CN103972888B - 一种微网控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了输配电领域的一种微网控制器，包括中央处理器、通信模块和单板机继电保护模块，其中，所述通信模块包括总线接口模块、电流电压测量模块、AI/DI模块和AO/DO模块；所述总线接口模块上设有与微网内各分布式电源、储能装置、负荷的控制器对应的总线接口，用于连接所述单板机继电保护模块的串行总线接口，以及用于与所述中央处理器连接的以太网接口，所述通信模块中还设有用于连接实时数字仿真系统的上行通信模块，所述中央处理器通过所述通信模块中的总线接口模块和上行通信模块，向所述实时数字仿真系统发出仿真请求，接收仿真结果。其技术效果是：其可以支持在线的实时数字仿真系统，并以此来实现对微网变参数的保护与控制，提高其对微网的保护与控制的性能。

Description

一种微网控制器

技术领域

本发明涉及输配电领域的一种微网控制器。

背景技术

微网是指能实现自我控制、保护和管理的，自制的微型电网系统，其既可并入大电网运行，又能脱离大电网独立运行。微网的出现源于光伏、风电等分布式新能源的发展和能源高效利用的需求，组成微网的分布式电源种类多样且具有间歇性，微网结构分散、运行方式复杂多变、稳定性弱，不同状态下的潮流、短路电流差异很大。

微网的上述特点对其控制保护提出了较高的要求。如图1所示，目前的微网控制器一般为一个独立的系统，包括中央处理器1、通信模块2和单板机继电保护模块3。其中通信模块2包括总线接口模块21、电流电压测量模块22、AI/DI模块23和AO/DO模块24。总线接口模块21上设有与微网内各分布式电源、储能装置、负荷的控制器，即底层控制器对应的总线接口213，用于连接单板机继电保护模块3的串行总线接口212，以及用于与中央处理器1连接的以太网接口211。电流电压测量模块22用于监测微网内PCC开关两侧，以及各支路、母线的电压、电流、功率和频率。AI/DI模块23用于监测将微网内各分布式电源、储能装置、负荷投入切出的执行开关的状态；AO/DO模块24控制将微网内各分布式电源、储能装置、负荷的运行，以及用于将微网内分布式电源、储能装置、负荷投入切出的执行开关的动作。微网控制器根据既定的控制策略独立运行，其控制模型和参数相对固定，很难全面准确反映微网在不同运行方式和状态下，微网控制器控制参数和保护参数的变化，也不能支持实时数字仿真系统对微网运行的控制进行决策支持和其它辅助功能。因此配电网中采用传统的被动性定值控制与保护形式的微网控制器会大大降低微网的运行的可靠性或效率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种微网控制器，其可以支持在线的实时数字仿真系统，并以此来实现对微网变参数的保护与控制，提高微网控制器对微网的保护与控制的性能。

实现上述目的的一种技术方案是：一种微网控制器，包括中央处理器、通信模块和单板机继电保护模块，其中，所述通信模块包括总线接口模块、电流电压测量模块、AI/DI模块和AO/DO模块；

所述总线接口模块上设有与微网内各分布式电源、储能装置、负荷的控制器对应的总线接口，用于连接所述单板机继电保护模块的串行总线接口，用于与所述中央处理器连接的以太网接口；

所述电流电压测量模块用于监测微网内PCC开关两侧，以及各支路、母线的电压、电流、功率和频率；

所述AI/DI模块用于监测将微网内各分布式电源、储能装置、负荷投入切出的执行开关的状态；

所述AO/DO模块控制将微网内各分布式电源、储能装置、负荷的运行，以及用于将微网内各分布式电源、储能装置、负荷投入切出的执行开关的动作，

所述通信模块中还设有用于连接实时数字仿真系统的上行通信模块，所述中央处理器通过所述通信模块中的总线接口模块和上行通信模块，向所述实时数字仿真系统发出仿真请求，接收仿真结果。

