一种微电网能量管理系统和方法

一种微电网能量管理系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种微电网能量管理系统，其包括：信息采集与数据预处理单元，将SCADA/PMU混合量测采集的信息，采用CIM模型结合历史断面管理，进行数据挖掘预处理；网络分析单元，用于在网络拓扑分析的基础上，实现基于混合量测的微电网状态估计，进行风险分析评估和灵敏度分析，实现故障威胁预警与报警，并采取相应的预防措施或者进行紧急控制；能量优化单元，用于根据微电网状态估计的信息，结合预报信息及系统运行分析，进行微电网的能量优化调度；同时本发明还提供一种采用上述系统进行微电网能量管理的方法。本发明进一步完善微电网能量管理系统的功能，提高微电网的系统安全性、供电可靠性、系统控制的精度和有效性。
【专利说明】—种微电网能量管理系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统，特别涉及一种微电网能量管理系统和方法。
【背景技术】
[0002]微电网(Micro Grid)，作为一种新型能源网络化供应与管理系统，能够整合分布式发电的优势，协调分布式发电单元(微电源)与大电网(指由发电厂、变电站、输电线路网、配电变压器和低压线路网等组成的电力网)间的矛盾，充分利用各种分散能源，结合本地负荷、储能装置及相关监控和保护装置，构成的新型电力微系统。微电网的能量管理系统将对微电网内设备的运行状态进行监控，根据当前系统运行情况与控制目标制定相应的控制策略，针对微电源的出力特点，采用合理的能量优化技术使微电源得到最大利用，充分发挥微电网低碳、经济的优势。
[0003]现有的微电网能量管理系统中，只采用侧重于监测系统稳态运行情况的SCADA进行微电网的信息采集与监控，不同地点的监测结果之间也缺乏准确的统一时标，难以对全系统进行整体动态分析。其次，SCADA无法实现采集的数据关联设备模型信息的功能，数据的存储只是基于时间序列，本身不带有模型信息。随着各种发电技术的发展，微电源的种类不断地增加和变动，微电网新增和改建微电源的频率也相对较高。随着各类微电网管理系统应用的深入，出现了信息整合的应用瓶颈，各管理系统之间信息不兼容、不能互通，信息模型不统一，不能宏观的综合管理信息。因此，需要采用混合量测系统进行信息采集，并进行数据预处理，实现对微电网系统状态进行同步监测，为系统分析及控制提供数据来源。
[0004]太阳能电池和风机等微电源发电特性不同，导致发电电压、电流瞬时波动大，并且会受到地理环境、天气和时间等因素的影响而使输出有很大的随机性和波动性。其次，微电网中负荷也不是一成不变的，会随着时间、天气和经济等因素而不断变化，这使得微电网中微电源和负荷之间的能量交换过程变得更为复杂。因此，需要采用基于预报信息的能量优化单元，对系统的能量流进行监控和管理，优化微电网系统内部各微电源、储能单元及其与大电网之间能量流动的方向和幅值，以提高系统的供电品质、经济环保性。
[0005]微电网以微电源小型化和数量多为特点，分散了调度风险，但微电网中风力、光伏单元的发电量与天气状况、环境温度、风速、日照辐射量等条件密切相关；发电设备的故障率也随环境条件和时间变化，这些随机性因素都会对微电网系统的安全性、供电可靠性产生一定的影响。因而包含风能、太阳能等间歇性微电源的多能源微电网，其调度系统若单纯的考虑侧重于经济性的能量调度则存在明显的不足，需要对微电网系统进行网络分析，以提高微电网安全性、供电可靠性。
[0006]为此，针对微电源的发电随机性、不稳定性，负荷的变动性等这些微电网的不稳定因素，需要对微电网这个复杂的分布式系统，提出一种微电网能量管理系统，进行系统状态监控、安全分析、能量优化调度，以提高微电网的系统安全性、供电可靠性、经济环保性。

【发明内容】
[0007]本发明的目的之一是提出一种微电网能量管理系统，对微电网系统状态进行全面监控，实现对微电网系统中预测数据、实时及历史数据的集中监测；对微电网系统进行网络分析以提高微电网的系统安全性；根据微电网状态估计的信息，结合预报信息及系统运行分析，进行微电网的能量流管理，实现多能源优化互补、多元协调控制。
[0008]为实现上述目的，本发明所采取的具体技术方案是:
[0009]一种微电网能量管理系统,其包括:
[0010]信息采集与数据预处理单元，用于采集微电网各单元模拟量和开关量数据、天气信息、相量数据，以及相连电网的能量管理系统数据；结合CM模型，管理微电网历史断面信息，进行数据挖掘预处理，为下一步的应用提供整合的模型、图形和参数；
[0011]网络分析单元，用于结合所述整合的模型、图形和参数，进行基于混合量测的微电网状态估计，求取微电网状态变量；根据微电网状态变量以及控制变量，并结合微电网各单元设备的健康状态，进行风险分析评估和灵敏度分析，预测潜在的故障，量化消除潮流越限故障的调整因素；通过预警与报警模块，将危险、故障情况以声、光方式警示，并迅速地采取相应的预防措施或者进行紧急控制；所述混合量测包括SCADA量测和PMU量测；
[0012]能量优化单元，用于根据所述微电网状态估计的信息，结合微电源发电预报、负荷预报、储能单元能量状态预报以及系统运行分析，进行微电网的能量流管理；
