微網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)的設(shè)計探討

摘要：伴隨我國分布式新能源發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用及接入配電網(wǎng)，給傳統(tǒng)電網(wǎng)帶來巨大的挑戰(zhàn)和沖擊，出現(xiàn)了能源利用率不高、電能質(zhì)量偏低、可控性較差、成本高、利潤空間小等問題。基于此，本文對一種更加靈活、智能、可靠的系統(tǒng)——微網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)進行設(shè)計探討。該系統(tǒng)融合了先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，在提供可靠的電力供應(yīng)，滿足用戶多種需求的同時，具有負(fù)荷跟蹤、改善電能質(zhì)量，電量管控、削峰填谷，提高功率因數(shù)，光伏發(fā)電平滑輸出，孤島運行等功能，能保證實現(xiàn)能源效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的最大化，是對我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)用電問題、保護環(huán)境的有力支撐。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；新能源發(fā)電；能源管理系統(tǒng)

 

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(chǔ)體系之一，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，電力需求不斷增長。如何推動電網(wǎng)改造，將龐大的電網(wǎng)系統(tǒng)打造成一個更加智能的動態(tài)調(diào)配資源系統(tǒng)，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(wǎng)領(lǐng)域的快速發(fā)展。本文探討的微網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)企業(yè)能源的智慧化管理，提高電能質(zhì)量及能源利用率。建設(shè)智慧能源管理系統(tǒng)是企業(yè)實現(xiàn)優(yōu)化資源配置，合理利用能源，改善環(huán)境，實現(xiàn)從單一的能源消耗向系統(tǒng)優(yōu)化利用的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，積極響應(yīng)國家儲能產(chǎn)業(yè)政策。

本文探討的微網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)，以“電力基礎(chǔ)網(wǎng)架+通信網(wǎng)絡(luò)”為基礎(chǔ)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，建設(shè)新能源發(fā)電系

統(tǒng)、分布式儲能系統(tǒng)（包含BMS電池管理系統(tǒng)）、EMS能源管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、智能分析云平臺，即能源供應(yīng)、能源管理調(diào)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(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理和分析、控制和調(diào)度、平衡預(yù)測和能源管理等功能，提供多樣化的優(yōu)質(zhì)用能服務(wù)，實現(xiàn)多能協(xié)同、能量優(yōu)化，提高能源利用，實現(xiàn)能源互聯(lián)。產(chǎn)品整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 微網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

微電網(wǎng)是指由分布式電源、用電負(fù)荷、配電設(shè)施、監(jiān)控和保護裝置等組成的小型發(fā)配用電系統(tǒng)，必要時還會包括儲能裝置。并網(wǎng)型微電網(wǎng)通常與外部電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，且具備并離網(wǎng)切換與獨立運行能力。

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院跟蹤了全球主要微電網(wǎng)市場，自2017年第二季度以來，全球微電網(wǎng)項目產(chǎn)能得到了提升，截至2018年第四季度，全球范圍內(nèi)，識別了2258個微電網(wǎng)項目，共計19575MW的規(guī)劃和裝機容量，市場規(guī)模達(dá)到222.2億美元。目前世界范圍內(nèi)的微電網(wǎng)工程以示范和研究為主，主要應(yīng)用場所是難以接入大電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)（孤島），占比達(dá)到近40%；其次為工商業(yè)，占比達(dá)到28.32%，公共事業(yè)占比11.79%，詳細(xì)見表1所示。

表1：2018年全球微電網(wǎng)基本情況

類別	具體內(nèi)容
微電網(wǎng)項目（個）	2258
規(guī)劃和裝機容量（MW）	19575
市場規(guī)模（億美元）	222.2

資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理                                  @前瞻經(jīng)濟學(xué)人APP

