智能用电系统与海岛微电网系统交互运行研究

孙景钌，杨建华，李 琦，项烨鋆，胡长洪，赵 碚

（国网浙江省电力有限公司温州供电公司，浙江 温州 325000）

0 引言

微电网作为由分布式电源、储能、负荷及控制装置构成的独立可控供能系统，是发挥分布式电源效能的最有效形式[1-4]。海岛拥有丰富的风能和太阳能等资源，且海岛电网一般规模较小，具备微电网全岛覆盖的可行性，因此微电网技术在海岛得到了快速发展[5-8]。目前，我国已有多个海岛微电网示范工程建成投运，浙江温州也已实现微电网系统在南麂岛和鹿西岛的全覆盖[6-10]。

智能用电系统是智能电网的重要组成部分，是体现智能电网友好互动的核心[11-13]。将智能用电系统应用于海岛微电网中，除了可以充分发挥智能用电系统自身固有的优越特性外，还可以将其某些功能为海岛微电网控制系统所使用，实现与海岛微电网的有效互动，丰富海岛微电网的控制手段，同时也符合当前建设绿色海岛、智能海岛的发展要求。

目前，针对智能用电系统和微电网之间交互运行的研究还比较少，现有研究主要侧重于在智能用电小区中接入微电网系统的实现方案，即将微电网系统作为智能用电小区的组成部分[14-19]。本文则是将智能用电系统作为一种交互控制手段，融入到海岛微电网的整体控制策略中，通过微电网侧主动性交互和用户侧主观性交互研究，可以直接或间接地保证海岛微电网更加经济、稳定、可靠地运行。

1 海岛智能用电系统构建

海岛智能用电系统按照3层组织结构有序地构建，分为终端层、传输层和应用层，系统架构如图1所示。

图1 海岛智能用电系统组织架构

终端层主要由各种分散分布的终端设备组成，根据设备层级分为家庭级能量管理单元和智能小区级能量管理终端。家庭能量管理单元实现与上级单元的双向互动，可采集用户家庭照明、家电等各种设备的用电信息以及烟雾报警器、燃气报警器等安全检测装置的安防信息，并向上级单元传送；此外，它还能接收上级单元下发的控制命令，并对电价等电网信息做出响应，以达到对海岛分布式电源合理利用的目的。智能小区能量管理终端则对智能小区内的家庭能量管理单元进行集中管理，实现现场数据的汇集、传送，并向家庭能量管理单元下发主站系统的控制指令及电网信息。

传输层利用有线或无线通信信道，为分散分布的终端层设备和应用层的信息互换提供链路基础，以完成终端层和应用层之间的通信。

应用层即为海岛智能用电主站系统，实现对全岛智能小区能量管理终端及家庭能量管理单元的集中管理和展示，提供实时电价等信息的下发、用户能效分析和管理等功能，并与海岛微电网控制中心进行信息交互，为海岛微电网控制中心的负荷控制决策提供数据支撑，并将负荷控制策略下发到终端设备进行执行。

主站系统主要包括前置数据采集层、数据管理平台和应用服务层。前置数据采集层主要负责各类数据的收集和下发，按既定通信协议解析数据，并对数据进行初步处理；数据管理平台负责对上送的数据进行分析和挖掘，并与海岛微电网控制中心进行信息的协同和互通；应用服务层实现系统的各种应用业务逻辑，包括智能小区的各种应用。

2 微电网侧主动性交互研究

海岛智能用电系统通过长期的数据采集，建立不同类型用户能耗模型，掌握用户用电行为和用电习惯，经统计分析形成海岛微电网的负荷综合特性，包括不同季节、不同天气条件、某一天的不同时段等多维度的负荷特征，并将其作为海岛微电网控制中心的重要控制参数。

海岛微电网控制中心利用智能用电系统得到的负荷综合特性，结合微电网内部风机、光伏等分布式电源的发电预测数据，实现与智能发电系统的主动交互。具体过程为：根据负荷特性合理制定微电网储能系统的充放电控制策略，并利用智能用电系统的特点，将微电网的切负荷控制深入到家庭用户，细化切负荷量，实现微电网并网运行情况下的联络线定功率控制、离网运行情况下的稳定控制以及并离网运行模式的切换控制等功能。

