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基于電能管理的供電系統(tǒng)自治協(xié)調(diào)控制與應用
任運業(yè)
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要: 直流供電系統(tǒng)以便于光伏發(fā)電、儲能和直流負荷接入等優(yōu)勢成為新研究方向。針對直流供電系統(tǒng)中不同變換器之間的協(xié)調(diào)控制難題，提出了基于直流母線電壓信息的自治協(xié)調(diào)控制策略。系統(tǒng)中各并網(wǎng)裝置通過判斷直流母線電壓信息自適應選擇控制模式并無縫切換，以保證直流母線電壓穩(wěn)定; 采用自適應變下垂控制方法，保證微網(wǎng)中各并網(wǎng)設備輸出功率均衡、合理，實現(xiàn)直流供電系統(tǒng)具備“即插即用"。*后仿真驗證了所提策略的有效性和正確性。
關鍵詞: 電能管理; 直流供電; 直流母線電壓; 協(xié)調(diào)控制; 自治控制
0 引 言
直流供電系統(tǒng)可實現(xiàn)分布式光伏和直流負荷的直流接入，無頻率穩(wěn)定性問題，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。如何實現(xiàn)直流供電系統(tǒng)中不同變換器之間的協(xié)調(diào)控制成為需解決難題之一。直流供電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模式包括集中通信和分布式控制。采用集中控制時需要依賴設備運行數(shù)據(jù)的實時采集對各控制器下發(fā)控制指令。某個節(jié)點的信號異常嚴重時會使系統(tǒng)崩潰，因此這種類型的控制結(jié)構(gòu)供電可靠性較低。分布式控制時采用母線電壓作為協(xié)調(diào)控制信號，各控制單元可以實現(xiàn)獨立控制，但是無法保證各裝置輸出功率動態(tài)均衡。以分布式風電為發(fā)電單元的協(xié)調(diào)控制策略，母線電壓由每層中相應變換器控制。研究了直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)自治方案，根據(jù)預制方案實現(xiàn)并/離網(wǎng)模式切換，但是在切換過程中無法實現(xiàn)無縫對接，需要進行修正。
為解決上述問題，提升供電系統(tǒng)能效品質(zhì)，本文提出了考慮電能管理的一種供電系統(tǒng)自治協(xié)調(diào)控制策略。并網(wǎng)裝置通過判斷微電網(wǎng)直流母線電壓信息自適應選擇控制模式并無縫切換，各并網(wǎng)設備采用自適應下垂控制，相互之間無需通信，具備“即插即用功能"。
1 供電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
圖 1 為典型的直流供電系統(tǒng)拓撲，包含以下 4 個部分。
圖1 光儲直流供電系統(tǒng)電路拓撲
（1）光伏發(fā)電單元: 光伏陣列通過 DC/DC 變換器并網(wǎng)，通常以*大功率跟蹤模式運行，特殊情況下，按照調(diào)度指令降功率運行。
（2） 儲能單元: 儲能電池通過雙向 DC/DC 變換器并網(wǎng)，并網(wǎng)時處于熱備用狀態(tài)，依據(jù)母線信息確定工作模式; 離網(wǎng)時采用電壓控制模式，基于下垂控制策略維持母線電壓穩(wěn)定。
（3） 并網(wǎng)變流器: 光伏、儲能等直流發(fā)電單元通過雙向 DC/AC 變流器并入電網(wǎng)，實現(xiàn)直流微網(wǎng)和交流主網(wǎng)之間的功能交換，保障系統(tǒng)功率平衡及維持母線電壓穩(wěn)定。
（4）負荷單元: 直流負荷直接或通過 DC/DC 變流器接入供電系統(tǒng)。離網(wǎng)時需要根據(jù)負荷的重要程度進行切負荷控制，確保重要負荷的供電質(zhì)量。
2 供電系統(tǒng)自適應協(xié)調(diào)控制策略
依據(jù)直流母線電壓信息將直流供電系統(tǒng)分為電網(wǎng)主導和切負荷四種運行模式，如圖 2 所示。考慮系統(tǒng)的電能優(yōu)化和管理，為避免采用集中控制，基于無互聯(lián)通信的控制策略如圖 3 所示。
圖2 供電系統(tǒng)基于母線電壓的切換控制方法
圖 3 不同運行模式供電系統(tǒng)控制策略
2.1 模式1（電網(wǎng)主導運行模式）
當與交流電網(wǎng)相連，本地分布式發(fā)電無法支撐負荷運行時，所缺功率由交流電網(wǎng)提供，確保系統(tǒng)的功率交互平衡，系統(tǒng)工作于電網(wǎng)主導模式。忽略供電系統(tǒng)的損耗，該模式下交流主網(wǎng)提供的功率為：
2.2 模式2（儲能主導運行模式）
交流電網(wǎng)發(fā)生故障或負荷波動時，可能導致并網(wǎng)變流器進入限流狀態(tài)或故障停機，此時系統(tǒng)進入儲能主導運行模式，儲能單元需具備較大的能量裕度，可以充電或者放電，維持母線電壓穩(wěn)定。根據(jù)直流母線電壓幅值將模式2分為2-1和2-2兩種情況，對應儲能系統(tǒng)充電和放電兩種工作狀態(tài)。
2.3 模式3（ 光伏發(fā)電單元主導運行模式）
當分布式光伏發(fā)電的輸出功率過大，超過了并網(wǎng)變流器的容量及本地負荷的用電需求，此時儲能電池的 SOC 達到*高限值，或儲能單元以*大功率充電，系統(tǒng)仍然無法正常運行，此時限制分布式發(fā)電的出力，用來穩(wěn)定直流母線電壓。
2.4 模式4（切負荷模式）
