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1、第5章 智能微电网的通信与管理技术第5章 智能微电网的通信与管理技术2016年7月25日5.1智能微电网的通信技术5.2智能微电网的监控系统5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例内容智能微电网通信的特殊性5.1智能微电网的通信技术智能微电网通信的特殊性1）高综合性智能微电网通信的高综合性要求表现在技术与业务的双综合；智能微电网通信融合了计算机网络技术、控制技术、传感与计量技术等，同时智能微电网可以与各种电力通信业务网（电话交换网、电力数据网、继电保护网、电视电话会议网、企业内联网、安防系统）相互连接，实现从发电到用电各个环节的无缝连接，容许不同类型的发电和储能系统自由接人，简化联网过程，
2、满足智能微电网业务和应用的“即插即用”以及智能微电网的自治运行。2）高可靠性3）标准的公认性4）高经济性5.1智能微电网的通信技术智能微电网通信的特殊性1）高综合性2）高可靠性相对于坚强的大电网，智能微电网相对脆弱，这就要求其具有快速恢复和自治能力，这要取决于其通信系统的高可靠性。当智能微电网出现故障或发生问题时，能够迅速切除故障并且将负荷切换到可靠的电源上，及时提供来自故障部分的核心数据，减少智能微电网在出现较大故障时的恢复时间。3）标准的公认性4）高经济性5.1智能微电网的通信技术智能微电网通信的特殊性1）高综合性2）高可靠性3）标准的公认性为了满足双向、实时、高效通信的要求，智能微电网通
3、信必须基于公开、公认的通信技术标准；公认的标准将会为传感器、高级电子设备、应用软件之间高速、准确的通信提供必要的支持，目前缺少被用户和智能微电网运营商共同认可的通信标准，在未来的发展中需尽快制定。4）高经济性5.1智能微电网的通信技术智能微电网通信的特殊性1）高综合性2）高可靠性3）标准的公认性4）高经济性智能微电网的通信系统辅助其运营，通过预测、阻止对电网可靠性产生消极影响的事件发生，避免因电能质量问题造成的成本追加，同时基于智能微电网的通信自动监测功能也大大减少人员监控成本和设备维护成本。5.1智能微电网的通信技术智能微电网中常用的通信技术目前应用于智能微电网中的通信技术较多，大体可分为有
4、线和无线两类；有线类包括光纤通信、电力线通信PLC(Power Line Communication，简称PLC）等，无线类包括无线扩频通信、无线局域网WLAN（Wireless Local Area Network）、无线广域网WWAN（Wireless Wide Area Network）、通用分组无线服务GPRS(General Packet Radio Service)码分多址CDMA(Code Division Multiple Access )通信、3G/4G通信、卫星通信、微波通信、短波超短波通信、空间光通信等5.1智能微电网的通信技术智能微电网中常用的通信技术目前应用于智能微电
5、网中的通信技术较多，大体可分为有线和无线两类；有线类包括光纤通信、电力线通信PLC(Power Line Communication，简称PLC）等，无线类包括无线扩频通信、无线局域网WLAN（Wireless Local Area Network）、无线广域网WWAN（Wireless Wide Area Network）、通用分组无线服务GPRS(General Packet Radio Service)码分多址CDMA(Code Division Multiple Access )通信、3G/4G通信、卫星通信、微波通信、短波超短波通信、空间光通信等5.1智能微电网的通信技术智能微电网中
6、常用的通信技术效果图如图5-1所示1.光纤通信技术：光纤是光导纤维的简称；光纤通信是以光波作为载频，以光导纤维作为传输媒质的通信方式，光纤通信满足了在信息传输中对于带宽和容量的需要；是信息传输的重要方式之一，也是电网通信主干传输网的最主要通信方式；目前世界上有60-80的通信业务是经光纤传输的。5.1智能微电网的通信技术光纤通信具备通信容量大，损耗低，传输距离长，抗电磁干扰能力强，传输质量佳，通信速度快等优点。其中无源光网络是一种点对多点的光纤传输和接入技术，下行采用广播方式、上行采用时分多址方式，是在智能微电网中使用得较多的一种通信技术。5.1智能微电网的通信技术智能微电网中常用的通信技术2
