孫景釕，楊建華，李 琦，項(xiàng)燁鋆，胡長(zhǎng)洪，趙 碚

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

微電網(wǎng)作為由分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷及控制裝置構(gòu)成的獨(dú)立可控供能系統(tǒng)，是發(fā)揮分布式電源效能的最有效形式[1-4]。海島擁有豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能等資源，且海島電網(wǎng)一般規(guī)模較小，具備微電網(wǎng)全島覆蓋的可行性，因此微電網(wǎng)技術(shù)在海島得到了快速發(fā)展[5-8]。目前，我國(guó)已有多個(gè)海島微電網(wǎng)示范工程建成投運(yùn)，浙江溫州也已實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)在南麂島和鹿西島的全覆蓋[6-10]。

智能用電系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是體現(xiàn)智能電網(wǎng)友好互動(dòng)的核心[11-13]。將智能用電系統(tǒng)應(yīng)用于海島微電網(wǎng)中，除了可以充分發(fā)揮智能用電系統(tǒng)自身固有的優(yōu)越特性外，還可以將其某些功能為海島微電網(wǎng)控制系統(tǒng)所使用，實(shí)現(xiàn)與海島微電網(wǎng)的有效互動(dòng)，豐富海島微電網(wǎng)的控制手段，同時(shí)也符合當(dāng)前建設(shè)綠色海島、智能海島的發(fā)展要求。

目前，針對(duì)智能用電系統(tǒng)和微電網(wǎng)之間交互運(yùn)行的研究還比較少，現(xiàn)有研究主要側(cè)重于在智能用電小區(qū)中接入微電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，即將微電網(wǎng)系統(tǒng)作為智能用電小區(qū)的組成部分[14-19]。本文則是將智能用電系統(tǒng)作為一種交互控制手段，融入到海島微電網(wǎng)的整體控制策略中，通過微電網(wǎng)側(cè)主動(dòng)性交互和用戶側(cè)主觀性交互研究，可以直接或間接地保證海島微電網(wǎng)更加經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

1 海島智能用電系統(tǒng)構(gòu)建

海島智能用電系統(tǒng)按照3層組織結(jié)構(gòu)有序地構(gòu)建，分為終端層、傳輸層和應(yīng)用層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 海島智能用電系統(tǒng)組織架構(gòu)

終端層主要由各種分散分布的終端設(shè)備組成，根據(jù)設(shè)備層級(jí)分為家庭級(jí)能量管理單元和智能小區(qū)級(jí)能量管理終端。家庭能量管理單元實(shí)現(xiàn)與上級(jí)單元的雙向互動(dòng)，可采集用戶家庭照明、家電等各種設(shè)備的用電信息以及煙霧報(bào)警器、燃?xì)鈭?bào)警器等安全檢測(cè)裝置的安防信息，并向上級(jí)單元傳送；此外，它還能接收上級(jí)單元下發(fā)的控制命令，并對(duì)電價(jià)等電網(wǎng)信息做出響應(yīng)，以達(dá)到對(duì)海島分布式電源合理利用的目的。智能小區(qū)能量管理終端則對(duì)智能小區(qū)內(nèi)的家庭能量管理單元進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的匯集、傳送，并向家庭能量管理單元下發(fā)主站系統(tǒng)的控制指令及電網(wǎng)信息。

傳輸層利用有線或無(wú)線通信信道，為分散分布的終端層設(shè)備和應(yīng)用層的信息互換提供鏈路基礎(chǔ)，以完成終端層和應(yīng)用層之間的通信。

應(yīng)用層即為海島智能用電主站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全島智能小區(qū)能量管理終端及家庭能量管理單元的集中管理和展示，提供實(shí)時(shí)電價(jià)等信息的下發(fā)、用戶能效分析和管理等功能，并與海島微電網(wǎng)控制中心進(jìn)行信息交互，為海島微電網(wǎng)控制中心的負(fù)荷控制決策提供數(shù)據(jù)支撐，并將負(fù)荷控制策略下發(fā)到終端設(shè)備進(jìn)行執(zhí)行。

主站系統(tǒng)主要包括前置數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和應(yīng)用服務(wù)層。前置數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)的收集和下發(fā)，按既定通信協(xié)議解析數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理；數(shù)據(jù)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)上送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，并與海島微電網(wǎng)控制中心進(jìn)行信息的協(xié)同和互通；應(yīng)用服務(wù)層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯，包括智能小區(qū)的各種應(yīng)用。