2.1 海岛负荷分类

智能用电系统将参与微电网控制中心切负荷控制策略的全岛负荷按照统一原则进行优先级分类，可综合用户的重要程度、可切容量等因素将负荷分为3类，第1类负荷优先级最高。当海岛微电网控制中心需要通过智能用电系统切负荷时，优先切除第1类负荷，若不足再切除第2类负荷，依此类推。若海岛上的工商业用户也纳入智能用电系统，则将工商业用户列为第1类负荷，优先切除工商业用户负荷，以保证居民生活用电。对于各种类型用户，在各自所属类型范围内按可切负荷容量再进行优先排序，实时动态计算可切负荷量，优先控制可切负荷容量大的用户，以达到最优的控制效果。

2.2 交互策略实现

海岛微电网控制中心在与智能用电系统交互时，接收的负荷信息和下发的控制命令按照智能用电系统架构分层次有序进行。智能用电主站系统汇总各智能小区能量管理终端上送的负荷信息，得到全岛当前各类可切负荷总量，并通过长期的统计分析形成海岛的负荷综合特性，同时将该类信息传送到海岛微电网控制中心。海岛微电网控制中心根据当前负荷情况及负荷特性做出网内负荷预测，并结合分布式电源的发电预测，给出微电网的整体协调控制策略，当需要进行切负荷控制时，生成需切负荷量，并下发给智能用电主站系统。

智能用电主站系统将需切负荷量按照全岛3类负荷总量依次分配，若优先级较高的某一类负荷全切之后仍然不足，则将这一类负荷全部切除之后继续选切下一类型负荷，被选择的最后一类负荷根据各智能小区可切负荷容量按比例分配，使选切的负荷量精准匹配微电网系统所需切除的负荷量。

假设第j类负荷是选择的最后一类负荷，即智能用电主站系统按顺序切除优先级较高的前面几类负荷后，剩余的需切量通过切除第j类负荷已经足够。在对各智能小区中的第j类负荷进行分配选择时，智能小区i的第j类负荷需切容量可按式（1）计算：

式中：Pxqj表示需切j类负荷总量；Pij表示第i个智能小区的j类可切负荷总量；n表示海岛智能小区总数；dPij表示计算得到的第i个智能小区j类需切负荷量。

智能用电主站系统在计算得出各智能小区的各类需切负荷容量后，向相应的智能小区能量管理终端发送dPij的切负荷信息。若j类负荷需要全切时，智能小区i的j类负荷需切容量就是j类负荷可切量，即dPij=Pij；若j类负荷只需要切除部分负荷时，dPij则按式（1）分配。

各智能小区能量管理终端对上与智能用电主站系统通信，计算本小区3类负荷的总量，上送给主站系统；对下与小区内的家庭能量管理单元通信，接收家庭能量管理单元上送的3类负荷量信息其中即表示本小区第k个家庭能量管理单元的可切负荷量，且该家庭能量管理单元对应的用户负荷被设置为j类负荷。此外，智能小区能量管理终端还接收装置故障和异常信息，以便在可切负荷量统计和发送切负荷命令时剔除此异常装置。

智能小区能量管理终端接收各家庭能量管理单元各类负荷信息之后，针对同类负荷再动态设置各自的切除优先级。智能小区能量管理终端收到各类负荷的需切量之后，选切小区内的各类负荷，按照第1类、第2类、第3类的顺序选切，同类内则再按照优先级大小的顺序选切。若全切某类负荷，则向该类型的家庭能量管理单元发送全切该类负荷的命令。若某类负荷够切，则按照优先级顺序依次切除该类负荷，直到满足需切量为止。智能用电系统与海岛微电网控制中心之间的主动交互过程如图2所示。

