0引言

我國電網系統發展至今，已經逐漸形成了大網絡架構的電網形式。通過采取集中供電的方式，能夠便于能源產地的布局規劃，控制經濟成本，但是在現實運用中，由于操作電源應用場合特殊，電力系統設備分布較廣泛，造成了電網系統工程龐大，聯網困難，逐漸遇到了、建設工程周期過長、系統結構復雜、故障影響較大、后期維護成本過高、信息采集不及時等不利因素。基于以上問題，隨著科技發展的進步，以及管理理念的提升，我國對分布式電源的重視程度逐漸提高，希望通過分布式電源為傳統電網系統進行良好的補充和完善。

所謂分布式電網是由多個微小電網或電力系統組成，各個電力系統按照自己的位置劃分，為自己的區域提供電力能源，這樣的分布方式能夠提高整套電網系統的靈活性，減小線損，能源的分布形式更多樣化，一旦出現故障，也能較大地縮小負面影響。

分布式電網中供電形式多種多樣，而且彼此獨立，互不干涉。因此，可以根據需要在分布式電網中放置一些智能電源或者綠色電源，進一步推動電網的智能化和綠色化升級。

1基于物聯網的分布式智能電源管理設計

通過無線傳感器技術、RFID技術、定位技術等，物聯網可以實現自動識別、感知、采集相關重要信息。利用各種電子信息傳輸技術，將收集到的這些重要信息進行匯總，統一存入線上信息網絡中，并利用數據挖掘、云計算、模糊識別以及語義分析等各種智能計算方式，對電力系統中的一些設備運行參數進行分析融合。這套管理體系以物聯網為基礎，并分為三層結構：感知層、通信層、應用層。

感知層主要是感知被管理對象的相關基本特征，采用的主要技術是無線傳感網或現場總線；通信層主要是實現遠程監控和底層數據進行通信的能力，采用的主要技術是3G、4G，未來可能有5G通信網以及有線公共通信網；應用層主要是指運用計算機應用技術所實現的其他應用功能。

基于物聯網的分布式智能電源管理主要利用了物聯網的分層技術，整體采用感知層、通信層、應用層這三層結構。其中感知層作為底層結構，主要是對分布式電源中的逆變器、并離網控制器、低壓監測等設備進行實時采集，采集的信息主要包括開關量、模擬量等重要數據，從而實現對整個分布式微電網的運營監控。

在通信設備基礎條件較好的區域，通信層可以利用有線互聯網，而在較偏遠地區或特殊區域，有線網絡安裝不到的地方，可以選擇使用3G、4G，甚至5G網絡。對數據的處理主要是在應用層，可以為用戶提供交互功能，需要兼備數據處理功能和較佳的遠程協調控制功能。

隨著技術的進步，在現實運用過程中，為了使管理效果得到進一步提升，設計當中往往會將感知層逆變器采用雙閉環控制，提高對電力系統的控制；應用層則會采用粒子群算法來實現能量的優化配置，從而保障整個電網系統的協調配置運行。

2基于物聯網的分布式智能電源管理的內外環控制方式

基于物聯網的分布式智能電源管理，采用分層控制的設計方案，由于智能電源在接入大電網時，需要在電壓、功率、頻率等指標上與大電壓保持協調，因而感知層將會使用雙閉環控制器，主要控制逆變器。

具體而言，為了保持智能電源與大電網的協調性，采用雙閉環控制的方式實現內外環管理控制功能。外環控制上，主要控制分布式智能電源的輸出功率，確保系統在分布式電源的電壓指標，即便偶爾遇到波動變化，也能夠保證恒定的功率，向大電網輸出電能源；內環控制主要是控制電流，通過智能化的手段，形成一整套智能電源系統，能夠幫助電網獲得良好的適應性能。內、外環控制方式的具體控制體系，如圖1所示。

圖1雙環控制系統結構圖

PQ控制模型作為外環功率控制模式的主要采用方式，能夠恒功率進行控制，控制方法較為簡單，適用分布式電源系統在并網時的功率控制。目前，PQ控制模型一般使用的是DQ變換的前饋解耦PQ控制系統，這種控制方式自身也含有兩個控制環系統功能。