[0013]其中，所述信息采集与数据预处理单元包括:
[0014]SCADA模块，用于SCADA数据采集与监视控制，其中，所述SCADA数据采集包括微电网各单元模拟量和开关量、天气信息的采集，所述监视控制包括设备控制、测量、参数调节;
[0015]PMU模块，用于相量数据的同步采集；所述相量数据包括配置相量测量装置的节点和输电线路的电压相量、电流相量；
[0016]CIM模型，用于描述微电网各单元之间的关系及其逻辑结构，实现微电网能量管理系统内部以及不同能量管理系统之间的信息交换与共享；
[0017]历史断面管理模块，用于基于所述SCADA模块采集的数据、PMU模块采集的相量数据、以及相连电网的能量管理系统数据，结合CM模型，进行数据挖掘预处理，整合微电网历史断面信息，所述微电网历史断面信息，是历史时刻的微电网模型结构、运行状态和用电状况信息的集合；
[0018]所述网络分析单元包括:
[0019]网络拓扑分析模块，用于根据开关元件的开合状态，确定微电网系统中各元件的电气连接关系，并结合所述微电网历史断面信息，形成网络拓扑图；
[0020]基于混合量测的状态估计模块，用于在网络拓扑分析的基础上，依据所述SCADA模块采集的数据，以及PMU模块采集的相量数据，求取电网状态变量；
[0021]风险分析评估模块，用于量化微电网系统中引起随机性故障的因素，估计所述随机性故障后所带来的后果，建立能表征系统风险的量化指标并进行计算、分析，所述引起随机性故障的因素包括但不限于天气状况、元件状态；
[0022]灵敏度分析模块，用于利用灵敏度计算得出随控制变量发生变化而变化的状态变量两者之间的关系，用于对危险情况的预防控制提供快速的指导，同时为潮流越限故障的消除提供量化的调整依据；[0023]所述能量优化单元包括:
[0024]负荷预报模块，用于根据所述微电网历史断面信息中的历史负荷数据，并考虑天气预报信息、日期类别，进行消耗电能的预测；
[0025]微电源发电预报模块，用于光伏功率预测和风功率预测；
[0026]储能单元预报模块，用于对储能单元的能量状态进行预测，以便于对微电网的能量转换和储存能力进行分析，所述能量状态包括储能单元储存的能量和释放的能量；
[0027]微电网系统运行分析模块，用于根据来自所述网络分析单元的微电网状态估计信息，进行微电网的可靠性分析、电能质量分析和经济环保性分析；
[0028]微电网优化调度模块，用于综合微电源发电预报、负荷预报、储能单元能量状态的预报信息，在微电网系统运行分析和网络分析的基础上，针对系统不同的运行模式和控制目标，输出优化结果，对各单元给出具体的调度指令；所述的控制目标包括可靠性最优、经济环保性最优。
[0029]所述可靠性分析是在基于风险分析评估和灵敏度分析得出的系统安全状况的基础上，针对微电网孤岛运行模式，分析微电网系统未能满足的负荷需求与评估分析期内总负荷需求的比值。
[0030]所述电能质量分析至少包括对电网电压、电网谐波、电网电压三相不平衡、无功平衡的影响、以及光伏并网注入的直流分量对微电网的影响中的其中一种。
[0031]所述经济环保性分析至少包括经济效益、环境效益及其综合效益分析中的其中一种，所述综合效益为经济效益与环境效益的总和。
[0032]所述微电网各单元分别为微电源、储能单元、负荷单元、开关元件、继电保护装置、变流器、输电线路。
[0033]所述状态变量为节点电压幅值和相角，所述控制变量包括微电源的有功和无功输出功率、以及微电源的输出端端电压。
[0034]所述优化结果包括微电源功率、储能单元充/放功率、微电网与大电网间的交互功率、可控型负荷投/切功率。
[0035]本发明的另一个目的在于提供一种微电网能量管理方法，对微电网系统状态进行全面的监控；实现对微电网系统的安全分析；进行微电网的能量流管理，实现多能源优化互补、多元协调控制。
[0036]为实现上述目的，本发明所采取的具体技术方案是:
[0037]一种微电网能量管理方法，其包括以下步骤:
[0038]步骤1、采集微电网各单元模拟量和开关量数据、天气信息、相量数据，以及相连电网的能量管理系统数据；结合CM模型，管理微电网历史断面信息，进行数据挖掘预处理，为下一步的应用提供整合的模型、图形和参数；
[0039]步骤2、结合所述整合的模型、图形和参数，进行基于混合量测的微电网状态估计，求取微电网状态变量；根据微电网状态变量以及控制变量，并结合微电网各单元设备的健康状态，进行风险分析评估和灵敏度分析，预测潜在的故障，量化消除潮流越限故障的调整因素；通过预警与报警模块，将危险、故障情况以声、光方式警示，并迅速地采取相应的预防措施或者进行紧急控制；所述混合量测包括SCADA量测和PMU量测；
[0040]步骤3、根据所述微电网状态估计的信息，结合微电源发电预报、负荷预报、储能单元能量状态预报以及系统运行分析，进行微电网的能量流管理；
[0041]其中，步骤I包括:
[0042]步骤11、SCADA数据采集与监视控制，其中，所述SCADA数据采集包括微电网各单元模拟量和开关量、天气信息的采集，所述监视控制包括设备控制、测量、参数调节；
[0043]步骤12、相量数据的同步采集，所述相量数据包括配置相量测量装置的节点和输电线路的电压相量、电流相量；
[0044]步骤13、描述微电网各单元之间的关系及其逻辑结构，实现微电网能量管理系统内部以及不同能量管理系统之间的信息交换与共享；