7、、电力线通信技术5.1智能微电网的通信技术电力线通信技术，是利用电网低压线路传输高速数据、话音、图像等多媒体业务信号的一种通信技术。其缺点是数据传输速率较低；容易受到干扰、非线形失真和信道间交叉调制的影响；电力线载波通信系统采用的电容器和电感器的体积较大、价格也较高。智能微电网中常用的通信技术3、新一代3G/4G移动通信技术3G是3rd Generation 的缩写，即第三代移动通信技术。3G移动通信最主要的特征是以宽带提供多媒体业务，传输容量大，灵活性更高，能处理图像、音频、视频流等多种媒体形式，支持多种单向和交互式多媒体、多呼等新业务。3G通信技术在智能电网中能实现的功能如下：1）应急抢险
8、指挥通信在电力应急抢修车中加装3G移动通信终端，通过音频和视频传输远程现场信息，将抢修现场情况与电网运行情况、设备运行系统资料、客服中心的报修系统、事故抢修决策预案等系统互联，以保证各部分信息迅速流通、互动。使远端指挥人员实时了解电网的现场状况，作出正确判断和指挥，提高现场的指挥调度能力，缩短抢险时间，提高应急能力，减少灾害造成的影响。5.1智能微电网的通信技术智能微电网中常用的通信技术3、新一代3G/4G移动通信技术3G通信技术在智能电网中能实现的功能如下：1）应急抢险指挥通信2）负荷管理通信 负荷管理是电力需求侧管理( DSM: Demand Side Management)的重要组成部分
9、，是缓解电力供需矛盾，提高电力使用效率，保障电力系统安全运行的重要措施。通过采用3G移动通信网络的无线通信方式，以视频对电网进行全面监测，同时信息高度共享，多部门联动，增强协调能力，加速信息流转，实现远程监控与操作，准确及时进行负荷管理和人员调度，降低人力成本，提高响应速度。3）无线视频接入通信4）配电网通信5.1智能微电网的通信技术智能微电网中常用的通信技术3、新一代3G/4G移动通信技术3G通信技术在智能电网中能实现的功能如下：1）应急抢险指挥通信2）负荷管理通信3）无线视频接入通信将3G移动视频业务与电力系统已有的视频监控相结合。一方面，在有线宽带不能到达的监测点安装移动视频监测装置，实
10、现视频监控;另一方面，使监控维护人员可使用移动PC机或手机，实时了解运行状况。4）配电网通信5.1智能微电网的通信技术智能微电网中常用的通信技术3、新一代3G/4G移动通信技术3G通信技术在智能电网中能实现的功能如下：1）应急抢险指挥通信2）负荷管理通信3）无线视频接入通信4）配电网通信3G通信应用于配电网具有许多优势，其覆盖面广，适合分布广泛的配电网终端监测点的接入需求。3G支持数据双向传输，数据传输速率高，完全能够满足智能电网对配电网信息传输的要求。5.1智能微电网的通信技术智能微电网中常用的通信技术4、无线局域网WLAN(Wireless Local Area Networks，IEEE
11、 802.11)在智能微电网中虽然混合采用了多种通信技术，但每种通信技术在智能电网的不同层面分别扮演了不同的角色，有着明确的分工，而不是简单的堆彻，各种通信技术在智能微电网中的分工如图5-45.1智能微电网的通信技术智能微电网中通信网络的基本架构智能微电网的通信系统应用于电力生产、运行的各个环节，按适用范围可分为电力生产过程监控的通信网络（智能微电网生产监控通信网）和面向智能微电网用户服务的通信网络（智能微电网配用电通信网）以及智能微电网与常规配电网调控中心的通信网络三部分。1、智能微电网生产监控通信网络2、智能微电网配用电通信网络3、智能微电网与常规配电网调控中心之间的通信网络5.1智能微电
12、网的通信技术智能微电网中通信网络的基本架构1、智能微电网生产监控通信网络5.1智能微电网的通信技术智能微电网生产过程的监智能微电网生产过程的监控通信网络架构如图控通信网络架构如图5-5所所示。利用先进的通信技术，示。利用先进的通信技术，智能微电网生产调控网络智能微电网生产调控网络能够解决的主要问题有：能够解决的主要问题有：电力调度、电力设备在线电力调度、电力设备在线实时监测、现场作业视频实时监测、现场作业视频管理、户外设施防盗等。管理、户外设施防盗等。采用的主要的通信方式有：采用的主要的通信方式有：电力线载波、微波通信、电力线载波、微波通信、光纤通信、光纤通信、GPRS移动通信、移动通信、新一
13、代新一代3G/4G移动通信等移动通信等智能微电网中通信网络的基本架构2、智能微电网配用电通信网络利用先进的通信技术，对家庭用电设备进行统一监控与管理，对电能质量、家庭用电信息等数据进行采集和分析，指导用户进行合理用电，实现智能微电网与用户之间智能供、用电。用户服务通信主要通过光纤专网、低压电力线载波通信、无线宽带通信等通信方式相结合的通信平台来实现。其通信应用架构如图5-6所示。5.1智能微电网的通信技术智能微电网中通信网络的基本架构1、智能微电网生产监控通信网络2、智能微电网配用电通信网络3、智能微电网与常规配电网调控中心之间的通信网络一般参照智能电网配电网的通信网络架构进行构建，将智能微电
