CN104201672B - 一种新型的微网系统控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的微网系统控制装置，其特征在于，包括：分布式发电设备信息采集系统单元、储能发电单元、环境监测单元、模拟负荷单元、实际负荷单元、底层设备控制、管理单元、微网本地协调控制器组成的过程层；由微网中央控制组成的间隔层；由微网能量监控与能量管理软件组成的监控层。本发明通过微网三层控制，实现对微网发电设备、用电设备、远程电网调度三者整体控制、协调与优化，实现了多层，多目标分布式、多代理控制装置，形成多级数据中心，能够高效实现微网各种控制功能，使得整个微网系统稳定、安全、高效的运行。

Description

一种新型的微网系统控制装置

技术领域

本发明属于微网发电技术领域，涉及一种新型的微网系统控制装置。

背景技术

随着国民经济的不断发展，电力需求的迅速增长，环境污染严重，新能源的发展势在必行。但由于风能和太阳能等新能源所具有的随机性，现有电网无法满足大规模风能和太阳能发电接入的要求，这已成为我国可再生能源分布式发电大规模发展的主要障碍。

微网主要是指由分布式发电装置、储能环节以及本地负荷组成的（小型）配电子网，而分布式发电则更倾向于利用新型可再生能源（风能和太阳能等）。

微网系统通过分布式发电和输配电技术，为可再生能源发电的接入提供了另外一条解决途径，而同时又可以作为坚强智能电网体系的有机组成部分，通过优势互补实现更显著的经济和环境效益。

在欧洲已经初步形成微网的运行、控制、保护以及通信等基本理论，其主要集中在微网控制装置和微网规划、多网协调管理、运行优化等领域，并建设了微网实际示范工程。

微网系统中包含了分布式发电设备信息采集系统单元，多种电力负荷，还有母线、开关、输电线路、继电保护装置，电能表进行电能计量和确保电网安全运行的装置和单元，接触器、静态开关、开关、刀闸与控制部分，同时微网系统还需要接收电网的统一调度控制，因此，微网系统是非常复杂的能量控制系统。

微网系统的控制装置是微网系统的核心之一，传统的微网控制控制模式为集中式的控制模式，所有信息都需要微网中央控制器来完成，整个系统的实时性、可靠性与稳定性得不到满足，运行控制简单，不易进行多微网联络运行。因此，需要一种更加智能的控制装置进行能量管理与控制。

微电网系统控制装置的稳定运行和智能化，将很大程度上决定了整个系统是否稳定性、安全、高效的运行。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种新型的微网系统控制装置，能够使得整个微网系统稳定、安全、高效的运行。

本发明的技术方案如下所述：为解决上述问题，本发明提供了一种新型的微网系统控制装置，其特征在于，包括：由分布式发电设备信息采集系统单元、储能发电单元、环境监测单元、模拟负荷单元、实际负荷单元、底层设备控制、管理单元和微网本地协调控制器组成的过程层，由微网中央控制器与通讯系统组成的间隔层，由微网能量监控与能量管理软件以及数据库服务器组成的监控层。

其中，

所述分布式发电设备信息采集系统单元监测各种分布式电源的电压、电流、有功功率、无功功率、系统频率、设备工作状态以及功率因数，用电负荷工作情况，负荷电能质量，负荷用电量；

所述底层设备控制、管理单元负责底层设备控制与管理指令的下发，当所述间隔层下发控制指令后，下一个控制周期到来之前，所述底层设备控制、管理单元自行执行控制指令；

所述间隔层计算并下发微网核心算法，并负责对底层设备数据进行收集与上传功能，将收集的数据进行分类总结，上传至监控层；

所述数据库服务器完成微网平台所有设备的数据采集与数据的二次开发，也可以在多微网之间的联络时完成数据的远传发布。

进一步的，所述过程层的控制周期为秒级或毫秒级。

进一步的，所述间隔层的控制周期为分钟级。

进一步的，所述监控层的控制周期为小时级。

根据本发明提供的一种新型的微网系统控制装置，其有益效果为将集中式微网控制装置，改进为微网三层分散式控制，实现对微网发电设备、用电设备、远程电网调度三者整体控制、协调与优化，实现了多层，多目标分布式、多代理控制装置，形成多级数据中心，能够高效实现微网各种控制功能，如实现系统应急用电控制、微网故障预测与处理，自动并/离网切换控制，防逆流控制，黑启动控制，削峰填谷、时移等。

