基于云架構的智能微網群智能運維管理平臺設計

萬溧 蒲澤偉 吳敏 倉啦 桑擁拉姆

（西藏自治區能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000）

0 引言

近年來，隨著社會對能源和電力供應的質量要求的逐漸提高，傳統的大電網供電方式由于其結構復雜、負荷特性恒功率化等缺陷已經不能滿足與可再生能源共生發展的需要［1］。同時隨著發電規模趨于多樣化和分散化，能夠集成分布式發電的新型電網——微電網應運而生，它能夠節省投資、降低能耗、提高系統安全性和靈活性，是未來的發展方向。微電網是由分布式電源、儲能系統、能量轉換裝置、監控和保護裝置、負荷等匯聚而成的小型發、配、用電系統，也稱微網［2］。微電網具備完整的發電和配電功能，是一個能夠實現自我控制、保護和能量管理的自治系統。微電網可以與主網連接，也可以單獨運行，當電網出現故障時，孤島模式能夠提高電力系統的穩定性［3］。智能微網的關鍵技術主要包括:可再生能源發電技術、儲能技術、微電網能量優化調度技術、電容器故障監測及微電網保護控制技術等。

國家政府為推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效能體系的戰略要求，并推進并網型微電網建設的技術，由國家發展改革委和國家能源局確定了全國28 個新能源微電網示范項目［4］。例如甘肅酒泉肅州區新能源微電網示范項目以建設成為國家級新能源綜合利用示范項目為目標，積極推進電力體制改革，降低當地用電成本，促進新能源就地消納，有效解決棄光限電問題，并以建設智能微電網和實現大用戶直供電為突破口，支持社會資本參與新能源、配電網和儲能設施建設運營，大力引進環保型耗能產業落地試驗區，實現光電資源開發、應用一體化發展，切實促進電能就地消納，從而破解經濟發展新常態下能源發展面臨的傳統能源產能過剩、可再生能源發展瓶頸制約、能源系統整體運行效率不高等突出問題，打造成高效清潔的能源利用與產業園深度融合的微電網示范區。

本文中基于大數據分析的統一信息監控云平臺智能互聯管理技術研究，研發基于云平臺應用的微網群智能運維管理平臺，使其能夠支持多個新能源系統（熱電聯用微網系統、風光互補電站、光伏電站、光熱系統和空氣源熱泵系統）及微網系統以無線或有線方式接入，從而達到各類光伏發電系統和微電網之間的數據共享及智能統一調度管理的目的，實現大數據分析技術開展諸如負荷預測、發電預測、微電網能量優化調度等高級應用。

1 總體設計方案

1.1 設計目標

西藏農牧區的各類光伏電站因缺乏實時監控管理和可靠分析統計而無法及時準確判斷故障原因在一定程度上延誤了對故障光伏電站的維護，增加了電站維修成本，致使這些光伏電站未能充分發揮其作用。另外，充分發揮西藏優勢太陽能資源、集供電+供熱為一體的特點的太陽能光熱光電技術和系統成為了踐行綠色低碳經濟發展理念，達到改善民生、保護生態、強化“科技穩邊興藏、科技富民強縣、科技精準扶貧”、建設美麗西藏的有力支撐。

本文針對西藏農牧區居民聚居地較為分散、電力成本高，偏遠地區電能質量較差的現狀及供暖供電的實際需要，通過技術研發和集成創新開發1 套基于云平臺應用的微網群智能運維管理平臺及不少于4套太陽能熱電聯用微網系統，依托微網群智能運維管理平臺實現對多能互補綜合利用設施（新建的熱電聯用微網系統，已有新能源設施：風光互補電站、光伏電站、光熱系統和空氣源熱泵系統）的智能化監控、運維及能量管理，在從根本上提高系統運行可靠性，降低運維成本，減少運行風險的同時，分析用戶使用習慣，做出最優化運行策略，為西藏自治區多能互補綜合利用提供新的運維管理方法和發展思路。

