安科瑞魯一揚15821697760

摘要：本研究以微網基本特性為基石構建基于 CAN 總線的電網能量管理系統。運用下垂特性控制策略精準把控微網系統的電流、電壓、頻率等關鍵參數，并借由 CAN 總線搭建數字傳感器數據傳輸體系。實驗結果表明，該系統顯著提升微電網運行的經濟性與可靠性，增進系統效率。同時，CAN 總線技術的運用有效增強數據采集精度、抗干擾性能以及遠距離傳輸的實時性與可靠性。

關鍵詞：微電網；能量管理；下垂特性；CAN協議

0引言

當下電力系統呈現集中發電、遠距離高壓輸電、分布式用電的特征，且隨著電網規模擴張，結構復雜性攀升，引發諸如運行調度艱難、跟蹤負荷變化靈活性欠佳、可靠性與多樣化用電能力不足等弊病，易致使局部事故蔓延，釀成大面積停電。故而，分布式供電成為近年來研究焦點。另一方面，鑒于不可再生能源的日趨緊張及其對環境的影響，可持續綠色能源開發利用迫在眉睫，然而這些能源發電狀態隨環境波動較大，接入公網面臨諸多挑戰，分布式供電則為其利用開辟了良好路徑。

分布式供電相對于傳統集中式供電，發電系統規模較小且分散布局于用戶周邊。微網是其中的主要形式，它是各類微電源與分散負荷的組合，至少涵蓋一個分布式電源與若干負荷，可作為獨立系統運行與控制。微網具備并網和離網兩種運行模式，并網模式下與大電網聯網運行，充當大電網支路；離網模式則脫離大電網獨自運行。

微電網技術整合電力電子、分布式發電、可再生能源發電與儲能技術，為大規模應用分布式電源提供有效實用途徑，但也滋生新問題，如電網匹配、孤島現象、能量管理等。本文聚焦微電網與傳統電網差異，深入探究其能量管理問題。

1能量管理系統功能設計

微電網基本結構依應用場景而異，但通常包含微電源、儲能、管理系統以及負荷四大要素。微電源一方面經公共連接點（Pcc）與大電網相連，另一方面借助逆變器與負荷連接。當大電網穩定運行時，微電網負載由大電網供電，二者并網運行；一旦大電網供電中斷或運行異常，隔離開關開啟，切斷二者聯系，微電網轉入孤島運行。在微電網與大電網接口處均配備斷路器，并輔以具備功率和電壓控制功能的控制器，實現能量初步管理。各微電源擁有有功、無功、電壓、頻率、孤島等多種能量調節管理控制方式。

微電網基本結構如圖 1 所示，能量管理系統作為核心樞紐，具備對系統電壓、電流、有功、無功、頻率、功率因數等各類參數的管理功能，以及對微電源、儲能裝置、負荷的控制職能。

1．1數據管理功能

管理系統內置數據庫，存儲各設備標準運行數據、歷史運行數據與統計數據等。主要功能為記錄實時運行數據，并運用相應功能軟件對其狀態展開統計與分析。

1．2微電網運行模式管理

微電網運行模式分為并網與離網兩種。管理系統依據系統需求對二者進行高效切換。當微電網需并網運行時，管理系統剖析大電網運行參數，若大電網運行良好，便將微電網平穩地從離網切換至并網狀態，并實時監測與分析微網和大電網運行狀態；當監測到大電網運行數據嚴重偏離標準值時，管理系統依故障嚴重程度抉擇運行方式，要么對大電網運行參數適度調節后維持并網，要么切斷與主網聯系進入孤島運行；當微電網需進入孤島運行時，同樣由管理系統完成工作狀態切換。所有切換均應平滑無縫。

1．3對微電源的控制功能

管理系統依據用電需求變化調控微電源工作方式。當微電網內負荷需求較小時，調低微電源輸出功率以節能；負荷較大時，則調高輸出功率以滿足系統要求。當檢測數據顯示蓄電池充滿時，關閉微電源，由蓄電池放電供電。

