智能电网对于现代电力系统的需求与响应研究

唐黄正 朱志伟

(长沙民政职业技术学院 湖南长沙 410004)

随着我国企业技术的不断进步，各大制造企业智能化程度越来越高，各种自动化机器及设备数量大增，对电力的需求也急剧增加。由于不能满足日益增长的需求，因此用于发电的集中式电力系统会在负载侧产生波动。电力公司对于增加发电量和输电线路感到很大的压力，消费者对目前的可用电力状况也并不完全满意，尤其是在发展中国家[1]。图1是中国近年来每年的能源消耗量，可以看出消耗量是急速增加的，这表示对能源的需求也是越来越多的。

图1 中国历年能源消耗量

因此，分布式发电是为特定地区发电的重要手段之一，它是环保的，因为它能最大限度地减少有害气体的排放。微电网由发电机组组成，发电能力从几千瓦到几兆瓦，利用可再生能源，如太阳能、风能、生物质能等，也可以使用化石燃料，如煤、天然气、石油等运行。微电网的运行有两种基本模式，一种是自治模式，另一种是非自治模式[2]。

在电力系统规划和运行中，需求响应是影响电力系统运行的重要因素之一。当前，运用在现代电力系统智能电网当中的新兴技术——可再生能源（RER）技术，对满足当前能源需求起着至关重要的作用[3]。目前各种需求响应配电方案得到了广泛应用，降低配电电压就是其中之一。该文讨论了需求响应对智能电网的影响，基于再生能源技术（沼气、太阳能、风能）提出一种算法，以满足不断增长的电力需求。总体来说，微电网是智能电网的一种形式，它为负载提供电力，由智能能源管理系统控制。

1 电力系统需求与响应目标

电力系统的需求与响应的目标如图2所示。

图2 电力系统需求与相应目标

（1）规划发电需求量，在此目标下，如果能够较好地规划电力需求量，不生产过多电力，电力系统输配电的需求和损耗之和都会减少。影响此目标的因素有很多，例如发电成本，能源的利用率及整个系统的可靠性。

（2）提高电力系统整体可靠性，在此目标下，保持不同时段负荷的供需平衡，使用电高峰期能够提供足量的电能，用电低谷期能将多余的电能进行储存或利用。

（3）消除电力系统的过载，在此目标下，通过先进能源管理系统（EMS）来减少电流的溢出，从而使电力系统不超负荷运行。

2 微电网需求与响应网络设计

分布式发电指利用分散各地的多种能源，包括可再生能源以及化石能源等，进行发电的一种技术。常用的微电网系统如图3所示，一般使用常见的太阳能、燃油、风力进行发电[4]。一方面，可以将微电网看成是一种小型的电力系统，能够在局部区域内对多种能源进行协调，从而实现功率平衡[5]；另一方面，可以将微电网看作大电网的一个组成部分，从大电网吸收功率或向大电网释放功率。因此，通过微电网内部协调分布式能源的方式可以有效提高新能源利用率。非并网的孤岛运行模式也有很好的应用前景，可以解决边远地区、海岛等常规电网等大电网难以部署的地区的供电问题。

图3 常用微电网系统

微电网一般包括两种控制模式，即并网和孤岛模式，具体架构如图4所示。微电网处于并网模式时，会与大电网有一个公共连接点或互连点，能够无缝的从并网模式过渡到孤岛模式。在大电网发生故障等紧急情况下，微电网能够在“并网+孤岛”间相互切换的运行方式，很大程度上提高了供配电系统的弹性[6]。

图4 微电网控制模式

该文提出的需求与响应算法可以在微电网非自治模式下实现。在此模式下，微电网作为电力公用设施的备用系统。这些分布式发电机组与电力公用设施一起安装，通过维持电压水平或提供功率来降低特定时间内的峰值需求，从而为发电厂提供电力。在某些特定地方，如具有丰富风能、水能等资源的地方安装微电网，可以降低发电成本，能够分担公用电力设施的运行负荷。微电网的一个基本也是非常重要的特点是，其可以在孤岛模式下运行[7]，从而免受故障干扰，影响其运行安全性。

