能量管理策略

分布式储能装置的能量管理系统（综述）

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前言

以微电网的能量管理系统为基础分析重力储能的能量管理策略

光伏资源和风力资源受环境条件的影响，每时每刻都在变化。为了补偿可再生资源的能量波动，可再生能源发电系统一般都配有储能设备。其中电化学储能是常用的储能设备，然而如果蓄电池过度使用，就会导致电池快速衰减而且不可逆，而重力储能装置只要定期检测维护就能长时间正常使用。在重力储能系统中必须要有可靠的能量管理系统来完成能量的调度和优化使用，其中此系统首要目标是满足负载的用电需求，然后提供在可变的环境条件以及机组条件下的操作策略，确保能量平衡、维持运行成本在合理的范围内。

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一、能量管理系统（EMS）是什么？

1.定义

（微电网）能量管理系统是一套具有发电优化调度、负荷管理、实时检测并自动实现微电网同步等功能的能量管理软件。微电网的能量管理包括短期和长期的能量管理。短期的能量管理包括：为分布式电源提供功率设定值，使系统满足电能平衡、电压稳定；为微电网电压和频率的恢复与稳定提供快速的动态响应；满足用户的电能质量要求；为微电网的并网提供同步服务。长期的能量管理包括：以最小化系统网损、运行费用，最大化可再生能源利用等为目标安排分布式电源的出力；为系统提供需求侧管理，包括切负荷和负荷恢复策略；配置适当的备用容量，满足系统的供电可靠性要求。

2.国内外EMS现况以及案例

2.1北美
美国电力公司在俄亥俄州首府哥伦布建造了 CERTS 微电网示范平台：
主要由蓄电池、燃气轮机、可控负荷和敏感负荷组成，其能量管理采用自治管理方式，不需要中央控制器统一安排分布式电源的发电；分布式电源根据下垂特性共享频率或电压，实现自治管理，即插即用；能量管理系统的一些必要控制信息通过以太网传输给分布式电源控制器。
2.2欧洲
荷兰的 Bronsbergen 假日公园微电网示范工程的能量管理系统：
采用集中控制的方式，微电网中每条馈线的功率由监测系统传送至中央控制器，中央控制器通过全
球移动通信系统（GSM）与调度中心交流；此外，中央控制器还负责微电网并网和孤网的无缝切换。
德国的 Am Steinweg 微电网能量管理系统：
具有配电网管理 、分布式电源管理和需求侧管理等功能，它由一个中央处理器和几个界面控制盒组成；数据监测系统和控制器通过界面控制盒与中央处理器交流，采用传输控制协议和因特网协议（TCP／IP）进行通信。
意大利的 CESI RICERCA DER 微电网示范工程的能量管理系统（集中式）：
分布式电源和可控负荷与监测控制系统 SCS（Supervision and Control System）相联，采
用分层式结构进行信息的交流与传输；SCS 记录和分析运行过程中的数据，监测系统电能质量和暂态过程，优化分布式电源的发电调度，并且向调度控制中心传输实时信息，其指令信息采用 2.4 GHz 的无线频率传输。
希腊雅典国立大学NTUA微电网：
由光伏阵列、风机、蓄电池和可控负荷组成，该微电网的能量管理系统采用多代理系统 MAS（Multi-Agent System）结构，基于 Java 代理发展框架 3.0 平台开发，采用 XML 和 SL 编写。
2.3亚洲
日本的 Kyotango 微电网工程能量管理系统：
基于因特网的中央控制器控制，采用标准的 ISDN或 ADSL ISP 接入因特网。 中国合肥工业大学所建的微电网实验平台的能量管理采用 2 层控制的方式，分为中央控制器和局部控制器；中央控制器为分布式电源制定提前 1 h、30 min、15 min 的发电计划；局部控制器负责控制馈线潮流、电压频率、无缝切换、电 能 质 量 和 控 制 保 护 ； 该 能 量 管 理 系 统 遵照 IEC61970 标准执行，由数据采集与监测系统、自动发电控制系统和其他能量应用软件构成。 中国浙江电力试验研究院搭建的微电网能量管理采用分层式控制，其主站层负责监测系统运行、管理历史数据、绘制图形、控制运行方式等；其协调层主要负责微电网并网和孤网的状态切换。
2.4小结
从国内外的微电网能量管理研究情况可以看出，目前微电网的能量管理主要包括发电侧和需求侧的管理。发电侧管理包括分布式电源、储能系统、配网侧的管理，需求侧管理主要为分级负荷的管理。
结构对比：从管理的结构来看，北美微电网采用自治控制，为分散式控制，而亚洲的微电网倾向使用集中控制，在欧洲主要有集中控制和基于代理的控制这 2 种方式。主流方式为集中控制，即在顶层决策中采用各种优化算法安排机组出力，而底层控制器则按上层指令控制机组出力。能量管理系统中各种控制器均借助于无线或有线通信进行信息的传输与交流。
2.5一个微电网及其EMS典型案例分析：
日本 NEDO 的 Hachinohe 微电网（EMS集中控制方式）：该微电网为 6.6 kV 辐射型配电网结构，连接 3 台 170 kW 的燃气机、1 台 130 kW 的光伏系统、1 台 20 kW 的风电机、1 组 100 kW 的蓄电池。通过光纤通信，其中央控制器对各分布式电源和储能系统进行发电调度。 为了获得最优的调度方案，该能量管理系统采用长期计划与短期计划相结合的策略，计划制定包括每 30 min 的周运行计划、每 3 min的日内调度计划、1 s 级的联络线潮流控制和 10 ms级的频率控制计划。 其中，周运行计划基于负荷预测信息，构造出以最小化外网购电和燃料费用为目标的优化问题，采用问题空间搜索和二次规划相结合的算法求解，获得各机组的启停机计划、出力计划以及从外网的购电计划；日内调度计划提前 2 h 计算一次。 为了保持长期计划中的全局优化特征，其储能系统的充放电计划延用周运行计划结果，根据最新预测信息采用类似的优化模型和算法修正周计划的计算结果。 其联络线潮流控制实时监测联络线的传输功率，并与计划值比较，通过反馈控制吸收功率偏差，将联络线功率波动控制在一定的指标范围内。