國外微電網(wǎng)發(fā)展：美國是最先提出微電網(wǎng)概念的國家，1999年美國可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會，首次對微電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)、控制、經(jīng)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(wǎng)概念，并且是目前微電網(wǎng)概念中最具權(quán)威的一個。歐洲國家于2005年提出“Smart Power Networks”智能電網(wǎng)計劃作為歐洲2020年及后續(xù)的電力發(fā)展目標(biāo)，表明了未來歐洲電網(wǎng)需具備以下特點：靈活性、可接入性、可靠性和經(jīng)濟性。并提出微電源輸出端逆變器相應(yīng)控制策略：PQ控制VSI(voltage source inverter)控制策略。同時提出優(yōu)化約束方程，并對超額發(fā)出熱能的棄用制訂了懲罰方案。最后，在滿足微電網(wǎng)電、熱雙重需求的條件下，以系統(tǒng)燃料耗量最低為目標(biāo)，提出了優(yōu)化的功率分配方案。

國內(nèi)微電網(wǎng)發(fā)展：2008年初，冰雪天氣導(dǎo)致我國發(fā)生大面積停電，只有少數(shù)小電網(wǎng)在支撐重要用戶運行，這暴露了我國現(xiàn)有的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在保障用戶供電方面所存在的薄弱環(huán)節(jié)，同時也將微型電網(wǎng)的作用充分展示了出來，并促使我國加快了對微型電網(wǎng)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(fā)電功能系統(tǒng)的相關(guān)基礎(chǔ)研究。次年，中國國家科技部通過《國家高科技研究發(fā)展計劃（863）》立項了近十個有關(guān)微電網(wǎng)方面的研究課題。2018年3月7日，國家能源局發(fā)布2018年能源工作指導(dǎo)意見。能源新模式新業(yè)態(tài)方面：積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”示范項目，多能互補集成優(yōu)化示范工程、新能源微電網(wǎng)項目以及儲能技術(shù)試點示范項目建設(shè)。2018年以來，伴隨各地方儲能相關(guān)政策出臺，沉寂多時的儲能產(chǎn)業(yè)煥發(fā)出勃勃生機，在用戶側(cè)、輔助服務(wù)、電網(wǎng)側(cè)、可再生能源并網(wǎng)、智能微網(wǎng)等領(lǐng)域快速發(fā)力。針對光伏新能源行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，不少以光伏為主的新能源企業(yè)開始轉(zhuǎn)向儲能、微網(wǎng)建設(shè)等領(lǐng)域。我國微電網(wǎng)的發(fā)展雖尚處于起始階段，但微電網(wǎng)的特點適應(yīng)我國電力發(fā)展的需求和方向，是大電網(wǎng)的有力補充，是智能電網(wǎng)領(lǐng)域的重要組成部分，在工商業(yè)區(qū)域、城市片區(qū)及偏遠(yuǎn)地區(qū)有廣泛的應(yīng)用前景。隨著微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)進度加快，預(yù)計微電網(wǎng)將進入快速發(fā)展期，具有廣闊的發(fā)展前景。

2 系統(tǒng)組成及特點

2.1新能源發(fā)電系統(tǒng)

利用現(xiàn)有廠房屋頂，建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)運行方式為用戶側(cè)自發(fā)自用、多余電量上網(wǎng)，將分布式光伏電源接入智慧能源管理平臺，實現(xiàn)清潔能源利用，通過微電網(wǎng)控制，與儲能系統(tǒng)相結(jié)合，可實現(xiàn)多能互補，提高供電可靠性。后期視情況考慮風(fēng)能的接入。光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.2分布式儲能系統(tǒng)

分布式儲能系統(tǒng)接入智慧能源管理平臺，通過微電網(wǎng)控制，停電時廠區(qū)孤島運行，實現(xiàn)重要負(fù)荷供電可靠性和穩(wěn)定性；儲能系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)配合，實現(xiàn)削峰填谷，降低用電成本；未來可參與需求側(cè)響應(yīng)和電力市場交易，真正實現(xiàn)柔性可控的可靠能源體系。分布式儲能系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 分布式儲能系統(tǒng)

2.3 EMS能源管理調(diào)控系統(tǒng)

系統(tǒng)主要包括3大部分內(nèi)容：能源數(shù)據(jù)采集，能源數(shù)據(jù)實時監(jiān)控和能源數(shù)據(jù)分析發(fā)布管理。其主要功能是實現(xiàn)對所有能源有關(guān)的數(shù)據(jù)采集，并在能源管理部門范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布，并可以為企業(yè)管理級的MES、ERP系統(tǒng)提供用能信息。整個能源管理系統(tǒng)是以穩(wěn)定可靠的工控PLC和上位管理服務(wù)器為核心并采用流行的、可靠地計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的集中式數(shù)據(jù)采集監(jiān)控分析系統(tǒng)。全廠設(shè)置一個集中能源監(jiān)控中心，全廠能源管理中心和各能源子站通過工廠已有網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。

