CN104767283A - 一种小型能源发电微网监控方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种小型能源发电微网监控方法及装置，属于发电微网监控技术。所述的监控方法包括：运行管理层、监控层和现场控制层的三层结构，各层结构之间采用以太网通信方式通信连接；所述的监控装置的传感器分别通过光电隔离与信号转换输入到DSP的A/D接口；开关输入输出模块与DSP控制器的I/O接口连接；触摸屏输入输出模块与DSP控制器的输入端连接，显示内部各种参数信息；光电报警与状态显示接口模块采用LED光电显示系统的运行状态，当监控系统发生故障时发出故障报警；以太网接口模块与DSP控制器的输入端连接，完成与上两层的信息交换；RS232及RS485接口模块通过通用串行总线与兼容设备进行通信。优点：该系统实现微网的安全、稳定的运行，具有较好的研究意义和应用前景。

Description

一种小型能源发电微网监控方法及装置

技术领域

本发明涉及一种发电微网监控方法及装置，特别是一种小型能源发电微网监控方法及装置。

背景技术

随着世界经济的快速发展，能源消耗加剧，可供利用的煤炭、石油等一次性能源越来越少，而且在发电过程中都会对环境造成严重污染。为缓解能源危机、保护环境，新型可再生能源的发展成了世界能源发展的一个重要方向。以风能、太阳能为代表的可再生分布式发电系统最近十年得到了长足的进步，但新能源分布式发电具有周期性、间歇式和不稳定性的特点，直接连接电网具有较大的冲击性，成为了其大规模发展的障碍。将多种分布式电源、负荷、储能装置集成在一起组成微网是解决可再生分布式发电与电力系统矛盾的一个重要解决方案。它可以灵活地并网或孤岛运行，改善负荷的供电可靠性，提高再生分布式发电的电能质量，是国内外电气工程研究的热点。

现有的微网技术主要不足及需要发展的方向主要包括以下几个方面：

1、目前，国内的微网研究还主要处于理论阶段，成熟的微网示范工程较少，而相应的微网监控系统的研发也较少。各新能源分布式发电的厂商都有自己独立的一套控制系统，能将各种新能源分布式发电以及各种微网独立单元结合起来进行联合控制的成熟监控系统较少。

2、针对于小型微网系统，如社区、厂矿等小型单位的微网监控系统目前还很少。

3、对于微网方法及装置，目前的控制方法主要还是以一个核心控制器进行集中控制的方法较多，采用分布式控制的方法较少。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能够保持微网安全、稳定和高效运行的小型能源发电微网监控方法及装置。

为实现上述目的，本发明的小型能源发电微网监控方法：包括：运行管理层、监控层和现场控制层的三层结构，各层结构之间、采用以太网通信方式通信连接；

所述的运行管理层包括管理计算机、运行监控计算机、输出设备和外部网络，完成与上级电网的信息交换、确定微网的运行模式、综合归纳分析微网的运行参数、微网各部分单元的故障预测与报警、用户友好交互模式功能；

所述的监控层包括以DSP为主的主微网控制器，以及副微网控制器、数据服务器和交换机；实现对运行管理层的命令的分析与管理、对现场控制层的各单元运行模式的命令下达、对各单元监控数据的收集、判断与上传、对微网的网络通信的管理、对数据的备份与管理；

所述的现场控制层包括通用微网单元控制器，并以DSP为通用微网单元控制器，拥有AD数据采集、PWM斩波输出、大功率电力电子开关输出、继电器输入输出、以太网接口多种功能，实现对监控层命令的接收与处理、根据上级命令决定各单元自身的控制模式与方法、对各单元运行参数的采集与上传、对各单元自身运行的保护与故障报警、对上级无命令模式下的智能运行判断等。

其中：在监控层中，主微网控制器完成对整个微网的协调控制，接收上级电网的指令与控制要求，设定底层各微网控制目标、完成对微网母线的电压、电流、功率、频率、功率因素、负荷参数的实时监控，接收底层各微源的运行参数；以太网通信网络完成主微网控制器与各通用微网单元控制器之间的数据通信，以及各通用微网单元控制器之间的数据通信；现场控制层的通用微网单元控制器为独立的通用微网单元控制器，对不同的通用微网单元控制器进行独立控制，接收主微网控制器的指令，制定该通用微网单元控制器的控制方法与发送运行参数给主微网控制器功能。

