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摘要：為了形成穩(wěn)定性、可靠性強的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎，利用優(yōu)化粒子群的算法，進而形成物聯(lián)網(wǎng)分布式智能電源的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)中負責控制的主體采用微網(wǎng)分層控制體系，底層為分布式電源系統(tǒng)負責雙閉環(huán)控制，上層為能量優(yōu)化算法。通過智能化的管理，促使整個系統(tǒng)運行具有較高的經(jīng)濟性和可靠性，使提高微電網(wǎng)綜合效益的目標得以實現(xiàn)，帶來較好的工程價值。
關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；分布式電源；智能；粒子群算法；雙閉環(huán)控制
0引言
我國電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展至今，已經(jīng)逐漸形成了大網(wǎng)絡架構的電網(wǎng)形式。通過采取集中供電的方式，能夠便于能源產(chǎn)地的布局規(guī)劃，控制經(jīng)濟成本，但是在現(xiàn)實運用中，由于操作電源應用場合特殊，電力系統(tǒng)設備分布較廣泛，造成了電網(wǎng)系統(tǒng)工程龐大，聯(lián)網(wǎng)困難，逐漸遇到了、建設工程周期過長、系統(tǒng)結構復雜、故障影響較大、后期維護成本過高、信息采集不及時等不利因素。基于以上問題，隨著科技發(fā)展的進步，以及管理理念的提升，我國對分布式電源的重視程度逐漸提高，希望通過分布式電源為傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)進行良好的補充和完善。
所謂分布式電網(wǎng)是由多個微小電網(wǎng)或電力系統(tǒng)組成，各個電力系統(tǒng)按照自己的位置劃分，為自己的區(qū)域提供電力能源，這樣的分布方式能夠提高整套電網(wǎng)系統(tǒng)的靈活性，減小線損，能源的分布形式更多樣化，一旦出現(xiàn)故障，也能較大地縮小負面影響。
分布式電網(wǎng)中供電形式多種多樣，而且彼此獨立，互不干涉。因此，可以根據(jù)需要在分布式電網(wǎng)中放置一些智能電源或者綠色電源，進一步推動電網(wǎng)的智能化和綠色化升級。
1基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式智能電源管理設計
通過無線傳感器技術、RFID技術、定位技術等，物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)自動識別、感知、采集相關重要信息。利用各種電子信息傳輸技術，將收集到的這些重要信息進行匯總，統(tǒng)一存入線上信息網(wǎng)絡中，并利用數(shù)據(jù)挖掘、云計算、模糊識別以及語義分析等各種智能計算方式，對電力系統(tǒng)中的一些設備運行參數(shù)進行分析融合。這套管理體系以物聯(lián)網(wǎng)為基礎，并分為三層結構：感知層、通信層、應用層。
感知層主要是感知被管理對象的相關基本特征，采用的主要技術是無線傳感網(wǎng)或現(xiàn)場總線；通信層主要是實現(xiàn)遠程監(jiān)控和底層數(shù)據(jù)進行通信的能力，采用的主要技術是3G、4G，未來可能有5G通信網(wǎng)以及有線公共通信網(wǎng)；應用層主要是指運用計算機應用技術所實現(xiàn)的其他應用功能。
基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式智能電源管理主要利用了物聯(lián)網(wǎng)的分層技術，整體采用感知層、通信層、應用層這三層結構。其中感知層作為底層結構，主要是對分布式電源中的逆變器、并離網(wǎng)控制器、低壓監(jiān)測等設備進行實時采集，采集的信息主要包括開關量、模擬量等重要數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對整個分布式微電網(wǎng)的運營監(jiān)控。
在通信設備基礎條件較好的區(qū)域，通信層可以利用有線互聯(lián)網(wǎng)，而在較偏遠地區(qū)或特殊區(qū)域，有線網(wǎng)絡安裝不到的地方，可以選擇使用3G、4G，甚至5G網(wǎng)絡。對數(shù)據(jù)的處理主要是在應用層，可以為用戶提供交互功能，需要兼?zhèn)鋽?shù)據(jù)處理功能和較佳的遠程協(xié)調控制功能。
隨著技術的進步，在現(xiàn)實運用過程中，為了使管理效果得到進一步提升，設計當中往往會將感知層逆變器采用雙閉環(huán)控制，提高對電力系統(tǒng)的控制；應用層則會采用粒子群算法來實現(xiàn)能量的優(yōu)化配置，從而保障整個電網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調配置運行。
2基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式智能電源管理的內外環(huán)控制方式
