智能微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)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(zhì)量要求的逐漸提高，傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電方式由于其結(jié)構復雜、負荷特性恒功率化等缺陷已經(jīng)不能滿足與可再生能源共生發(fā)展的需要[1]。隨著發(fā)電規(guī)模趨于多樣化和分散化，能夠集成分布式發(fā)電的新型電網(wǎng)——微電網(wǎng)應運而生[2- 5]，它能夠節(jié)省投資、降低能耗、提高系統(tǒng)安全性和靈活性，是未來的發(fā)展方向。

微電網(wǎng)是由分布式電源、儲能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控和保護裝置、負荷等匯聚而成的小型發(fā)、配、用電系統(tǒng)，也稱微網(wǎng)。微電網(wǎng)具備完整的發(fā)電和配電功能，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和能量管理的自治系統(tǒng)。微電網(wǎng)可以與主網(wǎng)連接，也可以單獨運行，當電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，孤島模式能夠提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6- 7]。智能微電網(wǎng)的關鍵技術主要包括：可再生能源發(fā)電技術、儲能技術、微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度技術、電容器故障監(jiān)測及微電網(wǎng)保護控制技術等[8- 13]。

中央為推進能源生產(chǎn)和消費革命，構建清潔低碳、安全高效能體系的戰(zhàn)略要求，并推進并網(wǎng)型微電網(wǎng)建設的技術，由國家發(fā)展改革委和國家能源局確定了全國28個新能源微電網(wǎng)示范項目[14]。甘肅酒泉肅州區(qū)新能源微電網(wǎng)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?shù)赜秒姵杀荆龠M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(wǎng)和實現(xiàn)大用戶直供電為突破口，支持社會資本參與新能源、配電網(wǎng)和儲能設施建設運營，大力引進環(huán)保型耗能產(chǎn)業(yè)落地試驗區(qū)，實現(xiàn)光電資源開發(fā)、應用一體化發(fā)展，切實促進電能就地消納，從而破解經(jīng)濟發(fā)展新常態(tài)下能源發(fā)展面臨的傳統(tǒng)能源產(chǎn)能過剩、可再生能源發(fā)展瓶頸制約、能源系統(tǒng)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(chǎn)業(yè)園深度融合的微電網(wǎng)示范區(qū)。

下面以此項目為背景介紹智能微電網(wǎng)及能量管理系統(tǒng)的結(jié)構及功能設計。

2 智能微電網(wǎng)系統(tǒng)總體設計方案

甘肅酒泉肅州區(qū)新能源微電網(wǎng)利用東洞灘光伏基地C區(qū)建設60MWp光伏發(fā)電站為微電網(wǎng)內(nèi)負荷提供清潔電能，供電區(qū)域內(nèi)負荷含常規(guī)電力負荷及供熱電力負荷，其中常規(guī)電力負荷約20MW、供熱負荷約3.2MW，總負荷約20MW(考慮常規(guī)負荷與供熱負荷的同時率)。為充分消納微電網(wǎng)內(nèi)60MW光伏發(fā)電站發(fā)出的電能，微電網(wǎng)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(fā)電等新能源電量來彌補。

肅州區(qū)微電網(wǎng)總負荷為20MW，采用35kV電壓等級與電網(wǎng)并網(wǎng)，微電網(wǎng)供電區(qū)域采用10kV配電網(wǎng)進行供電。在微電網(wǎng)供電區(qū)域內(nèi)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(qū)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(lián)絡線。

3 智能微電網(wǎng)工程運行

3.1 微電網(wǎng)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(wǎng)運行方案，微電網(wǎng)中存在兩個流。第一個流是在源、網(wǎng)、荷、儲中流動的能量流。在本微電網(wǎng)方案中，“源”為60MWp光伏發(fā)電站，“網(wǎng)”包括微電網(wǎng)和外部公共電網(wǎng)，“荷”包括常規(guī)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(wǎng)能量管理系統(tǒng)從全局角度對整個微電網(wǎng)進行監(jiān)視和控制，保障著微電網(wǎng)內(nèi)部平衡和交換功率穩(wěn)定運行。

