基于电能管理的供电系统自治协调控制与应用

基于电能管理的供电系统自治协调控制与应用

张颖姣

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要: 直流供电系统以便于光伏发电、储能和直流负荷接入等优势成为新研究方向。针对直流供电系统中不同变换器之间的协调控制难题，提出了基于直流母线电压信息的自治协调控制策略。系统中各并网装置通过判断直流母线电压信息自适应选择控制模式并无缝切换，以保证直流母线电压稳定; 采用自适应变下垂控制方法，保证微网中各并网设备输出功率均衡、合理，实现直流供电系统具备“即插即用”。*后仿真验证了所提策略的有效性和正确性。

关键词: 电能管理; 直流供电; 直流母线电压; 协调控制; 自治控制

0 引 言

直流供电系统可实现分布式光伏和直流负荷的直流接入，无频率稳定性问题，有利于系统稳定运行。如何实现直流供电系统中不同变换器之间的协调控制成为需解决难题之一。直流供电系统协调控制模式包括集中通信和分布式控制。采用集中控制时需要依赖设备运行数据的实时采集对各控制器下发控制指令。某个节点的信号异常严重时会使系统崩溃，因此这种类型的控制结构供电可靠性较低。分布式控制时采用母线电压作为协调控制信号，各控制单元可以实现独立控制，但是无法保证各装置输出功率动态均衡。以分布式风电为发电单元的协调控制策略，母线电压由每层中相应变换器控制。研究了直流微电网的协调自治方案，根据预制方案实现并/离网模式切换，但是在切换过程中无法实现无缝对接，需要进行修正。

为解决上述问题，提升供电系统能效品质，本文提出了考虑电能管理的一种供电系统自治协调控制策略。并网装置通过判断微电网直流母线电压信息自适应选择控制模式并无缝切换，各并网设备采用自适应下垂控制，相互之间无需通信，具备“即插即用功能”。

1 供电系统拓扑结构

图 1 为典型的直流供电系统拓扑，包含以下 4 个部分。

图1 光储直流供电系统电路拓扑

（1）光伏发电单元: 光伏阵列通过 DC/DC 变换器并网，通常以*大功率跟踪模式运行，特殊情况下，按照调度指令降功率运行。

（2） 储能单元: 储能电池通过双向 DC/DC 变换器并网，并网时处于热备用状态，依据母线信息确定工作模式; 离网时采用电压控制模式，基于下垂控制策略维持母线电压稳定。

（3） 并网变流器: 光伏、储能等直流发电单元通过双向 DC/AC 变流器并入电网，实现直流微网和交流主网之间的功能交换，保障系统功率平衡及维持母线电压稳定。

（4）负荷单元: 直流负荷直接或通过 DC/DC 变流器接入供电系统。离网时需要根据负荷的重要程度进行切负荷控制，确保重要负荷的供电质量。

2 供电系统自适应协调控制策略

依据直流母线电压信息将直流供电系统分为电网主导和切负荷四种运行模式，如图 2 所示。考虑系统的电能优化和管理，为避免采用集中控制，基于无互联通信的控制策略如图 3 所示。

图2 供电系统基于母线电压的切换控制方法

图 3 不同运行模式供电系统控制策略

2.1 模式1（电网主导运行模式）

当与交流电网相连，本地分布式发电无法支撑负荷运行时，所缺功率由交流电网提供，确保系统的功率交互平衡，系统工作于电网主导模式。忽略供电系统的损耗，该模式下交流主网提供的功率为：

 

2.2 模式2（储能主导运行模式）

交流电网发生故障或负荷波动时，可能导致并网变流器进入限流状态或故障停机，此时系统进入储能主导运行模式，储能单元需具备较大的能量裕度，可以充电或者放电，维持母线电压稳定。根据直流母线电压幅值将模式2分为2-1和2-2两种情况，对应储能系统充电和放电两种工作状态。

 