14、网作为一个有源可控客户端来处理。5.1智能微电网的通信技术5.1智能微电网的通信技术5.2智能微电网的监控系统5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例内容5.2智能微电网的监控系统智能微电网监控系统在智能微电网系统中处于核心地位，是对智能微电网执行测量、监视、控制、保护以及高级策略实现的重要基础。在实现智能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。智能微电网监控系统的结构智能微电网监控系统的功能5.2智能微电网的监控系统智能微电网监控系统的结构1、智能微电网系统采用三层拓扑结构：o智能微电网执行层：包括分布式发电单元、智能网关断路器、负荷等。o智能微电网协调层：主要是依
15、靠智能微电网中央控制器来实现网间协调。o智能微电网管理层：包含智能微电网能量管理系统和电网调度中心。o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，系统中的各分布式发电电源都要接受智能微电网中央控制系统的调度，并网型智能微电网既可以并网运行，也可以脱离大电网以孤岛模式运行。5.2智能微电网的监控系统智能微电网监控系统的结构o智能微电网监控系统的结构如图5-7所示。5.2智能微电网的监控系统2、智能微电网监控系统特点监控系统具备并网和孤岛两种运行方式的控制算法，并且可以控制两种运行方式间实现平滑切换；系统采用三层控制架构（智能
16、微电网执行层、智能微电网协调层、智能微电网管理层），既能向上级电力调度中心上传智能微电网信息，又能接收调度中心调度下发的控制命令；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智能微电网系统的高级能量管理，使智能微电网能够安全经济运行；系统支持IEEE1588微秒级精确时钟同步；支持B/S结构（Browser/Server，浏览器/服务器模式）和C/S结构(Client/Server即是客户机和服务器结构)，支持多任务、多用户，前/后台实时数据处理。5.2智能微电网的监控系统智能微电网监控系统在智能微电网系统中处于核心地位，是对智能微电网执行测量、监视、控制、保护以及高级策略实现的重
17、要基础。在实现智能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。智能微电网监控系统的结构智能微电网监控系统的功能5.2智能微电网的监控系统智能微电网监控系统的功能1、智能微电网监控系统的功能智能微电网监控系统从功能上可以划分为智能微电网中央控制器MGCC(Micro Grid Central Controller)、能量管理系统EMS(Enery Management System)及SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition数据采集与监视控制)几大部分，其各自的具体功能如下所述。2、智能微电网中央控制器（MGCC）的功能3、
18、能量管理系统功能4、智能微电网的数据采集与监视控制模块5.2智能微电网的监控系统智能微电网监控系统的功能2、智能微电网中央控制器（MGCC）的功能智能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，实现智能微电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智能微电网控制策略进行实时控制，确保智能微电网稳定运行。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5.2智能微电网的监控系统2、智能微电网中央控制器（MGCC）的功能智能
19、微电网中央控制器在监控系统中的主界面如图5-8所示。5.2智能微电网的监控系统智能微电网监控系统的功能2、智能微电网中央控制器（MGCC）的功能智能微电网中央控制器在监控系统中的主界面如图5-8所示。其具体功能为：实时控制MGCC的实时控制包含开关量/模拟量、二次调频调压算法、预同步算法、并离网平滑切换算法、黑启动算法等智能微电网控制策略。黑启动所谓黑启动，是指整个系统因故障停运后，不依赖别的网络帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。5.2智能微电网的监控系统智能微电网监控系统的功能1、智能微电网监控系统的功能2
