CN101986656A - 光伏网络自适应控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种光伏网络自适应控制系统，包括：用于采集光伏微型电网各个结点的工作参数与运行状态的信息采集子系统，用以数据传输、指令转达与会话交互任务的网络通信子系统，用于对各个结点的控制与管理并同时负责整个光伏微型电网的运行协调工作的系统监控子系统，其中，所述的信息采集子系统包括结点数据采集模块、结点状态控制模块和结点网络中间件模块；所述的网络通信子系统包括结点互联控制模块和数据与控制信息传输模块，所述系统监控子系统包括：监控中心网络中间件模块和用户监控与管理模块。本发明能够合理分配接点工作任务动态分配、有效消除链接冲突、实现良好地协同管理和控制。
Description
技术领域
本发明涉及光伏微电网检测与控制领域，尤其是涉及面向一种面向光伏微型电源网络的自适应控制系统。
背景技术
随着全球一体化进程的不断推进，能源枯竭问题已经成为世界各国面临的一个严峻挑战。传统电力系统结构的不断老化、环保问题、能源利用效率等固有问题以及不断提高的用户电能质量需求，使得如何开发利用可再生能源、构建可持续能源系统成为近年来各国的共识与必然的发展趋势。分布式发电(Distributed Generation, DG)，是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元；它能就地消化电力，节省输变电成本和运行维护费用，减少集中输电的线路损耗。DG与大电网供电互为补充，减少电网容量，改善电网峰谷性能，提高供电可靠性，减少对环境的污染。鉴于DG技术具有上述优点，因此其一经问世便受到了广泛关注，尤其是光伏和风力发电系统近年来得到了快速发展。但由于分布式电源的不可控性及随机波动性，其渗透率的提高也增加了对电力系统稳定性的负面影响，因此其在应用与推广中面临诸多问题与困难。
针对上述问题，一种新的分布式能源组织方式和结构——微网(Micro Grid)诞生了，它是一种新型能源网络化供应与管理技术，能给可再生能源系统的接入提供便利、实现需求侧管理及现有能源的最大化利用。尽管对微网的定义不尽相同，但国际上基本认为：微网是由各种分布式电源/微电源、储能单元、负荷以及监控、保护装置组成的集合；具有灵活的运行方式和可调度性能，即能在并网运行和孤岛运行模式间切换；通过相关控制装置间的协调配合，可以同时向用户提供电能和热能；根据实际情况与具体应用需求，微网系统容量一般为数千瓦至数兆瓦。
由于微网技术本身的优越性，其在提出后便引起了该领域专家学者与相关企业的高度重视，很多国家都加强了相关方面的科研力度，如欧盟、美国、日本从不同方面展开了卓有成效的研究，取得一定成果并获得一定范围的应用与推广；我国对分布式能源系统和微网的研究和应用尚处在起步阶段，与发达国家相比还有很大差距，存在较大的发展空间。由于分布式发电技术本身及电力零售市场还不成熟、不完善，且分布式发电对电力系统的影响还缺乏相应的防治措施等，现在主要应用单一种类可再生能源发电场、热电联供系统。因而，基于电力电子技术的包含太阳能、风能的多种分布式能源发电系统的配合及其与储能系统相结合的分布式能源微网系统的集成与控制成为近年来研究可再生能源应用与分布式能源系统的热点。
微型电网所涉及的主要关键技术包括基于电力电子技术的新型逆变器及其控制系统、静态开关、电能质量控制器、微网故障检测与保护技术、通信技术以及微网系统的规划、运行控制、能量管理、仿真建模、经济性评估、并网管理与控制、电能负荷分配等。其中通信技术与运行控制是影响微型电网工作效能的重要因素，因此，提出一种面向光伏微型电源网络的自适应控制装置与方法是非常有必要的。
发明内容
