基于能源互联网的多微网控制物理仿真系统开发

    周建强 许海园 秦光耀

    

    

    

    摘 要：能源互联网是解决能源问题的关键，但关于能源互联网还有许多关键问题亟待解决。物理仿真系统是研究验证电力系统的关键设施，基于D5000平台搭建3个微电网的能源互联网物理仿真系统，能够方便灵活地验证未来多微电网的各种问题，同时也为能源互联网实验及示范工程的建设提供了有益的参考。

    关键词：能源互联网;微电网;仿真系统开发;D5000

    1 绪论

    能源安全、环境污染和气候变化是当今人类社会实现可持续发展面临的主要能源问题。能源互联网能有效解决可再生能源的间歇性和波动性问题，被看作解决能源问题的重要途径[1，2]。智能微电网是未来能源互联网组成的基本单元，是未来分布式能源利用的主要组网模式。多微网之间的智能协调控制是能源互联网要解决的关键问题之一。

    微电网作为分布式电源接入电网的有效方式受到了国内外学者多方面的研究[3-5]。但在多微网系统方面研究还主要集中在软件仿真分析与算例优化等方面[6]，也有一些实验室和研究性多微电网系统[5]，但基于能源互联网和能源路由器的多微电网系统还鲜有报道。

    目前能源互联网的发展还处于初级阶段，它是一个分布式能源发电、输电、用电、信息通信、智能控制等等多技术领域交叉學科。研究开发基于能源互联网的多微网控制物理仿真系统综合平台，不但能够多微网智能控制调度仿真研究，而且还能为能源互联网建设提供一定的理论基础和数据支撑，为智能微电网建设具有较强的示范和引领作用。

    2 多微网物理仿真系统结构设计

    2.1 基于能源互联网多微网仿真系统需求分析

    在未来的能源互联网中，微电网包括交流微电网和直流微电网。交流电网具有电压转换简单，而直流电网稳定，输送距离远，因此未来能源互联网也必将是一个交-直流混联的电网。在多微电网仿真系统中，应包括交流电网和直流电网，研究验证交流电网和直流电网的运行特性。能源路由器是能源互联网中的关键设备，电能是最易传输、转换和利用的二次能源，因此未来的能源互联网将是以电能为主的能源互联网，电力能源路由器是未来能源互联网的核心。在基于能源互联网多微网仿真系统中，应有电力能源路由器把交流微电网和直流微电网联结起来。在能源互联网中，每一个发电、储能、用电单元都应是一个独立的主体，满足即插即用功能，在满足电力系统安全的前提下，基于市场经济的规律，进行发电、储能、用电的控制[7，8]。同时，每一个微电网既是一个能源供给和消费的单元，也是一个市场经济的主体。每一个微网可以根据自身预期，向外电网购入或出售期望的电量，实现自身经济价值最大化。中央层只需根据每个子网达成交易的电量和功率控制能源路由器向子网供电，子网集控层负责子网负荷的平衡，管理储能、释放储能还是根据负荷的总需求切除部分负荷。所以基于能源互联网的多微电网仿真系统需要能够实现分层分区域进行控制[9]。

    2.2 基于能源互联网多微网仿真系统结构设计

    基于上述需求分析，能源互联网多微电网仿真系统的设计为3个微电网通过一个4端口能源路由器互联。2个交流微电网母线电压为380V，1个直流微电网母线电压为300V，仿真系统通过能源路由器与实验室电网并网，如图1。通过能源路由器，微电网可以从大电网中获取能量，也可以向大电网中输送能量，还可以在不同的微电网间进行定功率或非定功率的能量输送，从而通过交易系统实现电能的竞价购销。