2.3 模式3（ 光伏发电单元主导运行模式）

当分布式光伏发电的输出功率过大，超过了并网变流器的容量及本地负荷的用电需求，此时储能电池的 SOC 达到*高限值，或储能单元以*大功率充电，系统仍然无法正常运行，此时限制分布式发电的出力，用来稳定直流母线电压。

2.4 模式4（切负荷模式）

此运行模式下，系统提供的*大功率小于负荷需求。为保障供电系统安全，需要根据负荷的重要层次，依次切除次要负荷，实现供电系统安全稳定运行。

3 仿真验证

为验证所提控制策略，基于 PSCAD 软件搭建直流供电系统仿真模型，系统包含铁锂电池、超级电容、光伏、直流负荷以及并网变流器 5 种功率交互装置。

3.1 仿真场景1

直流供电系统由模式1切换至模式2-2仿真波形如图 5 所示。可以发现:

0~0.5S： 供电系统并网运行，储能处于备用状态，光伏输出功率30 kW，负荷30 kW，本地功率基本平衡，DC/AC 变流器输出功率很小，由 DC/AC 变流器控制母线电压。

0.5~1S： 投入储能进行恒功率充电，根据下垂特性，母线电压有所降低。

1~1.5S： 储能逐渐充电完成，负荷功率增大，DC/AC 变流器输出功率增大，母线电压继续降低。

1.5~2S：光伏输出出现波动，功率降为 15 kW，储能输出功率维持功率平衡。此时并网变流器会出现限功率运行，进入模式2-2电压变化区间，检测到母线电压变化后储能电池自适应进入变系数下垂控制模式，为维持供电系统稳定需增加储能出力。

图 5 场景1下仿真波形

3.2 仿真场景2

直流供电系统由模式2-1切换至模式4再恢复至模式1，仿真波形如图 6 所示。可以发现:

0~0.5S：供电系统独立运行，储能维持母线电压恒定，光伏输出功率30kW，负荷30kW，DC/AC 变流器处于并网待机模式。

0.5~1S光伏输出功率减小，为了维持网内功率平衡，储能增大输出功率，母线电压有一定的降低。

1~1.5S： 光伏输出进一步减小，储能无法提供更多的功率，切除部分次要负荷，以维持母线电压在正常运行范围内。

1.5~2S：供电系统切换为并网运行，母线电压恢复额定值，之前切除的负荷重新投入，储能暂时退出运行，在有功率剩余时再进行充电。

4 安科瑞电能管理系统

4.1概述

用户端消耗着整个电网百分之八十的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

4.2应用场所

（1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；

（2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；

（3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；

（4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医用卫生、体育建筑等）；

（5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视等）；

（6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。

4.3系统结构

4.4系统功能

1）实时监测

系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

2）电能统计报表

系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。

3）详细电参量查询

在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

4）运行报表

系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、指定时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

5）变压器运行监视

系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电可靠。

6）实时提醒

系统具有实时提醒功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统提醒时自动弹出实时提醒窗口，并发出声音提醒。

7）历史事件查询

系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和提醒进行历史追溯，查询统计、事故分析。

8）电能质量监测

系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

9）遥控操作

系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

10）用户权限管理

系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

11）通讯状态图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。

12）画面监控

画面监控展示了当前实时画面（画面直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内画面信息。

13）用户报告

用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。

14）APP支持

电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”和“缺陷记录”五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。

4.5系统硬件配置

 

应用场合	型号	图 片	功能
电能管理软件	Acrel-3000WEB

 

 

	Acrel-3000WEB电能管理软件全方监视用户配电系统的运行状态和电量数据，为用户提供更好的运维服务。平台提供用户概况、电力数据监测、电能质量分析、用电分析、日/月/年用能数据报表、异常事件报警和记录、运行环境监测等功能，并支持多平台、多终端数据访问。
智能网关	Anet-2E8S1		8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPC UA等协议的数据接入，ModbusT-c(主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT等协议上传，支持不同协议向多平台转发数据;输入电源:AC/DC 22ov，导轨式安装。
ANet-2E4SM