3.微电网能量系统的主要管理对象

3.1分布式电源
3.2储能系统
储能系统在微电网中得到了广泛的应用，适合微电网的储能技术主要有蓄电池、飞轮、超级电容。
蓄电池具有电能容量大、能量密度大、循环寿命短等特点，在并网时起削峰填谷和能量调度的作用，在孤网时常作为中心存储单元，维护微电网的频率与电压稳定。由于具有较低的惯性，储能系统在微电网中可以平抑可再生能源和负荷的功率波动，维护系统的实时功率平衡，同时能在微电网并网与孤网状态切换时提供瞬时的功率支撑，维持系统稳定。 储能系统一般通过逆变器接入微电网，采用U ／ f 控制和 PQ 控制，接受微电网能量管理系统的指令来决定工作方式和发电功率。 储能系统的管理目标取决于微电网的工作方式。 在并网模式下，其主要是确保分布式电源的稳定出力，容量充足时可以起削峰填谷和能量调度的辅助作用。
3.3负荷系统
为了使微电网在紧急情况下仍能运行，微电网的负荷一般分级管理，主要分为关键负荷和可控负荷。 关键负荷为需要重点保护电力供应的负荷；而可控负荷在紧急情况下可以适当切除，在正常情况下也可以通过需求侧管理或者需求侧响应达到优化负荷使用、节能省电的目的。

4.系统系统架构设计

4.1微网的控制方法
目前主要有主从控制、对等控制和多代理控制等方法 。采用主从控制的方
法，在试点工程建设需求的基础上，根据集中管理和分散控制的思想，对设备进行分层/分级控制，
通过对风力发电、光伏发电、储能装置和负荷的协调控制，实现系统的稳定优化运行。

微网控制系统架构见上图，控制系统结构具体分为配网调度层、微网集中控制层和就地控制与保护层。配网调度层主要负责下发调度指令，集中控制层微网主站负责能量管理策略的制定，微网控制器负责优化协调控制，底层分布式电源/储能/负荷负责供用电调节的执行。其中参与协调控制的设备，如各类逆变器和测控终端，通过微网控制器接入微网能量管理系统; 不参与协调控制的设备，如环境检测仪、电能质量分析仪等，通过通信管理机接入微网能量管理系统。

上图为微电网监控与能量一体化系统框架图，
1)设备层：完成类似过程层的相关功能，如电能供给、设备开断和底层控制命令执行等，包括风电机组、光伏电池、微型燃气轮机(MT)等发电设备，蓄电池、超级电容等储能设备，断路器、隔离开关、电子式电流/电压互感器等开关和星测设备，以及其他独立的智能电子装置。
2)管理层：完成类似间隔层承上启下的相关功能，如电气量采集、设备运行状态监测和能是管理策略制定等。管理层是设备层与优化层之间信息交互的枢纽，包括MMEMD及其他测控装置。
3)优化层：完成类似站控层与接口相关的功能，如与远方控制中心和工程师站通信，提供微电网运行的人机联系界面等，由微电网监控与能量管理优化软件(以下简称SES)及其他辅助功能系统组成。考虑到微电网系统规模通常不大，优化层功能宜高度集成，可由一台计算机实现。