2 微電網(wǎng)側(cè)主動(dòng)性交互研究

海島智能用電系統(tǒng)通過長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)采集，建立不同類型用戶能耗模型，掌握用戶用電行為和用電習(xí)慣，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析形成海島微電網(wǎng)的負(fù)荷綜合特性，包括不同季節(jié)、不同天氣條件、某一天的不同時(shí)段等多維度的負(fù)荷特征，并將其作為海島微電網(wǎng)控制中心的重要控制參數(shù)。

海島微電網(wǎng)控制中心利用智能用電系統(tǒng)得到的負(fù)荷綜合特性，結(jié)合微電網(wǎng)內(nèi)部風(fēng)機(jī)、光伏等分布式電源的發(fā)電預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與智能發(fā)電系統(tǒng)的主動(dòng)交互。具體過程為：根據(jù)負(fù)荷特性合理制定微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制策略，并利用智能用電系統(tǒng)的特點(diǎn)，將微電網(wǎng)的切負(fù)荷控制深入到家庭用戶，細(xì)化切負(fù)荷量，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行情況下的聯(lián)絡(luò)線定功率控制、離網(wǎng)運(yùn)行情況下的穩(wěn)定控制以及并離網(wǎng)運(yùn)行模式的切換控制等功能。

2.1 海島負(fù)荷分類

智能用電系統(tǒng)將參與微電網(wǎng)控制中心切負(fù)荷控制策略的全島負(fù)荷按照統(tǒng)一原則進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分類，可綜合用戶的重要程度、可切容量等因素將負(fù)荷分為3類，第1類負(fù)荷優(yōu)先級(jí)最高。當(dāng)海島微電網(wǎng)控制中心需要通過智能用電系統(tǒng)切負(fù)荷時(shí)，優(yōu)先切除第1類負(fù)荷，若不足再切除第2類負(fù)荷，依此類推。若海島上的工商業(yè)用戶也納入智能用電系統(tǒng)，則將工商業(yè)用戶列為第1類負(fù)荷，優(yōu)先切除工商業(yè)用戶負(fù)荷，以保證居民生活用電。對(duì)于各種類型用戶，在各自所屬類型范圍內(nèi)按可切負(fù)荷容量再進(jìn)行優(yōu)先排序，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算可切負(fù)荷量，優(yōu)先控制可切負(fù)荷容量大的用戶，以達(dá)到最優(yōu)的控制效果。

2.2 交互策略實(shí)現(xiàn)

海島微電網(wǎng)控制中心在與智能用電系統(tǒng)交互時(shí)，接收的負(fù)荷信息和下發(fā)的控制命令按照智能用電系統(tǒng)架構(gòu)分層次有序進(jìn)行。智能用電主站系統(tǒng)匯總各智能小區(qū)能量管理終端上送的負(fù)荷信息，得到全島當(dāng)前各類可切負(fù)荷總量，并通過長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)分析形成海島的負(fù)荷綜合特性，同時(shí)將該類信息傳送到海島微電網(wǎng)控制中心。海島微電網(wǎng)控制中心根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷情況及負(fù)荷特性做出網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷預(yù)測(cè)，并結(jié)合分布式電源的發(fā)電預(yù)測(cè)，給出微電網(wǎng)的整體協(xié)調(diào)控制策略，當(dāng)需要進(jìn)行切負(fù)荷控制時(shí)，生成需切負(fù)荷量，并下發(fā)給智能用電主站系統(tǒng)。

智能用電主站系統(tǒng)將需切負(fù)荷量按照全島3類負(fù)荷總量依次分配，若優(yōu)先級(jí)較高的某一類負(fù)荷全切之后仍然不足，則將這一類負(fù)荷全部切除之后繼續(xù)選切下一類型負(fù)荷，被選擇的最后一類負(fù)荷根據(jù)各智能小區(qū)可切負(fù)荷容量按比例分配，使選切的負(fù)荷量精準(zhǔn)匹配微電網(wǎng)系統(tǒng)所需切除的負(fù)荷量。

假設(shè)第j類負(fù)荷是選擇的最后一類負(fù)荷，即智能用電主站系統(tǒng)按順序切除優(yōu)先級(jí)較高的前面幾類負(fù)荷后，剩余的需切量通過切除第j類負(fù)荷已經(jīng)足夠。在對(duì)各智能小區(qū)中的第j類負(fù)荷進(jìn)行分配選擇時(shí)，智能小區(qū)i的第j類負(fù)荷需切容量可按式（1）計(jì)算：

式中：Pxqj表示需切j類負(fù)荷總量；Pij表示第i個(gè)智能小區(qū)的j類可切負(fù)荷總量；n表示海島智能小區(qū)總數(shù)；dPij表示計(jì)算得到的第i個(gè)智能小區(qū)j類需切負(fù)荷量。