[0045]步骤14、基于所述SCADA模块采集的数据、PMU模块采集的相量数据、以及相连电网的能量管理系统数据，结合CM模型，进行数据挖掘预处理，整合微电网历史断面信息，所述微电网历史断面信息，是历史时刻的微电网模型结构、运行状态和用电状况信息的集合；
[0046]所述步骤2包括:
[0047]步骤21、根据开关元件的开合状态，确定微电网系统中各元件的电气连接关系，并结合所述微电网历史断面信息，形成网络拓扑图；
[0048]步骤22、在网络拓扑分析的基础上，依据所述SCADA模块采集的数据，以及PMU模块采集的相量数据，求取电网状态变量；
[0049]步骤23、量化微电网系统中引起随机性故障的因素，估计所述随机性故障后所带来的后果，建立能表征系统风险的量化指标并进行计算、分析，所述引起随机性故障的因素包括但不限于天气状况、元件状态；
[0050]步骤24、利用灵敏度计算得出随控制变量发生变化而变化的状态变量两者之间的关系，用于对危险情况的预防控制提供快速的指导，同时为潮流越限故障的消除提供量化的调整依据；
[0051]所述步骤3包括:
[0052]步骤31、根据所述微电网历史断面信息中的历史负荷数据，并考虑天气预报信息、日期类别，进行消耗电能的预测；
[0053]步骤32、光伏功率预测和风功率预测；
[0054]步骤33、对储能单元的能量状态进行预测，以便于对微电网的能量转换和储存能力进行分析，所述能量状态包括储能单元储存的能量和释放的能量；
[0055]步骤34、根据来自所述网络分析单元的微电网状态估计信息，进行微电网的可靠性分析、电能质量分析和经济环保性分析；
[0056]步骤35、综合微电源发电预报、负荷预报、储能单元能量状态的预报信息，在微电网系统运行分析和网络分析的基础上，针对系统不同的运行模式和控制目标，输出优化结果，对各单元给出具体的调度指令；所述的控制目标包括可靠性最优、经济环保性最优。
[0057]本发明的优点在于:进一步完善微电网能量管理系统的功能，提高了微电网的系统安全性、供电可靠性、系统控制的精度和有效性。
【专利附图】

【附图说明】:
[0058]图1为本发明一种微电网能量管理系统的结构框图；[0059]图2为本发明一种微电网能量管理系统的功能原理图；
[0060]图3为本发明一种微电网能量管理方法的流程图。
【具体实施方式】:
[0061]下面根据附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但不作为对本发明的限定。
[0062]如图1所示，微电网能量管理系统，通过PLC、传感器等硬件设备与微电网各单元相连，其包括支撑平台层、建模分析层、应用功能层、人机界面层，四个层次。
[0063]1.支撑平台层，包括操作系统、数据库管理、网络通信、安全管理。
[0064]操作系统，满足电能量计量管理的要求，系统完全摆脱了对具体硬件平台的依赖，支持 WIND0WSNT/2000/XP/2003/Linux 等多种操作平台。
[0065]系统的数据库采用实时/历史数据库即PI (Plant Information)实时数据库系统。本发明以CIM模型为基础，采用面向对象技术，参照IEC61970相关国际标准，建立一套基于CIM模型的PI实时数据库。利用历史断面管理模块，将系统的实时/历史数据与电网模型相关联，形成电网的历史断面，供系统的高级应用功能模块分析所用。
[0066]通用TCP/IP、X.25,HTTP等网络协议，支持各种标准接口 ；适用SQL数据库语言及C/C++等闻级编程语目等国际标准。
[0067]用户级采用权限管理和口令机制，控制不同的用户所能进行的操作；严格的操作审核流程:口令，权限分析，操作确认，超时处理。
[0068]2.建模分析层，包括微电网状态估计、灵敏度分析、风险分析评估、负荷预测、发电预测、储能能量预测以及优化调度模型。由微电网状态估计模型综合灵敏度分析和风险分析评估模型库，提供关于微电网系统网络分析的一系列安全评定方式，实现微电网系统控制预决策，以提高系统安全性；通过预测模型获取预测信息，协同实时信息，对不同的能量调度方式通过优化调度模型库进行模拟仿真，针对系统不同的运行模式和控制目标，选择最优调度方式。
[0069]3.应用功能层，它们基于建模分析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。包括:
[0070](I)图形监控模块:采用先进的三维图形openGL或OSF/Motif等国际标准；实现了自由缩放、平移、滚动、漫游、多窗口等功能；多屏的自由套接及快速直接鼠标控制；快速导航及信息自由显示机制；全汉字，字、表、图可任意选择颜色以及第三方图形共享的功能。
[0071](2)系统安全评定模块:微电网系统中设备的随机故障往往不可预测，负荷也具有不确定性。故障的后果可能导致局部乃至大面积的停电，严重影响了微电网系统的安全性。利用风险分析评估，建立能表征系统安全的量化指标；利用灵敏度分析，计算得出随控制变量发生变化而变化的状态变量两者之间的关系，量化潮流越限故障消除的调整因素；实现对系统的综合安全评估。
[0072](3)系统运行评估模块:其功能是实现系统的可靠性分析、电能质量分析和经济环保性分析，并将分析结果显示在人机界面上。
