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微網智慧能源管理系統的設計探討

摘要：伴隨我國分布式新能源發電大規模應用及接入配電網，給傳統電網帶來巨大的挑戰和沖擊，出現了能源利用率不高、電能質量偏低、可控性較差、成本高、利潤空間小等問題?；诖?，本文對一種更加靈活、智能、可靠的系統——微網智慧能源管理系統進行設計探討。該系統融合了先進的物聯網技術、區塊鏈技術、云計算、大數據處理技術等，在提供可靠的電力供應，滿足用戶多種需求的同時，具有負荷跟蹤、改善電能質量，電量管控、削峰填谷，提高功率因數，光伏發電平滑輸出，孤島運行等功能，能保證實現能源效益、經濟效益和環境效益的最大化，是對我國調整能源結構、解決偏遠地區用電問題、保護環境的有力支撐。

關鍵詞：微電網；新能源發電；能源管理系統

 

Discussion on the Design of Microgrid Intelligent Energy Management System

Lu Lianfeng，Kong Xiangchong

（Yihe Electric Group Co.,Ltd., Qingdao 266510,China）

Abstract: With the large-scale application of distributed new energy power generation in China and access to the distribution network, it has brought huge challenges and impacts to the traditional power grid. The utilization rate of energy is low, the power quality is low, the controllability is poor, and the cost is high. Low profit margins and other issues. Based on this, this paper discusses the design of a more flexible, intelligent and reliable system—microgrid intelligent energy management system. The system combines advanced IOT technology, blockchain technology, cloud computing, big data processing technology, etc., while providing reliable power supply to meet various needs of users, with load tracking, improved power quality, power control, cutting peaks and valleys, improving power factor, smooth output of photovoltaic power generation, and island operation. It can ensure the maximization of energy efficiency, economic benefits and environmental benefits. It is the strong support of adjusting energy structure, solving power problems in remote areas, and protecting the environment.

Keywords: microgrid; new energy generation; energy management system

 

0 引言

電力能源是支撐整個社會運行的最重要基礎體系之一，隨著社會經濟的發展，電力需求不斷增長。如何推動電網改造，將龐大的電網系統打造成一個更加智能的動態調配資源系統，滿足未來更大需求，也就成為了人們迫切需要解決的問題，這也促進了智能微網領域的快速發展。本文探討的微網智慧能源管理系統，能夠實現企業能源的智慧化管理，提高電能質量及能源利用率。建設智慧能源管理系統是企業實現優化資源配置，合理利用能源，改善環境，實現從單一的能源消耗向系統優化利用的戰略轉變，積極響應國家儲能產業政策。

本文探討的微網智慧能源管理系統，以“電力基礎網架+通信網絡”為基礎，利用物聯網技術、區塊鏈技術、云計算、大數據處理技術等，建設新能源發電系

統、分布式儲能系統（包含BMS電池管理系統）、EMS能源管理系統、充電系統、智能分析云平臺，即能源供應、能源管理調控及能源利用3大能源板塊+1個管控平臺，集成用能單位能源系統數據采集、處理和分析、控制和調度、平衡預測和能源管理等功能，提供多樣化的優質用能服務，實現多能協同、能量優化，提高能源利用，實現能源互聯。產品整體架構如圖1所示。

圖1 微網智慧能源管理系統整體架構

1 國內外發展現狀和趨勢

微電網是指由分布式電源、用電負荷、配電設施、監控和保護裝置等組成的小型發配用電系統，必要時還會包括儲能裝置。并網型微電網通常與外部電網聯網運行，且具備并離網切換與獨立運行能力。

前瞻產業研究院跟蹤了全球主要微電網市場，自2017年第二季度以來，全球微電網項目產能得到了提升，截至2018年第四季度，全球范圍內，識別了2258個微電網項目，共計19575MW的規劃和裝機容量，市場規模達到222.2億美元。目前世界范圍內的微電網工程以示范和研究為主，主要應用場所是難以接入大電網的偏遠地區（孤島），占比達到近40%；其次為工商業，占比達到28.32%，公共事業占比11.79%，詳細見表1所示。

表1：2018年全球微電網基本情況

類別	具體內容
微電網項目（個）	2258
規劃和裝機容量（MW）	19575
市場規模（億美元）	222.2

資料來源：前瞻產業研究院整理                                  @前瞻經濟學人APP

國外微電網發展：美國是最先提出微電網概念的國家，1999年美國可靠性技術解決方案協會，首次對微電網在結構、控制、經濟等方面進行了研究并于2002年正式提出了相對完整的微電網概念，并且是目前微電網概念中最具權威的一個。歐洲國家于2005年提出“Smart Power Networks”智能電網計劃作為歐洲2020年及后續的電力發展目標，表明了未來歐洲電網需具備以下特點：靈活性、可接入性、可靠性和經濟性。并提出微電源輸出端逆變器相應控制策略：PQ控制VSI(voltage source inverter)控制策略。同時提出優化約束方程，并對超額發出熱能的棄用制訂了懲罰方案。最后，在滿足微電網電、熱雙重需求的條件下，以系統燃料耗量最低為目標，提出了優化的功率分配方案。

