黎燦兵，譚 益，曹一家，張智琨，曾 誠，劉 嶼，祁桂剛

（湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082）

能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）作為電力系統(tǒng)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，自1970年提出以來，隨著科學技術的進步（如計算機技術）不斷得到發(fā)展并廣泛應用于電力系統(tǒng)［1］.在智能電網(wǎng)技術的驅(qū)動下，大電網(wǎng)EMS朝著愈加智能化的方向發(fā)展［2］.

微網(wǎng)是美國電力可靠性技術解決方案協(xié)會（CERTS）首先提出的新型供電模式，新能源發(fā)電（如風電、光伏發(fā)電）在微網(wǎng)中可以得到有效地集成利用［3－7］.微網(wǎng) EMS（又稱“微網(wǎng)控制中心”［8］）是微網(wǎng)的重要組成部分.目前，微網(wǎng)EMS的相關研究主要包括3個方面：功能和高級應用［7，9］、信息集成技術［9－11］和優(yōu)化調(diào)度技術等［6－8，12］.

海島新能源儲量豐富，且許多海島供電系統(tǒng)存在著孤島運行模式，因此，可以借鑒采用微網(wǎng)技術構建海島新能源供電系統(tǒng)［5］.但是，相比于典型微網(wǎng)，海島新能源供電系統(tǒng)具有3個主要特征：①海島新能源供電系統(tǒng)中間歇式新能源發(fā)電比重高，且較多海島新能源供電系統(tǒng)接近甚至達到百分百，導致海島新能源供電系統(tǒng)運行的不確定性很大；②許多海島與陸地分離，其供電系統(tǒng)與大電網(wǎng)聯(lián)系脆弱甚至沒有聯(lián)絡，以孤島運行模式為主，然而典型微網(wǎng)以并網(wǎng)運行為主［6］；③一些海島自然災害多發(fā)［13］，而微網(wǎng)一般運行于正常的氣候環(huán)境下，因此，減少惡劣天氣條件下停電負荷是海島新能源供電系統(tǒng)重要的任務之一.

海島新能源供電系統(tǒng)是一個特殊的微網(wǎng)，它需要特殊設計的SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）/EMS來保障電力供應.但是，目前缺乏海島新能源供電系統(tǒng)SCADA/EMS方面的研究.基于此，筆者主要圍繞海島新能源供電系統(tǒng)SCADA/EMS展開討論.

1 海島新能源供電系統(tǒng)SCADA的特點

由于海島新能源供電系統(tǒng)的特性，因此其SCADA具有自身的特點.

1.1 數(shù)據(jù)采樣周期短

由于間歇性新能源發(fā)電所占比例高，海島新能源供電系統(tǒng)的電壓和頻率波動明顯大于大電網(wǎng).如果海島新能源供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣周期跟大電網(wǎng)一致，那么將很難做到新能源供電系統(tǒng)的精確運行.因此，在海島新能源供電系統(tǒng)中采樣周期需要相應縮短，如表1所示.

表1 海島新能源供電系統(tǒng)與大電網(wǎng)數(shù)據(jù)采樣周期對比Table 1 Contrast of data sampling periods between new energy power supply system of islands and bulk power system

1.2 設備監(jiān)測系統(tǒng)與SCADA融合

在大電網(wǎng)中，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng)，被用于監(jiān)測電網(wǎng)設備的狀態(tài).作為一個規(guī)模相當小的電力系統(tǒng)，海島新能源供電系統(tǒng)設備的數(shù)據(jù)量較少，因此設備監(jiān)測系統(tǒng)可以整合到SCADA中.另一方面，大量的新能源發(fā)電和更多的隨機負荷增加了系統(tǒng)運行的不確定性，這增加了實時控制管理的需求.因此，新能源供電系統(tǒng)SCADA應該配置設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測配電變壓器的溫度及線路弧垂等信息.

1.3 SCADA采集的數(shù)據(jù)豐富多樣

在海島新能源供電系統(tǒng)中，新能源發(fā)電是多樣的，有海流能發(fā)電、風能發(fā)電、光伏發(fā)電等等，此類新能源都容易受自然因素影響，例如，風力發(fā)電取決于風速.因此，由SCADA收集的數(shù)據(jù)不僅包括電氣參數(shù)如電壓、電流，也包括如風速、光照強度等新能源供電系統(tǒng)中非常重要的非電氣參數(shù).與此同時，由于SCADA融合了設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，因此，SCADA可采集在線設備的狀態(tài)信息.

