淺談基于集成學習的微電網系統源網荷儲協同控制方法

　　摘要：受能源輸出和負荷的波動性影響，微電網系統運行成本難以得到有效控制，對此提出基于集成學習的微電網系統源網荷儲協同控制方法。分別針對微電網系統的源(可再生能源發電)、網(電網結構)、荷(用電負載)、儲(儲能設備)進行計算后，以滿足負荷需求為前提，構建了以#小化微電網系統成本投入為基準的目標函數；在控制過程中，引入集成學習算法，結合微電網系統源網荷儲的可執行調度參數設置了集成學習策略集，根據分時電價信息和斷電補償機制下的負荷曲線預測結果，確定演化集成學習達到穩定狀態時的參數作為#終的控制參數。在測試結果中，購電成本、儲能成本以及棄風光成本合計僅為3.1萬元，明顯低于對照組。

　　關鍵詞：集成學習；微電網系統；源網荷儲；協同控制；#小化微電網系統成本投入；目標函數；集成學習策略集；分時電價信息

　　0引言

　　在微電網中，源網荷儲各自扮演著重要的角色。其中，源指可再生能源發電設備，如風力發電機和光伏發電板，其為微電網提供電力來源。網則是微電網的電網結構，負責電能的傳輸和分配。荷是微電網中的用電負載，包括各種用電設備和系統。儲則是儲能設備，如電池儲能系統，用于平衡電力供需，提高系統的穩定性。在微電網系統中，源網荷儲之間的協同控制具有重要意義。通過協同控制，可以實現微電網內部各組件間的協同運行，優化電力資源的配置，提高系統的效率和可靠性。在相關研究中，文獻提出了一種以自適應學習率卷積神經網絡為基礎的協調技術，在微電網系統的協同控制中展現出創新優勢，其借助卷積神經網絡強大的特征提取和模式識別能力，在學習歷史數據和實時數據的基礎上，根據系統的運行狀態和環境變化，動態調整學習速率，實現了自動調整控制參數，使得對微電網系統的控制更加#。然而，這種技術也存在一些不足。首先，卷積神經網絡的訓練需要大量的數據和計算資源，這對于微電網系統而言，存在一定的實現難度。其次，自適應學習率機制雖然可以提高控制算法的收斂速度，但也可能導致過擬合或欠擬合等問題。文獻提出以 LSTM 算法為基礎的調度技術，在微電網系統中也展現出獨特的優勢。利用 LSTM 算法在時間遞歸屬性方面表現出的序列處理能力，對微電網系統中的時間序列數據進行預測，制定更加合理的調度策略，提高了系統的運行效率和經濟性。然而 LSTM 算法的計算復雜度較高，導致其在實際微電網系統中的應用需要較長的訓練時間和較多的計算資源，當微電網系統源網荷儲數據之間存在復雜非線性關系時也會受到一定限制。在上述基礎上，本文提出基于集成學習的微電網系統源網荷儲協同控制方法，并以實際的新能源接入的微電網系統為基礎，在對比環境下測試了設計控制方法的性能。

　　1微電網系統源網荷儲協同控制方法設計

　　本文在進行具體的控制過程中，引入了集成學習算法，以此對源網荷儲之間的關系進行深度分析，以確保#終對微電網系統能源的調度結果實現成本的#小化。具體的執行步驟如下。

　　步驟1，集成學習策略集構建。考慮到新能源配網環境下大多以分布式能源管理模式為主，因此為了保障#終控制結果的可靠性，以確定各種分布式電源的功率配置為基礎， 構建 集成學習策略集。

　　步驟2，初始種群的設定。在集成學習的初始階段，以微電網系統源網荷儲狀態參數為基準，設定初始種群。

　　步驟3，集成學習過程的演進。在演化集成學習的過程中，結合微電網系統控制目標函數的約束條件，以電力負荷需求為基準，結合具體的分時電價信息和斷電補償機制，對用電需求響應的負荷曲線進行預測。

　　步驟4，#終控制方案的輸出。當演化集成學習達到穩定狀態時，在確保分布式電源和儲能裝置的配置能夠#大限度地滿足電網需求的前提下，輸出控制方案。

　　按照上述方式，實現對源網荷儲協同控制，確保具體的負荷需求得到滿足，且對應的運行成本也能夠得到有效控制。

　　2測試分析

　　2.1 測試環境

　　在分析本文設計的源網荷儲協同控制方法實際應用性能的過程中，開展對比測試。其中，參與測試的對照組為文獻提出的以自適應學習率卷積神經網絡為基礎的協調技術以及文獻提出的以 LSTM 算法為基礎的調度技術。以某風光接入的微電網系統為測試環境，對風力和光伏運行參數數據進行統計，具體的數據信息見表1。

　　除此之外，儲能裝置也是保障測試風光接入微電網系統電力供需平衡、運行穩定的關鍵。儲能裝置的最大負荷為1200.0 MW，波谷對應的負荷僅為150.0MW。在上述測試環境下，分別采用3種方法進行為期7天的測試，控制效果以測試風光接入微電網系統的綜合成本作為指標。

