安科瑞 耿敏花

摘要：在研究微網基本特性的基礎上，構建了基于CAN總線的電網能量管理系統。該系統采用下垂特性控制策略來對微網系統的電流、電壓、頻率等參數進行有效地控制，并利用CAN總線形式搭建了基于數字傳感器的數據傳輸系統。實驗結果表明：該系統有助于提高微電網系統運行的經濟性和可靠性，提高系統的效率。同時CAN總線技術的應用還可以有效地提高數據采集精度、抗干擾能力以及遠距離傳輸的實時性和可靠性。

關鍵詞：微電網；能量管理；下垂特性；CAN協議

0引言

目前，電力系統的基本特點為集中發電、遠距離高壓輸電、分布式用電，而且隨著電網規模的不斷擴大，其結構的復雜性也日益增加，這種復雜性會引起諸如運行和調度困難、跟蹤負荷變化的靈活性差、可靠性和多樣化用電能力不足等弊端，而這些弊端易導致局部事故擴散化，形成嚴重的大面積停電，因此，為了提高電力系統的可靠性和安全性，分布式供電成為了近幾年來研究的*點。而另一方面，隨著不*再*性能源的日益緊張及對環境的影響，可持續發展綠色能源的開發利用也成了當務之急，而這些能源都存在著發電狀態隨環境變化不夠穩定等弊端，因此要接入公網也會面臨諸多問題，而分布式供電為這些能源的利用提供了良好的途徑。

分布式供電是相對于傳統集中式供電方式而言的，發電系統較小且以分散的方式布置在用戶附近的供電方式。微網就是其中主要的一種形式。微電網是各種微電源和分散負荷的組合，其中至少包含一個分布式電源及若干負荷，可作為一個整體系統來運行和控制[1]。微網的運行有兩種模式，并網模式和離網模式。并網模式是微電網與大電網聯網運行的模式，可作為大電網的一個支路，而非主網。而離網模式是切斷與大電網的聯系，單獨運行的方式。

微電網技術是電力電子、分布式發電、可再生能源發電和儲能技術的綜合運用，為大規模應用分布式電源提供了一種有效實用的方法。但是微電網的使用也會產生新的問題，如電網的匹配、孤島、能量管理問題等。本文針對微電網與傳統電網的不同，研究了其能量管理問題。

1能量管理系統功能設計

根據應用的不同，微電網的基本結構也不盡相同。但是，一般來說，基本都包含微電源、儲能、管理系統以及負荷四大部分。微電源一方面通過公共連接點(Pcc)與大電網相連接，另一方面采用逆變器和負荷相連。當大電網工作狀態穩定時，微電網負載可由大電網供電，微電網與大電網并網運行，而當大電網供電中斷或運行狀態出現問題時，則隔離開關打開，切斷微電網與大電網的連接，微電網轉入孤島運行狀態。在微電網和大電網的接口處均配有斷路器，并輔之以具有功率和電壓控制功能的控制器，以實現能量的初步管理。每一個微電源具有包括有功、無功、電壓、頻率、孤島等能量調節管理的控制方式。

微電網的基本結構如圖1所示，能量管理系統作為整個系統的管理中*，具有對各種參數(系統電壓、電流、有功、無功、頻率、功率因數等)的管理功能，對微電源、儲能裝置、負荷的控制功能等。

1．1數據管理功能

管理系統內設數據庫，庫內存放著各設備的標準運行數據、歷史運行數據、統計數據等，主要功能是記錄實時運行數據，并且利用相應的功能軟件對實時運行數據的狀態進行統計和分析。

1．2微電網運行模式管理

微電網的運行模式分為并網和離網運行兩種情況，管理系統根據系統要求對這兩種運行模式進行有效的切換。當微電網需要并網運行時，管理系統對大電網的運行參數進行分析，如果大電網運行狀態良好，管理系統就將微電網平滑地從離網運行狀態切換至并網運行狀態，而且管理系統開始實時地對微網和大電網的運行狀態進行監檢和數據分析；當管理系統監測到大電網運行數據嚴重偏離標準值時，管理系統視故障的嚴重程度決策運行方式，或者對大電網的運行參數進行一定程度的調節后，依舊保持并網運行，或者切斷與主網的聯系，進入孤島運行；當微電網需要進行孤島運行時，也由管理系統進行工作狀態的切換。以上各種切換都應是平滑地無縫切換。

1．3對微電源的控制功能

利用管理系統對微電源的工作方式進行控制的依據是用電需求的變化，當微電網內的負荷需求較小時，能量管理系統調低微電源的輸出功率，以達到節能的目的，而當負荷較大時，管理系統調高微電源的輸出功率，以滿足系統的要求。而當管理系統中的檢測數據顯示蓄電池充滿時，管理系統關閉微電源，利用蓄電池放電給系統供電。

1．4儲能裝置的管理

蓄電池的工作狀態是微電網穩定運行的基礎。管理系統內嵌SOC算法模型，實現對蓄電池的充放電、電壓值、功率值的管理，并根據系統的需要，設置相應的控制方式，從而完成蓄電池的有功功率、無功功率的調節。