此運行模式下，系統(tǒng)提供的*大功率小于負荷需求。為保障供電系統(tǒng)安全，需要根據(jù)負荷的重要層次，依次切除次要負荷，實現(xiàn)供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
3 仿真驗證
為驗證所提控制策略，基于 PSCAD 軟件搭建直流供電系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)包含鐵鋰電池、超級電容、光伏、直流負荷以及并網(wǎng)變流器 5 種功率交互裝置。
3.1 仿真場景1
直流供電系統(tǒng)由模式1切換至模式2-2仿真波形如圖 5 所示。可以發(fā)現(xiàn):
0~0.5S： 供電系統(tǒng)并網(wǎng)運行，儲能處于備用狀態(tài)，光伏輸出功率30 kW，負荷30 kW，本地功率基本平衡，DC/AC 變流器輸出功率很小，由 DC/AC 變流器控制母線電壓。
0.5~1S： 投入儲能進行恒功率充電，根據(jù)下垂特性，母線電壓有所降低。
1~1.5S： 儲能逐漸充電完成，負荷功率增大，DC/AC 變流器輸出功率增大，母線電壓繼續(xù)降低。
1.5~2S：光伏輸出出現(xiàn)波動，功率降為 15 kW，儲能輸出功率維持功率平衡。此時并網(wǎng)變流器會出現(xiàn)限功率運行，進入模式2-2電壓變化區(qū)間，檢測到母線電壓變化后儲能電池自適應進入變系數(shù)下垂控制模式，為維持供電系統(tǒng)穩(wěn)定需增加儲能出力。
圖 5 場景1下仿真波形
3.2 仿真場景2
直流供電系統(tǒng)由模式2-1切換至模式4再恢復至模式1，仿真波形如圖 6 所示。可以發(fā)現(xiàn):
0~0.5S：供電系統(tǒng)獨立運行，儲能維持母線電壓恒定，光伏輸出功率30kW，負荷30kW，DC/AC 變流器處于并網(wǎng)待機模式。
0.5~1S光伏輸出功率減小，為了維持網(wǎng)內(nèi)功率平衡，儲能增大輸出功率，母線電壓有一定的降低。
1~1.5S： 光伏輸出進一步減小，儲能無法提供更多的功率，切除部分次要負荷，以維持母線電壓在正常運行范圍內(nèi)。
1.5~2S：供電系統(tǒng)切換為并網(wǎng)運行，母線電壓恢復額定值，之前切除的負荷重新投入，儲能暫時退出運行，在有功率剩余時再進行充電。
4 安科瑞電能管理系統(tǒng)
4.1概述
用戶端消耗著整個電網(wǎng)百分之八十的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。
Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。
4.2應用場所
（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；
（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構(gòu)建筑等）；
（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；
（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)用衛(wèi)生、體育建筑等）；
（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視等）；
（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。
4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.4系統(tǒng)功能
1）實時監(jiān)測
系統(tǒng)人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關故障、告警等信號。
2）電能統(tǒng)計報表
系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，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。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。
3）詳細電參量查詢
在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中危髽藛螕艨刹榭丛摶芈吩敿氹妳⒘浚ㄈ嚯娏鳌⑷嚯妷骸⑷嗫傆泄β省⒖偀o功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。
4）運行報表
系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實時采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、zhi定時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導出PDF格式文件。
5）變壓器運行監(jiān)視
系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電可靠。
6）實時提醒
系統(tǒng)具有實時提醒功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲鳌⒏綦x開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)提醒時自動彈出實時提醒窗口，并發(fā)出聲音提醒。
7）歷史事件查詢
系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和提醒進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
8）電能質(zhì)量監(jiān)測