1．4儲能裝置的管理

蓄電池工作狀態是微電網穩定運行的根基。管理系統內嵌 SOC 算法模型，實現對蓄電池充放電、電壓值、功率值的管理，并依系統需求設定相應控制方式，完成蓄電池有功功率、無功功率調節。

1．5負荷管理

微電網負荷是用電核心，決定微電源出力。管理系統負責維持微電源與負荷平衡，確保負荷變化時系統穩定運行。

2能量管理系統功率控制策略的確定

微電網中的微電源大致分為三類：可再生能源（如光伏發電、風力電力、生物質能發電等）、傳統發電模式（如柴油發電機、小水電等）以及新興發電模式（如燃料電池、微型燃氣輪機等）。這三類發電方式均需通過逆變器轉換為工頻交流電，故而基于電力電子技術的逆變器工作狀態成為能量管理關鍵。

逆變器作為微電網與大電網接口，主要功能是控制輸出有功功率和無功功率。控制方法有 PQ 控制法、下垂（Droop）控制等，控制策略分為主從型和對等型。本設計采用對等型的 Droop 控制法。

在微電網中，各分布式電源（DG）無主次從屬之分，所有微電源采用相同或不同控制方法參與有功或無功功率調節，并依據實際電網中實時監測電氣量協調系統電壓和頻率。對等型控制框圖如圖 2 所示。

由圖 2 可知，對等控制中各微電源相互獨立，在調節電壓和頻率等參數時，僅監測自身輸出端電氣量，無需考量其他微電源運行狀態，有力保障系統可靠性。

本設計中，各微電源逆變器采用 Droop 控制方法，基本策略是效仿傳統發動機下垂特性，通過解耦有功功率 - 無功功率與電壓 - 頻率關系進行系統電壓和頻率調節。該方法優勢在于并網和離網模式切換時無需變更控制方式，即可維持微網電壓和頻率穩定，確保系統有功負載合理分配。

3 CAN總線結構分析

微電網中電源種類繁多，可持續綠色電源占比可觀，但受環境影響顯著，工作狀態不穩定，因此需對微電源進行有效監控。由于數據量大且實時性要求高，監控系統通信功能必須契合系統基本要求。

基于微電網基本要求，本設計采用基于 CAN 總線的通信結構，以 CAN 總線連接逆變器。在通信結構中，運用可編程邏輯器件 CPLD 完成 DSP 處理器 TMS320F240 與 CAN 控制器 SJA1000 之間的接口設計。

通訊結構圖如圖 3 所示，微電網控制策略由 DSP 承擔電氣量計算，計算結果經 CAN 總線傳至控制中心，控制中心依結果將控制命令經 CAN 總線下達至下位機，實現對微電源的有效監控。

4系統概述

4.1概述

Acrel - 2000MG 微電網能量管理系統，是我司依據新型電力系統下微電網監控系統與能量管理系統要求，融合國內外先進研究與生產經驗，專門研發的企業微電網能量管理系統。該系統適配光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電樁接入，全天候開展數據采集分析，直接監控光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態與健康狀況，是集監控與能量管理于一體的系統。它以安全穩定為前提，以經濟優化運行為目標，提升可再生能源應用，增強電網運行穩定性，補償負荷波動；有效達成用戶側需求管理，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、經濟運行的全新解決方案。

微電網能量管理系統采用分層分布式結構，物理上分為設備層、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。

4.2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

4.3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、無電地區等可再生能源系統監控與能量管理場景。

4.4型號說明

5系統配置

5.1系統架構

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

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，能以系統一次電氣圖形式直觀呈現各電氣回路運行狀態，實時監測回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及故障、告警等信號。各子系統回路電參量主要包括三相電流、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。

系統可對分布式電源、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。

系統可對儲能系統進行狀態管理，依據儲能系統荷電狀態及時告警，并支持定期電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包含系統主界面，涵蓋微電網光伏、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。依不同需求，也可展示充電、儲能及光伏系統信息。

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

此界面用于展示光伏系統信息，主要涵蓋逆變器直流側、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；同時展示系統總功率、電壓電流及各逆變器運行數據。

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，并展示當前電芯的較大、較小電壓、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