进一步的，所述中央处理器与所述总线接口模块的以太网接口之间通过Powerlink线连接。

进一步的，所述中央处理器还连接有工业多端口集线器，所述工业多端口集线器连接HMI系统和上级SCADA服务器。

再进一步的，所述工业多端口集线器与所述上级SCADA服务器之间设有光电转换器，所述上级SCADA服务器与所述光电转换器之间通过光纤连接，所述光电转换器与所述工业多端口集线器之间通过以太网总线连接。

进一步的，所述总线接口模块中与微网内各分布式电源、储能装置、负荷的控制器对应的总线接口为PROFIBUS接口、CAN接口、RS232接口、RS485接口、TCP/IP接口以及MODBUS接口中的任意一种或多种。

进一步的，所述上行通信模块采用IEC61850通信接口，所述IEC61850通信接口与所述实时数字仿真系统的GTnet卡连接。

进一步的，所述上行通信模块包括与所述实时数字仿真系统的DI端口连接的上行数字输出接口、与所述实时数字仿真系统的DO端口连接的上行数字输入接口、与所述实时数字仿真系统的AI端口连接的上行模拟输出接口、与所述实时数字仿真系统的AO端口连接的上行模拟输入接口。

进一步的，当所述中央处理器监侧到微网结构发生变化时，所述中央处理器向所述实时数字仿真系统发出保护点短路电流仿真请求。

进一步的，当所述电流电压测量模块所监测的微网内PCC开关两侧，或者各支路、母线的电压、电流、功率和频率接近边界条件时，所述中央处理器向所述实时数字仿真系统发送小扰动仿真请求。

进一步的，在微网需要进行负荷或者分布式电源或者储能装置的投入切出操作时，所述中央处理器向所述实时数字仿真系统发送预演仿真请求。

采用了本发明的一种微网控制器的方案，即包括中央处理器、通信模块和单板机继电保护模块的微网控制器在通信模块上增加了用于外接实时数字仿真系统的上行通信模块，使中央处理器能够向所述实时数字仿真系统发出仿真请求，接收仿真结果的微网控制器的技术方案。其技术效果是：微网控制器可以支持在线的实时数字仿真系统，并以此来实现对微网变参数的保护与控制，提高其对微网的保护与控制的性能。

附图说明

图1为现有技术的微网控制器的结构示意图。

图2为本发明的一种微网控制器的第一实施例的结构示意图。

图3为本发明的一种微网控制器的第二实施例的结构示意图。

图4为本发明的一种微网控制器的工作流程图。

具体实施方式

请参阅图2至图4，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体的实施例，并结合附图进行详细地说明：

第一实施例

请参阅图2，微网控制器是微网内直接与各分布式电源、储能装置、负荷、执行开关进行数据信息交互的控制器，负责协调各分布式电源、储能装置和负荷在微网的不同运行模式下的运行，对微网内控制策略和保护策略进行管理，保证微网的安全稳定运行。微网的运行模式包括与公共电网并网的并网模式和独立于公共电网的孤岛模式等。

微网控制器包括一个采用分时多任务机制运行的中央处理器1、通信模块2以及单板机继电保护模块3。中央处理器1通信模块2组成一个采用分时多任务机制运行的PLC平台。

中央处理器1上设有以太网模块11，通信模块2上设有总线接口模块21，其中总线接口模块21上设有以太网接口211，中央处理器1上的以太网模块11和以太网接口211之间通过Powerlink线连接，从而实现中央处理器1和通信模块2之间的电连接，以及中央处理器1和通信模块2之间通信和信息交互。

在本实施例中，中央处理器1的以太网模块11还通过以太网连接工业多端口集线器(HUB)4，工业多端口集线器4连接HMI(人机界面,HumanMachine Interface)系统5和上级SCADA(Supervisory Control And DataAcquisition数据采集与监视控制)服务器6。其中HMI系统5为一个触摸屏，用以提供友好的人机交互界面。为了增加工业多端口集线器4与上级SCADA服务器6之间的通信速率，工业多端口集线器4与上级SCADA服务器6之间增加了一个光电转换器7，其中上级SCADA服务器6与光电转换器7之间的连接为光纤连接，进行光纤通信，而光电转换器7与工业多端口集线器4之间的通信依旧为以太网通信。

