舜通云微电网技术方案

作者：舜通智能 来源：www.sitcsys.com 发布时间：2023-04-18 热度：396

一、项目概述

       微电网是包含分布式能源和负荷的中、低压交/直流电力系统。根据微电网与大电网的连接关系，微电网可分为独立型和并网型两类。其中，独立型微电网与大电网之间没有电气连接，且仅运行于孤岛模式；并网型微电网作为一个可控单元与大电网连接并可工作于并网模式与孤岛模式。
       微电网EMS具备对光伏、储能、配电系统、柴油发电进行综合监测、分析、控制的系统模块，主要功能包括：数据采集与处理、报警处理、控制和操作记录(包括人工操作、控制器自动控制、电网能量管理系统自动控制、电网稳定控制、互动服务、优化调度、 安全校核、源网荷储协同优化、负荷管理等)、管理功能、控制和操作（具备各种模式光储、 光柴储、柴储、风光柴储等多种模式无缝切换控制功能，切换时间不超过 20ms 等）、在线统计计算、画面显示功能、人机接口功能、通信接口、系统的自诊断和自恢复、维护功能、权限管理等。
       高速公路服务区”光储充+”微电网，是基于微电网的有的是，通过风光互补系统、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。该系统可以工作在并网和离网两种模式下，具有高度的可靠性和稳定性，能够实现电力自发自用、余电上网，帮助各种新能源汽车在调整公路场景下实现多种形式的能源获取，同时能够减少高速公路服务区高昂的电费开支，并为高速公路服务器增加新的利润增长点。

二、系统技术方案

  2.1 系统设计原则

       系统的成熟性：在设计过程中，应充分考虑采用技术的成熟性，对不够成熟的产品和技术将不予采用，这对于保证系统的可靠运行具有重要的意义。即采用的技术和产品是经过多次实际考核的，采用后，安装调试完毕后，即能正常运行。
       系统的经济性：有效地控制智能化系统建设成本是系统设计应考虑的一个重要因素。不仅要达到系统设计的技术要求，同时也要在合理地范围内控制系统成本，即追求最高的性能价格比，达到功能而其价格是合理的，或者说同类产品中，价格是较优惠的。
       系统的开放性：系统设计应采用和遵循国际标准化组织的工业标准，使建成后的系统是一个开放的系统，不仅具有良好的可扩充性和灵活性，而且具有很强的兼容性和可移植性，使系统在运行过程中便于维护，具有更长的生命周期。
       系统的可管理性：系统建成后，应具有良好的可管理性。尤其是计算机网络系统，它是整个信息传输的基础，也是各子系统得以正常运行的保障，必须要有切实可行的管理措施及网络安全措施，来保证系统高效、可靠、安全地运行。
       系统的可靠性：设计过程中将采取有效的措施来保证系统的可靠性，包括提高系统的冗余能力，增加关键设备的容错性等。即出故障的概率很小，万一出故障后，停机维修的时间很短。
       系统的先进性：在设计的当时是先进的，以保证在相当一段时间内，系统不致被淘汰。在保证成熟性和经济性的前提下，尽可能的先进。

  2.2 系统主要特点

       1）系统采用四层架构，分别为：采集层、传输层、服务层和应用层。其中采集层负责采集所有设备的数据，传输层主要负责将设备采集的数据上传到服务端，服务层主要为系统核心层，包括数据的存储、计算；应用层主要负责系统的业务实现和展示。
       2）系统采用具备边缘计算能力的通讯管理机采集和传输数据。根据采集的设备种类较多和数据量较大，在采集层使用通讯管理机将数据进行集中采集，统一发送到服务端。通讯管理机带边缘计算能力，可以辅助计算相关数据后，再打包传输到服务器，减轻服务器的通信和计算压力。
       3）系统采用组态方式绘制系统图。系统支持用户根据实际监控需求绘制主系统图、网络拓扑图等，并可将采集的数据直接关联到系统图上，最大程度地支持用户自由编辑和配置。
       4）系统具备并网和孤岛两种模式控制算法，并且可以控制两种运行模式之间的平滑切换。
       5）系统可以对负荷用电进行长期和短期的预测，通过预测分析实现对微电网系统的高级能量管理，使之达到高效安全运行。
       6）系统支持跨平台运行，可部署在windows、linux等操作系统上运行，也支持全国产化的平台。