2 海島新能源供電系統(tǒng)SCADA/EMS架構

與大電網(wǎng)、微網(wǎng)相比，海島新能源供電系統(tǒng)具有間歇式新能源比重高、運行環(huán)境惡劣等特點，如表2所示.

如圖1所示，根據(jù)海島新能源供電系統(tǒng)的特性，SCADA/EMS的體系架構可設計成為3個層次：智能監(jiān)控和能量管理層、通訊管理層以及間隔層.

表2 海島新能源供電系統(tǒng)、一般微網(wǎng)、大電網(wǎng)對比Table 2 Comparisons among new energy power supply system of islands，typical microgrid and bulk power system

圖1 海島新能源供電系統(tǒng)SCADA/EMS的體系架構Figure 1 SCADA/EMS architecture for new energy power supply system of islands

1）智能監(jiān)控和能量管理層.

智能監(jiān)控和能量管理層是海島新能源供電系統(tǒng)的核心部分，它由SCADA和EMS組成.SCADA負責搜集和匯總包括風力發(fā)電機等新能源電站的實時數(shù)據(jù)等.EMS是海島新能源供電系統(tǒng)的大腦，它負責系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行.EMS的主要功能包括短期負荷和新能源發(fā)電預測、在線經(jīng)濟調(diào)度、緊急事件分析、潮流分析、發(fā)電計劃以及預防控制等.

2）通訊管理層.

通訊管理層是海島新能源供電系統(tǒng)的信息通道.它負責上傳已收集的運行狀態(tài)信息以實現(xiàn)智能監(jiān)控和能量管理.為了更好地收集到全部電量和非電量數(shù)據(jù)，每一個新能源電站都安裝了通訊管理機.考慮到SCADA系統(tǒng)整合了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通訊管理機需要具備比較大的容量儲存數(shù)據(jù)，并且有能力適應各種嚴峻的運行環(huán)境.

3）間隔層.

間隔層主要負責新能源電站的設備監(jiān)測，包括變壓器、發(fā)電設備等，考慮到新能源電站的規(guī)模，間隔層宜采用小型化硬件平臺，保證安裝使用方便.海島新能源供電系統(tǒng)的運行環(huán)境也要求間隔層設備在滿足國家標準要求的抗干擾能力的基礎上，具備承受惡劣環(huán)境的能力.

3 EMS基本框架

筆者提出的海島新能源供電系統(tǒng)EMS架構如圖2所示，它以調(diào)度計劃模塊為核心，主要包括壞數(shù)據(jù)識別與修復模塊、狀態(tài)估計與模式識別模塊、負荷/新能源發(fā)電預測模塊、安全預警模塊、災害評估與處置模塊以及黑啟動輔助決策模塊等；海島新能源供電系統(tǒng)EMS與大電網(wǎng)EMS各模塊之間的對比如表3所示.

圖2 海島新能源供電系統(tǒng)EMS框架體系Figure 2 EMS architecture for new energy power supply system of islands

表3 海島新能源供電系統(tǒng)EMS與大電網(wǎng)EMS功能模塊對比Table 3 EMS comparison between new energy power supply system of islands and bulk power system

3.1 壞數(shù)據(jù)識別與修復模塊

海島新能源供電系統(tǒng)SCADA實時采集上傳的負荷、氣象等信息，由于測量誤差等各種原因，不可避免地存在一些壞數(shù)據(jù).因此，筆者設計的海島新能源供電系統(tǒng)EMS首先對SCADA匯總的負荷數(shù)據(jù)和氣象信息進行預處理，初步篩選出負荷、氣象等信息中的壞數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際情況進行修復.

