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摘要：為了形成穩定性、可靠性強的微電網能量管理系統，以物聯網為基礎，利用優化粒子群的算法，進而形成物聯網分布式智能電源的管理系統。系統中負責控制的主體采用微網分層控制體系，底層為分布式電源系統負責雙閉環控制，上層為能量優化算法。通過智能化的管理，促使整個系統運行具有較高的經濟性和可靠性，使提高微電網綜合效益的目標得以實現，帶來較好的工程價值。
關鍵詞：物聯網；分布式電源；智能；粒子群算法；雙閉環控制
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。
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。
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
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。
6系統配置
本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：
圖1典型微電網能量管理系統組網方式
7系統功能
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。
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。
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。
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。
圖13風電系統界面
8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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翟雪玲，女，現任職與安科瑞電氣股份有限公司。