基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式智能電源管理，采用分層控制的設計方案，由于智能電源在接入大電網(wǎng)時，需要在電壓、功率、頻率等指標上與大電壓保持協(xié)調，因而感知層將會使用雙閉環(huán)控制器，主要控制逆變器。
具體而言，為了保持智能電源與大電網(wǎng)的協(xié)調性，采用雙閉環(huán)控制的方式實現(xiàn)內外環(huán)管理控制功能。外環(huán)控制上，主要控制分布式智能電源的輸出功率，確保系統(tǒng)在分布式電源的電壓指標，即便偶爾遇到波動變化，也能夠保證恒定的功率，向大電網(wǎng)輸出電能源；內環(huán)控制主要是控制電流，通過智能化的手段，形成一整套智能電源系統(tǒng)，能夠幫助電網(wǎng)獲得良好的適應性能。內、外環(huán)控制方式的具體控制體系，如圖1所示。
圖1雙環(huán)控制系統(tǒng)結構圖
PQ控制模型作為外環(huán)功率控制模式的主要采用方式，能夠恒功率進行控制，控制方法較為簡單，適用分布式電源系統(tǒng)在并網(wǎng)時的功率控制。目前，PQ控制模型一般使用的是DQ變換的前饋解耦PQ控制系統(tǒng)，這種控制方式自身也含有兩個控制環(huán)系統(tǒng)功能。
內環(huán)控制系統(tǒng)采用電流采集的參數(shù)，在所定義的DQ坐標體系中，可以進行空間的矢量變換，將三相靜止坐標系下的網(wǎng)絡拓撲結構變換成兩相同步數(shù)學模型；外環(huán)是以公共網(wǎng)絡所需要的有功率和無功率為對象，經(jīng)解析和計算，得出的電流和電壓值，并將這種參考的變量以反饋控制的形式傳達給內環(huán)電流和電壓值，從而控制電流和電壓值在所需范圍內。內環(huán)電流能夠保證外環(huán)持續(xù)在一個恒定的功率內運作，在基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式智能電源管理的內外環(huán)控制設計的過程中，采用移動智能體的技術來完成。
Agent移動方式的具體結構框架如圖2所示。圖2表明，Agent移動方式結構可以分為知識庫、內部情況、操作目標三大獨立的數(shù)據(jù)模塊體系。這三個體系之間，作為數(shù)據(jù)的實體，能夠通過對環(huán)境變化的應對進行自主修改，具有良好的適應能力。在物聯(lián)網(wǎng)的分布式智能電源管理系統(tǒng)中，每個Agent移動方式都能夠利用傳感器對外部環(huán)境進行預知和感受，對根據(jù)內部狀態(tài)收集到的信息加以融合，產(chǎn)生對于修改狀態(tài)的指令描述，再借助知識庫的設計指揮，進行目標規(guī)劃，在目標的指引下，形成一整套動作，通過感應器對環(huán)境進行反應，再產(chǎn)生功能操作。具體如圖2所示。
圖2 Agent移動方式的具體結構
3分析上層粒子群算法系統(tǒng)
運行過程中，為了進一步加強對上層控制的能力，物聯(lián)網(wǎng)分布式智能電源管理系統(tǒng)將采用上層粒子群算法，從而實現(xiàn)分布式智能電源管理的協(xié)調。對上層粒子群算法的具體描述，可以表達為：在多維目標的空間搜索中，由多數(shù)個粒子所組成的群，這些粒子群能夠在一定范圍內飛行。飛行中的粒子可以根據(jù)經(jīng)驗以及其他粒子飛行的方式不斷地調整自己的方向和速度，以此形成種群的協(xié)調效果。當n+1次代粒子m的飛行位置可以表示為多維空間內一個頂點坐標時，其位置量、速度向量、個體解、全局解、更新速度和位置都可計算得出。
雖然相關的計算公式較為復雜，但是相較于原有的對于粒子跟蹤的無法實現(xiàn)而言，已經(jīng)更為簡單，涉及的參數(shù)也很少，基本粒子能夠實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的跟蹤和預知。
4基于物聯(lián)網(wǎng)的智能分布直流操作電源系統(tǒng)的結構與功能
在對物聯(lián)網(wǎng)分布式智能電源進行管理時，可以將這種系統(tǒng)設計為集計算系統(tǒng)、高效智能管理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)于一身的智能分布直流電操作電源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)效率高、易維護、風險低的智能化電網(wǎng)自動配網(wǎng)設備管理，使電力供應獲得更高的性價比。
基于物聯(lián)網(wǎng)的智能分布直流操作電源系統(tǒng)，通過利用高速的核心控制平臺，在計算機嵌入式控制中實現(xiàn)特定算法，從而對數(shù)據(jù)進行處理和分析，對整個電力系統(tǒng)進行智能控制和協(xié)調。其中涉及的高效電源可以自動根據(jù)負電荷情況調整相應的供電輸入模式，實現(xiàn)蓄電池供電和交流電源供電，靈活變換的處理方式，提高電源的可靠性。這套智能管理方式能夠幫助儲備的電池進行自主充電管理，實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，時刻監(jiān)測儲備電池的電壓、溫度和內阻的變化情況，來判斷它的狀態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)中的無線通信系統(tǒng)會對電源遠程物聯(lián)管理，將得到的每一個信息進行分享和利用，實現(xiàn)遠程智能化互動化的管理目標。在這套系統(tǒng)中還有人機互動界面，現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)通過人機界面對系統(tǒng)中的輸出輸入電壓電流、電池內阻、溫度等進行實時參數(shù)監(jiān)控。
