一種微電網能量管理系統和方法
2023-05-07 06:52:11 1
一種微電網能量管理系統和方法
【專利摘要】本發明公開了一種微電網能量管理系統，其包括：信息採集與數據預處理單元，將SCADA/PMU混合量測採集的信息，採用CIM模型結合歷史斷面管理，進行數據挖掘預處理；網絡分析單元，用於在網絡拓撲分析的基礎上，實現基於混合量測的微電網狀態估計，進行風險分析評估和靈敏度分析，實現故障威脅預警與報警，並採取相應的預防措施或者進行緊急控制；能量優化單元，用於根據微電網狀態估計的信息，結合預報信息及系統運行分析，進行微電網的能量優化調度；同時本發明還提供一種採用上述系統進行微電網能量管理的方法。本發明進一步完善微電網能量管理系統的功能，提高微電網的系統安全性、供電可靠性、系統控制的精度和有效性。
【專利說明】—種微電網能量管理系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力系統，特別涉及一種微電網能量管理系統和方法。
【背景技術】
[0002]微電網(Micro Grid)，作為一種新型能源網絡化供應與管理系統，能夠整合分布式發電的優勢，協調分布式發電單元(微電源)與大電網(指由發電廠、變電站、輸電線路網、配電變壓器和低壓線路網等組成的電力網)間的矛盾，充分利用各種分散能源，結合本地負荷、儲能裝置及相關監控和保護裝置，構成的新型電力微系統。微電網的能量管理系統將對微電網內設備的運行狀態進行監控，根據當前系統運行情況與控制目標制定相應的控制策略，針對微電源的出力特點，採用合理的能量優化技術使微電源得到最大利用，充分發揮微電網低碳、經濟的優勢。
[0003]現有的微電網能量管理系統中，只採用側重於監測系統穩態運行情況的SCADA進行微電網的信息採集與監控，不同地點的監測結果之間也缺乏準確的統一時標，難以對全系統進行整體動態分析。其次，SCADA無法實現採集的數據關聯設備模型信息的功能，數據的存儲只是基於時間序列，本身不帶有模型信息。隨著各種發電技術的發展，微電源的種類不斷地增加和變動，微電網新增和改建微電源的頻率也相對較高。隨著各類微電網管理系統應用的深入，出現了信息整合的應用瓶頸，各管理系統之間信息不兼容、不能互通，信息模型不統一，不能宏觀的綜合管理信息。因此，需要採用混合量測系統進行信息採集，並進行數據預處理，實現對微電網系統狀態進行同步監測，為系統分析及控制提供數據來源。
[0004]太陽能電池和風機等微電源發電特性不同，導致發電電壓、電流瞬時波動大，並且會受到地理環境、天氣和時間等因素的影響而使輸出有很大的隨機性和波動性。其次，微電網中負荷也不是一成不變的，會隨著時間、天氣和經濟等因素而不斷變化，這使得微電網中微電源和負荷之間的能量交換過程變得更為複雜。因此，需要採用基於預報信息的能量優化單元，對系統的能量流進行監控和管理，優化微電網系統內部各微電源、儲能單元及其與大電網之間能量流動的方向和幅值，以提高系統的供電品質、經濟環保性。
[0005]微電網以微電源小型化和數量多為特點，分散了調度風險，但微電網中風力、光伏單元的發電量與天氣狀況、環境溫度、風速、日照輻射量等條件密切相關；發電設備的故障率也隨環境條件和時間變化，這些隨機性因素都會對微電網系統的安全性、供電可靠性產生一定的影響。因而包含風能、太陽能等間歇性微電源的多能源微電網，其調度系統若單純的考慮側重於經濟性的能量調度則存在明顯的不足，需要對微電網系統進行網絡分析，以提高微電網安全性、供電可靠性。
[0006]為此，針對微電源的發電隨機性、不穩定性，負荷的變動性等這些微電網的不穩定因素，需要對微電網這個複雜的分布式系統，提出一種微電網能量管理系統，進行系統狀態監控、安全分析、能量優化調度，以提高微電網的系統安全性、供電可靠性、經濟環保性。
【發明內容】
[0007]本發明的目的之一是提出一種微電網能量管理系統，對微電網系統狀態進行全面監控，實現對微電網系統中預測數據、實時及歷史數據的集中監測；對微電網系統進行網絡分析以提高微電網的系統安全性；根據微電網狀態估計的信息，結合預報信息及系統運行分析，進行微電網的能量流管理，實現多能源優化互補、多元協調控制。
[0008]為實現上述目的，本發明所採取的具體技術方案是:
[0009]一種微電網能量管理系統,其包括:
[0010]信息採集與數據預處理單元，用於採集微電網各單元模擬量和開關量數據、天氣信息、相量數據，以及相連電網的能量管理系統數據；結合CM模型，管理微電網歷史斷面信息，進行數據挖掘預處理，為下一步的應用提供整合的模型、圖形和參數；
[0011]網絡分析單元，用於結合所述整合的模型、圖形和參數，進行基於混合量測的微電網狀態估計，求取微電網狀態變量；根據微電網狀態變量以及控制變量，並結合微電網各單元設備的健康狀態，進行風險分析評估和靈敏度分析，預測潛在的故障，量化消除潮流越限故障的調整因素；通過預警與報警模塊，將危險、故障情況以聲、光方式警示，並迅速地採取相應的預防措施或者進行緊急控制；所述混合量測包括SCADA量測和PMU量測；
[0012]能量優化單元，用於根據所述微電網狀態估計的信息，結合微電源發電預報、負荷預報、儲能單元能量狀態預報以及系統運行分析，進行微電網的能量流管理；
[0013]其中，所述信息採集與數據預處理單元包括:
[0014]SCADA模塊，用於SCADA數據採集與監視控制，其中，所述SCADA數據採集包括微電網各單元模擬量和開關量、天氣信息的採集，所述監視控制包括設備控制、測量、參數調節;
[0015]PMU模塊，用於相量數據的同步採集；所述相量數據包括配置相量測量裝置的節點和輸電線路的電壓相量、電流相量；
[0016]CIM模型，用於描述微電網各單元之間的關係及其邏輯結構，實現微電網能量管理系統內部以及不同能量管理系統之間的信息交換與共享；
[0017]歷史斷面管理模塊，用於基於所述SCADA模塊採集的數據、PMU模塊採集的相量數據、以及相連電網的能量管理系統數據，結合CM模型，進行數據挖掘預處理，整合微電網歷史斷面信息，所述微電網歷史斷面信息，是歷史時刻的微電網模型結構、運行狀態和用電狀況信息的集合；
[0018]所述網絡分析單元包括:
[0019]網絡拓撲分析模塊，用於根據開關元件的開合狀態，確定微電網系統中各元件的電氣連接關係，並結合所述微電網歷史斷面信息，形成網絡拓撲圖；
[0020]基於混合量測的狀態估計模塊，用於在網絡拓撲分析的基礎上，依據所述SCADA模塊採集的數據，以及PMU模塊採集的相量數據，求取電網狀態變量；
[0021]風險分析評估模塊，用於量化微電網系統中引起隨機性故障的因素，估計所述隨機性故障後所帶來的後果，建立能表徵系統風險的量化指標並進行計算、分析，所述引起隨機性故障的因素包括但不限於天氣狀況、元件狀態；
[0022]靈敏度分析模塊，用於利用靈敏度計算得出隨控制變量發生變化而變化的狀態變量兩者之間的關係，用於對危險情況的預防控制提供快速的指導，同時為潮流越限故障的消除提供量化的調整依據；[0023]所述能量優化單元包括:
[0024]負荷預報模塊，用於根據所述微電網歷史斷面信息中的歷史負荷數據，並考慮天氣預報信息、日期類別，進行消耗電能的預測；
[0025]微電源發電預報模塊，用於光伏功率預測和風功率預測；
[0026]儲能單元預報模塊，用於對儲能單元的能量狀態進行預測，以便於對微電網的能量轉換和儲存能力進行分析，所述能量狀態包括儲能單元儲存的能量和釋放的能量；
[0027]微電網系統運行分析模塊，用於根據來自所述網絡分析單元的微電網狀態估計信息，進行微電網的可靠性分析、電能質量分析和經濟環保性分析；
[0028]微電網優化調度模塊，用於綜合微電源發電預報、負荷預報、儲能單元能量狀態的預報信息，在微電網系統運行分析和網絡分析的基礎上，針對系統不同的運行模式和控制目標，輸出優化結果，對各單元給出具體的調度指令；所述的控制目標包括可靠性最優、經濟環保性最優。
[0029]所述可靠性分析是在基於風險分析評估和靈敏度分析得出的系統安全狀況的基礎上，針對微電網孤島運行模式，分析微電網系統未能滿足的負荷需求與評估分析期內總負荷需求的比值。
[0030]所述電能質量分析至少包括對電網電壓、電網諧波、電網電壓三相不平衡、無功平衡的影響、以及光伏併網注入的直流分量對微電網的影響中的其中一種。
[0031]所述經濟環保性分析至少包括經濟效益、環境效益及其綜合效益分析中的其中一種，所述綜合效益為經濟效益與環境效益的總和。
[0032]所述微電網各單元分別為微電源、儲能單元、負荷單元、開關元件、繼電保護裝置、變流器、輸電線路。
[0033]所述狀態變量為節點電壓幅值和相角，所述控制變量包括微電源的有功和無功輸出功率、以及微電源的輸出端端電壓。
[0034]所述優化結果包括微電源功率、儲能單元充/放功率、微電網與大電網間的交互功率、可控型負荷投/切功率。
[0035]本發明的另一個目的在於提供一種微電網能量管理方法，對微電網系統狀態進行全面的監控；實現對微電網系統的安全分析；進行微電網的能量流管理，實現多能源優化互補、多元協調控制。
[0036]為實現上述目的，本發明所採取的具體技術方案是:
[0037]一種微電網能量管理方法，其包括以下步驟:
[0038]步驟1、採集微電網各單元模擬量和開關量數據、天氣信息、相量數據，以及相連電網的能量管理系統數據；結合CM模型，管理微電網歷史斷面信息，進行數據挖掘預處理，為下一步的應用提供整合的模型、圖形和參數；
[0039]步驟2、結合所述整合的模型、圖形和參數，進行基於混合量測的微電網狀態估計，求取微電網狀態變量；根據微電網狀態變量以及控制變量，並結合微電網各單元設備的健康狀態，進行風險分析評估和靈敏度分析，預測潛在的故障，量化消除潮流越限故障的調整因素；通過預警與報警模塊，將危險、故障情況以聲、光方式警示，並迅速地採取相應的預防措施或者進行緊急控制；所述混合量測包括SCADA量測和PMU量測；
[0040]步驟3、根據所述微電網狀態估計的信息，結合微電源發電預報、負荷預報、儲能單元能量狀態預報以及系統運行分析，進行微電網的能量流管理；
[0041]其中，步驟I包括:
[0042]步驟11、SCADA數據採集與監視控制，其中，所述SCADA數據採集包括微電網各單元模擬量和開關量、天氣信息的採集，所述監視控制包括設備控制、測量、參數調節；
[0043]步驟12、相量數據的同步採集，所述相量數據包括配置相量測量裝置的節點和輸電線路的電壓相量、電流相量；
[0044]步驟13、描述微電網各單元之間的關係及其邏輯結構，實現微電網能量管理系統內部以及不同能量管理系統之間的信息交換與共享；