[0073](4)能量优化调度模块:实现可靠性最优、经济环保性最优不同控制目标的选择；考虑微电网并网及孤岛的系统运行模式，综合微电网的网络分析和系统运行分析，针对所述的控制目标，对各微电源的组合方式进行配置；对各微电源的出力、储能装置进行能量分配；将针对系统不同的运行模式和控制目标的能量配置分配结果显示于人机界面。
[0074](5)保护管理模块，当微电网的风电单元、光伏单元、DC/DC模块组、并网变流器内部或储能装置及其管理系统发生故障时，分别自动完成故障情况下的保护，同时将故障信息显示在人机界面上。调度系统根据故障对系统可能造成的影响，执行系统级的故障保护。
[0075](6)告警简报模块:提供各种类型的事件报警记录、复归记录、用户登录记录、控制操作记录、系统工况记录。事件类型包括:事故、故障、状变、越限、保护事件；告警信息可以分成事故、异常、告知、提示信息四类分层告警显示，可按设备、事件类型、事件级别、发生时间等条件进行综合查询。提供按设备、逐条、全部三种报警事件确认方法，可自动或手动确认。
[0076](7)报表功能模块:实现报表的编辑及管理。报表包括电量表、各种限值表、运行计划表、系统运行状况统计表和运行参数表；特定时间段报表、日报表、月报表；各种保护信息及报表；控制操作过程记录及报表。
[0077]4.人机界面层，包括显示实时状态、历史断面、预报信息，所述预报信息包括:发电预报、负荷预报及储能能量状态预报；包括安全分析、预警与报警、预防及紧急控制界面，即显示风险分析评估和灵敏度分析的结果、危险故障信息报警，实现预防措施或者紧急控制的远程操作；还包括运行分析界面，即监视系统运行分析的结果；优化调度界面中，实现不同的控制目标选择，并监测在所选择的控制目标下，微电源的组合方式及各自的出力情况，以及储能装置的能量状态及配置情况。
[0078]本例的微电网能量管理系统结构图见图2。本发明的微电网能量管理系统包括信息采集与数据预处理单元、网络分析单元、能量优化单元，各单元所对应的功能模块及工作原理如下:
[0079]一、信息采集与数据预处理单元:
[0080]采集的信息包括微电网各单元模拟量、开关量数据、天气信息、相量数据，以及相连电网的能量管理系统数据；所述的采集信息，通过CIM模型，可以在微电网能量管理系统内部以及不同的能量管理系统之间进行数据共享和交换，进而实时监测微电网和其他电网相连节点的电参数信息，保证微电网和相连电网之间能量交换的安全稳定性；管理微电网历史断面信息，进行数据挖掘预处理，为下一步的应用提供整合的模型、图形和参数。信息采集与数据预处理单元具体的功能模块如下:
[0081]1.SCADA模块:数据采集与监视控制系统，主要完成微电网各单元模拟量、开关量数据以及天气信息的采集；设备控制、测量、参数调节以及各种信号报警功能。所述微电网各单元模拟量、开关量数据主要包括微电源的电压、电流、功率，储能模块的状态参数，负荷单元中各级负荷的功率，元件的开关状态，各单元的报警及预警信号。
[0082]2.PMU模块:通过基于GPS的同步相量测量装置，进行相量数据的同步采集，并带有统一时标，对微电网系统状态进行同步监测；克服了 SCADA监测过程中，由于监测地点不同造成的监测结果之间缺乏准确的统一时标，难以对全系统进行整体动态分析，系统仿真模型也只能通过离线方式进行校正的问题；采用的同步相量测量算法主要包括:基于最小二乘法的相量测量算法、数字微分法、卡尔曼滤波法、基于傅里叶算法的插值法、利用小波计算相量信息；所述相量数据主要包括微电网系统节点和输电线路电压相量、电流相量。
[0083]3.CM模型:微电网中微电源的种类会随着各种发电技术的发展而不断地增加和变动，微电网新增和改建微电源的频率也相对较高。因此，随着各类微电网管理系统应用的深入，出现了信息整合的应用瓶颈，包括:各管理系统之间信息不兼容、不能互通，信息模型不统一，不能宏观的综合管理信息。为解决上述问题，本发明增加CIM模型功能，用于描述微电网各单元之间的关系及其逻辑结构，提供一种用对象类和属性及其之间的关系来表示微电网系统资源的标准方法，实现了微电网能量管理系统内部以及不同能量管理系统之间的信息交换与共享，进而实时监测微电网和其他电网相连节点的电参数信息，保证微电网和相连电网之间能量交换的安全稳定性。采用全面面向对象的建模技术，即用统一建模语言来描述微电网中的各个对象，在这个模型中，定义CIM包，CIM的每个包中都包含了 一个或者更多对象的类和属性，同时描述了这些对象相互之间的关系。所述CIM包主要包括发电包、负荷模型包、量测包、拓扑包、输电线包、保护包、停用包。
[0084]4.历史断面管理模块:现有的能量管理系统中，无法实现采集的数据关联设备模型信息的功能。数据的存储只是基于时间序列，本身不带有模型信息，仅仅通过数据交互总线不能获取全面的历史断面信息。因此为有效地管理所述的采集信息，使其与设备模型信息相关联，并提供高质量、全面、连续、正确的数据信息，本发明添加了历史断面管理模块。其基于CIM模型、SCADA数据、相量数据、相连电网的能量管理系统数据，提供模型匹对关联，数据合并、数据修饰、数据补招的数据预处理功能，实现了所述采集信息的集成，以构成历史断面，为下一步的应用提供整合的模型、图形及参数。所述历史断面信息，是历史时刻的微电网模型结构、运行状态和负荷信息的数据集合；所述数据合并是指对于设备更换或升级、测点更换而引起的量测点数据断裂，将新老测点的数据合并，以保证数据的连续性；所述数据修饰，包括数据的正确性分析和去毛刺；所述数据补招是补招历史数据以保证数据的完整性。
