微网监控系统介绍

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微网监控系统介绍

微电网监控系统在微电网系统中处于核心地位,是对微电网执行测量、监视、控制、保护以及高级策略实现的监控系统。在实现微电网的实时能量调度与管理、跟踪、监测等方面有举足轻重的作用。

微网监控系统介绍


      微电网监控系统在微电网系统中处于核心地位,是对微电网执行测量、监视、控制、保护以及高级策略实现的监控系统。在实现微电网的实时能量调度与管理、跟踪、监测等方面有举足轻重的作用。

1、系统拓扑

图1 微电网系统拓扑用例(并网型)


  1.1 系统拓扑结构

        微电网系统采用三层拓扑结构:

        ● 微电网执行层:分布式发电单元、智能网关断路器、负荷等。

        ● 微电网协调层:微网中央控制器。

        ● 微电网管理层:能量管理系统、SCADA监控系统。

        其中,分布式发电单元有风力发电系统、光伏发电系统、储能系统等;负荷系统由必须保障的重要负荷和其他可切除的非重要负荷,系统中的各微源都要接受微网中央控制系统的调度,并网型微电网既可以并网运行,也可以脱离大电网孤岛模式运行。

  1.2监控系统特点

       a) 监控系统具备并网和孤岛两种运行模式控制算法,并且可以控制两种运行模式间实现平滑切换。

       b) 系统采用三层控制架构(能量管理及监控层,中央控制层和底层设备层),既能向上级电力调度中心上传微电网信息,又能接收调度下发的控制命令。

       c) 系统可对负荷用电进行长期和短期的预测,通过预测分析实现对微电网系统的高级能量管理,使微电网能够安全经济运行。

       d) 系统支持IEEE1588微秒级精确时钟同步。

       e) 支持B/S和C/S结构,支持多任务、多用户,前/后台实时处理。


2、监控系统功能

      微网监控系统由微网中央控制器(MGCC)、能量管理系统及SCADA监控系统组成。

图2 微网监控系统功能框图

2.1微网中央控制器(MGCC)

图3 微电网中央控制器

      微电网中央控制器主要对系统中分布式电源、储能、负载等底层设备及节点信息进行数据采集并按管理层策略做出实时控制,实现微网系统安全运行及经济利益的最优化,主要功能有:

      ● 对执行层的分布式电源、储能系统、负荷及节点进行数据采集、监控,分析及控制。

      ● 可智能分析管理层下发的微网控制策略进行实时控制,确保微电网稳定运行。

      ● 可实现二次调频调压、预同步、并离网平滑切换、孤岛监测等算法。

2.1.1实时控制

MGCC的实时控制包含开关量/模拟量控制、二次调频调压算法、预同步算法、并离网平滑切换算法、黑启动算法等微网控制策略。

            

a)二次调频算法                                                                B)二次调压算法


图4 二次调频调压算法实验

图5 预同步并网实验波形

图6 微网系统计划性并网切孤岛实验波形

2.1.2黑启动

      如果系统因扰动造成了崩溃,使得所述微电网不能从大电网脱离并继续运行于孤岛模式,并且如果系统不能够在一个指定的时间内恢复,那么系统恢复的第一步就是本地黑启动。

      MGCC的一个显著特色是具备黑启动及启动后重连功能。微电网的恢复过程与一个中等规模电网的恢复过程有些相似的地方,即:需要几个具备黑启动能力的源与备用电源以及MGCC的嵌入式监控和控制方案。黑启动功能基于一组预先确定的规则,嵌入控制中心中。

当主网发生故障时,微电网可能从主网断开连接,并接入尽可能多的分布式发电单元工作。重新接入主网过程中,需要谨慎考虑乱相重合闸问题。黑启动功能将有助于存在大量分布式发电时的有效运转。


2.2能量管理系统

      能量管理系统是微电网的最上层管理系统,主要对微电网的分布发电单元设备的发电功率进行预测,对微电网中能量按最优的原则进行分配,协同大电网和微电网之间的功率流动,主要功能:

      ● 对微电网内的分布式电源、储能系统和负荷进行监控,数据分析。

      ● 基于数据分析结果生成实时调度运行曲线。

      ● 根据预测调度曲线,制定合理的功率分配曲线下发给微网中央控制器。

图7 微电网能量管理系统信息流示意图

      智能微电网能量管理系统是一套由预测模块和调度模块组成的能量管理软件,其主要目的是根据负荷需求、天气因素、市场信息以及电网运行状态等,在满足运行条件以及储能等物理设备的电气特性等约束条件下,协调微电网系统内部分布式电源和负荷等模块的运行状态,优化微电源功率出力,以最经济的运行成本向用户提供满足质量的电能。智能微电网能量管理系统具有预测微电源出力、优化储能充放电、管理可控负荷、维持系统稳定、实现系统经济运行等功能。


      能量管理系统部分主要包括:

      ● 状态预测

      ● 经济调度

图8 能量管理系统流程

      预测模块可分为光伏预测和负荷预测两部分;经济调度模块在微电网并网的情况下,其优化目标函数为智能微电网运行费用,在微电网离网的情况下,其优化目标为系统稳定性和运行费用。


2.2.1系统特点

       a)并网情况下,系统采用智能微电网运行费用为优化目标,实现微电网经济运行。

       b)离网情况下,调度优化考虑稳定性和运行费用为优化目标,实现微电网多目标经济调度运行。

       c)系统能对光伏和负荷用电实施长期和短期的预测,能灵活地满足上级电网调度部门的需求。

       d)预测模块对数据库的采集数据进行初步处理,能有效剔除采集数据的错误值,能有效提高预测精度。

       随着大规模光伏等新能源并网容量的不断快速增加,其功率出力的间歇性和随机性,使微电网具有较高的穿透率。微电网负荷低、波动性大,负荷的突变对系统冲击较大。对微电网有效预测,能有效提高系统稳定性,减少备用设备,减少发电机的启停,降低储能电池的充放电。

       易事特能量管理系统预测模块主要由数据单元、预测算法单元组成。数据单元的主要功能是:对于数据库的采集数据进行初步处理,剔除错误值;预测算法单元起关键性作用,其主要功能是:由历史数据、预测数据和天气因素,代入预测算法,得到预测值。

图9 预测模块流程图

2.2.2光伏预测

      随着微电网有越来越高的穿透率,光伏预测有利于控制微电源出力;提高储能电池的利用率;有效减少发电机的启停,减少弃光伏功率现象,提高光伏功率利用率。

      能量管理系统中的光伏系统预测模块由光伏系统历史功率出力数据、光伏系统预测功率出力数据和天气因素(光照强度、温度),进行初步数据出力,剔除错误值,然后将数据代入预测算法,求出未来1小时的功率出力预测值,实现微电网的光伏系统功率预测。

图10 光伏系统光伏功率预测

      由图9可以计算得出,其平均绝对百分比误差 (MAPE)为0.19674,均方根误差(RMSE)为3.80273,希尔不等系数(Theil_IC)为0.132521。可以得出结论,光伏预测值与实际值比较接近。

2.2. 3负荷预测

      负荷预测是微电网能量管理系统的重要组成部分之一。微电网负荷水平低、惯性小、波动性较大,因此对微电网进行负荷预测,能减少负荷系统突变对微电网系统的冲击,减少系统不平衡功率,提高系统的稳定性。

能量管理系统中的负荷系统预测模块由负荷系统历史负荷值、负荷系统预测负荷值和天气因素(最高温度、平均温度、最低温度、最高湿度、平均湿度、最低湿度),代入预测算法,求出未来1分钟的负荷值,实现微电网的负荷系统负荷预测。

图11 负荷系统的负荷值

      由图10可以计算得出,其平均绝对百分比误差 (MAPE)为0.10847,均方根误差(RMSE)为69.8984,希尔不等系数(Theil_IC)为0.067950。负荷系统预测值与实际值比较接近。

2.2.4经济调度

      经济调度是指在满足可靠供电和足够电能质量的前提下,对电力系统费用进行优化,提高系统的经济性。通过调度微电源功率出力,能有效平衡储能电池的剩余容量,而不至于电池过放和过冲,有效延长储能电池的使用寿命。