1.2 分布式熱電聯用微網系統設計

本文中開發可兼容多種通信協議的微網群智能運維管理平臺,并通過太陽能熱電聯用微網技術研發和集成創新，構建適合西藏用能需要的熱電聯用微網系統與已有新能源設施（風光互補電站、光伏電站、光熱系統和空氣源熱泵系統）共同用于驗證該平臺涉及的性能。搭建4 套太陽能保障率不低于50%的分布式熱電聯用微網系統其中每戶3kW～5kW光伏發電系統，配套不少于4 套12kWh 的儲能系統及輸出功率不小于3kW(暫定5kW)的逆變器；配置不小于2.7kW 空氣能熱泵或不小于2.5kW 的聚合能光熱一體系統（蓄能電暖氣）供暖系統。最終，將其納入基于云架構的智能微網群運維管理平臺系統進行管理。

2 智能微網群智能運維管理平臺設計

2.1 智能運維管理平臺設計

為實現分布式發電及微電網群的智能化監控與運維，提高系統運行可靠性，降低運維成本，減少運行風險，本文針對分布式發電系統及微電網系統分布廣，運維難的問題，研究可兼容各種通信協議的統一信息監控平臺以及基于大數據分析的云平臺智能互聯管理技術；通過研究基于以太網為主，必要情況下考慮電力線載波、4G（5G）無線通信等適用于遠距離傳輸的通信技術，制定適合云運維管理平臺的通信系統方案；通過研究微網群分層分級運行控制策略及優化調度技術，制定綜合指標最優、可靠性最高的智能云平臺管理運維策略；通過研究基于云架構的監控和能量管理信息系統集成技術，制定云運維管理平臺雙機熱備用軟件實現方案，提高系統運行的可靠性；綜合上述技術研究成果，研發具備實時感知與狀態研判，分布式微網群協同控制、微電網并離網無縫切換、云運維管理等功能的微網群云運行管理平臺系統［5］。開展云平臺的軟硬件架構設計、各功能模塊劃分及模塊間交互關系設計、測量節點部署方案，從而研制基于云架構的微網群智能化運維管理平臺系統，并應用于示范工程。智能運維管理平臺框架，如圖1 所示。

圖1 微網群智能運維管理平臺框架圖

2.2 熱電聯用微網系統設計

為構建適合西藏特殊環境和氣候條件下熱電聯用微網系統,主要是通過對應的發輸配網絡，實現電能傳遞，合理選取供暖設備和散熱裝置，在保證供暖可靠性和安全性的前提，提高能源利用效率，進而做到清潔能源（光伏）的消納和靈活運行，從而提升示范點人居舒適性［6］。系統主要包括光伏和供暖兩個模塊，具體構成:將根據屋頂面積或建筑周邊空地計劃鋪設3kW～5kW 光伏組件，配置不小于3kW(暫定5kW)儲能逆變器，儲能電池容量12kWh，系統具備SCADA 監控。負載配置不小于2.7kW 空氣能熱泵或不小于2.5kW 的聚合能光熱一體系統（蓄能電暖氣）供暖系統。

2.2.1 光伏技術方案。根據提供的安裝圖紙，光伏理論裝機容量為樓正面3kW 至5kW，根據現場實際安裝情況，預計安裝結合建筑構造以及光照資源情況，有效利用建筑體空間，鋪設光伏組件。在光伏組件安裝穩固，高效率發電的情況下，光伏組件與建筑有效融合，不影響到建筑體的主要功能以及美觀。光伏組件安裝可利用空間包括空地、屋頂、建筑玻璃幕墻、陽光走廊、窗戶飄窗遮陽臺等，并根據不同的光照強度，選擇合適的光伏組件，做到強光、弱光均能長時間有效發電，踐行綠色建筑、節能減排的發展理念。

2.2.2 電能轉換系統技術方案。本文中通過儲能逆變器優先使用組件發出電能為前提，在光照充足時，太陽光的能量通過儲能逆變器轉化為交流電，供負載使用，多余的能量存貯在鐵鋰電池中；如果電池已經滿電則將電能輸送電網。光照不足時，將鐵鋰電池中儲存的能量通過儲能逆變器轉化為交流電補充太陽能發電不足，如果太陽能和電池系統電能不足，則由市電補充不足為負載提供能量。

