区域性综合能源管理与控制系统平台设计

孙炜哲，刘健，徐立军，苏雨晴，孙荣智

（平高集团有限公司，河南平顶山 467001）

能源革命有两个重要的替代，一是发电端使用清洁能源替代化石能源，二是终端能源使用电能替代非清洁能源[1-3]。清洁能源的研发对于我国愈发重要，它可以有效解决能源、环境等问题。虽然我国疆土辽阔，可再生能源蕴藏丰富，但传统配电网的分布式能源消纳能力不足，导致了可再生能源的严重浪费。另一方面，电动汽车充电设施的建设与运营，目前仍处于商业模式的可持续探索阶段。但现阶段电动汽车的使用与管理问题，对电力系统提出了新的要求。如何提高清洁能源的消纳与利用、促进新能源汽车的推广和普及，是解决能源危机的战略性选择。

基于微电网的园区综合能源管理系统作为终端能源单元，其与大能源网互为补充，通过能源的调度和监控，可以实现多能协调互补，提高可再生能源渗透率，满足电网需求侧响应[4]，进一步提高园区供电系统运行的安全性、可靠性。对可再生发电、储能、电动汽车等各种微源与负荷进行聚合分布，通过功率型电力电子装置的柔性调控，实现高度自治，与大电网形成支撑与互动[5]。大电网通过园区综合能源管理系统，充分调动分布式电源和负荷参与系统调峰，有效降低了峰谷差。园区综合能源管理系统在大电网故障时可独立运行，保证重要负荷的供电，提高供电可靠性。以大电网为主干、园区微电网（群）为机体组织的智能电网构架，将成为可再生能源发展的主要形式与重要技术，充分发挥可再生能源的应用潜力[6-8]。

1 区域性综合能源网络

1.1 综合能源系统

综合能源系统承接和融入全球能源互联网，在兼容传统电网的基础上，紧密耦合电力网络、天然气网络、热∕冷供应网络、交通网络等复杂网络，如图1所示。

图1 综合能源系统结构示意

能源互联网可以将能源与互联网两者进行良好的结合，实现不同网络之间的相互支撑，从而达到不同能源系统的统筹优化调度[9-11]。

1.2 综合能源系统规划及实现

以水、电、气、热“四表”计量仪表数据及微网数据集中采集的数据为基础，以能耗与充放电数据分类分项查询、统计、结算、报表、图表为重点，围绕新能源微网、电动汽车充电网和园区电网的三网融合，引领集成化思路与技术体系进行能耗与充放电数据分析、重点能耗设备监测与微网接入控制为核心的园区综合能源管控系统研究。

对大电网而言，园区综合能源网络可作为一个可控的“细胞”，是一个简单的可调度负荷；对用户而言，园区综合能源网络可作为一个可定制的电网。

对于这个可控“细胞”，也称为能源转换中心，可以概括多个能源组成的系统之间的关系。一个系统由能源的传递、变换和存储等部分组成，由此可用耦合矩阵（Coupling Matrix）标记以上部分之间的关系，如式（1）所示：

式中，L为能量输入；P为能量输出；cnm标记为耦合因子（Coupling Factor），表示第m种形式能源与第n种形式能源之间的输出与输入值之比。

2 子系统构成及需求

2.1 园区一次系统

综合能源系统，将变、配、用、光、储、充、放各子系统进行高度整合，实现用户侧的就地消纳分布式清洁能源发电、经济用电，平抑电网接口峰谷差，提高电网侧能效以及与电网系统调度的需求侧进行友好互动响应。同时电力电子装置具有柔性调节能力，还兼具调节无功与谐波抑制等电能质量的作用[12]。

2.2 计算机控制二次系统

园区综合能源系统在应用二次系统后可加强抗干扰能力，其通过电子控制、通信、远程操作等手段实现对园区能源的统一调度和控制，这样可以使能源的管理更加合理，使用范围进一步扩大[13]，系统硬件架构如图2 所示。

图2 监控及能量管理系统硬件架构

文中所建立平台的二次系统必须具备的功能如下：

1）系统配置前置服务器、数据服务器、应用服务器、工作站、交换器等硬件设备。服务器和工作站的数量可根据微电网规模以及运算量的大小进行合理的增减。为了提高系统可靠性，可采用计算机和网络设备的主从热备模式。

2）系统应设置防火墙、隔离装置等安全防护设备，网络安全防护应符合GB∕T 20270 等规定的要求。

3）数据采集通信网连接分布式电源控制器、负荷控制器、测控保护设备、中央控制器、并网接口等设备。

4）系统内部与电网调度机构之间的通信宜采用以太网通信和光纤通信方式，通信及协议宜采用DL∕T634.5101、DL∕T634.5104 和DL∕T860。

3 系统总体架构及功能实现

3.1 系统软件功能及组成

系统主要包括能量管理应用层、监控应用层、支撑平台和计算机系统层等，具体信息如图3 所示。

图3 系统总体架构

3.2 能量与负荷预测方法

1）发电预测。文中所使用方法通过历史数据、实测数据等进行发电功率预测，从而可接收功率预测系统的发电功率预测数据。同时对于包含风电、光伏发电等间歇式发电形式的微电网系统，宜配置相应的风力发电、光伏发电的电量预测功能。