  2.3 系统性能指标

     1）可靠性指标
       系统年可靠率 > 99.9%
       单元（模块）器件平均无故障时间 > 50000小时；
       重要（关键）器件平均无故障时间 > 100000小时；
     2）运行寿命指标
       所有设备的寿命在正常使用（具备一定备品）条件下不少于15年；
       所有设备在给定的性能指标下运行，连接4000小时内不需要人工调整和维护；
     3）实时性指标
       遥测量越死区传送时间< 3秒；
       遥信变位传送时间<2秒；
       遥控、遥调命令传送时间<1秒；
       系统实时数据扫描时间1~10秒（可调）；
       计算机远程网络通信中实时数据传送时间<3秒；
       画面响应时间<2秒；
       画面实时数据刷新周期1~10秒（可调）；
       存储最小时间时间为1min，数据永久保存；
     4）准确性指标
       遥测正确率>99.5%；
       遥信正确率=100%；
       遥控准确率=100%；
       遥调准确率=100%；
       站内分辨率≤2ms；
       系统事故追忆(PDR)时间；
       系统事故前追忆时间 15 分钟；
       系统事故后追忆时间 15 分钟；
     5）系统负载率指标
       电网正常情况下：
       在任意 5 分钟内，服务器 CPU 的平均负荷率≤20%；
       在任意 5 分钟内，MMI 工作站 CPU 的平均负荷率≤30%；
       在任意 5 分钟内，主站局域网的平均负荷率≤10%；
       电网事故状态下：
       在任意 1 分钟内，服务器 CPU 的平均负荷率≤30%；
       在任意 1 分钟内，MMI 工作站 CPU 的平均负荷率≤40%；
       在任意 1 分钟内，主站局域网的平均负荷率≤20%；

三、数据采集与传输

  3.1 采集方案

       系统按照完整的数据链将流程分为：数据采集、数据传输、数据存储和远程控制四个部分。数据采集层与各类传感器设备进行数据的直接通讯和交互，它们是工作在最底层。数据传输层使用TCP SOCKET方式，并采用上行协议将数据传输到服务器。数据存储层是整个应用的核心，也是系统建设中的重点内容。远程控制层是根据项目实际需求添加的功能，远控由WEB前端发出指信，转交由前置通讯服务器后发送到设备端，由设备执行控制命令的动作，并及时反馈控制结果。四个工作模块的协同工作流程示意图如下：

     1）数据采集规范
       根据项目实际采集量的需求，系统中将数据分为如下几类：配电数据、光伏数据、路灯数据、充电桩数据、水表数据、气表数据和中央空调数据。为了灵活配置数据采集信息和随时可以产生增量数据，我们将所有的采集量信息进行了编码，以编码的方式来管理和维护数据采集项，所有的数据传输、平台数据检索都以编码为统一的接口。
     2）采集项编码工作示意图
       如下图所示为：采集项编码在数据工作流中的示意图

  3.2 数据传输

       数据传输是将设备中实时采集到的数据根据系统的需求上传到服务器的过程，我们根据数据产生的频率、数据的性质对上传的数据进行了分类传输，一来可以保证数据传输的实效性，二来可以保证数据的连续性。数据主要分为三类：实时数据、事件数据和断点数据。

     1）实时数据
       实时数据分为高频实时数据、定时存盘数据和触发存盘数据。
       高频实时数据是指设备采集后立即上传，并需要实时显示的数据，这类数据上送的频率非常高，为保证系统的稳定和较平衡的负载，建议设定实时数据上传的频率>=2秒，为避免造成海量数据的存储负担和无实际意义的数据拉低对整个系统的访问速度，高频实时数据会直接刷新到页面。
       定时存储数据是指需要存储到数据库中的数据，这类数据会根据设置的存储时间定时写入到数据库中，应用系统根据业务功能的需要，查询指定时间段的数据，或者以此进行统计分析。
       触发存盘数据是指达到某一条件后，设备将采集到的数据上传到云平台。如开关量数据，只有检测到开关量变位，才触发上传。
       系统所有的数据报表、应用功能和数据统计都是以存入到数据库中的定时存储数据为母本实现业务功能。实时数据上传工作示意图如下：

