无功功率、 功率 因数， 日发电量， 累积发电量， 电能表状态；

(f) APF支路

APF数据： 补偿前电流总谐波失真， 补偿电流， 补偿后电流总谐波失真， 补偿后电流有效值， 电压， 频率， 功率因数；

支路数据： 支路开关状态， 电压、 电流、 频率（可选）， 支路当前有功功率、 无功功率、 功率 因数， 电能表状态；

(g) 无功补偿支路

静止无功补偿器： 电容器容量， 投切状态， 投切前端电压， 投切后端电压， 输出电流， 频率， 功率因数， 是否自动控制；

支路数据： 支路开关状态， 电压、 电流、 频率（可选）， 支路当前有功功率、 无功功率、 功率 因数， 电能表状态；

( ) 并网点支路

微电网侧： 微电网侧电压， 电流， 相角， 频率， 功率因数， 有功功率， 无功功率； 外电网侧： 大电网侧电压， 电流， 相角， 频率， 功率因数， 有功功率， 无功功率； 支路数据： 并网开关状态， 保护状态， 支路当前有功功率、 无功功率、 功率因数， 电能表状 态；

( 环境监测支路

支路数据： 现场实时气温、 湿度、 风速、 风向、 气压、 太阳能辐射量、 日照时数、 光伏组件 温度、 是否降雨和各测量仪器的状态。

[0028] (2) 运行控制功能

微电网的运行状态可以分为并网运行和离网运行两个稳定运行状态， 并 /离网模式切换和离 / 并网模式切换两种过渡状态， 同时微电网还存在两种异常运行状态： 微电网故障或检修运行 状态， 微电网负荷大电网直接供电状态。 运行控制包括微电网并网运行运行控制、 离网运行 运行控制， 并 /离网模式切换和离 /并网模式切换。

[0029] 微电网并网运行时， 运行控制策略分为基本控制策略和复合控制策略。 基本控制策略 包括有功功率控制、 无功功率控制、 电能质量治理； 复合控制策略可以是基本控制策略的组 合， 也可以针对系统某个运行优化目标。

[0030] 微电网离网运行时， 由于没有外部电网提供电压 /频率支撑， 所以需要内部设备相互协 调， 按照指定的电压 /频率参数运行。 因此微电网离网运行控制主要是有功功率控制， 其次是 无功功率控制和电能质量治理。

[0031] 微电网并网运行时， 监控系统实时分析上送的各种运行数据， 当检测到外部电网出现 故障或收到切换指令时， 监控系统对当前系统运行状况作出判断， 根据微电网离网运行方式 选择有缝切换方式或无缝切换方式， 按照一定顺序控制相关设备完成微电网并 /离网运行模式 切换， 控制微电网进入稳定离网运行状态。

[0032] 在微电网离网运行时，监控系统实时检测外部电网运行情况，一旦外部电网恢复供电， 微电网启动并网流程， 收到允许的回复后启动离 /并网模式切换程序， 按照设置选择有缝切换 模式或者无缝切换模式， 按拟定的模式切换程序投切各设备， 转换主电源运行模式， 实现微 电网顺利重新并网运行。

[0033] ( 3 ) 优化控制功能

微电网优化控制技术， 充分考虑可再生能源随机性、 微电网运行稳定性、 储能充放电能力， 根据微电网内的分布式能源系统组合建立模型， 选择合适的控制量， 进行多元能量的协调管 理， 将需求侧管理与能量管理相结合， 选择合适的可控量进行控制。 同时， 在并网运行条件 下， 微电网接受配电网调度根据实际情况对微电网运行进行调整。 [0034] 微电网监控系统中的优化控制功能， 在对微电网运行状态做出评估后， 根据微电网的 实时情况和外界命令， 确定一个微电网优化运行目标， 根据优化目标提出优化运行方法， 根 据优化运行方法给出运行控制策略， 并将运行控制策略下发给微电网协调控制器执行。

