摘要：隨著可再生能源發(fā)展，微電網已成為重要的能源供應形式。然而，源網荷儲的多元異構特性及其不確定性給系統(tǒng)優(yōu)化調度和穩(wěn)定控制帶來挑戰(zhàn)。文章分析了含多種分布式電源和儲能微電網面臨的挑戰(zhàn)，探討了含多種分布式電源和儲能的微電網控制技術，并提出了微電網多時間尺度協(xié)調控制策略，以期實現微電網的安全、經濟、運行，為能源互聯(lián)網發(fā)展提供支撐。

關鍵詞：微電網控制；分布式電源；儲能；分層協(xié)調控制；自適應控制算法

1引言

面對全球日益嚴重的能源短缺和環(huán)境污染問題，發(fā)展可再生能源已成為各國共識。微電網作為新型電力系統(tǒng)的一個核心組成部分，通過整合分布式電源、儲能設備及負荷，構建了一個既靈活可靠又經濟環(huán)保的能源供應網絡。

近年來，隨著光伏發(fā)電、風力發(fā)電、燃料電池等分布式能源技術的快速發(fā)展，以及電動汽車、智能家電等新型負荷的廣泛應用，微電網在智慧城市、工業(yè)園區(qū)、海島供電等場景中的部署規(guī)模不斷擴大。同時，能源互聯(lián)網的理念推動了微電網向更智能、更靈活的方向發(fā)展。

2基于隨機森林的協(xié)調控制方法設計

微電網作為集成分布式電源、儲能裝置和負荷的小型發(fā)配電系統(tǒng)，近年來呈現出多元異構的發(fā)展趨勢。這種多元異構性不僅體現在電源側，還表現在儲能側和負荷側，給微電網的優(yōu)化控制帶來了的挑戰(zhàn)。在電源側，微電網包括光伏、風電等間歇性可再生能源，以及燃料電池、微型燃氣輪機等可控分布式電源。不同類型電源的出力特性和控制要求差異顯著，如何優(yōu)化協(xié)調各電源出力，在保證電能質量和供電可靠性的同時實現經濟運行，是一個亟待解決的難題。在儲能側，微電網融合了電池、飛輪、電容等多種儲能形式。不同儲能裝置的動態(tài)響應特性、適用場景和優(yōu)化配置方法各不相同。如何根據微電網實際需求，優(yōu)化配置不同儲能類型的容量比例，協(xié)調控制儲能設備的充放電過程，以適應電源和負荷的隨機波動，提升微電網靈活性和可靠性，是一個富有挑戰(zhàn)性的課題。在負荷側，電動汽車、智能家電等新型負荷的大量接入，加劇了微電網負荷的多樣性和不確定性。

3含多種分布式電源和儲能的微電網控制技術

3.1分層協(xié)調控制技術

分層協(xié)調控制技術將控制系統(tǒng)分為全局優(yōu)化層、本地控制層和設備控制層3個層級，實現了不同時間和空間尺度下的協(xié)調控制。

（1）全局優(yōu)化層負責整個微電網的經濟優(yōu)化調度，根據負荷預測、電價信息和設備運行狀態(tài)制定*優(yōu)運行策略。

（2）本地控制層在全局優(yōu)化的基礎上對分布式電源和儲能設備進行實時控制，確保它們按照優(yōu)化調度指令運行。本地控制層利用模型預測控制、滑模控制等技術實現實時跟蹤控制。

（3）設備控制層直接與各個設備通信，執(zhí)行控制指令并反饋運行狀態(tài)。設備控制層采用基于智能體的分布式控制架構，通過智能電力電子設備直接控制逆變器和儲能變流器等設備。