2.1 需求响应潮流网络

图5 为电力和控制需求与响应电力网络，微电网中央控制器（MGCC）通过本地控制器（LC）将连接电力设施和负载连接起来，利用可再生能源（RER）和其他小型电力生产能源发电，连接到本地控制器，为其连接的负载供电。其中用于发电的能源很多为可再生能源，如风能、生物质能（如沼气）、氢能、太阳能等。

图5 可再生能源微电网

2.2 TCP/IP控制网络

分布式电源控制器称为本地控制器，微电网中央控制器从主电网接入本地控制器进行电源管理。如图6 所示，智能TCP/IP 控制网络将微电网中央控制器与本地控制器连接在一起。在电力需求高峰时段，智能本地控制器通过TCP/IP 网络电缆向微电网中央控制器发送请求，使用TCP/IP通信协议进行通信。

图6 微电网控制网络

在图6 的TCP/IP 控制器网络中，智能微电网中央控制器可以通过本地控制器检查公用电网中的可用电能，然后通过本地控制器对负载进行供电。如果负载所需求的电能是可用电能，那么微电网中央控制器会向负载发送信号，接着本地控制器就会向负载传输电能；如果与负载直接连接的本地控制器电能储备不够的话，就会给其他的本地控制器发送请求，传输所需求的电能，从而实现智能调节。

研究人员设计电网控制方案的最终目标是在不同情况下为负载提供平稳可靠的电能，实现电网智能减载。

3 需求响应算法

图7 是需求响应算法流程图，其流程如下：（1）微电网中央控制器（MGCC）通过使用TCP/IP协议发送连接命令来检查已连接的本地控制器（MGLC）；（2）微电网中央控制器将本地控制器在连接负载高峰时段和正常时段的电力需求记录到数据库中；（3）本地控制器将实时电力需求与接入到其上的负载电力供应进行比较，如果电力需求大于电力供给响应，本地控制器会向微电网中央控制器发送请求，以得到所需电力，如果电力需求小于电力供应，则会给微电网中央控制器的可用电力数据库发送更新请求；（4）如果微网中心控制器不能满足当前本地控制器接入负载的需求，则微网中心控制器将进行智能减载；（5）微电网中央控制器通过关闭低优先级的本地控制器负载，然后关闭第二优先级负载等方式实现智能减载，直到供需不平衡为止。

图7 需求响应算法

该文使用符号PMGCC表示微电网中央控制器接入公用电力设施的功率；使用PLC表示本地控制器从自身接入的可再生能源中产生的功率；PD表示接入负载的功率需求。需求响应状态如下。

情况1：PLC＞PD。在这种情况下，本地控制器通过微电网中央控制器使用TCP/IP 协议向电力公司发送供电请求。

情况2：PLC＜PD。这种情况下，本地控制器会向微电网中央控制器发送所需电力的请求。

情况3：PLC+PMGCC≥PD。在这种情况下，微电网中央控制器将在本地控制器的帮助下执行智能减载。

4 结语

在现代生活方式中，对能源的需求与日俱增，产量也随着需求的增加而增加。因此，在现代电力系统中，相关工作者必须重视能源管理系统，以满足快速增长的能源需求，以保证工业和家用电力负荷的平稳运行。微电网需求响应技术是一项新兴的技术，它可以在世界能源需求中发挥众多重要的作用，有效的负载管理技术为克服能源不平衡提供了契机。需求响应技术还提供了在用电高峰和正常时段满足不同连接负载需求的机会。非自治微电网的需求响应技术提高了电能质量，有利于人们的生产生活，保证了对负荷的可预测性供电，非常适用于医院、大学、国防等关键场所。