     2）事件数据
       事件数据主要是指产生的报警数据，如模拟量设定了上下限，如果实时数据超过上下限的界值，就会产生事件数据；如开关量发生了变位，也会产生事件信息。事件信息为主动触发，主动上传到平台。事件数据上送的优先级为最高优先级。事件数据上传工作示意图如下：

     3）断点数据
       断点数据是指产生通讯故障或者服务异常，采集端网络发生故障连接不到服务器，或者GPRS流量使用完，或者服务器停止工作，此时设备采集到的数据不能顺利上传到平台，就会存储到网关设备中，待网络通信恢复正常后，设备会将此类数据继续上传到平台中，以保证数据的完整性。断点数据上传工作示意图如下：

  3.3 数据存储

       数据存储是将设备数据上送到云平台后，云平台根据系统功能对数据进行分类存储。为避免一期项目中发生的所有数据都定时存储到一张表中，造成单表数据量庞大，平台数据检索困难等一系列问题。在此次项目中，我们根据数据采集项进行分类存储。分类原则如下：采集原始数据、事件数据和静态数据三类。其中原始数据是指设备上送的实时存盘和触发存盘数据，事件数据是指产生的报警信息，静态数据是指手动录入平台的档案信息类数据。
       另外，随着项目数量和时间的增加，原始数据和事件数据的数量也会逐渐增加，随之带来的影响就是数据库的读写压力会越来越大，系统访问速度也会越来越慢。为及早避免此问题的发生，在本次系统数据库的设计中，我们根据业务的功能、时间和项目的基数为依据，进行分库分表的操作。在系统数据库的详细中会再对此问题做详细的设计，本文档不再此对其详细介绍。

       上图中简述了数据存储系统中对数据进行裂变，按照时间、功能和项目进行拆分的示意图。

  3.4 远程控制

       远程控制是指由WEB客户端操作人员下发控制指令，经由前置通讯服务器转发给指定的设备执行的动作。远程控制的内容，在本次系统中我们设计增加模拟量的输入和开关量的输入。为保证每个控制指令的正确操作，增加安全性和可视化效果，每个操作都会记录到系统数据库，下发指令的权限也会根据系统权限进行匹配。控制结果以实时画面的形式显示在当前系统中，供操作人员观察。下图为远程控制指令由WEB前端触发到设备执行过程的流程示意图。

  3.5 特别说明

       为满足系统建设的要求，所有需要采集的设备需要具备通讯接口、通讯协议文本。所有采集点信息必须有明确的文档记录，并按系统要求进行布线和施工。对与既有设备无法提供通讯接口或者通讯协议的部分，根据现场条件适当加装设备以达到采集目的。

  3.6 采集指标

       （1）各风电、光伏逆变器信息（发电状态、功率，交/直流断路器状态，直流侧电压、电流，交流三相电压、频率、电流，温度，各类报警信息等）；
       （2）储能变流器信息（充放电状态、功率、交/直流断路器状态，直流侧电压、电流，交流三相电压、频率、电流，温度，各类报警信息等）；
       （3）电池管理系统信息（充放电状态、功率、接触器状态，SOC、SOH，直流侧电压、电流，单体电池电压、温度，各类报警/保护信息等）；
       （4）并网配电柜各多功能电表信息（相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度等）；
       （5）用户配电柜各多功能电表信息（相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度等）；
       （6）储能户外柜信息（空调信息、消防系统信息）；
       （7）柴油机系统（运行模式、功率、交流断路器状态，交流相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度等）；
       （8）氢燃料电池系统（运行模式、功率、交流断路器状态，交流相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度等）；