海島新能源供電系統(tǒng)EMS與傳統(tǒng)大電網(wǎng)EMS在壞數(shù)據(jù)識別和修復模塊存在以下不同：

1）與大電網(wǎng)相比，海島新能源供電系統(tǒng)作為一個特殊的微網(wǎng)，是一個容量十分小的電力系統(tǒng)，其負荷曲線光滑性比較差［14］.另一方面，海島新能源供電系統(tǒng)四面環(huán)海，受天氣因素影響大，這加劇了負荷變化的隨機性.如果仍然采用大電網(wǎng)常規(guī)的壞數(shù)據(jù)識別和修復方法，則修復誤差可能比較大.因此，筆者設計的海島新能源供電系統(tǒng)壞數(shù)據(jù)識別和修復模塊專門設置了過濾算法，盡可能排除負荷曲線光滑性差等對壞數(shù)據(jù)識別的影響；

2）海島新能源供電系統(tǒng)的拓撲結構一般為輻射式網(wǎng)絡，不能像大電網(wǎng)一樣根據(jù)分層、分區(qū)采集的數(shù)據(jù)來進行壞數(shù)據(jù)識別.因此，海島新能源供電系統(tǒng)SCADA數(shù)據(jù)的預處理難度比一般的傳統(tǒng)大電網(wǎng)大，需要挖掘新的方法；

3）海島新能源供電系統(tǒng)EMS不僅需要對電力負荷數(shù)據(jù)進行壞數(shù)據(jù)識別和修復，還要對實時采集的冷、熱負荷等進行數(shù)據(jù)分析處理.

3.2 狀態(tài)估計/模式識別模塊

筆者設計的狀態(tài)估計模塊根據(jù)采集的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行分析處理，估計海島新能源供電系統(tǒng)的拓撲結構、運行參數(shù)等.該狀態(tài)估計模塊同樣也具有一定的量測壞數(shù)據(jù)辨識功能.雖然海島新能源供電系統(tǒng)拓撲結構簡單，但是間歇式新能源發(fā)電比重高，因此狀態(tài)估計的難度不小.

作為一種特殊的微網(wǎng)，海島新能源供電系統(tǒng)有3種運行模式：并網(wǎng)模式、孤島模式和2種模式之間的切換模式（該模式持續(xù)時間特別短，因此，不考慮作為EMS調(diào)度管理的內(nèi)容，即認為海島新能源供電系統(tǒng)的運行模式只包括并網(wǎng)模式和孤島模式）［6，15］.模式識別的主要工作就是正確識別海島新能源供電系統(tǒng)處于何種運行模式，為海島新能源供電系統(tǒng)開展正確的調(diào)度管理提供基礎.如果海島新能源供電系統(tǒng)運行于孤島模式，模式識別模塊將進一步評估孤島運行時間.

3.3 負荷/新能源發(fā)電預測模塊

負荷/新能源發(fā)電預測模塊提供的數(shù)據(jù)是海島新能源供電系統(tǒng)進行安全預警、制定調(diào)度計劃、安排檢修計劃等的基礎.

風電等間歇式新能源發(fā)電由于受風速等氣象因素影響，隨機性比較強，進行周級、月級等以上的預測誤差很大，實際意義比較?。?6］.因此，筆者設計的海島新能源發(fā)電預測周期包括天級、小時級、分鐘級、秒級預測.另一方面，負荷是海島新能源供電系統(tǒng)供需平衡的主動方，因此負荷預測周期也應進行相應變動，分為天級、小時級、分鐘級、秒級負荷預測.

3.4 安全預警模塊

安全預警模塊包括運行風險評估、靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定校核等功能.

筆者設計的安全預警模塊在進行風險評估時，不僅考慮線路故障發(fā)生概率，而且將隨機波動的新能源發(fā)電出力、儲能裝置容量、負荷變化等因素作為重點考慮的內(nèi)容.由于線路故障的發(fā)生等同時具有隨機性和模糊性，因此，海島新能源供電系統(tǒng)安全預警模塊采用可信性理論［17］，評估海島新能源供電系統(tǒng)的運行風險，給出海島新能源供電系統(tǒng)的安全級別.

海島新能源供電系統(tǒng)孤島運行模式的穩(wěn)定裕度比并網(wǎng)運行的模式小很多，因此，孤島運行的海島新能源供電系統(tǒng)實時預警要求高，評估周期短.

3.5 調(diào)度計劃模塊

調(diào)度計劃模塊是海島新能源供電系統(tǒng)EMS的核心模塊，負責海島負荷和電源的電力電量平衡.其具體工作為①根據(jù)海島新能源供電系統(tǒng)的具體運行模式以及系統(tǒng)安全級別、檢修計劃等，制定更新海島新能源供電系統(tǒng)發(fā)電計劃；②系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時實行預防控制，系統(tǒng)出現(xiàn)三相短路故障等情況時實行緊急控制.