國內微電網發展：2008年初，冰雪天氣導致我國發生大面積停電，只有少數小電網在支撐重要用戶運行，這暴露了我國現有的網架結構在保障用戶供電方面所存在的薄弱環節，同時也將微型電網的作用充分展示了出來，并促使我國加快了對微型電網的研究步伐。2009年，中國國家科技部通過“973”計劃項目，專門資助了分布式發電功能系統的相關基礎研究。次年，中國國家科技部通過《國家高科技研究發展計劃（863）》立項了近十個有關微電網方面的研究課題。2018年3月7日，國家能源局發布2018年能源工作指導意見。能源新模式新業態方面：積極推進“互聯網+智慧能源”示范項目，多能互補集成優化示范工程、新能源微電網項目以及儲能技術試點示范項目建設。2018年以來，伴隨各地方儲能相關政策出臺，沉寂多時的儲能產業煥發出勃勃生機，在用戶側、輔助服務、電網側、可再生能源并網、智能微網等領域快速發力。針對光伏新能源行業的發展現狀，不少以光伏為主的新能源企業開始轉向儲能、微網建設等領域。我國微電網的發展雖尚處于起始階段，但微電網的特點適應我國電力發展的需求和方向，是大電網的有力補充，是智能電網領域的重要組成部分，在工商業區域、城市片區及偏遠地區有廣泛的應用前景。隨著微電網關鍵技術研發進度加快，預計微電網將進入快速發展期，具有廣闊的發展前景。

2 系統組成及特點

2.1新能源發電系統

利用現有廠房屋頂，建設分布式光伏發電系統，系統運行方式為用戶側自發自用、多余電量上網，將分布式光伏電源接入智慧能源管理平臺，實現清潔能源利用，通過微電網控制，與儲能系統相結合，可實現多能互補，提高供電可靠性。后期視情況考慮風能的接入。光伏發電系統如圖2所示。

圖2 光伏發電系統

2.2分布式儲能系統

分布式儲能系統接入智慧能源管理平臺，通過微電網控制，停電時廠區孤島運行，實現重要負荷供電可靠性和穩定性；儲能系統與光伏系統配合，實現削峰填谷，降低用電成本；未來可參與需求側響應和電力市場交易，真正實現柔性可控的可靠能源體系。分布式儲能系統如圖3所示。

圖3 分布式儲能系統

2.3 EMS能源管理調控系統

系統主要包括3大部分內容：能源數據采集，能源數據實時監控和能源數據分析發布管理。其主要功能是實現對所有能源有關的數據采集，并在能源管理部門范圍內實現數據的發布，并可以為企業管理級的MES、ERP系統提供用能信息。整個能源管理系統是以穩定可靠的工控PLC和上位管理服務器為核心并采用流行的、可靠地計算機網絡構成的集中式數據采集監控分析系統。全廠設置一個集中能源監控中心，全廠能源管理中心和各能源子站通過工廠已有網絡結合在一起構成一個完整的系統。

可接入電網、分布式能源、儲能能源，通過智能切換控制策略，系統性地提升節能效果。智能報警、故障定位，通過智能控制與優化及時監控能源應用情況并進行優化，實現階梯能源的利用。能源管控系統如圖4所示。

圖4 能源管控系統

微電網控制包括：配電調度層，根據控制策略對微電網的離/并網，電能輸入/返送等進行調度控制；集中控制層，對微電網整體進行協調控制與保護，確保微電網系統的安全、穩定運行；就地控制層，實現本地控制與保護，完成微電網組成單元的保護與控制。

微電網（控制+分布式+儲能）核心價值：優化清潔能源發電、提高供電的安全性和可靠性、實現階梯能源的利用、實現經濟運行效率和效益。能源分析系統如圖5所示。

圖5 能源分析系統

2.4充電系統

在廠區內建立充電樁系統，每個充電樁自帶操作器，以供用戶進行充電方式選擇和操作指導，并顯示電動車電池狀態和用戶IC卡資費信息，實現無人管理。

充電設施建設，通過能源互聯網與可再生能源可以構成最佳搭配，在光儲式充換電站、快速充電站、需求響應充電中發揮儲能作用，實現削峰填谷，輔助能源綜合梯級利用，提高能源系統效率，降低用能成本。充電系統如圖6所示。

圖6 充電系統

2.5智能分析云平臺

建立綜合能效管理和智慧能源展示平臺，實現各微網大數據的監控、分析、存儲。從“系統”上看由三個層次組成:基礎環境、系統基礎應用、第三方應用。基礎環境為運行和管理云應用的基礎環境；系統基礎應用主要包含即時通訊、郵箱、文件云存儲及在線編輯、記事本、表格等在線編輯工具及圖片查看器、PDF閱讀器等輔助性工具；第三方應用接近于PC上的可安裝軟件，或智能手機中的App。云服務平臺如圖7所示。

