基于物联网的分布式智能电源管理研究

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：为了形成稳定性、可靠性强的微电网能量管理系统，以物联网为基础，利用优化粒子群的算法，进而形成物联网分布式智能电源的管理系统。系统中负责控制的主体采用微网分层控制体系，底层为分布式电源系统负责双闭环控制，上层为能量优化算法。通过智能化的管理，促使整个系统运行具有较高的经济性和可靠性，使提高微电网综合效益的目标得以实现，带来较好的工程价值。

关键词：物联网；分布式电源；智能；粒子群算法；双闭环控制

0引言

我国电网系统发展至今，已经逐渐形成了大网络架构的电网形式。通过采取集中供电的方式，能够便于能源产地的布局规划，控制经济成本，但是在现实运用中，由于操作电源应用场合特殊，电力系统设备分布较广泛，造成了电网系统工程庞大，联网困难，逐渐遇到了、建设工程周期过长、系统结构复杂、故障影响较大、后期维护成本过高、信息采集不及时等不利因素。基于以上问题，随着科技发展的进步，以及管理理念的提升，我国对分布式电源的重视程度逐渐提高，希望通过分布式电源为传统电网系统进行良好的补充和完善。

所谓分布式电网是由多个微小电网或电力系统组成，各个电力系统按照自己的位置划分，为自己的区域提供电力能源，这样的分布方式能够提高整套电网系统的灵活性，减小线损，能源的分布形式更多样化，一旦出现故障，也能较大地缩小负面影响。

分布式电网中供电形式多种多样，而且彼此独立，互不干涉。因此，可以根据需要在分布式电网中放置一些智能电源或者绿色电源，进一步推动电网的智能化和绿色化升级。

1基于物联网的分布式智能电源管理设计

通过无线传感器技术、RFID技术、定位技术等，物联网可以实现自动识别、感知、采集相关重要信息。利用各种电子信息传输技术，将收集到的这些重要信息进行汇总，统一存入线上信息网络中，并利用数据挖掘、云计算、模糊识别以及语义分析等各种智能计算方式，对电力系统中的一些设备运行参数进行分析融合。这套管理体系以物联网为基础，并分为三层结构：感知层、通信层、应用层。

感知层主要是感知被管理对象的相关基本特征，采用的主要技术是无线传感网或现场总线；通信层主要是实现远程监控和底层数据进行通信的能力，采用的主要技术是3G、4G，未来可能有5G通信网以及有线公共通信网；应用层主要是指运用计算机应用技术所实现的其他应用功能。

基于物联网的分布式智能电源管理主要利用了物联网的分层技术，整体采用感知层、通信层、应用层这三层结构。其中感知层作为底层结构，主要是对分布式电源中的逆变器、并离网控制器、低压监测等设备进行实时采集，采集的信息主要包括开关量、模拟量等重要数据，从而实现对整个分布式微电网的运营监控。

在通信设备基础条件较好的区域，通信层可以利用有线互联网，而在较偏远地区或特殊区域，有线网络安装不到的地方，可以选择使用3G、4G，甚至5G网络。对数据的处理主要是在应用层，可以为用户提供交互功能，需要兼备数据处理功能和较佳的远程协调控制功能。

随着技术的进步，在现实运用过程中，为了使管理效果得到进一步提升，设计当中往往会将感知层逆变器采用双闭环控制，提高对电力系统的控制；应用层则会采用粒子群算法来实现能量的优化配置，从而保障整个电网系统的协调配置运行。

2基于物联网的分布式智能电源管理的内外环控制方式

基于物联网的分布式智能电源管理，采用分层控制的设计方案，由于智能电源在接入大电网时，需要在电压、功率、频率等指标上与大电压保持协调，因而感知层将会使用双闭环控制器，主要控制逆变器。

具体而言，为了保持智能电源与大电网的协调性，采用双闭环控制的方式实现内外环管理控制功能。外环控制上，主要控制分布式智能电源的输出功率，确保系统在分布式电源的电压指标，即便偶尔遇到波动变化，也能够保证恒定的功率，向大电网输出电能源；内环控制主要是控制电流，通过智能化的手段，形成一整套智能电源系统，能够帮助电网获得良好的适应性能。内、外环控制方式的具体控制体系，如图1所示。

图1双环控制系统结构图

PQ控制模型作为外环功率控制模式的主要采用方式，能够恒功率进行控制，控制方法较为简单，适用分布式电源系统在并网时的功率控制。目前，PQ控制模型一般使用的是DQ变换的前馈解耦PQ控制系统，这种控制方式自身也含有两个控制环系统功能。

内环控制系统采用电流采集的参数，在所定义的DQ坐标体系中，可以进行空间的矢量变换，将三相静止坐标系下的网络拓扑结构变换成两相同步数学模型；外环是以公共网络所需要的有功率和无功率为对象，经解析和计算，得出的电流和电压值，并将这种参考的变量以反馈控制的形式传达给内环电流和电压值，从而控制电流和电压值在所需范围内。内环电流能够保证外环持续在一个恒定的功率内运作，在基于物联网的分布式智能电源管理的内外环控制设计的过程中，采用移动智能体的技术来完成。

