微电网综合监控系统开发

华光辉，吴福保，邱腾飞，陈然，赫卫国

（中国电力科学研究院，江苏南京 210003）

分布式发电的大规模接入给电网，尤其是配电网的运行控制、安全保护、调度管理等各个方面带来了深刻的影响。为了充分发挥分布式发电的潜在优势，可以采用微电网技术来控制分布式电源[1-3]。欧洲、美国、日本等发达国家通过资助科研项目和制定一系列相关政策大力支持微电网技术的发展，都针对本国实际情况提出了微电网的概念，并积极开展技术研究，在微电网理论研究与工程应用方面都取得了丰硕的成果[4-6]。国内许多学者积极开展了微电网领域各方面研究，在微电网关键技术、我国发展微电网目的、方向、前景、政策等各方面进行了有益的研究和探索[7-8]。

本文通过国内外现有的微电网定义和示范工程总结微电网的体系架构，专门针对微电网应用技术发展趋势研究开发了一套面向智能电网的微电网综合监控系统，并在新疆电科院微电网系统中做示范应用。

综合监控系统面向微电网监视、控制、分析、运行、决策和管理，遵循IEC国际标准，基于Windows/Linux混合平台架构，集成调度自动化、配网自动化、变电站集中监控应用和分析功能，能够为含有风电、光伏等分布式发电和储能单元的微电网系统提供监视与控制功能[9]。

综合监控系统还可以根据当前微电网系统运行情况与外界应用请求制定相应的优化控制策略，针对分布式电源出力和负荷用电的特点，采用合理的储能优化技术，使分布式电源和储能系统得到最大利用，充分发挥微电网清洁高效、供电可靠的优势。

1 系统架构及配置

1.1 微电网系统主回路及通信回路结构

新疆电科院微电网系统建设包括30 kW光伏发电（10 kW单晶硅、10 kW多晶硅、10 kW非晶硅）、20 kW风力发电（10 kW一套、5 kW两套）、30 kW铁锂电池储能系统一套，通过并网开关接入3号变压器低压侧65 kW手车开关。理化楼1～5层照明及办公用电作为系统负荷，负荷电源引自双向变流器。就地设备需要监控的智能电子设备，如智能开关、变流器、汇流箱、电池管理系统（BMS）、智能测量仪表、环境监测仪等，其信息通过通信网络汇总后，上送到微电网综合监控系统，如图1所示。

1.2 微电网综合监控系统硬件结构

微电网综合监控系统硬件设备主要有服务器、交换机、工作站、显示器、大屏幕电视机、GPS、终端服务器、无线路由器以及通信网络组成，如图2所示。

图2 微电网综合监控系统硬件结构图Fig.2 Hardware structure of micro-grid integrated supervisory control system

数据服务器与采集服务器构成冗余互备用系统，运行Linux系统，与工作站和交换机组成双网结构。服务器一方面要运行商用应用数据库管理系统，实现对系统运行参数、CIM模型数据以及历史运行数据的管理职能；另一方面要承担数据处理、存储、分发、检索以及双服务器之间数据同步功能。应用分析要进行设备运行诊断、数据统计分析、系统运行评价、气象资源分析等。

维护工作站主要供值班人员进行系统维护使用，进行各种数据库的维护、各种图形的绘制及修改、报表的生成及维护、系统功能及权限维护、资料的录入及管理等，配置双屏，运行Linux操作系统。

监控工作站提供友好的、丰富多彩的人机交互界面和监控手段，如显示各种画面（包括系统图、接线图、曲线图、地理图、棒图、饼图和仪表图）、报表、告警信息和管理信息。值班人员可以检索各种历史数据，进行遥控、遥调操作和查询各种参数，配置双屏，运行Windows操作系统，方便用户操作使用。

前置数据采集和实时数据传输采用冗余交换式以太网结构，采用具备两层交换功能的交换机，网络交换速率采用100 Mb/s或1000 Mb/s自适应。

以太网通信型就地设备直接用以太网形式接入数采交换机，串口通信型就地设备先接入终端服务器，变换为网络数据后接入数采交换机。另外，通过无线虚拟专网将信息远程传输到南京远程维护中心，实现远程维护与数据监视。