20、、智能微电网中央控制器（MGCC）的功能3、能量管理系统功能能量管理系统是智能微电网的最上层管理系统，主要对智能微电网的分布发电单元设备的发电功率进行预测，对智能微电网中能量按最优的原则进行分配，协同大电网和智能微电网之间的功率流动。它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物理设备的电气特性等约束条件下，协调智能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
21、稳定、实现系统经济运行等功能。4、智能微电网的数据采集与监视控制模块5.2智能微电网的监控系统智能微电网监控系统的功能3、能量管理系统功能，其功能框如图5-9所示从大的方面来分，从大的方面来分，智能微电网的能量智能微电网的能量系统的功能包括两系统的功能包括两大部分大部分：（1）状态预测状态预测（2）经济调度经济调度5.2智能微电网的监控系统(1) 状态预测智能微电网能量管理系统的状态预测功能主要由预测模块来完成。而预测模块又主要由数据单元、预测算法单元组成。数据单元的主要功能是：对于数据库中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：先根据历史数据、预测数据和天
22、气因素等进行数据的初步处理，然后代入预测算法，得到预测值。预测模块形成预测值的流程图如图5-10所示。从大的方面从大的方面来看，状态预来看，状态预测模块主要由测模块主要由两大部分组成，两大部分组成，分别是光伏系分别是光伏系统预测模块和统预测模块和负荷系统预测负荷系统预测模块组成。模块组成。5.2智能微电网的监控系统(1) 状态预测光伏系统预测模块光伏预测有利于控制分布式电源的输出，提高储能电池的利用，有效减少发电机的启停，减少光伏弃光现象，提高光伏发电系统的利用率。5.2智能微电网的监控系统(1) 状态预测负荷预测系统负荷预测是智能微电网能量管理系统的重要组成部分之一。由于智能微电网负荷水平低
23、、惯性小、波动性较大，因此对智能微电网进行负荷预测，能减少负荷系统突变对智能微电网系统的冲击，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能量管理系统中的负荷系统预测模块由负荷系统预测模块由负荷系统历史负荷值、荷系统历史负荷值、负荷系统预测负荷值负荷系统预测负荷值和天气因素（最高温和天气因素（最高温度、平均温度、最低度、平均温度、最低温度、最高湿度、平温度、最高湿度、平均湿度、最低湿度），均湿度、最低湿度），代入预测算法，求出代入预测算法，求出未来未来1分钟的负荷值，分钟的负荷值，实现智能微电网的负实现智能微电网的负荷系统负荷预测。荷系统负荷预测。5.2智能微电网的监控系统(2)经
24、济调度经济调度是指在满足供电可靠性和电能质量的前提下，对电力系统费用进行优化，提高系统的经济性。能量管理系统的经济调度是通过调节分布式电源的输出功率，达到有效平衡储能电池的剩余容量、避免储能电池过充和过放、有效延长储能电池的使用寿命的目的。智能微电网能量管理系统的经济调度策略是在基于状态预测基础上实现经济调度，其参与调度的模块如图5-13所示。5.2智能微电网的监控系统(2)经济调度经济调度模块实现的具体功能有：并网运行情况下，系统采用智能微电网运行费用最低为优化目标，实现智能微电网经济运行。离网运行情况下，调度优化考虑稳定性和运行费用两项优化目标，实现智能微电网经济、安全、稳定运行的目标。5
25、.2智能微电网的监控系统(2)经济调度在实际应用中能量管理系统中的经济调度模块中数据库单元的主要功能是：维护智能微电网状态信息量，读取预测模块预测值；优化算法单元的主要功能是：根据智能微电网的状态信息量、以运行费用最少为优化目标，求出分布式电源的功率输出值。经济调度模块根据预测值和智能微电网状态信息量，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。经济调度模块调度运行流程图如图5-14所示。5.2智能微电网的监控系统智能微电网监控系统的功能1、智能微电网监控系统的功能2、智能微电网中央控制器（MGCC）的功能3、能量管理系统功能4、智能