Agent移动方式的具体结构框架如图2所示。图2表明，Agent移动方式结构可以分为知识库、内部情况、操作目标三大独立的数据模块体系。这三个体系之间，作为数据的实体，能够通过对环境变化的应对进行自主修改，具有良好的适应能力。在物联网的分布式智能电源管理系统中，每个Agent移动方式都能够利用传感器对外部环境进行预知和感受，对根据内部状态收集到的信息加以融合，产生对于修改状态的指令描述，再借助知识库的设计指挥，进行目标规划，在目标的指引下，形成一整套动作，通过感应器对环境进行反应，再产生功能操作。具体如图2所示。

图2 Agent移动方式的具体结构

3分析上层粒子群算法系统

运行过程中，为了进一步加强对上层控制的能力，物联网分布式智能电源管理系统将采用上层粒子群算法，从而实现分布式智能电源管理的协调。对上层粒子群算法的具体描述，可以表达为：在多维目标的空间搜索中，由多数个粒子所组成的群，这些粒子群能够在一定范围内飞行。飞行中的粒子可以根据经验以及其他粒子飞行的方式不断地调整自己的方向和速度，以此形成种群的协调效果。当n+1次代粒子m的飞行位置可以表示为多维空间内一个顶点坐标时，其位置量、速度向量、个体解、全局解、更新速度和位置都可计算得出。

虽然相关的计算公式较为复杂，但是相较于原有的对于粒子跟踪的无法实现而言，已经更为简单，涉及的参数也很少，基本粒子能够实现对数据的跟踪和预知。

4基于物联网的智能分布直流操作电源系统的结构与功能

在对物联网分布式智能电源进行管理时，可以将这种系统设计为集计算系统、高效智能管理系统和物联网系统于一身的智能分布直流电操作电源管理系统，实现效率高、易维护、风险低的智能化电网自动配网设备管理，使电力供应获得更高的性价比。

基于物联网的智能分布直流操作电源系统，通过利用高速的核心控制平台，在计算机嵌入式控制中实现特定算法，从而对数据进行处理和分析，对整个电力系统进行智能控制和协调。其中涉及的高效电源可以自动根据负电荷情况调整相应的供电输入模式，实现蓄电池供电和交流电源供电，灵活变换的处理方式，提高电源的可靠性。这套智能管理方式能够帮助储备的电池进行自主充电管理，实时在线监测系统，时刻监测储备电池的电压、温度和内阻的变化情况，来判断它的状态。物联网中的无线通信系统会对电源远程物联管理，将得到的每一个信息进行分享和利用，实现远程智能化互动化的管理目标。在这套系统中还有人机互动界面，现场监控系统通过人机界面对系统中的输出输入电压电流、电池内阻、温度等进行实时参数监控。

系统主要模块的技术是基于嵌入式计算机控制系统进行核心处理，使整个处理模式能够协调运作，控制所有模块在有序稳定的范围内开展工作，高效完成各类算法，对系统进行实时监控和保护，促进人机互动的同时，尽可能完成自主化运营。

5系统概述

5.1概述

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，全天候进行数据采集分析，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，提升可再生能源应用，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ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

5.2技术标准

本方案遵循的标准有：

本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：

GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台2部分：性能评定方法

GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范5部分：场地安全要求

GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范6部分：验收大纲

GB/T2887-2011计算机场地通用规范

GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求

GB50174-2018电子信息系统机房设计规范

DL/T634.5101远动设备及系统5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

DL/T634.5104远动设备及系统5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101

GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定

GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范

GB/T51341-2018微电网工程设计标准

GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范

DL/T1864-2018型微电网监控系统技术规范

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范

T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范

T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求

T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC5005-2018微电网工程设计规范

NB/T10148-2019微电网1部分：微电网规划设计导则

NB/T10149-2019微电网2部分：微电网运行导则

5.3适用场合

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。

5.4型号说明

6系统配置

6.1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

7系统功能

7.1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：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、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。

8结束语

基于物联网的分布式智能化电源管理研究，已经成为业界人士和电力系统的研究重点。本文结合实际运用中分布式智能电源的协调操作相关原理、实现情况、积极的作用和可以采用的设计方案，进行了详细的阐述。在充分展示研究资料的基础上，明确以粒子群算法作为主要控制原则，介绍了以PQ控制为核心的双闭环控制模式和基于物联网的智能分布直流操作两种方式，相较于其他控制方法，获得更好的准确性、效率性和可靠性。为电源管理的研究提供一些积极的理论建议，供业界人士参考。

参考文献

1. 刘国瑞，王越，刘雷，秦亚斌，韩培洁.基于物联网的分布式智能电源管理研究.

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4. 安科瑞企业微电网设计与应用设计,2022,05版.

5. 肖慧彬.物联网中企业信息交互中间件技术开发研究[D].北京：北方工业大学，2009.