EMS能量标准管理系统介绍.doc

EMS能量管理系统
1 引言
1.2.1 项目名称
名称：EMS能量管理系统
研发设备：
1、 监控主机
2、 EMS Master
3、 EMS Slave
1.2.4 用户
1）直接用户
项目完成后直接用户为微网电站。
2）潜在用户
海岛、政府办公大楼、小区建筑型等是其潜在用户，也能够应用于其它储能微网项目、或并网项目。
1.2.5同其它系统或其它机构基础相互来往关系
伴随电子技术和计算机技术，尤其是电力电子技术飞速发展，和各类型蓄电池成本减低和普及，微网、储能电站会有一个越来越大市场。
在微网系统中，为了协调各个发电设备，需要有一个功效调度设备完成功率分配工作。
本系统带有RS485接口，能够满足和远程监控系统接口，可实现太阳能光伏发电系统无人值守。
1.2.6和其它监控系统通信
通信协议：MODBUS RTU
物理接口：RS-485
1.3 定义
EMS能量管理系统：微网中负责管理多种发电设备、负载设备功效调度、管理设备。
EMS上位机：
EMS Master：
EMS Slave：

2．可行性研究前提
2.1 要求
2.1.1 功效要求
伴随全球范围内能源紧缺和环境保护问题日益突出，可再生能源利用引发广泛重视。大规模太阳能光伏微网发电系统是充足利用太阳能一个有效方法之一，微网系统中发电调度是系统中最关键装置之一，直接关系到电网稳定和太阳能利用和转换效率，一直是大家关注和研究热点问题之一。
能量管理单元是依据搜集到各个发电设备运行状态数据、负载用电数据，做出适宜判定，管理、控制各设备正常运行、确保电网稳定装置。将光伏、风电和柴油发电相结合，以取得间歇性太阳能和风能资源发电最大化利用，同时确保能够提供连续高质量电能供给。另外，系统运行费用和对环境污染均降低了。光伏阵列、蓄电池、风电机组、负荷、柴油发电机组是这个系统中关键部分，怎样能确保能量在这几部分中合理分配以达成整个系统稳定运行是建设永兴岛微电网需要处理一个关键问题。能量管理系统就是要处理光/风/柴/储/负荷之间配合问题，使得系统能够协调运行，既确保可再生能源充足利用、降低柴油消耗、保护环境。
对EMS能量管理单元功效基础要求
Ø 稳定电网：
1. 协调发电、用电设备，稳定电网。
2. 统计用电数据。
3. 统计、显示电网状态。
Ø 控制功效：
1. 接收上级指令，并作出对应动作。
2. 控制各个发电设备运行。
3. 管理部分负载。
Ø 控制器显示、通信功效：
1. 自带显示界面，显示多种状态、参数。
2. RS485通信接口和上位机通信。
2.1.2技术要求
1、产品安全稳定，成本低。
2、在现有成熟技术基础上进行创新，开发出含有高性能，容量扩展轻易新产品，借鉴中国外同行同类产品成熟技术，吸收中国同仁优异算法和编程技巧。
3、产品应符合相关国家或行业标准。

3系统设计
3.1系统整体结构
综合分析中国外情况，能量管理系统上位机采取工控机作为硬件平台。工控机含有较强抗干扰能力、外部扩展口种类多，而且开发相平台是和一般计算机相同，这么开发相对方便。
系统框图：