附图说明

下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的各控制层功能图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供的一种微网系统控制装置是基于分布式多代理控制系统，是微网运行的控制中枢。本发明分为三个控制层，即监控层（站控层）、间隔层、过程层，每一层有相对独立的控制管理功能，把原先传统的集中控制功能进行分解，极大的提高了系统的实时性、稳定性和安全性。

监控层包括微网能量监控与能量管理软件，以及数据库服务器，控制周期为小时级，其重点完成微网系统，包括间隙性发电单元发电计划、负荷用电计划、储能发电计划、柴油发电机发电计划、超级电容发电计划、微型气燃机发电计划等分布式能源发电预测，接收电网控制指令调度。此外，由于微网的最终数据库在该层，用户根据微网运行历史数据进行数据的二次挖掘，建立多微网联络的模型。数据库服务器完成微网平台所有设备的数据采集与数据的二次开发，也可以在多微网之间的联络时完成数据的远传发布。

间隔层包括微网中央控制器与通讯系统，控制周期为分钟级，其根据微网监控层的输入数据，完成微网系统核心控制算法的计算，与控制指令的下发，同时，间隔层中的微网中央控制器将过程层设备数据进行初次收集与整理，形成暂时性数据中心，用于微网控制算法的输入变量，并将数据上传至监控层。

过程层主要包括直流系统、光伏系统、风电系统、负荷系统和柴油发电系统。具体的包括分布式发电设备信息采集系统单元、储能发电单元、环境监测单元、模拟负荷单元、实际负荷单元、底层设备控制、管理单元和微网本地协调控制器，控制周期为秒级或毫秒级。其根据微网间隔层下发的控制指令，在间隔层控制周期内独立进行控制，如系统的故障预测，能量控制，系统紧急控制等实时性较高的控制。此外，过程层还进行各类设备数据的采集与协议转换，将不同类型的通讯协议转换成标准的通讯协议模式。在发生如遇到微网报警或故障，设备之间通过过程层进行联络，完成微网故障处理，以达到微网的实时性、安全性与可靠性，各过程层设备都具备本单元数据的汇集功能。其包括的分布式发电设备信息采集系统单元监测各种分布式电源的电压、电流、有功功率、无功功率、系统频率、设备工作状态以及功率因数，用电负荷工作情况，负荷电能质量，负荷用电量；底层设备控制、管理单元负责底层设备控制与管理指令的下发，当所述间隔层下发控制指令后，下一个控制周期到来之前，所述底层设备控制、管理单元自行执行控制指令。

如图2所示，本发明提供的一种新型微网控制装置，要对图1所示的复杂系统进行控制，需要将其各个功能进行分解，包括微网通讯硬件支撑平台和微网装置控制拓扑框架。

所述微网通讯硬件支撑平台包括分布式发电通讯单元、储能通讯单元、环境监测通讯单元、负荷通讯单元、通信网络单元、微网中央控制器单元与微网本地协调控制器单元。

具体的，通讯网络主要是微网内部局域网。

通讯网络主要负责将信息采集单元采集的信息通过网络设备和网络链路传递到控制系统，或将控制信息、电网信息下传到被控单元，系统支持本地监控与远程登录web浏览。

通讯传输的协议采用通用协议包含但不限于MODBUS、现场总线、以太网、103或电力规约，不通协议设备接入后可通过网络通讯模块将协议转换成标准协议。物理链路上可以是有线方式和无线方式。

通讯物理链路具备热备冗余，一旦系统检测到物理断开，将快速切换到热备线路，保证设备通讯可靠正常。

所述微网装置控制拓扑框架包括根据分布式多代理控制思路，将其系统控制分成三层的拓扑结构。其中，所述每层功能分别如下包括：

监控层：其功能主要包括微网系统内部各设备能量发电预测、负荷预测、电网调度指令下发、多微网联络、参与市场定价等。微网数据库系统详细记录着微网系统内部，及外部所有数据信息与指令，具备数据远传发布，数据二次开发与多网络数据共享的功能，通过远动设备，可与电网调度系统相连。

