EMS能量管理系统介绍
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
项目完成后的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，也可以应用于其它储能微网项目、或并网项目。
1.2.5同其他系统或其他机构基本的相互来往关系
随着电子技术和计算机技术，特别是电力电子技术的飞速发展，以及各类型蓄电池的成本减低和普及，微网、储能电站会有一个越来越大的市场。
在微网系统中，为了协调各个发电设备，需要有一个功能调度设备完成功率分配工作。
本系统带有RS485接口，可以满足与远程监控系统接口，可实现太阳能光伏发电系统的无人值守。
1.2.6与其他监控系统通信
通信协议：MODBUS RTU
物理接口：RS-485
1.3 定义
EMS能量管理系统：微网中负责管理各种发电设备、负载设备的功能调度、管理设备。
EMS上位机：
EMS Master：
EMS Slave：
2．可行性研究的前提
2.1 要求
2.1.1 功能要求
随着全球范围内能源紧缺和环境保护问题的日益突出，可再生能源的利用引起广泛的重视。大规模太阳能光伏微网发电系统是充分利用太阳能的一种有效方式之一，微网系统中发电调度是系统中最核心的装置之一，直接关系到电网的稳定和太阳能的利用和转换效率，一直是人们关注和研究的热点问题之一。
能量管理单元是根据收集到的各个发电设备运行状态数据、负载的用电数据，做出合适的判断，管理、控制各设备正常运行、保证电网稳定的装置。将光伏、风电和柴油发电相结合，以获得间歇性太阳能和风能资源发电的最大化利用，同时保证能够提供持续的高质量电能供应。另外，系统运行费用以及对环境的污染均降低了。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的主要部分，如何能保证能量在这几部分中合理的分配以达到整个系统的稳定运行是建设永兴岛微电网需要解决的一个关键问题。能量管理系统就是要解决光/风/柴/储/负荷之间的配合问题，使得系统能够协调运行，既保证可再生能源的充分利用、降低柴油消耗、保护环境。
对EMS能量管理单元功能的基本要求
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.记录、显示电网状态。
控制功能：
1.接收上级指令，并作出对应动作。
2.控制各个发电设备的运行。
3.管理部分负载。
控制器显示、通信功能：
1.自带显示界面，显示各种状态、参数。
2.RS485通信接口与上位机通信。
2.1.2技术要求
1、产品安全稳定，成本低。
2、在现有成熟技术的基础上进行创新，开发出具有高性能的，容量扩展容易的新产品，借鉴国内外同行同类产品的成熟技术，吸收国内同仁先进的算法和编程技巧。
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
综合分析国内外的情况，能量管理系统上位机采用工控机作为硬件平台。工控机具有较强的抗干扰能力、外部扩展口种类多，而且开发相平台是与普通计算机相同，这样开发相对方便。
系统框图：
3.2具体功能要求
3.2.1 EMS上位机具体功能要求
1、显示
实时显示电网运行的数据、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记录；显示数据库中记录设备的运行数据曲线、工作状态曲线等。根据曲线对电网、设备进行分析，从而制定出更好的控制策略和方法。
2、控制
控制网络中设备的启动、停止。手动控制一个或多个设备停止工作，从而可以进行检修工作。手动控制PCS对电池进行充放电，电池活化处理以及电池
检测等工作。手动控制可控负荷的工作。
接收上级指令或通过编辑好的控制过程，向EMS系统发送控制指令，满足调度的要求。
3、记录
记录电网运行数据、状态，可以远传到远程监控中心，以便将来进行电网运行状态分析时使用。
记录网络中各个设备运行状态数据、运行状态。可以远传到远程监控中心进行查询、显示和分析。
记录控制命令执行过程，记录远端下发的控制指令，记录向EMS系统下发的控制指令。可以通过网络将数据远传到监控中心或分析设备中，以便将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。通过界面操作配置系统网络图，设备链接示意图，自动产生网络对应的数据库。
设备设备配置数据。通过界面操作配置系统中各个设备、Slave设备的配置数据，下发的各个设备。
5、通信
远程通信。通过RS485或TCP/IP将EMS管理网络的数据远传到监控中心或分析设备中，共分析人员使用。
与Master通信。向Master下发远程或界面操作产生的控制指令，接收Master运行状态数据。
3.2.2 EMS Master具体功能要求
1、采集数据、控制设备
通过采集设备(串口、CAN采集)或电压、电流传感器采集电网的运行参数（电压、电流、频率等），计算电网的有功、无功。
累计计算发电设备的运行数据（Slave上传或外接采集设备）；采集可控负荷的状态数据。
根据电网数据和状态、上级的调度命令，根据设定好的调度算法，计算出控制量，将控制量根据控制算法，细分到各个Slave中，向Slave发送合适的控制指令。
监控模拟、数字输入口的状态，根据逻辑做出相对应的动作。
控制模拟、数字口的状态。
2、通信
与上位机、上级或监控进行通信。接收上级（控制）指令，作为控制算法的输入条件。
管理Slave。查询控制管辖的Slave，判断Slave的状态。
3、记录
记录电网运行数据、状态，供上位机查询显示用，以便将来进行电网运行状态分析时使用。