而通信模块2中的总线接口模块21上还设有与微网内各分布式电源、储能装置、负荷的控制器对应的总线接口213，总线接口模块21通过上述的总线接口213，与微网内各分布式电源、储能装置、负荷的控制器进行数据信息交互，获取微网内各分布式电源、储能装置、负荷的运行数据。总线接口模块21上的总线接口213可选用PROFIBUS接口、CAN接口、RS232接口、RS485接口、TCP/IP接口以及MODBUS接口中的任意一种或多种。

通信模块2还包括电流电压测量模块22、DI\AI模块(模拟\数字输入模块)23和DO\IO模块(模拟\数字输出模块)24。

电流电压测量模块22是用于监测微网内PCC开关两侧，以及各支路、母线的电压、电流、功率和频率的模块，即监测微网内PCC开关两侧，以及各支路、母线的电参量,其中PCC开关专指将微网在并网状态和孤岛状态之间进行切换的开关。

DI\AI模块23的作用在于通过DI\AI模块23上的DI接口或者AI接口，监测用于将微网内各分布式电源、储能装置、负荷投入切出的执行开关的状态和故障信息。

通信模块2通过总线接口模块21、电流电压测量模块22和DI\AI模块23采集的数据通过总线接口模块21和Powerlink线，传递给中央处理器1上的以太网模块11，使中央处理器1获得上述的数据。中央处理器1在对上述的数据进行分析计算后,中央处理器1将控制输出信号经以太网模块11和通信模块2上的总线接口模块21，发送至DO\IO模块24中，DO/IO模块24将控制信号输出，通过微网内各分布式电源、储能装置、负荷的控制器，控制微网内各分布式电源、储能装置、负荷的运行，以及用于将微网内各分布式电源、储能装置、负荷投入切出的执行开关的动作，以维持微网的稳定运行。

通信模块2的总线接口模块21上，还设有串行总线接口212，单板机继电保护模块3与总线接口模块21的串行总线接口212连接，中央处理器1可通过总线接口模块21上的串行总线接口212对单板机继电保护模块3进行保护参数配置，比如保护整定值更改等。单板机继电保护模块3可通过总线接口模块21上的串行总线接口212将自身的运行状态上传给中央处理器1。本实施例中，串行总线接口212采用RS485串行总线接口。

因此微网控制器兼具微网控制和微网保护功能。微网控制功能主要指当微网结构发生变化或者某个储能装置或分布式电源出现故障，以及有足以影响微网稳定运行的负荷投入或切出时，通过中央处理器1设定控制策略和控制参数，协调微网内各个储能装置或分布式电源的运行，调整微网结构，以保证在任何情况下微网内的各个负荷都能获得优质供电。微网保护主要指中央处理器1根据微网内各个储能装置或分布式电源的运行状态以及微网结构，对单板机继电保护模块3进行合适的保护参数配置，对单板机继电保护模块3的保护整定值进行更改，当微网内出现故障时候，继电保护模块3将故障的分布式电源或储能装置切出微网，最大限度减小故障的分布式电源或储能装置对微网运行的影响。

本发明的微网控制器最大的发明点在于：其支持外接的实时数字仿真系统(RTDS)8。中央处理器1可根据微网内各分布式电源、储能装置、负荷、执行开关的运行状态，实时的微网结构以及运行方式，通过通信模块2向实时数字仿真系统8提出仿真要求，实时数字仿真系统8将仿真结果通过通信模块2传送至中央处理器1，从而实现实时数字仿真系统8与本发明的微网控制器的同步协调运行。本发明的微网控制器通过实时数字仿真系统8的决策支持，实现微网的变参数控制和保护，并通过实时数字仿真系统8进行微网安全稳定性分析、操作控制的模拟与验证等。

为了实现上述功能，微网控制器的通信模块2上增加上行通信模块25。本实施例的微网控制器中，上行通信模块25采用了支持IEC61850通讯协议的IEC61850通信接口251，IEC61850通信协议有良好的兼容性，使上行通信模块25具备强大的通讯功能，优良的适时性，完全能够适应微网控制器的控制需要。通过IEC61850通信接口251可以实现微网控制器与实时数字仿真系统8的交互。