  3.7 设备清单

微电网典型配置如下：

• 分布式光伏发电，容量：300kW
• 储能系统，200kW/500kWh
• 快充：60kW（双枪）* 6
• 交流并网柜，并网/离网双切

微风典型结构图如下：

     1）光伏系统

       选用当前效率最优的550单晶硅组件，2304 * 1096mm，单板面积约为2.4平方米。

     2）储能系统

     4）配电柜：提供电源输出设备，含双切开关，3路变电站内照明出线以及各柜体出线，分别接光伏柜、储能柜、直流充电桩。

四、功能清单

五、配电系统

  5.1 功能描述

       支持与现有电力计量及监控系统进行数据交互。实现对配电房各类运行电气信息、开关状态信息、保护系统运行状态等各类数据接入与集中监测，主要监测信息包括运行电气量数据，如设备电压、电流、有功、无功等状态等信息，如刀闸/开关状态数据开、合、接地等；保护装置动作信息，如短路保护、过负荷保护、在线测温保护等。

  5.2 功能设计

     1）配电监控大屏
       将各个数据以可视化的形式展示出来。如登录用户账号所绑定的站点的每日如何负荷量、每日用电量、变压器容量数据；将站点以及该站点的实时状态显示在地图上，并在地图下方用列表显示部分站点信息；

     2）配电首页
       显示单个站点的日、月、年的用电概况；跳转至“实时监控”、“通讯设备监控”、“主系统图”以及“视频监控”菜单的功能按钮；变压器负载率、最大需量、功率因数、有功功率、无功功率等数据；在下方显示今日与昨日的电量柱状图、负荷曲线图；右侧则滚动显示该站点的最近的报警信息。

     3）主系统图
       显示用户上传的配电一次接线图，并可对图上显示设备进行远程开关、合闸等控制。

     4）实时监控
       以曲线的形式显示各回路说采集到的电流、线电压、相电压等数据的采集值，并将对应最大值、最小值、平均值以表格在图表下方进行分析展示。

     5）重点设备
       显示站点变压器的电流、电压、功率等数据。

     6）报告管理
       配置自动生成月度报告的内容组成部分以及数据源，配置好后即可生成报告以供在线浏览或是下载至本地浏览。

     7）报表管理
       可配置并显示站点的电量、功率、电参以及电费的实时或历史报表；其中，电费报表可查询单个或多个回路的数据，功率和电参报表只能查询单条回路的数据，电费报表则查询的是整个站点的电费数据。

负荷报表

原始值报表

五、光伏系统

5.1功能描述

       可实现对光伏系统的全景监测。对光伏系统的概览、运行数据、运行指标、发电功率、发电量进行采集监控与展示。
     1）光伏系统监控
       包括并网点开关位置、并网点开关保护动作、光伏限功率调节使能、光伏故障/告警状态、光伏故障/告警状态、光伏紧急停机状态、光伏停机状态、光伏停机状态、光伏运行状态、光伏限功率运行状态、光伏总发电量、光伏日发电量、并网点有功无功功率、并网点电压电流、并网点功率因数频率等数据的监控。
     2）汇流箱数据监控
       包括汇流箱每路电流、汇流箱每路电压、汇流箱每路故障信号等数据的监控。
     3）逆变器监控
       对逆变器的运行数据进行采集监控，包括对逆变器运行状态、逆变器故障信号、逆变器直流输入功率、逆变器直流输入电压、逆变器直流输入电流、逆变器输出功率、逆变器输出电压、逆变器输出电流、逆变器输出电压频率、逆变器功率因数等数据采集监控与展示。

5.2功能设计

     1）光伏首页
       在“光伏概览”中，可查看单个站点的当前辐射量、环境温湿度、当前风速；日、月、年的发电量、节煤量、CO2减排量、辐照量；每日每时段发电量与辐照量的对比曲线图等信息。

     2）主系统图
       显示用户上传的光伏一次接线图，并可对图上显示设备进行远程开关、合闸等控制。

     3）设备概况
       在“逆变器总览”中，可查看单个站点中所有的逆变器的信息，以及采集的日发电、瞬时功率数据，并可通过点击单个逆变器的名称，跳转显示该逆变器的详细数据信息。