海島新能源供電系統(tǒng)EMS調(diào)度計劃模塊與傳統(tǒng)大電網(wǎng)EMS調(diào)度計劃模塊相比，具有特點：

1）可調(diào)度資源種類多，包括熱電聯(lián)合發(fā)電單元等部分可控電源、儲能裝置、可控負荷；

2）不可調(diào)度資源比重很高，包括風電、光伏發(fā)電、海流能發(fā)電等；

3）包括并網(wǎng)和孤島2種運行模式，不同運行模式調(diào)度策略不同，且孤島運行時間比典型微網(wǎng)長很多.

3.6 災害評估與處置模塊

災害評估與處置模塊從天氣預報結果出發(fā)，結合海島新能源供電系統(tǒng)的運行方式，實時評估海島天氣狀況及其發(fā)展趨勢對海島新能源供電系統(tǒng)的影響，給出不同天氣狀況下海島新能源供電系統(tǒng)的災害警報水平.

如果災害警報水平偏高，超過預定警戒值，則災害評估與處置模塊根據(jù)當前運行狀態(tài)和災害警報水平快速制定災害處置方案.根據(jù)海島新能源供電系統(tǒng)的運行模式，不同災害警報水平下的災害處置方案又可分為孤島模式處置方案和并網(wǎng)模式處置方案.災害評估與處置模塊主要用于保障臺風、暴雨等自然災害條件下海島重要負荷的供電.

3.7 黑啟動輔助決策模塊

孤島運行的海島新能源供電系統(tǒng)，在出現(xiàn)多重故障、極端惡劣天氣等情況時，容易出現(xiàn)全網(wǎng)大停電事故.故障清除之后，海島新能源供電系統(tǒng)需要根據(jù)合理的黑啟動方案快速恢復負荷供電.

海島新能源供電系統(tǒng)EMS需要根據(jù)新能源出力預測和負荷水平實時動態(tài)更新黑啟動方案，保證海島新能源供電系統(tǒng)大停電事故后的供電快速恢復.文獻［18］已經(jīng)提出了一套微網(wǎng)黑啟動方案的制定方法，但是沒有詳細闡述如何確定黑啟動每一步具體實施的時間.由于風電等電源的間歇性，海島新能源系統(tǒng)黑啟動過程中需要根據(jù)當前系統(tǒng)狀態(tài)動態(tài)更新其間歇式新能源發(fā)電的黑啟動流程和時間.

4 調(diào)度計劃模塊

4.1 多樣化的調(diào)度目標

海島新能源供電系統(tǒng)并網(wǎng)運行模式和孤網(wǎng)運行模式有著不同的安全性和穩(wěn)定性要求.因此，如圖3所示，海島新能源供電系統(tǒng)調(diào)度計劃的目標函數(shù)具有多樣性：

圖3 海島新能源供電系統(tǒng)調(diào)度目標Figure 3 Dispatching targets of new energy power supply system of islands

1）當海島新能源供電系統(tǒng)工作于并網(wǎng)模式時，主網(wǎng)能為其運行提供有效的頻率電壓支持［15，19］，因此調(diào)度計劃可以將經(jīng)濟性作為目標函數(shù)；

2）當海島新能源供電系統(tǒng)運行于孤網(wǎng)模式時，若安全穩(wěn)定裕度比較大，則調(diào)度計劃的目標是盡可能保證所有負荷電能供應的可靠性，縮小電力中斷的范圍和時間；

3）當海島新能源供電系統(tǒng)運行于孤網(wǎng)模式時，若安全穩(wěn)定裕度比較小，則調(diào)度計劃的目標是保證重要負荷的電能質(zhì)量；

4）當海島新能源供電系統(tǒng)運行于孤網(wǎng)模式，若安全穩(wěn)定裕度很小時，調(diào)度計劃的目標函數(shù)是重要負荷的電力可靠性，盡可能保證重要負荷的電力供應.

4.2 動態(tài)的調(diào)度周期

在海島新能源供電系統(tǒng)中，新能源發(fā)電的比重高，需要在制定調(diào)度計劃之前對其進行預測.然而，間歇性新能源預測的可信度不確定，并且大體上隨著預測時間增加而變大，這與負荷預測誤差的規(guī)律基本一致.

