基于CAN总线的微网能量管理系统策略

摘要：在研究微网基本特性的基础上，构建了基于CAN总线的电网能量管理系统。该系统采用下垂特性控制策略来对微网系统的电流、电压、频率等参数进行有效地控制，并利用CAN总线形式搭建了基于数字传感器的数据传输系统。实验结果表明：该系统有助于提高微电网系统运行的经济性和可靠性，提高系统的效率。同时CAN总线技术的应用还可以有效地提高数据采集精度、抗干扰能力以及远距离传输的实时性和可靠性。

关键词：微电网；能量管理；下垂特性；CAN协议

0引言

目前，电力系统的基本特点为集中发电、远距离高压输电、分布式用电，而且随着电网规模的不断扩大，其结构的复杂性也日益增加，这种复杂性会引起诸如运行和调度困难、跟踪负荷变化的灵活性差、可靠性和多样化用电能力不足等弊端，而这些弊端易导致局部事故扩散化，形成严重的大面积停电，因此，为了提高电力系统的可靠性和安全性，分布式供电成为了近几年来研究的*点。而另一方面，随着不*再*性能源的日益紧张及对环境的影响，可持续发展绿色能源的开发利用也成了当务之急，而这些能源都存在着发电状态随环境变化不够稳定等弊端，因此要接入公网也会面临诸多问题，而分布式供电为这些能源的利用提供了良好的途径。

分布式供电是相对于传统集中式供电方式而言的，发电系统较小且以分散的方式布置在用户附近的供电方式。微网就是其中主要的一种形式。微电网是各种微电源和分散负荷的组合，其中至少包含一个分布式电源及若干负荷，可作为一个整体系统来运行和控制[1]。微网的运行有两种模式，并网模式和离网模式。并网模式是微电网与大电网联网运行的模式，可作为大电网的一个支路，而非主网。而离网模式是切断与大电网的联系，单独运行的方式。

微电网技术是电力电子、分布式发电、可再生能源发电和储能技术的综合运用，为大规模应用分布式电源提供了一种有效实用的方法。但是微电网的使用也会产生新的问题，如电网的匹配、孤岛、能量管理问题等。本文针对微电网与传统电网的不同，研究了其能量管理问题。

1能量管理系统功能设计

根据应用的不同，微电网的基本结构也不尽相同。但是，一般来说，基本都包含微电源、储能、管理系统以及负荷四大部分。微电源一方面通过公共连接点(Pcc)与大电网相连接，另一方面采用逆变器和负荷相连。当大电网工作状态稳定时，微电网负载可由大电网供电，微电网与大电网并网运行，而当大电网供电中断或运行状态出现问题时，则隔离开关打开，切断微电网与大电网的连接，微电网转入孤岛运行状态。在微电网和大电网的接口处均配有断路器，并辅之以具有功率和电压控制功能的控制器，以实现能量的初步管理。每一个微电源具有包括有功、无功、电压、频率、孤岛等能量调节管理的控制方式。

微电网的基本结构如图1所示，能量管理系统作为整个系统的管理中*，具有对各种参数(系统电压、电流、有功、无功、频率、功率因数等)的管理功能，对微电源、储能装置、负荷的控制功能等。

1．1数据管理功能

管理系统内设数据库，库内存放着各设备的标准运行数据、历史运行数据、统计数据等，主要功能是记录实时运行数据，并且利用相应的功能软件对实时运行数据的状态进行统计和分析。

1．2微电网运行模式管理

微电网的运行模式分为并网和离网运行两种情况，管理系统根据系统要求对这两种运行模式进行有效的切换。当微电网需要并网运行时，管理系统对大电网的运行参数进行分析，如果大电网运行状态良好，管理系统就将微电网平滑地从离网运行状态切换至并网运行状态，而且管理系统开始实时地对微网和大电网的运行状态进行监检和数据分析；当管理系统监测到大电网运行数据严重偏离标准值时，管理系统视故障的严重程度决策运行方式，或者对大电网的运行参数进行一定程度的调节后，依旧保持并网运行，或者切断与主网的联系，进入孤岛运行；当微电网需要进行孤岛运行时，也由管理系统进行工作状态的切换。以上各种切换都应是平滑地无缝切换。

