能源互聯(lián)網多微網控制物理仿真系統(tǒng)開發(fā)

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摘要:能源互聯(lián)網是解決能源問題的關鍵，但關于能源互聯(lián)網還有許多關鍵問題亟待解決。物理仿真系統(tǒng)是研究驗證電力系統(tǒng)的關鍵設施，基于D5000平臺搭建3個微電網的能源互聯(lián)網物理仿真系統(tǒng)，能夠方便靈活地驗證未來多微電網的各種問題，同時也為能源互聯(lián)網實驗及示范工程的建設提供了有益的參考。

關鍵詞:能源互聯(lián)網;微電網;仿真系統(tǒng)開發(fā);D5000

1緒論

能源安全、環(huán)境污染和氣候變化是當今人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展面臨的主要能源問題。能源互聯(lián)網能有效解決可再生能源的間歇性和波動性問題，被看作解決能源問題的重要途徑［1，2］。智能微電網是未來能源互聯(lián)網組成的基本單元，是未來分布式能源利用的主要組網模式。多微網之間的智能協(xié)調控制是能源互聯(lián)網要解決的關鍵問題之一。微電網作為分布式電源接入電網的有效方式受到了國內外學者多方面的研究［3-5］。但在多微網系統(tǒng)方面研究還主要集中在軟件仿真分析與算例優(yōu)化等方面［6］，也有一些實驗室和研究性多微電網系統(tǒng)［5］，但基于能源互聯(lián)網和能源路由器的多微電網系統(tǒng)還鮮有報道。目前能源互聯(lián)網的發(fā)展還處于初級階段，它是一個分布式能源發(fā)電、輸電、用電、信息通信、智能控制等等多技術領域交叉學科。研究開發(fā)基于能源互聯(lián)網的多微網控制物理仿真系統(tǒng)綜合平臺，不但能夠多微網智能控制調度仿真研究，而且還能為能源互聯(lián)網建設提供一定的理論基礎和數(shù)據(jù)支撐，為智能微電網建設具有較強的示范和引領作用。

2多微網物理仿真系統(tǒng)結構設計

2．1基于能源互聯(lián)網多微網仿真系統(tǒng)需求分析

在未來的能源互聯(lián)網中，微電網包括交流微電網和直流微電網。交流電網具有電壓轉換簡單，而直流電網穩(wěn)定，輸送距離遠，因此未來能源互聯(lián)網也必將是一個交-直流混聯(lián)的電網。在多微電網仿真系統(tǒng)中，應包括交流電網和直流電網，研究驗證交流電網和直流電網的運行特性。能源路由器是能源互聯(lián)網中的關鍵設備，電能是最易傳輸、轉換和利用的二次能源，因此未來的能源互聯(lián)網將是以電能為主的能源互聯(lián)網，電力能源路由器是未來能源互聯(lián)網的核心。在基于能源互聯(lián)網多微網仿真系統(tǒng)中，應有電力能源路由器把交流微電網和直流微電網聯(lián)結起來。在能源互聯(lián)網中，每一個發(fā)電、儲能、用電單元都應是一個獨立的主體，滿足即插即用功能，在滿足電力系統(tǒng)安全的前提下，基于市場經濟的規(guī)律，進行發(fā)電、儲能、用電的控制［7，8］。同時，每一個微電網既是一個能源供給和消費的單元，也是一個市場經濟的主體。每一個微網可以根據(jù)自身預期，向外電網購入或出售期望的電量，實現(xiàn)自身經濟價值最大化。中央層只需根據(jù)每個子網達成交易的電量和功率控制能源路由器向子網供電，子網集控層負責子網負荷的平衡，管理儲能、釋放儲能還是根據(jù)負荷的總需求切除部分負荷。所以基于能源互聯(lián)網的多微電網仿真系統(tǒng)需要能夠實現(xiàn)分層分區(qū)域進行控制［9］。