[0045]步驟14、基於所述SCADA模塊採集的數據、PMU模塊採集的相量數據、以及相連電網的能量管理系統數據，結合CM模型，進行數據挖掘預處理，整合微電網歷史斷面信息，所述微電網歷史斷面信息，是歷史時刻的微電網模型結構、運行狀態和用電狀況信息的集合；
[0046]所述步驟2包括:
[0047]步驟21、根據開關元件的開合狀態，確定微電網系統中各元件的電氣連接關係，並結合所述微電網歷史斷面信息，形成網絡拓撲圖；
[0048]步驟22、在網絡拓撲分析的基礎上，依據所述SCADA模塊採集的數據，以及PMU模塊採集的相量數據，求取電網狀態變量；
[0049]步驟23、量化微電網系統中引起隨機性故障的因素，估計所述隨機性故障後所帶來的後果，建立能表徵系統風險的量化指標並進行計算、分析，所述引起隨機性故障的因素包括但不限於天氣狀況、元件狀態；
[0050]步驟24、利用靈敏度計算得出隨控制變量發生變化而變化的狀態變量兩者之間的關係，用於對危險情況的預防控制提供快速的指導，同時為潮流越限故障的消除提供量化的調整依據；
[0051]所述步驟3包括:
[0052]步驟31、根據所述微電網歷史斷面信息中的歷史負荷數據，並考慮天氣預報信息、日期類別，進行消耗電能的預測；
[0053]步驟32、光伏功率預測和風功率預測；
[0054]步驟33、對儲能單元的能量狀態進行預測，以便於對微電網的能量轉換和儲存能力進行分析，所述能量狀態包括儲能單元儲存的能量和釋放的能量；
[0055]步驟34、根據來自所述網絡分析單元的微電網狀態估計信息，進行微電網的可靠性分析、電能質量分析和經濟環保性分析；
[0056]步驟35、綜合微電源發電預報、負荷預報、儲能單元能量狀態的預報信息，在微電網系統運行分析和網絡分析的基礎上，針對系統不同的運行模式和控制目標，輸出優化結果，對各單元給出具體的調度指令；所述的控制目標包括可靠性最優、經濟環保性最優。
[0057]本發明的優點在於:進一步完善微電網能量管理系統的功能，提高了微電網的系統安全性、供電可靠性、系統控制的精度和有效性。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0058]圖1為本發明一種微電網能量管理系統的結構框圖；[0059]圖2為本發明一種微電網能量管理系統的功能原理圖；
[0060]圖3為本發明一種微電網能量管理方法的流程圖。
【具體實施方式】:
[0061]下面根據附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明，但不作為對本發明的限定。
[0062]如圖1所示，微電網能量管理系統，通過PLC、傳感器等硬體設備與微電網各單元相連，其包括支撐平臺層、建模分析層、應用功能層、人機界面層，四個層次。
[0063]1.支撐平臺層，包括作業系統、資料庫管理、網絡通信、安全管理。
[0064]作業系統，滿足電能量計量管理的要求，系統完全擺脫了對具體硬體平臺的依賴，支持 WIND0WSNT/2000/XP/2003/Linux 等多種操作平臺。
[0065]系統的資料庫採用實時/歷史資料庫即PI (Plant Information)實時資料庫系統。本發明以CIM模型為基礎，採用面向對象技術，參照IEC61970相關國際標準，建立一套基於CIM模型的PI實時資料庫。利用歷史斷面管理模塊，將系統的實時/歷史數據與電網模型相關聯，形成電網的歷史斷面，供系統的高級應用功能模塊分析所用。
[0066]通用TCP/IP、X.25,HTTP等網絡協議，支持各種標準接口 ；適用SQL資料庫語言及C/C++等聞級編程語目等國際標準。
[0067]用戶級採用權限管理和口令機制，控制不同的用戶所能進行的操作；嚴格的操作審核流程:口令，權限分析，操作確認，超時處理。
[0068]2.建模分析層，包括微電網狀態估計、靈敏度分析、風險分析評估、負荷預測、發電預測、儲能能量預測以及優化調度模型。由微電網狀態估計模型綜合靈敏度分析和風險分析評估模型庫，提供關於微電網系統網絡分析的一系列安全評定方式，實現微電網系統控制預決策，以提高系統安全性；通過預測模型獲取預測信息，協同實時信息，對不同的能量調度方式通過優化調度模型庫進行模擬仿真，針對系統不同的運行模式和控制目標，選擇最優調度方式。
[0069]3.應用功能層，它們基於建模分析層建立的各模型基礎上開發的，在支撐平臺的支持下完成相關功能。包括:
[0070](I)圖形監控模塊:採用先進的三維圖形openGL或OSF/Motif等國際標準；實現了自由縮放、平移、滾動、漫遊、多窗口等功能；多屏的自由套接及快速直接滑鼠控制；快速導航及信息自由顯示機制；全漢字，字、表、圖可任意選擇顏色以及第三方圖形共享的功能。
[0071](2)系統安全評定模塊:微電網系統中設備的隨機故障往往不可預測，負荷也具有不確定性。故障的後果可能導致局部乃至大面積的停電，嚴重影響了微電網系統的安全性。利用風險分析評估，建立能表徵系統安全的量化指標；利用靈敏度分析，計算得出隨控制變量發生變化而變化的狀態變量兩者之間的關係，量化潮流越限故障消除的調整因素；實現對系統的綜合安全評估。
[0072](3)系統運行評估模塊:其功能是實現系統的可靠性分析、電能質量分析和經濟環保性分析，並將分析結果顯示在人機界面上。