微电网综合监控系统通过网络方式与就地控制器进行通信，接收就地控制器上送的各种运行数据，进行数据的处理和存储，以及图形化展示功能；同时向微电网各就地控制器下发相关调度控制命令，或下发功率交换计划曲线，或下发运行控制策略，对微电网就地控制器的运行进行协调和管理。

1.3 微电网综合监控系统软件结构

软件体系结构由操作系统、支撑平台、应用功能共3个层次组成，层次结构图见图3。

图3 系统软件层次结构图Fig.3 Structure of software layers

1）操作系统选用Unix、Linux或Windows操作系统。

2）支撑平台为各种应用功能的实现提供通用的支撑服务，主要包括以下几部分。

网络数据传输软总线：提供数据交互和进程管理服务，通过网络数据传输软总线可以监视整个系统的运行状况，通过平衡分流技术，保证网络数据流量的均衡。

实时数据库：提供系统的实时数据服务。实时数据库分布在系统所有结点上，并通过软同步技术保证数据的一致性。

商用数据库：提供整个系统的历史数据服务，包括数据采样、存储和查询。系统提供了完备的数据校验机制，保证多组数据库的数据同步。同时采用并行的处理技术，保证了系统数据处理的效率。

报表：采用Java方式构建，采用模板定义和模板替换的方式来生成系统各类报表。报表系统兼容了Excel的各种操作特点，能够运行在各类操作系统上。

权限管理：提供系统的所有权限服务，权限内容包括了实时库读写、历史库读写、图形查看编辑等等，同时按照分层分区的原则在支撑平台上对数据进行过滤，简化了上层应用的处理过程。

告警服务：提供整个系统的告警服务，告警内容包括系统告警、微电网运行告警、人工操作告警等。

通用服务：包括通用计算服务、通用查询服务、通用数据采样服务等。

人机界面：以Qt技术为基础，采用插件、脚本以及Qt设计器来实现对人机界面的整体管理，实现了人机界面风格的自定义并能动态地生成人机界面，满足用户对人机界面修改的需求。

图形：采用图模库一体化的方法设计，并考虑了其他行业的各类图形特色，采用矢量技术实现图形的无极缩放，采用svg格式进行不同系统间的图形交互。

3）应用功能主要包含以下几部分。

数据采集：主要用于数据采集及预处理、通信源码监视及转发、与远程数据中心交换数据等功能。

分布式电源监控：对风力发电、光伏发电、低压开关柜的各种参数和状态数据采集与显示。

储能子系统运行监控：一方面对储能电池的实时运行信息、报警信息进行全面监视，并进行多方面的统计和分析，实现对储能的全面掌控；另一方面根据系统优化控制结果对储能变流器下发储能控制策略。

负荷监控：对系统内各等级负荷进行实时监视，根据运行策略和运行模式下发负荷运行策略。

电能统计分析功能：实时监测分布式电源的发电情况、各类负荷的用电情况以及微电网与主网的交换功率情况，并进行统计分析。

经济性分析功能：分析对比各分布式电源的发电量、运行状况、以及建设投资，计算项目投资回报率，对项目的技术经济指标进行评价。

能量管理功能：微电网综合监控系统接受电网调度/控制指令，结合分析、统计和计算功能，形成对分布式发电单元的功率控制和对储能单元的充放电计划，实现可再生能源的充分利用和微电网的经济运行。

2 微电网系统建模

与传统电力系统相比，微电网系统具有设备种类多样、运行模式灵活、功率双向流动、控制方法多变的特点，而IEC61970中的公共信息模型（CIM）无法准确描述微电网本身及其内部各类设备，需要进一步扩展。在此先引入“支路”的概念，用来表示相关设备的逻辑组合，具体是指包含一个400 V低压接入开关、一个主设备（光伏逆变器、储能变流器、风机控制器、负荷、公共连接点等）及附属设备的物理设备集合[10-12]。需要建模的支路有以下几种。