3.2 智能微電網(wǎng)運行

微網(wǎng)系統(tǒng)可并網(wǎng)運行或離網(wǎng)運行。在并網(wǎng)運行時，由于與大電網(wǎng)連接，其穩(wěn)定性由電網(wǎng)承擔，為提高多能互補系統(tǒng)的經(jīng)濟效益以及減少對電網(wǎng)的影響，需盡量減少與電網(wǎng)電量的交互，可以通過功率平衡控制系統(tǒng)自動對多能互補系統(tǒng)的發(fā)電負荷進行控制，根據(jù)用戶側(cè)的發(fā)電負荷需求，在滿足系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)電負荷進行自動調(diào)節(jié)，盡量減少與外電網(wǎng)聯(lián)絡線的交換功率；離網(wǎng)運行時，電網(wǎng)頻率控制難度大，頻率穩(wěn)定問題也是系統(tǒng)面臨的主要問題。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要提升電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)能力，使得光儲和特定的負荷，均具備快速的一次調(diào)頻能力；建設完善的微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，在控制策略方面實現(xiàn)傳統(tǒng)切機切負荷與新能源快速調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。

智能微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)圍繞源網(wǎng)荷儲，通過數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控，同時對區(qū)域內(nèi)配電系統(tǒng)、用戶用電進行監(jiān)控和管理，實現(xiàn)能源系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)的匯集和集中監(jiān)控；能源總體優(yōu)化從不同維度對園區(qū)能源進行優(yōu)化分析，分別為區(qū)域多能流協(xié)同優(yōu)化、區(qū)域能源優(yōu)化管理、分布式能源系統(tǒng)控制、“源網(wǎng)荷儲”一體化調(diào)控、區(qū)域能源效益評估，從而實現(xiàn)基于全能流模型的區(qū)域能源總體優(yōu)化。

4 智能微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構

4.1 網(wǎng)絡構架

本工程微網(wǎng)控制保護系統(tǒng)采用分層分布式設計，分為就地控制層、協(xié)調(diào)控制層和優(yōu)化控制層。智能微電網(wǎng)網(wǎng)絡構架如圖1所示。

(1)就地控制層

圖1 智能微電網(wǎng)網(wǎng)絡構架

包含DG、儲能變流器、分布式發(fā)電并網(wǎng)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(tǒng)發(fā)生小的擾動或短路故障時，通過變流器自身的調(diào)節(jié)或保護的快速動作，能夠快速平抑系統(tǒng)波動，恢復穩(wěn)定供電。

(2)協(xié)調(diào)控制層

包含微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制裝置，需要通過控制通信網(wǎng)絡采集DG、儲能以及重要負荷的信息，微網(wǎng)發(fā)生大的擾動(如電網(wǎng)非計劃停電、孤島運行時大容量的DG跳閘等)，微網(wǎng)協(xié)調(diào)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(nèi)，保證微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。

(3)優(yōu)化控制層

包含微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制、調(diào)度計劃、負荷預測等相關系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)基礎上，實現(xiàn)對特定應用進行數(shù)據(jù)分析、能量預測、負荷管理、優(yōu)化運行和經(jīng)濟調(diào)度等功能，為實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)能源綜合利用效率的最大化提供保障。

4.2 組網(wǎng)配置

4.2.135kV變電站組網(wǎng)

35kV站內(nèi)配置1面協(xié)調(diào)控制柜，協(xié)調(diào)控制柜中包含1臺微網(wǎng)控制器PCS- 9617MG，用于協(xié)調(diào)各站微網(wǎng)運行，1臺儲能協(xié)調(diào)裝置PCS- 9567C用于協(xié)調(diào)35kV儲能PCS運行，1臺光纖交換機PCS- 9882BD用于組建高速控制網(wǎng)GOOSE，1臺網(wǎng)絡交換機PCS- 9882AD用于站控層組網(wǎng)，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(wǎng)傳輸給微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制裝置，1臺數(shù)據(jù)網(wǎng)關機PCS- 9799用于與EMS通訊，通訊采用104規(guī)約。