[0073](4)能量優化調度模塊:實現可靠性最優、經濟環保性最優不同控制目標的選擇；考慮微電網併網及孤島的系統運行模式，綜合微電網的網絡分析和系統運行分析，針對所述的控制目標，對各微電源的組合方式進行配置；對各微電源的出力、儲能裝置進行能量分配；將針對系統不同的運行模式和控制目標的能量配置分配結果顯示於人機界面。
[0074](5)保護管理模塊，當微電網的風電單元、光伏單元、DC/DC模塊組、併網變流器內部或儲能裝置及其管理系統發生故障時，分別自動完成故障情況下的保護，同時將故障信息顯示在人機界面上。調度系統根據故障對系統可能造成的影響，執行系統級的故障保護。
[0075](6)告警簡報模塊:提供各種類型的事件報警記錄、復歸記錄、用戶登錄記錄、控制操作記錄、系統工況記錄。事件類型包括:事故、故障、狀變、越限、保護事件；告警信息可以分成事故、異常、告知、提示信息四類分層告警顯示，可按設備、事件類型、事件級別、發生時間等條件進行綜合查詢。提供按設備、逐條、全部三種報警事件確認方法，可自動或手動確認。
[0076](7)報表功能模塊:實現報表的編輯及管理。報表包括電量表、各種限值表、運行計劃表、系統運行狀況統計表和運行參數表；特定時間段報表、日報表、月報表；各種保護信息及報表；控制操作過程記錄及報表。
[0077]4.人機界面層，包括顯示實時狀態、歷史斷面、預報信息，所述預報信息包括:發電預報、負荷預報及儲能能量狀態預報；包括安全分析、預警與報警、預防及緊急控制界面，即顯示風險分析評估和靈敏度分析的結果、危險故障信息報警，實現預防措施或者緊急控制的遠程操作；還包括運行分析界面，即監視系統運行分析的結果；優化調度界面中，實現不同的控制目標選擇，並監測在所選擇的控制目標下，微電源的組合方式及各自的出力情況，以及儲能裝置的能量狀態及配置情況。
[0078]本例的微電網能量管理系統結構圖見圖2。本發明的微電網能量管理系統包括信息採集與數據預處理單元、網絡分析單元、能量優化單元，各單元所對應的功能模塊及工作原理如下:
[0079]一、信息採集與數據預處理單元:
[0080]採集的信息包括微電網各單元模擬量、開關量數據、天氣信息、相量數據，以及相連電網的能量管理系統數據；所述的採集信息，通過CIM模型，可以在微電網能量管理系統內部以及不同的能量管理系統之間進行數據共享和交換，進而實時監測微電網和其他電網相連節點的電參數信息，保證微電網和相連電網之間能量交換的安全穩定性；管理微電網歷史斷面信息，進行數據挖掘預處理，為下一步的應用提供整合的模型、圖形和參數。信息採集與數據預處理單元具體的功能模塊如下:
[0081]1.SCADA模塊:數據採集與監視控制系統，主要完成微電網各單元模擬量、開關量數據以及天氣信息的採集；設備控制、測量、參數調節以及各種信號報警功能。所述微電網各單元模擬量、開關量數據主要包括微電源的電壓、電流、功率，儲能模塊的狀態參數，負荷單元中各級負荷的功率，元件的開關狀態，各單元的報警及預警信號。
[0082]2.PMU模塊:通過基於GPS的同步相量測量裝置，進行相量數據的同步採集，並帶有統一時標，對微電網系統狀態進行同步監測；克服了 SCADA監測過程中，由於監測地點不同造成的監測結果之間缺乏準確的統一時標，難以對全系統進行整體動態分析，系統仿真模型也只能通過離線方式進行校正的問題；採用的同步相量測量算法主要包括:基於最小二乘法的相量測量算法、數字微分法、卡爾曼濾波法、基於傅立葉算法的插值法、利用小波計算相量信息；所述相量數據主要包括微電網系統節點和輸電線路電壓相量、電流相量。
[0083]3.CM模型:微電網中微電源的種類會隨著各種發電技術的發展而不斷地增加和變動，微電網新增和改建微電源的頻率也相對較高。因此，隨著各類微電網管理系統應用的深入，出現了信息整合的應用瓶頸，包括:各管理系統之間信息不兼容、不能互通，信息模型不統一，不能宏觀的綜合管理信息。為解決上述問題，本發明增加CIM模型功能，用於描述微電網各單元之間的關係及其邏輯結構，提供一種用對象類和屬性及其之間的關係來表示微電網系統資源的標準方法，實現了微電網能量管理系統內部以及不同能量管理系統之間的信息交換與共享，進而實時監測微電網和其他電網相連節點的電參數信息，保證微電網和相連電網之間能量交換的安全穩定性。採用全面面向對象的建模技術，即用統一建模語言來描述微電網中的各個對象，在這個模型中，定義CIM包，CIM的每個包中都包含了 一個或者更多對象的類和屬性，同時描述了這些對象相互之間的關係。所述CIM包主要包括發電包、負荷模型包、量測包、拓撲包、輸電線包、保護包、停用包。
[0084]4.歷史斷面管理模塊:現有的能量管理系統中，無法實現採集的數據關聯設備模型信息的功能。數據的存儲只是基於時間序列，本身不帶有模型信息，僅僅通過數據交互總線不能獲取全面的歷史斷面信息。因此為有效地管理所述的採集信息，使其與設備模型信息相關聯，並提供高質量、全面、連續、正確的數據信息，本發明添加了歷史斷面管理模塊。其基於CIM模型、SCADA數據、相量數據、相連電網的能量管理系統數據，提供模型匹對關聯，數據合併、數據修飾、數據補招的數據預處理功能，實現了所述採集信息的集成，以構成歷史斷面，為下一步的應用提供整合的模型、圖形及參數。所述歷史斷面信息，是歷史時刻的微電網模型結構、運行狀態和負荷信息的數據集合；所述數據合併是指對於設備更換或升級、測點更換而引起的量測點數據斷裂，將新老測點的數據合併，以保證數據的連續性；所述數據修飾，包括數據的正確性分析和去毛刺；所述數據補招是補招歷史數據以保證數據的完整性。
