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。

7.1.1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。

7.1.2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。

7.1.3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。

7.1.4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。

7.1.5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。

7.2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

7.3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、有序充电、动态扩容等。

基础参数计划曲线-一充一放

图17策略配置界面

7.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备指定时间的运行参数，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、正向有功电能等。

图18运行报表

7.5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

7.6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

7.7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、三相电压不平衡度百分百和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度百分百和正序/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

7.8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

7.9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

7.10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用电情况，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

7.11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。

7.12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ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

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图26通信管理

7.13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

7.14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

7.15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，存储事故前10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指定和随意修改。

图29事故追忆

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。