摘 要

随着能源的过度开发和过度开发所造成的日益严重的环境问题，引起了人们对清洁能源的高度重视和开发利用，使得各种以可再生能源发电的分布式能源发电得到快速发展。微电网是由一系列的分布式发电系统，储能系统和负荷组成的微型电力网，提供一个把分布式电源和电网结合起来的方法。

在广大的山区和偏远地区，微电网的控制和优化调度受通信信号的限制。而北斗卫星导航系统可随时随地为各个地方的用户提供高精度的定位、导航、授时服务，并且北斗平台还具有具短报文通信能力。本文提出基于北斗系统的短报文通信功能，建立微电网控制与优化调度模型，最大限度地发挥微电网的经济和社会效益。

本文综述微电网控制和调度研究现状，并建立基于北斗系统的微电网分布式控制和优化调度模型，最后基于这个模型进行基于粒子群算法的微电网优化调度的matlab仿真。

关键词：北斗平台；微电网；短报文通信；粒子群算法；优化调度

Abstract

With the increasingly serious environmental problems caused by over-exploitation and over-exploitation of energy sources, people have attached great importance to the development and utilization of clean energy. As a result, various types of distributed energy generated by renewable energy have been rapidly developed.

The microgrid is a miniature power grid consisting of a series of distributed generation systems, energy storage systems and loads, providing a method for combining distributed power generation with the grid. The Beidou satellite navigation system can provide high-precision, highly reliable positioning, navigation, and time service for all types of users around the world and all-day, and has short message communication capabilities. This paper proposes a short message communication function based on the Beidou system, establishes a microgrid control and optimization scheduling model, and maximizes the economic and social benefits of the microgrid.

  This paper summarizes the status quo of microgrid control and scheduling research, and establishes a distributed control and optimization scheduling model based on Beidou system.

Based on the Beidou system, the optimization scheduling of the microgrid based on particle swarm optimization is simulated using matlab.

Key Words: BDS ; Microgrid; Short Message Communication; Particle Swarm Optimization（PSO）; Optimization Scheduling;

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.1.1 北斗平台的作用 1

1.1.2 课题目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

第2章 微电网系统模型分析 4

2.1 微电网系统结构及其技术特点 4

2.1.1 微电网组成结构 4

2.1.2微电网技术特点 4

2.2 微型发电源数学模型 5

2.2.1 微型燃气轮机 5

2.2.2 柴油机发电 6

2.2.3 太阳能光伏发电 7

2.2.5 蓄电池 9

2.2.6 燃料电池 10

2.3 本章小结 10

第3章 北斗平台上微电网能量优化调度策略 11

3.1 粒子群算法的基本原理 11

3.1.1 普通（标准）粒子群算法 11

3.1.2 粒子群算法的改进 12

3.2 建立微电网优化调度模型 14

3.2.1 目标函数 14

3.2.2 运行约束方程 16

3.2.3 运行模式 16

3.2.4 控制策略 17

3.3 本章小结 19

第4章 北斗平台上微电网优化调度模型的算法求解 20

第5章 结论 23

参考文献 25

致 谢 27

附录 28

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 北斗平台的作用

斗极卫星短报文通讯功效是斗极卫星导航系统特有的功效，已广泛应用于交通运输、灾难监测和应援抢救等多个范畴。特别在广大的山区和偏远地区，北斗卫星的通信功能可以弥补常规通信方式的不足。北斗平台是我国自主研发的，其使用不受其他国家限制，在可用性，可靠性和安全性方面更有保障。北斗卫星信号覆盖区域包括整个中国，以及中国的附近的国家和地区。在这个范围内，它可以随时随地提供高精度的定位，定时和短消息通信服务。北斗卫星信号的服务范围已经完全覆盖了我国电力系统覆盖的地区。另外，接收器在卫星的工作仰角范围内，屏蔽角度小，信号不容易被接收器附近的高大物体遮挡。这个功能特别适合我国的地况，可以通过北斗平台的信号传递，实现高山地区的小型家庭微电网的实时调度。北斗卫星导航系统在中国电力系统的应用前景非常广阔。