记录Slave运行状态数据，记录Slave管辖设备的运行状态数据。可以通过专用设备或上位机进行查询和显示。
记录控制命令执行过程，记录上位机、监控主机下发的控制指令，记录向Slave下发的控制指令。可以通过网络将数据读入上位机或分析设备中，以便将来进行电网运行状态分析时使用。
3.2.3 EMS Slave具体功能要求
1、控制
控制协调PCS、逆变器、油机、风机、可控负荷等设备运行。具有一定的自主控制功能，在满足Master控制要求的基础上，自动分配管辖设备的工作点。
2、通信
与Master进行通信。接收Master下发的控制指令，作出判断并执行。向Master主动/查询报告管辖设备的运行状态。
与管辖设备PCS、逆变器等进行通信。向管辖设备发送控制指令，调节设备的运行状态。接收设备的运行状态数据，向Master进行报告。
3、记录
记录Master下发到本Slave的控制执行指令，以便将来进行电网运行状态分析时使用。
记录下发到管辖PCS、逆变器等设备的控制命令，并记录管辖设备对下发指令执行的情况。
记录管辖PCS、逆变器等设备运行状态及数据，同时向Master报告设备的各种运行数据、状态、报警等。
3.3技术指标
3.3.1 EMS系统技术指标
3.3.2 EMS上位机具体技术指标
3.3.3 EMS Master具体技术指标
3.3.4 EMS Slave具体技术指标
4技术路线
4.1 开发环境
4.1.1 EMS上位机
方案1：
采用组态软件开发。
优点：开发相对简单，速度快，维护方便。
缺点：软件部署需要购买版权。
方案2：
采用通用软件开发，例如VC++/QT之类。
优点：部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
采用C语言实现
开发环境采用IAR for ARM。
4.2 软件流程
主控软件主要由主程序和通信程序两部分组成，主程序流程图如图3a所示，通信程序流程图如图3b所示。
图3a 主程序流程图
图3b 中断子程序流程图
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，可以申请国家科技
项目，获取国家资助；
3)本能量管理单元开发完成后，经过适当改造，可以用在其它清洁能源并
网发电系统中。
6.3 市场前景
微电网的发展在我国尚处于起始阶段，但微电网的特点适应我国电力发展的需求和方向，并且有着广阔的发展前景。“十一五”规划已将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为我国的重点发展战略之一。其次，我国目前电网短时间的尖峰
负荷越来越大，若采用增加发电装机容量的方法来满足高峰负荷是很不经济的，而利用微电网来充分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，微电网在提高电网供电可靠性、改善电能质量方面也具有重要作用。
我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的新阶段，其标志是将分布式发电、储能和负荷组合在一起构成微电网，进而再将其与输配电网集成，形成一种全新的电网结构体系，随着可再生能源发电和微电网研究的推进，配电网的规划将按照表3-1所示的方式发展。
表3-1 配电网规划方式
欧美最初提出微电网概念，是基于欧美的电力系统状况的。据美国电科院预测，美国2010年的负荷构成为：37.2%的居民负荷、35.6%的商业负荷，工业负荷仅仅占26.4%；而我国2007年的工业负荷高达74%，居民负荷仅占11%。
我国幅员辽阔，气候等自然条件以及产业结构不同，致使各地电网负荷特性差异很大。在我国发展微电网需要针对我国自身电力系统的特点，结合其不同区域的具体需求提出针对性的解决方案。我国微电网按照其运行特点可以分为如表3-2所示的2种典型类型。
表3-2 中国微电网的特点
注：1）GD（Grid Dependent Mode）：与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，与大电网并网，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，与大电网断开连接独立运行。
在国内，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的研究，这是由多种可再生能源发电装置联合构成的“微网化”可靠供电系统，适合在缺电、无电的海岛、沙漠、山区运行。该类系统是微网发展的初级模式。
微电网是由微电源系统、储能系统和负荷组成的微型电力网，根据需要可选择与配电网并网运行也可选择独立运行。微电源是微电网中重要的组成部分，主要可以分成直流电源、异步电机型电源和同步电机型电源等三大类，目前的发展趋势是普遍包含风电或光伏等可再生能源电源在内。
本项目研究的是孤立微电网的控制技术，孤立微电网由于没有大电网的支撑，其控制和运行策略与常规电力系统有很大的不同，在多电源之间通常采用主从站控制、下垂特性控制、二次调整控制或基于多代理技术的微电网控制技术。
国外各国发展微电网的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与储能，欧洲更希望通过微电网推动分布式电源的发展。但普遍认为微电网的形成与发展不是对常规的集中式、大规模电网的革命与挑战，而是代表着电力行业服务意识、能源利用意识、环保意识的一种提高与改变。微电网是未来电网实现高效、环保、优质供电的一个重要手段，是对大电网的有益补充。
我国的微电网尚处于发展的起始阶段，目前主要用于偏远地区和海岛的供电，以及部分研究机构的科研和示范，但微电网的特点适应我国电力发展的需求和方向，有着广阔的发展前景。