为了克服已有微型电网在运行过程中面临的接点工作任务动态分配不合理、存在链接冲突、不易实现协同管理和控制的不足，本发明提供一种能够合理分配接点工作任务动态分配、有效消除链接冲突、实现良好地协同管理和控制的光伏网络自适应控制系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种光伏网络自适应(Self-adapting)控制系统，包括：用于采集光伏微型电网各个结点的工作参数与运行状态的信息采集子系统(Information Collection sub-System, ICS)，用以数据传输、指令转达与会话交互任务的网络通信子系统(Network Communication sub-System, NCS)，用于对各个结点的控制与管理并同时负责整个光伏微型电网的运行协调工作的系统监控子系统(System Monitoring sub-System, SMS)，
其中，所述的信息采集子系统包括：
结点数据采集模块，用于采集其所在结点的工作参数，所述工作参数包括电压、电流、温度和谐波分量，并根据所述工作参数判断其运行状态是否正常；若运行状态异常，则通过结点网络中间件模块，经由网络通信子系统，向系统监控子系统提供报警信息；
结点状态控制模块，用于通过结点网络中间件模块接收来自系统监控子系统的控制指令，并根据指令的相关内容对结点对应的参数进行调整与修正，实现微型电网的协调工作；
结点网络中间件模块，用于完成微网结点的上、下行通信任务；所述的上行通信任务为：将结点数据采集模块获得的数据按照既定的通信协议封装成为数据分组，经由网络通信子系统上传至系统控制子系统；所述的下行通信任务为：通过网络通信子系统获得来自系统控制子系统的控制指令，然后根据既定约定进行拆分，下达至结点状态控制模块，完成对应的结点控制任务；
所述的网络通信子系统包括：
结点互联控制模块，用于通过事件触发方法实现光伏微网各结点的自动注册、自主联网与自动撤销动作；
数据与控制信息传输模块，用于通过进程通信的方法实现光伏微网实时运行数据与控制信息的传输；
所述系统监控子系统包括：
监控中心网络中间件模块，用于面向各结点状态控制的系统服务调配中心，响应结点所产生的事件触发条件，并根据条件所携带的参数完成对应的控制任务；接收网络通信子系统上传的结点实时数据与控制信息；
用户监控与管理模块，由结点运行状态诊断分析子模块与结点运行状态跟踪控制子模块构成；所述的结点运行状态诊断分析子模块中，以结点实时数据与控制信息为加工对象，通过特征参数提取与数据统计方法，对结点的运行状态的静态对象参数与发展趋势进行分析，并在此基础上建立结点的标准工作状态模板，进而完成结点运行状态的异常判断与动态识别；所述的结点运行状态跟踪控制子模块是面向用户的图形用户接口，根据结点运行状态诊断分析子模块的分析结果，提供友好的图形化用户操作对象，最终实现光伏微型网络的自适应控制与管理。
作为优选的一种方案：所述结点互联控制模块中，所述事件触发方法为将网络各结点的任意状态变换动作定义为系统事件，并以此作为调用系统服务函数的入口条件，进而实现对结点的状态控制；所述的自动注册是指结点在进入网络时，产生结点接入事件，触发系统服务函数向工作组服务器所要结点名称和网络地址配置参数，并申请既定长度的数据结构存储上述信息，完成结点的信息登记工作；所述的自主联网是指结点在完成注册任务以后，产生周边结点探测事件，触发系统服务函数以广播的形式向周围存在的结点发布身份信息，并提出链接请求；所述的自动撤销是指结点在离开网络时，产生结点移出事件，触发系统服务函切断该节点与其他结点的链路通信，并销毁该节点的登记信息。
再进一步，所述数据与控制信息传输模块中，所述的进程通信方法是通过消息队列对结点运行状态进行动态跟踪，并通过队列数据结构完成对具有通信任务需求的结点的实时数据传输与控制信息传输；所述的实时数据传输是指通过专用传感器所采集的结点技术参数，并在既定的时限范围内将其输运至指定位置；所述的控制信息传输通过消息队列完成具有数据依赖关系的结点之间的任务应答，实现整个网络动态协调控制与管理。