35kV站內(nèi)配置1面儲能后臺監(jiān)控柜，包含2臺前置采集服務器用于站控層數(shù)據(jù)采集處理，2臺SCADA數(shù)據(jù)服務器用于安裝EMS系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控協(xié)調(diào)，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(wǎng)調(diào)度A/B網(wǎng)，1臺前置采集交換機用于站控層監(jiān)控數(shù)據(jù)采集。光伏站內(nèi)監(jiān)控經(jīng)站內(nèi)遠動采用104規(guī)約經(jīng)儲能后臺監(jiān)控柜內(nèi)前置采集交換機接入EMS系統(tǒng)。

4.2.210kV開閉所組網(wǎng)

10kV#1和10kV#2開閉所分別配置1面儲能協(xié)調(diào)控制柜，儲能協(xié)調(diào)控制柜中包含儲能協(xié)調(diào)裝置PCS- 9567C 1臺，用于協(xié)調(diào)10kV儲能PCS運行， 1臺光纖交換機PCS- 9882BD用于組建高速控制網(wǎng)GOOSE，1臺網(wǎng)絡交換機PCS- 9882AD用于站控層組網(wǎng)，1臺數(shù)據(jù)網(wǎng)關機PCS- 9799用于與EMS通訊，通訊采用104規(guī)約。

4.2.3儲能系統(tǒng)組網(wǎng)

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(wǎng)GOOSE；1臺網(wǎng)絡交換機PCS- 9882用于站控層組網(wǎng)；1臺變壓器測控保護及規(guī)轉(zhuǎn)裝置PCS- 9726，PCS接入高速控制網(wǎng)交換機用于快速控制，同時PCS接入站控交換機用于EMS系統(tǒng)通訊；PCS與監(jiān)控后臺支持103、61850等多種電力系統(tǒng)標準規(guī)約。智能并網(wǎng)接口裝置PCS- 9726，具備升壓變保護功能外和規(guī)約轉(zhuǎn)換的功能，電池管理系統(tǒng)(BMS)直接采用Modbus規(guī)約485串口接入PCS- 9726，通過PCS- 9726將Modbus規(guī)約轉(zhuǎn)換成103規(guī)約與EMS系統(tǒng)通訊。電池管理系統(tǒng)(BMS)與PCS控制裝置采用Modbus TCP接口。

4.3 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)功能

4.3.1微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)基本功能

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(MEMS)是對微網(wǎng)進行采集、監(jiān)控、優(yōu)化和管理的調(diào)度自動化系統(tǒng)。它通過對微網(wǎng)內(nèi)部進行協(xié)調(diào)、調(diào)度，使其高效、經(jīng)濟、安全、可靠運行。

MEMS完整體系結(jié)構如圖2所示。

圖2 MEMS完整體系結(jié)構圖

MEMS應用功能主要包括實時監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度和能量管理這三個子系統(tǒng)，具體如下：

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

采集與監(jiān)視控制是MEMS的基礎，它采集微網(wǎng)內(nèi)源網(wǎng)荷數(shù)據(jù)，并進行監(jiān)視和控制。同時還集成氣象數(shù)據(jù)，為微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度提供基礎。自動發(fā)電控制實現(xiàn)對微網(wǎng)并網(wǎng)運行模式下的聯(lián)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(wǎng)有功功率和頻率穩(wěn)定。

電壓無功控制利用微網(wǎng)中無功控制設備和分布式電源無功控制能力，通過無功協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)微網(wǎng)電壓的快速控制和連續(xù)調(diào)節(jié)。黑啟動控制在整個微網(wǎng)進入全黑狀態(tài)后，僅通過啟動微網(wǎng)內(nèi)部微電源，逐步擴大系統(tǒng)的恢復范圍，實現(xiàn)整個微網(wǎng)的重新啟動。

