基于電能管理的供電系統自治協調控制與應用

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發布時間： 2023-10-30 11:21 更新時間： 2024-12-01 07:00

摘要: 直流供電系統以便于光伏發電、儲能和直流負荷接入等優勢成為新研究方向。針對直流供電系統中不同變換器之間的協調控制難題，提出了基于直流母線電壓信息的自治協調控制策略。系統中各并網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定; 采用自適應變下垂控制方法，保證微網中各并網設備輸出功率均衡、合理，實現直流供電系統具備“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; 協調控制; 自治控制

0 引言

直流供電系統可實現分布式光伏和直流負荷的直流接入，無頻率穩定性問題，有利于系統穩定運行。如何實現直流供電系統中不同變換器之間的協調控制成為需解決難題之一。直流供電系統協調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據的實時采集對各控制器下發控制指令。某個節點的信號異常嚴重時會使系統崩潰，因此這種類型的控制結構供電可靠性較低。分布式控制時采用母線電壓作為協調控制信號，各控制單元可以實現獨立控制，但是無法保證各裝置輸出功率動態均衡。以分布式風電為發電單元的協調控制策略，母線電壓由每層中相應變換器控制。研究了直流微電網的協調自治方案，根據預制方案實現并/離網模式切換，但是在切換過程中無法實現無縫對接，需要進行修正。

為解決上述問題，提升供電系統能效品質，本文提出了考慮電能管理的一種供電系統自治協調控制策略。并網裝置通過判斷微電網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 供電系統拓撲結構

圖 1 為典型的直流供電系統拓撲，包含以下 4 個部分。

1693875063675 圖1 光儲直流供電系統電路拓撲

（1）光伏發電單元: 光伏陣列通過 DC/DC 變換器并網，通常以*大功率跟蹤模式運行，特殊情況下，按照調度指令降功率運行。

（2）儲能單元: 儲能電池通過雙向 DC/DC 變換器并網，并網時處于熱備用狀態，依據母線信息確定工作模式; 離網時采用電壓控制模式，基于下垂控制策略維持母線電壓穩定。

（3）并網變流器: 光伏、儲能等直流發電單元通過雙向 DC/AC 變流器并入電網，實現直流微網和交流主網之間的功能交換，保障系統功率平衡及維持母線電壓穩定。

（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。離網時需要根據負荷的重要程度進行切負荷控制，確保重要負荷的供電質量。

2 供電系統自適應協調控制策略

依據直流母線電壓信息將直流供電系統分為電網主導和切負荷四種運行模式，如圖 2 所示。考慮系統的電能優化和管理，為避免采用集中控制，基于無互聯通信的控制策略如圖 3 所示。

1693875283166 圖2 供電系統基于母線電壓的切換控制方法

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圖 3 不同運行模式供電系統控制策略

2.1 模式1（電網主導運行模式）

當與交流電網相連，本地分布式發電無法支撐負荷運行時，所缺功率由交流電網提供，確保系統的功率交互平衡，系統工作于電網主導模式。忽略供電系統的損耗，該模式下交流主網提供的功率為：

1693875503011 1693875540573

2.2 模式2（儲能主導運行模式）

交流電網發生故障或負荷波動時，可能導致并網變流器進入限流狀態或故障停機，此時系統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，維持母線電壓穩定。根據直流母線電壓幅值將模式2分為2-1和2-2兩種情況，對應儲能系統充電和放電兩種工作狀態。

1693875675056 1693875700347 2.3 模式3（光伏發電單元主導運行模式）

當分布式光伏發電的輸出功率過大，超過了并網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，系統仍然無法正常運行，此時限制分布式發電的出力，用來穩定直流母線電壓。

2.4 模式4（切負荷模式）

此運行模式下，系統提供的*大功率小于負荷需求。為保障供電系統安全，需要根據負荷的重要層次，依次切除次要負荷，實現供電系統安全穩定運行。

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仿真模型，系統包含鐵鋰電池、超級電容、光伏、直流負荷以及并網變流器 5 種功率交互裝置。