设备能量预测模块：应用模块包括但不限于实时气象站、气象数据库、专家系统、间歇式发电设备，对微网系统中各种新能源发电设备进行短时间、长时间功率出力预测；

微网负荷预测模块：应用模块包括但不限于负荷预测专家系统技术、时间序列对微电网中不同级别负荷超短周期、短周期、长周期耗能预测；

具体的，在微网设备能量预测中，所述超短期负载预测和发电预测以分钟为单位、短周期负载预测和发电预测以小时为单位、长周期负载预测和发电预测以天为单位。

间隔层：其功能主要是完成微网核心控制算法的计算，如多目标优化分析，系统决策分析、稳定性分析、高效性分析和并离网控制等。

微网系统决策分析模块：在统计的基础上，进行微网的控制分析、故障分析、稳定性分析、电能质量分析，高效性分析，保证整个系统安全、稳定、可靠运行。

微网多目标优化运行于综合能量管理控制模块：依据微网不同的运行模式和控制要求，在微网关键发电设备状态估计与分析基础上，分析、决策微网系统不同工作模式下间歇性能源与稳定性能源（储能、柴油发电机、微型气燃机等）联合控制装置、系统性能指标三者之间的关系，实现微网的最优状态运行。

具体的，在微网间隔层中，所述核心控制算法还具备：削峰填谷、时移、微网黑启动控制功能、并离网转换、并离网模式下控制、手动控制与自动控制功能、接受监控层调度控制。

具体的，在并网运行模式下，控制目标包括：间隙性能源平抑、电网公共连平抑、接点削峰填谷、时移、系统最优控制、后备电源等，一般以系统都以事先设定好的控制目标去实现控制，但如果负荷电能质量要求较高，则系统会考虑增加其他控制目标，如电能质量控制等，以满足特定控制目标的需求，这些控制目标，可在监控界面上进行设定。

具体的，在孤岛运行模式下，控制目标主要是保证孤岛电网的用电平衡和电能质量要求。

具体的，稳定性分析是微网在运行过程，遇到微小或大扰动之后，系统是否能够快速恢复到原有状态或过渡到新的稳定状态的能力。

微小扰动主要间隙性能源、储能等输出功率的波动，输电线路的波动、负荷小规模调整等微小的变化等等。

大的扰动是指负载突加、突卸，大电网的停运，三相短路、故障、系统突然失去某一发电电源、储能等情况。

过程层：主要功能为设备参数监视、协议转换、故障预测和故障处理、多设备群之间的联络控制和底层数据汇集等。具体的，例如用于监测各种分布式电源的电压、电流、有功功率、无功功率、系统频率、设备工作状态以及功率因数，并向微网间隔层传递信息；此外，在进行设备信息采集时，将通信信息转变为标准协议。

过程层控制具有一定的独立性，因为考虑其实时性，需要在最短时间内完成微网的控制功能，尽量减少上层管理系统的干预，因此，各过程层设备之间具备一定的联络能力与自主管理权限，实现了系统的处理突发事情的实时性，如故障处理等。

具体的，微网分布式多代理控制装置中，所述微网设备系统和微网装置控制系统构成了一整套自治、自愈电网系统，即可以与大电网并网运行，也可以独立大电网孤岛运行，可以在无人值守状态下工作，可以实现自动与人工干预相结合的运行模式。

与现有微网集中控制装置技术相比，本发明具有以下几个特点：

（1）功能实现了层级划分，实现了多代理模式：

原有集中控制装置，将所有指令都汇集到监控层，算法执行周期、执行的实时性都收到到限制，先将功能模块按照层级进行划分，每个层级有固定的执行功能，提升了每个层级的自主性，整个系统的实时性、可靠性与安全性都得到了很大提高。