本发明的微网控制器中，通信模块2的IEC61850通信接口251与实时数字仿真系统8的GTNet卡81的连接，进行所有实时数据交互。中央处理器1根据总线接口模块21、电流电压测量模块22和DI\AI模块23采集的数据,通过通信模块2中的IEC61850通信接口251向实时数字仿真系统8发出仿真请求，中央处理器1通过通信模块2中IEC61850通信接口251向实时数字仿真系统8输出的仿真模型的控制信号、触发信号、控制参数。实时数字仿真系统8通过通信模块2中IEC61850通信接口251将仿真结果数据传递给总线接口模块21，进而仿真给中央处理器1。总线接口模块21中的IEC61850通信接口251通过光纤或网线与实时数字仿真系统8的GTNet卡81连接。GTNet卡81数字仿真系统8为IEC61850协议通讯配置的独立专用数字通讯卡。

实时数字仿真系统8中内置仿真运行软件RSCAD，通过实时数字仿真系统8的仿真运行软件RSCAD，利用GTNet卡81进行硬件端口或协议地址，即微网中的分布式电源、储能装置、负荷，以及投入切出分布式电源、储能装置、负荷投入切出的执行开关、PCC开关和母线等与仿真模型控制或采样参数名称间的匹配。在微网控制器的中央处理器1也进行相应的参数与硬件端口或通讯协议地址间的匹配。

这样微网控制器的参数数据或控制信号可以直接传输到实时数字仿真系统8的仿真模型，使得微网控制器具备仿真控制的功能。同时实时数字仿真系统8的仿真数据和信号也同步传送给微网控制器的中央处理器1，为其控制提供决策支撑。

本发明的微网控制器的工作流程主要包括：初始化、数据读取、数据预处理、控制模型、数据输出。

初始化即微网运行监控参数、控制参数和保护参数的初始设定，其中监控参数主要指电流电压测量模块22监测的微网内PCC开关两侧，以及各支路、母线的电压、电流、功率和频率等电参量，保护参数主要指单板机继电保护模块3的保护参数配置，比如保护整定值等。

数据读取指中央处理器1通过总线接口模块21、电流电压测量模块22、AI/DI模块23，与微网内所有运行设备进行数据信息交互，实时采集所有的运行数据。

数据预处理指将中央处理器1将采集到的运行数据进行解析、求取平均值、滤波等处理得到控制模型所需要的数据。

控制模型包括安全控制、DG(分布式电源)控制、负荷控制、流程控制、仿真控制和参数文件。安全控制指微网运行安全的监控，指对电流电压测量模块22监测的微网内PCC开关两侧，以及各支路、母线的电压、电流、功率和频率的监控，并在这些数据达到边界条件时及时响应。DG控制指微网控制器对微网内各分布式电源的功率等协调控制。负荷控制指微网控制器根据控制策略对微网内的负荷进行投入或切出，流程控制指微网控制器对微网运行模式的切换控制。仿真控制指微网控制器向实时数字仿真系统8发出仿真请求，与实时数字仿真系统8进行数据交互,向实时数字仿真系统8输出触发信号。参数文件指对控制保护参数修改，以及其它重要数据的文件记录。

输出可分为控制输出、整定参数输出、监测预警。其中控制输出包括微网控制器对微网内各分布式电源、储能装置和负荷的控制器的控制，以及对微网内各个执行开关的操作控制，以及向实时数字仿真系统8发出仿真请求,向实时数字仿真系统8输出触发信号。整定参数输出指微网控制器对单片机继电保护模块3的保护参数的设定，同时单片机继电保护模块3的保护参数显示在HMI系统5上。监测预警是将总线接口模块21、电流电压测量模块22和DI\AI模块23测量到的数据，以及中央处理器1根据上述数据生成的故障告警信号在HMI系统5以及上级SCADA服务器的显示屏上进行显示，方便维护操作人员掌握微网的运行状况。