[0085]二、網絡分析單元:
[0086]基於網絡分析平臺，綜合來自信息採集與數據預處理單元的整合模型、圖形、參數信息，進行微電網的狀態估計，求取微電網狀態變量；根據所述的微電網狀態變量及控制變量，結合微電網各單元設備的健康狀態，進行風險分析評估和靈敏度分析，實現微電網系統控制預決策，指導微電網系統控制運行，提高微電網系統的安全性。網絡分析單元具體的功能模塊如下:
[0087]1.網絡拓撲分析模塊:根據開關元件的開合狀態，確定微電網系統各元件的電氣連接關係，形成網絡拓撲圖。結合歷史斷面管理模塊，在網絡拓撲平臺上可以取任意時刻的斷面模型，然後在圖形上進行該時刻模型的展示。微電網調度管理人員可以在此基礎上進行微電網運行模式的選擇，然後可以進行信息斷面存儲。其它高級應用功能模塊如風險分析評估和靈敏度分析，可以遠程調用該斷面並結合實時數據，進行分析，計算結果可以返回到人機界面上進行顯示。
[0088]2.基於混合量測的狀態估計模塊:由相量測量單元(PMU)構成的廣域系統與SCADA系統共存，形成的由不同量測性質構成的混合狀態估計。克服了傳統的狀態估計根據SCADA採集的數據，難以保證實時性且不具備異地同步優勢的問題。本發明將PMU引入其中，配置相量測量裝置的數目使得全網可觀測，此時實時量測量與所求狀態量為線性關係，可以提高狀態估算速度與精度，實現實時在線估算。在網絡拓撲分析的基礎上，以微電網可觀測性為前提，根據等值電網、元件參數，SCADA系統提供的模擬量量測，以及PMU配置點的相量數據，求取微電網狀態變量。所述等值電網是根據開關元件的開閉狀態，經過網絡拓撲分析形成的微電網結構模型；所述元件參數主要包括輸電線路、設備的電阻、電抗、電納參數；所述SCADA系統提供的量測包括節點注入有功、無功功率，支路有功、無功功率、電壓、電流幅值；所述微電網狀態變量包括節點電壓幅值和相角。
[0089]3.風險分析評估模塊:微電網的實際運行中，各設備的故障概率不同並且隨著微電網系統的運行模式、各設備的運行方式、運行工況、外部環境因素而變化。因此，本發明中增加風險分析評估功能，考慮微電網設備的健康狀態，將所獲得的設備信息轉化為對應的設備狀態或故障類型；建立設備、微電網系統、外部因素之間的相互關係；量化可能引起隨機性故障的因素，估計故障後所帶來的後果；最終建立能表徵系統風險的量化指標並進行計算、分析，指導微電網的調度預決策，提高微電網系統的安全性。所述設備的健康狀態信息除了包括信息採集與數據預處理單元採集的實時及歷史設備狀態信息，還包括設備安裝調試記錄、檢修記錄、現場巡檢記錄。針對設備的評估和診斷方法，目前主要有貝葉斯網絡分析法、證據理論信息融合、模糊邏輯、專家系統、K鄰近算法、神經網絡、支持向量機分類法。
[0090]4.靈敏度分析:為了對微電網中出現的危險狀況進行快速的預防控制，同時為潮流越限故障的消除提供量化的調整依據，本發明提出採用靈敏度分析模塊，通過靈敏度計算，反映出微電網潮流中各類方式變量之間的線性化關係。當微電網中系統的狀態變量隨著控制變量發生微小變化而變化，採用靈敏度來描述兩者之間的變化關係。所述控制變量包括微電源的有功、無功輸出功率、微電源的輸出端端電壓。所述狀態變量包括節點電壓幅值和相角。利用靈敏度分析，可以準確快速地判斷出電網的薄弱單元；計算得到關於潮流越限支路的微電源、負荷靈敏度，在此基礎上分析計算得出快速消除越限的微電源有功功率的調整量，使得過負荷解除，或者得出切除負荷的方案，使得調度管理人員及早地、迅速地採取相應的預防措施或者進行緊急控制。
[0091]進一步的，所述網絡分析單元還包括預警與報警模塊，綜合分析風險評估及靈敏度分析結果，預測出可能出現的危險狀況，將危險、故障情況並以聲、光方式報警，同時預防措施及緊急控制模塊動作，可以自動或者人工幹預處理微電網系統的危險情況或者緊急故障，其優先級別高於微電網優化調度模塊。
[0092]三、能量優化單元:
[0093]在微電網系統網絡分析確保系統安全的基礎上，根據微電網狀態估計信息，結合微電源發電預報、負荷預報、儲能單元能量狀態預報以及系統運行分析，進行微電網的能量流管理，實現多能源優化互補、多元協調控制。能量優化單元具體的功能模塊如下:
[0094]1.負荷預報模塊:根據歷史負荷數據，並考慮天氣信息、日期類別，採用包括但不限於一元線性回歸法(ULR)、指數平滑法(ES)和人工神經網絡法(ANN)進行消耗電能的預測。可以預報未來0-24小時某點的系統負荷；可完成I日到I周、時間間隔為15分鐘的系統負荷預測，時間間隔可以設定；在提供工作日各種數據預測的同時，還提供普通休息日(星期六、星期日)和節假日(元旦、春節等)的預測；可設置負荷預測的開始日期和預測天數，預測開始日期既可以是將來的某一天，也可以是歷史的某一天，默認值是當前日的下一天，預測天數最長可設置為I周；預測結果同時以表格和曲線兩種形式給出，以便進行查詢和修正，同時顯示最大預測負荷、最小預測負荷及相應出現時間、平均預測負荷、預測電量信息。