 

 

	4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、从）、104(主、从）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模块）输入电源:DC 12 V ~36 V .支持4G扩展模块，485扩展模块。
ANet-485	M485模块:4路光耦隔离RS485
ANet-M4G	M4G模块:支持4G全网通
35kV/10kV/6kV微机保护装置	AM6系列		35kV及以下配电系统线路、主变、配电变压器、电动机、电容器、PT监测/PT并列、母联/备自投等保护。
35kV/10kV/6kV弧光保护	ARB5-M		主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，弧光保护〈8组）、失灵保护(4组）、TA断线监测（4组）、非电量保护、装置故障告警
ARB5-E	扩展单元，每个扩展插件可以采集5路弧光信号
ARB5-S		弧光探头，建议安装地点包括（但不仅限于）断路器室、电缆室、母线室，可面板开孔安装，亦可支架式安装。弧光探头的检测范围是一个角度为180°，半径0.5m的扇形区域。
35kV/10kV/6kV进线柜电能质量在线监测	APView500		装置1024点波形采样，集谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测、电压不平衡度监测、事件记录、测量控制等功能为一体，能够满足110kV及以下供电系统电能质量监测的要求。
35kV/10kV/6kV间隔智能操控、节点测温	ASD500

 

 

	液晶屏显示一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温湿度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮、预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4~20mA输出
35kV/10kV/6kV传感器	ATE400		合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125℃，测量精度±1℃;传输距离空旷150米
35kV/10kV/6kV间隔电参量测量	APM830		三相(I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos） ，零序电流In，四象限电能，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示
高压重要回路 或低压进线柜	APM810

 

 

	三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso)，零序电流In，四象限电能，电流、电压不平衡度，负载电流柱状图显示，66种报警类型及外部事件（SOE)各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示
AEM96		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计;2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率)﹔电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级,无功电能精度2级
ADW300/4G

 

 

	三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量;电压电流相角、电压电流不平衡度测量;电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量当月及上三月的电压、电流、功率记录;上十二月历史需量记录;事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录;支持4路开关量输入、2路开关量输出;支持4路测温;支持1路剩余电流测量;支持本地显示及按键设置;有功电能精度1级。通讯方式:支持RS485通讯、Lora无线通讯、4G通讯;WIFI通讯
0.4kV出线	AEM72		三相电参量U、I、P、0、s、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计;2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）﹔电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级.无功电能精度2级
DTSD1352

 

 

	三相电参量u、I、P、Q、s、PF、F测量，分相正向有功电能统计，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计﹔红外通讯;电流规格:经互感器接入3×1(6)A.直接接入3×10(8o)A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级。
ACR120EL

 

 

	LCD显示、全电参量测量(U、1、P、Q、PF、F);四象限电能计量;RS485/Modbus;可选复费率电能统计;4DI+2DO;RS485通讯接口、Modbus 协议
照明箱	DDSD1352

 

 

	单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量;红外及RS485通讯;电流规格:10(60）A，有功电能精度1级，无功精度2级;可选配复费率
DDS1352

 

 

	单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量;RS485通讯;电流规格:10(60)A，有功电能精度1级，无功精度2级;尺寸:1P
电流互感器	AKH-0.66/K型

 

 

开口式电流互感器

 

5 结束语

本文提出一种考虑电能管理的供电系统自治协调控制策略。仿真结果表明: 微网供电系统中各并网装置通过判断微网直流母线电压信息即可自适应选择控制模式并无缝切换，能够保证直流母线电压稳定; 同时，各并网设备之间无需相互通信，采用自适应变系数下垂控制，以保证微网中各并网设备输出功率均衡、合理，快速实现系统内各变流器的功率平衡及协调控制。在不增加硬件成本的情况下，仅通过控制实现供电系统内部的自治与协调运行。

审核编辑 黄宇