CN104268806A - 一种微电网功率监控系统 - Google Patents

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邓亮戈
周洪全
鲜景润
李果
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Abstract

本发明涉及一种微电网功率监控系统,该监控系统可以预测微电网的光伏模块、风电模块的发电功率,预测负载的变化情况,并基于实时检测的蓄电池模块的储能情况和实时获取的大电网的运行情况,来制定供电策略,使得微电网处于安全、经济、令用户满意的运行状态之下。

Description

-种微电网功率监控系统 所属技术领域
[0001] 本发明涉一种微电网功率监控系统。
背景技术
[0002] 随着全球性能源危机的不断加大,低碳、清洁的可再生能源已经成为研究热点,目 前世界各国均开展了含可再生能源的微电网研究项目。微电网是指多个分布式电源及其相 关负载按照一定的拓扑结构组成的网络,并通过静态开关关联至常规电网。
[0003] 大量的风/光分布式发电以微电网的形式作为一个双向可调度单兀从低压配电 网接入,形成多个微电网组成的微网群或主动型配电网。然而,由于风力发电、光伏发电等 可再生电源的高度随机性,传统负荷、燃料电池等清洁电源的不确定性,以及弹性负荷的可 控可调,使得微电网成为公共电网中的不确定负载,对公共电网的稳定与优化带来巨大的 冲击。
[0004] 因此,要保证微电网安全、可靠、经济地运行,实现微电网的推广和应用,就需要对 微电网供电管理问题进行研究。与负荷被动参与电网运行的传统电网供电管理相比,微电 网的供电管理更期望用户负荷主动参与电网的运行,实现对对电能的积极消费。但随着智 能用户数量的增加,用户时变的用电数量和随机的用电时间将给负荷端的能量分配带来扰 动。另一方面,微电网的供电端引入了大量可再生、节能环保的新能源,新能源的随机性也 给微电网的供电管理带来了扰动的影响。
[0005] 微电网既可以通过配电网与大型电力网并联运行,形成一个大型电网和小型电网 的联合运行系统,也可以独立地为当地负荷提供电力需求。在主电网正常状态下,微电网需 要长期稳定运行;在大电网故障时,微电网必须快速脱离主电网,进入并保持于孤岛运行, 待大电网故障排除后重新自动并网运行;当微电网出现故障点时,同样需要快速切除微电 网。由于微电网中的一些分布式电源,如风力发电和太阳能发电,受外界气候条件影响很 大,频率时常波动导致采样的误差,因此,如何稳定、可靠地实施微电网并网是目前迫切需 要解决的问题。
发明内容
[0006] 为解决上述问题,本发明提供一种微电网功率监控系统,该监控系统可以预测微 电网的光伏模块、风电模块的发电功率,预测负载的变化情况,并基于实时检测的蓄电池模 块的储能情况和实时获取的大电网的运行情况,来制定供电策略,使得微电网处于安全、经 济、令用户满意的运行状态之下。
[0007] 为了实现上述目的,本发明提供一种微电网功率监控系统,该监控系统包括:
[0008] 光伏发电监控模块,用于实时监控微电网中的光伏发电模块,并对光伏发电模块 的发电功率进行预测;
[0009] 风电监控模块,用于实时监控风电网中的风电模块,并对风电模块的发电功率进 行预测;
[0010] 蓄电池监控模块,用于实时监控微电网中的蓄电池模块;
[0011] 负载监控模块,用于实时监控微电网中的负载,并对负载的功率变化情况进行预 测;
[0012] 大电网联络模块,用于实时从大电网调控中心获知大电网的运行情况以及相关调 度息;
[0013] 断路器,用于连接或隔离微电网与大电网;
[0014] 并网监控模块,用于控制断路器连接或隔离微电网和大电网;
[0015] 中控模块,用于确定微电网的供电策略,并向上述各模块发出指令,以执行该供电 策略;
[0016] 总线模块,用于该监控系统的各个模块的通信联络。
[0017] 优选的,所述光伏发电监控模块、风电监控模块均包括检测单元、数据存储单元和 运算单元,可以实时获取微电网中光伏发电模块和风电模块的运行数据,并存储数据,可根 据现有微电网中光伏发电模块和风电模块的运行数据,对未来预定时刻内的微电网中的输 出功率进行预测。