4.2微电网能量管理系统的基本功能和设计框架
4.2.1能量管理系统基本功能

运行控制模块具有对分布式电源/储能/负荷进行监视、测量和控制的功能，可为系统分析模块提供分析数据，执行能量管理模块传达的协调控制指令。
能量管理模块是根据分布式发电预测和负荷预测结果，结合运行监控模块实测数据和系统分析模块分析结果，确定分布式电源/储能/负荷的协调优化控制策略。
系统分析模块根据监测数据进行状态分析、安全分析、经济分析等，并将分析结果传给运行控制和能量管理模块。

4.2.2能量管理系统设计框架

微电网能量管理系统的基本设计框架如上图，其主要由硬件层和软件层两方面构成。硬件层包含相关的硬件设备和支撑平台：硬件设备包括服务器、控制设备等；支撑平台层包括公共服务层、数据库层、网络通信层，它支撑着系统的公共服务、数据管理、通信交流。 应用软件层是能量管理系统的核心，它们是基于数学模型层建立的各模型基础上开发的，在支撑平台的支持下完成相关功能，应用软件的添加丰富了能量管理系统的功能、其设计的优劣直接影响能量管理系统的性能，对微电网的经济运行作用巨大。应用软件层包括SCADA和高级应用软件两个部分其中，SCADA(数据采集与监控)是应用软件的基本功能，为了了解设备的运行状况和保障微电网稳定运行，将运行现场采集到的数据，通过监控平台显示出来。
4.2.3微电网能量管理系统的控制结构
集中式控制一般由中央控制器和局部控制器构成，其中，中央控制器通过优化计算后向局部控制器发出调度指令，局部控制器执行该指令控制分布式电源的输出。 典型的一种 3 层结构的典型集中式能量管理系统，其 3 层结构分别为：市场和配电网中心、中央控制器、局部控制器。 市场中心负责电力市场和微电网之间的信息交流。 配电网中心负责微电网与主网之间的信息交流。 中央控制器是微电网能量管理系统的核心单元，其负责上层系统与底层单元的信息交流。 一方面，中央控制器要满足配电网的负荷需求，参与电力市场，监测系统运行，维护系统稳定，处理微电网工作模式的转换；另一方面，中央控制器要根据局部控制器传来的机组信息、市场和配电网中心的信息，在各种机组约束和物理约束条件下，以系统网损最小、利润最大等为控制目标安排分布式电源的功率分配，并将指令传递给局部控制器。集中式控制的优点是：有明确的分工，较容易执行和维护；具有较低的设备成本，能控制整个系统；目前使用得比较广泛，技术上更加成熟。 其缺点是：随着分布式电源的增加，要求中央控制有较强的计算处理能力，同时对其通信能力也有较高的要求；一旦中心单元故障，整个系统面临瘫痪的风险；分布式电源不能即插即用，不容易拓展应用。 这些缺点成为这种模式的发展瓶颈。

应用软件分为离线和在线两种形式，具体的功能表述如下：
1数据采集：数据采集是微电网运行中最简单的功能，为了了解设备的运行状况和保障微电网稳定运行，将运行现场采集到的数据，传输后通过监控平台，10
显示在屏幕上。能量管理系统的状态判断与运行决策全部基于实时采集的数据，可以说数据采集是系统稳定运行的基础。
2.自动发电控制(AGC)：在微电网正常工作时，主要实现的功能有；使系统发电自动跟踪用户的用电需求；当负荷和负载随机变化时，维持电力系统频率为规定值(我国为50HZ)，目前常用的控制方法为有功和无功控制(P-Q控制)、电压和频率控制(V-f控制)两种方式，经过两次调频后，系统频率达到稳定。这两种控制方法的协调使用可保证风力发电和光伏发电输出功率有波动时，最大限度的使用可再生能源。
3.负荷预测：负荷预测对独立微电网的运行、控制都十分重要。既能增强微电网运行的稳定，又改善了系统运行的经济性，还为系统能量调度的决策提供依据。精确的负荷预测可准确决定柴油机的开关时间，减少不必要的柴油消耗，延长电池的寿命。提高负荷预测精度常用的途径是改进模型和算法，常用的方法有组合模型预测法
4.发电预测；根据下一时刻预测的气象情况，对可再生能源的电能输出进行估算，发电预测的精度与所选择的模型和算法相关，常和负荷预测配合使用。
5.经济调度：从经济的出发，通过多种调度策略的混合使用，决定微电网各个部件之间能量的流动方向，选取最优的能量流动路径，减少能量损失，提高微电网系统的运行效率。
6.储能设备管理：该部分主要实现对储能设备(包括短期储能和长期储能) 的控制和维护，在对储能设备特性充分了解的基础下，对充放电速率、剩余容量等参数做出约束，改善储能设备的运行性能。
7.潮流计算：潮流计算是电力系统中非常重要的分析计算，调度员可以可以用它研究当前系统可能出现的运行状况，微电网的潮流计算从电力系统引申而来，根据SCADA提供的开关信息和量测数据，估计出微电网当前的运行状态，其估算结果直接影响微电网调度的分析和决策。
8.监控功能：对采集上来的微电网系统参数要进行实时监测，监视状态量的变化，测量值和计算值应保持在允许的范围内，若测量值超出系统设定的安全范围，系统将产生报警信息，提示技术人员可能有潜在的设备故障需要解决，为避免频繁报警，一般对报警限制设有死区时间和时间延时。对于一些重要的信息(如风速、光照强度)，将以图形的形式显示其变化趋势，以便观测者更好的了解系统运行情况。控制功能一般分为手动控制和自动控制，自动控制将按照程序自动运行。