更进一步，所述信息采集子系统、网络通信子系统和系统监控子系统分别依托节点控制器、工作组服务器和监控中心计算机运行，通过网络中间件技术进行信息交互。
本发明的有益效果主要表现在：
1) 实现对各个微型电网结点的动态跟踪与控制，并在此基础上完成整个网络的实时任务分配与协调；
2) 可实现对每个网络结点自动注册、自主联网、无缝链接、光滑移入/移出等功能，支持网络构架的动态变换，实现对光伏微型电网的自适应智能化控制与管理；
3) 网络中间件技术的引入使得系统结构明晰，操作友好，实现整个网络的可配置、可定制化操作。
附图说明
图1是光伏自适应控制系统构架；
图2是功能模块组成与控制任务依赖关系。
具体实施方式
结合附图，下面对本发明进行详细说明。
参照图1和图2，一种光伏网络自适应(Self-adapting)控制系统，由信息采集子系统(Information Collection sub-System, ICS)、网络通信子系统(Network Communication sub-System, NCS)与系统监控子系统(System Monitoring sub-System, SMS)组成，其中ICS完成光伏微型电网各个结点的工作参数与运行状态采集工作，NCS统负责数据传输、指令转达与会话交互任务，SMS则完成对各个结点的控制与管理，同时负责整个光伏微型电网的运行协调工作；网络系统构架如附图1所示。
光伏微型电网的结点(Node)为组成微型电网所必需的分布式微型电源及其必要的控制与连接设备；三个子系统分别依托节点控制器、工作组服务器与监控中心计算机等三类实体设备运行，通过网络中间件技术进行信息交互，实现对光伏微网的智能化控制；网络中间件技术(Network Middleware Technology, NMT)是指工作于光伏网络自适应控制系统硬件平台与用户操作接口之间的通用服务；上述服务具有标准的应用程序结构与数据操作协议，向下屏蔽各个光伏微网结点的异构实体，向上为光伏微网监控用户提供统一服务接口，提高光伏网络控制系统的可移植性与互操作性，提供稳定可靠的高层应用环境。
信息采集子系统(ICS)：ICS的工作位置为各个分布式微源的结点控制器，如附图1所示，为光伏微网自适应控制系统提供数据支持，同时作为设备执行端点(Action End)；其主体功能构架由结点数据采集模块(Node Data Collection Module, NDCM)、结点状态控制模块(Node Status Control Module, NSCM)、结点网络中间件模块(Node Network Middleware Module, N2M2)组成，如附图2所示。
分布式微源结点控制器的实体设备为面向光伏微源实时监控的嵌入式计算机(Embedded Computer)，在完成对微源结点监控任务的基础上，需满足本发明所涉及的自适应网络通信的软硬件运行环境；
NDCM的主要功能为采集其所在结点的电压、电流、温度、谐波分量等主要工作参数，并根据上述参数判断其运行状态是否正常；若运行状态异常，则通过结点网络中间件模块，经由网络通信子系统，向系统监控子系统提供报警信息；NSCM的主要功能为通过结点网络中间件模块接收来自系统监控子系统的控制指令，并根据指令的相关内容对结点对应的参数进行调整与修正，实现微型电网的协调工作。
N2M2的主要作用为完成微网结点的上、下行通信任务；所述的上行通信任务为：讲结点数据采集模块获得的数据按照既定的通信协议封装成为数据分组，经由网络通信子系统上传至系统控制子系统；所述的下行通信任务为：通过网络通信子系统获得来自系统控制子系统的控制指令，然后根据既定约定进行拆分，下达至结点状态控制模块，完成对应的结点控制任务。