系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。
9）遙控操作
系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴格的保護和操作權(quán)限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構(gòu)及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。
10）用戶權(quán)限管理
系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
11）通訊狀態(tài)圖
系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)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。從而方便運行維護人員實時掌握現(xiàn)場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
12）畫面監(jiān)控
畫面監(jiān)控展示了當前實時畫面（畫面直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)畫面信息。
13）用戶報告
用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。
14）APP支持
電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。
4.5系統(tǒng)硬件配置
應用場合 | 型號 | 圖 片 | 功能 |
電能管理軟件 | Acrel-3000WEB |
| Acrel-3000WEB電能管理軟件全方監(jiān)視用戶配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)和電量數(shù)據(jù)，為用戶提供更好的運維服務。平臺提供用戶概況、電力數(shù)據(jù)監(jiān)測、電能質(zhì)量分析、用電分析、日/月/年用能數(shù)據(jù)報表、異常事件報警和記錄、運行環(huán)境監(jiān)測等功能，并支持多平臺、多終端數(shù)據(jù)訪問。 |
智能網(wǎng)關 | Anet-2E8S1 |
| 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協(xié)議的數(shù)據(jù)接入，ModbusT-c(主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協(xié)議上傳，支持不同協(xié)議向多平臺轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);輸入電源:AC/DC 22ov，導軌式安裝。 |
ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、從）、104(主、從）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模塊）輸入電源:DC 12 V ~36 V .支持4G擴展模塊，485擴展模塊。 | |
ANet-485 | M485模塊:4路光耦隔離RS485 | ||
ANet-M4G | M4G模塊:支持4G全網(wǎng)通 | ||
35kV/10kV/6kV微機保護裝置 | AM6系列 |
| 35kV及以下配電系統(tǒng)線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監(jiān)測/PT并列、母聯(lián)/備自投等保護。 |
35kV/10kV/6kV弧光保護 | ARB5-M |
| 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，弧光保護<8組）、失靈保護(4組）、TA斷線監(jiān)測（4組）、非電量保護、裝置故障告警 |
ARB5-E | 擴展單元，每個擴展插件可以采集5路弧光信號 | ||
ARB5-S |
| 弧光探頭，建議安裝地點包括（但不僅限于）斷路器室、電纜室、母線室，可面板開孔安裝，亦可支架式安裝。弧光探頭的檢測范圍是一個角度為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域。 | |
35kV/10kV/6kV進線柜電能質(zhì)量在線監(jiān)測 | APView500 |
| 裝置1024點波形采樣，集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測、電壓不平衡度監(jiān)測、事件記錄、測量控制等功能為一體，能夠滿足110kV及以下供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測的要求。 |
35kV/10kV/6kV間隔智能操控、節(jié)點測溫 | ASD500 |
| 液晶屏顯示一次回路動態(tài)模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫濕度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕、預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內(nèi)照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓內(nèi)電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4~20mA輸出 |
