一种实现负荷管理的微电网能量管理系统 |
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| 申请号 | CN201610235913.0 | 申请日 | 2016-04-14 | 公开(公告)号 | CN105743126A | 公开(公告)日 | 2016-07-06 |
| 申请人 | 华南理工大学; | 发明人 | 曾君; 李晨迪; 陈渊睿; 刘俊峰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种实现负荷管理的微 电网 能量 管理系统，其中能量管理系统包括 人机交互 模 块 、预测模块、系统分析模块、调度与控 制模 块和系统管理模块。该系统通过采集及监测各分布式发电单元(包括 风 电机 组、光伏阵列、柴油机组)的输出功率、 蓄 电池 的充放电状态，负载的功率，单元 节点 电能 质量 信息等，在满足运行条件和物理设备的电气特性约束条件下，进行数据分析处理，根据当前微电网运行情况与外界应用 请求 制定相应的优化控制策略，协调和管理微电网系统内部分布式电源和负荷等模块的工作，优化微电网系统能量的流动和利用，利用 可再生 能源 出 力 ，以最小的工作运行成本向用户负荷提供满足需求质量的电能，实现系统的优化与调度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种实现负荷管理的微电网能量管理系统，其特征在于，所述微电网能量管理系统包括人机交互模块、预测模块、系统分析模块、调度与控制模块和系统管理模块； |
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| 说明书全文 | 一种实现负荷管理的微电网能量管理系统技术领域背景技术[0002] 在传统化石能源消耗过度以及环境问题日益严峻的情况下，可再生新型清洁能源正在成为全球能源结构的重点发展方向。随着电力需求的不断攀升，集中式供电为主体的大电网显现出越来越多的弊端：污染严重，运行难度大，升级成本高，受攻击后(如雪灾、线路故障灯)安全性能低，偏远地区架设成本高等。而分布式发电采用的是清洁能源，污染少且利用率高，除此之外，其对大电网还具有调峰填谷的作用且安装便捷，由此成为了大电网的有效补充。但随着大量分散的分布式电源接入大电网，对系统的控制将造成严重考验，随着电力电子技术和控制理论的发展，微电网应运而生。 [0003] 微电网是指由各类分布式电源、负荷、电力电子变换器、电力系统设备等组成的小型发配电系统，为平衡分布式电源间歇性造成的功率波动，微电网多配置相应容量的储能系统。正如智能电网对“自愈、坚强、互动、优质、兼容、经济”的追求，微电网的终极目标亦是“自治、开放、灵活、优质和经济”。微电网作为小型的电力系统，其具备良好的能量自我管理功能，可保障微电网系统中能量的优化分配与守恒，实现微电网运行的经济性。另外，微电网相对于大电网又是一个虚拟电源或负荷，通过对微电网内各分布式电源出力的调整，可发挥其对大电网的调峰填谷的作用。将各分散的分布式电源整合为微电网，可减少由于分布式可再生能源发电功率的波动对外部配电网及周边用户的影响，并有效降低系统运行人员的难度，实现能源的充分利用。因此，微电网能量管理系统作为微电网的核心控制部分，它在充分利用可再生能源的基础上，可实现不同时段资源的优化分配和微电网的经济可靠运行，是保障微电网优质高效运行的重要支撑。 [0004] 目前存在的微电网能量管理系统多基于静态情况下，结构固定不变，采用的是以中央控制器为主的集中式控制，只具备简单的数据采集监测、装置投切功能，基本不能实现各分布式发电的协调控制，更为重要的是，这些集中式的控制显然违背于微电网分布式能源分散的本质。分布式控制为解决传统能量管理系统的弊端和实现微电网能量管理智能化开辟了新的道路。 [0005] 目前国内外研究现状如下：荷兰的Bronsbergen微电网是欧盟出资建立的微电网示范工程：其能量管理系统采用的是集中式控制，能量管理系统通过采集装置将指令传送至中央控制器集中处理，且有中央控制器决定各分布式电源出力。日本的Kyotango微电网工程由NEDO建造，该微电网能量管理也是集中式控制，由中央控制器控制通过TCP/IP进行通信，采用标准的ISDN或ADSL联网。意大利CESIRICERC微电网能量管理同样采用集中式控制方式，其采用的是分层结构通信，监控系统电能质量和暂态过程，实时采集数据传输给中央控制器实现各分布式电源出力优化分配。