智能用電主站系統(tǒng)在計(jì)算得出各智能小區(qū)的各類需切負(fù)荷容量后，向相應(yīng)的智能小區(qū)能量管理終端發(fā)送dPij的切負(fù)荷信息。若j類負(fù)荷需要全切時(shí)，智能小區(qū)i的j類負(fù)荷需切容量就是j類負(fù)荷可切量，即dPij=Pij；若j類負(fù)荷只需要切除部分負(fù)荷時(shí)，dPij則按式（1）分配。

各智能小區(qū)能量管理終端對(duì)上與智能用電主站系統(tǒng)通信，計(jì)算本小區(qū)3類負(fù)荷的總量，上送給主站系統(tǒng)；對(duì)下與小區(qū)內(nèi)的家庭能量管理單元通信，接收家庭能量管理單元上送的3類負(fù)荷量信息其中即表示本小區(qū)第k個(gè)家庭能量管理單元的可切負(fù)荷量，且該家庭能量管理單元對(duì)應(yīng)的用戶負(fù)荷被設(shè)置為j類負(fù)荷。此外，智能小區(qū)能量管理終端還接收裝置故障和異常信息，以便在可切負(fù)荷量統(tǒng)計(jì)和發(fā)送切負(fù)荷命令時(shí)剔除此異常裝置。

智能小區(qū)能量管理終端接收各家庭能量管理單元各類負(fù)荷信息之后，針對(duì)同類負(fù)荷再動(dòng)態(tài)設(shè)置各自的切除優(yōu)先級(jí)。智能小區(qū)能量管理終端收到各類負(fù)荷的需切量之后，選切小區(qū)內(nèi)的各類負(fù)荷，按照第1類、第2類、第3類的順序選切，同類內(nèi)則再按照優(yōu)先級(jí)大小的順序選切。若全切某類負(fù)荷，則向該類型的家庭能量管理單元發(fā)送全切該類負(fù)荷的命令。若某類負(fù)荷夠切，則按照優(yōu)先級(jí)順序依次切除該類負(fù)荷，直到滿足需切量為止。智能用電系統(tǒng)與海島微電網(wǎng)控制中心之間的主動(dòng)交互過程如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)側(cè)主動(dòng)性交互策略實(shí)現(xiàn)

3 用戶側(cè)主觀性交互研究

海島微電網(wǎng)控制中心與智能用電系統(tǒng)除了進(jìn)行微電網(wǎng)側(cè)的主動(dòng)性交互外，還可以通過技術(shù)手段在用戶側(cè)實(shí)現(xiàn)主觀性交互。海島微電網(wǎng)控制中心將分布式電源發(fā)電預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)通過智能用電主站系統(tǒng)下發(fā)到用戶終端，使用戶可以整體上了解當(dāng)前及未來(lái)一段時(shí)間海島系統(tǒng)的電能裕度情況，并結(jié)合電價(jià)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，引導(dǎo)用戶更好地利用綠色能源。風(fēng)機(jī)、光伏等可再生能源的電價(jià)與常規(guī)能源發(fā)電方式不同，智能用電主站系統(tǒng)將綜合當(dāng)前不同類型能源的發(fā)電占比，實(shí)時(shí)下發(fā)電價(jià)信息，用戶可根據(jù)電價(jià)決定電力消費(fèi)量，避免因電價(jià)變化而帶來(lái)的額外支出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電價(jià)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。為了更好地體現(xiàn)用戶友好性，可考慮在終端設(shè)備上以指示燈的方式直觀地向用戶顯示當(dāng)前可再生能源的發(fā)電占比情況，如在風(fēng)光等可再生能源發(fā)電量較大時(shí)，顯示綠燈，表明當(dāng)前電價(jià)較便宜，鼓勵(lì)用戶多用電；反之，在可再生能源發(fā)電量較少時(shí)，顯示紅燈，提醒用戶需要合理安排生產(chǎn)生活等用電計(jì)劃。

這種交互方式屬于需求側(cè)響應(yīng)，需用戶主觀性參與，能夠更好地做到分布式電源發(fā)電與用電負(fù)荷之間的匹配，減少峰谷用電量的波動(dòng)，平滑海島系統(tǒng)的負(fù)荷曲線，實(shí)現(xiàn)海島微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度控制，間接地參與到海島微電網(wǎng)的控制策略，提高海島系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)可減少對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制，延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。