35kV/10kV/6kV傳感器 | ATE400 |
| 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125℃，測量精度±1℃;傳輸距離空曠150米 |
35kV/10kV/6kV間隔電參量測量 | APM830 |
| 三相(I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos） ，零序電流In，四象限電能，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD顯示 |
高壓重要回路 或低壓進線柜 | APM810 |
| 三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso)，零序電流In，四象限電能，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類型及外部事件（SOE)各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD顯示 |
AEM96 |
| 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率)﹔電流規(guī)格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級 | |
ADW300/4G |
| 三相電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率測量;電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量;電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量當月及上三月的電壓、電流、功率記錄;上十二月歷史需量記錄;事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄;支持4路開關量輸入、2路開關量輸出;支持4路測溫;支持1路剩余電流測量;支持本地顯示及按鍵設置;有功電能精度1級。通訊方式:支持RS485通訊、Lora無線通訊、4G通訊;WIFI通訊 | |
0.4kV出線 | AEM72 |
| 三相電參量U、I、P、0、s、PF、F測量，總正反向有功電能統(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）﹔電流規(guī)格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級.無功電能精度2級 |
DTSD1352 |
| 三相電參量u、I、P、Q、s、PF、F測量，分相正向有功電能統(tǒng)計，總正反向有功電能統(tǒng)計，總正反向無功電能統(tǒng)計﹔紅外通訊;電流規(guī)格:經(jīng)互感器接入3×1(6)A.直接接入3×10(8o)A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級。 | |
ACR120EL |
| LCD顯示、全電參量測量(U、1、P、Q、PF、F);四象限電能計量;RS485/Modbus;可選復費率電能統(tǒng)計;4DI+2DO;RS485通訊接口、Modbus 協(xié)議 | |
照明箱 | DDSD1352 |
| 單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量;紅外及RS485通訊;電流規(guī)格:10(60）A，有功電能精度1級，無功精度2級;可選配復費率 |
DDS1352 |
| 單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量;RS485通訊;電流規(guī)格:10(60)A，有功電能精度1級，無功精度2級;尺寸:1P | |
電流互感器 | AKH-0.66/K型 |
| 開口式電流互感器 |
5 結(jié)束語
本文提出一種考慮電能管理的供電系統(tǒng)自治協(xié)調(diào)控制策略。仿真結(jié)果表明: 微網(wǎng)供電系統(tǒng)中各并網(wǎng)裝置通過判斷微網(wǎng)直流母線電壓信息即可自適應選擇控制模式并無縫切換，能夠保證直流母線電壓穩(wěn)定; 同時，各并網(wǎng)設備之間無需相互通信，采用自適應變系數(shù)下垂控制，以保證微網(wǎng)中各并網(wǎng)設備輸出功率均衡、合理，快速實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各變流器的功率平衡及協(xié)調(diào)控制。在不增加硬件成本的情況下，僅通過控制實現(xiàn)供電系統(tǒng)內(nèi)部的自治與協(xié)調(diào)運行。
【參考文獻】
【1】張金鵬，唐婷，燕正家，薛玉龍.考慮電能管理的供電系統(tǒng)自治協(xié)調(diào)控制策略
【2】孟潤泉，劉家贏，文波，等。直流微網(wǎng)混合儲能控制及系統(tǒng)分層協(xié)調(diào)控制策略［J］．
【3】周中.智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng) 產(chǎn)品選型及解決方案[M] .北京：機械工業(yè)出版社，2012.
【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05
作者簡介：任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電能管理研究發(fā)展。
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