CN102591278B - 具有发电和负荷预测功能的微网控制系统的微网通讯控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有发电和负荷预测功能的微网控制系统及控制方法，它包括有：微网环境监测仪、微网运行设备、以太网交换机以及微网控制器；微网控制器通过TCP/IP网络协议、标准的IEC远动规约和以太网口，经以太网交换机与微网运行设备的以太网口或通讯协议转换器连接，进行双向通讯；微网控制器通过RS-485串口接受微网环境监测仪上传的环境指标信息；该系统在微网控制器的实时操作系统、数据库的基础上，通过编制的应用模块实现整体微网系统的信号控制；该系统运行安全可靠，降低了微网控制系统的成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统发电、供电、配电与用电环节，具体涉及的是一种基于工业以太网总线技术，具有平抑微网与公用配电网功率交换能力的具有发电和负荷预测功能的微网控制系统及控制方法。
背景技术
过去，风力发电、光伏发电等分布式发电技术多应用于公用电网难以覆盖的偏远地区。近年来，随着我国《可再生能源法》的实施，分布式发电的应用呈井喷态势涌现。由于风力发电、光伏发电所固有的随机波动性，使其难以在脱离公用电网支持的条件下高质量地运行。众所周知，电能作为一种特殊的商品，其生产与消费是同时完成，且在数量上必须完全匹配，否则将严重影响电能质量。因此在许多除照明外的生产、生活应用场合，为保证人身和用电设备安全，分布式电源不允许孤岛运行，限制了可再生能源利用率。
为此，业界提出一种微网系统技术，期望通过对储能设备的调节来满足分布式电源与负荷之间的供用电平衡，使得微网系统的电能质量在脱离公用电网的条件下也能得到保证。微网系统技术的突破，有望将我国可再生能源的利用程度推向一个崭新的高度。
目前，微网技术尚处于起步阶段，业界在微网系统控制器的设计原理与实现方式上各有不同，国内建成的微网试验或示范工程正在陆续增加，但普遍存在如下问题：一类问题是负荷过于平稳，或者负荷的变化幅度相对于微网系统内分布式电源和储能设备的调节能力来说明显偏低，这使得微网系统的配置和建设成本过高，投入的微网设备没有充分发挥其功能，技术的应用与推广受到限制；其原因可归结为微网系统控制策略过于简单粗糙，微网系统控制器能力过于薄弱，无法实现较为复杂的控制策略。另一类解决方案和工程实现能够很好地完成微网系统控制任务，设备功能也能得到充分发挥，但仍存在投资过大的问题，例如以现代大型电力系统调度自动化的核心平台——即数据采集和监控系统（SCADA）/能量管理系统（EMS）为基础开发微网系统控制器，固然能够取得良好的效果，但其成本很高，考虑到价格因素，我们更应设计出结构简化、效果明显、成本经济，便于推广的微网控制系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有微网控制系统技术的不足，提供一种功能强大、稳定可靠、成本经济，便于推广，对发电和负荷具有预测功能的微网控制系统及控制方法。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的：
一种具有发电和负荷预测功能的微网控制系统的微网通讯控制方法，该微网控制系统包括有：微网环境监测仪、微网运行设备、工业以太网交换机以及微网控制器；微网控制器通过工业以太网交换机或转换器与微网运行设备相连接进行双向通讯，该微网控制器通过RS-485串口接收微网环境监测仪上传的环境指标信息；
其中，所述微网控制器由研华工控机主板、英特尔微处理器、工业通讯卡构成；所述微网控制器通过通讯模块与微网运行设备进行通讯采集微网运行设备信息、输出控制指令信息；
其中，所述微网运行设备包括有：分布式发电电源并网逆变器、储能并网双向逆变器、微网内各种负荷的接触器与智能电表、无功补偿设备的接触器与智能电表、市电并网固态电子开关及智能电表；
其中，所述微网运行设备为使用接触器、固态电子开关接入微网的微网运行设备，所述的转换器为RS-232通讯协议转换器；
其中，所述微网控制器上安装有专用程序模块，所述专用程序模块包括通讯模块、数据处理与存储模块、发电与负荷预测模块、控制逻辑判断与控制量计算模块、系统监控模块及数据库并执行以下步骤：
（1）、数据处理与存储模块以预设的固定采样率从通讯模块获取微网运行设备的状态信息、环境信息以及各种电量值；