系統(tǒng)主要模塊的技術是基于嵌入式計算機控制系統(tǒng)進行核心處理，使整個處理模式能夠協(xié)調運作，控制所有模塊在有序穩(wěn)定的范圍內開展工作，高效完成各類算法，對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控和保護，促進人機互動的同時，盡可能完成自主化運營。
Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，是我司根據(jù)新型電力系統(tǒng)下微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的要求，總結國內外的研究和生產(chǎn)的經(jīng)驗，專門研制出的企業(yè)微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電樁的接入，全天候進行數(shù)據(jù)采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統(tǒng)、充電樁運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎上以經(jīng)濟優(yōu)化運行為目標，提升可再生能源應用，提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性、補償負荷波動；有效實現(xiàn)用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網(wǎng)能量管理提供安全、可靠、經(jīng)濟運行提供了全新的解決方案。
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)應采用分層分布式結構，整個能量管理系統(tǒng)在物理上分為三個層：設備層、網(wǎng)絡通信層和站控層。站級通信網(wǎng)絡采用標準以太網(wǎng)及TCP/IP通信協(xié)議，物理媒介可以為光纖、網(wǎng)線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。
本方案遵循的標準有：
本技術規(guī)范書提供的設備應滿足以下規(guī)定、法規(guī)和行業(yè)標準：
GB/T26802.1-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通用規(guī)范1部分：通用要求
GB/T26806.2-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)工業(yè)控制計算機基本平臺2部分：性能評定方法
GB/T26802.5-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通用規(guī)范5部分：場地安全要求
GB/T26802.6-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通用規(guī)范6部分：驗收大綱
GB/T2887-2011計算機場地通用規(guī)范
GB/T20270-2006信息安全技術網(wǎng)絡基礎安全技術要求
GB50174-2018電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范
DL/T634.5101遠動設備及系統(tǒng)5-101部分:傳輸規(guī)約基本遠動任務配套標準
DL/T634.5104遠動設備及系統(tǒng)5-104部分:傳輸規(guī)約采用標準傳輸協(xié)議子集的IEC60870-5-網(wǎng)絡訪問101
GB/T33589-2017微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定
GB/T36274-2018微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)技術規(guī)范
GB/T51341-2018微電網(wǎng)工程設計標準
GB/T36270-2018微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范
DL/T1864-2018型微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范
T/CEC182-2018微電網(wǎng)并網(wǎng)調度運行規(guī)范
T/CEC150-2018低壓微電網(wǎng)并網(wǎng)一體化裝置技術規(guī)范
T/CEC151-2018并網(wǎng)型交直流混合微電網(wǎng)運行與控制技術規(guī)范
T/CEC152-2018并網(wǎng)型微電網(wǎng)需求響應技術要求
T/CEC153-2018并網(wǎng)型微電網(wǎng)負荷管理技術導則
T/CEC182-2018微電網(wǎng)并網(wǎng)調度運行規(guī)范