因此，在制定調(diào)度計劃時需要首先評估間歇性新能源和負荷預測的可信度，并選擇適當?shù)淖畲笳{(diào)度周期.若負荷和新能源發(fā)電預測的可信度不能滿足安全性的需求，則當前負荷和新能源預測誤差太大，需要縮小最大調(diào)度周期，并在此基礎上根據(jù)大電網(wǎng)的調(diào)度經(jīng)驗制定不同時間尺度的調(diào)度計劃.比如：大電網(wǎng)調(diào)度計劃可分為周調(diào)度計劃、日調(diào)度計劃、小時調(diào)度計劃.相應地，在海島新能源供電系統(tǒng)中，調(diào)度計劃的時間尺度可以根據(jù)最大調(diào)度周期來劃分成4種.

假設初始最大調(diào)度周期為Tmax，可信度最大值為Pcre，t，則調(diào)度計劃的詳細步驟：

1）利用諸如平均預測誤差等指標評估負荷預測和新能源發(fā)電預測的可信度Pcre；

2）若Pcre≥Pcre，t，則制定未來T1時間的調(diào)度計劃；若Pcre＜Pcre，t，則Tmax時間制定未來調(diào)度計劃不可行，調(diào)度計劃制定進入下一步；

3）通過T?max＝k×Tmax（k代表縮減系數(shù)，數(shù)值為0～1）縮短最大調(diào)度周期；

4）將周期T?max的調(diào)度計劃劃分為幾個不同時間尺度的調(diào)度計劃，并分別制定以上不同時間尺度的調(diào)度計劃.

上述步驟中，可信度指標和縮減系數(shù)對于動態(tài)的海島新能源供電系統(tǒng)調(diào)度是至關重要的，因為它決定了最大調(diào)度周期.另外，合適的調(diào)度計劃劃分方法也是必要的.上述工作非常具有挑戰(zhàn)性，筆者的后續(xù)工作將著重研究此領域.

4.3 滾動的調(diào)度計劃

基于相對準確的負荷預測和較少的不確定性因素，大電網(wǎng)調(diào)度計劃包括幾種固定時間尺度的計劃.與大電網(wǎng)不同，海島新能源供電系統(tǒng)不確定性因素較大，制定調(diào)度計劃時預測的運行狀態(tài)與實際運行狀態(tài)之間可能存在較大差異，如果差異達到一定程度，調(diào)度計劃將失去指導價值.因此，必要的調(diào)度計劃滾動是需要的，例如發(fā)電計劃的修正.

基于文獻［20］提出的智能電網(wǎng)調(diào)度計劃滾動方法和文獻［21］提出的電力市場調(diào)度計劃滾動方法，筆者充分考慮海島新能源供電系統(tǒng)的特點及其EMS的信息處理量，提出調(diào)度計劃滾動方法：

1）根據(jù)一天不同時間段負荷、天氣的特點，例如有無光照、是否峰荷等，將一天劃分若干時段；

2）根據(jù)當前時段和預測負荷來制定當前調(diào)度計劃和新能源電源發(fā)電計劃；

3）對于剩下時段的調(diào)度計劃，不管調(diào)度周期多長，如果其與現(xiàn)在的調(diào)度計劃處于同一時段，則估計它制定時的運行狀態(tài)與現(xiàn)在運行狀態(tài)的差異；

4）如果差異足夠大，則根據(jù)估計結果更新上述調(diào)度計劃，否則保持不變.

5 結語

海島新能源供電系統(tǒng)是有效利用海島風能、海流能等清潔能源發(fā)電，提高其供電可靠性和供電能力的重要途徑是未來海島電網(wǎng)重要的發(fā)展方向.

筆者從數(shù)據(jù)采樣周期、設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)類型等方面對海島新能源供電系統(tǒng)SCADA進行了分析，設計了海島新能源供電系統(tǒng)SCADA/EMS的架構體系及EMS系統(tǒng)的7個模塊，包括壞數(shù)據(jù)識別和修復模塊、狀態(tài)估計/模式識別模塊、負荷/新能源發(fā)電預測模塊、安全預警模塊、調(diào)度計劃模塊、災害評估與處置模塊以及黑啟動輔助決策模塊.最后，從目標函數(shù)、調(diào)度周期具體分析了海島新能源供電系統(tǒng)EMS調(diào)度計劃，并提出了其滾動方法.筆者的工作可以為未來海島新能源供電系統(tǒng)EMS的研究提供基礎.

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