1．5負荷管理

微電網的負荷是微電網的用電中*，決定著微電源出力的多少，管理系統的責任是保持微電源與負荷之間的平衡，以確保微電網在負荷發生變化時，系統能夠穩定地運行。

2能量管理系統功率控制策略的確定

微電網中的微電源大致可以分為三類：一類是可再生性能源，主要有光伏發電、風力電力、生物質能發電等；一類是傳統發電模式，如柴油發電機、小水電等；另一類是新興的發電模式，如燃料電池、微型燃氣輪機等。這三類發電方式，都需要通過逆變器變換為工頻變流電，因此，基于電力電子技術的逆變器的工作狀態成為能量管理的關鍵。

逆變器作為微電網與大電網之間的接口，主要的功能就是控制輸出的有功功率和無功功率。控制方法主要有PQ控制法、下垂(Droop)控制等，控制策略分為主從型和對等型兩種方式。本設計采用的是對等型的Droop控制法。

在微電網中，各個分布式電源(DG)沒有主次、從屬關系，所有的微電源采取相同或不同的控制方法來參與有功或無功功率的調節，并以實際電網中各種實時監測的電氣量為依據，進行系統電壓和頻率的協調。對等型控制框圖如圖2所示。

從圖2可知，對等控制中各個微電源相互獨立，在電壓和頻率等參數進行調節的過程中，只需進行自身輸出端電氣量的監測，不用對其他微電源的運行狀態進行衡量，從而保證了系統的可靠性。

在本設計中，每一個微電源的逆變器采用Droop控制方法，基本策略是模仿傳統發動機的下垂特性，通過解耦有功功率．無功功率與電壓．頻率之間的關系進行系統電壓和頻率調節。該方法的優點是在并網和離網兩種模式切換時無需改變控制方式，就可持微網電壓和頻率的穩定，從而保證系統的有功負載進行合理的分配。

3 CAN總線結構分析

在微電網中，電源的種類多，其中可持續性綠色電源占據一定的比重，但是這一類電源受環境影響大，工作狀態不夠穩定，因此需要對微電網中的微電源進行有效地監控，而且由于數據量大且實時性高，所以監控系統的通信功能滿足系統的基本要求。

根據微電網的基本要求，本設計采用基于CAN總線的通信結構，利用CAN總線來連接逆變器，而在通信結構中，利用可編程邏輯器件CPLD完成DSP處理器TMS320F240與CAN控制器SJA1000之間的接口設計[2]。

通訊結構圖如圖3所示，微電網的控制策略由DSP擔任電氣量的計算，計算結果通過CAN總線傳送至控制中*，控制中*根據相應的計算結果將控制命令通過CAN總線傳送至下位機，從而實現對微電源的有效監控。

4系統概述

4.1概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的*進經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電樁的接入，全*候進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，提升可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

4.2技術標準

本方案遵循的**標準有：

本技術規范書提供的設備應滿足以下規定、法規和行業標準：

GB/T26802.1-2011工業控制計算機系統通用規范*1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工業控制計算機系統工業控制計算機基本平臺*2部分：性能評定方法

GB/T26802.5-2011工業控制計算機系統通用規范*5部分：場地安全要求

GB/T26802.6-2011工業控制計算機系統通用規范*6部分：驗收大綱

GB/T2887-2011計算機場地通用規范

GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求

GB50174-2018電子信息系統機房設計規范

DL/T634.5101遠動設備及系統*5-101部分:傳輸規約基本遠動任務配套標準

DL/T634.5104遠動設備及系統*5-104部分:傳輸規約采用標準傳輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101

GB/T33589-2017微電網接入電力系統技術規定

GB/T36274-2018微電網能量管理系統技術規范

GB/T51341-2018微電網工程設計標準

GB/T36270-2018微電網監控系統技術規范

DL/T1864-2018型微電網監控系統技術規范

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規范

T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規范

T/CEC152-2018并網型微電網需求響應技術要求

T/CEC153-2018并網型微電網負荷管理技術導則

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC5005-2018微電網工程設計規范

NB/T10148-2019微電網*1部分：微電網規劃設計導則

NB/T10149-2019微電網*2部分：微電網運行導則

4.3適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

4.4型號說明

5系統配置

5.1系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

6系統功能

6.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖2系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

6.1.1光伏界面

圖3光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

6.1.2儲能界面

圖4儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的較大、較小電壓、溫度值及所對應的位置。

6.1.3風電界面

圖13風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

6.1.4充電樁界面

圖14充電樁界面

本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

6.1.5視頻監控界面

圖15微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

6.2發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界面

6.3策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界面

6.4運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備指*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

6.5實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

6.6歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

6.7電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度百*百和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度百*百和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、較大值、較小值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網系統電能質量界面

6.8遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

6.9曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

6.10統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由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。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

6.11網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，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。

圖25微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

6.12通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖26通信管理

6.13用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。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。

圖27用戶權限

6.14故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖28故障錄波

6.15事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故前幾個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶指*和隨意修改。

圖29事故追憶

7硬件及其配套產品

5總結

微電網是近幾年發展起來的一種電網組成形式，具有規模小、靈活性強、安全可靠性高等特點，同時微電網的出現又為綠色能源的利用創造了有利的條件，因此，成為人們關注的熱點。

本設計從微電網運行模式出發，研究了微電網能量管理系統的功能、控制策略、通信方式等問題，確定了以CAN總線結構為主的對等性控制方式，而在控制策略上采用Droop控制法對每一個DG進行有效地控制，確保了整個微電網系統在兩種模式下均能夠安全、穩定地運行。