3.1 仿真場景1

直流供電系統由模式1切換至模式2-2仿真波形如圖 5 所示。可以發現:

0~0.5S：供電系統并網運行，儲能處于備用狀態，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，母線電壓繼續降低。

1.5~2S：光伏輸出出現波動，功率降為 15 kW，儲能輸出功率維持功率平衡。此時并網變流器會出現限功率運行，進入模式2-2電壓變化區間，檢測到母線電壓變化后儲能電池自適應進入變系數下垂控制模式，為維持供電系統穩定需增加儲能出力。

1693876042851 圖 5 場景1下仿真波形

3.2 仿真場景2

直流供電系統由模式2-1切換至模式4再恢復至模式1，仿真波形如圖 6 所示。可以發現:

0~0.5S：供電系統獨立運行，儲能維持母線電壓恒定，光伏輸出功率30kW，負荷30kW，DC/AC 變流器處于并網待機模式。

0.5~1S光伏輸出功率減小，為了維持網內功率平衡，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。

1.5~2S：供電系統切換為并網運行，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。

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4 安科瑞電能管理系統

4.1概述

用戶端消耗著整個電網百分之八十的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、節約用電有十分重要的意義。構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，實現電網與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統、需求側管理等課題。

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計，以直觀的數據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，節約電能，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

4.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業建筑（商場、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫用衛生、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系統結構

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4.4系統功能

1）實時監測

系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態，以及有關故障、告警等信號。

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2）電能統計報表

系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。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。

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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，鼠標指針變為手形，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數、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

系統具有實時電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數、指定時間或選擇查詢更新的記錄數據等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

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5）變壓器運行監視

系統對配電系統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態進行在線實時監視，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。

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6）實時提醒

系統具有實時提醒功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開關、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、功率因數越限等事件進行實時監測，并根據事件等級發出告警。系統提醒時自動彈出實時提醒窗口，并發出聲音提醒。

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7）歷史事件查詢

系統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和提醒進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

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8）電能質量監測

系統可以對整個配電系統范圍內的電能質量進行持續性的監測，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測功能的電力儀表，不需要可刪除。

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9）遙控操作

系統支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統具有嚴格的保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

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10）用戶權限管理

系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

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11）通訊狀態圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態，發生網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場各設備的通訊狀態，及時維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。

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12）畫面監控

畫面監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畫面信息。

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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據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析。

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14）APP支持

電力運維手機支持“監控系統”、“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、環比、電能質量、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。

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4.5系統硬件配置

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視用戶配電系統的運行狀態和電量數據，為用戶提供更好的運維服務。平臺提供用戶概況、電力數據監測、電能質量分析、用電分析、日/月/年用能數據報表、異常事件報警和記錄、運行環境監測等功能，并支持多平臺、多終端數據訪問。
智能網關	Anet-2E8S1		8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協議的數據接入，ModbusT-c(主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協議上傳，支持不同協議向多平臺轉發數據;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全網通
35kV/10kV/6kV微機保護裝置	AM6系列		35kV及以下配電系統線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監測/PT并列、母聯/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jinxian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的扇形區域。
35kV/10kV/6kV進線柜電能質量在線監測	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、閃變監測、電壓不平衡度監測、事件記錄、測量控制等功能為一體，能夠滿足110kV及以下供電系統電能質量監測的要求。
35kV/10kV/6kV間隔智能操控、節點測溫	ASD500		液晶屏顯示一次回路動態模擬圖、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、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓內電氣接點無線測溫、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計，正反向無功電能統計;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、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

5 結束語

本文提出一種考慮電能管理的供電系統自治協調控制策略。仿真結果表明: 微網供電系統中各并網裝置通過判斷微網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定; 同時，各并網設備之間無需相互通信，采用自適應變系數下垂控制，以保證微網中各并網設備輸出功率均衡、合理，快速實現系統內各變流器的功率平衡及協調控制。在不增加硬件成本的情況下，僅通過控制實現供電系統內部的自治與協調運行。

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