微网智慧能源管理系统的设计探讨

摘要：伴随我国分布式新能源发电大规模应用及接入配电网，给传统电网带来巨大的挑战和冲击，出现了能源利用率不高、电能质量偏低、可控性较差、成本高、利润空间小等问题。基于此，本文对一种更加灵活、智能、可靠的系统——微网智慧能源管理系统进行设计探讨。该系统融合了先进的物联网技术、区块链技术、云计算、大数据处理技术等，在提供可靠的电力供应，满足用户多种需求的同时，具有负荷跟踪、改善电能质量，电量管控、削峰填谷，提高功率因数，光伏发电平滑输出，孤岛运行等功能，能保证实现能源效益、经济效益和环境效益的最大化，是对我国调整能源结构、解决偏远地区用电问题、保护环境的有力支撑。

关键词：微电网；新能源发电；能源管理系统

 

Discussion on the Design of Microgrid Intelligent Energy Management System

Lu Lianfeng，Kong Xiangchong

（Yihe Electric Group Co.,Ltd., Qingdao 266510,China）

Abstract: With the large-scale application of distributed new energy power generation in China and access to the distribution network, it has brought huge challenges and impacts to the traditional power grid. The utilization rate of energy is low, the power quality is low, the controllability is poor, and the cost is high. Low profit margins and other issues. Based on this, this paper discusses the design of a more flexible, intelligent and reliable system—microgrid intelligent energy management system. The system combines advanced IOT technology, blockchain technology, cloud computing, big data processing technology, etc., while providing reliable power supply to meet various needs of users, with load tracking, improved power quality, power control, cutting peaks and valleys, improving power factor, smooth output of photovoltaic power generation, and island operation. It can ensure the maximization of energy efficiency, economic benefits and environmental benefits. It is the strong support of adjusting energy structure, solving power problems in remote areas, and protecting the environment.

Keywords: microgrid; new energy generation; energy management system

 

0 引言

电力能源是支撑整个社会运行的最重要基础体系之一，随着社会经济的发展，电力需求不断增长。如何推动电网改造，将庞大的电网系统打造成一个更加智能的动态调配资源系统，满足未来更大需求，也就成为了人们迫切需要解决的问题，这也促进了智能微网领域的快速发展。本文探讨的微网智慧能源管理系统，能够实现企业能源的智慧化管理，提高电能质量及能源利用率。建设智慧能源管理系统是企业实现优化资源配置，合理利用能源，改善环境，实现从单一的能源消耗向系统优化利用的战略转变，积极响应国家储能产业政策。

本文探讨的微网智慧能源管理系统，以“电力基础网架+通信网络”为基础，利用物联网技术、区块链技术、云计算、大数据处理技术等，建设新能源发电系

统、分布式储能系统（包含BMS电池管理系统）、EMS能源管理系统、充电系统、智能分析云平台，即能源供应、能源管理调控及能源利用3大能源板块+1个管控平台，集成用能单位能源系统数据采集、处理和分析、控制和调度、平衡预测和能源管理等功能，提供多样化的优质用能服务，实现多能协同、能量优化，提高能源利用，实现能源互联。产品整体架构如图1所示。

图1 微网智慧能源管理系统整体架构

1 国内外发展现状和趋势

微电网是指由分布式电源、用电负荷、配电设施、监控和保护装置等组成的小型发配用电系统，必要时还会包括储能装置。并网型微电网通常与外部电网联网运行，且具备并离网切换与独立运行能力。

前瞻产业研究院跟踪了全球主要微电网市场，自2017年第二季度以来，全球微电网项目产能得到了提升，截至2018年第四季度，全球范围内，识别了2258个微电网项目，共计19575MW的规划和装机容量，市场规模达到222.2亿美元。目前世界范围内的微电网工程以示范和研究为主，主要应用场所是难以接入大电网的偏远地区（孤岛），占比达到近40%；其次为工商业，占比达到28.32%，公共事业占比11.79%，详细见表1所示。

表1：2018年全球微电网基本情况

类别	具体内容
微电网项目（个）	2258
规划和装机容量（MW）	19575
市场规模（亿美元）	222.2

资料来源：前瞻产业研究院整理                                  @前瞻经济学人APP

国外微电网发展：美国是最先提出微电网概念的国家，1999年美国可靠性技术解决方案协会，首次对微电网在结构、控制、经济等方面进行了研究并于2002年正式提出了相对完整的微电网概念，并且是目前微电网概念中最具权威的一个。欧洲国家于2005年提出“Smart Power Networks”智能电网计划作为欧洲2020年及后续的电力发展目标，表明了未来欧洲电网需具备以下特点：灵活性、可接入性、可靠性和经济性。并提出微电源输出端逆变器相应控制策略：PQ控制VSI(voltage source inverter)控制策略。同时提出优化约束方程，并对超额发出热能的弃用制订了惩罚方案。最后，在满足微电网电、热双重需求的条件下，以系统燃料耗量最低为目标，提出了优化的功率分配方案。