采用分層協(xié)調控制方法能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，實現微電網的經濟優(yōu)化調度，提高能源利用效率。以浙江景寧的綠色100%泛微網工程為例，這是國內應用主配微網協(xié)同的分層分級縣域電網模型，實現了對清潔能源的統(tǒng)一管控，*大化利用清潔能源。據介紹，該項目建成后，預計景寧縣域100%綠電供應時長將增加30%，電網損耗減少0.5%，新增新能源消納能力11×105kW·h，可為電網節(jié)省投資約1億元。景寧的案例充分展示了分層協(xié)調控制技術在實際應用中的可行性和效果，為其他地區(qū)的清潔能源利用和微電網管理提供了寶貴的經驗。

3.2多代理協(xié)同控制技術

多代理協(xié)同控制技術是微電網管理的一種優(yōu)良方法，將分布式電源、儲能設備和負荷視為獨立的智能代理。每個代理根據自身運行狀態(tài)和優(yōu)化目標，與其他代理進行信息交互和策略協(xié)商，在滿足全局優(yōu)化目標的同時實現自身利益*大化。這種技術通過引入市場機制，可實現分布式能源的交易和共享，促進微電網的經濟運行。各代理通過一致性算法、交替方向乘子法等分布式優(yōu)化算法，協(xié)同求解經濟調度和功率平衡問題。同時，多代理系統(tǒng)可引入增強學習技術，使代理能自主學習和適應環(huán)境變化，提高系統(tǒng)的自適應能力。以北京亦莊碳中和智慧園區(qū)的綠色微電網項目為例，該園區(qū)作為風電設備研發(fā)、制造基地，2022年總產值約1.06億元，總用電量約1.55×107kW·h。園區(qū)通過自主研發(fā)的智慧園區(qū)運營管理平臺，該系統(tǒng)實現了園區(qū)用能的智慧調配和自我調節(jié)。風電和光伏總發(fā)電量約7.8×106kW·h，其中7.25×106kW·h實現就地消納，可再生能源就地消納比例高達93%。該案例展示了多代理協(xié)同控制技術在實際工業(yè)園區(qū)中的成功應用，實現了多能互補和智能耦合，為類似的產城融合度高、土地資源集約利用的工業(yè)園區(qū)提供了可借鑒的智慧能源解決方案。

3.3基于模型預測的優(yōu)化控制技術

微電網的運行受負荷需求、天氣條件和電價等多種因素影響,具有較強的不確定性和隨機性。為應對這些挑戰(zhàn),可以采用基于模型預測的優(yōu)化控制技術。該技術通過建立微電網的動態(tài)模型,包括分布式電源、儲能設備、負荷和電網等元素，預測未來一段時間內的系統(tǒng)狀態(tài)和外部環(huán)境變化。在此基礎上，利用混合整數規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃和啟發(fā)式優(yōu)化等優(yōu)化算法求解*優(yōu)控制策略，包括分布式電源的儲力、儲能設備的充放電和負荷的調度等。模型預測控制技術可充分考慮系統(tǒng)的約束條件和優(yōu)化目標，如電壓、頻率、功率平衡和經濟效益等，實現微電網的安全、穩(wěn)定和運行。

同時，它還能通過滾動優(yōu)化與反饋校正機制，不斷更新優(yōu)化模型和控制策略，以靈活適應微電網運行狀態(tài)的變化情況。基于模型預測的優(yōu)化控制技術通過建立微電網的動態(tài)模型，預測未來一段時間內的系統(tǒng)狀態(tài)和擾動，并利用滾動優(yōu)化和反饋校正機制生成*優(yōu)控制策略。該技術采用混合邏輯動態(tài)系統(tǒng)理論，將微電網建模為連續(xù)狀態(tài)變量和離散事件驅動的混合系統(tǒng)[4]。在此基礎上，利用混合整數規(guī)劃、模型預測控制等方法，求解包含實時電價、風光功率預測等隨機因素在內的多階段優(yōu)化問題。

4 Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統(tǒng)