[0018] 优选的,所述光伏发电监控模块的检测单元包括电压、电流检测设备和气象检测 单元,所述气象检测单元包括温度传感器、光照强度传感器。
[0019] 优选的,所述风电检测模块的检测单元包括风机电压电流检测设备和风速检测设 备。
[0020] 优选的,负载监控模块包括负载检测单元、数据存储单元和运算单元,可实时获取 负载的负荷变化情况,并可根据现有微电网中的负载的负荷变化情况,对负载的负荷需求 进行预测。
[0021] 优选的,所述蓄电池检测模块,包括蓄电池端电压、电流检测设备以及蓄电池温度 检测设备,可以实时检测获取蓄电池模块的储能充放容量。
[0022] 优选的,所述大电网联络模块,具有有线或无线通讯设备,用于获取大电网的调度 信息。
[0023] 优选的,所述中控模块CPU单元、数据存储单元和显示单元。
[0024] 优选的,并网监控模块至少包括用于检测大电网和微电网电压、电流和频率的检 测设备、数据采集单元和数据处理单元。
[0025] 本发明的监控系统具有如下优点:(1)准确预测微电网的功率变化情况;(2)供电 策略兼顾大电网调度要求、微电网运行情况和负载的负荷需求,满足用户同时,兼顾了供电 可靠性,同时提高了供电效益。
附图说明
[0026] 图1示出了本发明的一种微电网监控系统的框图;
[0027] 图2示出了本发明监控系统的监控方法的流程图。
具体实施方式
[0028] 图1是示出了本发明的一种微电网监控系统100,该系统100包括:光伏发电监控 模块104,用于实时监控微电网200中的光伏发电模块201,并对光伏发电模块201的发电 功率进行预测;风电监控模块105,用于实时监控风电网200中的风电模块202,并对风电 模块202的发电功率进行预测;蓄电池监控模块106,用于实时监控微电网200中的蓄电池 模块203 ;负载监控模块108,用于实时监控微电网200中的负载204,并对负载204的功率 变化情况进行预测;大电网联络模块102,用于实时从大电网300调控中心获知大电网300 的运行情况以及相关调度信息;断路器109,用于连接或隔离微电网200与大电网300 ;并 网监控模块103,用于控制断路器109连接或隔离微电网200和大电网300 ;中控模块107, 用于确定微电网200的供电策略,并向上述各模块发出指令,以执行该供电策略;总线模块 101,用于该监控系统的各个模块的通信联络。
[0029] 通信模块101,用于上述各个模块之间的通信,所述总线通信模块101通过冗余双 CAN总线与其他模块相连。
[0030] 光伏发电模块201至少包括电压、电流检测设备以及太阳光强度检测设备和温度 检测设备。风电监控模块105至少包括风力发电机定压、电流、频率检测设备,以及风速检 测设备。风力发电机的输出功率由风力发电机所在地点的风速、风向和自身特征所决定。
[0031] 基于实时气象数据的光伏发电、风机发电预测,需对温度、光照度、风速进行预测。 其中,温度预测可采用以下方法:
[0032] 样本中的温度数据 Tl[24]、T2[24]…Tm[24],ΛΤ1[23]、ΛΤ2[23]、ΛΤ3[23]、 ΛΤ4[23]、ΛΤ5[23];运行到t时刻监测的温度T[t],AT[t - 1];计算温度变化趋势的相 似度;对相似度进行归一化处理;对t时刻后温度进行预测,得到T[24 - t]:
[0033] 此外,对光照度、风速预测时,可按与温度预测类似的方法进行预测,然后利用光 伏模块和风机出力的数学模型对其输出功率进行预测。
[0034] 蓄电池监控模块106至少包括蓄电池端电压、电流检测设备以及温度检测设备。 用于实时监控蓄电池模块的充放电过程。通过调节蓄电池的充/放电来存储/补充富余/ 缺少的能量,蓄电池的能量流动可描述为,
[0035] 蓄电池的能量流动可描述为,
[0036] [Socref-Soc (k+1) ] = a [Socref-Soc (k) ] + η Es (k)