對應于12kWh 的光儲系統，需要配置一個由交流配電箱為核心最后接入微網互聯網云平臺，提高用電管理水平和可靠性，打造綠色環保的新型電源體系，實現在太陽能保障類不低于50%.儲能系統原理如圖2所示。

圖2 儲能系統原理圖

2.3 硬件架構/通信系統設計

本文中將采用分層分級的通信方案，中央控制器作為本套系統的核心裝置，部署在本地，起到承上啟下的作用。對下負責底層設備的數據采集和運行控制，對上負責設備的集中轉發。通信架構如圖3所示。

圖3 通信架構圖

底層設備（即光伏逆變器、BMS、線路保護等設備）根據現場條件確定通信方案，對于設備距離較近或設備數量有限的系統，可采用以太網、RS485 或光纖等有線通信；對于設備距離較遠、且設備數量眾多的系統，可采用電力線載波通信。

中央控制器用于實現本地系統的數據集中采集和轉發。對上數據轉發支持4G（5G）無線通信、光纖通信等多種模式，可根據接入系統的位置和條件靈活匹配。

數據服務器、通信服務器、算法服務器等部署在云端，可采用現有的商業云解決方案，具備完善的數據安全服務。用戶只要能夠接入互聯網，即可通過虛擬專網（VPN）實時訪問各地系統的運行情況，實現集中運維和管理［7］。

2.4 控制策略設計

典型微網群架構示意圖如圖4所示［8］。高壓配電網經變壓器與35kV中壓母線相連。35kV母線經變壓器降壓到10kV，10kV 母線按分段接線的方式分為3段，每段上既接有未加入微網的低壓DG、儲能、負荷等，也接有電壓等級為400V 的低壓子微網。各子微網中包括可再生能源發電裝置（光伏或風力發電裝置）、常規能源發電裝置（柴油發電機）、儲能裝置和負荷，且各子微網的微型電源類型組成不同。其中微網群涵蓋10kV 母線及其下的三個子微網和未加入微網的低壓用戶。

圖4 典型微網群架構示意圖

我們可以對微網群的概念做如下定義［9］：對某一含多個低壓微網的中壓等級配電網，微網群包含該網絡下的所有中低壓線路、未參與微網的低壓設備和參與微網的低壓設備。其中，參與微網的低壓用戶根據其地理位置將分配到不同的子微網中，和該微網下的微型電源及儲能裝置形成一個整體。每個子微網都可以運行在并網/孤島兩種狀態，且它們彼此的狀態相互獨立，令配電網的供電可靠性大大提高。微網群通過合適的控制策略和管理策略來對多個子微網進行調控，能同時實現子微網并網運行下的配電網運行最優與子微網孤島運行下的單微網運行最優。

3 結論

本文以西藏自治區能源研究示范中心微網群智能運維管理平臺項目為背景，從總體設計方案、分布式熱電聯用微網系統設計、熱電聯用微網系統設計、硬件架構/通信系統設計以及控制策略設計幾個方面，介紹了基于云架構的智能微網群智能運維管理平臺。智能微網群可利用不同能源的互補替代性，可以實現光/電、風/電、直/交流的能源交換。各類能源在源-儲-荷各環節的分層實現有序梯級優化調度，達到能源利用效率的最優。當系統發生擾動或短路故障時，智能微網群保護系統能夠快速平抑系統波動，保證微網系統的穩定安全運行。相較于傳統供電方式的能源管理系統，智能微網群雖有優勢，但在當今時代背景下還面臨困難與挑戰:微電網中的負荷和新能源的可預測性差;微電網能源管理中很多問題是復雜的系統化問題，基于規則的啟發方法和數學優化算法現各有特色，如何兼顧算法以達到最優性和可靠性，還需要深入研究。