4 智能用電系統(tǒng)功能擴(kuò)展

為了更好地滿足與海島微電網(wǎng)控制中心的交互，智能用電系統(tǒng)除了滿足用電信息采集、用電分析和節(jié)能指導(dǎo)等基本智能用電業(yè)務(wù)應(yīng)用邏輯外，還需要進(jìn)行功能擴(kuò)展。

4.1 終端裝置集中監(jiān)視

在智能用電主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)終端裝置信息可視化集中分層展示。第一層為全局狀態(tài)監(jiān)視層，集中監(jiān)視海島智能用電負(fù)荷控制系統(tǒng)是否有異常、是否有終端裝置動(dòng)作等實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)；第二層為負(fù)荷控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視層，以系統(tǒng)內(nèi)各終端裝置通道關(guān)系圖為基礎(chǔ)，集中顯示終端裝置運(yùn)行狀態(tài)是否有異常、是否有動(dòng)作，可視化展示通道狀態(tài)等；第三層為終端裝置監(jiān)視層，以單體終端裝置為單位，可視化展示終端裝置采集元件允許切負(fù)荷壓板狀態(tài)、各用戶負(fù)荷可切量和負(fù)荷分類統(tǒng)計(jì)等信息。

（1）監(jiān)視裝置各項(xiàng)運(yùn)行信息，如裝置投退狀態(tài)、壓板狀態(tài)等。

（2）監(jiān)視裝置動(dòng)作狀態(tài)。裝置動(dòng)作后不僅在告警窗中顯示裝置動(dòng)作報(bào)告，還在畫面上顯示裝置動(dòng)作圖元。

（3）監(jiān)視裝置異常狀態(tài)。當(dāng)裝置發(fā)生任何異常后，不僅在告警窗中顯示裝置發(fā)生的具體異常描述，還在畫面上顯示裝置異常圖元，并支持在畫面上顯示裝置間通道的異常狀態(tài)。

4.2 負(fù)荷控制信息監(jiān)視與統(tǒng)計(jì)

實(shí)時(shí)監(jiān)視可切負(fù)荷用戶可切狀態(tài)和可切量，監(jiān)視統(tǒng)計(jì)各類可切負(fù)荷總量信息等；接收裝置上送報(bào)文，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作事件、各級(jí)切負(fù)荷裝置實(shí)際切負(fù)荷量的監(jiān)視。

（1）智能用電負(fù)荷控制系統(tǒng)運(yùn)行分析。通過實(shí)時(shí)和歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的挖掘、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷控制系統(tǒng)的分析。對(duì)主站、智能小區(qū)和家庭側(cè)用戶可切狀態(tài)和可切量進(jìn)行分析，給出可切負(fù)荷量的概率分布信息，支持以曲線形式進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)展示，并可按年、月、日等不同周期統(tǒng)計(jì)出歷史最大值和最小值出現(xiàn)的時(shí)間，協(xié)助海島微電網(wǎng)運(yùn)行人員把控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）負(fù)荷控制策略實(shí)時(shí)診斷及告警。獲取海島微電網(wǎng)當(dāng)前控制策略，評(píng)估系統(tǒng)實(shí)際可控制量是否足夠。若當(dāng)前策略需控制量大于實(shí)際可控制量時(shí)，認(rèn)為切負(fù)荷系統(tǒng)控制量不足，并發(fā)出告警信息。

（3）負(fù)荷控制系統(tǒng)超前預(yù)警?；诋?dāng)前可切負(fù)荷量和負(fù)荷預(yù)測(cè)信息，結(jié)合歷史運(yùn)行信息，快速預(yù)測(cè)未來(lái)可切負(fù)荷總量，若不滿足要求則給出告警信息。

5 結(jié)語(yǔ)

海島用戶在區(qū)域分布上一般比較集中，且用戶數(shù)量不會(huì)太多，智能用電系統(tǒng)具備在海島上大規(guī)模應(yīng)用甚至全部覆蓋的條件，規(guī)?；瘧?yīng)用的智能用電系統(tǒng)與微電網(wǎng)的交互將更有效。因此，將智能用電系統(tǒng)和微電網(wǎng)技術(shù)作為一個(gè)整體在海島上進(jìn)行推廣應(yīng)用具備可行性，這也為未來(lái)海島智能微電網(wǎng)的發(fā)展提供了思路。此外，在具備條件的海島，還可將電動(dòng)汽車網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的可控負(fù)荷納入智能用電系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其充換電行為的更有序控制及與微電網(wǎng)系統(tǒng)的深入融合協(xié)調(diào)，進(jìn)一步拓寬海島智能微電網(wǎng)的發(fā)展模式。