（2）、数据处理与存储模块首先将上述步骤（1）获得的电量值进行处理，转换为有效值指标；然后计算出有功功率、无功功率、功率因数、微网频率运行指标；最后将上述步骤（1）采集得到的与加工处理得到的环境信息中的时间序列信息存储到数据库中；
（3）、发电与负荷预测模块接收数据处理与存储模块及数据库提供的微网系统的发电与负荷信息，根据发电与负荷的历史曲线、当前环境信息、当前用电时间段、当前各微网运行设备的发电量、负荷水平、备用容量条件，采用常规短期负荷预测方法，获得各微网运行设备应满足的功率实时控制目标，进而提交给控制逻辑判断与控制量计算模块；
（4）、控制逻辑判断与控制量计算模块以一定采样率从数据处理与存储模块获取采集信息，并从发电与负荷预测模块获取各微网运行设备实时控制目标，经过逻辑判断和计算后，产生各微网运行设备的控制量信息，各控制量信息经通讯模块送出微网控制器，再经工业以太网交换机或通过转换器到达各微网运行设备，以实现对各微网运行设备的控制；
（5）、系统监控模块对该控制器内其它模块的故障实时进行诊断，并实现常见缺陷消除。
而且，所述步骤（1）的微网运行设备的状态信息、环境信息以及各种电量值为：
状态信息：各接触器、固态电子开关的开闭状态，储能设备的荷电状态；
环境信息：微网发电设备所处环境的风速、风向、温度、太阳辐射照度的时间序列信息；
电量值：各逆变器、负荷的三相电压、电流采样值。
而且，所述步骤（3）的常规短期负荷预测方法采用时间序列法、回归分析法、人工神经网络或模糊逻辑法。
而且，所述步骤（4）的微网运行设备的控制量信息包括有：风力发电逆变器、光伏发电逆变器、储能并网双向逆变器的有功功率、无功功率实时控制目标以及可控负荷接触器的投切方式。
而且，所述步骤（5）监控模块对该控制器内其它模块的故障自诊断，并实现常见缺陷消除的具体方法为：
（1）为系统监控模块提供最高的进程优先级；
（2）系统监控模块启动或关闭或杀死其它模块的进程，与其它模块进行进程间通信；
（3）在系统监控模块中预先设置其它各个模块的正常参数范围，并进行逻辑校验；
（4）当系统监控模块发现其它某个模块参数异常时，自动重新启动该模块进程。
本发明的优点和积极效果是：
该发明填补了微网系统专用设备的技术空白，显著提高了微网系统运行的安全性、稳定性和可靠性，特别是能够减小微网与公用配电网之间功率交换的波动性。降低了微网控制系统的成本，随着微网系统的推广实施而广泛应用，具有较高经济性。
附图说明
图1为本发明系统的连接及方法流程示意图；
图2为本发明系统的逻辑判断和控制量计算的流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施方法来进一步说明本发明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。以下以400伏微网为例对本发明做具体说明。
一种具有发电和负荷预测功能的微网控制系统，如图1所示，该微网控制系统包括有：微网环境监测仪（提供风速、风向、温度、太阳辐射照度等实时环境指标）、各微网运行设备、工业以太网交换机以及微网控制器；微网控制器通过TCP/IP网络协议、标准的IEC60870-50194远动规约和以太网口，经工业以太网交换机与各微网运行设备的以太网口或通讯协议转换器连接，进行双向通讯；同时，微网控制器通过RS-485串口接受微网环境监测仪上传的环境指标信息。
所述各微网运行设备是指风力发电并网逆变器、光伏发电并网逆变器、储能并网双向逆变器、照明负荷及其接触器与智能电表（对应于一般负荷，随时可切除，转为市电供电）、生产办公负荷及其接触器与智能电表（对应于重要负荷，微网孤岛运行时仍保持供电）、无功补偿设备及其接触器与智能电表、少量动力负荷（如电动汽车充电桩）及其接触器与智能电表、市电并网固态电子开关及智能电表。
所述微网控制器由研华工控机主板（AIMB-763VG）、英特尔酷睿2双核（CoreTM2Duo）微处理器、工业通讯卡（EKI-7626C）、实时操作系统（RTOS6.5）、数据库（MySQLTMServer标准版v5.1）软硬件构成。
所述微网内需要通过通讯协议转换器与微网控制器相连接的微网运行设备是指某些微网运行设备没有千兆以太网口，例如各类负荷和无功补偿设备接入微网所使用的接触器、微网与市电（即公用配电网）连接使用的固态电子开关等，需要进一步采用实现通讯协议转换器进行运行信息和控制信息的交换。本例中对各必要的微网运行设备采用RS-232协议转换器，并通过工业以太网交换机与微网控制系统相连。
