CN104270413B - 一种分布式微电网调度的通讯系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式微电网调度的通信系统，其包括位于顶层的调度控制中心层、以及位于中间层的微电网管理层和位于底层的微电网元件层；所述电网调度中心与配电网以及至少一微电网单元通过以太网进行通讯；微电网管理层设置站内局域网，以实现微电网管理层站内设备之间的通讯，所述站内设备包括数据库服务器、调度服务器、工作站、通讯服务器以及通讯前置机，所述站内局域网通过以太网与调度控制中心层进行通讯；微电网元件为微型电源或储能设备或负载设备；微电网管理层以及与其对应通讯的微电网元件层构成一个微电网单元。本发明还公开了一种分布式微电网调度的通信方法。本发明通过通讯前置机以兼容不同通讯接口的微电网元件。
Description
技术领域
本发明涉及分布式可再生能源发电领域，特别涉及一种分布式微电网调度的通讯系统及方法。
背景技术
近年来，太阳能、风能、生物质能等清洁可再生能源发电技术基本成熟，采用分布式发电技术可以提高发电效率和供电可靠性，可以因地制宜向用户提供绿色电力，实现在用户侧“就近发电就近使用”，促进其规模化应用。
分布式微型电网技术(简称“微电网”或“微网”)是智能电网技术的重要组成部分，也是提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，更是解决可再生能源发电不稳定性、实现规模化利用的重要技术手段。微电网技术可以将多种分布式电源、储能、负荷按最优化方式有效管理起来，实现高效、可靠、经济运行，提高能源综合利用效率。
微电网调度控制系统是微电网的核心，它对整个微电网系统的运行状态进行监控，并根据系统控制策略对微电网构成元件进行控制和管理。
继模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、分布式控制系统后，基于各种现场总线标准的分布式测量和控制系统得到了广泛的应用。但系统所采用的控制总线网络多种多样，各种总线标准都有自己规定的协议格式，相互之间不兼容，不利于系统的设计、维护、扩展。
因此，有必要构建一种通讯网络，以适应微电网中不同微网元件的数据交换，满足微网控制策略的不同时间尺度要求；能够兼容各种通讯方式，对各种通讯协议格式做到自解析，满足分布式微电网调度控制系统复杂通讯的要求，使各种微电网元件在通讯层面做到互联互通、即插即用。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种分布式微电网调度的通讯系统，其能够有效满足分布式微电网调度控制系统复杂通讯的要求，具有较高的可靠性和可扩展性。
一种分布式微电网调度的通讯系统，其包括：
调度控制中心层，位于该分布式微电网调度的通讯系统的顶层，所述调度控制中心层包括用于配电网管理和运行控制的电网调度中心，所述电网调度中心与配电网以及至少一微电网单元通过以太网进行通讯，以实现配电网根据经济运行规则制定的运行计划通过该电网调度中心对微电网单元的工作模式和运行参数进行控制；
微电网管理层，位于该分布式微电网调度的通讯系统的中间层，用于根据用电单位的生产生活情况，对该用电单位的负荷实行分级管理，划分敏感负荷和一般负荷，同时对配备的各个微型电源进行管理，对微型电源的供电能力进行实时预测和评估，以应对上层调度的要求；所述微电网管理层设置站内局域网，以实现微电网管理层站内设备之间的通讯，所述站内设备包括数据库服务器、调度服务器、工作站、通讯服务器以及通讯前置机，所述站内局域网通过以太网与调度控制中心层进行通讯，所述站内局域网还通过防火墙与用电单位网相连，以获取用电单位的生产生活信息；
微电网元件层，位于该分布式微电网调度的通讯系统的底层，所述微电网元件层由多个微电网元件组成，所述微电网元件为微型电源或储能设备或负载设备，所述微电网元件通过以太网通讯接口与所述站内局域网直接连接，或者通过通信网络与通讯前置机相连，以实现微电网元件层与微电网管理层之间的通讯；
