分布式能源微网控制保护和能量管理解决方案

微网是指能实现自我控制、保护和管理的，自制的微型电网系统，其既可并入大电网运行，又能脱离大电网独立运行。微网的出现源于分布式新能源的发展和能源高效利用的需求，其具有能源种类多样且具有间歇性，电网结构分散、运行方式复杂多变、稳定性弱等特点，这对微网的控制保护和能量管理提出了较高的要求。

微网控制保护技术是是微网技术的关键，需要克服微网系统运行灵活多变，扰动频繁的难点。微网的保护不同于常规电网保护装置，特别是低压配电系统，传统的常规低压配电系统并不设置复杂的继电保护装置，只针对具体回路配置电流电压保护，而微网由于包含了大量的分布式电源，其潮流和短路电流随不同运行方式而时刻变化，因此传统的低压配电保护方式不能满足其保护的需要。

微网的控制的主要功能是微网中网络结构发生变化或者出现故障时，控制系统能够及时协调各微电源之间运行方式或出力，控制微网的运行状态，以保证微网安全有效的运行，保证在任何情况下都可以对负荷优质供电。

微网能量管理系统（MEMS）是电网特定应用环境下的能量管理系统，其隶属于大电网能量管理系统的一部分，但其部分功能又相对独立于大电网的能量管理系统，从微网角度看，MEMS主要功能应满足微网内高效、经济、安全、可靠运行的需要，协调优化微网内各分布式电源、负荷、以及各种调节设备运行;同时，又要满足上级电网和用户对微网的管理和控制保护要求。

随着微网的推广应用，微网控制、保护、能量管理技术将得到深入的研究和探索。

1 系统组成

本文提出分布式能源微网控制保护和能量管理解决方案，该解决方案可用于解决微网在不同运行模式下的控制和保护，以及微网系统的高级能量管理，适用于并网型或离网型微电网系统。

图1 MEMS体系结构图

本文提出的微电网技术解决方案由微电网控制保护装置和能量管理系统组成。其中微网控制保护装置包括可编程逻辑控制器CPU，单片机继保模块、数字量模拟量数据采集设备，电能参数采集设备，总线通讯设备，光纤通讯设备、显示屏组成。

能量管理系统包括交换机、前置服务器、历史数据服务器、用户工作站、GPS卫星对时装置、液晶显示器、不间断电源、数据库软件、MEMS系统软件等。

图2 控制保护系统拓扑结构图

图3 能量管理系统拓扑结构图

2 系统功能

微网控制保护柜和微网能量管理解决方案实现功能如下：控制保护一体化功能：并离网运行模式间的切换控制;离网模式下的电压\频率稳定控制;分布式电源与储能系统的协同控制;并网功率交换控制;黑启动控制;防孤岛保护，三段定时限电流保护，过负荷保护，反时限过流保护，零序保护，电压保护，低频减载保护，重合闸等;微网与配网的配合保护;

能量管理系统功能：不同类型储能系统的运行效率与经济型技术分析;不同类型分布式发电源的运行效率和经济性的计算分析;微网内可再生电源的出力预测如光伏发电预测、风力发电预测、储能发电预测等;多种分布式能源经济调度与控制; 冷、热、电三联供系统的冷热电优化调度与控制;微网适应电价机制、削峰填谷等的运行方式与控制策略。

3 系统特点

控制保护平台功能强大，可扩展，适应性强，方便系统集成和结构更改;控制平台支持IEC61850通讯协议;微网在并网、孤网两种模式切换条件下保护控制系统的自适应技术;防护等级满足户外需求，工作温度-25~55°，低温下自加热，能适应各种恶劣环境条件;控制器在整体设计方面充分考虑电磁环境的影响，大大提高了抗干扰性能;能量管理系统具有良好的开放性和可扩展性，方便进行功能扩展以及功能升级;能量管理系统采用移动客户端技术，支持远程运行维护;能量管理系统提供了完善的人机界面，实现在通用平台的基础之上通过统一的接口方式进行协作，从而实现微网内设备“即插即用”的灵活集成。

4 使用范围

适用于风、光、储、柴发、燃机等多种分布式能源组建的微网系统;适用于不同分布式能源组成的并网型或离网型微网供电系统;适用于冷热电三联供微网系统;适用于区域微网集成系统。

5 实际应用情况

5.1 上海电气输配电集团微电网示范系统

上海电气输配电集团微电网示范系统是一个小型的微电网实验平台，在公司办公楼配电系统基础上构建一个含光伏、储能、柴油发电机、DVR、APF的微网系统。该平台主要研究微网控制保护一体化和能量管理系统的应用，研究微网组网技术、孤岛控制技术和混合模型与在线仿真技术。

图4 上海电气输配电集团微电网示范系统图

5.2西湖科技园区微电网示范系统

西湖科技园区微电网示范系统是多能源互补分布式能源系统集成及测试实验平台。该实验平台，将实现电力自发自用、智能控制、多余上网、余缺网补;冷热联供，梯级利用的典型分布式能源运营方式。

该平台建立国内领先、国际高水准的分布式能源和微电网集成技术的试验、研发、示范一体化平台，为进一步研究和探索分布式能源和微电网在应用、推广、运营中的关键技术和核心问题提供支持。

图5 西湖科技园区微电网示范系统图

6 结论

本文提出的微网控制保护和能量管理解决方案，是基于分布式能源微网系统的三层系统架构模式，可应用有多种分布式能源组成的微电网系统，可以解决微网孤岛、并网、孤岛并网模式切换下的控制和保护，以及微网系统的高级能量管理，适用于并网型或离网型微电网系统。