一种用于所述微网控制系统的微网通讯控制方法，该控制方法是在实时操作系统、数据库的基础上，由可编程控制语言编写的专用程序模块实现的，专用程序模块包括有：通讯模块、数据处理与存储模块、发电与负荷预测模块、控制逻辑判断与控制量计算模块、系统监控模块及数据库；其运行方法是：
（1）、数据处理与存储模块以预设的固定采样率从通讯模块（该模块负责维护连接，采用商业标准化驱动程序，并无特殊设置）获取各微网运行设备的时间序列信息，包括各接触器、固态电子开关的开闭状态，各逆变器、负荷的三相电压、电流采样值，储能设备的荷电状态（SOC），微网发电设备所处环境的风速、风向、温度、太阳辐射照度；
（2）、数据处理与存储模块将上述获得的三相电压、电流采样值进行处理，转换为有效值指标；计算出有功功率、无功功率、功率因数、微网频率运行指标；将上述采集得到的与加工处理得到的时间序列信息存储到数据库中；
（3）、发电与负荷预测模块接受数据处理与存储模块与数据库提供的微网系统的发电与负荷信息，根据发电与负荷的历史曲线、当前风速、风向、温度、太阳辐射照度环境条件，当前用电时间段，当前各微网运行设备的发电量、负荷水平、备用容量条件，采用常规短期负荷预测方法，时间序列法、回归分析法、人工神经网络与模糊逻辑法获得风力发电逆变器、光伏发电逆变器、可控负荷应满足的功率实时控制目标，进而提交给控制逻辑判断与控制量计算模块；
（4）、控制逻辑判断与控制量计算模块以一定采样率从数据处理与存储模块获取采集信息，并从发电与负荷预测模块获取风力发电逆变器、光伏发电逆变器、可控负荷应满足的功率实时控制目标，经过逻辑判断和计算后产生各微网运行设备的控制量信息，这些控制量信息包括有：风力发电逆变器、光伏发电逆变器、储能并网双向逆变器的有功功率、无功功率实时控制目标，可控负荷接触器的投切方式。各控制量信息经通讯模块送出微网控制器，再经工业以太网交换机到达各微网运行设备，以实现对各微网运行设备的控制。
注意到储能设备在运行过程中既可以视为一种发电设备，也可以视为一种可控负荷，本发明将其视为一种发电设备进行考虑。
如图2所示，该模块进行逻辑判断和控制量计算的原理描述如下。首先判断微网系统处于与公用配电网联网运行状态还是孤岛运行状态。若微网系统与公用配电网联网运行时，需要通过潮流计算进行安全性校核，即校核各微网运行设备是否过载，电压水平是否正常。若通过安全性校核，则以该潮流计算的条件作为控制方案，即接受发电和负荷预测模块所提供的风力发电逆变器、光伏发电逆变器、可控负荷应满足的功率实时控制目标。若经潮流计算后判定会导致设备过载或电压不正常的不安全现象，则需要采取按预设档级增减部分发电设备出力的方案，其具体思路为：根据当前需求，修改潮流计算的预设条件，进行安全性校核，若通过安全性校核，则以该预设条件作为控制方案，若仍然不通过安全性校核，则继续修改潮流计算的预设条件，直至通过安全性校验为止。
若微网系统与公用配电网断开连接，微网系统处于孤岛运行方式下，需要首先通过计算来校核微网系统内当前的发电能力是否能与负荷水平相匹配。若发电与负荷水平相匹配，则接受发电和负荷预测模块所提供的风力发电逆变器、光伏发电逆变器、可控负荷应满足的功率实时控制目标，此后的逻辑判断与控制量计算过程如前所述，与微网系统和公用配电网联网运行方式相同。若发电与负荷水平不匹配，且判定为发电能力过剩，则需要采取按预设档级裁减发电设备出力甚至完全关停发电设备的方案。若发电与负荷水平不匹配，且判定为发电能力不足，则需要采取按预设档级裁减可控负荷的方案。此后的逻辑判断与控制量计算过程如前所述，与微网系统和公用配电网联网运行方式相同。
所述系统监控模块对该控制器内其它模块的故障自诊断，并能实现常见缺陷消除的具体方法为：
（1）为系统监控模块提供最高的进程优先级；
（2）系统监控模块启动或关闭或杀死其它模块的进程，与其它模块进行进程间通信；
（3）在系统监控模块中预先设置其它各个模块的正常参数范围，并进行逻辑校验；
（4）当系统监控模块发现其它某个模块参数异常时，自动重新启动该模块进程。
特别地，对于微网系统短期负荷预测，由于电力系统规模微小、随历史数据长期累积而统计分析得到的负荷特性可信度较高，因此微网系统所处的环境指标成为影响发电与负荷预测模块的重要因素。