可接入電網(wǎng)、分布式能源、儲能能源，通過智能切換控制策略，系統(tǒng)性地提升節(jié)能效果。智能報警、故障定位，通過智能控制與優(yōu)化及時監(jiān)控能源應(yīng)用情況并進行優(yōu)化，實現(xiàn)階梯能源的利用。能源管控系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 能源管控系統(tǒng)

微電網(wǎng)控制包括：配電調(diào)度層，根據(jù)控制策略對微電網(wǎng)的離/并網(wǎng)，電能輸入/返送等進行調(diào)度控制；集中控制層，對微電網(wǎng)整體進行協(xié)調(diào)控制與保護，確保微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行；就地控制層，實現(xiàn)本地控制與保護，完成微電網(wǎng)組成單元的保護與控制。

微電網(wǎng)（控制+分布式+儲能）核心價值：優(yōu)化清潔能源發(fā)電、提高供電的安全性和可靠性、實現(xiàn)階梯能源的利用、實現(xiàn)經(jīng)濟運行效率和效益。能源分析系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 能源分析系統(tǒng)

2.4充電系統(tǒng)

在廠區(qū)內(nèi)建立充電樁系統(tǒng)，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(dǎo)，并顯示電動車電池狀態(tài)和用戶IC卡資費信息，實現(xiàn)無人管理。

充電設(shè)施建設(shè)，通過能源互聯(lián)網(wǎng)與可再生能源可以構(gòu)成最佳搭配，在光儲式充換電站、快速充電站、需求響應(yīng)充電中發(fā)揮儲能作用，實現(xiàn)削峰填谷，輔助能源綜合梯級利用，提高能源系統(tǒng)效率，降低用能成本。充電系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 充電系統(tǒng)

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(xiàn)各微網(wǎng)大數(shù)據(jù)的監(jiān)控、分析、存儲。從“系統(tǒng)”上看由三個層次組成:基礎(chǔ)環(huán)境、系統(tǒng)基礎(chǔ)應(yīng)用、第三方應(yīng)用。基礎(chǔ)環(huán)境為運行和管理云應(yīng)用的基礎(chǔ)環(huán)境；系統(tǒng)基礎(chǔ)應(yīng)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(yīng)用接近于PC上的可安裝軟件，或智能手機中的App。云服務(wù)平臺如圖7所示。

圖7 云服務(wù)平臺

3 關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)優(yōu)勢

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1）基于區(qū)塊鏈的微網(wǎng)智能交易系統(tǒng)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)，建設(shè)一個在微網(wǎng)內(nèi)使用、安全可靠、實時動態(tài)、深度融合，滿足智能微網(wǎng)內(nèi)多種電能來源協(xié)調(diào)與控制等要求的微網(wǎng)智能交易系統(tǒng)，實現(xiàn)對微網(wǎng)內(nèi)多邊能源交易管理，是我國首批采用區(qū)塊鏈技術(shù)的微網(wǎng)系統(tǒng)，開拓了區(qū)塊鏈技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用，促進兩者的融合發(fā)展。

應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，以DENC區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)為平臺，與物聯(lián)網(wǎng)和智能APP數(shù)據(jù)交互，多方用戶共同參與核定智能合約，合約通過P2P網(wǎng)絡(luò)擴散并存入?yún)^(qū)塊鏈，根據(jù)削峰填谷的要求，執(zhí)行智能合約的方式協(xié)調(diào)微網(wǎng)內(nèi)的電網(wǎng)供電、儲能、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等多種電能來源與充電站/充電樁達(dá)成購售電交易，對充電樁、生產(chǎn)用電、充能、分布式能源合理分配，對當(dāng)前微網(wǎng)系統(tǒng)電能并網(wǎng)計費提供了可行的辦法，解決微網(wǎng)電能計費難題，有利于推動微網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)的融合，促進分布式電源有效的發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢。

 （2）分散式能源匯聚技術(shù)