T/CEC5005-2018微電網(wǎng)工程設計規(guī)范
NB/T10148-2019微電網(wǎng)1部分：微電網(wǎng)規(guī)劃設計導則
NB/T10149-2019微電網(wǎng)2部分：微電網(wǎng)運行導則
系統(tǒng)可應用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。
6系統(tǒng)配置
本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網(wǎng)絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：
圖1典型微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)組網(wǎng)方式
7系統(tǒng)功能
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)人機界面友好，應能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數(shù)主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。
系統(tǒng)應可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)進行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設置等。
系統(tǒng)應可以對儲能系統(tǒng)進行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網(wǎng)光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據(jù)不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統(tǒng)信息進行顯示。
圖2系統(tǒng)主界面
子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。
圖3光伏系統(tǒng)界面
本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網(wǎng)柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進行展示。
圖4儲能系統(tǒng)界面
本界面主要用來展示本系統(tǒng)的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。
本界面主要用來展示對PCS的參數(shù)進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。
圖6儲能系統(tǒng)BMS參數(shù)設置界面
本界面用來展示對BMS的參數(shù)進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。
圖7儲能系統(tǒng)PCS電網(wǎng)側數(shù)據(jù)界面
本界面用來展示對PCS電網(wǎng)側數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等。
圖8儲能系統(tǒng)PCS交流側數(shù)據(jù)界面
本界面用來展示對PCS交流側數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。
圖9儲能系統(tǒng)PCS直流側數(shù)據(jù)界面
本界面用來展示對PCS直流側數(shù)據(jù)，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。
圖10儲能系統(tǒng)PCS狀態(tài)界面
本界面用來展示對PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)及STS故障告警等。
圖11儲能電池狀態(tài)界面
本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。
圖12儲能電池簇運行數(shù)據(jù)界面
本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的大、小電壓、溫度值及所對應的位置。
圖13風電系統(tǒng)界面
8結束語
基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式智能化電源管理研究，已經(jīng)成為業(yè)界人士和電力系統(tǒng)的研究重點。本文結合實際運用中分布式智能電源的協(xié)調操作相關原理、實現(xiàn)情況、積極的作用和可以采用的設計方案，進行了詳細的闡述。在充分展示研究資料的基礎上，明確以粒子群算法作為主要控制原則，介紹了以PQ控制為核心的雙閉環(huán)控制模式和基于物聯(lián)網(wǎng)的智能分布直流操作兩種方式，相較于其他控制方法，獲得更好的準確性、效率性和可靠性。為電源管理的研究提供一些積極的理論建議，供業(yè)界人士參考。
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