基于 CAN 总线的微网能量管控体系运作方略

安科瑞鲁一扬15821697760

摘要：本研究以微网基本特性为基石构建基于 CAN 总线的电网能量管理系统。运用下垂特性控制策略精准把控微网系统的电流、电压、频率等关键参数，并借由 CAN 总线搭建数字传感器数据传输体系。实验结果表明，该系统显著提升微电网运行的经济性与可靠性，增进系统效率。同时，CAN 总线技术的运用有效增强数据采集精度、抗干扰性能以及远距离传输的实时性与可靠性。

关键词：微电网；能量管理；下垂特性；CAN协议

0引言

当下电力系统呈现集中发电、远距离高压输电、分布式用电的特征，且随着电网规模扩张，结构复杂性攀升，引发诸如运行调度艰难、跟踪负荷变化灵活性欠佳、可靠性与多样化用电能力不足等弊病，易致使局部事故蔓延，酿成大面积停电。故而，分布式供电成为近年来研究焦点。另一方面，鉴于不可再生能源的日趋紧张及其对环境的影响，可持续绿色能源开发利用迫在眉睫，然而这些能源发电状态随环境波动较大，接入公网面临诸多挑战，分布式供电则为其利用开辟了良好路径。

分布式供电相对于传统集中式供电，发电系统规模较小且分散布局于用户周边。微网是其中的主要形式，它是各类微电源与分散负荷的组合，至少涵盖一个分布式电源与若干负荷，可作为独立系统运行与控制。微网具备并网和离网两种运行模式，并网模式下与大电网联网运行，充当大电网支路；离网模式则脱离大电网独自运行。

微电网技术整合电力电子、分布式发电、可再生能源发电与储能技术，为大规模应用分布式电源提供有效实用途径，但也滋生新问题，如电网匹配、孤岛现象、能量管理等。本文聚焦微电网与传统电网差异，深入探究其能量管理问题。

1能量管理系统功能设计

微电网基本结构依应用场景而异，但通常包含微电源、储能、管理系统以及负荷四大要素。微电源一方面经公共连接点（Pcc）与大电网相连，另一方面借助逆变器与负荷连接。当大电网稳定运行时，微电网负载由大电网供电，二者并网运行；一旦大电网供电中断或运行异常，隔离开关开启，切断二者联系，微电网转入孤岛运行。在微电网与大电网接口处均配备断路器，并辅以具备功率和电压控制功能的控制器，实现能量初步管理。各微电源拥有有功、无功、电压、频率、孤岛等多种能量调节管理控制方式。

微电网基本结构如图 1 所示，能量管理系统作为核心枢纽，具备对系统电压、电流、有功、无功、频率、功率因数等各类参数的管理功能，以及对微电源、储能装置、负荷的控制职能。

1．1数据管理功能

管理系统内置数据库，存储各设备标准运行数据、历史运行数据与统计数据等。主要功能为记录实时运行数据，并运用相应功能软件对其状态展开统计与分析。

1．2微电网运行模式管理

微电网运行模式分为并网与离网两种。管理系统依据系统需求对二者进行高效切换。当微电网需并网运行时，管理系统剖析大电网运行参数，若大电网运行良好，便将微电网平稳地从离网切换至并网状态，并实时监测与分析微网和大电网运行状态；当监测到大电网运行数据严重偏离标准值时，管理系统依故障严重程度抉择运行方式，要么对大电网运行参数适度调节后维持并网，要么切断与主网联系进入孤岛运行；当微电网需进入孤岛运行时，同样由管理系统完成工作状态切换。所有切换均应平滑无缝。

1．3对微电源的控制功能

管理系统依据用电需求变化调控微电源工作方式。当微电网内负荷需求较小时，调低微电源输出功率以节能；负荷较大时，则调高输出功率以满足系统要求。当检测数据显示蓄电池充满时，关闭微电源，由蓄电池放电供电。

1．4储能装置的管理

蓄电池工作状态是微电网稳定运行的根基。管理系统内嵌 SOC 算法模型，实现对蓄电池充放电、电压值、功率值的管理，并依系统需求设定相应控制方式，完成蓄电池有功功率、无功功率调节。

1．5负荷管理

微电网负荷是用电核心，决定微电源出力。管理系统负责维持微电源与负荷平衡，确保负荷变化时系统稳定运行。

2能量管理系统功率控制策略的确定

微电网中的微电源大致分为三类：可再生能源（如光伏发电、风力电力、生物质能发电等）、传统发电模式（如柴油发电机、小水电等）以及新兴发电模式（如燃料电池、微型燃气轮机等）。这三类发电方式均需通过逆变器转换为工频交流电，故而基于电力电子技术的逆变器工作状态成为能量管理关键。