3.2具体功效要求
3.2.1 EMS上位机具体功效要求
1、显示
实时显示电网运行数据、状态。如电网频率、电压、电流、发电功率、用电功率、有功、无功等。
实时显示网络中设备运行状态。发电设备状态数据、用电设备状态数据、PCS电池充放电状态及容量等。
查询显示各设备运行统计；显示数据库中统计设备运行数据曲线、工作状态曲线等。依据曲线对电网、设备进行分析，从而制订出愈加好控制策略和方法。
2、控制
控制网络中设备开启、停止。手动控制一个或多个设备停止工作，从而能够进行检修工作。手动控制PCS对电池进行充放电，电池活化处理和电池检测等工作。手动控制可控负荷工作。
接收上级指令或经过编辑好控制过程，向EMS系统发送控制指令，满足调度要求。
3、统计
统计电网运行数据、状态，能够远传到远程监控中心，方便未来进行电网运行状态分析时使用。
统计网络中各个设备运行状态数据、运行状态。能够远传到远程监控中心进行查询、显示和分析。
统计控制命令实施过程，统计远端下发控制指令，统计向EMS系统下发控制指令。能够经过网络将数据远传到监控中心或分析设备中，方便未来进行电网运行状态分析时使用。
4、数据输入
编辑系统网络结构。经过界面操作配置系统网络图，设备链接示意图，自动产生网络对应数据库。
设备设备配置数据。经过界面操作配置系统中各个设备、Slave设备配置数据，下发各个设备。
5、通信
远程通信。经过RS485或TCP/IP将EMS管理网络数据远传到监控中心或分析设备中，共分析人员使用。
和Master通信。向Master下发远程或界面操作产生控制指令，接收Master运行状态数据。

3.2.2 EMS Master具体功效要求
1、采集数据、控制设备
经过采集设备(串口、CAN采集)或电压、电流传感器采集电网运行参数（电压、电流、频率等），计算电网有功、无功。
累计计算发电设备运行数据（Slave上传或外接采集设备）；采集可控负荷状态数据。
依据电网数据和状态、上级调度命令，依据设定好调度算法，计算出控制量，将控制量依据控制算法，细分到各个Slave中，向Slave发送适宜控制指令。
监控模拟、数字输入口状态，依据逻辑做出相对应动作。
控制模拟、数字口状态。
2、通信
和上位机、上级或监控进行通信。接收上级（控制）指令，作为控制算法输入条件。
管理Slave。查询控制管辖Slave，判定Slave状态。
3、统计
统计电网运行数据、状态，供上位机查询显示用，方便未来进行电网运行状态分析时使用。
统计Slave运行状态数据，统计Slave管辖设备运行状态数据。能够经过专用设备或上位机进行查询和显示。
统计控制命令实施过程，统计上位机、监控主机下发控制指令，统计向Slave下发控制指令。能够经过网络将数据读入上位机或分析设备中，方便未来进行电网运行状态分析时使用。

3.2.3 EMS Slave具体功效要求
1、控制
控制协调PCS、逆变器、油机、风机、可控负荷等设备运行。含有一定自主控制功效，在满足Master控制要求基础上，自动分配管辖设备工作点。
2、通信
和Master进行通信。接收Master下发控制指令，作出判定并实施。向Master主动/查询汇报管辖设备运行状态。
和管辖设备PCS、逆变器等进行通信。向管辖设备发送控制指令，调整设备运行状态。接收设备运行状态数据，向Master进行汇报。
3、统计
统计Master下发到本Slave控制实施指令，方便未来进行电网运行状态分析时使用。
统计下发到管辖PCS、逆变器等设备控制命令，并统计管辖设备对下发指令实施情况。
统计管辖PCS、逆变器等设备运行状态及数据，同时向Master汇报设备多种运行数据、状态、报警等。

3.3技术指标
3.3.1 EMS系统技术指标
EMS系统指标
设备容量

上位机监控平台
1台
Master
1台
Slave最大数量
8台
Slave控制设备数量
4台
最大控制设备数量
32台
发电设备最多24台
负载最多8台
控制功率

最大发电功率
12MW
最大控制负载功率
4MW
时间响应

检测控制时间
<100ms(检测->判定->下发命令->设备实施)

3.3.2 EMS上位机具体技术指标
EMS上位机
接口

RS485接口
1个，MODBUS协议，通信速率2400bps-38400bps,默认9600bps,最大通信距离<1500m(2400bps)
RJ45接口
1个，100M/10M
VGA接口
1个，现场显示
供电