所述的监控装置包括：DSP控制器、传感器模块、输入输出模块，PWM输出模块，触摸屏输入输出模块、光电报警与状态显示接口模块、以太网接口模块和RS232及RS485接口模块，该控制装置以DSP控制器为控制核心；

其中传感器模块包括电流传感器、电压传感器、功率传感器和频率传感器，所有的传感器分别通过光电隔离与信号转换输入到DSP的A/D接口；开关输入输出模块与DSP控制器的I/O接口连接，开关输入输出模块包括有继电器输入模块、继电器输出模块和大功率开关输出模块；触摸屏输入输出模块与DSP控制器的输入端连接，实现触摸屏输入输出模块的信息显示与控制输入，接收维护人员的控制命令，显示内部各种参数信息；光电报警与状态显示接口模块采用LED光电显示系统的运行状态，当监控装置发生故障时发出故障报警；以太网接口模块与DSP控制器的输入端连接，完成与上两层的信息交换；RS232及RS485接口模块通过通用串行总线与兼容设备进行通信。

有益效果，由于采用了上述方案，采用管理、监控与现场三层拓扑结构，每层之间采用以太网相连接，实现了管理、监控与现场控制相分离的模块化管理模式，每层设备的设计都采用模块化管理方式，实现“即插即用”功能。与现有技术相比，本发明提出的微网控制器的在结构上可以方便的进行微网单元的增减，通用微网单元控制器配置简单方便，分层的结构形式增加了系统的可靠性与稳定性，在微网部分故障的情况下不影响系统的运行，并能及时发出报警供运行人员参考排障。

本发明以光伏发电、风力发电、储能系统、小型柴油机发电等组成的小型微网系统作为控制对象，主要由运行管理层、监控层、现场控制层组成。采用管理计算机、运行监控计算机、系统监控服务器、外部网络连接等组成；管理计算机主要对整个微网的运行模式、控制方法进行统一规划；运行监控计算机主要完成微网系统的日常运行维护，包括管理计算机下达的任务、运行模式、控制方法、有功无功分配、各微源的功率分配、微网运行参数的监控、微网的继电保护、微网的孤岛运行控制等功能进行监控；系统监控服务器主要与下层的监控层相连，完成系统运行信息的采集、运行命令的下达等功能；外部网络连接通过外部网络与主网连接，主要完成整个微网与上级系统的信息交换。

采用DSP为主控制器，通过以太网完成与运行管理层和现场控制层的连接，监控层是整个微网控制器的核心。

采用DSP为通用微网单元控制器，拥有AD数据采集、PWM斩波输出、大功率电力电子开关输出、继电器输入输出、以太网接口等多种功能，可以根据不同的微网单元设定不同的功能。

优点：该监控方法及装置以小型微网为对象，为厂矿、社区等小型单位的新能源微网提供了一种性价比较高的监控方法及装置；采用分层与通用微网单元控制器相结合的拓扑结构，管理监控与微网各单元控制相分离，运行管理层负责下达命令与信息管理，通用微网控制单位独立完成控制，运行管理层的故障不会影响微网各单元的运行，同时微网各单元的故障也不会影响到整个微网的运行，微网控制器采用主副结构，有效提高了系统的可靠性；采用以太网通信网络，有效提高了系统的响应速度，使得先进的控制策略得以实施；通用微网单元控制器功能多、数据采集速度快，可以满足不同微网单元的控制。

附图说明：

图1为本发明的小型微网用新能源发电监控装置结构图。

图2为本发明的各层控制功能图。

图3为本发明的通用微网单元控制器的结构图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1：本发明的小型能源发电微网监控方法及装置；

所述的监控方法包括：运行管理层、监控层和现场控制层的三层结构，各层结构之间、采用以太网通信方式通信连接；

所述的运行管理层包括管理计算机、运行监控计算机、输出设备和外部网络，完成与上级电网的信息交换、确定微网的运行模式、综合归纳分析微网的运行参数、微网各部分单元的故障预测与报警、用户友好交互模式功能；

