微电网能量管理与优化调度的研究分享

胡冠楠 Acrelhgn

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：本文探讨了微电网的能量管理与优化调度问题，强调了其在能源领域的重要地位。随着可再生能源的广泛应用和电力需求的增长，微电网作为一种灵活可靠的局部电力系统，其能量管理与优化调度显得尤为重要。本文通过分析微电网的能量管理策略和优化调度方法，旨在提高能源利用效率、降低运行成本，并保障系统稳定运行。研究成果将为微电网技术的持续发展和能源可持续利用提供有力支持，具有重要的理论意义和实践价值。

关键词：微电网；能量管理；优化调度；可再生能源；能源利用效率

一、引言

微电网作为一种集成了多种分布式能源资源的局部电力系统，在能源供应的灵活性和可靠性方面发挥着重要作用。随着可再生能源的广泛应用和电力需求的日益增长，微电网的能量管理与优化调度显得尤为重要。有效的能量管理能够确保微电网内各种能源资源的合理配置和利用，优化调度则能够实时响应负荷需求的变化，提高系统的稳定性和经济性。因此，研究微电网的能量管理与优化调度策略，对于推动微电网技术的发展、促进能源可持续利用具有重要意义。

二、微电网能量管理概述

微电网能量管理是实现微电网稳定运行的核心环节。其管理目标主要包括可再生能源的利用、降低系统网损和运行费用、提高供电可靠性和电能质量等。为实现这些目标，微电网能量管理需遵循一系列原则。

首先，微电网能量管理应确保能源的利用。这要求系统能够合理配置可再生与传统能源，实现能源的优化组合和互补利用。同时，通过的能源转换技术，提高能源转换效率，减少能量损失。

其次，微电网能量管理需注重系统的安全性和可靠性。这要求系统能够实时监测设备的运行状态，及时发现并处理故障，确保系统的稳定运行。同时，通过智能化的控制策略，实现系统的自适应调整和故障恢复。

在能量管理的关键环节方面，微电网能量管理涉及能源生产、转换、储存和分配等方面。其中，能源生产主要关注分布式电源的管理和优化调度，以满足系统对电能的需求；能源转换则注重提高转换效率，减少能量损失；能源储存则通过配置适当的储能设备，实现电能的平衡和调节；能源分配则根据负荷需求，实现电能的合理分配和调度。

三、优化调度方法与技术

1. 数据分析与智能控制

通过采集微电网中各种设备的数据，如电压、电流、功率等，利用数据分析技术对这些数据进行处理和分析，以了解微电网的运行状况。同时，结合智能控制算法，如神经网络、模糊控制等，实现远程监控与优化调度的自动化和智能化。

2. 能量调度策略

能量调度策略包括基于时间、需求响应和市场交易的调度策略。基于时间的调度策略根据不同时间段的能源需求和可再生能源的产出情况，合理调度能量的供需关系。需求响应策略则通过调整负荷需求，以匹配能源供应。市场交易策略则将微电网看作一个能源市场，通过价格机制调节能源的供需关系。

3. 基于优化算法的能量调度

遗传算法、粒子群算法等优化算法在能量调度中得到了广泛应用。这些算法通过模拟自然进化或群体行为，寻找合适的能量调度策略。这些算法可以有效地解决微电网优化调度问题，提高能源利用效率。

4. 模型预测控制方法

模型预测控制方法是一种基于模型的优化控制策略，通过预测未来的能源供需状况，并计算合理的调度策略。这种方法可以实现对微电网的实时优化调度，提高系统的稳定性和经济性。

四、实验设计与结果分析

1、实验数据集与环境设置

为了验证微电网能量管理与优化调度策略的有效性，我们选择了包含历史电力负荷数据、可再生能源生产数据、气象数据以及市场交易数据等丰富的数据集。实验环境设置包括高性能计算机服务器，安装了TensorFlow或PyTorch等深度学习框架，以及必要的数据处理和分析工具，如pandas和matplotlib。

2、实验过程与步骤

2.1数据准备

首先，我们收集微电网相关的历史数据，包括电力负荷数据、可再生能源生产数据、气象数据以及市场交易数据等。然后，对数据进行预处理，包括数据清洗、缺失值填充、异常值处理以及特征提取等，以得到高质量的数据集。

2.2模型构建

根据所选的优化调度策略，我们构建相应的数学模型或深度学习模型。在构建模型时，需要充分考虑微电网的复杂性和不确定性因素，确保模型能够准确反映微电网的运行状态和能源供需关系。