电压
交流220V/50Hz，直流18-32V
最大功耗
120W
系统参数

防护等级
IP20
噪声
<83dB
工作环境温度
-20℃～+40℃
工作环境湿度
20%-93%
冷却方法
风冷
显示方法
TFT 触摸屏
安装方法
机柜、琴台
EMC要求

EMC要求
ClassB

软件参数

操作统计数量
最多1万条
报警统计数量
最多1万条
运行参数统计数量
最多10万条
操作密码保护
3级
无密码：查询统计、报警等
1级：复位报警等；现场维护人员使用
2级：更改系统运行参数，控制设备；设备管理人员使用
3级：配置系统等，厂家使用
编辑、下载系统参数

3.3.3 EMS Master具体技术指标
EMS Master
时间指标

检测控制时间
<100ms(检测->判定->下发命令->设备实施)
上位机命令响应
<10ms
巡检Slave周期
<100ms

接口

RS485接口
2个，MODBUS协议，通信速率2400bps-38400bps,默认9600bps,最大通信距离<1500m(2400bps)
RJ45接口
1个，100M/10M
CAN接口
2个，通信速率2Kbps-50Kbps,默认10Kbps,最大通信距离<1500m(2Kbps)
模拟输入接口
6路（电网电压、电流）,4-20mA
模拟输出接口
8路，4-20mA
开关量输入接口
12路，无源
开关量输出接口
12路，无源
供电

电压
DC18-32V
电流
<1A
最大功耗
20W
系统参数

防护等级
IP20
工作环境温度
-20℃～+70℃
工作环境湿度
20%-93%

3.3.4 EMS Slave具体技术指标
EMS Slave
时间指标

检测控制时间
<100ms(检测->判定->下发命令->设备实施)
上位机命令响应
<10ms
巡检Slave周期
<100ms

接口

RS485接口
2个，MODBUS协议，通信速率2400bps-38400bps,默认9600bps,最大通信距离<1500m(2400bps)
RJ45接口
1个，100M/10M
CAN接口
2个，通信速率2Kbps-50Kbps,默认10Kbps,最大通信距离<1500m(2Kbps)
模拟输入接口
6路（电网电压、电流）,4-20mA
模拟输出接口
8路，4-20mA
开关量输入接口
12路，无源
开关量输出接口
12路，无源
供电

电压
DC18-32V
电流
<1A
最大功耗
20W
系统参数

防护等级
IP20
工作环境温度
-20℃～+70℃
工作环境湿度
20%-93%

4技术路线
4.1 开发环境
4.1.1 EMS上位机
方案1：
采取组态软件开发。
优点：开发相对简单，速度快，维护方便。
缺点：软件布署需要购置版权。
方案2：
采取通用软件开发，比如VC++/QT之类。
优点：布署软件不需要额外费用。
缺点：开发复杂，对人员技术水平要求高，维护相对困难。
4.1.2 EMS Master、EMS Slave
采取C语言实现
开发环境采取IAR for ARM。

