分布式能源微網控制保護 與能量管理解決方案

奚玲玲

（上海電氣輸配電集團，上海 200233）

微網是指能實現自我控制、保護和管理的，自制的微型電網系統，其既可并入大電網運行，又能脫離大電網獨立運行。微網的出現源于分布式新能源的發展和能源高效利用的需求，其具有能源種類多樣且具有間歇性，電網結構分散、運行方式復雜多變、穩定性弱等特點，這對微網的控制保護和能量管理提出了較高的要求。

微網控制保護技術是是微網技術的關鍵，需要克服微網系統運行靈活多變，擾動頻繁的難點。微網的保護不同于常規電網保護裝置，特別是低壓配電系統，傳統的常規低壓配電系統并不設置復雜的繼電保護裝置，只針對具體回路配置電流電壓保護，而微網由于包含了大量的分布式電源，其潮流和短路電流隨不同運行方式而時刻變化，因此傳統的低壓配電保護方式不能滿足其保護的需要。微網的控制的主要功能是微網中網絡結構發生變化或者出現故障時，控制系統能夠及時協調各微電源之間運行方式或出力，控制微網的運行狀態，以保證微網安全有效的運行，保證在任何情況下都可以對負荷優質供電。

微網能量管理系統（MEMS）是電網特定應用環境下的能量管理系統，其隸屬于大電網能量管理系統的一部分，但其部分功能又相對獨立于大電網的能量管理系統，從微網角度看，MEMS 主要功能應滿足微網內高效、經濟、安全、可靠運行的需要，協調優化微網內各分布式電源、負荷、以及各種調節設備運行；同時，又要滿足上級電網和用戶對微網的管理和控制保護要求。

隨著微網的推廣應用，微網控制、保護、能量管理技術將得到深入的研究和探索。

1 系統組成

本文提出分布式能源微網控制保護和能量管理解決方案，該解決方案可用于解決微網在不同運行模式下的控制和保護，以及微網系統的高級能量管理，適用于并網型或離網型微電網系統。本系統可分為微網控制保護一體化系統和微網能量管理系統，是基于分布式能源微網系統的三層系統架構模式。

圖1 MEMS 體系結構圖

本文提出的微電網技術解決方案由微電網控制保護裝置和能量管理系統組成。其中微網控制保護裝置包括可編程邏輯控制器CPU，單片機繼保模塊、數字量模擬量數據采集設備，電能參數采集設備，總線通信設備，光纖通信設備、顯示屏組成。

能量管理系統包括交換機、前置服務器、歷史數據服務器、用戶工作站、GPS 衛星對時裝置、液晶顯示器、不間斷電源、數據庫軟件、MEMS 系統軟件等。

圖2 控制保護系統拓撲結構圖

圖3 能量管理系統拓撲結構圖

2 系統功能

本文提出的微網控制保護柜和微網能量管理解決方案實現功能如下：

1）控制保護一體化功能

（1）并離網運行模式間的切換控制。

（2）離網模式下的電壓/頻率穩定控制。

（3）分布式電源與儲能系統的協同控制。

（4）并網功率交換控制。

（5）黑起動控制。

（6）防孤島保護，三段定時限電流保護，過負荷保護，反時限過流保護，零序保護，電壓保護，低頻減載保護，重合閘等。

（7）微網與配網的配合保護。

2）能量管理系統功能

（1）不同類型儲能系統的運行效率與經濟型技術分析。

（2）不同類型分布式發電源的運行效率和經濟性的計算分析。

（3）微網內可再生電源的出力預測如光伏發電預測、風力發電預測、儲能發電預測等。

（4）多種分布式能源經濟調度與控制。

（5）冷、熱、電三聯供系統的冷熱電優化調度與控制。

（6）微網適應電價機制、削峰填谷等的運行方式與控制策略。

3 系統特點

1）控制保護平臺功能強大，可擴展，適應性強，方便系統集成和結構更改。

2）控制平臺支持IEC61850 通信協議。

3）微網在并網、孤網兩種模式切換條件下保護控制系統的自適應技術。

4）防護等級滿足戶外需求，工作溫度-25～55°，低溫下自加熱，能適應各種惡劣環境條件。

5）控制器在整體設計方面充分考慮電磁環境的影響，大大提高了抗干擾性能。

6）能量管理系統具有良好的開放性和可擴展性，方便進行功能擴展以及功能升級。

7）能量管理系統采用移動客戶端技術，支持遠程運行維護。

8）能量管理系統提供了完善的人機界面，實現在通用平臺的基礎之上通過統一的接口方式進行協作，從而實現微網內設備“即插即用”的靈活集成。

4 使用范圍

1）適用于風、光、儲、柴發、燃機等多種分布式能源組建的微網系統。

2）適用于不同分布式能源組成的并網型或離網型微網供電系統。

3）適用于冷熱電三聯供微網系統。

4） 適用于區域微網集成系統。

5 實際應用情況

5.1 上海電氣輸配電集團微電網示范系統

上海電氣輸配電集團微電網示范系統是一個小型的微電網實驗平臺，在公司辦公樓配電系統基礎上構建一個含光伏、儲能、柴油發電機、DVR、APF的微網系統。該平臺主要研究微網控制保護一體化和能量管理系統的應用，研究微網組網技術、孤島控制技術和混合模型與在線仿真技術。

圖4 上海電氣輸配電集團微電網示范系統圖

5.2 西湖科技園區微電網示范系統

西湖科技園區微電網示范系統是多能源互補分布式能源系統集成及測試實驗平臺。該實驗平臺，將實現電力自發自用、智能控制、多余上網、余缺網補；冷熱聯供，梯級利用的典型分布式能源運營方式。該平臺建立國內領先、國際高水準的分布式能源和微電網集成技術的試驗、研發、示范一體化平臺，為進一步研究和探索分布式能源和微電網在應用、推廣、運營中的關鍵技術和核心問題提供支持。

圖5 西湖科技園區微電網示范系統圖

6 結論

本文提出的微網控制保護和能量管理解決方案，是基于分布式能源微網系統的三層系統架構模式，可應用有多種分布式能源組成的微電網系統，可以解決微網孤島、并網、孤島并網模式切換下的控制和保護，以及微網系統的高級能量管理，適用于并網型或離網型微電網系統。

[1] 微網的能量管理以及控制策略. 電網技術,2011,35(7).