国内并网运行的分布式电源系统，包括一些小型自用电厂、小型水电站、综合利用发电厂以及数量基数大的分布式光伏电站，这些分布式系统自动化设备大多地理位置偏远且通信不方便，并不具备参与主电网的电力调度的条件。因此，这些小电源厂站并网运行的实时信息大多都无法上传，普遍缺乏实时监控的通信技术手段。现有的电力通信的主要方式是载波通信、光纤通信和GPRS/CDMA，目前大型发电厂、变电站以及一些中低压配网系统都是采用的这些技术。一些小水电、分布式光伏电站等微电源系统，也会因为位置不方便，而不具备通信条件。因而，对这些分布式电源系统，相对而言缺乏实时监控以及有效的管理，在对电网统计分析网损、线损时，因基础数据不全造成误差过大。随着电网经济运行管理要求的提高，迫切需要寻求安全可靠通信技术和计算机信息处理技术，解决现有分布式系统的关键信息采集与处理。北斗卫星导航系统同时具备授时、定位、通信功能，特别是其特有的双向短报文通信技术，对于通信条件不畅的地方有着良好的信息采集和传输作用，同时其通信过程采用双向加密传输，确保了信息的安全性，因而采用北斗短报文通信作为电力系统常规通信方式的一种补充，是一种切实有效的途径。

1.1.2 课题目的与意义

现在电力系统常用的通信通道有：传统的光纤或载波通道、2G/3G 无线互联网通道、GPS通道等^[1]。但是，针对分布式微电源系统地理位置的特殊性，以上通信通道都存在一定的约束性。

按照电力监控系统安全防护规范，光纤和载波通信方法须配置电力系统专用的隔离装置、加密装置等设备，投资成本高，设备保护工作量大。光纤和载波通道的铺设，对在山区、林区、沙漠等偏远地区而言，存在极大的难度，基本不可行。极易被破坏且后期维修困难，光纤和载波线路及其受到施工挖掘、洪水、山体崩裂等建设和自然灾害的破坏，从而极易导致通信中断，而对故障排查和检修来说又极其困难。

2G/3G无线方式的信号会有盲区。对于GPRS通信方式，需要在应用场地附近架设一些无线基站，但是在山区、林区、沙漠等区域基站明显不足，信号盲区很多，信号容易受到干扰不稳定。由于受发射功率的影响，基站的覆盖范围有限，并且信号易受地形、气候等因素的影响较大，信号稳定性差。由于无线通信属于公网接入方式，存在信息泄露和网络攻击等安全隐患，与现有的信息安全程度不相符。

GPS通信方式也有相应的缺陷。在信息的采集传输应用方面，它并不具备报文通信能力，满足不了信息双向传递的要求。安全风险。因为GPS不是我国国产系统，而电力系统是关乎国民生产的关键行业和领域，因而GPS在电力系统的应用，会存在暴露生产目标的隐患，存在必然的风险。受环境影响大。即使是仅仅应用GPS的授时和定位功能，由于 GPS 的全球覆盖范围，以及受周围环境的影响，特别是一些偏远山区，GPS 也会经常无信号。

综上所述，从电力系统目前常用的几种通信方式来看，基本上很难在这些分布式微电网得到普及应用，进而造成这些分布式小型微电网普遍缺乏实时监控的通信技术手段，“信息孤岛化”情况严重。因此，采取北斗平台通信作为电力通信通道的一种弥补，可以有效解决因为地理位置的不方便受限制的问题。利用北斗平台来给微电网提供的通讯，可以改变现状，有利于偏远地域微电网的调用和能源的补充。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

美国最先提出了微电网这一概念。2001年提出了微电网的结构，首次对微电网在结构、控制、经济等方面进行了研究并于2002年第一次提出了相对完整的微电网概念，定义为一个由各种分布式微电源和用电负荷一起组成的既能供电又能供热的系统。他们还提出不同于传统的分布式电源接入系统的方法。在配电网系统中，微电源是自动控制的，在与主电网断开后用户用电也不存在间断，使供电更加的可靠安全。

欧洲国家以环境友好、发展可持续的能源为核心，所以微电源的政策有利于他们国家的发展。他们于2005年提出“Smart Power Networks”计划，随后便出台该计划的技术实现方略。“Smart Power Networks”计划作为欧洲2020年及后续的电力发展目标表明了未来欧洲电网需具备以下特点：灵活性、可接入性、可靠性及经济性。并且提出微电源输出端逆变器相应控制策略：PQ控制VSI(voltage source inverter)控制策略。同时提出优化约束方程，并对超额发出热能的弃用制订了惩罚方案。最后，在满足微电网电、热双重需求的条件下，以系统燃料耗量最低为目标，提出了优化的功率分配方案。

日本是目前微电网研究比较强的国家，日本政府采取鼓励政策，鼓励对风能太阳能的利用，因为他们占地面积少还四面环海，风能充沛。目前他们构建了灵便可靠与智能电力供应系统，在配电网中加交流系统输电装置，优化能源结构，满足用户对多种电能的需求。