中国合肥工业大学茆美琴等人开发了微电网能量管理系统软件，其具备数据采集与监控、自动发电控制等功能。中国浙江电力试验研究院的微电网能量管理系统采用分层控制，其主控层承担系统监测、数据分析、协调控制等任务；协商层管理微电网的运行模式。中国电力科学研究院李洋等人提出了一种基于主从控制，集中管理和分散控制思想的微电网能量管理系统结构，通过以太网实现通信。 [0006] 从国内外的研究情况可看出，目前全球已建成的微电网示范工程，多采用集中式控制方式，其技术成熟，设备成本较低，且容易执行和维护，而基于分布式控制等符合微电网特性的能量管理系统研究和实现较少，且多实现数据采集和系统监控，协调功能和高级算法的应用不常见。 发明内容[0007] 本发明提供了一种实现负荷管理的微电网能量管理系统，旨在解决目前的微电网管理技术没有实现分布式电源优化控制、能量经济调度、可再生能源出力预测、需求侧响应和即插即用等功能，严重削弱了微电网系统带来的环境效益和经济效益的问题。 [0009] 所述人机交互模块获取微电网的拓扑结构和所有电气元件的接入状态，实时操作开关和刀闸，实时显示采集设备由通信通道传输到计算机的采集数据，当微电网系统即将或已发生故障时，系统通过安全分析以及故障诊断快速准确的确定故障，交互界面紧急发出报警； [0010] 所述预测模块通过输入相应的负荷模型、发电单元模型、电力市场电价模型，利用算法优化得到负荷预测、发电预测、电价预测的预测数据，将预测数据与实际数据进行比较，得到误差报表分析； [0011] 所述系统分析模块通过潮流计算基于微电网交直流混合潮流计算模型，计算系统稳态运行状态下各母线电压、各支路电流与功率及网损，解决系统规划和运行中的问题；通过电能质量评价根据电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压波动、电压闪变和三相不平衡给出基于模糊理论的评价模型，利用电能质量监测系统读取各电能质量监测装置的监测信息，并进行分析确定监测点电压等级、所处位置、电压波动和闪变频度、频率偏差类型信息，从而确定指标合格的阈值；通过安全分析校验电力系统各元件是否过载，各节点电压是否在允许范围之内以及电能质量评价是否合格；通过数据分析针对数据库储存的数据按时间和系统要求统计分析，包括报表数据、各类数据的趋势曲线等并通过文字、图形、颜色进行显示或保存； [0012] 所述调度与控制模块，通过基于采集以及预测得到的数据，输入建立的能量管理优化调度模型，使用算法进行优化，实现并网和孤岛能量管理；基于专家系统的诊断方法，根据电力系统故障分析及继电保护来识别故障的元件位置、类型和误动作的装置；所述储能和负荷管理单元用于实现蓄电池储能系统和实现负荷分级管理； [0013] 所述系统管理模块在系统权限范围内，通过数据管理模块，利用曲线工具对数据进行处理，最后由图形编辑部分进行最终的图像分析处理。 [0014] 进一步地，所述人机交互模块包含系统拓扑结构单元、实时操作单元、数据监测单元和事故报警单元；其中，所述系统拓扑结构单元用于获取微电网的拓扑结构和所有电气元件的接入状态，所述实时操作单元用于实时操作开关和刀闸，所述数据监测单元用于实时显示采集设备由通信通道传输到计算机的采集数据，所述事故报警单元用于当微电网系统即将或已发生故障时，系统通过安全分析以及故障诊断快速准确的确定故障，交互界面紧急发出报警。 [0015] 进一步地，所述预测模块包括负荷预测单元、发电预测单元、电价预测单元和预测统计单元四个部分，其中，所述负荷预测单元用于分析计算负荷模型、采用优化算法得到负荷预测数据，所述发电预测单元用于分析计算发电单元模型、采用优化算法得到发电预测数据，所述电价预测单元用于分析计算电力市场电价模型、采用优化算法得到电价预测数据，所述预测统计单元用于将预测数据与实际数据进行比较，得到误差报表分析。 [0016] 进一步地，所述系统分析模块包括潮流计算单元、电能质量评价单元、安全分析单元和数据分析单元，其中，所述潮流计算单元用于通过微电网交直流混合潮流计算模型，计算系统稳态运行状态下各母线电压、各支路电流与功率及网损，所述电能质量评价单元用于电能质量指标评估，根据电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压波动、电压闪变和三相不平衡六种电能质量评价指标给出一种基于模糊理论的评价模型，所述安全分析单元用于通过预先确定的安全约束条件，校验电力系统各元件是否过载，各节点电压是否在允许范围之内以及电能质量评价是否合格，如果约束条件不满足，则对调度员发出报警信号和显示，所述数据分析单元用于统计分析数据库储存的数据，形成趋势曲线并通过文字、图形、颜色进行显示和保存。 [0017] 进一步地，所述调度与控制模块包含并网能量管理单元、孤岛能量管理单元、故障诊断单元、储能和负荷管理单元，其中，所述并网能量管理单元用于微电网处于并网模式时，基于采集数据以及预测模块提供的数据，利用算法优化能量管理优化调度模型，所述孤岛能量管理单元用于微电网处于孤网模式时，基于采集数据以及预测模块提供的数据，利用算法优化能量管理优化调度模型，所述故障诊断单元用于采用基于专家系统的诊断方法，根据电力系统故障分析及继电保护知识来识别故障的元件位置、类型和误动作的装置，所述储能和负荷管理单元用于实现蓄电池储能系统和负荷的分级管理，将负荷分为可中断负荷，不可中断负荷和可平移负荷。 [0018] 进一步地，所述系统管理模块包括系统权限单元、数据管理单元、曲线工具单元、图形编辑单元，其中，所述系统权限单元用于限定系统运行权限范围，所述数据管理单元用于储存接收到的数据，所述曲线工具单元用于将数据转换为趋势曲线，所述图形编辑单元用于进行最终的图像处理。 [0019] 进一步地，所述微电网能量管理系统还包括人机交互界面，上述人机交互界面用于实现操作人员与能量管理系统之间进行实时数据、历史数据、预测数据的传输，实时显示系统参数和调度计划的界面结构。 [0020] 进一步地，所述微电网能量管理系统利用工业以太网对各分布式发电系统和负荷进行数据采集及检测到各分布式发电单元的输出功率、蓄电池的充放电状态，负载的功率，单元节点电能质量信息，通过能量管理策略针对不同环境做出不同决策再将决策指令传输给底层控制器，完成能量管理与协调控制，底层控制器通过接受上层决策指令控制分布式发电系统和负荷投切。 [0021] 进一步地，所述底层控制器包括光伏功率控制器、风机功率控制器、柴油机功率控制器、DC/DC充放电储能控制器、负荷控制器；其中，所述光伏功率控制器接收调度出力指令，运用光伏发电的有功无功的解耦控制，实现光伏发电系统的出力调整；所述风机功率控制器接收调度出力指令，控制器采用有功和无功的解耦控制，经过变速恒频调整改变对风能的捕获，实现风力发电系统的出力调整；所述DC/DC充放电储能控制器是根据调度指令来进行蓄电池的充放电管理；所述柴油机功率控制器通过配合微网能量管理合理启停柴油机；所述负荷控制器用于接受并执行调度出力指令，投入、切除、平移负荷，并将负荷运行信息实时上传。 [0022] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果： [0023] 本发明公开的一种实现负荷管理的微电网能量管理系统在传统大电网能量管理系统模块的基础上，根据微电网特点加以改进和简化，具有良好的开放性和兼容性，随着风力发电机、光伏组件、柴油发电机的增加或退出，只需要增加或配备新的控制设备即可，具有较好的即插即用的功能；同时，可以实时采集、预测、监测数据，提供给调度控制模块和通过通信接口将指令发送给底层控制器，降低微网运行、维护成本，提高微网运行的稳定性和安全性。附图说明 [0024] 图1是本发明中公开的一种实现负荷管理的微电网结构及能量管理系统示意图； [0025] 图2是本发明中公开的一种实现负荷管理的微电网能量管理系统的架构； [0026] 图3是本发明中公开的一种实现负荷管理的微电网能量管理系统的功能结构示意图； [0027] 图4是基于非合作博弈的微电网能量管理系统优化算法流程图。 具体实施方式[0028] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0029] 实施例一 [0030] 请参见图1，图1是本发明中公开的一种实现负荷管理的微电网结构及能量管理系统示意图；如图1所示，微电网包含分布式电源、储能装置、可中断负荷、不可中断负荷和可平移负荷，微电网通过0.4kv电压等级的母线将各单元连接起来，0.4kv/10kv的变压器大电网相连。分布式电源通过逆变装置及开关连接到公共馈线上，储能装置通过功率调节装置及开关连接到公共馈线上，可中断负荷、不可中断负荷和可平移负荷均通过开关连接到公共馈线上，以实现可单独控制。可中断负荷包括空调、非重要照明等，不可中断负荷包括重要照明、冰箱等，可平移负荷包括洗衣机、洗碗机等。 [0031] 本实施例设计的微电网能量管理系统架构如图2所示。