[0085]二、网络分析单元:
[0086]基于网络分析平台，综合来自信息采集与数据预处理单元的整合模型、图形、参数信息，进行微电网的状态估计，求取微电网状态变量；根据所述的微电网状态变量及控制变量，结合微电网各单元设备的健康状态，进行风险分析评估和灵敏度分析，实现微电网系统控制预决策，指导微电网系统控制运行，提高微电网系统的安全性。网络分析单元具体的功能模块如下:
[0087]1.网络拓扑分析模块:根据开关元件的开合状态，确定微电网系统各元件的电气连接关系，形成网络拓扑图。结合历史断面管理模块，在网络拓扑平台上可以取任意时刻的断面模型，然后在图形上进行该时刻模型的展示。微电网调度管理人员可以在此基础上进行微电网运行模式的选择，然后可以进行信息断面存储。其它高级应用功能模块如风险分析评估和灵敏度分析，可以远程调用该断面并结合实时数据，进行分析，计算结果可以返回到人机界面上进行显示。
[0088]2.基于混合量测的状态估计模块:由相量测量单元(PMU)构成的广域系统与SCADA系统共存，形成的由不同量测性质构成的混合状态估计。克服了传统的状态估计根据SCADA采集的数据，难以保证实时性且不具备异地同步优势的问题。本发明将PMU引入其中，配置相量测量装置的数目使得全网可观测，此时实时量测量与所求状态量为线性关系，可以提高状态估算速度与精度，实现实时在线估算。在网络拓扑分析的基础上，以微电网可观测性为前提，根据等值电网、元件参数，SCADA系统提供的模拟量量测，以及PMU配置点的相量数据，求取微电网状态变量。所述等值电网是根据开关元件的开闭状态，经过网络拓扑分析形成的微电网结构模型；所述元件参数主要包括输电线路、设备的电阻、电抗、电纳参数；所述SCADA系统提供的量测包括节点注入有功、无功功率，支路有功、无功功率、电压、电流幅值；所述微电网状态变量包括节点电压幅值和相角。
[0089]3.风险分析评估模块:微电网的实际运行中，各设备的故障概率不同并且随着微电网系统的运行模式、各设备的运行方式、运行工况、外部环境因素而变化。因此，本发明中增加风险分析评估功能，考虑微电网设备的健康状态，将所获得的设备信息转化为对应的设备状态或故障类型；建立设备、微电网系统、外部因素之间的相互关系；量化可能引起随机性故障的因素，估计故障后所带来的后果；最终建立能表征系统风险的量化指标并进行计算、分析，指导微电网的调度预决策，提高微电网系统的安全性。所述设备的健康状态信息除了包括信息采集与数据预处理单元采集的实时及历史设备状态信息，还包括设备安装调试记录、检修记录、现场巡检记录。针对设备的评估和诊断方法，目前主要有贝叶斯网络分析法、证据理论信息融合、模糊逻辑、专家系统、K邻近算法、神经网络、支持向量机分类法。
[0090]4.灵敏度分析:为了对微电网中出现的危险状况进行快速的预防控制，同时为潮流越限故障的消除提供量化的调整依据，本发明提出采用灵敏度分析模块，通过灵敏度计算，反映出微电网潮流中各类方式变量之间的线性化关系。当微电网中系统的状态变量随着控制变量发生微小变化而变化，采用灵敏度来描述两者之间的变化关系。所述控制变量包括微电源的有功、无功输出功率、微电源的输出端端电压。所述状态变量包括节点电压幅值和相角。利用灵敏度分析，可以准确快速地判断出电网的薄弱单元；计算得到关于潮流越限支路的微电源、负荷灵敏度，在此基础上分析计算得出快速消除越限的微电源有功功率的调整量，使得过负荷解除，或者得出切除负荷的方案，使得调度管理人员及早地、迅速地采取相应的预防措施或者进行紧急控制。
[0091]进一步的，所述网络分析单元还包括预警与报警模块，综合分析风险评估及灵敏度分析结果，预测出可能出现的危险状况，将危险、故障情况并以声、光方式报警，同时预防措施及紧急控制模块动作，可以自动或者人工干预处理微电网系统的危险情况或者紧急故障，其优先级别高于微电网优化调度模块。
[0092]三、能量优化单元:
[0093]在微电网系统网络分析确保系统安全的基础上，根据微电网状态估计信息，结合微电源发电预报、负荷预报、储能单元能量状态预报以及系统运行分析，进行微电网的能量流管理，实现多能源优化互补、多元协调控制。能量优化单元具体的功能模块如下:
[0094]1.负荷预报模块:根据历史负荷数据，并考虑天气信息、日期类别，采用包括但不限于一元线性回归法(ULR)、指数平滑法(ES)和人工神经网络法(ANN)进行消耗电能的预测。可以预报未来0-24小时某点的系统负荷；可完成I日到I周、时间间隔为15分钟的系统负荷预测，时间间隔可以设定；在提供工作日各种数据预测的同时，还提供普通休息日(星期六、星期日)和节假日(元旦、春节等)的预测；可设置负荷预测的开始日期和预测天数，预测开始日期既可以是将来的某一天，也可以是历史的某一天，默认值是当前日的下一天，预测天数最长可设置为I周；预测结果同时以表格和曲线两种形式给出，以便进行查询和修正，同时显示最大预测负荷、最小预测负荷及相应出现时间、平均预测负荷、预测电量信息。