1.2.2 国内研究现状

  可再生能源是当前世界能源利用的趋势。2008年初，冰雪天气导致我国发生大面积停电，只有少数小电网在支撑重要用户运行。这将我国现有的网架结构在保障用户供电方面所存在的薄弱环节完全暴露出来了同时也将微电网的作用充分展示了出来，并促使我国加快了对微电网的研究步伐。2009年，中国国家科技部通过“973”计划项目，专门资助了分布式发电供能系统的相关基础研究。次年，中国国家科技部通过《国家高科技研究发展计划(863)》立项了近十个有关微电网方面的研究课题。“十二五”期间，我国在太阳能、风能占优势的地区建设成微电网示范区，同时还推动了建设100座新能源示范城市。我国微电网的发展虽尚处于起始阶段，但微电网的特点适应我国电力发展的需求和方向，具有广阔的发展前景。

比较常见的微电网控制方式有三种，分别是基于电力电子技术等概念的控制方法，基于能量管理的系统控制，基于多代理技术的微电网控制。

微电网的保护方法与传统配电网的保护方法不同，主要是微电网的多电源特性，使得两者区别很大。主要难点在潮流的双向流动、并网和孤立运行时短路容量的变化方面。因此，传统配电网在低压侧集中无功补偿的方法已经不适合微电网。大部分的新能源发电技术所发出的电能在频率和电压水平上不能满足现有互联电网的要求，因此无法直接接入电网，需通过电力电子设备才能接入。为此要大力加强对电力电子技术的研究，研制一些新型的电力电子设备作为配套设施，如并网逆变器、静态开关和电能控制装置。

第2章 微电网系统模型分析

对微电网的研究，我们必须要先了解微电网的各个组成部分，本章中对微电网的各个部分进行分析研究。

2.1 微电网系统结构

图1.1 微电网示意图

微电网属于小型的配电系统，它由相关的独立的发电装置、储能装置，以及相关参数的监控装置等组成。自成系统的同时也与主电网系统配合运行。它可以对分布式的能源进行最有效，最合理的分配，避免发电量缺少和过多造成的浪费，实现电能的优化调度。

如图1.1所示是微电网的结构示意图，它由光伏发电，风能及微型燃气轮机等微电源形式与主电网的连接，通过对各个微电源的能量比较，确定各个为电源的输入输出，从而提高了能源利用率。

2.2 微型发电源数学模型

2.2.1 微型燃气轮机

微型燃气轮机是一种以天然气、石油等为燃料的发电装置，可利用电热联产系统给负荷供能，提高能源利用率，且污染小，成本低，有很大的发展空间。微型燃气轮机发电结构如图2.1所示。微型燃气轮机一般由微型燃气轮机、永磁发电机、整流器、逆变器、滤波器组成。

图2.1 微型燃气轮机发电系统结构示意图

微型燃气轮机系统的数学模型关系式如下：

（2.1）

式（2.1）中，是微型燃气轮机的排气余热值；为微型燃气轮机的输出有功率^[8]；为微型燃气轮机的发电效率如图 2.2所示

图2.2 微型燃气轮机效率曲线

微型燃气轮机总效率数学表达式如式(2.2) 所示。

（2.2）式（2.2）中，代表微型燃气轮机正常运行时产生的有功功率（）； 代表燃气轮机的回收热功率（）；代表天然气低热值（）；为燃料的流量。

其发电时的燃料成本费的数学表达式如公式（2.3）所示。

（2.3）

式（2.3）中， 代表天然气价格（元/）； 代表微型燃气轮机在时间间隔 J 内的输出功率（）；代表间隔微型燃气轮机的工作效率。

2.2.2 柴油机发电

柴油发电机组是将柴油的燃烧产生的内能转化为机械能，再以机械能驱动发电机组进行发电。柴油发电机在实际生活中应用广泛，在微电网的分布式电源中也有着不可或缺的地位。柴油机的输出功率与转速和扭矩有关，相关函数关系式为：

（2.4）

式（2.4）中，为输出功率，为柴油机转子的速度，为扭矩。

2.2.3 太阳能光伏发电

太阳能光伏发电（PV）利用免费的太阳能进行发电。光伏发电是将光能转化为电能的能量转换过程，其基本原理是太阳能照到光伏电池的半导体上产生光伏效应，既可以孤岛运行又可以联网运行。

光伏太阳能发电系统主要由太阳能电池、控制器和变换器等构成，其系统组成如图2.3所示。

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