网络通信子系统(NCS)：NCS的工作位置为安装在光伏微网监控管理中心的工作组服务器，如附图1所示，是连接信息采集子系统与系统监控子系统的桥梁与纽带，完成系统所要去的网络管理、数据传输等功能任务；其主体功能构架由结点互联控制模块(Node Inter-link Control Module, NICM)、数据与控制信息传输模块(Data & Control-information Transform Module, DCTM)组成，如附图2所示。
工作组服务器面向某一地理区域或者工作特征相近的网络结点的网络服务而设置，存储上述结点的网络注册信息，并按照结点具体要求提供对应的数据存储空间。
NICM通过事件触发方法实现光伏微网各结点的自动注册、自主联网与自动撤销等动作；所述的事件触发方法的实现过程为：将网络各结点的任意状态变换动作定义为系统事件，并以此作为调用系统服务函数的入口条件，进而实现对结点的状态控制；所述的自动注册是指结点在进入网络时，产生结点接入事件，触发系统服务函数向工作组服务器所要结点名称、网络地址等配置参数，并申请既定长度的数据结构存储上述信息，完成结点的信息登记工作；所述的自主联网是指结点在完成注册任务以后，产生周边结点探测事件，触发系统服务函数以广播的形式向周围存在的结点发布身份信息，并提出链接请求；所述的自动撤销是指结点在离开网络时，产生结点移出事件，触发系统服务函切断该节点与其他结点的链路通信，并销毁该节点的登记信息。
DCTM通过进程通信的方法实现光伏微网实时运行数据与控制信息的传输；所述的进程通信方法是通过消息队列对结点运行状态进行动态跟踪，并通过队列数据结构完成对具有通信任务需求的结点的实时数据传输与控制信息传输；所述的实时数据传输是指通过专用传感器所采集的结点技术参数，并在既定的时限范围内将其输运至指定位置；所述的控制信息传输通过消息队列完成具有数据依赖关系的结点之间的任务应答，实现整个网络动态协调控制与管理。
系统监控子系统(SMS)：SMS的工作位置为安装在光伏微网监控管理中心的监控中心服务器(Monitoring Center Server)，如附图1所示，根据用户提出的具体任务需求，实现对光伏微网自适应控制系统实时控制与管理；其主体功能构架由用户监控与管理模块(User Monitoring & Management Module, UM3)、监控中心网络中间件模块(Monitoring Center Network Middleware Module, MCNM2)组成，如附图2所示。
监控中心服务器本发明所涉及光伏微网系统的监控工作站(Work Station)，是网络系统所覆盖物理范围内的唯一中心结点，拥有对网络中任一结点的监控管理权限，完成对真个网络的控制任务分配与动态协调管理；
MCNM2是面向各结点状态控制的系统服务调配中心，响应结点所产生的事件触发条件，并根据条件所携带的参数完成对应的控制任务；接收网络通信子系统上传的结点实时数据与控制信息，提供给用户监控与管理模块完成结点状态的进一步分析。
UM3由结点运行状态诊断分析子模块(Node Running Status Diagnosis & Analysis sub-Module)与结点运行状态跟踪控制子模块(Node Running Status Tracing & Control sub-Module)构成；所述的结点运行状态诊断分析子模块的工作任务流程为：以结点实时数据与控制信息为加工对象，通过特征参数提取与数据统计方法，对结点的运行状态的静态对象参数与发展趋势进行分析，并在此基础上建立结点的标准工作状态模板，进而完成结点运行状态的异常判断与动态识别；所述的结点运行状态跟踪控制子模块是面向用户的图形用户接口，根据结点运行状态诊断分析子模块的分析结果，提供友好的图形化用户操作对象，最终实现光伏微型网络的自适应控制与管理。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种光伏网络自适应控制系统，其特征在于：所述自适应控制系统包括：用于采集光伏微型电网各个结点的工作参数与运行状态的信息采集子系统，用以数据传输、指令转达与会话交互任务的网络通信子系统，用于对各个结点的控制与管理并同时负责整个光伏微型电网的运行协调工作的系统监控子系统，