[0037] Socmin ^ Soc (k) ^ Socmax
[0038] 其中,Soc (k)为k时刻蓄电池的容量状态,SocMf是为保证储能电池工作的可靠性 而设置的一个设定值,Es(k)代表储能设备与其它电力设备间流动的电量,储能的物理损耗 系数a e (〇,1),η为蓄电池的充放电效率,充电效率记为η。、放电效率记为rid,且它们之 间满足以下关系:
[0039]
Figure CN104268806AD00051
[0040] 储能的充放电过程可以看作是一个同时包含连续变量和离散变量的动态过程,这 里采用混合逻辑动态模型处理方法,通过引入二进制变量S (k)来表示储能在当前时刻的 工作状态,
[0041] Z (k) = δ (k) Es (k)
[0042] Z(k)表示当前时刻储能充/放电的电量,则蓄电池的动态特性可描述为:
[0043] [Socref Soc (k+1) ] = a[Socref_Soc (k) ] + ( η c_ η d) Z (k) + η dEs (k)
[0044] 满足以下约束条件:Ei δ (k) +E2Z (k) < E3Es (k) +E4
[0045] 其中,系数矩阵Ep E2, E3和E4是在将逻辑命题转换为线性不等式时二进制变量和 连续变量要满足的线性不等式约束,可通过数学公式的推导得到。
[0046] 在将逻辑命题转换为线性不等式时二进制变量和连续变量过程中,要满足的线性 不等式约束 EJ (k)+E2Z(k) <E3Es(k)+E4,其中系数矩阵
[0047]
Figure CN104268806AD00061
[0048] 中控模块107至少包括CPU单元、数据存储单元和显示单元。
[0049] 大电网联络模块102至少包括无线通信设备。该无线通信设备可以为有线设备或 无线设备。
[0050] 并网监控模块103至少包括用于检测大电网和微电网电压、电流和频率的检测设 备、数据采集单元和数据处理单元。数据采集单元包含采集预处理和A/D转换模块,采集八 路遥测信号量,包含电网侧A相电压、电流,微电网侧的三相电压、电流。遥测量可通过终端 内的高精度电流和电压互感器将强交流电信号(5A/100V)不失真地转变为内部弱电信号, 经滤波处理后进入A/D芯片进行模数转换,经转换后的数字信号经数据处理单元计算,获 得微电网200侧的三相电压电流值和大电网300侧相电压电流值。本遥测信号量处理采用 了高速高密度同步采样、频率自动跟踪技术还有改进的FFT算法,所以精度得到充分保证, 能够完成微电网200侧有功、无功和电能从基波到高次谐波分量的测量和处理。
[0051] 参见附图2,本发明的方法包括如下步骤:
[0052] S1.光伏发电监控模块104、风电监控模块实105时获取微电网200中光伏发电模 块201和风电模块202的运行数据,并存储数据,负载监控模块108实时获取负载204的负 荷变化情况;
[0053] S2.根据现有微电网200中光伏发电模块201和风电模块202的运行数据,对未来 预定时刻内的微电网200中的输出功率进行预测,根据现有微电网200中的负载204的负 荷变化情况,对负载204的负荷需求进行预测;
[0054] S3.蓄电池监控模块106实时检测获取蓄电池模块203的储能充放容量,大电网联 络模块102实时检测大电网的调度信息;
[0055] S4.以大电网300的调度信息、当前蓄电池模块203储能的充放容量、未来微电网 中的输出功率以及对未来负荷需求的变化作为约束条件,建立微电网200供电管理的目标 函数;
[0056] S5.对上述供电管理目标函数进行优化,确定供电策略;
[0057] S6.执行上述供电策略。
[0058] 在步骤S5中,上述供电管理的目标函数按照如下步骤优化:利用基于混合整数二 次规划带约束的预测控制优化算法,以微电网200可控输出功率(包括光伏发电输出功率 和风电输出功率)、蓄电池模块203储能充放电量和充放电时间、对负载204负荷需求为操 作变量,以储能设备(蓄电池模块203)最优容量为设定值,以微电网200的能量供求误差 最低作为目标,在满足微电网200可控输出功率、蓄电池模块203储能的充放电和容量物理 约束条件下,调整微电网200可控输出功率、储能充放电量和充放电时间、以及对负载负荷 需求的调节作用,以达到微电网最小的目标函数值。