內環控制系統采用電流采集的參數，在所定義的DQ坐標體系中，可以進行空間的矢量變換，將三相靜止坐標系下的網絡拓撲結構變換成兩相同步數學模型；外環是以公共網絡所需要的有功率和無功率為對象，經解析和計算，得出的電流和電壓值，并將這種參考的變量以反饋控制的形式傳達給內環電流和電壓值，從而控制電流和電壓值在所需范圍內。內環電流能夠保證外環持續在一個恒定的功率內運作，在基于物聯網的分布式智能電源管理的內外環控制設計的過程中，采用移動智能體的技術來完成。

Agent移動方式的具體結構框架如圖2所示。圖2表明，Agent移動方式結構可以分為知識庫、內部情況、操作目標三大獨立的數據模塊體系。這三個體系之間，作為數據的實體，能夠通過對環境變化的應對進行自主修改，具有良好的適應能力。在物聯網的分布式智能電源管理系統中，每個Agent移動方式都能夠利用傳感器對外部環境進行預知和感受，對根據內部狀態收集到的信息加以融合，產生對于修改狀態的指令描述，再借助知識庫的設計指揮，進行目標規劃，在目標的指引下，形成一整套動作，通過感應器對環境進行反應，再產生功能操作。具體如圖2所示。

圖2 Agent移動方式的具體結構

3分析上層粒子群算法系統

運行過程中，為了進一步加強對上層控制的能力，物聯網分布式智能電源管理系統將采用上層粒子群算法，從而實現分布式智能電源管理的協調。對上層粒子群算法的具體描述，可以表達為：在多維目標的空間搜索中，由多數個粒子所組成的群，這些粒子群能夠在一定范圍內飛行。飛行中的粒子可以根據經驗以及其他粒子飛行的方式不斷地調整自己的方向和速度，以此形成種群的協調效果。當n+1次代粒子m的飛行位置可以表示為多維空間內一個頂點坐標時，其位置量、速度向量、個體解、全局解、更新速度和位置都可計算得出。

雖然相關的計算公式較為復雜，但是相較于原有的對于粒子跟蹤的無法實現而言，已經更為簡單，涉及的參數也很少，基本粒子能夠實現對數據的跟蹤和預知。

4基于物聯網的智能分布直流操作電源系統的結構與功能

在對物聯網分布式智能電源進行管理時，可以將這種系統設計為集計算系統、高效智能管理系統和物聯網系統于一身的智能分布直流電操作電源管理系統，實現效率高、易維護、風險低的智能化電網自動配網設備管理，使電力供應獲得更高的性價比。

基于物聯網的智能分布直流操作電源系統，通過利用高速的核心控制平臺，在計算機嵌入式控制中實現特定算法，從而對數據進行處理和分析，對整個電力系統進行智能控制和協調。其中涉及的高效電源可以自動根據負電荷情況調整相應的供電輸入模式，實現蓄電池供電和交流電源供電，靈活變換的處理方式，提高電源的可靠性。這套智能管理方式能夠幫助儲備的電池進行自主充電管理，實時在線監測系統，時刻監測儲備電池的電壓、溫度和內阻的變化情況，來判斷它的狀態。物聯網中的無線通信系統會對電源遠程物聯管理，將得到的每一個信息進行分享和利用，實現遠程智能化互動化的管理目標。在這套系統中還有人機互動界面，現場監控系統通過人機界面對系統中的輸出輸入電壓電流、電池內阻、溫度等進行實時參數監控。

系統主要模塊的技術是基于嵌入式計算機控制系統進行核心處理，使整個處理模式能夠協調運作，控制所有模塊在有序穩定的范圍內開展工作，高效完成各類算法，對系統進行實時監控和保護，促進人機互動的同時，盡可能完成自主化運營。

5系統概述

5.1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，全天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。

5.2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

5.3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。

5.4型號說明

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，并展示當前電芯的大、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

7.3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、回路或設備規定時間的運行參數，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

7.6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、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/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、大值、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，存儲事故前面10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規定和隨意修改。

圖29事故追憶

7結束語

基于物聯網的分布式智能化電源管理研究，已經成為業界人士和電力系統的研究重點。本文結合實際運用中分布式智能電源的協調操作相關原理、實現情況、積極的作用和可以采用的設計方案，進行了詳細的闡述。在充分展示研究資料的基礎上，明確以粒子群算法作為主要控制原則，介紹了以PQ控制為核心的雙閉環控制模式和基于物聯網的智能分布直流操作兩種方式，相較于其他控制方法，獲得更好的準確性、效率性和可靠性。為電源管理的研究提供一些積極的理論建議，供業界人士參考。

參考文獻

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