[0095]2.微电源发电预报模块:包括光伏功率预测和风功率预测。预测方法主要包括持续法、时间序列法、神经网络、支持向量回归、混沌预测法、卡尔曼滤波法、小波分析法、灰色预测法、模糊逻辑法。
[0096]针对目前发电预测采用单一时间尺度功率序列建模，采样间隔较大，从而降低模型对功率时序特征模拟精度的问题，本发明基于小采样间隔(时间间隔为Imin)的功率数据，采用一种多维时间序列局域预测方法。该方法将多维时间相空间重构和基于蚁群寻优和交叉验证的支持向量回归组合建立提前0-4小时的光伏功率局域预测模型。采用天气预报信息、历史发电功率数据和HOTTEL晴天太阳辐射模型计算值进行日前光伏功率预测。为选取相似度最高的建模样本，采用分层筛选的方法选择建模样本，建立动态预测模型实现提前1-2天的光伏功率预测。基于小采样间隔(时间间隔为Imin)的风功率数据，通过构造风功率新息序列，建立ARMAX-GARCH风功率预测模型，实现提前0_4小时的风功率预测。以上方法均可以实现分辨率可变的功率平均值和波动范围的预测，提高预测的准确度、可信度和灵活度。
[0097]光伏功率预测模型可进行提前0_4h超短期和提前l-3d短期功率点预测和区间预测；风功率预测模型可进行提前0-4h超短期功率点预测和区间。超短期预测时间尺度为提前5min、15min、30min、lh、2h、3h和4h,日前短期预测时间间隔为lh。预测结果同时以表格和曲线两种形式给出，以便进行查询和修正。对于日前功率预测同时显示功率预测最大值及相应出现时间、功率预测平均值、电量预测值信息。
[0098]3.储能单元预报模块:对于蓄电池、超级电容、飞轮电池等储能单元进行能量状态预报，其中，对于蓄电池储能状态的预测，其模型可以分为两大类:一类是物理建模方法，主要有放电实验法、安时计量法、密度法、开路电压法、内阻(电导)法；另一类是系统辨识及参数估计模型方法，主要有神经网络法、模糊逻辑法、卡尔曼滤波法、线性模型法。对于超级电容、飞轮电池等储能单元，则主要依靠厂家提供的设备特性曲线或由微电网调度中心预先设定的设备运行曲线进行储能状态的预测。
[0099]4.微电网系统运行分析:包括可靠性分析、电能质量分析和经济环保性分析。
[0100]可靠性分析是在基于风险分析评估和灵敏度分析输出的系统安全状况的基础上，针对微电网孤岛运行模式，采用时间序列法，把评估分析期分为若干相等的时间片段，认为在任意的时间片段内，风速、光强、负荷都是平稳的，且根据能量平衡原则，微电源、储能单元的能量输出总和等于负荷输入、微电网各设备消耗功率的总和，分析微电网系统不能满足的负荷需求与评估分析期内总的负荷需求的比值。
[0101]电能质量分析是根据当前电能质量检测数据，对电能质量进行评估分析，主要包括:对电网电压的影响、对电网谐波的影响、对电网电压三相不平衡的影响、对无功平衡的影响、及光伏并网注入的直流分量对电网的影响；制定电能质量在线补偿控制的策略。
[0102]经济环保性分析:在满足负荷需求的前提下，分析微电网的经济效益、环境效益及其综合效益。所述综合效益是指经济效益与环境效益的总和。所述经济效益用经济性指标表示，其函数关系式为三项乘积之和，所述三项乘积是各微电源发电功率与各微电源运行成本的乘积、储能装置的功率与储能装置运行成本的乘积、网损功率与单位网损经济成本的乘积。相同功率下，经济性指标越小经济效益越好。所述环境效益用环保指标表示，函数关系式为各微电源以及储能装置与相同功率的传统发电源环境成本的比值，所述比值越小，环境效益越大。
[0103]5.微电网优化调度模块:考虑微电网的并网及孤岛运行模式及负荷情况，综合微电网的系统运行分析和网络分析，针对经济环保性最优、可靠性最优的控制目标，输出优化结果，对各单元给出具体的调度指令，实现微电网各单元的联合最优调度控制。在经济不发达地区，侧重于选择经济性最优的控制目标；在敏感性负荷相对较多的微电网，侧重于选择可靠性最优的控制目标。所述优化结果包括微电源功率、储能单元充/放功率、微电网与大电网间的交互功率、可控型负荷投/切功率。微电网的经济环保优化属于多变量、非线性的组合优化问题。其数学模型的目标函数和约束条件考虑了各类微电源的输出特性、负荷需求、环境成本方面。主要的输入参数有负荷需求、各类微电源的技术经济特性参数、微电源机组启动成本、机组运行维护成本、机组排放因子。对于不同的负荷水平，机组通过不同的组合实现成本最低。通过建立合理的经济模型，优化求解从而制定出所述微电网的经济环保性最优运行计划。建模方法主要包括优先顺序法、动态规划法、遗传算法、粒子群算法、混沌蚁群算法。所述可靠性最优是指供电可靠性最优，通过切换微电网中开关元件的开合状态来进行网络的拓扑重构，提高系统的可靠性优化指标，获得系统可靠性的最优化。所述系统的可靠性优化指标包括系统平均停电频率、系统平均停电持续时间、系统平均供电不可用率、系统平均供电量不足指标。所述网络的拓扑重构属于可靠性优化指标的多变量、非线性组合优化问题，其解法主要有支路交换法、最优流模式法、非线性整数规划、模拟退火算法、遗传算法、专家系统、人工神经网络法。
[0104]如图3所示，本发明还提供了一种采用上述系统进行微电网能量管理的方法，该方法包括以下步骤:
[0105]步骤1、采集微电网各单元模拟量和开关量数据、天气信息、相量数据，以及相连电网的能量管理系统数据；结合CM模型，管理微电网历史断面信息，进行数据挖掘预处理，为下一步的应用提供整合的模型、图形和参数；
[0106]步骤2、结合所述整合的模型、图形和参数，进行基于混合量测的状态估计，求取电网状态变量；根据所述电网状态变量以及控制变量，并考虑微电网各单元设备的健康状态，进行风险分析评估和灵敏度分析，预测可能出现的危险情况，同时量化潮流越限故障消除的调整因素；通过预警与报警模块，将危险、故障情况以声、光方式警示，迅速地采取相应的预防措施或者进行紧急控制；
[0107]步骤3、根据所述微电网状态估计的信息，结合各微电源发电预报、负荷预报、储能单元能量状态预报以及系统运行分析，针对系统不同的运行模式和控制目标，求取系统中各微电源出力及储能装置能量分配，并对各单元给出具体的调度指令。
[0108]与现有技术微电网的能量管理系统和方法相比，本发明的特点具体包括:
[0109]1.相量数据的采集。提出采用PMU模块，实现相量数据的同步采集，便于对微电网系统状态进行同步监测；克服了 SCADA监测过程中，不同地点的监测结果之间缺乏准确可靠的共同时标，难以对全系统进行整体动态分析，系统仿真模型只能通过离线方式进行校正的问题。
[0110]2.数据预处理功能。提出采用CIM模型、历史断面管理，实现数据关联设备模型信息，数据的集成、修饰、补招，保证了数据的连续性、正确性、完整性，为下一步的应用提供整合的模型、图形及参数。
[0111]3.明确提出在网络分析单元中，采用SCADA和PMU混合量测下的状态估计功能模块，提高了微电网状态的估计精度；克服了传统的状态估计根据SCADA采集的数据估算微电网状态量，难以保证实时性且不具备异地同步优势的问题。
[0112]4.明确提出在网络分析单元中，进行风险分析评估和灵敏度分析。建立能表征系统风险的量化指标并进行计算、分析，指导微电网的调度预决策；预测潜在的故障，并迅速地采取相应的预防措施或者进行紧急控制，提高了微电网系统的安全性。
[0113]5.明确提出了微电网系统运行分析时要进行可靠性分析及经济环保性分析，并给出了具体的分析评估指标。
[0114]6.明确提出了光伏功率预测、风功率预测的方法。
[0115]上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
【权利要求】
1.一种微电网能量管理系统，其特征在于，其包括: 信息采集与数据预处理单元，用于采集微电网各单元模拟量和开关量数据、天气信息、相量数据，以及相连电网的能量管理系统数据；结合CM模型，管理微电网历史断面信息，进行数据挖掘预处理，为下一步的应用提供整合的模型、图形和参数； 网络分析单元，用于结合所述整合的模型、图形和参数，进行基于混合量测的微电网状态估计，求取微电网状态变量；根据微电网状态变量以及控制变量，并结合微电网各单元设备的健康状态，进行风险分析评估和灵敏度分析，预测潜在的故障，量化消除潮流越限故障的调整因素；通过预警与报警模块，将危险、故障情况以声、光方式警示，并迅速地采取相应的预防措施或者进行紧急控制；所述混合量测包括SCADA量测和PMU量测； 能量优化单元，用于根据所述微电网状态估计的信息，结合微电源发电预报、负荷预报、储能单元能量状态预报以及系统运行分析，进行微电网的能量流管理； 其中，所述信息采集与数据预处理单元包括: SCADA模块，用于SCADA数据采集与监视控制，其中，所述SCADA数据采集包括微电网各单元模拟量和开关量、天气信息的采集，所述监视控制包括设备控制、测量、参数调节； PMU模块，用于相量数据的同步采集；所述相量数据包括配置相量测量装置的节点和输电线路的电压相量、电流相量； CIM模型，用于描述微电网各单元之间的关系及其逻辑结构，实现微电网能量管理系统内部以及不同能量管理系统之间的信息交换与共享； 历史断面管理模块，用于基于所述SCADA模块采集的数据、PMU模块采集的相量数据、以及相连电网的能量管理系统数据，结合CM模型，进行数据挖掘预处理，整合微电网历史断面信息，所述微电网历史断面信息，是历史时刻的微电网模型结构、运行状态和用电状况信息的集合； 所述网络分析单元包括: 网络拓扑分析模块，用于根据开关元件的开合状态，确定微电网系统中各元件的电气连接关系，并结合所述微电网历史断面信息，形成网络拓扑图； 基于混合量测的状态估计模块，用于在网络拓扑分析的基础上，依据所述SCADA模块采集的数据，以及PMU模块采集的相量数据，求取电网状态变量； 风险分析评估模块，用于量化微电网系统中引起随机性故障的因素，估计所述随机性故障后所带来的后果，建立能表征系统风险的量化指标并进行计算、分析，所述引起随机性故障的因素包括但不限于天气状况、元件状态； 灵敏度分析模块，用于利用灵敏度计算得出随控制变量发生变化而变化的状态变量两者之间的关系，用于对危险情况的预防控制提供快速的指导，同时为潮流越限故障的消除提供量化的调整依据； 所述能量优化单元包括: 负荷预报模块，用于根据所述微电网历史断面信息中的历史负荷数据，并考虑天气预报信息、日期类别，进行消耗电能的预测； 微电源发电预报模块，用于光伏功率预测和风功率预测； 储能单元预报模块，用于对储能单元的能量状态进行预测，以便于对微电网的能量转换和储存能力进行分析，所述能量状态包括储能单元储存的能量和释放的能量；微电网系统运行分析模块，用于根据来自所述网络分析单元的微电网状态估计信息，进行微电网的可靠性分析、电能质量分析和经济环保性分析； 微电网优化调度模块，用于综合微电源发电预报、负荷预报、储能单元能量状态的预报信息，在微电网系统运行分析和网络分析的基础上，针对系统不同的运行模式和控制目标，输出优化结果，对各单元给出具体的调度指令；所述的控制目标包括可靠性最优、经济环保性最优。