    每个微电网也是一个独立的能源网单元，为模拟能源互联网对等、开放、即插即用的特征，除每个微电网有分层控制系统外，发电、储能、用电负载也都有自己的智能控制系统。为了模拟电网中的各种分布式电源、储能装置和负载。单晶硅、多晶硅和薄膜电池是目前最主要的分布式光伏发电组件，在3个不同的微电网中，分别用了3种不同的组件，其中垂直安装的薄膜太阳能电池是未来光伏与建筑结合的主要形式。铅酸电池、锂电池是目前微电网中主要的储能设施，也是本仿真系统的首选，另外超级电容储能具有充放电时间短、改善电能质量等优点，因此在仿真系统中还选择了超级电容储能装置。空调器、空气能热水器和充电桩是未来微电网中的主要大功率负载，并且具有短时间可中断性，因此也是多微电网仿真系统中的主要负载。另外为了试验灵活性，在每个微电网系统中，还设计了一套可调节的阻性负载、容性和感性负载。微电网仿真系统设备具体配置及其参数如下表。

    3 多微网仿真平台控制系统及通信设计

    目前还没有关于能源互联网的标准，关于微电网控制系统多是基于工业的自动控制系统。关于微电网设备间的通信协议也主要基于工业系统的通信协议，如在底层设备之间RS232、RS485通信协议居多，但通信格式必须事先约定，在没有能源互联网标准的情况下，设备的“即插即用、互联共享”带来了较大障碍。在没有统一标准的情况下，作为基于能源互联网的多微网仿真平台，其控制系统必须具有较大的灵活性，同时也要与现有的电力设备具有较强的通用性，容易与大电网实现信息交互。平台应有较大的灵活性，有丰富的设备、监控末端可以选择。

    3.1 多微网仿真系统控制平台的选择

    因此目前在电网系统中普遍采用D5000调度系统，其功能全面、安全性高，实时性强，支持百万级的数据采集与实时监控;大部分智能电气设备都支持D5000系统，其架构体系如图2。

    3.2 通信网络

    能源互联网中的微电网运行控制更加依赖于信息的采集与传输，同时微电网设备的响应特性对通信的实时性与可靠性要求更高，通信系统是微电网运行控制与管理的基础环节。交流微电网、直流微电网均有本地监控工作站，对各自微电网的运行状态进行监视，负责各自微电网的本地监控。能源互联网监控与调度系统汇集所有微电网的数据，包含各微电网本地监控的所有功能，同时，负责各微电网间的整体运行优化和调度。微电网的各个设备（如风机变流器、储能PCS）和通信管理机之间采用双绞线以太网进行通信，微电网控制器、监控工作站以及各个服务器之间，采用光纤以太网进行通信。系统监控与通信拓扑图如图3。

    为实现能源互联网的安全可靠运行与优化调度，本仿真系统三层的通信功能如下：

    （1）就地控制层。该层也称过程层，包括与被测量控制对象直接相连的各种数据采集设备、仪表、智能控制装置等，这些设备通过现场总线（RS485/工业以太网）进行互聯，负责将测量所得到的数据向上层（微电网控制层）的通信管理机传输，并负责接收上层的控制指令。

    （2）微电网控制层。微电网控制层是中间层，通常采用工业以太网络实现微电网控制器、通信管理机、微电网监控计算机等设备的互联。就地控制层采集的设备节点信息送到微电网控制层，微电网控制层的控制器负责将采集的信息进行汇聚、处理、研判和疏导，微电网控制器产生的控制指令通过通信管理机下发控制指令给就地控制层的设备，将部分或全部信息上传给能源互联网调度层;同时微电网控制层接收互联网调度层的决策信息，并转换为控制指令下发给就地控制层，起到“承上启下”的作用。

    （3）能源互联网调度层。能源互联网调度层为最上层，负责接收多个微电网控制层上传的数据，并进行汇总、处理、分析与决策，并负责给微电网控制层下发决策后的调度指令，从而对微电网的运行进行调控。本方案采用千兆光纤以太网络实现调度层设备间的互联，包括：三个微电网控制器、微电网互联控制器、网络对时服务器、能源互联网调度系统、可视化触摸屏等设备，为实现校园能源互联网系统的安全、可靠与优化运行奠定通信基础。