其中，所述的信息采集子系统包括：
结点数据采集模块，用于采集其所在结点的工作参数，所述工作参数包括电压、电流、温度和谐波分量，并根据所述工作参数判断其运行状态是否正常；若运行状态异常，则通过结点网络中间件模块，经由网络通信子系统，向系统监控子系统提供报警信息；
结点状态控制模块，用于通过结点网络中间件模块接收来自系统监控子系统的控制指令，并根据指令的相关内容对结点对应的参数进行调整与修正，实现微型电网的协调工作；
结点网络中间件模块，用于完成微网结点的上、下行通信任务；所述的上行通信任务为：将结点数据采集模块获得的数据按照既定的通信协议封装成为数据分组，经由网络通信子系统上传至系统控制子系统；所述的下行通信任务为：通过网络通信子系统获得来自系统控制子系统的控制指令，然后根据既定约定进行拆分，下达至结点状态控制模块，完成对应的结点控制任务；
所述的网络通信子系统包括：
结点互联控制模块，用于通过事件触发方法实现光伏微网各结点的自动注册、自主联网与自动撤销动作；
数据与控制信息传输模块，用于通过进程通信的方法实现光伏微网实时运行数据与控制信息的传输；
所述系统监控子系统包括：
监控中心网络中间件模块，用于面向各结点状态控制的系统服务调配中心，响应结点所产生的事件触发条件，并根据条件所携带的参数完成对应的控制任务；接收网络通信子系统上传的结点实时数据与控制信息；
用户监控与管理模块，由结点运行状态诊断分析子模块与结点运行状态跟踪控制子模块构成；所述的结点运行状态诊断分析子模块中，以结点实时数据与控制信息为加工对象，通过特征参数提取与数据统计方法，对结点的运行状态的静态对象参数与发展趋势进行分析，并在此基础上建立结点的标准工作状态模板，进而完成结点运行状态的异常判断与动态识别；所述的结点运行状态跟踪控制子模块是面向用户的图形用户接口，根据结点运行状态诊断分析子模块的分析结果，提供友好的图形化用户操作对象，最终实现光伏微型网络的自适应控制与管理。
2.如权利要求1所述的光伏网络自适应控制系统，其特征在于：所述结点互联控制模块中，所述事件触发方法为将网络各结点的任意状态变换动作定义为系统事件，并以此作为调用系统服务函数的入口条件，进而实现对结点的状态控制；所述的自动注册是指结点在进入网络时，产生结点接入事件，触发系统服务函数向工作组服务器所要结点名称和网络地址配置参数，并申请既定长度的数据结构存储上述信息，完成结点的信息登记工作；所述的自主联网是指结点在完成注册任务以后，产生周边结点探测事件，触发系统服务函数以广播的形式向周围存在的结点发布身份信息，并提出链接请求；所述的自动撤销是指结点在离开网络时，产生结点移出事件，触发系统服务函切断该节点与其他结点的链路通信，并销毁该节点的登记信息。
3.如权利要求1或2所述的光伏网络自适应控制系统，其特征在于：所述数据与控制信息传输模块中，所述的进程通信方法是通过消息队列对结点运行状态进行动态跟踪，并通过队列数据结构完成对具有通信任务需求的结点的实时数据传输与控制信息传输；所述的实时数据传输是指通过专用传感器所采集的结点技术参数，并在既定的时限范围内将其输运至指定位置；所述的控制信息传输通过消息队列完成具有数据依赖关系的结点之间的任务应答，实现整个网络动态协调控制与管理。
4.如权利要求1或2所述的光伏网络自适应控制系统，其特征在于：所述信息采集子系统、网络通信子系统和系统监控子系统分别依托节点控制器、工作组服务器和监控中心计算机运行，通过网络中间件技术进行信息交互。
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