　　2.2測試結果與分析

　　不同控制方法下測試風光接入微電網系統的累計成本投入情況如圖2所示。可以看出，在3種不同測試方法下，測試風光接入微電網系統的累計成本投入情況表現出較為明顯的差異。其中，線路損耗成本、網損成本基本一致，并未出現明顯的不同，但購電成本、儲能成本以及棄風光成本的差值明顯較大。

　　在文獻提出的以自適應學習率卷積神經網絡為基礎的協調技術下，購電成本、儲能成本以及棄風光成本合計達到6.3萬元；在文獻提出的以 LSTM 算法為基礎的調度技術下，購電成本、儲能成本以及棄風光成本合計也達到了6.2萬元；而在本文設計控制方法下，購電成本、儲能成本以及棄風光成本合計僅為3.1萬元。其中，本文設計控制方法購電成本分別低于文獻技術和文獻技術0.78萬元和0.72萬元；儲能成本分別低于文獻技術和文獻技術0.66萬元和0.48萬元；棄風光成本分別低于文獻技術和文獻技術1.74萬元和1.92萬元。因此，本文設計的源網荷儲協同控制方法可以實現對源網荷儲的有效控制，最大限度降低微電網系統的運行成本投入。

　　3 Acrel-2000MG微電網能量管理系統概述

　　3.1概述

　　Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的#經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電樁的接入，進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，提升可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

　　微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

　　3.2技術標準

　　本方案遵循的#標準有：

　　本技術規范書提供的設備應滿足以下規定、法規和行業標準：

　　GB/T26802.1-2011工業控制計算機系統通用規范的1部分：通用要求

　　GB/T26806.2-2011工業控制計算機系統工業控制計算機基本平臺#2部分：性能評定方法

　　GB/T26802.5-2011工業控制計算機系統通用規范#5部分：場地安全要求

　　GB/T26802.6-2011工業控制計算機系統通用規范#6部分：驗收大綱

　　GB/T2887-2011計算機場地通用規范

　　GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求

　　GB50174-2018電子信息系統機房設計規范

　　DL/T634.5101遠動設備及系統#5-101部分:傳輸規約基本遠動任務配套標準

　　DL/T634.5104遠動設備及系統#5-104部分:傳輸規約采用標準傳輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101

　　GB/T33589-2017微電網接入電力系統技術規定

　　GB/T36274-2018微電網能量管理系統技術規范

　　GB/T51341-2018微電網工程設計標準

　　GB/T36270-2018微電網監控系統技術規范

　　DL/T1864-2018型微電網監控系統技術規范

　　T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

　　T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規范

　　T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規范

　　T/CEC152-2018并網型微電網需求響應技術要求

　　T/CEC153-2018并網型微電網負荷管理技術導則

　　T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

　　T/CEC5005-2018微電網工程設計規范

　　NB/T10148-2019微電網的1部分：微電網規劃設計導則

　　NB/T10149-2019微電網#2部分：微電網運行導則

　　3.3適用場合

　　系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

　　3.4型號說明

　　4系統配置

　　本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

　　5系統功能

　　5.1實時監測

　　微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

　　系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

　　系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

　　微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖2系統主界面

　　子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

　　5.1.1光伏界面

圖3光伏系統界面

　　本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　5.1.2儲能界面

圖4儲能系統界面

　　本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

　　本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

　　本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統PCS電網側數據界面

　　本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統PCS交流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS直流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統PCS狀態界面

　　本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態界面

　　本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

　　本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的大、小電壓、溫度值及所對應的位置。

　　5.1.3風電界面

圖13風電系統界面

　　本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　5.1.4充電樁界面

圖14充電樁界面

　　本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

　　5.1.5視頻監控界面

圖15微電網視頻監控界面

　　本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

　　5.2發電預測

　　系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界面

　　5.3策略配置

　　系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界面

　　5.4運行報表

　　應能查詢各子系統、回路或設備規定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

　　5.5實時報警

　　應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

　　5.6歷史事件查詢

　　應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

　　5.7電能質量監測

　　應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

　　1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；

　　2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

　　3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

　　4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

　　5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

　　6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、95%概率值、方均根值。

　　7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網系統電能質量界面

　　5.8遙控功能

　　應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

　　5.9曲線查詢

　　應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

　　5.10統計報表

　　具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

　　5.11網絡拓撲圖

　　系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網系統拓撲界面

　　本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

　　5.12通信管理

　　可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖26通信管理

　　5.13用戶權限管理

　　應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

　　5.14故障錄波

　　應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖28故障錄波

　　5.15事故追憶

　　可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

　　用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故前10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶規定和隨意修改。

圖29事故追憶

　　7結束語

　　在220kV 變電站實施的基于大數據技術的電力設備運行狀態監測與故障預警系統，在試點運行期間表現出色。研究成果表明:系統能夠實時采集、處理和分析大規模數據，有效提升數據處理效率；系統具備高準確率的故障檢測和預警功能，幫助運維人員及時發現和處理設備故障，減少了設備損壞和停電事故的發生；系統提供了直觀易用的用戶界面，提升了運維人員的使用體驗和滿意度。