[0035] 4.微电网监控方案

一般说来， 微电网监控系统结构可分为三层， 由微电网能量管理系统， 微电网协调控制器、 微电网设备就地控制器组成， 在微电网容量小、 结构简单的情况下， 监控系统结构由微电网 能量管理系统， 微电网设备就地控制器两层组成， 微电网能量管理系统将同时完成协调控制 器和能量优化管理的功能。

[0036] ( 1 ) 三层结构

三层微电网监控系统典型结构见附图 2左所示， 由微电网能量管理系统， 微电网协调控制器、 微电网设备就地控制器三层结构构成。 微电网能量管理系统与微电网协调控制器采用以太网 接口， 通过 104规约进行通信。 根据微电网内各设备实际情况， 微电网协调控制器与就地控 制器之间的通信方式包括 RS485、 光纤、 以太网等， 并可能采用多种通信规约。

[0037] (a)微电网能量管理系统

微电网能量管理系统接受电网调度 /控制指令， 通过优化计算形成各个微电网协调控制器的综 合运行控制指令， 下发给微电网协调控制器； 同时收集分析微电网协调控制器上送的各微电 网子系统运行信息， 评估当前微电网运行状态， 并可上送结果至外电网监控系统。

[0038] 微电网能量管理系统主要用于微电网优化调度和能量管理， 如图 2右所示。 其主要功 能是协调微电网运行， 使其对于主电网表现为电气外特性单一， 可灵活调度的可控单元。 根 据调度指令， 参考分布式发电单元出力预测和负荷预测结果， 考虑当前微电网实际运行状态， 按照一定的优化目标， 制定微电网子系统控制策略。

[0039] 无论微电网处于何种稳定的运行状态， 微电网能量管理系统都将在保证系统安全稳定 运行的情况下， 尽可能的利用分布式电源， 协调安排分布式发电单元并网运行， 充分利用储 能装置的充放电特性， 平衡分布式发电单元出力波动， 制定微电网无功调整方案， 满足电能 质量要求。

[0040] (b) 微电网协调控制器

微电网协调控制器是微电网监控系统的重要部分， 完成微电网的运行控制和模式切换， 在保 证微电网安全稳定的前提下， 按时读取微电网能量管理系统下发的综合控制曲线， 转换成各 设备指令， 下达给各就地控制器执行， 实现并网、 离网的稳定运行， 并 /离网、 离 /并网的平滑 切换和有缝切换。 在执行微电网能量管理系统控制策略的过程中， 协调控制器根据微电网各 设备运行情况， 参考自身所辖的分布式发电单元出力预测和负荷预测结果， 对各运行设备进 行调整， 使微电网运行达到优化目标。 在执行微电网能量管理系统控制策略的同时， 微电网 协调控制器采集微电网实时运行数据， 并上报至微电网能量管理系统。 微电网协调控制器可 由嵌入式控制系统实现。

[0041] (c)微电网就地控制器

微电网就地控制器由所有针对负荷和线路的测控保护设备和分布式电源控制器组成， 具体包 括负荷控制器、 分布式发电单元控制器、 储能控制器， 在微电网离网运行时， 微电网就地控 制器还将包括主电源控制器。

[0042] 负荷控制器接受并执行微电网协调控制器下达的指令， 投入切除负荷， 负荷控制器将 负荷运行信息实时上送至协调控制器， 供其参考。

[0043] 分布式发电单元控制器主要指光伏逆变器控制系统、 风电变流器控制系统、 柴油机控 制系统， 微型燃气轮机变流器等， 分布式发电单元控制器接受协调控制器下发的指令， 调整 其并网接口的控制信号， 转换分布式发电单元运行方式和出力大小， 满足微电网实时运行需 要。 同时分布式发电单元控制器将分布式发电单元运行数据按时上送至微电网协调控制器， 为其制定运行控制策略提供参考。

