安科瑞智能微电网能量管理系统设计与应用
2024-08-29 10:56:48 来源：acrel2024
摘要：设计一种基于电力集能器的微电网能力管理系统，由能源局域网、能源子网能量管理系统组成，采用专家控制策略多种策略，正常运行、故障处理和孤岛运行模式。电力集能器自带电网交流、微网直流、负荷交流转换等功能满足系统负荷的不同供电需求，通过微网及光伏起到能量协调平衡功能。主要能源从交流电网获取，光伏与直流微电网做为辅助能源，该系统主要负责系统级控制与协调，在子网系统实现电能管理及电能平衡。通过对微网能量管理、储能技术的高效利用、储能数据的集中管理分析，在削峰填谷、节省电费开支、延缓输配电扩容升级等方面具有良好的经济效益。
关键词：智能微电网；微电网EMS；微电网能量管理；分布式发电；电力集能器
0.引言
随着风电、光电可再生能源大力发展，分布式电源以智能微电网形式接入智能大电网成为低碳智能配电网的发展趋势。智能电网核心在智能，是传统电力行业可以通过数字化信息系统，将能源开发、转换、传输、存储、配送等环节，与终端用户的各种用电设备连接在一起，通过智能化控制，实现精确供能、对应供能、互助供能和互补供能。我国对微电网的定义为：微电网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，是大电网的补充和支撑，促进了分布式能源高效利用，通过储能装置的调控合理配置各分布式电源的输出，避免各分布式电源电能的浪费，有利于建设能源节约型社会，已经成为智能电网建设中一个重要的组成部分。微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。既可与配电网运行（并网运行），也可与配电网断开独立运行（孤岛运行）。微电网能量管理系统是一套具有发电优化调度、负荷管理、实时监测并自动实现微电网同步等功能的能量管理系统。能量管理系统主要用于为含有风力发电、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。智能微电网能量管理系统基于云平台设计，它总结并吸收了多套成熟系统的成功开发和工程经验，并通过国内外现有的微电网定义和示范工程总结现在微电网的体系架构，采用多项新技术，专门针对微电网应用技术发展趋势而研究开发的一套面向智能电网的能量管理系统，降低新能源发电的波动性、随机性、间歇性影响；减少大规模新能源介入对电力系统的冲击，并离网运行，且可无缝切换。
1.微电网的能量结构特点
微电网管理系统是的基于电力集能器的能源子网能量管理系统，通过新能源发电、微能源的采集、汇聚与分享以及储能和负荷用电消纳形成层次化结构的能源局域网，是在现有电网基础上通过电力电子和信息技术，融合大量分布式可再生能源发电和分布式储能装置，能实现电能和信息双向流动的对等共享网络。能源子网能量管理系统核心是电力集能器，包括电力集能器I型和电力集能器II型设备各一套，直流负荷主要是充电桩与LED灯，其主要能源从交流电网获取，光伏与直流微电网做为辅助能源协调控制。I型电力集能器双馈线路互联，具有灵活的系统互联结构和更高供电可靠性。在交流电网出现故障时，可通过750V直流母线与直流微电网互联，保证能源子网直流负荷的不间断供电。能源子网系统图如图1所示：
电力集能器是以电力电子技术和信息技术为基础的全可控柔性设备，并高度融合通信系统，是具备计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能的智能体。电力集能器是整个能量管理系统的控制核心，能量管理系统通过标准通讯协议（Modbus、104、103、101等）采集集能器的运行信息和下发控制指令，执行系列操作。
2.微电网能量管理系统设计
能源子网架构图如图2所示：
能量管理系统核心技术思路：分层控制，其在能源子网中起到至关重要的作用。整个能源子网通过它来统一协调管理微源控制器和负荷控制器，实现能源子网安全稳定运行以及经济效益的*优化。
电能量管理系统功能主要包含数据通讯、系统控制、人机交互三个组成部分。对于用户可直接交互参与的人机交互则是该系统的主要部分，其架构分为监视、控制和分析三大模块。具体内容如下：
1）监视部分主要是实时监控，采用多层面模式，包含：总体数据层（下网电网、上网电量等）、集能器电气模型层（遥测、遥信）、第三方系统模型层（光伏系统等）；
2）控制部分主要是系统级控制，采用分类模式，包括：Auto模式、Manual模式（其中能源局域网只具备手动控制功能）。