国内微电网发展：2008年初，冰雪天气导致我国发生大面积停电，只有少数小电网在支撑重要用户运行，这暴露了我国现有的网架结构在保障用户供电方面所存在的薄弱环节，同时也将微型电网的作用充分展示了出来，并促使我国加快了对微型电网的研究步伐。2009年，中国国家科技部通过“973”计划项目，专门资助了分布式发电功能系统的相关基础研究。次年，中国国家科技部通过《国家高科技研究发展计划（863）》立项了近十个有关微电网方面的研究课题。2018年3月7日，国家能源局发布2018年能源工作指导意见。能源新模式新业态方面：积极推进“互联网+智慧能源”示范项目，多能互补集成优化示范工程、新能源微电网项目以及储能技术试点示范项目建设。2018年以来，伴随各地方储能相关政策出台，沉寂多时的储能产业焕发出勃勃生机，在用户侧、辅助服务、电网侧、可再生能源并网、智能微网等领域快速发力。针对光伏新能源行业的发展现状，不少以光伏为主的新能源企业开始转向储能、微网建设等领域。我国微电网的发展虽尚处于起始阶段，但微电网的特点适应我国电力发展的需求和方向，是大电网的有力补充，是智能电网领域的重要组成部分，在工商业区域、城市片区及偏远地区有广泛的应用前景。随着微电网关键技术研发进度加快，预计微电网将进入快速发展期，具有广阔的发展前景。

2 系统组成及特点

2.1新能源发电系统

利用现有厂房屋顶，建设分布式光伏发电系统，系统运行方式为用户侧自发自用、多余电量上网，将分布式光伏电源接入智慧能源管理平台，实现清洁能源利用，通过微电网控制，与储能系统相结合，可实现多能互补，提高供电可靠性。后期视情况考虑风能的接入。光伏发电系统如图2所示。

图2 光伏发电系统

2.2分布式储能系统

分布式储能系统接入智慧能源管理平台，通过微电网控制，停电时厂区孤岛运行，实现重要负荷供电可靠性和稳定性；储能系统与光伏系统配合，实现削峰填谷，降低用电成本；未来可参与需求侧响应和电力市场交易，真正实现柔性可控的可靠能源体系。分布式储能系统如图3所示。

图3 分布式储能系统

2.3 EMS能源管理调控系统

系统主要包括3大部分内容：能源数据采集，能源数据实时监控和能源数据分析发布管理。其主要功能是实现对所有能源有关的数据采集，并在能源管理部门范围内实现数据的发布，并可以为企业管理级的MES、ERP系统提供用能信息。整个能源管理系统是以稳定可靠的工控PLC和上位管理服务器为核心并采用流行的、可靠地计算机网络构成的集中式数据采集监控分析系统。全厂设置一个集中能源监控中心，全厂能源管理中心和各能源子站通过工厂已有网络结合在一起构成一个完整的系统。

可接入电网、分布式能源、储能能源，通过智能切换控制策略，系统性地提升节能效果。智能报警、故障定位，通过智能控制与优化及时监控能源应用情况并进行优化，实现阶梯能源的利用。能源管控系统如图4所示。

图4 能源管控系统

微电网控制包括：配电调度层，根据控制策略对微电网的离/并网，电能输入/返送等进行调度控制；集中控制层，对微电网整体进行协调控制与保护，确保微电网系统的安全、稳定运行；就地控制层，实现本地控制与保护，完成微电网组成单元的保护与控制。

微电网（控制+分布式+储能）核心价值：优化清洁能源发电、提高供电的安全性和可靠性、实现阶梯能源的利用、实现经济运行效率和效益。能源分析系统如图5所示。

图5 能源分析系统

2.4充电系统

在厂区内建立充电桩系统，每个充电桩自带操作器，以供用户进行充电方式选择和操作指导，并显示电动车电池状态和用户IC卡资费信息，实现无人管理。

充电设施建设，通过能源互联网与可再生能源可以构成最佳搭配，在光储式充换电站、快速充电站、需求响应充电中发挥储能作用，实现削峰填谷，辅助能源综合梯级利用，提高能源系统效率，降低用能成本。充电系统如图6所示。