系统的设计架构具体可划分为硬件层、操作系统层、支撑平台层和应用层。硬件层是系统的硬件设备，以计算机为主，采用的是分布式结构，可实现系统的扩展性和维护性；操作系统层采用windows系统，其良好的兼容性和易操作性，对系统的开发和运维提供便利；支撑平台层是由分布式通信网络层、数据库层和公共服务层组成，分布式通信网络是整个微电网系统通信的网络，其承担着微电网能量管理系统与各分布式发电系统、负荷的信息传输，主要由工业以太网、无线网络和RS485通信组成；数据库层是由系统的数据库平台构成，微电网系统本身作为一个小型电力系统，而且又是由各类分布式电源组成，数据种类繁多和数据量多，建立完善的实时数据库平台是微电网能量管理系统运行的关键；公共服务层是由一般软件的通用服务构成，目的是减少软件设计的难度和时间，为各功能应用提供工具。 [0032] 请参见图3，图3是本发明中公开的一种实现负荷管理的微电网能量管理系统的功能结构示意图，如图3所示，本实施例设计的微电网能量管理系统将功能应用模块归纳为五类，分别为：人机交互模块、预测模块、系统分析模块、调度与控制模块和系统管理模块。 [0033] 人机交互模块包含系统拓扑结构单元、实时操作单元、数据监测单元和事故报警单元。系统拓扑结构单元用于获取微电网的拓扑结构和所有电气元件的接入状态，实时操作单元用于实时操作开关和刀闸，数据监测单元用于实时显示采集设备由通信通道传输到计算机的采集数据，事故报警单元用于当微电网系统即将或已发生故障时，系统通过安全分析以及故障诊断等快速准确的确定故障，交互界面紧急发出报警。 [0034] 预测模块包括负荷预测单元、发电预测单元、电价预测单元和预测统计单元四个部分。负荷预测单元用于分析计算负荷模型、采用优化算法得到负荷预测数据。发电预测单元用于分析计算发电单元模型、采用优化算法得到发电预测数据。电价预测单元用于分析计算电力市场电价模型、采用优化算法得到电价预测数据。预测统计单元用于将预测数据与实际数据进行比较，得到误差报表分析。 [0035] 系统分析模块是微电网能量管理系统的高级应用之一，包括潮流计算单元、电能质量评价单元、安全分析单元和数据分析单元。潮流计算单元用于通过微电网交直流混合潮流计算模型，计算系统稳态运行状态下各母线电压、各支路电流与功率及网损。电能质量评价单元用于电能质量指标评估，根据电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压波动、电压闪变和三相不平衡六种电能质量评价指标给出了一种基于模糊理论的评价模型。安全分析单元用于通过预先确定的安全约束条件，校验电力系统各元件是否过载，各节点电压是否在允许范围之内以及电能质量评价是否合格，如果约束条件不满足，则对调度员发出报警信号和显示。数据分析单元用于统计分析数据库储存的数据，形成趋势曲线并通过文字、图形、颜色进行显示和保存。 [0036] 调度与控制是微电网能量管理系统的核心模块，包含并网能量管理单元、孤岛能量管理单元、故障诊断单元、储能和负荷管理单元。并网能量管理单元用于微电网处于并网模式的时候，基于采集数据以及预测模块提供的数据，利用算法优化能量管理优化调度模型。孤岛能量管理单元用于微电网处于孤网模式的时候，基于采集数据以及预测模块提供的数据，利用算法优化能量管理优化调度模型。故障诊断单元用于采用基于专家系统的诊断方法，根据电力系统故障分析及继电保护知识来识别故障的元件位置、类型和误动作的装置。储能和负荷管理单元用于实现蓄电池储能系统和负荷的分级管理，将负荷分为可中断负荷，不可中断负荷和可平移负荷。在实际运行中，优先满足不可中断负荷的电力供应，然后考虑根据发电系统的出力将高电价时段的可平移负荷转移至低电价时段，最后考虑可中断负荷的供电。 [0037] 系统管理模块包括系统权限单元、数据管理单元、曲线工具单元、图形编辑单元四个部分。系统权限单元用于限定系统运行权限范围，数据管理单元用于储存接收到的数据，曲线工具单元用于将数据转换为趋势曲线，图形编辑单元用于进行最终的图像处理。 [0038] 本实施例公开的微电网能量管理系统还包括人机交互界面，该人机交互界面用于实现操作人员与能量管理系统之间进行实时数据、历史数据、预测数据的传输，实时显示系统参数和调度计划的界面结构。 [0039] 微电网能量管理系统工作过程为：数据监测单元采集实时数据、运行状态、环境参数传输到预测模块和系统分析模块，预测模块将负荷预测单元输出的预测负荷数据、发电预测单元输出的发电设备数据、电价预测单元输出电价数据传输至系统分析模块。