[0044] 储能控制器是指储能变流器控制系统， 储能控制器严格执行微电网协调控制器下达指 令曲线， 进行充放电操作， 起到稳定分布式发电输出， 参与系统削峰填谷的作用。 同时储能 控制器上送储能设备实时运行信息至协调控制系统， 为其制定运行控制策略提供参考。

[0045] 本发明在微电网离网运行时采用主从控制策略，系统中的主电源将以电压 /频率方式运 行， 提供微电网运行所需的电压 /频率参数。离网运行时， 协调控制器下达相应的电压 /频率参 数交由主电源控制器执行， 稳定微电网运行参数。 同时主电源控制系统实时采集主电源设备 运行信息， 供协调控制器参考。 在并网运行模式下， 由于微电网的电压 /频率参数由外部电网 决定， 因此不需要专门的设备提供运行参数参考值， 因此主电源将按有功 /无功方式运行， 执 行系统控制器下达的功率指令曲线。 主电源控制器实时收集设备运行信息， 上送至微电网协 调控制器。

[0046] (2) 两层结构

在微电网容量较小， 其组成结构相当简单的情况下， 从节约成本、 简化监控系统结构的角度 出发， 可不单独配置微电网协调控制器， 而是将微电网协调控制功能整合到微电网能量管理 系统中， 由微电网能量管理系统的协调控制和模式切换功能模块发挥协调控制器的作用， 集 中管理微电网内各类分布式电源、储能和负荷， 按照既定控制策略实施微电网协调控制策略， 实现微电网稳态安全运行； 及时响应上级调度指令进行并离网模式切换； 在主电网故障时自 动离网运行； 与上级调度保持通信， 及时上传系统实时运行情况， 接受主网调度指令。 这时 微电网监控系统则由就地控制器， 微电网能量管理系统组成， 除了微电网能量管理系统承担 起协调控制器的功能外， 就地控制器的功能并未改变。 两层结构监控系统如图 3所示。

[0047] 两层微电网监控系统通信主要存在于微电网能量管理系统与就地控制器之间。 微电网 能量管理系统的前置机可直接接入以太网或通过终端服务器接入 RS485 , 就地控制器如采用 光纤等其他通信方式， 需转换为以太网后接入微电网能量管理系统前置机。

Claims

权 利 要 求 书

1. 微电网系统计算机监控方法， 其特征在于，

(a) 微电网能量管理系统接受电网调度 /控制指令， 通过优化计算形成各个微电网协调控制器 的综合运行控制指令， 下发给微电网协调控制器； 同时收集分析微电网协调控制器上送的各 微电网子系统运行信息， 评估当前微电网运行状态， 并可上送结果至外电网监控系统；

(b) 微电网协调控制器， 完成微电网的运行控制和模式切换， 在保证微电网安全稳定的前提 下， 按时读取微电网能量管理系统下发的综合控制曲线， 转换成各设备指令， 下达给各就地 控制器执行， 实现并网、 离网的稳定运行， 并 /离网、 离 /并网的平滑切换和有缝切换； 在执行 微电网能量管理系统控制策略的过程中， 协调控制器根据微电网各设备运行情况， 参考自身 所辖的分布式发电单元出力预测和负荷预测结果， 对各运行设备进行调整， 使微电网运行达 到优化目标； 在执行微电网能量管理系统控制策略的同时， 微电网协调控制器采集微电网实 时运行数据， 并上报至微电网能量管理系统；

(c) 微电网就地控制器由所有针对负荷和线路的测控保护设备和分布式电源控制器组成，包括 负荷控制器、 分布式发电单元控制器、 储能控制器， 在微电网离网运行时， 微电网就地控制 器还将包括主电源控制器；

负荷控制器接受并执行微电网协调控制器下达的指令， 投入切除负荷， 负荷控制器将负荷运 行信息实时上送至协调控制器， 供协调控制器参考。