微电网管理层以及与其对应通讯的微电网元件层构成一个微电网单元。
配电网并不对微电网元件控制，而是微电网管理层进行控制，再由微电网管理层对微电网元件进行调度控制。
所述站内局域网为单机单网结构，所述单机单网结构包括一个数据库服务器、一个调度服务器、一个通讯服务器、至少一个工作站以及至少一个通讯前置机，所述数据库服务器、调度服务器、通讯服务器、工作站以及通讯前置机均连接至所述站内局域网。
所述站内局域网为双机双网结构，所述双机双网结构包括二个数据库服务器、二个调度服务器、二个通讯服务器、至少一个工作站以及至少一个通讯前置机，所述数据库服务器、调度服务器、通讯服务器、工作站以及通讯前置机均与所述站内局域网的双网分别连接。
所述通讯网络为有线网络和无线网络，所述有线网络为双绞线或同轴电缆，所述无线网络为GPRS、CDMA、无线局域网中的任一种。
所述调度控制中心层和微电网管理层的通讯时间尺度分别为小时级、分钟级，所述微电网元件层的通讯时间尺度为秒级或毫秒级。
对于微电网元件层中通讯时间尺度为毫秒级的微电网元件，依据EC61850标准，对通讯时间尺度为毫秒级的微电网元件进行建模，并采用GOOSE服务，构建了快速通讯网络。
所述微型电源包括风力发电机、太阳能电池、燃气发电机、燃油发电机和生物质发电中的其中一种或多种。
所述通讯服务器中存储有各种微网设备的通讯协议库，以兼容各种微电网元件的协议格式。
本发明的另一目的在于提供一种根据上述分布式微电网调度通讯系统进行微电网调度的通讯方法，其能够有效满足分布式微电网调度控制系统复杂通讯的要求，具有较高的可靠性和可扩展性。
一种根据上述分布式微电网调度的通讯系统进行通讯的方法，其包括以下步骤：
步骤1、通讯服务器接收调度指令，将所述调度指令根据相应微电网元件的协议格式重新组织，形成调度数据报文后，转发至通讯前置机；
步骤2、通讯前置机通过剥离所述调度数据报文的内部协议报文内容对所述调度指令进行解包，并下发至该相应微电网元件；
步骤3、微电网元件收到解包后的调度指令后，结合自身的运行策略予以执行，并将结果反馈至通讯前置机；
步骤4、通讯前置机将所述结果按照内部通讯协议格式组帧，形成反馈数据报文，并发送至通讯服务器，由通讯服务器根据相应微电网元件的协议格式自动解析该反馈数据报文，形成解包后的反馈数据报文。
所述调度指令通过手动调度或自动调度两种方式发起，其中，当采用手动调度时，调度指令由调度员通过工作站发起，通过内部协议发送至通讯服务器，所述解包后的反馈数据报文通知给工作站，最终反馈给调度员；当采用自动调度时，调度指令由调度服务器根据电网调度中心下发的微电网调度策略形成，并通过内部协议发送至通讯服务器，所述解包后的反馈数据报文通知给调度服务器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过以太网、局域网以及通讯前置机和微电网元件之间的通讯网络使微电网元件层和微电网管理层以及调度控制中心层之间实现相互通讯，实现分布式微电网的自动调度控制或手动调度控制。
2、本发明针对不同微网控制层通讯的不同时间尺度要求，构建不同的通讯网络。
3、本发明通过部署通讯前置机以兼容不同通讯接口的微电网元件，使各种微电网元件在通讯层面做到互联互通、即插即用，具有较高的可靠性和可扩展性。
4、本发明开发一个部署在通讯服务器的面向各种微网设备的通讯协议库，以在不同层、不同设备之间传递信息，它能够兼容各种微电网元件的协议格式，自动解析通讯前置机转发来的数据报文，也可以根据调度服务器下发数据重新组织数据报文，以使微电网元件能够识别，满足分布式微电网调度控制系统复杂通讯的要求。
附图说明
图1为分布式微电网调度的通讯系统的结构示意图；
图2为站内局域网采用单机单网的结构图；
图3为站内局域网采用双机双网的结构图；
图4为微电网元件与通讯前置机进行通讯的结构图一；
图5为微电网元件与通讯前置机进行通讯的结构图二；
图6为微电网元件与通讯前置机进行通讯的结构图三；
图7为微电网元件与通讯前置机进行通讯的结构图四；