同时，将微网功率预测模块、微网负荷预测模块等，进行模块化设计，对每个层级定义了统一的接口标准，使得数据在每个层级的通讯更加顺畅。

（2）自我决策：

由于将控制进行分层化，很多智能化模块可以进行自我学习，自我控制，系统根据预先设定好的控制目标，可根据系统状态模块、预测模块、在线状态检测模块、系统决策分析模块以及多目标优化管理模块自行寻找实现路径，完成控制目标的工作，实现了自我决策能力。

（3）过程层增加了多设备之间的联络通讯：

由于将过程层设备进行分类管理，增加了微网本地协调控制器，各设备群之间通过标准的网络进行联络，完成网络状态检测，系统故障检测，系统故障出现后，需要根据故障级别进行处理，保证系统安全。故障处理实时性较高，通过增加多设备群之间自主的联络控制，系统的稳定性、安全性和可靠性得到大幅提升。

（4）增强型通讯检测：

在以往的控制中，都重点强调控制的重要性，在本发明中，通讯硬件支撑平台，增加了通讯检测功能以及物理连接线路的热备冗余，通过各种通讯检测手段，对微网中建立的物理连接进行实时检测，保证系统通讯的正常与可靠。

（5）加快了系统整体的控制周期：

在以往的集中控制中，每执行一条控制指令，都需要进行数据收集，算法的计算，指令的下发，每条指令都是一系列控制单元的串行执行，采用分布式多代理控制，形成多级数据中心，控制指令上的一系列控制单元可以进行并行的操作，加快了控制指令的计算与指令下发。

（6）对微网功能的扩展提供了高效平台：

在以往集中式控制中，增加一项新的控制功能，需要考虑到微网控制系统的硬件平台支持情况，考虑到与其它控制模块之间的配合情况，而分布式多代理控制装置，根据控制周期的间隔，将控制层进行了分类，因此，未来不同的控制功能会很方便的进行归类，硬件平台也能够进行相应的支撑，控制功能具有很强的兼容性。

（7）提供了多元化的控制模式：

在分布式多代理微网控制装置中不难发现，集中控制模式只是分布式多代理控制模式的一种特殊情况，因此，通过分布式多代理控制装置就可以兼容集中控制模式，有了更广阔的应用与研究前景。

（8）形成多级数据中心：

由于采用了分布式多代理控制装置，各级都具备了数据保存、备份与数据整理的过程，每级中心数据都有本地的控制器进行汇集，为本地的控制提供有效的数据保障，当双网络都出现故障情况下，各级中心都会保存相关的数据，使得在通讯故障恢复后，数据得以完整保留至监控层。

根据本发明提供的一种新型微网系统控制装置，提出了分布式多代理控制装置完善的控制方法和保障措施，丰富了微网的控制装置，进一步提升了微网在控制实时性、能量管理、系统控制、通讯稳定可靠以及与传统电网友好接口方面的功能，增强了微网的控制精度和实效性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种新型的微网系统控制装置，其特征在于，包括：由分布式发电设备信息采集系统单元、储能发电单元、环境监测单元、模拟负荷单元、实际负荷单元、底层设备控制、管理单元和微网本地协调控制器组成的过程层，由微网中央控制器与通讯系统组成的间隔层，由微网能量监控与能量管理软件以及数据库服务器组成的监控层；其中，

所述过程层的控制周期为秒级或毫秒级；

所述间隔层的控制周期为分钟级；

所述监控层的控制周期为小时级；

所述分布式发电设备信息采集系统单元监测各种分布式电源的电压、电流、有功功率、无功功率、系统频率、设备工作状态以及功率因数，用电负荷工作情况，负荷电能质量，负荷用电量；

所述底层设备控制、管理单元负责底层设备控制与管理指令的下发，当所述间隔层下发控制指令后，下一个控制周期到来之前，所述底层设备控制、管理单元自行执行控制指令；

所述间隔层计算并下发微网核心算法，并负责对底层设备数据进行收集与上传功能，将收集的数据进行分类总结，上传至监控层；

所述数据库服务器完成微网平台所有设备的数据采集与数据的二次开发，并在多微网之间的联络时完成数据的远传发布；

所述通讯系统负责将分布式发电设备信息采集系统单元采集的信息通过网络设备和网络链路传递到控制系统，或将控制信息、电网信息下传到被控单元。