[0059] 在步骤S2中,对未来预定时刻内的微电网200中的输出功率进行预测,具体采用 如下方式实现,根据光照强度数据和温度数据预测光伏发电模块的功率输出,根据风速数 据预测风电模块的输出功率。
[0060] 在S2中,采用神经网络模型预测负荷需求,具体步骤如下:
[0061] S211.每一天采集12组有功功率和无功功率,共连续采集8天,这样共有96组数 据P(k)和 Q(k),k = 1,2,…,96。
[0062] S212.将96组数据P (k)和Q (k)进行归一化处理,使ίΙ
Figure CN104268806AD00071
Figure CN104268806AD00072
η = 1,2,…,96 ;首先将每一天的12个有功功率P (k)作为一组输入 矢量R(m), 12个无功功率Q(k)作为一组输入矢量S(m) ,m = 1,2,…,8,m表示神经网络的 训练次数;同时预先假设第9天的12个有功功率P' (k)作为预测功率的输出矢量R',第 9天的12个无功功率Q' (k)作为预测功率的输出矢量S';这样前8天的有功功率输入 矢量就为1?(1),以2),1?(3),1?(4),1?(5),1?(6),1?(7),1?(8),第9天预测有功功率的输出矢量 为R';前8天的无功功率输入矢量就为S (1),S (2),S (3),S (4),S (5),S (6),S (7),S (8),第 9天预测有功功率的输出矢量为S'。
[0063] S213.将8组输入矢量R(m)和S(m)作为神经网络的输入层,隐含层神经元的传递 函数采用S型正切函数tansig,输出层神经元的传递函数采用S型对数函数logsig,如图 2所示,这样经过8次神经网络训练后,就确定了神经网络中各连接权的权值。
[0064] S214.对于8个有功功率输入矢量R(m),在隐含层神经元有a1 = tan sigdWA+b1),其中a1为隐含层神经元输出,IW1为隐含层神经元的权值,b 1为隐含层神经元 的阈值;在输出层神经元有a2 = logsigOJ^akb2),其中a2为输出层神经元输出,IW2为输 出层神经元的权值,b 2为输出层神经元的阈值。
[0065] S215.对于8个有功功率输入矢量S (m),在隐含层神经元有c1 = tan sigawS+b1),其中C1为隐含层神经元输出,IW1为隐含层神经元的权值,b 1为隐含层神经元 的阈值;在输出层神经元有C2 = l〇gsig(LW2Cl+b2),其中C2为输出层神经元输出,IW 2为输 出层神经元的权值,b2为输出层神经元的阈值。
[0066] S216.将第8天的输入矢量R(8)和S (8)再次作为神经网络的输入层,此时神经网 络中输出的预测功率的输出矢量V和S'即为第九天的功率预测归一化值,再用反归一 化算法,即^+―,謂嶋k= 1,2,...,96,输出的矢量值和就是 第九天预测功率的12个有功功率P' (k)和12个无功功率Q' (k)。这样以此类推,可以 重复上面的步骤利用第二天到第九天的数据预测到第十天的功率,这样后面每一天的功率 都可以被预测出来。
[0067] 在步骤S4中,微电网总功率Pg的约束为:
[0068] 在非响应调度时段1下,Pg,min彡Pg(1)彡P g,max,Pg,min为微电网200能够从大电网 300吸收的最大功率,P &max为微电网200能够向大电网300输送功率的最大功率;
[0069] 在响应调度时段2下,Pg(2) = Psrt,Psrt为响应调度时段2下要求的联络线功率。
[0070] 在步骤S4中,微电网蓄电池模块203容量约束为:
[0071] S0Cmin 彡 S0C(T)彡 S0Cmax,SOC(T)为蓄电池模块 203 的实时荷电状态,S0Cmin、S0Cmax 分别为蓄电池模块203荷电状态的下限和上限;