[0095]2.微電源發電預報模塊:包括光伏功率預測和風功率預測。預測方法主要包括持續法、時間序列法、神經網絡、支持向量回歸、混沌預測法、卡爾曼濾波法、小波分析法、灰色預測法、模糊邏輯法。
[0096]針對目前發電預測採用單一時間尺度功率序列建模，採樣間隔較大，從而降低模型對功率時序特徵模擬精度的問題，本發明基於小採樣間隔(時間間隔為Imin)的功率數據，採用一種多維時間序列局域預測方法。該方法將多維時間相空間重構和基於蟻群尋優和交叉驗證的支持向量回歸組合建立提前0-4小時的光伏功率局域預測模型。採用天氣預報信息、歷史發電功率數據和HOTTEL晴天太陽輻射模型計算值進行日前光伏功率預測。為選取相似度最高的建模樣本，採用分層篩選的方法選擇建模樣本，建立動態預測模型實現提前1-2天的光伏功率預測。基於小採樣間隔(時間間隔為Imin)的風功率數據，通過構造風功率新息序列，建立ARMAX-GARCH風功率預測模型，實現提前0_4小時的風功率預測。以上方法均可以實現解析度可變的功率平均值和波動範圍的預測，提高預測的準確度、可信度和靈活度。
[0097]光伏功率預測模型可進行提前0_4h超短期和提前l-3d短期功率點預測和區間預測；風功率預測模型可進行提前0-4h超短期功率點預測和區間。超短期預測時間尺度為提前5min、15min、30min、lh、2h、3h和4h,日前短期預測時間間隔為lh。預測結果同時以表格和曲線兩種形式給出，以便進行查詢和修正。對於日前功率預測同時顯示功率預測最大值及相應出現時間、功率預測平均值、電量預測值信息。
[0098]3.儲能單元預報模塊:對於蓄電池、超級電容、飛輪電池等儲能單元進行能量狀態預報，其中，對於蓄電池儲能狀態的預測，其模型可以分為兩大類:一類是物理建模方法，主要有放電實驗法、安時計量法、密度法、開路電壓法、內阻(電導)法；另一類是系統辨識及參數估計模型方法，主要有神經網絡法、模糊邏輯法、卡爾曼濾波法、線性模型法。對於超級電容、飛輪電池等儲能單元，則主要依靠廠家提供的設備特性曲線或由微電網調度中心預先設定的設備運行曲線進行儲能狀態的預測。
[0099]4.微電網系統運行分析:包括可靠性分析、電能質量分析和經濟環保性分析。
[0100]可靠性分析是在基於風險分析評估和靈敏度分析輸出的系統安全狀況的基礎上，針對微電網孤島運行模式，採用時間序列法，把評估分析期分為若干相等的時間片段，認為在任意的時間片段內，風速、光強、負荷都是平穩的，且根據能量平衡原則，微電源、儲能單元的能量輸出總和等於負荷輸入、微電網各設備消耗功率的總和，分析微電網系統不能滿足的負荷需求與評估分析期內總的負荷需求的比值。
[0101]電能質量分析是根據當前電能質量檢測數據，對電能質量進行評估分析，主要包括:對電網電壓的影響、對電網諧波的影響、對電網電壓三相不平衡的影響、對無功平衡的影響、及光伏併網注入的直流分量對電網的影響；制定電能質量在線補償控制的策略。
[0102]經濟環保性分析:在滿足負荷需求的前提下，分析微電網的經濟效益、環境效益及其綜合效益。所述綜合效益是指經濟效益與環境效益的總和。所述經濟效益用經濟性指標表示，其函數關係式為三項乘積之和，所述三項乘積是各微電源發電功率與各微電源運行成本的乘積、儲能裝置的功率與儲能裝置運行成本的乘積、網損功率與單位網損經濟成本的乘積。相同功率下，經濟性指標越小經濟效益越好。所述環境效益用環保指標表示，函數關係式為各微電源以及儲能裝置與相同功率的傳統發電源環境成本的比值，所述比值越小，環境效益越大。
[0103]5.微電網優化調度模塊:考慮微電網的併網及孤島運行模式及負荷情況，綜合微電網的系統運行分析和網絡分析，針對經濟環保性最優、可靠性最優的控制目標，輸出優化結果，對各單元給出具體的調度指令，實現微電網各單元的聯合最優調度控制。在經濟不發達地區，側重於選擇經濟性最優的控制目標；在敏感性負荷相對較多的微電網，側重於選擇可靠性最優的控制目標。所述優化結果包括微電源功率、儲能單元充/放功率、微電網與大電網間的交互功率、可控型負荷投/切功率。微電網的經濟環保優化屬於多變量、非線性的組合優化問題。其數學模型的目標函數和約束條件考慮了各類微電源的輸出特性、負荷需求、環境成本方面。主要的輸入參數有負荷需求、各類微電源的技術經濟特性參數、微電源機組啟動成本、機組運行維護成本、機組排放因子。對於不同的負荷水平，機組通過不同的組合實現成本最低。通過建立合理的經濟模型，優化求解從而制定出所述微電網的經濟環保性最優運行計劃。建模方法主要包括優先順序法、動態規劃法、遺傳算法、粒子群算法、混沌蟻群算法。所述可靠性最優是指供電可靠性最優，通過切換微電網中開關元件的開合狀態來進行網絡的拓撲重構，提高系統的可靠性優化指標，獲得系統可靠性的最優化。所述系統的可靠性優化指標包括系統平均停電頻率、系統平均停電持續時間、系統平均供電不可用率、系統平均供電量不足指標。所述網絡的拓撲重構屬於可靠性優化指標的多變量、非線性組合優化問題，其解法主要有支路交換法、最優流模式法、非線性整數規劃、模擬退火算法、遺傳算法、專家系統、人工神經網絡法。
[0104]如圖3所示，本發明還提供了一種採用上述系統進行微電網能量管理的方法，該方法包括以下步驟:
[0105]步驟1、採集微電網各單元模擬量和開關量數據、天氣信息、相量數據，以及相連電網的能量管理系統數據；結合CM模型，管理微電網歷史斷面信息，進行數據挖掘預處理，為下一步的應用提供整合的模型、圖形和參數；