2.根据权利要求1所述的微电网能量管理系统，其特征在于，所述可靠性分析是在基于风险分析评估和灵敏度分析得出的系统安全状况的基础上，针对微电网孤岛运行模式，分析微电网系统未能满足的负荷需求与评估分析期内总负荷需求的比值。
3.根据权利要求1所述的微电网能量管理系统，其特征在于，所述电能质量分析至少包括对电网电压、电网谐波、电网电压三相不平衡、无功平衡的影响、以及光伏并网注入的直流分量对微电网的影响中的其中一种。
4.根据权利要求1所述的微电网能量管理系统，其特征在于，所述经济环保性分析至少包括经济效益、环境效益及其综合效益分析中的其中一种，所述综合效益为经济效益与环境效益的总和。
5.根据权利要求1-4任一项所述的微电网能量管理系统，其特征在于，所述微电网各单元分别为微电源、储能单元、负荷单元、开关元件、继电保护装置、变流器、输电线路。
6.根据权利要求1-4任一项所述的微电网能量管理系统，其特征在于，所述状态变量为节点电压幅值和相角，所述控制变量包括微电源的有功和无功输出功率、以及微电源的输出端端电压。
7.根据权利要求1-4任一项所述的微电网能量管理系统，其特征在于，所述优化结果包括微电源功率、储能单元充`/放功率、微电网与大电网间的交互功率、可控型负荷投/切功率。
8.一种微电网能量管理方法，其特征在于，其包括以下步骤: 步骤1、采集微电网各单元模拟量和开关量数据、天气信息、相量数据，以及相连电网的能量管理系统数据；结合CM模型，管理微电网历史断面信息，进行数据挖掘预处理，为下一步的应用提供整合的模型、图形和参数； 步骤2、结合所述整合的模型、图形和参数，进行基于混合量测的微电网状态估计，求取微电网状态变量；根据微电网状态变量以及控制变量，并结合微电网各单元设备的健康状态，进行风险分析评估和灵敏度分析，预测潜在的故障，量化消除潮流越限故障的调整因素；通过预警与报警模块，将危险、故障情况以声、光方式警示，并迅速地采取相应的预防措施或者进行紧急控制；所述混合量测包括SCADA量测和PMU量测； 步骤3、根据所述微电网状态估计的信息，结合微电源发电预报、负荷预报、储能单元能量状态预报以及系统运行分析，进行微电网的能量流管理； 其中，步骤I包括: 步骤11、SCADA数据采集与监视控制，其中，所述SCADA数据采集包括微电网各单元模拟量和开关量、天气信息的采集，所述监视控制包括设备控制、测量、参数调节； 步骤12、相量数据的同步采集，所述相量数据包括配置相量测量装置的节点和输电线路的电压相量、电流相量；步骤13、描述微电网各单元之间的关系及其逻辑结构，实现微电网能量管理系统内部以及不同能量管理系统之间的信息交换与共享； 步骤14、基于所述SCADA模块采集的数据、PMU模块采集的相量数据、以及相连电网的能量管理系统数据，结合CIM模型，进行数据挖掘预处理，整合微电网历史断面信息，所述微电网历史断面信息，是历史时刻的微电网模型结构、运行状态和用电状况信息的集合； 所述步骤2包括: 步骤21、根据开关元件的开合状态，确定微电网系统中各元件的电气连接关系，并结合所述微电网历史断面信息，形成网络拓扑图； 步骤22、在网络拓扑分析的基础上，依据所述SCADA模块采集的数据，以及PMU模块采集的相量数据，求取电网状态变量； 步骤23、量化微电网系统中引起随机性故障的因素，估计所述随机性故障后所带来的后果，建立能表征系统风险的量化指标并进行计算、分析，所述引起随机性故障的因素包括但不限于天气状况、元件状态； 步骤24、利用灵敏度计算得出随控制变量发生变化而变化的状态变量两者之间的关系，用于对危险情况的预防控制提供快速的指导，同时为潮流越限故障的消除提供量化的调整依据； 所述步骤3包括: 步骤31、根据所述微电网历史断面信息中的历史负荷数据，并考虑天气预报信息、日期类别，进行消耗电能的预测； 步骤32、光伏功率预测 和风功率预测； 步骤33、对储能单元的能量状态进行预测，以便于对微电网的能量转换和储存能力进行分析，所述能量状态包括储能单元储存的能量和释放的能量； 步骤34、根据来自所述网络分析单元的微电网状态估计信息，进行微电网的可靠性分析、电能质量分析和经济环保性分析； 步骤35、综合微电源发电预报、负荷预报、储能单元能量状态的预报信息，在微电网系统运行分析和网络分析的基础上，针对系统不同的运行模式和控制目标，输出优化结果，对各单元给出具体的调度指令；所述的控制目标包括可靠性最优、经济环保性最优。
【文档编号】H02J13/00GK103633739SQ201310618411
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】崔琼, 舒杰, 吴志峰, 黄磊, 姜桂秀, 张继元 申请人:中国科学院广州能源研究所