本发明的微网控制器系统除了实现普通微网控制器的功能外，主要还实现功能特点如下：

1.当微网有明显结构变化，如分布式电源之间的连接结构发生变化、大负荷投入或切出、潮流方向发生变化等时，微网控制器的中央处理器1会自动向实时数字仿真系统8发出保护点短路电流仿真请求，实时数字仿真系统8跟踪微网实时运行状态，做出响应切换到相应预设模型，中央处理器1通过电平触发信号启动实时数字仿真系统8对于对应点的短路故障仿真模拟模型，获取该点的短路电流，并由中央处理器1下达给单片机继电保护模块3进行保护参数的重新整定，实现变参数保护的功能。中央处理器1获取数据后，再以触发信号，通过AO/DO模块24恢复微网的故障。

2.在微网监控参数接近边界条件时，微网控制器的中央处理器1会自动向实时数字仿真系统8发送小扰动仿真请求，实时数字仿真系统进入相应预设模型，由中央处理器1进行仿真模型的小干扰触发，通过仿真模型的小干扰恢复能力来以此来验证微网安全性，以此来调整微网的控制参数，实现变参数精细化控制。

3.在微网需要进行足以影响微网稳定运行的负荷或者分布式电源及储能装置的投入或切出操作时，微网控制器的中央处理器1会自动向实时数字仿真系统8发送预演仿真请求，实时数字仿真系统进入相应预设的预演模型，操作人员通过微网控制器的HMI系统5进行操作预演，实时数字仿真系统8将预演仿真结果传给微网控制器的中央处理器1，微网控制器以此来验证确认操作的正确性和安全性。

如果实时数字仿真系统8具有超实时的能力，其仿真模型所设置的预警可实时传送给微网控制器的中央处理器1，中央处理器1根据不同预警代码做出相应保护性控制，维持微网的稳定运行。

本发明的重要特点是其可以支持在线的实时数字仿真系统8，并以此来实现变参数的保护与控制，提高其对微网的保护与控制的性能，这是现有微网控制器所不具备的功能。本发明可将在线实时数字仿真技术融合到微网的控制保护策略中，大大提高了控制保护性能，实现对微网主动式变参数控制保护。

第二实施例

请参阅图3，当实时数字仿真系统8不具备GNet卡81时，本发明的微网控制器采用以下对接方案：

通信模块2的上行通信模块25包括上行数字输出接口252、上行数字输入接口253、上行模拟输出接口254和上行模拟输入接口255。

中央处理器1通过总线接口模块21和上行数字输出接口252向实时数字仿真系统8发出开关控制信号、触发信号，实时数字仿真系统8的DI端口82接收上行数字输出接口252向实时数字仿真系统8发出的开关控制信号、触发信号，并将其输入仿真软件RSCAD中的仿真模型中；通过仿真模型生成的状态信号、报警信号，通过实时数字仿真系统8的DO端口83输出，输入到通信模块2的上行数字输入接口253，再通过总线接口模块21，传递给中央处理器1。实时数字仿真系统8的DO端口83位于实时数字仿真系统8的高速数字量输出卡(GTDO)或主运算板(3PC/GPC)上。实时数字仿真系统8的DI端口82位于实时数字仿真系统8的高速数字量输入卡(GTDI)或主运算板(3PC/GPC)上。

中央处理器1通过总线接口模块21和上行模拟输出接口254向实时数字仿真系统8输出目标功率、电流、功率因数等对微网中的分布式电源、储能装置和负荷进行控制的控制参数，实时数字仿真系统8通过实时数字仿真系统8的AI端口84接收上述的控制参数，并将上述控制参数输入实时数字仿真系统8的仿真软件RSCAD中的仿真模型。仿真模型生成相应的仿真数据，如电流、电压、功率、功率因数等，通过实时数字仿真系统8的AO端口85输出，输入到通信模块2的上行模拟输入接口255上，再通过总线接口模块21，传递给中央处理器1。实时数字仿真系统8的AO端口85位于实时数字仿真系统8的高速模拟量输出卡(GTAO)或主运算板(3PC/GPC)上。实时数字仿真系统8的AI端口84位于实时数字仿真系统8的高速模拟量输入卡(GTAI)或主运算板(3PC/GPC)上。