4.2 软件步骤
主控软件关键由主程序和通信程序两部分组成，主程序步骤图图3a所表示，通信程序步骤图图3b所表示。

图3a 主程序步骤图

图3b 中止子程序步骤图

6 投资及效益分析
1)
2) 符合国家新能源政策和财政部太阳能光电补助范围，能够申请国家科技项目，获取国家资助；
3) 本能量管理单元开发完成后，经过合适改造，能够用在其它清洁能源并网发电系统中。
6.3 市场前景
微电网发展在中国尚处于起始阶段，但微电网特点适应中国电力发展需求和方向，而且有着宽广发展前景。“十一五”计划已将主动推进和激励可再生能源发展作为中国关键发展战略之一。其次，中国现在电网短时间尖峰负荷越来越大，若采取增加发电装机容量方法来满足高峰负荷是很不经济，而利用微电网来充足调动分布式电源和负荷参与系统调峰，则能够有效缓解峰谷差问题。而且，微电网在提升电网供电可靠性、改善电能质量方面也含相关键作用。
中国电网建设和发展将进入推进电力资源尤其是可再生能源在更大范围内优化配置新阶段，其标志是将分布式发电、储能和负荷组合在一起组成微电网，进而再将其和输配电网集成，形成一个全新电网结构体系，伴随可再生能源发电和微电网研究推进，配电网计划将根据表3-1所表示方法发展。
表3-1 配电网计划方法
发展阶段
过去
现在及近期
未来
计划方法
常规方法
分散能量系统
微电网
电源方法
集中
集中为主，分散为辅
分布式发电成为关键电源之一
负荷特征
无区分
需要考虑分布式电源接入
基于电能质量需求和控制负荷分级
配网特征
单端辐射状供电网络
双端供电网络
自主网络，有双向能量交换能力
紧急状态管理
基于频率切负荷，机组强迫停运
切负荷，切分布式机组
孤网自治运行，紧急状态能量分配管理
欧美最初提出微电网概念，是基于欧美电力系统情况。据美国电科院估计，美国负荷组成为：37.2%居民负荷、35.6%商业负荷，工业负荷仅仅占26.4%；而中国工业负荷高达74%，居民负荷仅占11%。
中国幅员广阔，气候等自然条件和产业结构不一样，致使各地电网负荷特征差异很大。在中国发展微电网需要针对中国本身电力系统特点，结合其不一样区域具体需求提出针对性处理方案。中国微电网根据其运行特点能够分为如表3-2所表示2种经典类型。
表3-2 中国微电网特点
类型
城市地域微电网
偏远地域微电网
农村微电网
企业微电网
运行方法
GD，IG
GI，IG
分布地域
经济发达城市
农村、郊区、草原、山区等偏远地域
电压等级
中压配网(10kV)
低压配网（400V）
中压配网（10kV及以上）
容量
数百千瓦至10MW
数千瓦至数百千瓦
数百千瓦至10MW
关键目标
事故状态下保障关键电源供电、确保供电可靠性和电能质量、节能减排、抗灾能力
利用可再生能源为偏远地域供电、促进农村城镇化
提升供电可靠性和能源利用效率、降低成本
注：1）GD（Grid Dependent Mode）：和大电网并网并进行功率交换；2）GI（Grid Independent Mode）:也称自主运行状态，和大电网并网，但并不进行功率交换，内部发电自给自足; 3) IG(Isolated Grid Mode): 孤网状态，和大电网断开连接独立运行。
在中国，合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心较早地开展了风-光-柴-蓄复合发电及智能控制系统研究，这是由多个可再生能源发电装置联合组成“微网化”可靠供电系统，适合在缺电、无电海岛、沙漠、山区运行。该类系统是微网发展初级模式。
微电网是由微电源系统、储能系统和负荷组成微型电力网，依据需要可选择和配电网并网运行也可选择独立运行。微电源是微电网中关键组成部分，关键能够分成直流电源、异步电机型电源和同时电机型电源等三大类，现在发展趋势是普遍包含风电或光伏等可再生能源电源在内。
本项目研究是孤立微电网控制技术，孤立微电网因为没有大电网支撑，其控制和运行策略和常规电力系统有很大不一样，在多电源之间通常采取主从站控制、下垂特征控制、二次调整控制或基于多代理技术微电网控制技术。
国外各国发展微电网驱动力和发展目标不尽相同，如美国关注电能质量和供电可靠性，日本更重视可再生能源和储能，欧洲更期望经过微电网推进分布式电源发展。但普遍认为微电网形成和发展不是对常规集中式、大规模电网革命和挑战，而是代表着电力行业服务意识、能源利用意识、环境保护意识一个提升和改变。微电网是未来电网实现高效、环境保护、优质供电一个关键手段，是对大电网有益补充。
中国微电网尚处于发展起始阶段，现在关键用于偏远地域和海岛供电，和部分研究机构科研和示范，但微电网特点适应中国电力发展需求和方向，有着宽广发展前景。