2.1 光伏发电支路

400 V微电网系统中光伏发电典型支路如图4所示。

图4 光伏发电支路结构图Fig.4 Structure of PV branch

光伏发电支路需要监控的信息有：支路开关状态、光伏逆变器运行状态、光伏直流汇流箱信息、电能计量信息。

需要动态建模的对象有：支路开关、光伏逆变器、光伏直流汇流箱、电能计量。

2.2 风力发电支路

400 V微电网系统中10 kW以下风机支路如图5所示。

图5 风机支路结构图Fig.5 Structure of wind turbine branch

需要监控的信息有：支路开关状态、风机一体化控制逆变器运行状态、电能计量信息。

需要动态建模的对象有：支路开关、风机一体化控制逆变器、电能计量。

2.3 储能支路

400 V微电网系统中储能典型支路如图6所示。

图6 储能支路结构图Fig.6 Structure of energe storage branch

储能支路需要监控的信息有：支路开关状态、双向变流器（PCS）运行状态、电池堆运行状态、电池串运行状态、电能计量信息。

需要动态建模的对象有：支路开关、储能双向变流器、电池串、电池堆、电能计量。

2.4 负荷支路

400 V微电网系统中负荷典型支路如图7所示。

图7 负荷支路结构图Fig.7 Structure of load branch

负荷支路需要监控的信息有：支路开关状态、负荷信息、电能计量信息。

需要动态建模的对象有：支路开关、负荷模型、电能计量。

2.5 并网支路

400 V微电网系统中并网典型支路如图8所示。

图8 并网点支路结构图Fig.8 Structure of PCC branch

并网支路需要监控的信息有：并网点开关状态，并网点两侧电压、频率、相角，并网点电量，电能质量。

需要动态建模的对象有：并网点开关、公共连接点（电压、频率、功率交换）、电能计量、电能质量监测。

3 储能系统控制策略

为提高微电网运行经济效益，一般将光伏、风电等分布式电源运行在最大功率跟踪模式，而通过对储能系统的合理控制，实现整个微电网的优化运行[13-15]。因此，储能系统控制是微电网控制策略的核心。

新疆电科院微电网储能装置为30 kW·h的铁锂电池，配置容量为50 kW的双向变流器，同时接入负荷以及一个10 kW的薄膜光伏组件，如图9所示。

图9 双向变流器结构图Fig.9 Structure of power conversion system

综合监控系统对储能电池的实时运行信息、报警信息进行全面的监视，根据实际需求制定协调控制策略，包括并离网运行控制、并离网切换控制、无功优化、黑启动等。

3.1 储能抗扰动自动控制策略

系统选用的双向变流器，在功率大小设置为0的情况下，会有200至300 mA的自充电或自放电电流出现，因此，在并网状态下需保证电池不被过充或过放。据此，设计监控系统针对双向变流器的控制方案如图10所示。

图10 储能系统安全控制方案Fig.10 Energy storage system safety control strategy

此方案中，并网状态下，监控系统考虑到电池的容许充电和放电电流，保证在安全的范围内维持电池的容量在96%以上。在离网状态下，在维持电池安全的前提下，保证电力负荷的供给，使储能系统安全稳定运行[16-17]。

3.2 储能充放电计划控制策略

除了抵御扰动电流之外，监控系统还提供了储能系统计划充放电控制策略。计划控制策略将一天分为96个时段，用户可以在每个时段设置储能电池的充电或放电功率，这样储能系统可以在晚间负荷较高的时段放电，而在白天及深夜负荷较低的情况下进行充电，参与调峰，达到能量的优化配置。

4 结论

微电网综合监控系统在IEC61970基础上对CIM进行了扩展，建立了光伏、风电、储能等多种分布式电源模型，在此基础上建立完整的微电网公共信息模型，并应用到微电网综合监控系统的设计中，达到系统的标准化、构件化，使系统具有很好的开放性。

综合监控系统通过对分布式电源、储能以及负荷运行数据的实时采集和控制，在设定控制参数之后，可以做到对整个微电网系统的自动控制，实现无人值守。另外，还可以通过优化控制策略，提高微电网系统的运行效率及经济效益。

采用该系统，可以降低微电网自动化系统的软硬件投资，系统维护方便，可扩充性强，数据共享方便，可促进微电网自动化水平的提高，保证微电网的安全、稳定、经济运行。

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