由于通信模块2的AI/DI模块23和AO/DO模块24与实时数字仿真系统8的AI端口84以及AO端口85的输出电压范围不一致，需要以输出电压范围窄的一个为准设定变比，调整输出电压范围。比如通信模块2的AI/DI模块23和AO/DO模块24的输出电压范围为基准电压正负10V，实时数字仿真系统8的DO端口83以及AO端口85的输出电压的范围为基准电压正负20V，则以通信模块2的AI/DI模块23和AO/DO模块24的输出电压范围为准。

在实时数字仿真系统8的仿真运行软件RSCAD，利用DI端口82和AI端口84进行硬件端口或协议地址，即微网中的分布式电源、储能装置、负荷，以及投入切出分布式电源、储能装置、负荷的执行开关、PCC开关和母线等与仿真模型控制或采样参数名称间的匹配。在微网控制器的中央处理器1也进行相应的参数与硬件端口或通讯协议地址间的匹配。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种微网控制器，包括中央处理器、通信模块和单板机继电保护模块，其中，所述通信模块包括总线接口模块、电流电压测量模块、AI/DI模块和AO/DO模块；其特征在于：

所述总线接口模块上设有与微网内各分布式电源、储能装置、负荷的控制器对应的总线接口，用于连接所述单板机继电保护模块的串行总线接口，用于与所述中央处理器连接的以太网接口；

所述电流电压测量模块用于监测微网内PCC开关两侧，以及各支路、母线的电压、电流、功率和频率；

所述AI/DI模块用于监测将微网内各分布式电源、储能装置、负荷投入切出的执行开关的状态；

所述AO/DO模块控制微网内各分布式电源、储能装置、负荷的运行，以及微网内各分布式电源、储能装置、负荷投入切出的执行开关的动作，

所述通信模块中还设有用于连接实时数字仿真系统的上行通信模块，所述中央处理器通过所述通信模块中的总线接口模块和上行通信模块，向所述实时数字仿真系统发出仿真请求，接收仿真结果。

2.根据权利要求1所述的一种微网控制器，其特征在于：所述中央处理器与所述总线接口模块的以太网接口之间通过Powerlink线连接。

3.根据权利要求1所述的一种微网控制器，其特征在于：所述中央处理器还连接有工业多端口集线器，所述工业多端口集线器连接HMI系统和上级SCADA服务器。

4.根据权利要求3所述的一种微网控制器，其特征在于：所述工业多端口集线器与所述上级SCADA服务器之间设有光电转换器，所述上级SCADA服务器与所述光电转换器之间通过光纤连接，所述光电转换器与所述工业多端口集线器之间通过以太网总线连接。

5.根据权利要求1所述的一种微网控制器，其特征在于：所述总线接口模块中与微网内各分布式电源、储能装置、负荷的控制器对应的总线接口为PROFIBUS接口、CAN接口、RS232接口、RS485接口、TCP/IP接口以及MODBUS接口中的任意一种或多种。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种微网控制器，其特征在于：所述上行通信模块采用IEC61850通信接口，所述IEC61850通信接口与所述实时数字仿真系统的GTnet卡连接。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种微网控制器，其特征在于：所述上行通信模块包括与所述实时数字仿真系统的DI端口连接的上行数字输出接口、与所述实时数字仿真系统的DO端口连接的上行数字输入接口、与所述实时数字仿真系统的AI端口连接的上行模拟输出接口、与所述实时数字仿真系统的AO端口连接的上行模拟输入接口。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种微网控制器，其特征在于：当所述中央处理器监测到微网结构发生变化时，所述中央处理器向所述实时数字仿真系统发出保护点短路电流仿真请求。

9.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种微网控制器，其特征在于：当所述电流电压测量模块所监测的微网内PCC开关两侧，或者各支路、母线的电压、电流、功率和频率接近边界条件时，所述中央处理器向所述实时数字仿真系统发送小扰动仿真请求。

10.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种微网控制器，其特征在于：在微网需要进行负荷或者分布式电源或者储能装置的投入切出操作时，所述中央处理器向所述实时数字仿真系统发送预演仿真请求。