2．2基于能源互聯(lián)網多微網仿真系統(tǒng)結構設計

基于上述需求分析，能源互聯(lián)網多微電網仿真系統(tǒng)的設計為3個微電網通過一個4端口能源路由器互聯(lián)。2個交流微電網母線電壓為380V，1個直流微電網母線電壓為300V，仿真系統(tǒng)通過能源路由器與實驗室電網并網，如圖1。通過能源路由器，微電網可以從大電網中獲取能量，也可以向大電網中輸送能量，還可以在不同的微電網間進行定功率或非定功率的能量輸送，從而通過交易系統(tǒng)實現(xiàn)電能的競價購銷。每個微電網也是一個獨立的能源網單元，為模擬能源互聯(lián)網對等、開放、即插即用的特征，除每個微電網有分層控制系統(tǒng)外，發(fā)電、儲能、用電負載也都有自己的智能控制系統(tǒng)。為了模擬電網中的各種分布式電源、儲能裝置和負載。單晶硅、多晶硅和薄膜電池是目前最主要的分布式光伏發(fā)電組件，在3個不同的微電網中，分別用了3種不同的組件，其中垂直安裝的薄膜太陽能電池是未來光伏與建筑結合的主要形式。鉛酸電池、鋰電池是目前微電網中主要的儲能設施，也是本仿真系統(tǒng)的首選，另外超級電容儲能具有充放電時間短、改善電能質量等優(yōu)點，因此在仿真系統(tǒng)中還選擇了超級電容儲能裝置?？照{器、空氣能熱水器和充電樁是未來微電網中的主要大功率負載，并且具有短時間可中斷性，因此也是多微電網仿真系統(tǒng)中的主要負載。另外為了試驗靈活性，在每個微電網系統(tǒng)中，還設計了一套可調節(jié)的阻性負載、容性和感性負載。微電網仿真系統(tǒng)設備具體配置及其參數(shù)如下表。

3多微網仿真平臺控制系統(tǒng)及通信設計

目前還沒有關于能源互聯(lián)網的標準，關于微電網控制系統(tǒng)多是基于工業(yè)的自動控制系統(tǒng)。關于微電網設備間的通信協(xié)議也主要基于工業(yè)系統(tǒng)的通信協(xié)議，如在底層設備之間RS232、RS485通信協(xié)議居多，但通信格式必須事先約定，在沒有能源互聯(lián)網標準的情況下，設備的“即插即用、互聯(lián)共享”帶來了較大障礙。在沒有統(tǒng)一標準的情況下，作為基于能源互聯(lián)網的多微網仿真平臺，其控制系統(tǒng)必須具有較大的靈活性，同時也要與現(xiàn)有的電力設備具有較強的通用性，容易與大電網實現(xiàn)信息交互。平臺應有較大的靈活性，有豐富的設備、監(jiān)控末端可以選擇。

3．1多微網仿真系統(tǒng)控制平臺的選擇

因此目前在電網系統(tǒng)中普遍采用D5000調度系統(tǒng)，其功能全面、安全性高，實時性強，支持百萬級的數(shù)據(jù)采集與實時監(jiān)控;大部分智能電氣設備都支持D5000系統(tǒng)，其架構體系如圖2。

3．2通信網絡

能源互聯(lián)網中的微電網運行控制更加依賴于信息的采集與傳輸，同時微電網設備的響應特性對通信的實時性與可靠性要求更高，通信系統(tǒng)是微電網運行控制與管理的基礎環(huán)節(jié)。交流微電網、直流微電網均有本地監(jiān)控工作站，對各自微電網的運行狀態(tài)進行監(jiān)視，負責各自微電網的本地監(jiān)控。能源互聯(lián)網監(jiān)控與調度系統(tǒng)匯集所有微電網的數(shù)據(jù)，包含各微電網本地監(jiān)控的所有功能，同時，負責各微電網間的整體運行優(yōu)化和調度。微電網的各個設備(如風機變流器、儲能PCS)和通信管理機之間采用雙絞線以太網進行通信，微電網控制器、監(jiān)控工作站以及各個服務器之間，采用光纖以太網進行通信。系統(tǒng)監(jiān)控與通信拓撲圖如圖3。為實現(xiàn)能源互聯(lián)網的安全可靠運行與優(yōu)化調度，本仿真系統(tǒng)三層的通信功能如下:(1)就地控制層。該層也稱過程層，包括與被測量控制對象直接相連的各種數(shù)據(jù)采集設備、儀表、智能控制裝置等，這些設備通過現(xiàn)場總線(RS485/工業(yè)以太網)進行互聯(lián)，負責將測量所得到的數(shù)據(jù)向上層(微電網控制層)的通信管理機傳輸，并負責接收上層的控制指令。(2)微電網控制層。微電網控制層是中間層，通常采用工業(yè)以太網絡實現(xiàn)微電網控制器、通信管理機、微電網監(jiān)控計算機等設備的互聯(lián)。就地控制層采集的設備節(jié)點信息送到微電網控制層，微電網控制層的控制器負責將采集的信息進行匯聚、處理、研判和疏導，微電網控制器產生的控制指令通過通信管理機下發(fā)控制指令給就地控制層的設備，將部分或全部信息上傳給能源互聯(lián)網調度層;同時微電網控制層接收互聯(lián)網調度層的決策信息，并轉換為控制指令下發(fā)給就地控制層，起到“承上啟下”的作用。(3)能源互聯(lián)網調度層。能源互聯(lián)網調度層為最上層，負責接收多個微電網控制層上傳的數(shù)據(jù)，并進行匯總、處理、分析與決策，并負責給微電網控制層下發(fā)決策后的調度指令，從而對微電網的運行進行調控。本方案采用千兆光纖以太網絡實現(xiàn)調度層設備間的互聯(lián)，包括:三個微電網控制器、微電網互聯(lián)控制器、網絡對時服務器、能源互聯(lián)網調度系統(tǒng)、可視化觸摸屏等設備，為實現(xiàn)校園能源互聯(lián)網系統(tǒng)的安全、可靠與優(yōu)化運行奠定通信基礎。