(2)優(yōu)化調(diào)度子系統(tǒng)包括光伏功率預測、負荷預測和協(xié)同優(yōu)化調(diào)度。

光伏功率預測是對光伏輸出功率進行預測，為微網(wǎng)調(diào)度決策提供基礎數(shù)據(jù)，減少其不可控性和間歇性對電網(wǎng)的不利影響。負荷預測對微網(wǎng)歷史負荷、氣象、節(jié)假日以及特殊事件等信息進行分析，挖掘負荷變化規(guī)律，建立預測模型，預測未來系統(tǒng)負荷變化。

協(xié)同優(yōu)化調(diào)度建立微網(wǎng)源網(wǎng)荷多目標優(yōu)化模型，利用分布式發(fā)電、柔性負荷的預測結(jié)果以及微網(wǎng)實時運行狀態(tài)，對微網(wǎng)的電源、負荷進行時空協(xié)同優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)能源互補和綜合利用。

(3)能量管理子系統(tǒng)包括分布式能源管理、發(fā)電計劃管理、需求側(cè)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(guī)范、實現(xiàn)對分布式電源資產(chǎn)的全生命周期管理。發(fā)電計劃管理制定微網(wǎng)日前、日內(nèi)等不同周期的電力電量平衡，根據(jù)檢修情況安排各分布式電源的電量、開停機和出力計劃，統(tǒng)計并考核發(fā)電計劃執(zhí)行狀況。

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

4.3.2基于NSGA- Ⅱ的微電網(wǎng)能量調(diào)度策略

根據(jù)微電網(wǎng)運行過程中微電源的功率特性，為了提升電能質(zhì)量、提高經(jīng)濟效益，需要在多個指標約束下對微電網(wǎng)進行優(yōu)化調(diào)度，考慮指標主要包括經(jīng)濟指標和技術指標。

微電網(wǎng)規(guī)劃調(diào)度的經(jīng)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(wǎng)中電源的投資成本；CMA，i—在節(jié)點i處電網(wǎng)運行成本；r—市場貼現(xiàn)率；CFX，i—微電網(wǎng)節(jié)點i的設備成本；n—設備的預計使用年數(shù)；NDG—當前電網(wǎng)的支路數(shù)目；Y—節(jié)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(wǎng)規(guī)劃調(diào)度的技術指標為系統(tǒng)的有功網(wǎng)絡損耗最小，節(jié)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(yōu)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(shù)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(wǎng)的分布式電源的最大容量。

NSGA- II是一種優(yōu)秀的多目標優(yōu)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(shù)為G，等級數(shù)為Rank，隨機產(chǎn)生規(guī)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(zhuǎn)入Step 4，否則轉(zhuǎn)入Step 2；

Step 3:進行種群的快速非支配排序，首先根據(jù)目標函數(shù)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(chǎn)生新一代種群Pt+1；

Step 9:對迭代次數(shù)進行判斷，若達到次數(shù)限制，則輸出結(jié)果，循環(huán)結(jié)束，否則，轉(zhuǎn)到Step 2。

5 結(jié)論

本文以甘肅酒泉肅州區(qū)新能源微電網(wǎng)項目為背景從總體設計方案、工程運行、系統(tǒng)構架和系統(tǒng)功能等方面介紹了智能微電網(wǎng)及能量管理系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀。智能微電網(wǎng)可利用不同能源的互補替代性，可以實現(xiàn)光/電、風/電、直/交流的能源交換。各類能源在源- 儲- 荷各環(huán)節(jié)的分層實現(xiàn)有序梯級優(yōu)化調(diào)度，達到能源利用效率的最優(yōu)。當系統(tǒng)發(fā)生擾動或短路故障時，智能微電網(wǎng)保護系統(tǒng)能夠快速平抑系統(tǒng)波動，保證微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。相較于傳統(tǒng)供電方式的能源管理系統(tǒng)，智能微電網(wǎng)雖有優(yōu)勢，但在當今時代背景下還面臨困難與挑戰(zhàn)：微電網(wǎng)中的負荷和新能源的可預測性差;微電網(wǎng)能源管理中很多問題是復雜的系統(tǒng)化問題，基于規(guī)則的啟發(fā)方法和數(shù)學優(yōu)化算法各有特色，如何兼顧算法最優(yōu)性和可靠性需要深入研究。