图8为系统内部通讯协议通讯流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例
就整体而言，微网控制策略有对等控制、主从控制和分层控制三种。依据分布式微电网调度控制策略要求，本发明设计了一种三层控制结构，并对各层控制的时间尺度进行划分，据此分别对各层通讯网络进行设计。如图1所示，分布式微电网调度的通讯系统首先采用的三层架构分别为位于最顶层的调度控制中心层、位于中间层的微电网管理层以及位于最底层的微电网元件层。
调度控制中心层为区域(如地市级)分布式微电网调度控制中心，实现本区域内所有微电网分站系统的运行监测和协调控制，并协调与传统大电网的运行。将调度控制中心层设在大电网的地、县调度中心，通过光纤以太网与微电网管理层进行通讯。调度控制中心层是由电网调度中心来控制，主要起配电网管理和经济运行控制作用。该层除与配电网相连外，还与一个或多个微电网相连。电网可以根据经济运行规则，制定运行计划，控制微电网的工作模式和运行参数。调度的周期往往数小时甚至更长，因此通讯的时间尺度要求为小时级。所述调度控制中心层与微电网管理层一般相距较远，且通讯的时间尺度要求为小时级，因此可以采用1000M光纤以太网来实现它们之间的通讯。
微电网管理层首先需要根据企业的生产生活情况，对企业负荷实行分级管理，划分敏感负荷和一般负荷。微电网管理层还需要对配备的各个微型电源进行管理，对微源的供电能力(出力)进行实时预测和评估，以应对上层调度的要求。因此通讯的时间尺度要求为分钟级。在微电网管理层设置站内局域网，以实现微电网管理设备之间的通讯，这些站内设备包括：数据库服务器、调度服务器、调度工作站等，尤其包括与下层微电网元件层设备通讯的通讯服务器和通讯前置机。这个局域网还通过防火墙与企业网相连，以获取企业生产信息。这个局域网可以是单机单网结构，也可以是双机双网结构，以达到更高的可靠性。单机单网、双机双网结构分别如图2、图3所示。由于微电网元件的多样性，决定了微电网管理层与微电网元件层之间的通讯网络多样性。既可以是有线通讯，也可以是无线通讯。有线通讯方式一般为双绞线、同轴电缆，无线通讯方式一般为GPRS/CDMA、无线局域网(WLAN)。这种多样性更在于微电网元件通讯协议的千差万别，元件种类不同、生产厂商不同都会使通讯协议不同。因此要部署多台通讯前置机以兼容不同通讯接口的微电网元件，如TCP/IP、CAN总线、RS485、RS232、GPRS/CDMA、WLAN等，不同通讯方式与通讯前置机通讯结构如图4-7所示，其中，图4-7分别示出了微电网元件与通讯前置机通过RS485总线、CAN总线、以及GPRS/CDMA和WLAN进行通讯的结构。本发明的方案是一方面部署多台通讯前置机以兼容不同通讯接口的微电网元件，另一方面设计一套高效高兼容性的内部通讯协议，以在不同层、不同设备之间传递信息，即开发一个面向各种微网设备的通讯协议库，为了方便管理，将其部署在通讯服务器上。它能够兼容各种微电网元件的协议格式，自动解析通讯前置机转发来的数据报文，也可以根据调度服务器下发数据重新组织数据报文，以使下层微电网设备能够识别。
微电网元件层既包括风力发电机、太阳能电池、燃气发电机、燃油发电机、生物质发电等微型电源(简称微源)，也包括各种储能设备和负载设备，还包括这些微源、储能、负载等设备的管理控制装置(如逆变器、充放电控制器、智能电表等)。对这些设备状态和运行参数的通讯的时间尺度正常为秒级。当电网的突发故障时，如电网的故障或微电网内部故障，微电网必须从电网脱开，进入离网运行模式。这时需要微网控制元件快速响应，因此通讯的时间尺度要求为毫秒级。
为了应对部分微网元件毫秒级通讯要求，本发明依据IEC61850标准，对部分微网元件进行建模，并采用GOOSE服务，构建了一个快速通讯网络。GOOSE是一种快速报文传输机制，它代替了设备之间硬接线的通信方式，大大简化了二次电缆的连线。GOOSE报文采用与基本编码规则相关的ASN.1语法编译后，不经过TCP/IP协议，直接在以太网链路层上传输，并采用心跳报文和变位报文快速重发相结合机制，它采用了多路广播应用关联无确认服务，跳过传输层和网络层，可达到毫秒级。