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統(tǒng)，是我司根據新型電力系統(tǒng)下微電網監(jiān)控系統(tǒng)與微電網能量管理系統(tǒng)的要求，總結國內外的研究和生產的優(yōu)良經驗，專門研制出的企業(yè)微電網能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統(tǒng)、充電站運行狀態(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)定的基礎上以經濟優(yōu)化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩(wěn)定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、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)微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統(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、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協(xié)議，物理媒介可以為光纖、網線、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。

4.2平臺適用場合

系統(tǒng)可應用于城市、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。

4.3系統(tǒng)架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統(tǒng)組網方式

5充電站微電網能量管理系統(tǒng)解決方案

5.1實時監(jiān)測

微電網能量管理系統(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)測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，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：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數主要有：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，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站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1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、充電站信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。

5.1.1光伏界面

圖2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據進行展示。

5.1.2儲能界面

圖3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。

圖4儲能系統(tǒng)PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統(tǒng)BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，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6儲能系統(tǒng)PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統(tǒng)PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統(tǒng)PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，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9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10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、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

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，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

5.1.3風電界面

圖12風電系統(tǒng)界面

本界面用來展示對風電系統(tǒng)信息，主要包括逆變控制一體機直流側、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、電站發(fā)電量年有效利用小時數統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、風速/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據進行展示。

5.1.4充電站界面

圖13充電站界面

本界面用來展示對充電站系統(tǒng)信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

5.1.5視頻監(jiān)控界面

圖14微電網視頻監(jiān)控界面

本界面主要展示系統(tǒng)所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

5.1.6發(fā)電預測

系統(tǒng)應可以通過歷史發(fā)電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發(fā)電計劃，便于用戶對該系統(tǒng)新能源發(fā)電的集中管控。

圖15光伏預測界面

5.1.7策略配置

系統(tǒng)應可以根據發(fā)電數據、儲能系統(tǒng)容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統(tǒng)運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態(tài)擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統(tǒng)能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

5.1.8運行報表

應能查詢各子系統(tǒng)、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

5.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠對各子系統(tǒng)中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發(fā)出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

5.1.10歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

5.1.11電能質量監(jiān)測

應可以對整個微電網系統(tǒng)的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統(tǒng)電能質量情況，以便及時發(fā)現和消除供電不穩(wěn)定因素。

1）在供電系統(tǒng)主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統(tǒng)應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統(tǒng)應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統(tǒng)應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統(tǒng)應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統(tǒng)應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6）電能質量數據統(tǒng)計：系統(tǒng)應能顯示1min統(tǒng)計整2h存儲的統(tǒng)計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖20微電網系統(tǒng)電能質量界面

5.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統(tǒng)或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

5.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

5.1.14統(tǒng)計報表

具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的發(fā)電、用電、充放電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。對微電網與外部系統(tǒng)間電能量交換進行統(tǒng)計分析；對系統(tǒng)運行的節(jié)能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統(tǒng)計報表

5.1.15網絡拓撲圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統(tǒng)拓撲界面

本界面主要展示微電網系統(tǒng)拓撲，包括系統(tǒng)的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

5.1.16通信管理

可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監(jiān)測。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

圖25通信管理

5.1.17用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

5.1.18故障錄波

應可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統(tǒng)安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發(fā)6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

5.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監(jiān)視的數據點可由用戶隨意修改。

6.硬件及其配套產品

7結束語

隨著能源電力系統(tǒng)向清潔化、分布式、智能化方向發(fā)展，含多種分布式電源和儲能的微電網已成為能源變革的重要載體。文章圍繞微電網面臨的關鍵技術問題，提出了多時間尺度協(xié)調控制和靈活自主運行的系統(tǒng)解決方案。研究成果可為微電網規(guī)劃設計、優(yōu)化運行、需求響應等提供理論基礎和技術支撐，具有廣闊的應用前景。未來，還需進一步探索微電網群的協(xié)同互濟機制、源網荷儲的多能互補與優(yōu)化、安全可靠的信息物理融合架構等，助力能源互聯(lián)網的建設和發(fā)展。

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