3．3通信規(guī)約

基于一體化支撐平臺的前置機應用功能，實現(xiàn)能源互聯(lián)網調度層與微電網控制層的規(guī)約通信。支持以太網或標準串行接口，與微電網控制層的通訊采用符合DL/T634和DL451標準的101、104通信規(guī)約和CDT通信協(xié)議。支持與各種智能裝置和數(shù)據(jù)源通信。支持與現(xiàn)有地區(qū)調度自動化系統(tǒng)間的雙向數(shù)據(jù)通信，通信協(xié)議支持IEC60870-6(TASE．2)、DL476-92、IEC60870-5-104等網絡協(xié)議。

4多微網仿真平臺分層控制設計

仿真系統(tǒng)的開放性將是進行靈活仿真的關鍵，多微電網仿真系統(tǒng)按照開放性、智能化的特征進行構建。未來能源互聯(lián)網將是一個分層分區(qū)域運行控制的電網，故本仿真系統(tǒng)也采用分層、分區(qū)域方式對多微網進行控制?？刂葡到y(tǒng)采用“多微電網三層結構”［10］:能源互聯(lián)網調度層(上層)、微電網監(jiān)控層(中間層)、就地控制層(下層)，每一層的控制算法都是開放的，可以根據(jù)研究的需要進行控制策略的更改。調度層是本能源互聯(lián)網的最高控制管理層，主要完成三個微電網之間的能量優(yōu)化調度功能。配置獨立的微電網互聯(lián)控制系統(tǒng)一套，實現(xiàn)對電力能量路由器、并網及聯(lián)網設備的運行監(jiān)控。配置環(huán)境監(jiān)測裝置、電能質量監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對環(huán)境和交流微電網電能質量狀況的實時監(jiān)測。中間層稱為局部集中控制層(微電網監(jiān)控層)，是智能微電網的控制單元，其功能是實現(xiàn)微電網的穩(wěn)態(tài)控制和分析，響應上層(能源互聯(lián)網調度層)的調度命令，集中管理單個微電網的DG、儲能和各類負荷，對本微電網的安全、經濟運行和并離網運行進行控制。調度層和中間層都采用D5000控制，在D5000配置文件中可以設計調度控制策略，進行經濟調度、安全策略調度的仿真。就地層負責執(zhí)行微電網各DG調節(jié)、儲能充放電控制和負荷控制及用電設備的信息采集等作用，也就是DG、儲能、用電單個功能個體內部的控制。仿真系統(tǒng)的智能控制設備負責單個設備的安全、穩(wěn)定運行，同時與中間層不斷進行信息交互。就地層控制器全部采用開放式設計，可根據(jù)仿真的需要進行程序代碼的更改)。

5結論

電力能源互聯(lián)網是未來能源互聯(lián)網的核心，開發(fā)基于能源互聯(lián)網多微電網物理仿真系統(tǒng)為能源互聯(lián)網的研究提供了靈活的驗證平臺。本系統(tǒng)基于D5000調度平臺，采用交、直流子微網通過能源路由器實現(xiàn)互聯(lián)，可以控制微網與電網間的潮流流動、子網間的能量調度，而且可以進行經濟調度模擬，甚至競價上網調度方式的仿真模擬，具有較強的靈活性和適應性，為能源互聯(lián)網實驗及示范工程的建設提供了有益的參考。

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作者：周建強 許海園 秦光耀 單位：鄭州電力高等?？茖W校