在微网元件层包含两个DG，分别为主DG和备用DG，它们可以设定为U/f(孤岛方式下的运行方式，主要是为微电网在孤岛运行时提供强有力的电压和频率支撑，并确保满足负荷功率的跟随特性。通过设定系统参考电压(U)和频率(f)，并实时检测逆变器输出端口电压和频率，然后通过PI调节，实现恒压、恒频控制)、P/Q(微电网在并网运行状态下的一种控制方式，其控制目的是使微型电源输出的有功功率(P)和无功功率(Q)实时跟踪器参考信号，各微型电源不参与频率和电压调节，由大电网提供频率和电压支撑)两种运行模式。当然，简单的微网系统中也可以只有一个主DG。各DG运行模式由微电网模式控制器控制，PCC点开关也由模式控制器控制，这些设备满足IEC61850标准。本发明实施例中，示出的微电网系统包括一个光伏DG(distributed generation分布式发电)、一个风力DG、一个蓄电池DG、一个柴油发电机DG及相关负荷。为了满足微电网敏感负荷在电网故障时供电的需要，设定蓄电池DG作为U/f控制主DG，柴油机DG作为备用DG。下面结合分布式微电网调度控制策略说明系统的通讯过程。
在电网正常情况下，微电网与电网并网运行，调度中心依据经济运行规则，制定运行计划，设定微电网的运行参数。微电网管理层实时监测各微网元件运行状态和参数，将所有DG均设定为P/Q控制，并实时控制各微网元件的运行。当微电网模式控制器监测到电网故障或微电网内部故障时，迅速将PCC(point of common coupling公共连接点)点开关断开，迅速将主DG设定为U/f控制(如果主DG发生故障，则将备用DG设定为U/f控制)，断开其他DG及一般负荷，由主DG为整个微电网提供电压、频率支撑，进入孤岛运行状态。待系统运行正常后，再将其他DG并网运行，并运行一般负荷投入。当电网故障或微电网内部故障消除后，微电网模式控制器监测微电网运行的电压、频率参数，如达到并网运行条件才将PCC点开关闭合，进入并网运行状态。
依据系统通讯网络架构特点，系统内部通讯协议物理层采用TCP/IP协议，应用层报文仅包括报文头和报文体。因为TCP/IP通讯具有较高的可靠性，无须增加额外的校验码和结束码校验报文的正确性和完整性。报文头包含两个重要的信息，为源进程地址和目的进程地址。源进程地址标明该报文来源设备的程序进程，目的进程地址则标明该报文发向设备的程序进程。接收到该报文的设备进程将依据这两个信息判断是否处理、如何处理、如何回应。报文体则为真正转发的微电网元件通讯报文。
系统内部通讯协议报文有上行回应报文和下行请求报文两种，以下以调度指令的下发、执行和回应为例来说明该协议的通讯流程，如图5所示。系统调度有手动调度和自动调度两种方式，手动调度由调度员通过调度工作站发起调度指令，通过内部协议转发至通讯服务器，再由通讯服务器转发至通讯前置机。自动调度则直接由调度服务器根据微网调度策略，形成调度指令，下发至通讯服务器，再由通讯服务器转发至通讯前置机。手动和自动调度指令最后都由通讯前置机剥离内部协议报文内容后形成对应微网元件通讯协议下发至微网元件。微网元件收到调度指令后，结合自身的运行策略予以执行，并将结果反馈给通讯前置机。再由通讯前置机重新按照内部通讯协议格式组帧后发送至通讯服务器，如为手动调度指令，则将结果通知给调度工作站，最终反馈给操作员；如为自动调度指令，则将结果通知给调度服务器。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种分布式微电网调度的通讯系统，其特征在于，其包括：
调度控制中心层，位于该分布式微电网调度的通讯系统的顶层，所述调度控制中心层包括用于配电网管理和运行控制的电网调度中心，所述电网调度中心与配电网以及至少一微电网单元通过以太网进行通讯，以实现配电网根据经济运行规则制定的运行计划通过该电网调度中心对微电网单元的工作模式和运行参数进行控制；