系统分析模块针对接收到的数据经过电能质量评价单元对系统指标分析评价，潮流计算单元输出系统稳态运行状态下各母线电压、各支路电流与功率及网损、安全分析单元输出电力系统各元件是否过载、各节点电压是否在允许范围之内以及电能质量评价是否合格的校验结果，经过数据分析单元的计算分析，将数据提供给调度与控制模块。在调度与控制模块中，根据微网的实际运行状态选择通过并网/孤网能量管理单元控制，进行优化用户用电策略和微网发电调度；当微网出现故障报警，故障诊断单元用于针对故障点基于专家系统的诊断方法进行故障分析。系统管理模块中的系统权限单元限定系统运行权限范围，之后通过数据管理单元储存接收到的数据，曲线工具单元将数据转换为趋势曲线，图形编辑单元进行最终的图像处理，令图像在人机交互界面上显示。人机交互模块中的数据监测单元、系统分析模块、调度与控制模块都可以根据系统需求快速的通过通信接口将决策指令发送给现场设备。微电网能量管理系统的人机交互界面实时显示系统的拓扑结构、所有电气元件的接入状态、数据监测状态、事故报警，并能实时操作开关和刀闸等。 [0040] 本实施例提出的实现负荷管理的微电网能量管理系统，利用工业以太网对各分布式发电系统和负荷进行数据采集及检测到各分布式发电单元的输出功率、蓄电池的充放电状态，负载的功率，单元节点电能质量信息等，通过能量管理策略针对不同环境做出不同决策再将决策指令传输给底层控制器，完成能量管理与协调控制，底层控制器通过接受上层决策指令控制分布式发电系统和负荷投切。 [0041] 上述底层控制器包括光伏功率控制器、风机功率控制器、柴油机功率控制器、DC/DC充放电储能控制器、负荷控制器。光伏功率控制器接收调度出力指令，运用光伏发电的有功无功的解耦控制，实现光伏发电系统的出力调整。风机功率控制器接收调度出力指令，控制器采用有功和无功的解耦控制，经过变速恒频调整改变对风能的捕获，实现风力发电系统的出力调整。DC/DC充放电储能控制器是根据调度指令来进行蓄电池的充放电管理。柴油机功率控制器通过配合微网能量管理合理启停柴油机。负荷控制器用于接受并执行调度出力指令，投入、切除、平移负荷，并将负荷运行信息实时上传。 [0042] 本实施例提出的实现负荷管理的微电网能量管理系统具有良好的开放性和兼容性，分布式发电单元切入退出灵活，较好的实现即插即用，同时，可以实时采集、预测、监测数据，提供给调度控制模块和通过通信接口将指令发送给底层控制器，降低微网运行、维护成本，提高微网运行的稳定性和安全性。 [0043] 实施例二 [0044] 本实施例提供了一种基于非合作博弈的微电网能量管理系统的优化算法，包括如下步骤： [0045] S1、数据监测单元采集微电网的气象数据和负荷信息数据，微电网气象数据包括未来一天的温度、光照强度、风速，负荷信息数据包括需求负荷数据和不可中断负荷数据，并将微电网气象数据和负荷信息数据作为微电网能量管理系统的输入。 [0046] S2、根据温度、光照强度和风速情况，以及光伏阵列和风机模型，计算在步骤S1中采集的温度和光照强度下，光伏阵列允许出力的上限值和风速下的风机允许出力的上限值。 [0047] S3、以微电网发电成本函数为目标函数，目标函数中的变量有风机出力、光伏阵列出力、柴油发电机的出力和蓄电池充放电电量，输入约束条件和目标函数对微电网进行优化。 [0048] S4、对微电网进行优化后得到微电网优化的边际成本、光伏阵列、风机、柴油机的出力结果和蓄电池充放电结果。 [0049] S5、将步骤S4得到优化的边际成本和步骤S1中的需求负荷数据代入微电网的效用函数中，将步骤S1中的需求负荷数据代入用户的效用函数中，将微电网的效用函数和用户的效用函数进行互动博弈的博弈过程分为24个时段，以能源侧和用户侧双方的效用函数为目标进行优化博弈。 [0050] S6、循环步骤S1至步骤S5共n次后得到第n次的分时电价和负荷曲线，循环步骤S1至步骤S5共n+1次后得到第n+1次的分时电价和负荷曲线，如果第n+1次得到的负荷曲线与第n次得到的负荷曲线的偏差小于等于ε时，则结束优化，否则，将第n+1次的负荷数据代入步骤S1，更新S1中的负荷数据，继续循环步骤S1至步骤S5，直到偏差小于ε时为止，ε为偏差量的参考值，ε的取值范围根据实际需要进行设定。 [0051] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 |
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