圖7 云服務平臺

3 關鍵技術和系統優勢

3.1 關鍵技術

（1）基于區塊鏈的微網智能交易系統

基于區塊鏈技術，建設一個在微網內使用、安全可靠、實時動態、深度融合，滿足智能微網內多種電能來源協調與控制等要求的微網智能交易系統，實現對微網內多邊能源交易管理，是我國首批采用區塊鏈技術的微網系統，開拓了區塊鏈技術在電力行業中的應用，促進兩者的融合發展。

應用區塊鏈技術，以DENC區塊鏈網絡為平臺，與物聯網和智能APP數據交互，多方用戶共同參與核定智能合約，合約通過P2P網絡擴散并存入區塊鏈，根據削峰填谷的要求，執行智能合約的方式協調微網內的電網供電、儲能、光伏發電、風力發電等多種電能來源與充電站/充電樁達成購售電交易，對充電樁、生產用電、充能、分布式能源合理分配，對當前微網系統電能并網計費提供了可行的辦法，解決微網電能計費難題，有利于推動微網系統與電網的融合，促進分布式電源有效的發揮其技術優勢。

 （2）分散式能源匯聚技術

將分布式電源以微網形式接入到電網中并網運行，與電網互為支撐，是發揮分布式電源效能的最有效方式，具有巨大的社會與經濟意義，體現在：

①可大大提高分布式電源的利用率；

②有助于電網災變時向重要負荷持續供電；

③避免間歇式電源對周圍用戶電能質量的直接影響；

④有助于可再生能源優化利用和電網的節能降損等。

分散式能源匯聚技術將電網、儲能電站、分布式能源、負荷接入微網系統，通過智慧能源管理系統調控、調配能源，實現多能互補，提高分布式電源并網發電穩定性，解決現有分布式電源運行時的“隨意性”給系統的安全性和穩定性造成的隱患難題，可就地消納分布式能源，減少棄光棄風現象的發生，解決了分布式能源產業的電能質量低、電能浪費等問題，提高了分布式能源電能的使用效率，推動分布式能源產業發展。

（3）運用大數據、人工智能技術，實現能效的綜合分析與評價，能源設備的智能管理、智慧服務及能源互聯。

通過多源數據采集，對自動化數據、信息化數據、資產數據、運行數據等進行大數據處理，實現設備運行與綜合能效的大數據分析與評價?；跀祿姆治龊蜕钊胪诰?，植入人工智能技術，實現電力系統各環節互聯、人機交互，具有狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活的智慧服務系統。

3.2系統優勢

我公司研發的微網智慧能源系統，運用云計算、大數據、物聯網、移動互聯、互聯網+等新一代信息通訊技術以及能源高效互聯的供給配送技術，在公司電力基礎網架基礎上、建設智能感知互聯的能源監控系統、高效靈活的能源調控系統、全局協同的綜合能效平臺以及友好互動的展示平臺，建成一套以能源管理系統為核心，光儲充一體化的微網智慧能源管理系統，實現公司能源監控的統一網絡、多種能源的統一配置以及能源的統一管控等功能，實現智慧能源供應清潔化、能源調控智能化、能源利用高效化，形成微網智慧能源管理示范基地。相關技術可以應用在光充儲微網系統、小區改造停車場及需要不間斷供電的政府機關、科研園區等。具體體現在以下五個方面：

（1）削峰填谷：在用電高峰期，負荷需量超過設定值一定時間后，及時控制儲能放電，降低企業負荷有效減少企業基本電費。

（2）提高功率因數：通過實時監測負荷波動，調整功率因數，減少電網考核電費。

（3）能量轉移，新能源充電系統解決電動汽車充電難問題，為用戶側帶來收益。

（4）實現屋頂光伏發電平滑輸出，減少新能源發電的隨機性、間歇性、波動性給電網和用戶帶來的沖擊。

（5）分布式電網增加電網運行的可靠性，當公共電網斷電時，無縫切換至孤島運行模式，保障廠區持續供電。

4 結語

目前國內大量的分布式微網系統存在電力系統對其不可控和難以管理的局面，并引發相應的電能質量、電網安全性和穩定性等諸多問題。未來，微電網作為分布式發電優化集成的一種方式，在提供可靠的電力供應，滿足用戶多種需求的同時，還能保證實現能源效益、經濟效益和環境效益的最大化，已經成為世界各國研究的重點。微網將是智能電網建設中不可或缺的重要組成部分。在我國，大力推廣微網技術，是走可持續發展道路的具體體現，是對我國調整能源結構、解決偏遠地區用電問題、保護環境的有力支撐，微網智慧能源管理系統發展潛力巨大。