图2 微电网侧主动性交互策略实现

3 用户侧主观性交互研究

海岛微电网控制中心与智能用电系统除了进行微电网侧的主动性交互外，还可以通过技术手段在用户侧实现主观性交互。海岛微电网控制中心将分布式电源发电预测数据通过智能用电主站系统下发到用户终端，使用户可以整体上了解当前及未来一段时间海岛系统的电能裕度情况，并结合电价驱动机制，引导用户更好地利用绿色能源。风机、光伏等可再生能源的电价与常规能源发电方式不同，智能用电主站系统将综合当前不同类型能源的发电占比，实时下发电价信息，用户可根据电价决定电力消费量，避免因电价变化而带来的额外支出，实现对电价的实时响应。为了更好地体现用户友好性，可考虑在终端设备上以指示灯的方式直观地向用户显示当前可再生能源的发电占比情况，如在风光等可再生能源发电量较大时，显示绿灯，表明当前电价较便宜，鼓励用户多用电；反之，在可再生能源发电量较少时，显示红灯，提醒用户需要合理安排生产生活等用电计划。

这种交互方式属于需求侧响应，需用户主观性参与，能够更好地做到分布式电源发电与用电负荷之间的匹配，减少峰谷用电量的波动，平滑海岛系统的负荷曲线，实现海岛微电网的经济优化调度控制，间接地参与到海岛微电网的控制策略，提高海岛系统稳定性，同时可减少对储能系统的充放电控制，延长储能系统的使用寿命。

4 智能用电系统功能扩展

为了更好地满足与海岛微电网控制中心的交互，智能用电系统除了满足用电信息采集、用电分析和节能指导等基本智能用电业务应用逻辑外，还需要进行功能扩展。

4.1 终端装置集中监视

在智能用电主站系统实现终端装置信息可视化集中分层展示。第一层为全局状态监视层，集中监视海岛智能用电负荷控制系统是否有异常、是否有终端装置动作等实时运行状态；第二层为负荷控制系统状态监视层，以系统内各终端装置通道关系图为基础，集中显示终端装置运行状态是否有异常、是否有动作，可视化展示通道状态等；第三层为终端装置监视层，以单体终端装置为单位，可视化展示终端装置采集元件允许切负荷压板状态、各用户负荷可切量和负荷分类统计等信息。

（1）监视装置各项运行信息，如装置投退状态、压板状态等。

（2）监视装置动作状态。装置动作后不仅在告警窗中显示装置动作报告，还在画面上显示装置动作图元。

（3）监视装置异常状态。当装置发生任何异常后，不仅在告警窗中显示装置发生的具体异常描述，还在画面上显示装置异常图元，并支持在画面上显示装置间通道的异常状态。

4.2 负荷控制信息监视与统计

实时监视可切负荷用户可切状态和可切量，监视统计各类可切负荷总量信息等；接收装置上送报文，实现动作事件、各级切负荷装置实际切负荷量的监视。

（1）智能用电负荷控制系统运行分析。通过实时和历史运行数据的挖掘、分析，实现对负荷控制系统的分析。对主站、智能小区和家庭侧用户可切状态和可切量进行分析，给出可切负荷量的概率分布信息，支持以曲线形式进行历史数据展示，并可按年、月、日等不同周期统计出历史最大值和最小值出现的时间，协助海岛微电网运行人员把控系统的运行状态。

（2）负荷控制策略实时诊断及告警。获取海岛微电网当前控制策略，评估系统实际可控制量是否足够。若当前策略需控制量大于实际可控制量时，认为切负荷系统控制量不足，并发出告警信息。

（3）负荷控制系统超前预警。基于当前可切负荷量和负荷预测信息，结合历史运行信息，快速预测未来可切负荷总量，若不满足要求则给出告警信息。

5 结语

海岛用户在区域分布上一般比较集中，且用户数量不会太多，智能用电系统具备在海岛上大规模应用甚至全部覆盖的条件，规模化应用的智能用电系统与微电网的交互将更有效。因此，将智能用电系统和微电网技术作为一个整体在海岛上进行推广应用具备可行性，这也为未来海岛智能微电网的发展提供了思路。此外，在具备条件的海岛，还可将电动汽车网络作为一种特殊的可控负荷纳入智能用电系统中，从而实现对其充换电行为的更有序控制及与微电网系统的深入融合协调，进一步拓宽海岛智能微电网的发展模式。