將分布式電源以微網(wǎng)形式接入到電網(wǎng)中并網(wǎng)運行，與電網(wǎng)互為支撐，是發(fā)揮分布式電源效能的最有效方式，具有巨大的社會與經(jīng)濟意義，體現(xiàn)在：

①可大大提高分布式電源的利用率；

②有助于電網(wǎng)災(zāi)變時向重要負(fù)荷持續(xù)供電；

③避免間歇式電源對周圍用戶電能質(zhì)量的直接影響；

④有助于可再生能源優(yōu)化利用和電網(wǎng)的節(jié)能降損等。

分散式能源匯聚技術(shù)將電網(wǎng)、儲能電站、分布式能源、負(fù)荷接入微網(wǎng)系統(tǒng)，通過智慧能源管理系統(tǒng)調(diào)控、調(diào)配能源，實現(xiàn)多能互補，提高分布式電源并網(wǎng)發(fā)電穩(wěn)定性，解決現(xiàn)有分布式電源運行時的“隨意性”給系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)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(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生，解決了分布式能源產(chǎn)業(yè)的電能質(zhì)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(chǎn)業(yè)發(fā)展。

（3）運用大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，實現(xiàn)能效的綜合分析與評價，能源設(shè)備的智能管理、智慧服務(wù)及能源互聯(lián)。

通過多源數(shù)據(jù)采集，對自動化數(shù)據(jù)、信息化數(shù)據(jù)、資產(chǎn)數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)等進行大數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)設(shè)備運行與綜合能效的大數(shù)據(jù)分析與評價。基于數(shù)據(jù)的分析和深入挖掘，植入人工智能技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)互聯(lián)、人機交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活的智慧服務(wù)系統(tǒng)。

3.2系統(tǒng)優(yōu)勢

我公司研發(fā)的微網(wǎng)智慧能源系統(tǒng)，運用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、互聯(lián)網(wǎng)+等新一代信息通訊技術(shù)以及能源高效互聯(lián)的供給配送技術(shù)，在公司電力基礎(chǔ)網(wǎng)架基礎(chǔ)上、建設(shè)智能感知互聯(lián)的能源監(jiān)控系統(tǒng)、高效靈活的能源調(diào)控系統(tǒng)、全局協(xié)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(tǒng)為核心，光儲充一體化的微網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)公司能源監(jiān)控的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)、多種能源的統(tǒng)一配置以及能源的統(tǒng)一管控等功能，實現(xiàn)智慧能源供應(yīng)清潔化、能源調(diào)控智能化、能源利用高效化，形成微網(wǎng)智慧能源管理示范基地。相關(guān)技術(shù)可以應(yīng)用在光充儲微網(wǎng)系統(tǒng)、小區(qū)改造停車場及需要不間斷供電的政府機關(guān)、科研園區(qū)等。具體體現(xiàn)在以下五個方面：

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

（2）提高功率因數(shù)：通過實時監(jiān)測負(fù)荷波動，調(diào)整功率因數(shù)，減少電網(wǎng)考核電費。

（3）能量轉(zhuǎn)移，新能源充電系統(tǒng)解決電動汽車充電難問題，為用戶側(cè)帶來收益。

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

（5）分布式電網(wǎng)增加電網(wǎng)運行的可靠性，當(dāng)公共電網(wǎng)斷電時，無縫切換至孤島運行模式，保障廠區(qū)持續(xù)供電。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)大量的分布式微網(wǎng)系統(tǒng)存在電力系統(tǒng)對其不可控和難以管理的局面，并引發(fā)相應(yīng)的電能質(zhì)量、電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性等諸多問題。未來，微電網(wǎng)作為分布式發(fā)電優(yōu)化集成的一種方式，在提供可靠的電力供應(yīng)，滿足用戶多種需求的同時，還能保證實現(xiàn)能源效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的最大化，已經(jīng)成為世界各國研究的重點。微網(wǎng)將是智能電網(wǎng)建設(shè)中不可或缺的重要組成部分。在我國，大力推廣微網(wǎng)技術(shù)，是走可持續(xù)發(fā)展道路的具體體現(xiàn)，是對我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)用電問題、保護環(huán)境的有力支撐，微網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>