2.3模型训练与调优

使用预处理后的数据集对模型进行训练。在训练过程中，我们采用适当的训练策略和学习率调整方法，以确保模型能够快速收敛并达到较高的精度。同时，我们使用验证集对模型进行调优，以找到适合的模型参数和结构。

3、预测结果与实际数据的对比

为了直观地展示优化调度策略的效果，我们将模型预测的结果与实际数据进行对比。通过绘制预测曲线与实际曲线的对比图，我们可以清晰地看到预测结果与实际数据之间的吻合程度。此外，我们还计算了预测结果与实际数据之间的误差指标，如均方误差（MSE）、均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）等，以量化评估模型的预测性能。

4、性能评估与讨论

根据实验结果，我们对所采用的优化调度策略进行性能评估。我们分析了模型在不同时间段、不同负荷需求以及不同可再生能源产出情况下的预测性能，并讨论了模型的稳定性、鲁棒性和泛化能力。此外，我们还探讨了模型对特定因素（如天气条件、市场波动等）的敏感性，并提出了相应的改进措施和优化建议。通过对比不同优化调度策略的性能表现，我们可以得出结论，并为未来的研究提供有价值的参考。

五．安科瑞产品介绍

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，整天进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持Modbus RTU、Modbus TCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT 等通信规约。

5.1 应用场所

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

5.2系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1 典型微电网能量管理系统组网方式

5.3 系统功能

5.3.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电桩等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2 系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

5.3.2 光伏界面

图 3 光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

5.3.3 储能界面

图 4 储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图 5 储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图 6 储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图 7 储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图 8 储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图 9 储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图 10 储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图 11 储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图 12 储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的大、小电压、温度值及所对应的位置。

5.3.4 风电界面

图 13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

5.3.5 充电桩界面

图 14 充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

5.3.6 视频监控界面

图 15 微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

5.3.7发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图 16 光伏预测界面

5.3.8策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。

具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。

图 17 策略配置界面

5.3.9运行报表

应能查询各子系统、回路或设备规定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。

图 18 运行报表

5.3.10实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图 19 实时告警

5.3.11历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图 20 历史事件查询

5.3.12 电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、大值、小值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图 21 微电网系统电能质量界面

5.3.13 遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图 22 遥控功能

5.3.14 曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图 23 曲线查询

5.3.15 统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图 24 统计报表

5.3.16 网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图 25 微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

5.3.17 通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持Modbus RTU、Modbus TCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104 、MQTT等通信规约。

图 26 通信管理

5.3.18 用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图 27 用户权限

5.3.19 故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图 28 故障录波

5.3.20事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故Q10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户规定和随意修改。

图 29 事故追忆

5.4 系统硬件配置

六、结论与展望

本文深入研究了微电网能量管理与优化调度问题，并提出了多种有效的能量管理策略和优化调度方法。通过数据分析与智能控制技术的应用，我们实现了对微电网运行状态的远程监控与实时优化调度。实验结果表明，我们所采用的优化调度策略能够显著提高微电网的能源利用效率，降低运行成本，并保障系统的稳定运行。

然而，本研究也存在一些不足之处。首先，实验数据集可能存在一定的局限性和偏差，导致实验结果可能不够完善和准确；其次，在优化调度策略的设计和实现过程中，可能未充分考虑微电网的复杂性和不确定性因素，导致策略的性能可能受到一定影响。

针对本研究的不足，未来研究可以从以下几个方面进行改进和拓展：首先，扩大实验数据集的规模和范围，以更完善地反映微电网的实际运行情况；其次，深入探索更加先进的优化调度算法和模型预测控制方法，以提高策略的性能和适应性；之后，加强与其他领域（如智能电网、能源互联网等）的交叉融合，共同推动微电网技术的发展和应用。

此外，未来的研究还可以关注以下几个方面：一是研究微电网在应对恶劣天气和自然灾害等突发情况下的能量管理与优化调度策略；二是探索微电网在促进可再生能源消纳和减少碳排放方面的作用；三是研究微电网与主电网之间的协调互动机制，以实现更有效的能源利用和更稳定的系统运行。

参考文献

[1]杨宝平.微电网能量管理与优化调度

[2]鲍薇.多电压源型微源组网的微电网运行控制与能量管理策略研究[J].中国电力科学研究院, 2014.

[3]张海涛,秦文萍,韩肖清,等.多时间尺度微电网能量管理优化调度方案[J].电网技术, 2017, 41(5):8.DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2016.1939.

[4]智能电网用户端电力监控/电能管理/电气安全（产品报价手册）.2025.01版

[5]企业微电网设计与应用手册.2022.05版.