    3.3 通信规约

    基于一体化支撑平台的前置机应用功能，实现能源互联网调度层与微电网控制层的规约通信。支持以太网或标准串行接口，与微电网控制层的通讯采用符合DL/T634和DL451标准的101、104通信规约和CDT通信协议。支持与各种智能装置和数据源通信。支持与现有地区调度自动化系统间的双向数据通信，通信协议支持IEC60870-6（TASE.2）、DL476-92、IEC60870-5-104等网络协议。

    4 多微网仿真平台分层控制设计

    仿真系统的开放性将是进行灵活仿真的关键，多微电网仿真系统按照开放性、智能化的特征进行构建。未来能源互联网将是一个分层分区域运行控制的电网，故本仿真系统也采用分层、分区域方式对多微网进行控制。控制系统采用“多微电网三层结构”[10]：能源互联网调度层（上层）、微电网监控层（中间层）、就地控制层（下层），每一层的控制算法都是开放的，可以根据研究的需要进行控制策略的更改。

    调度层是本能源互联网的最高控制管理层，主要完成三个微电网之间的能量优化调度功能。配置独立的微电网互联控制系统一套，实现对电力能量路由器、并网及联网设备的运行监控。配置环境监测装置、电能质量监测装置，实现对环境和交流微电网电能质量状况的实时监测。

    中间层称为局部集中控制层（微电网监控层），是智能微电网的控制单元，其功能是实现微电网的稳态控制和分析，响应上层（能源互联网调度层）的调度命令，集中管理单个微电网的DG、储能和各类负荷，对本微电网的安全、经济运行和并离网运行进行控制。调度层和中间层都采用D5000控制，在D5000配置文件中可以设计调度控制策略，进行经济调度、安全策略调度的仿真。

    就地层负责执行微电网各DG调节、储能充放电控制和负荷控制及用电设备的信息采集等作用，也就是DG、储能、用电单个功能个体内部的控制。仿真系统的智能控制设备负责单个设备的安全、稳定运行，同时与中间层不断进行信息交互。就地层控制器全部采用开放式设计，可根据仿真的需要进行程序代码的更改）。

    5 结论

    电力能源互联网是未来能源互联网的核心，开发基于能源互联网多微电网物理仿真系统为能源互联网的研究提供了灵活的验证平台。本系统基于D5000调度平台，采用交、直流子微网通过能源路由器实现互联，可以控制微网与电网间的潮流流动、子网间的能量调度，而且可以进行经济调度模拟，甚至竞价上网调度方式的仿真模拟，具有较强的灵活性和适应性，为能源互联网实验及示范工程的建设提供了有益的参考。

    参考文献：

    [1]刘振亚.全球能源互联网[M].北京：中国电力出版社，2016，4.

    [2]Rifkin J.The third industrial revolution：how lateral power is transforming energy，economy，and the world[M].New York：Palgrave MacMillan，2011：46-48.

    [3]国网能源研究院.2015国内外智能电网发展分析报告.北京：中国电力出版社，2015，12.

    [4]许志荣，杨苹，赵卓立，王灿.中国多微网系统发展分析[J].电力系统自动，2016，40（17）：224-231.

    [5]陈浩东.多微网系统的优化调度研究[D].西安理工大学，2019.

    [6]吴红斌，孙瑞松，蔡高原.多微网互联系统的动态经济调度研究[J].太阳能学报，2018，9（05）：1426-1433.

    [7]马钊，周孝信，尚宇炜，盛万兴.能源互联网概念、关键技术及发展模式探索[J].电网技术，2015，（11）：3014-3022.

    [8]孙宏斌，郭庆来，潘昭光.能源互联网：理念、架构与前沿展望[J].电力系统自动化，2015，（19）：1-8.

    [9]董朝阳，赵俊华，文福拴，薛禹胜.从智能电网到能源互联网：基本概念与研究框架[J].电力系统自动化，2014，（15）：1-11.

    [10]李瑞生.云—层—端三层架构体系的随机性电源即插即用构想[J].电力系统保护与控制，2016，（07）：47-54.

    基金项目：河南省高等学校重点科研项目（18B470011）;国网河南省电力公司2018年科技计划项目（5217S070010）

    作者简介：周建强（1975—），男，副教授，研究方向：可再生能源发电技术。