[0072] Pbat,min(S0C)〈Pbat ⑴<Pbat,max(S0C),Pbat(T)为蓄电池模块 203 的实时储能功率, Pbat,min(S0C)、Pbat,max(S0C)分别为在当前荷电状态下蓄电池模块203储能功率的下限和上 限。
[0073] 在步骤S6中,在需要将微电网200接入大电网300时,采用如下方式接入:
[0074] S61.将具有基于频率跟踪技术的微电网并网监控模块103与并网点断路器109连 接在一起;
[0075] S62.微电网并网监控模块103通过测频单元采集大电网侧300和微电网侧200频 率,计算同期并网时两侧的频率差值以及周波的频率;
[0076] S63.微电网并网监控模块通103过包含其内的数据采集单元采集获得微电网侧 200的三相电压电流值和大电网侧300相电压电流值,并进行微电网200侧有功、无功和电 能从基波到高次谐波分量的测量处理;
[0077] S64.微电网并网监控模块103计算微电网和大电网侧的电压差值、相位差值、 频率差值,在同时满足频率差不大于同期频率差值F H〇MX、电压差不大于同期电压差动作值 UHQmax、同期角不大于同期角度差动作值AngH〇MXW条件下,接到并网合闸命令,进行并网合闸 处理。
[0078] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在 不脱离本发明构思的前提下,做出若干等同替代或明显变型,而且性能或用途相同,都应当 视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1. 一种微电网功率监控系统,其特征在于,该监控系统包括: 光伏发电监控模块,用于实时监控微电网中的光伏发电模块,并对光伏发电模块的发 电功率进行预测; 风电监控模块,用于实时监控风电网中的风电模块,并对风电模块的发电功率进行预 测; 蓄电池监控模块,用于实时监控微电网中的蓄电池模块; 负载监控模块,用于实时监控微电网中的负载,并对负载的功率变化情况进行预测; 大电网联络模块,用于实时从大电网调控中心获知大电网的运行情况以及相关调度信 息; 断路器,用于连接或隔离微电网与大电网; 并网监控模块,用于控制断路器连接或隔离微电网和大电网; 中控模块,用于确定微电网的供电策略,并向上述各模块发出指令,以执行该供电策 略; 总线模块,用于该监控系统的各个模块的通信联络。
2. 如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述光伏发电监控模块、风电监控模块均包 括检测单元、数据存储单元和运算单元,可以实时获取微电网中光伏发电模块和风电模块 的运行数据,并存储数据,可根据现有微电网中光伏发电模块和风电模块的运行数据,对未 来预定时刻内的微电网中的输出功率进行预测。
3. 如权利要求1或2所述的系统,其特征在于,所述光伏发电监控模块的检测单元包 括电压、电流检测设备和气象检测单元,所述气象检测单元包括温度传感器、光照强度传感 器。
4. 如权利要求3所述的系统,其特征在于,所述风电检测模块的检测单元包括风机电 压电流检测设备和风速检测设备。
5. 如权利要求4所述的系统,其特征在于,所述负载监控模块包括负载检测单元、数据 存储单元和运算单元,可实时获取负载的负荷变化情况,并可根据现有微电网中的负载的 负荷变化情况,对负载的负荷需求进行预测。
6. 如权利要求5所述的系统,其特征在于,所述蓄电池检测模块,包括蓄电池端电压、 电流检测设备以及蓄电池温度检测设备,可以实时检测获取蓄电池模块的储能充放容量。
7. 如权利要求6所述的系统,其特征在于,所述大电网联络模块,具有有线或无线通讯 设备,用于获取大电网的调度信息。
8. 如权利要求7所述的系统,其特征在于,所述中控模块CPU单元、数据存储单元和显 示单元。
9. 如权利要求7所述的系统,其特征在于,所述并网监控模块至少包括用于检测大电 网和微电网电压、电流和频率的检测设备、数据采集单元和数据处理单元。
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