图6 充电系统

2.5智能分析云平台

建立综合能效管理和智慧能源展示平台，实现各微网大数据的监控、分析、存储。从“系统”上看由三个层次组成:基础环境、系统基础应用、第三方应用。基础环境为运行和管理云应用的基础环境；系统基础应用主要包含即时通讯、邮箱、文件云存储及在线编辑、记事本、表格等在线编辑工具及图片查看器、PDF阅读器等辅助性工具；第三方应用接近于PC上的可安装软件，或智能手机中的App。云服务平台如图7所示。

图7 云服务平台

3 关键技术和系统优势

3.1 关键技术

（1）基于区块链的微网智能交易系统

基于区块链技术，建设一个在微网内使用、安全可靠、实时动态、深度融合，满足智能微网内多种电能来源协调与控制等要求的微网智能交易系统，实现对微网内多边能源交易管理，是我国首批采用区块链技术的微网系统，开拓了区块链技术在电力行业中的应用，促进两者的融合发展。

应用区块链技术，以DENC区块链网络为平台，与物联网和智能APP数据交互，多方用户共同参与核定智能合约，合约通过P2P网络扩散并存入区块链，根据削峰填谷的要求，执行智能合约的方式协调微网内的电网供电、储能、光伏发电、风力发电等多种电能来源与充电站/充电桩达成购售电交易，对充电桩、生产用电、充能、分布式能源合理分配，对当前微网系统电能并网计费提供了可行的办法，解决微网电能计费难题，有利于推动微网系统与电网的融合，促进分布式电源有效的发挥其技术优势。

 （2）分散式能源汇聚技术

将分布式电源以微网形式接入到电网中并网运行，与电网互为支撑，是发挥分布式电源效能的最有效方式，具有巨大的社会与经济意义，体现在：

①可大大提高分布式电源的利用率；

②有助于电网灾变时向重要负荷持续供电；

③避免间歇式电源对周围用户电能质量的直接影响；

④有助于可再生能源优化利用和电网的节能降损等。

分散式能源汇聚技术将电网、储能电站、分布式能源、负荷接入微网系统，通过智慧能源管理系统调控、调配能源，实现多能互补，提高分布式电源并网发电稳定性，解决现有分布式电源运行时的“随意性”给系统的安全性和稳定性造成的隐患难题，可就地消纳分布式能源，减少弃光弃风现象的发生，解决了分布式能源产业的电能质量低、电能浪费等问题，提高了分布式能源电能的使用效率，推动分布式能源产业发展。

（3）运用大数据、人工智能技术，实现能效的综合分析与评价，能源设备的智能管理、智慧服务及能源互联。

通过多源数据采集，对自动化数据、信息化数据、资产数据、运行数据等进行大数据处理，实现设备运行与综合能效的大数据分析与评价。基于数据的分析和深入挖掘，植入人工智能技术，实现电力系统各环节互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的智慧服务系统。

3.2系统优势

我公司研发的微网智慧能源系统，运用云计算、大数据、物联网、移动互联、互联网+等新一代信息通讯技术以及能源高效互联的供给配送技术，在公司电力基础网架基础上、建设智能感知互联的能源监控系统、高效灵活的能源调控系统、全局协同的综合能效平台以及友好互动的展示平台，建成一套以能源管理系统为核心，光储充一体化的微网智慧能源管理系统，实现公司能源监控的统一网络、多种能源的统一配置以及能源的统一管控等功能，实现智慧能源供应清洁化、能源调控智能化、能源利用高效化，形成微网智慧能源管理示范基地。相关技术可以应用在光充储微网系统、小区改造停车场及需要不间断供电的政府机关、科研园区等。具体体现在以下五个方面：

（1）削峰填谷：在用电高峰期，负荷需量超过设定值一定时间后，及时控制储能放电，降低企业负荷有效减少企业基本电费。

（2）提高功率因数：通过实时监测负荷波动，调整功率因数，减少电网考核电费。

（3）能量转移，新能源充电系统解决电动汽车充电难问题，为用户侧带来收益。

（4）实现屋顶光伏发电平滑输出，减少新能源发电的随机性、间歇性、波动性给电网和用户带来的冲击。

（5）分布式电网增加电网运行的可靠性，当公共电网断电时，无缝切换至孤岛运行模式，保障厂区持续供电。

4 结语

目前国内大量的分布式微网系统存在电力系统对其不可控和难以管理的局面，并引发相应的电能质量、电网安全性和稳定性等诸多问题。未来，微电网作为分布式发电优化集成的一种方式，在提供可靠的电力供应，满足用户多种需求的同时，还能保证实现能源效益、经济效益和环境效益的最大化，已经成为世界各国研究的重点。微网将是智能电网建设中不可或缺的重要组成部分。在我国，大力推广微网技术，是走可持续发展道路的具体体现，是对我国调整能源结构、解决偏远地区用电问题、保护环境的有力支撑，微网智慧能源管理系统发展潜力巨大。