微电网管理层，位于该分布式微电网调度的通讯系统的中间层，用于根据用电单位的生产生活情况，对该用电单位的负荷实行分级管理，划分敏感负荷和一般负荷，同时对配备的各个微型电源进行管理，对微型电源的供电能力进行实时预测和评估，以应对上层调度的要求；所述微电网管理层设置站内局域网，以实现微电网管理层站内设备之间的通讯，所述站内设备包括数据库服务器、调度服务器、工作站、通讯服务器以及通讯前置机，所述站内局域网通过以太网与调度控制中心层进行通讯，所述站内局域网还通过防火墙与用电单位网相连，以获取用电单位的生产生活信息；
微电网元件层，位于该分布式微电网调度的通讯系统的底层，所述微电网元件层由多个微电网元件组成，所述微电网元件为微型电源或储能设备或负载设备，所述微电网元件通过以太网通讯接口与所述站内局域网直接连接，或者通过通讯网络与通讯前置机相连，以实现微电网元件层与微电网管理层之间的通讯；
微电网管理层以及与其对应通讯的微电网元件层构成一个微电网单元。
2.根据权利要求1所述的分布式微电网调度的通讯系统，其特征在于，所述站内局域网为单机单网结构，所述单机单网结构包括一个数据库服务器、一个调度服务器、一个通讯服务器、至少一个工作站以及至少一个通讯前置机，所述数据库服务器、调度服务器、通讯服务器、工作站以及通讯前置机均连接至所述站内局域网。
3.根据权利要求1所述的分布式微电网调度的通讯系统，其特征在于，所述站内局域网为双机双网结构，所述双机双网结构包括二个数据库服务器、二个调度服务器、二个通讯服务器、至少一个工作站以及至少一个通讯前置机，所述数据库服务器、调度服务器、通讯服务器、工作站以及通讯前置机均与所述站内局域网的双网分别连接。
4.根据权利要求1所述的分布式微电网调度的通讯系统，其特征在于，所述通讯网络为有线网络和无线网络，所述有线网络为双绞线或同轴电缆，所述无线网络为GPRS、CDMA、无线局域网中的任一种。
5.根据权利要求1所述的分布式微电网调度的通讯系统，其特征在于，所述调度控制中心层和微电网管理层的通讯时间尺度分别为小时级和分钟级，所述微电网元件层的通讯时间尺度为秒级或毫秒级。
6.根据权利要求5所述的分布式微电网调度的通讯系统，其特征在于，对于微电网元件层中通讯时间尺度为毫秒级的微电网元件，依据EC61850标准，对通讯时间尺度为毫秒级的微电网元件进行建模，并采用GOOSE服务，构建了快速通讯网络。
7.根据权利要求1所述的分布式微电网调度的通讯系统，其特征在于，所述微型电源包括风力发电机、太阳能电池、燃气发电机、燃油发电机和生物质发电中的其中一种或多种。
8.根据权利要求7所述的分布式微电网调度的通讯系统，其特征在于，所述通讯服务器中存储有各种微网设备的通讯协议库，以兼容各种微电网元件的协议格式。
9.根据权利要求1-8任一项所述的分布式微电网调度的通讯系统进行通讯的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤1、通讯服务器接收调度指令，将所述调度指令根据相应微电网元件的协议格式重新组织，形成调度数据报文后，转发至通讯前置机；
步骤2、通讯前置机通过剥离所述调度数据报文的内部协议报文内容对所述调度指令进行解包，并下发至该相应微电网元件；
步骤3、微电网元件收到解包后的调度指令后，结合自身的运行策略予以执行，并将结果反馈至通讯前置机；
步骤4、通讯前置机将所述结果按照内部通讯协议格式组帧，形成反馈数据报文，并发送至通讯服务器，由通讯服务器根据相应微电网元件的协议格式自动解析该反馈数据报文，形成解包后的反馈数据报文。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述调度指令通过手动调度或自动调度两种方式发起，其中，当采用手动调度时，调度指令由调度员通过工作站发起，通过内部协议发送至通讯服务器，所述解包后的反馈数据报文通知给工作站，最终反馈给调度员；当采用自动调度时，调度指令由调度服务器根据电网调度中心下发的微电网调度策略形成，并通过内部协议发送至通讯服务器，所述解包后的反馈数据报文通知给调度服务器。
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