1．3对微电源的控制功能

利用管理系统对微电源的工作方式进行控制的依据是用电需求的变化，当微电网内的负荷需求较小时，能量管理系统调低微电源的输出功率，以达到节能的目的，而当负荷较大时，管理系统调高微电源的输出功率，以满足系统的要求。而当管理系统中的检测数据显示蓄电池充满时，管理系统关闭微电源，利用蓄电池放电给系统供电。

1．4储能装置的管理

蓄电池的工作状态是微电网稳定运行的基础。管理系统内嵌SOC算法模型，实现对蓄电池的充放电、电压值、功率值的管理，并根据系统的需要，设置相应的控制方式，从而完成蓄电池的有功功率、无功功率的调节。

1．5负荷管理

微电网的负荷是微电网的用电中*，决定着微电源出力的多少，管理系统的责任是保持微电源与负荷之间的平衡，以确保微电网在负荷发生变化时，系统能够稳定地运行。

2能量管理系统功率控制策略的确定

微电网中的微电源大致可以分为三类：一类是可再生性能源，主要有光伏发电、风力电力、生物质能发电等；一类是传统发电模式，如柴油发电机、小水电等；另一类是新兴的发电模式，如燃料电池、微型燃气轮机等。这三类发电方式，都需要通过逆变器变换为工频变流电，因此，基于电力电子技术的逆变器的工作状态成为能量管理的关键。

逆变器作为微电网与大电网之间的接口，主要的功能就是控制输出的有功功率和无功功率。控制方法主要有PQ控制法、下垂(Droop)控制等，控制策略分为主从型和对等型两种方式。本设计采用的是对等型的Droop控制法。

在微电网中，各个分布式电源(DG)没有主次、从属关系，所有的微电源采取相同或不同的控制方法来参与有功或无功功率的调节，并以实际电网中各种实时监测的电气量为依据，进行系统电压和频率的协调。对等型控制框图如图2所示。

从图2可知，对等控制中各个微电源相互独立，在电压和频率等参数进行调节的过程中，只需进行自身输出端电气量的监测，不用对其他微电源的运行状态进行衡量，从而保证了系统的可靠性。

在本设计中，每一个微电源的逆变器采用Droop控制方法，基本策略是模仿传统发动机的下垂特性，通过解耦有功功率．无功功率与电压．频率之间的关系进行系统电压和频率调节。该方法的优点是在并网和离网两种模式切换时无需改变控制方式，就可持微网电压和频率的稳定，从而保证系统的有功负载进行合理的分配。

3 CAN总线结构分析

在微电网中，电源的种类多，其中可持续性绿色电源占据一定的比重，但是这一类电源受环境影响大，工作状态不够稳定，因此需要对微电网中的微电源进行有效地监控，而且由于数据量大且实时性高，所以监控系统的通信功能满足系统的基本要求。

根据微电网的基本要求，本设计采用基于CAN总线的通信结构，利用CAN总线来连接逆变器，而在通信结构中，利用可编程逻辑器件CPLD完成DSP处理器TMS320F240与CAN控制器SJA1000之间的接口设计[2]。

通讯结构图如图3所示，微电网的控制策略由DSP担任电气量的计算，计算结果通过CAN总线传送至控制中*，控制中*根据相应的计算结果将控制命令通过CAN总线传送至下位机，从而实现对微电源的有效监控。

4系统概述

4.1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*进经验，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*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。

4.2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

4.3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。

4.4型号说明

5系统配置

5.1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

6系统功能

6.1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。

6.1.1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。

6.1.2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，并展示当前电芯的较大、较小电压、温度值及所对应的位置。

6.1.3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。

6.1.4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。

6.1.5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。

6.2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

6.3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。

图17策略配置界面

6.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备指*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

6.5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

6.6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

6.7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*百和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度百*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、较大值、较小值、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

6.8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

6.9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

6.10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

6.11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。

6.12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。

图26通信管理

6.13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

6.14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

6.15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*和随意修改。

图29事故追忆

7硬件及其配套产品

5总结

微电网是近几年发展起来的一种电网组成形式，具有规模小、灵活性强、安全可靠性高等特点，同时微电网的出现又为绿色能源的利用创造了有利的条件，因此，成为人们关注的热点。

本设计从微电网运行模式出发，研究了微电网能量管理系统的功能、控制策略、通信方式等问题，确定了以CAN总线结构为主的对等性控制方式，而在控制策略上采用Droop控制法对每一个DG进行有效地控制，确保了整个微电网系统在两种模式下均能够安全、稳定地运行。

参考文献