      易事特能量管理系统中的经济调度模块主要由数据库单元、优化算法单元组成。数据库单元的主要功能是:维护微电网状态信息量,读取预测模块预测值;优化算法单元的主要功能是:根据微电网的状态信息量、以运行费用最少为优化目标,求出微电源的功率出力值。经济调度模块根据预测值和微电网状态信息量,并网情况下,以运行费用为目标函数;离网情况下,以稳定性和运行费用为目标函数,代入优化算法,求出调度指令。

图12 调度模块流程图

2.2.5结果分析

      能量管理系24小时预测调度运行情况:



        

a)24小时能量管理系统的预测调度                                      b) 24小时储能的SOC变化

图13 能量管理系统24小时预测调度曲线

      由运行情况可以看出,在低谷时段(0:00-8:00),系统负荷由电网提供,并且对储能电池进行充电(假设储能#1为一次性电池)。在高峰时段和平时段,储能电池对系统提供一定的电能,减少向电网购电,降低运行成本。

图14 微网系统并网运行时PCC点功率波动抑制实验波形

2.2.6SCADA

      微电网SCADA主要完成微电网系统组态配置、采集数据、运行状态实时显示及控制管理,包括光伏发电单元的有功/无功功率调度、系统储能管理、潮流显示、故障告警保护管理、数据报表管理等。

图15 微网SCADA系统拓扑组态用例

图16微电网能量潮流分析显示



图17微源信息界面



系统性能指标

 ●  系统容量

     1)   遥信量       ≥10000点

     2)   遥测量       ≥300000点

     3)   遥控量       ≥32767点

     4)   计算量       ≥5000点

 ●  系统实时性

     1)   站内时间顺序记录分辨率(SOE)            ≤2ms

     2)   MGCC数据采集时间(每50台设备)           ≤20ms

     3)   MGCC控制命令从生成到输出的时间           ≤1s

     4)   SCADA画面实时数据更新周期模拟量          ≤2s

     5)   SCADA画面实时数据更新周期开关量          ≤2s

     6)   画面动态刷新时间                          1~10s用户可调

     7)   遥测数据扫描周期                          1~5s用户可调

     8)   计算机通信实时数据同步                   ≤2s

 ●  系统准确性

     1)   模拟量采集综合误差                       ≤0.5%

     2)   电网频率测量误差                         ≤0.005Hz

     3)   控制操作正确率                            =100%

     4)   遥控动作成功率                            =100%

     5)   遥测合格率                                =100%

     6)   事故时遥信年正确动作率                    =100%

     7)   系统可用率                                =100%

     8)   时钟同步对时精度                         ≤50μs

 ●  系统稳定性

     1)   系统平均故障间隔时间(MTBF)             ≥20000h

          (其中I/O单元模件MTBF≥50000h)

     2)   协调层测控单元平均无故障间隔时间         ≥50000h

     3)   各工作站的CPU平均负荷率:

           正常时(任意30min内)                 ≤30%

           电力系统故障(10s内)                 ≤50%

     4)   监控系统网络平均负荷率:

           正常时(任意30min内)                 ≤30%

           电力系统故障(10s内)                 ≤50%

     5)   系统完全启动时间                          <2min

     6)   系统年可用率                              >99.99%

     7)   系统使用寿命                              >10年

     8)   雪崩处理能力

     9)   系统最长恢复时间(含后台和远动工作站)    ≤5min

     10) 热备用双计算机的切换时间(人工)          ≤2s

     11) 双机故障切换时间(自动)                  ≤2~30s可调

 ●  数据分析处理能力

     1)   历史曲线采样间隔                           1-30min,可调 

     2)   历史曲线日报,月报储存时间                ≥1年

     3)   事故追忆

           事故前:                              ≥1min

           事故后:                              ≥2min

     4)   二次调频误差                              ≤±0.05Hz。

     5)   二次调压误差                              ≤±1V。

     6)   二次调频调压时间                          ≤2s

     7)   预同步时间                                ≤5s

     8)   孤岛检测响应时间                          ≤2s。

     9)   光照预测准确度                            ≥75%。

     10) 负荷预测准确度                            ≥70%。

     11) 实时优化指令周期                           1~10分钟可调

     12) 潮流分析准确性                            ≥99%

     13) 潮流异常报警响应时间                      ≤1s




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