       在“逆变器”中，上部分可查看单个站点下，单个逆变器的电参曲线图。

     4）运行分析

       在“发电分析”中，用户可查看单个设备的日、月、年的发电量数据。

       在“发电效率”中，用户可勾选单个站点下的多个设备（最多4个），查询生成曲线图，以供对比分析。

       在“IV诊断”中，用户可查看单个组串发电情况，并查看每个组串中的逆变器的IV曲线以及逆变器信息。

    5）统计报表
       在“发电月报”中，用户可查看单个站点的每日的发电量、辐照量、当天天气、当天温度等数据信息。

六、储能系统

  6.1 功能描述

       储能系统主要监控储能设备的状态，包括运行状态和故障信息。

  6.2 功能设计

    1）储能主页
       可查看站点的储能信息概览。

 
    2）主系统图
       显示用户上传的光伏一次接线图，并可对图上显示设备进行远程开关、合闸等控制。

 
    3）pcs状态
       显示每个站点的PCS设备信息，如当前状态、功率曲线以及各项遥测数据等等。

 
    4）BMS监控
       显示每个站点的BMS设备的SOC信息、告警状态等。

 
    5）单体电池
       显示各站点的电池簇中的单节电池实时信息，包括电池状态，电压，温度。

 

七、充电桩系统

  7.1 功能描述

       对充电桩的充电设备的运行状态数据进行实时监测，包括充电设备的在离线情况、运行状态、电压、电流、充电时长、充电量等数据。以图表、曲线、一次图等方式，监测充电桩的运行情况和统计信息，包括：累计充电状态、充电功率、电压、电压等信息。根据有序充电策略，对充电桩的充电状态和充电功率进行控制。通过设置预警阀值，对充电设备和电池的过压、过流、过温及其它异常状态进行预警提示。并支持自动检测充电设备故障情况，进行自动远程启停充电设备，最快时间应对，保障用户和充电设备的安全。

  7.2 功能设计

    1）充电统计
       可统计所有充电桩的累计充电量、累计充电交易金额、累计充电次数等数据；可查看每月的收益曲线以及充电量数据；统计所有充电桩的实施状态以及昨日的充电金额、充电时长等数据。

 
    2）电桩总览
       可查看单站点下个所有充电桩的实时状态以及电流、电压、功率数据。

八、能量管理

  8.1 功能描述

       能量管理系统（EMS）可根据用户输入的指令实现断路器、切换开关等操作，可以根据电源及负荷监测数据、统计结果进行平衡计算及策略响应。控制操作的执行结果，可以及时反馈到系统图，并记录到系统日志中，以备追溯。

  8.2 功能设计

    1）开关控制
       能量管理可远程关断配电柜所有回路断路器（系统配置为手动回路断路器除外），系统主界面，可准确显示各回路断路器状态位置， 操作员输入相应指令后可实现断路器分/合操作。 自动模式下，EMS 可根据需求自动分/合相应断路器。如切出部分负荷、多电源切换时分/合部分电源开关。
    2）逆变器控制
       EMS可实时监测光伏逆变器的运行状态，具备连续有功调节、无功调节光伏逆变器的功能，能够根据系统运行状态，实时调节有功功率的输出。
    3）储能控制
       EMS 可实时监测 BMS、PCS 运行状态，可根据 BMS 指令及状态动态调整 PCS 的充电模式、充电功率、充电电流、放电功率等运行参数。EMS 具备电池保护功能，根据 BMS 上传指令及实时状态控制 PCS 执行停机、待机、仅放电、仅充电等功能，并可根据 BMS 状态对 PCS 下发连 续有功调节、无功调节指令。
    4）离网控制
       离网控制逻辑主要处理在没有市电参与情况下的孤岛运行模式。实现稳定的自发、自储、自销调控；具体的运行逻辑如下图所示：