Auto模式根据自动发电与控制策略（类AGC）进行系统控制；在Manual模式下，用户根据系统运行情况进行实时控制，主要有对遥控、遥测、控制闭锁、权限校验等功能。二者都工作安全校核的基础上实现。控制部分需要建立一个完善的稳定控制策略专家库，在执行相应设备动作执行流程导向。
监视与分析是基础数据单向管理，控制部分为双向管理。能源子网可处于Auto在Manual两种模式，能源局域网处于手动控制模式，但是无论处于那种模式，整个灵活配电能量管理系统都必须遵循控制策略库，并在安全校核机制管理下执行管理。
数据分析主要是对系统的历史数据进行分析统计，作为微电网能量管理的辅助决策作用。
3.数据采集与处理及通讯
3.1数据采集
能源局域网系统主要将各单个能源子网所采集的数据进行集中汇总；能源子网管理系统主要采集直流侧的光伏系统、直流微电网系统、充电桩系统、直流断路器、直流负荷系统，交流侧的外部电源系统、交流断路器、交流负荷系统，以及交直流转换的电力集能器系统的遥测、遥信参数信息，具体如下：
1）光伏系统遥测量包括电压、电流、功率因数、有功、无功；遥信量包括系统运行状态和故障状态；
2）交、直流断路器遥信量包括断路器的开合和故障状态；
3）交、直流负荷遥测量包括交、直流电压、电流、有功、无功、*大需量等；
4）电力集能器遥测量包括交、直流侧电压、电流；遥信量包括设备运行状态和故障状态。
3.2数据处理
（1）遥测量的采集处理
遥测量描述电力系统运行的实时量化值，包括各逆变器、汇流箱、箱变、线路及主变的有功、无功、电流、电压、主变油温及系统周波等值。
（2）遥信量的采集处理
遥信量描述电站运行状态，一般包括各开关位置、各刀闸位置、发电设备投退状态、升压站开关状态及主变分接头位置、保护硬结点动作状态、各通道运行工况以及虚拟遥信等。
3.3数据通讯
采集程序，需支持Modbus、104、103、101等标准通讯协议；具有将采集到的数据按照配置的信息点号存入实时数据的功能；具有提供数据转发的功能，可以作为从站进行数据转发配置。采集程序需支持跨平台部署，可部署至通讯管理机或普通服务器。
4.控制策略
电力集能器的主要电能供应来自于电网，并有内部的VSG来协调控制负荷平衡。在异常工况或特殊情况下，由能量管理通过控制策略实现系统的整体稳定运行。系统控制包括Auto模式和Manual手动模式两种。基于系统底层硬件采集回来的实时数据，选择合适的控制策略来稳定系统平衡。
根据项目的实际运行情况，采用穷举法找出每一种运行模式，制定相应控制策略，形成一套完整的控制策略模型库，并封装到能源子网管理系统中。能量管理系统的稳定运行的基础包括实时数据采集与判断、运行专家策略执行、通讯与控制保障，在具体的策略执行过程中，能量管理系统将采用流程引导与强制校核方式保证每个策略安全无差异执行：
1）能量调度策略。能量调度程序主要是通过合理的使用蓄电池和交流市电，在保证整个系统稳定的前提下，充分利用光伏能源，从而达到经济效益*优的一套控制策略。系统可对采集的实时运行数据进行实时分析，判断出当前运行模式，并自动调取模型库中对应的控制策略并下发。主要控制策略分为正常运行、故障处理、孤岛运行模式。正常运行是两台电力集能器独立运行，其负荷供能主要来自于电网，光伏以优化协调控制方式参与负荷平
衡管理。故障处理是指交流电网、光伏系统及直流微网等在日常运行过程中都可能会发生故障，当故障发生后我们需要立即对故障进行响应、处理，保证敏感负荷及重要负荷的不间断供电。
2）孤岛保护策略。监测市电状态，处于孤岛，停止能源调度子程序，开启电池放电，非孤岛状态时，保持电池充电到50％后，开启电池不工作状态，启动能源调度策略。孤岛运行简单来说，就是电力集能器发生故障后无法给相应的重要负荷进行供电，此时切断与交流主网的联系，由直流微网为负荷进行供电，而这些负荷也将与直流微网形成一个脱离主电网的环形电路，这就是孤岛运行；孤岛运行可以保证直流微网持续不断地为负荷进行供电，而孤岛运行也相当于该环岛中的设备离网运行。
5.安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统概述
5.1概述