逆变器作为微电网与大电网接口，主要功能是控制输出有功功率和无功功率。控制方法有 PQ 控制法、下垂（Droop）控制等，控制策略分为主从型和对等型。本设计采用对等型的 Droop 控制法。

在微电网中，各分布式电源（DG）无主次从属之分，所有微电源采用相同或不同控制方法参与有功或无功功率调节，并依据实际电网中实时监测电气量协调系统电压和频率。对等型控制框图如图 2 所示。

由图 2 可知，对等控制中各微电源相互独立，在调节电压和频率等参数时，仅监测自身输出端电气量，无需考量其他微电源运行状态，有力保障系统可靠性。

本设计中，各微电源逆变器采用 Droop 控制方法，基本策略是效仿传统发动机下垂特性，通过解耦有功功率 - 无功功率与电压 - 频率关系进行系统电压和频率调节。该方法优势在于并网和离网模式切换时无需变更控制方式，即可维持微网电压和频率稳定，确保系统有功负载合理分配。

3 CAN总线结构分析

微电网中电源种类繁多，可持续绿色电源占比可观，但受环境影响显著，工作状态不稳定，因此需对微电源进行有效监控。由于数据量大且实时性要求高，监控系统通信功能必须契合系统基本要求。

基于微电网基本要求，本设计采用基于 CAN 总线的通信结构，以 CAN 总线连接逆变器。在通信结构中，运用可编程逻辑器件 CPLD 完成 DSP 处理器 TMS320F240 与 CAN 控制器 SJA1000 之间的接口设计。

通讯结构图如图 3 所示，微电网控制策略由 DSP 承担电气量计算，计算结果经 CAN 总线传至控制中心，控制中心依结果将控制命令经 CAN 总线下达至下位机，实现对微电源的有效监控。

4系统概述

4.1概述

Acrel - 2000MG 微电网能量管理系统，是我司依据新型电力系统下微电网监控系统与能量管理系统要求，融合国内外先进研究与生产经验，专门研发的企业微电网能量管理系统。该系统适配光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩接入，全天候开展数据采集分析，直接监控光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态与健康状况，是集监控与能量管理于一体的系统。它以安全稳定为前提，以经济优化运行为目标，提升可再生能源应用，增强电网运行稳定性，补偿负荷波动；有效达成用户侧需求管理，消除昼夜峰谷差，平滑负荷，提高电力设备运行效率，降低供电成本，为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行的全新解决方案。

微电网能量管理系统采用分层分布式结构，物理上分为设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及 TCP/IP 通信协议，物理媒介可为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持 ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870 - 5 - 101、IEC60870 - 5 - 103、IEC60870 - 5 - 104、MQTT 等通信规约。

4.2技术标准

本方案遵循的**标准有：

本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：

GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范*1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台*2部分：性能评定方法

GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范*5部分：场地安全要求

GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范*6部分：验收大纲

GB/T2887-2011计算机场地通用规范

GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求

GB50174-2018电子信息系统机房设计规范

DL/T634.5101远动设备及系统*5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

DL/T634.5104远动设备及系统*5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101

GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定

GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范

GB/T51341-2018微电网工程设计标准

GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范

DL/T1864-2018型微电网监控系统技术规范

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范

T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范

T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求

T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC5005-2018微电网工程设计规范

NB/T10148-2019微电网*1部分：微电网规划设计导则

NB/T10149-2019微电网*2部分：微电网运行导则

4.3适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区等可再生能源系统监控与能量管理场景。

4.4型号说明

5系统配置

5.1系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

6系统功能

6.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，能以系统一次电气图形式直观呈现各电气回路运行状态，实时监测回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及故障、告警等信号。各子系统回路电参量主要包括三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统可对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统可对储能系统进行状态管理，依据储能系统荷电状态及时告警，并支持定期电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包含系统主界面，涵盖微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。依不同需求，也可展示充电、储能及光伏系统信息。

图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

6.1.1光伏界面

 

图3光伏系统界面

此界面用于展示光伏系统信息，主要涵盖逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时展示系统总功率、电压电流及各逆变器运行数据。

6.1.2储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的较大、较小电压、温度值及所对应的位置。

6.1.3风电界面

 