特别地，本发明所提出的微网控制系统及控制方法并不提供风力发电逆变器、光伏发电逆变器、储能并网双向逆变器的触发控制角，触发控制角将由相应的微网运行设备控制器自行完成，这样实现了集中控制与分散控制相结合，提高了微网系统运行的效率和可靠性，同时也节省了开发成本。
特别地，本发明所提出的微网控制系统及控制方法通过对风力发电并网逆变器、光伏发电并网逆变器、储能设备双向并网逆变器等微网发电设备和可控负荷提供更高质量的控制指令，使整个微网系统能够提升可再生能源发电的利用率，减轻微网系统对公用配电网的负荷需求，并使微网系统从配电网汲取的负荷更加平稳。
Claims (5)
1.一种具有发电和负荷预测功能的微网控制系统的微网通讯控制方法，该微网控制系统包括有：微网环境监测仪、微网运行设备、工业以太网交换机以及微网控制器；微网控制器通过工业以太网交换机或转换器与微网运行设备相连接进行双向通讯，该微网控制器通过RS-485串口接收微网环境监测仪上传的环境指标信息；
其中，所述微网控制器由研华工控机主板、英特尔微处理器、工业通讯卡构成；所述微网控制器通过通讯模块与微网运行设备进行通讯采集微网运行设备信息、输出控制指令信息；
其中，所述微网运行设备包括有：分布式发电电源并网逆变器、储能并网双向逆变器、微网内各种负荷的接触器与智能电表、无功补偿设备的接触器与智能电表、市电并网固态电子开关及智能电表；
其中，所述微网运行设备为使用接触器、固态电子开关接入微网的微网运行设备，所述的转换器为RS-232通讯协议转换器；
其中，所述微网控制器上安装有专用程序模块，所述专用程序模块包括通讯模块、数据处理与存储模块、发电与负荷预测模块、控制逻辑判断与控制量计算模块，
其特征在于：所述系统监控模块及数据库执行以下步骤：
（1）、数据处理与存储模块以预设的固定采样率从通讯模块获取微网运行设备的状态信息、环境信息以及各种电量值；
（2）、数据处理与存储模块首先将上述步骤（1）获得的电量值进行处理，转换为有效值指标；然后计算出有功功率、无功功率、功率因数、微网频率运行指标；最后将上述步骤（1）采集得到的与加工处理得到的环境信息中的时间序列信息存储到数据库中；
（3）、发电与负荷预测模块接收数据处理与存储模块及数据库提供的微网系统的发电与负荷信息，根据发电与负荷的历史曲线、当前环境信息、当前用电时间段、当前各微网运行设备的发电量、负荷水平、备用容量条件，采用常规短期负荷预测方法，获得各微网运行设备应满足的功率实时控制目标，进而提交给控制逻辑判断与控制量计算模块；
（4）、控制逻辑判断与控制量计算模块以一定采样率从数据处理与存储模块获取采集信息，并从发电与负荷预测模块获取各微网运行设备实时控制目标，经过逻辑判断和计算后，产生各微网运行设备的控制量信息，各控制量信息经通讯模块送出微网控制器，再经工业以太网交换机或通过转换器到达各微网运行设备，以实现对各微网运行设备的控制；
（5）、系统监控模块对该控制器内其它模块的故障实时进行诊断，并实现常见缺陷消除。
2.根据权利要求1所述的微网控制系统的微网通讯控制方法，其特征在于：所述步骤（1）的微网运行设备的状态信息、环境信息以及各种电量值为：
状态信息：各接触器、固态电子开关的开闭状态，储能设备的荷电状态；
环境信息：微网发电设备所处环境的风速、风向、温度、太阳辐射照度的时间序列信息；
电量值：各逆变器、负荷的三相电压、电流采样值。
3.根据权利要求1所述的微网控制系统的微网通讯控制方法，其特征在于：所述步骤（3）的常规短期负荷预测方法采用时间序列法、回归分析法、人工神经网络或模糊逻辑法。
4.根据权利要求1所述的微网控制系统的微网通讯控制方法，其特征在于：所述步骤（4）的微网运行设备的控制量信息包括有：风力发电逆变器、光伏发电逆变器、储能并网双向逆变器的有功功率、无功功率实时控制目标以及可控负荷接触器的投切方式。
5.根据权利要求1所述的微网控制系统的微网通讯控制方法，其特征在于：所述步骤（5）监控模块对该控制器内其它模块的故障自诊断，并实现常见缺陷消除的具体方法为：
（1）为系统监控模块提供最高的进程优先级；
（2）系统监控模块启动或关闭或杀死其它模块的进程，与其它模块进行进程间通信；
（3）在系统监控模块中预先设置其它各个模块的正常参数范围，并进行逻辑校验；
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