安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统，专门针对工商业储能柜、储能集装箱研发的一款储能EMS，具有完善的储能监控与管理功能,涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息,实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在高级应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。
5.2系统结构
Acrel-2000ES，可通过直采或者通过通讯管理或串口服务器将储能柜或者储能集装箱内部的设备接入系统。系统结构如下：
5.3接入设备
Acrel-2000ES，具备多种接口，多种协议对接的能力，支持多种设备接入。
5.4系统功能
5.4.1实时监测
系统人机界面友好，能够显示储能柜的运行状态，实时监测PCS、BMS以及环境参数信息，如电参量、温度、湿度等。实时显示有关故障、告警、收益等信息。
5.4.2设备监控
系统能够实时监测PCS、BMS、电表、空调、消防、除湿机等设备的运行状态及运行模式。
PCS监控：满足储能变流器的参数与限值设置；运行模式设置；实现储能变流器交直流侧电压、电流、功率及充放电量参数的采集与展示；实现PCS通讯状态、启停状态、开关状态、异常告警等状态监测。
BMS监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、
电压、电流的监测；实现电池充放电状态、电压、电流及温度异常状态的告警。
空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。
UPS监控：满足UPS的运行状态及相关电参量监测。
5.4.3曲线报表
系统能够对PCS充放电功率曲线、SOC变换曲线、及电压、电流、温度等历史曲线的查询与展示。
5.4.4策略配置
满足储能系统设备参数的配置、电价参数与时段的设置、控制策略的选择。目前支持的控制策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制等。
5.4.5实时报警
储能能量管理系统具有实时告警功能，系统能够对储能充放电越限、温度越限、设备故障或通信故障等事件发出告警。
5.4.6事件查询统计
储能能量管理系统能够对遥信变位，温湿度、电压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
5.4.7遥控操作
可以通过每个设备下面的红色按钮对PCS、风机、除湿机、空调控制器、照明等设备进行相应的控制，但是当设备未通信上时，控制按钮会显示无效状态。
5.4.8用户权限管理
储能能量管理系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
5.4.9安科瑞配套产品
6.结语
本文研究了一种适用于电动公交车充电站的预制舱式储能系统。不同于传统的储能系统，本系统采用模块化设计思路，将主要设备集成在标准集装箱内，具有占地小、接线简单、便于运输及安装的特点，适用于布置紧凑、缺少大型生产综合用房的城市电动公交车充电站，具有较好的应用推广前景。除储能单元、变流单元等一次设备外，预制舱式储能系统同时集成了智能控制屏柜，对整体系统的运行环境、控制策略、安防等方面进行集中监控，保障了预制舱式储能系统安全高效运行。
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5.4系统功能5.4.1实时监测
PCS监控：满足储能变流器的参数与限值设置；运行模式设置；实现储能变流器交直流侧电压、电流、功率及充放电量参数的采集与展示；实现PCS通讯状态、启停状态、开关状态、异常告警等状态监测。
BMS监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、
空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。
UPS监控：满足UPS的运行状态及相关电参量监测。
5.4.4策略配置
5.4.5实时报警
5.4.6事件查询统计储能能量管理系统能够对遥信变位，温湿度、电压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。5.4.7遥控操作
5.4.8用户权限管理储能能量管理系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。5.4.9安科瑞配套产品
6.结语