26、微电网的数据采集与监视控制模块智能微电网SCADA主要完成智能微电网系统组态配置、数据采集、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5.2智能微电网的监控系统智能微电网监控系统的功能4、智能微电网的数据采集与监视控制模块（1）智能微电网SCADA系统拓扑结构图5.2智能微电网的监控系统智能微电网监控系统的功能4、智能微电网的数据采集与监视控制模块（2）智能微电网能量潮流分析显示图5.2智能微电网的监控系统智能微电网监控系统的功能4、智能微电网的数据采集与监视控制模块（3）分布式电源运行状态信息图5.1智能微电网的
27、通信技术5.2智能微电网的监控系统5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例内容5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例本节所讲述的案例为某城市一小区的智能微电网监控与能量管理系统，该智能微电网系统的通信系统采用电力宽带载波构成的小区局域网，在该智能微电网的硬件架构中除了具有光伏发电、风力发电的相关设备外，还包括用来充当储能的汽车充电桩，安防等相关设施。该监控和管理系统软件能够对智能微电网系统进行监测，对分布式电源（小型风能发电和光伏发电）接入、家用汽车充电桩、家居等进行远程管理和监控，并且能对用户的用电信息进行管理和分析。5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例该小区智能微电网系统
28、的组成框图如图5-18所示。5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例该监控和管理系统的主画面如图5-19所示5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例1、智能微电网监测界面智能微电网监测界面能监测各开关状态、各回路电流、以及配电箱内的状况，能够及时发现电路故障并自动实施故障切除,能通过分布式电源的切换，实现智能微电网的“自愈”，保障不间断正常供电。分布式电源切换及保护原理框图如图5-20所示5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例1、智能微电网监测界面其智能微电网监控界面如图5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例2、智能抄表系统界面通过智能电表对小区和家庭用电情况进行监测，实现
29、远程抄表、计费、线损管理、用电检查等功能，并且能和供电部门实现用电信息交互，对智能微电网内的用电负荷进行评估和预测，指导用户有序用电，提高用电效率，达到节能降耗的目的。智能抄表系统界面如图5-22所示。5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例3、电动汽车充电及监控界面电动汽车充电及监控系统由充电桩、控制装置、电能质量监测、计费终端及智能充电桩管理系统等组成，其中对电动汽车进行充电的原理框图如图5-23所示5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例电动汽车充电桩外观图5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例3、电动汽车充电及监控界面智能充电桩管理系统5.3智能微电网监控和能量管理系统的
30、应用案例4、智能家居管理智能家居管理系统中包含温、湿度传感器、甲醛探测器、一氧化碳探测器及一些常用的家用电器、一套智能家居监控系统软件，能够检测室内各项环境指标，能进行温湿度监测、烟雾监测、煤气监测，当超量时能发出声光报警，产生告警信息并通知住户。能对家电、灯光、窗帘进行控制，并可实现可视对讲，还能根据用户设定的计划，自动控制空调和加湿器，将室内的温度和湿度调节到人体感觉最舒适的状态 智能家居组智能家居组成方框图一成方框图一5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例4、智能家居管理智能家居组成方框图二5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例5、安防监控和智能手机监控安防监控主要是通过视频摄像器件，在由电力载波及互联网光纤通信系统的协助下实现的，它能监视小区入口、车库和周边区域，室内主要监视重要区域。安防监控的硬件构成框图如图5-28所示。5.3智能微电网监控和能量管理系统的应用案例6、智能抄表系统界面远程监控和管理通过手机或移动终端登陆 Internet，实现对家庭中所有的安防探测器进行布防操作、远程视频监控、远程控制家用电器、照明及其他自动化设备。远程监控的硬件构成框图如图5-29所示。谢谢