系統可依據歷史發電數據、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。依功率預測可人工輸入或自動生成發電計劃，便于用戶集中管控新能源發電。

圖16光伏預測界面

6.3策略配置

系統可依據發電數據、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、回路或設備指*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

具備實時報警功能，系統能對各子系統中的逆變器、雙向變流器啟動和關閉等遙信變位，及設備內部保護動作或事故跳閘時發出告警，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

6.6歷史事件查詢

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，方便用戶追溯系統事件和報警、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、三相電壓不平衡度百*百和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度百*百和正序/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、較大值、較小值、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指*和隨意修改。

圖29事故追憶

7硬件及其配套產品

	內部設備的數據采集與監控，由通信管理機、工業平板電腦、串口服務器、遙信模塊及相關通信輔件組成。 數據采集、上傳及轉發至服務器及協同控制裝置 策略控制:計劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等
2	顯示器	25.1英寸液晶顯示器		系統軟件顯示載體
3	UPS電源	UPS2000-A-2-KTTS		為監控主機提供后備電源
4	打印機	HP108AA4		用以打印操作記錄，參數修改記錄、參數越限、復限，系統事故，設備故障，保護運行等記錄，以召喚打印為主要方式
5	音箱	R19U		播放報警事件信息
6	工業網絡交換機	D-LINKDES-1016A16		提供16口百兆工業網絡交換機解決了通信實時性、網絡安全性、本質安全與安全防爆技術等技術問題
7	GPS時鐘	ATS1200GB		利用gps同步衛星信號，接收1pps和串口時間信息，將本地的時鐘和gps衛星上面的時間進行同步
8	交流計量電表	AMC96L-E4/KC		電力參數測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率,頻率、功率因數等)、復費率電能計量、 四象限電能計量、諧波分析以及電能監測和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU協議:帶開關量輸入和繼電器輸出可實現斷路器開關的"遜信“和“遙控”的功能
9	直流計量電表	PZ96L-DE		可測量直流系統中的電壓、電流、功率、正向與反向電能。可帶RS485通訊接口、模擬量數據轉換、開關量輸入/輸出等功能
10	電能質量監測	APView500		實時監測電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諾波等電能質量，記錄各類電能質量事件,定位擾動源。
11	防孤島裝置	AM5SE-IS		防孤島保護裝置，當外部電網停電后斷開和電網連接
12	箱變測控裝置	AM6-PWC		置針對光伏、風能、儲能升壓變不同要求研發的集保護，測控，通訊一體化裝置，具備保護、通信管理機功能、環網交換機功能的測控裝置
13	通信管理機	ANet-2E851		能夠根據不同的采集規的進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據果集匯總: 提供規約轉換、透明轉發、數據加密壓縮、數據轉換、邊緣計算等多項功能:實時多任務并行處理數據采集和數據轉發，可多鏈路上送平臺據:
14	串口服務器	Aport		功能:轉換“輔助系統"的狀態數據，反饋到能量管理系統中。 1)空調的開關，調溫，及完全斷電(二次開關實現) 2)上傳配電柜各個空開信號 3)上傳UPS內部電量信息等 4)接入電表、BSMU等設備
15	遙信模塊	ARTU-K16		1)反饋各個設備狀態，將相關數據到串口服務器: 讀消防VO信號，并轉發給到上層(關機、事件上報等) 2)采集水浸傳感器信息，并轉發3)給到上層(水浸信號事件上報) 4)讀取門禁程傳感器信息，并轉發

5總結

微電網是近幾年發展起來的一種電網組成形式，具有規模小、靈活性強、安全可靠性高等特點，同時微電網的出現又為綠色能源的利用創造了有利的條件，因此，成為人們關注的熱點。

本設計從微電網運行模式出發，研究了微電網能量管理系統的功能、控制策略、通信方式等問題，確定了以CAN總線結構為主的對等性控制方式，而在控制策略上采用Droop控制法對每一個DG進行有效地控制，確保了整個微電網系統在兩種模式下均能夠安全、穩定地運行。

參考文獻

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審核編輯 黃宇