使用处理器在环路（Processor-in-the-Loop, PIL）测试方法对混合式交流/直流（AC/DC）微电网能源管理系统进行实验验证，以应用于绿色能源领域

混合AC/DC微电网能量管理系统通过ESP32 PIL验证与HMI交互实现优化，显著降低碳排放11.6%和运营成本18.4%，验证了模型基设计（MIL-SIL-PIL）在实时系统中的有效性。

　　
本文针对混合微电网（MG）的能量管理系统（EMS）进行了实验验证，提出了一套基于处理器在环（PIL）测试的完整技术框架，并结合人机交互界面（HMI）实现了动态监控。研究重点在于解决可再生能源（PV、WT）间歇性导致的功率平衡与碳排放优化问题，同时验证嵌入式系统的实时控制能力。以下从研究背景、技术路线、实验设计、结果分析及实际意义等方面进行解读：

一、研究背景与问题提出
全球能源转型背景下，微电网作为分布式能源系统的核心单元，其高效管理对降低碳排放和提升能源经济性至关重要。传统微电网多采用AC或DC架构，而混合AC/DC架构通过兼容两种拓扑结构，既可减少转换损耗又便于多类型设备接入，但存在控制复杂度高、协调难度大等挑战。研究团队以摩洛哥国家工程科学学院（EMSI）为平台，针对当地可再生能源资源分布特点，构建了包含光伏、风电、燃气轮机及储能系统的混合AC/DC微电网模型。

二、技术路线与创新点
1. **多阶段建模验证体系**：采用Model-Based Design（MBD）方法构建四级验证体系：
- 模型级（MIL）：在MATLAB/Simulink中建立微电网动态模型，完成算法可行性验证
- 软件级（SIL）：将算法转换为C代码进行仿真验证，消除代码实现差异
- 处理器级（PIL）：部署在ESP32芯片上的实际控制系统与软件模型形成闭环验证
- 硬件级（HIL）：未来扩展方向，计划采用DSP/FPGA提升实时性

2. **混合优化算法设计**：
- 采用粒子群优化（PSO）算法处理非线性约束优化问题
- 建立包含发电成本、碳排放成本、储能损耗等多目标函数的复合成本模型
- 通过动态调整功率分配权重，平衡经济性与环保性

3. **实时测试平台构建**：
- 硬件层：基于ESP32开发板实现控制逻辑，集成USB-CAN转换模块连接传感器网络
- 软件层：开发嵌入式C代码与MATLAB/Simulink的实时数据交互系统
- 人机界面：采用5寸触控屏实时显示功率流、碳排放量等关键参数

三、实验设计与验证方法
1. **基准测试案例**：
- 案例一：双向功率交换验证（含8种典型负载场景）
- 案例二：碳排放动态追踪（设置±10%气象数据偏差）
- 案例三：HMI交互测试（支持参数动态调整与可视化）

2. **数据采集标准**：
- 时间分辨率：72次/日（对应20分钟采样间隔）
- 空间覆盖：涵盖PV阵列、WT机舱、储能电池组等核心单元
- 误差控制：通过校准电路将功率测量误差控制在±1.5%以内

3. **对比验证机制**：
- 建立双通道数据记录系统（软件仿真+硬件实测）
- 开发自动校准算法消除传感器迟滞效应
- 采用统计指标（R2>0.98，RMSE<0.5%）量化验证效果

四、实验结果与关键发现
1. **系统性能指标**：
- 功率平衡精度：±3%以内（符合IEEE 1547标准）
- 响应延迟：控制指令至执行机构反馈≤150ms
- 碳排放降低：11.6%（较传统调度方案）
- 成本优化：综合运营成本降低18.4%

2. **硬件特性影响分析**：
- 通信延迟：ESP32与上位机数据传输延迟约350ms（可通过优化固件降低）
- 计算延迟：矩阵运算耗时占控制周期15%（改进后可降至8%）
- 环境适应性：在-20℃至60℃温度范围内保持正常工作

3. **人机交互效果**：
- 屏幕刷新率：0.42秒/次（满足IEC 62443安全标准）
- 数据可视化维度：包含8个动态曲线、3种热力图及12项实时参数
- 操作响应时间：菜单切换≤200ms，参数调整延迟<500ms

五、实际应用价值
1. **能源经济性**：通过动态功率分配，燃气轮机启停次数减少40%，降低燃料成本
2. **环保效益**：日均碳排放量从218kg降至191kg，符合欧盟碳边境调节机制（CBAM）要求
3. **系统可靠性**：建立双冗余通信链路，系统可用性达99.99%
4. **扩展性设计**：预留API接口支持未来接入氢储能、电动汽车等新型设备

六、技术改进方向
1. **实时性优化**：
- 引入FreeRTOS任务调度机制，关键控制周期缩短至80ms
- 采用16位固定点运算替代浮点运算，指令周期减少35%

2. **智能预测升级**：
- 集成LSTM神经网络，天气预报误差降低至±5%
- 开发混合预测模型，整合数值天气预报与机器学习预测

3. **系统扩展**：
- 增加通信模块，实现多微电网集群控制
- 设计标准化接口，兼容IEC 61850协议

七、行业启示
1. **技术验证模式创新**：
- 提出"仿真-代码-硬件"三级验证体系，将传统研发周期缩短60%
- 建立可复用的测试平台架构，支持快速迭代开发

2. **政策对接**：
- 符合欧盟《可再生能源指令》（RED II）要求
- 满足摩洛哥2025年可再生能源占比40%的规划目标

3. **商业模式**：
- 开发微电网SaaS管理平台，按需提供算力资源
- 探索碳积分交易系统，实现环境效益货币化

本研究为发展中国家解决微电网实际问题提供了可复制的技术方案。后续工作将重点解决高并发场景下的实时性问题，计划采用FPGA+ARM异构架构实现控制指令的确定性执行，进一步提升系统容量和可靠性。