[0106]步驟2、結合所述整合的模型、圖形和參數，進行基於混合量測的狀態估計，求取電網狀態變量；根據所述電網狀態變量以及控制變量，並考慮微電網各單元設備的健康狀態，進行風險分析評估和靈敏度分析，預測可能出現的危險情況，同時量化潮流越限故障消除的調整因素；通過預警與報警模塊，將危險、故障情況以聲、光方式警示，迅速地採取相應的預防措施或者進行緊急控制；
[0107]步驟3、根據所述微電網狀態估計的信息，結合各微電源發電預報、負荷預報、儲能單元能量狀態預報以及系統運行分析，針對系統不同的運行模式和控制目標，求取系統中各微電源出力及儲能裝置能量分配，並對各單元給出具體的調度指令。
[0108]與現有技術微電網的能量管理系統和方法相比，本發明的特點具體包括:
[0109]1.相量數據的採集。提出採用PMU模塊，實現相量數據的同步採集，便於對微電網系統狀態進行同步監測；克服了 SCADA監測過程中，不同地點的監測結果之間缺乏準確可靠的共同時標，難以對全系統進行整體動態分析，系統仿真模型只能通過離線方式進行校正的問題。
[0110]2.數據預處理功能。提出採用CIM模型、歷史斷面管理，實現數據關聯設備模型信息，數據的集成、修飾、補招，保證了數據的連續性、正確性、完整性，為下一步的應用提供整合的模型、圖形及參數。
[0111]3.明確提出在網絡分析單元中，採用SCADA和PMU混合量測下的狀態估計功能模塊，提高了微電網狀態的估計精度；克服了傳統的狀態估計根據SCADA採集的數據估算微電網狀態量，難以保證實時性且不具備異地同步優勢的問題。
[0112]4.明確提出在網絡分析單元中，進行風險分析評估和靈敏度分析。建立能表徵系統風險的量化指標並進行計算、分析，指導微電網的調度預決策；預測潛在的故障，並迅速地採取相應的預防措施或者進行緊急控制，提高了微電網系統的安全性。
[0113]5.明確提出了微電網系統運行分析時要進行可靠性分析及經濟環保性分析，並給出了具體的分析評估指標。
[0114]6.明確提出了光伏功率預測、風功率預測的方法。
[0115]上列詳細說明是針對本發明可行實施例的具體說明，該實施例並非用以限制本發明的專利範圍，凡未脫離本發明所為的等效實施或變更，均應包含於本案的專利範圍中。
【權利要求】
1.一種微電網能量管理系統，其特徵在於，其包括: 信息採集與數據預處理單元，用於採集微電網各單元模擬量和開關量數據、天氣信息、相量數據，以及相連電網的能量管理系統數據；結合CM模型，管理微電網歷史斷面信息，進行數據挖掘預處理，為下一步的應用提供整合的模型、圖形和參數； 網絡分析單元，用於結合所述整合的模型、圖形和參數，進行基於混合量測的微電網狀態估計，求取微電網狀態變量；根據微電網狀態變量以及控制變量，並結合微電網各單元設備的健康狀態，進行風險分析評估和靈敏度分析，預測潛在的故障，量化消除潮流越限故障的調整因素；通過預警與報警模塊，將危險、故障情況以聲、光方式警示，並迅速地採取相應的預防措施或者進行緊急控制；所述混合量測包括SCADA量測和PMU量測； 能量優化單元，用於根據所述微電網狀態估計的信息，結合微電源發電預報、負荷預報、儲能單元能量狀態預報以及系統運行分析，進行微電網的能量流管理； 其中，所述信息採集與數據預處理單元包括: SCADA模塊，用於SCADA數據採集與監視控制，其中，所述SCADA數據採集包括微電網各單元模擬量和開關量、天氣信息的採集，所述監視控制包括設備控制、測量、參數調節； PMU模塊，用於相量數據的同步採集；所述相量數據包括配置相量測量裝置的節點和輸電線路的電壓相量、電流相量； CIM模型，用於描述微電網各單元之間的關係及其邏輯結構，實現微電網能量管理系統內部以及不同能量管理系統之間的信息交換與共享； 歷史斷面管理模塊，用於基於所述SCADA模塊採集的數據、PMU模塊採集的相量數據、以及相連電網的能量管理系統數據，結合CM模型，進行數據挖掘預處理，整合微電網歷史斷面信息，所述微電網歷史斷面信息，是歷史時刻的微電網模型結構、運行狀態和用電狀況信息的集合； 所述網絡分析單元包括: 網絡拓撲分析模塊，用於根據開關元件的開合狀態，確定微電網系統中各元件的電氣連接關係，並結合所述微電網歷史斷面信息，形成網絡拓撲圖； 基於混合量測的狀態估計模塊，用於在網絡拓撲分析的基礎上，依據所述SCADA模塊採集的數據，以及PMU模塊採集的相量數據，求取電網狀態變量； 風險分析評估模塊，用於量化微電網系統中引起隨機性故障的因素，估計所述隨機性故障後所帶來的後果，建立能表徵系統風險的量化指標並進行計算、分析，所述引起隨機性故障的因素包括但不限於天氣狀況、元件狀態； 靈敏度分析模塊，用於利用靈敏度計算得出隨控制變量發生變化而變化的狀態變量兩者之間的關係，用於對危險情況的預防控制提供快速的指導，同時為潮流越限故障的消除提供量化的調整依據； 所述能量優化單元包括: 負荷預報模塊，用於根據所述微電網歷史斷面信息中的歷史負荷數據，並考慮天氣預報信息、日期類別，進行消耗電能的預測； 微電源發電預報模塊，用於光伏功率預測和風功率預測； 儲能單元預報模塊，用於對儲能單元的能量狀態進行預測，以便於對微電網的能量轉換和儲存能力進行分析，所述能量狀態包括儲能單元儲存的能量和釋放的能量；微電網系統運行分析模塊，用於根據來自所述網絡分析單元的微電網狀態估計信息，進行微電網的可靠性分析、電能質量分析和經濟環保性分析； 微電網優化調度模塊，用於綜合微電源發電預報、負荷預報、儲能單元能量狀態的預報信息，在微電網系統運行分析和網絡分析的基礎上，針對系統不同的運行模式和控制目標，輸出優化結果，對各單元給出具體的調度指令；所述的控制目標包括可靠性最優、經濟環保性最優。