2）分布式电源管理策略。分布式电源管理策略首先对微电网中燃气轮机、柴油机等发电装置进行管理，主要包括消耗计算、余下燃料量的显示与预判。需要对发电设备的运维状态进行管控，同时，还应对储能系统的状态实现动态管理，在状态达到极值时可提前警报。

3）负荷管理方法。参照负荷分类预先制定出微电网不同工况下的负荷投切策略和计划，然后根据负荷的实时监测数据和负荷用电计划，对负荷用电进行综合管理。综合能源系统在离网状态下，可以实现对各终端用能的单独控制，包括对用电的轮次、时段、功率、电量等参数的控制，并下发到监控系统执行。

除以上措施外，还需对微电网中电源的主次设置规则，对于存在多个可作为主电源运行的微电网，应对各备用主电源设置相应的备用次序，以此提升分布式电源管理的有效性。

3.3 综合优化调度算法

文中所建立的综合能源管理系统优化调度算法主要通过凸优化理论来实现，其主要技术指标如下：

式中，Vi,t、Vj,t为节点电压；Gij为电导；T为计算周期；ΔV为平均电压偏移率。

优化目标函数主要体现在网损和电压偏移程度两方面，即minPTLoss和minΔV。

根据相关指标，文中设定的电压偏差不超过±10%。

支路电流约束为根据导线截面计算的最大载流量：

4 算例分析

文中算例基于110 kV 区域综合能源系统进行，电气节点数为118 个，新能源包括风电、光伏，装机分别为80 MVA、100 MVA，同时在发电侧配有30%的储能装置。负荷由电负荷、热负荷以及天然气需求量构成，其中热负荷与电负荷可相互转化，天然气需求量与电负荷可形成互补。正常运行情况下，区域综合能源系统与大电网并网运行，进行少量的电能交换，优先发挥园区电源的调节能力；故障条件下可孤岛运行，减少停电时间[14-15]。

根据文中区域能源网络数据，首先建立新能源出力特性曲线的数学模型，同时以典型的负荷曲线描述负荷波动特点，经过文中区域综合能源管理策略统筹安排新能源出力。

4.1 风电场

该区域呈现4～6 月、9～11 月风电出力较大，冬季12 月～次年2 月出力较小的特点，据此可对该区域其他风电出力进行中长期预测。根据该地区风电出力波动情况，文中采取多个函数拟合的形式对其出力特性进行建模，包括两个高斯函数和一个一元线性函数。

1）基本函数线。由于风电出力的月平均出力波动是以年为周期分布的，因此可分离出一个随月份线性增大的一次函数，如式（7）所示：

2）高斯分布1（Gaussian1）。高斯函数的基本形式如下：

3）高斯分布2（Gaussian2）。拟合结果如下：

综上所述，具体月均出力以年为单位的波动规律可用如下所示的数学模型描述：

4.2 光伏电站

该地区光伏电站出力波动以天为周期进行变化，中午出力较大，夜晚出力较小，接近为0。其中，夜晚出现了负功率，分析其主要原因为夜晚光伏电站的厂用电需从主网进行获取[16]。

根据光伏电站出力曲线趋势，可采用正态分布来描述光伏出力的日特性。根据光伏电站日出力特性拟合结果，可用式（10）描述光伏电站的日出力特性：

其中，Px为x采样时刻光伏发电功率；P总装机为光伏电站的总装机容量。

4.3 分析结果

根据前述对风电、光伏发电的数字模拟，与园区负荷需求相匹配，验证管控平台建立前后的新能源消纳能力，具体结果如表1 和图4 所示。

表1 系统平台使用前后效果对比

图4 管控平台建立前后的新能源消纳能力对比

由表1 和图4 的新能源出力情况结果可知，采用文中的综合能源管理平台，能够显著提升新能源渗透率，提高区域综合能源系统的清洁性。

5 结束语

文中基于未来综合能源系统架构，建立了区域综合能源系统管理和控制平台，有效提升了综合能源网络的能源利用清洁化，能够最大化地发挥新能源的作用。同时对区域内风电、光伏及储能进行数字建模，使其能够准确地进行发电预测，便于调度安排和能源的统筹利用，仿真算例证明了所建立能量管控平台和控制系统的有效性。下一步将继续完善综合能源管理平台，最大限度地实现园区内多能互补与统筹配置。