       针对逻辑流程，主要采用高效的C逻辑算法实现：

 
    5）并网控制
       并网控制逻辑主要处理在在市电参与情况下的并网运行模式。具体的运行逻辑如下图所示：

       针对逻辑流程，主要采用高效的C逻辑算法实现：

九、智能告警

       智能告警实现告警信息在线综合处理、显示与查询，支持汇集和处理各类告警信息，对大量告警信息进行分类管理和综合/压缩，利用形象直观的方式提供全面综合的告警提示。

  9.1 在线告警推送

       能够通过事件告警监视系统运行，及时发现异常状态。针对系统运行过程中产生的运行参数越限（流量、温度、电流、功率、压力等）、能耗超标越限、系统故障（表计通信链路异常、表计/设备自检故障等） 等异常告警类型情况进行实时告警。系统检测到告警信号后进行告警，告警按严重等级采用不同的语音等方式警示严重程度，主动推送相应报警界面，提醒管理人员实时干预和处理，保证能源供应系统的安全稳定运行。

  9.2 历史告警查询

       所有告警事件支持事件记录，记录信息至少包含：事件对象（仪表或网关点位）、事件类型、告警参数动作值、告警时间、告警等级等。
       所有告警事件可查询，支持多条件组合（时间段、关键字、等级、类别等）过滤查询，方便进行事件记录的快速查找和对比分析。

  9.3 功能设计

    1）报警监控
       用户可在“预警预测”中，将监测站点的各个回路的检测数据与参考标准数据进行检测周期内比对生成偏离模型，将监测站点的各个回路的检测数据通过人工智能判断数据波动幅度生成狼牙模型，从而对回路进行风险评估；在“实时报警”与“历史报警”中分别查看报警信息；在“报警统计”中，通过对遥信、遥测、录波以及视频的告警数据的回放，还原事故的发生，分析事故产生的原因。

预警预测

历史报警

报警统计

十、视频监控

  10.1 功能描述

       视频监控模块主要是将园区内安装在各位监控点的摄像头数据接入到系统中，进行统一的管理。通过该模块，用户可以全局掌握监测点的安全，也可以通过历史视频还原历史现状，为更好的做到安全管理提供技术支撑。
       视频监控的接入有两种方式：1）利用摄像头自带的云功能，系统与视频云厂家进行对接，从云端获取视频的数据；2）园区内自建视频服务器，系统与视频服务器进行对接，获取视频流。

  10.2 功能设计

    1）视频设备管理
       视频档案主要用来管理视频的配置信息，包括：设备号、设备名称、播放地址、连接信息等。用户配置完视频档案后，系统即可根据配置档案中的连接信息，获取到相应的视频数据。

    2）实时视频
       实时视频根据选择的摄像头及时从云端或者视频服务器将视频流拉出，供用户查阅。

    3）历史视频
       历史视频是指存储在云端或者视频服务器上面的历史记录，用户可以通过设定查询时间和设备将历史存储的视频拉出，并在系统上查阅。

十一、服务器配置

  11.1 系统网络拓扑结构

       项目管理系统采用集中部署、多处访问的部署方式，以下为系统的网络拓扑结构，该结构中的服务器均为实体服务器。

    1）通讯服务器（必选）
       主要用于安装前置通讯服务、消息中间件、WEB服务，是整体系统的核心组成部分。
    2）数据库主服务器（必选）
       用户安装部署数据库服务，主要是存储系统的各种数据。
    3）数据库从服务器（备份）（可选）
       与数据库服务器配置完全一致，作为备份服务器，通过热备的方式实时的将数据库的数据同步到备份服务器，保证数据存储两份，解决系统的容灾。
    4）磁盘阵列（可选）
       有条件的情况下，可以使用共享存储做双机热备。也可以增加服务器，以集群的方式提供高可靠服务。双机热备是指当一台服务器出现故障时，可以自动切换到另一台服务器，保证服务可以不间断。集群是指将同一功能的服务，部署在多台服务器，以分担服务压力过大的问题。另外，也可以在某一台服务器故障时，不会影响到其它服务器的正常运行，保持服务的可持续。

  11.2 硬件配置

  11.3 软件配置

  11.4 网络需求

       公司如果提供在Internet访问系统的能力，需要建立内外网访问的通道，建议外网采用独立固定IP（公网IP），在内网使用路由器作内外网映射，采用映射的方式访问公司内网（即公司局域网）的应用系统。具体网络配置建议如下：