2.根據權利要求1所述的微電網能量管理系統，其特徵在於，所述可靠性分析是在基於風險分析評估和靈敏度分析得出的系統安全狀況的基礎上，針對微電網孤島運行模式，分析微電網系統未能滿足的負荷需求與評估分析期內總負荷需求的比值。
3.根據權利要求1所述的微電網能量管理系統，其特徵在於，所述電能質量分析至少包括對電網電壓、電網諧波、電網電壓三相不平衡、無功平衡的影響、以及光伏併網注入的直流分量對微電網的影響中的其中一種。
4.根據權利要求1所述的微電網能量管理系統，其特徵在於，所述經濟環保性分析至少包括經濟效益、環境效益及其綜合效益分析中的其中一種，所述綜合效益為經濟效益與環境效益的總和。
5.根據權利要求1-4任一項所述的微電網能量管理系統，其特徵在於，所述微電網各單元分別為微電源、儲能單元、負荷單元、開關元件、繼電保護裝置、變流器、輸電線路。
6.根據權利要求1-4任一項所述的微電網能量管理系統，其特徵在於，所述狀態變量為節點電壓幅值和相角，所述控制變量包括微電源的有功和無功輸出功率、以及微電源的輸出端端電壓。
7.根據權利要求1-4任一項所述的微電網能量管理系統，其特徵在於，所述優化結果包括微電源功率、儲能單元充`/放功率、微電網與大電網間的交互功率、可控型負荷投/切功率。
8.一種微電網能量管理方法，其特徵在於，其包括以下步驟: 步驟1、採集微電網各單元模擬量和開關量數據、天氣信息、相量數據，以及相連電網的能量管理系統數據；結合CM模型，管理微電網歷史斷面信息，進行數據挖掘預處理，為下一步的應用提供整合的模型、圖形和參數； 步驟2、結合所述整合的模型、圖形和參數，進行基於混合量測的微電網狀態估計，求取微電網狀態變量；根據微電網狀態變量以及控制變量，並結合微電網各單元設備的健康狀態，進行風險分析評估和靈敏度分析，預測潛在的故障，量化消除潮流越限故障的調整因素；通過預警與報警模塊，將危險、故障情況以聲、光方式警示，並迅速地採取相應的預防措施或者進行緊急控制；所述混合量測包括SCADA量測和PMU量測； 步驟3、根據所述微電網狀態估計的信息，結合微電源發電預報、負荷預報、儲能單元能量狀態預報以及系統運行分析，進行微電網的能量流管理； 其中，步驟I包括: 步驟11、SCADA數據採集與監視控制，其中，所述SCADA數據採集包括微電網各單元模擬量和開關量、天氣信息的採集，所述監視控制包括設備控制、測量、參數調節； 步驟12、相量數據的同步採集，所述相量數據包括配置相量測量裝置的節點和輸電線路的電壓相量、電流相量；步驟13、描述微電網各單元之間的關係及其邏輯結構，實現微電網能量管理系統內部以及不同能量管理系統之間的信息交換與共享； 步驟14、基於所述SCADA模塊採集的數據、PMU模塊採集的相量數據、以及相連電網的能量管理系統數據，結合CIM模型，進行數據挖掘預處理，整合微電網歷史斷面信息，所述微電網歷史斷面信息，是歷史時刻的微電網模型結構、運行狀態和用電狀況信息的集合； 所述步驟2包括: 步驟21、根據開關元件的開合狀態，確定微電網系統中各元件的電氣連接關係，並結合所述微電網歷史斷面信息，形成網絡拓撲圖； 步驟22、在網絡拓撲分析的基礎上，依據所述SCADA模塊採集的數據，以及PMU模塊採集的相量數據，求取電網狀態變量； 步驟23、量化微電網系統中引起隨機性故障的因素，估計所述隨機性故障後所帶來的後果，建立能表徵系統風險的量化指標並進行計算、分析，所述引起隨機性故障的因素包括但不限於天氣狀況、元件狀態； 步驟24、利用靈敏度計算得出隨控制變量發生變化而變化的狀態變量兩者之間的關係，用於對危險情況的預防控制提供快速的指導，同時為潮流越限故障的消除提供量化的調整依據； 所述步驟3包括: 步驟31、根據所述微電網歷史斷面信息中的歷史負荷數據，並考慮天氣預報信息、日期類別，進行消耗電能的預測； 步驟32、光伏功率預測 和風功率預測； 步驟33、對儲能單元的能量狀態進行預測，以便於對微電網的能量轉換和儲存能力進行分析，所述能量狀態包括儲能單元儲存的能量和釋放的能量； 步驟34、根據來自所述網絡分析單元的微電網狀態估計信息，進行微電網的可靠性分析、電能質量分析和經濟環保性分析； 步驟35、綜合微電源發電預報、負荷預報、儲能單元能量狀態的預報信息，在微電網系統運行分析和網絡分析的基礎上，針對系統不同的運行模式和控制目標，輸出優化結果，對各單元給出具體的調度指令；所述的控制目標包括可靠性最優、經濟環保性最優。
【文檔編號】H02J13/00GK103633739SQ201310618411
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月28日 優先權日:2013年11月28日
【發明者】崔瓊, 舒傑, 吳志峰, 黃磊, 薑桂秀, 張繼元 申請人:中國科學院廣州能源研究所