5.信息流控制系统

5.1硬件

上图为监控与能量管理装置的功能插件信息流及硬件设计框图
功能插件间采用主从控制。功能插件1作为主机通过其模组1的以太网接口与SES通信，通过串行通信接口及模组2的以太网接口采集“源一储一荷”信息。其他功能插件作为从机，并预留以太网接口用于发送控制命令。主从机中的所有模组均通过以太网连接至交换机。采用此架构方便灵活，便于实现数据共享和控制命令分发，更能根据微电网的规模大小自由增添功能插件以满足系统需要。每套模组在硬件设计上又可分成5个主要模块：中央处理器模块、存储器模块、通信模块、辅助模块和微气象监测组件。
通信模块：通信模块包括以太网通信和串行通信模块。
以太网通信模块设计了两路光纤通道：利用处理器自带的以太网媒体访问控制层控制器，通过媒体独立接口连接物理层的以太网收发器LXT971，实现一路10/100 Mbit/s以太网；利用扩展的外部总线接口连接以太网控制器LAN9215和以太网收发器LXT971，实现另一路10/100 Mbit/s以太网。
串行通信模块包括1路RS-232和3路RS-485接口。RS-232接口用于装置调试。RS-485 接口：第1路用于中央处理器模块与微气象监测组件通信，第2路用于采集“源–储–荷”等设备的运行信息，第3路用于控制命令交互。此外，装置还预留了USB接口用于存储数据的现场导出。

上图为微电网可获得的一些监控信息。
5.2软件
软件系统可以分为３个部分：嵌入式实时操作系 统 （RTOS）、ＭＭS-EASE　Lite 和 应 用 软 件。RTOS主要负责底层硬件驱动初始化以及操作系统映像加载和运行；ＭＭS-EASE　Lite软 件负责读取变电站配置描述语言（SCL）配置文件，并按照配置文件建立IEC61850模型；应用软件是在前面两部分的基础上实现监控与能量管理功能。
考虑到软件系统高可靠性、稳定性和实时性要求，且系统运行时任务 处 理 十 分 繁 杂，RTOS 选 用WindRiver公司开发的VxWorks。引入 VxWorks为开发复杂多任务提供了解决方法，还可将能量优化算法的编写与底层驱动的开发分离，极大地加快了软件开发进度。软件系统又分为硬件无关软件和硬件相关软件。硬件无关软件 包括应用软件、I/O系统、VxWorks库、文件系统、TCP/IP协议栈以及复用器（multiplexer，MUX）接口。硬件相关软件包括文件驱动、内核、板级支持包（BSP）和通信接口驱动。软件系统整体架构如图７所示。限于篇幅，本文仅给出应用软件中的主程序流程，如图８所示，其中GOOSE表示通用面向对象变电站事件。

上图为软件系统整体的架构

6.管理策略

总结

深度设计要求与标准化研究
在国内外储能技术及设备发展现状、最新标准的基础上，结合以往电网侧储能电站的建设及运行经验，从电池本体、电池管理系统(Battery Management System，BMS)、电力转换系统(Power Conversion System，PCS)、能量管理系统(Energy Management System，EMS)、等各环节入手，统筹规划，制定储能电站切实可行、具备实操性的深度设计规范，并从系统架构、容量配置、布置形式、技术支持、运维管理等各环节制定储能电站标准，进行设计、选型、测试和验证，从成本、寿命和运维三个方面形成储能电站典型设计集成方案，最大程度满足储能电站标准化的建设需要。