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

6.1.4充电桩界面

 

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

6.1.5视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

6.2发电预测

系统可依据历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。依功率预测可人工输入或自动生成发电计划，便于用户集中管控新能源发电。

图16光伏预测界面

6.3策略配置

系统可依据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式设置及不同控制策略配置，如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

 

图17策略配置界面

6.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备指*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

6.5实时报警

具备实时报警功能，系统能对各子系统中的逆变器、双向变流器启动和关闭等遥信变位，及设备内部保护动作或事故跳闸时发出告警，实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

6.6历史事件查询

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、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户追溯系统事件和报警、查询统计、事故分析

图20历史事件查询

6.7电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度百*百和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度百*百和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、较大值、较小值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

6.8遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

6.9曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

6.10统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由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。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

6.11网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，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。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

6.12通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图26通信管理

6.13用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。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。

图27用户权限

6.14故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图28故障录波

6.15事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户指*和随意修改。

图29事故追忆

7硬件及其配套产品

 

序号	设备	型号	图片	说明
1	能量管理系统	Acrel-2000MG

	内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。 数据采集、上传及转发至服务器及协同控制装置 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等
2	显示器	25.1英寸液晶显示器		系统软件显示载体
3	UPS电源	UPS2000-A-2-KTTS		为监控主机提供后备电源
4	打印机	HP108AA4		用以打印操作记录，参数修改记录、参数越限、复限，系统事故，设备故障，保护运行等记录，以召唤打印为主要方式
5	音箱	R19U		播放报警事件信息
6	工业网络交换机	D-LINKDES-1016A16		提供16口百兆工业网络交换机解决了通信实时性、网络安全性、本质安全与安全防爆技术等技术问题
7	GPS时钟	ATS1200GB		利用gps同步卫星信号，接收1pps和串口时间信息，将本地的时钟和gps卫星上面的时间进行同步
8	交流计量电表	AMC96L-E4/KC		电力参数测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率,频率、功率因数等)、复费率电能计量、 四象限电能计量、谐波分析以及电能监测和考核管理。多种外围接口功能:带有RS485/MODBUS-RTU协议:带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的"遜信“和“遥控”的功能
9	直流计量电表	PZ96L-DE		可测量直流系统中的电压、电流、功率、正向与反向电能。可带RS485通讯接口、模拟量数据转换、开关量输入/输出等功能
10	电能质量监测	APView500		实时监测电压偏差、频率俯差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、诺波等电能质量，记录各类电能质量事件,定位扰动源。
11	防孤岛装置	AM5SE-IS		防孤岛保护装置，当外部电网停电后断开和电网连接
12	箱变测控装置	AM6-PWC		置针对光伏、风能、储能升压变不同要求研发的集保护，测控，通讯一体化装置，具备保护、通信管理机功能、环网交换机功能的测控装置
13	通信管理机	ANet-2E851		能够根据不同的采集规的进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据果集汇总: 提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能:实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据:
14	串口服务器	Aport		功能:转换“辅助系统"的状态数据，反馈到能量管理系统中。 1)空调的开关，调温，及完全断电(二次开关实现) 2)上传配电柜各个空开信号 3)上传UPS内部电量信息等 4)接入电表、BSMU等设备
15	遥信模块	ARTU-K16		1)反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器: 读消防VO信号，并转发给到上层(关机、事件上报等) 2)采集水浸传感器信息，并转发3)给到上层(水浸信号事件上报) 4)读取门禁程传感器信息，并转发

 

5总结

微电网是近几年发展起来的一种电网组成形式，具有规模小、灵活性强、安全可靠性高等特点，同时微电网的出现又为绿色能源的利用创造了有利的条件，因此，成为人们关注的热点。

本设计从微电网运行模式出发，研究了微电网能量管理系统的功能、控制策略、通信方式等问题，确定了以CAN总线结构为主的对等性控制方式，而在控制策略上采用Droop控制法对每一个DG进行有效地控制，确保了整个微电网系统在两种模式下均能够安全、稳定地运行。

参考文献

[1]梅晓莉.基于CAN总线的微网能量管理系统设计.

[2]王宁．微网系统能量管理技术研究[D].北京：北京交通大学．2011：2-3．

[3]王宁，黄梅，马天翼，等．基于CAN总线的微电网监控系统设计[J]l电测与仪表，201I(5)：37—39．

[4]安科瑞企业微电网设计与应用设计,2022,05版.

审核编辑 黄宇