所述的监控层包括以DSP为主的主微网控制器，以及副微网控制器、数据服务器和交换机；实现对运行管理层的命令的分析与管理、对现场控制层的各单元运行模式的命令下达、对各单元监控数据的收集、判断与上传、对微网的网络通信的管理、对数据的备份与管理；

所述的现场控制层包括通用微网单元控制器，并以DSP为通用微网单元控制器，拥有AD数据采集、PWM斩波输出、大功率电力电子开关输出、继电器输入输出、以太网接口多种功能，实现对监控层命令的接收与处理、根据上级命令决定各单元自身的控制模式与方法、对各单元运行参数的采集与上传、对各单元自身运行的保护与故障报警、对上级无命令模式下的智能运行判断等。

其中：在监控层中，主微网控制器完成对整个微网的协调控制，接收上级电网的指令与控制要求，设定底层各微网控制目标、完成对微网母线的电压、电流、功率、频率、功率因素、负荷参数的实时监控，接收底层各微源的运行参数；以太网通信网络完成主微网控制器与各通用微网单元控制器之间的数据通信，以及各通用微网单元控制器之间的数据通信；现场控制层的通用微网单元控制器为独立的通用微网单元控制器，对不同的通用微网单元控制器进行独立控制，接收主微网控制器的指令，制定该通用微网单元控制器的控制方法与发送运行参数给主微网控制器功能。

所述的监控装置包括：DSP控制器、传感器模块、输入输出模块，PWM输出模块，触摸屏输入输出模块、光电报警与状态显示接口模块、以太网接口模块和RS232及RS485接口模块，该控制装置以DSP控制器为控制核心；

其中传感器模块包括电流传感器、电压传感器、功率传感器和频率传感器，所有的传感器分别通过光电隔离与信号转换输入到DSP的A/D接口；输入输出模块与DSP控制器的I/O接口连接，输入输出模块包括有继电器输入模块、继电器输出模块和大功率开关输出模块；触摸屏输入输出模块与DSP控制器的输入端连接，实现触摸屏输入输出模块的信息显示与控制输入，接收维护人员的控制命令，显示内部各种参数信息；光电报警与状态显示接口模块采用LED光电显示系统的运行状态，当监控系统发生故障时发出故障报警；以太网接口模块与DSP控制器的输入端连接，完成与上两层的信息交换；RS232及RS485接口模块通过通用串行总线与兼容设备进行通信。

具体的：

如图1所示，是小型微网用新能源发电监控装置结构图，由运行管理层、监控层和现场控制层三层结构组成。运行管理层由管理计算机、运行监控计算机、输出设备即打印机组成。管理计算机对整个微网的运行进行总体规划与目标制定；运行监控计算机对微网的日常运行情况进行监控，根据管理计算机的命令进行日常的管理监控，对主微网控制器下达微网的整体运行目标，采集主微网控制器的各项数据，生成各种日常报表；打印机完成各项数据的输出。监控层由主副微网控制器、微网数据服务器和交换机等组成。主微网控制器完成对现场控制层的运行状态管理与数据采集，根据上级运行管理层的命令，对下级各现场单元控制器下达运行目标与要求，对下级各单元的数据进行汇总分析，并上传至运行监控计算机。现场控制层接受主微网控制器的运行命令，根据现场单元运行状态给出相应的运行命令，对现场单元的运行状态进行监控并将数据上传至主微网控制器。三层结构之间通过以太网进行数据连接，可以设计成多路以太网结构，增加系统的可靠性。主微网控制器采用主、副两套系统结构，正常运行时，副微网控制器一直跟踪主微网控制器的运行。当主微网控制器出现故障或者问题时，可以无缝切换到副微网控制器，实现微网的无故障运行，同时通过运行监控计算机进行报警，以及时排除故障。

如图2所示，是各层控制功能图，运行管理层根据上级电网调度命令，对整个微网设定相应的发电目标、对负荷情况进行预测、对微网的经济运行进行调度、对各单元的功率进行匹配；监控层主要完成微网底层各发电单元的发电目标制定，各单元的有功无功分配、各单元的发电效率管理、各单元运行状态的监控；现场控制层完成具体发电单元的控制策略制定、运行状态监控与数据采集、故障的预测与处理、数据汇总与传输等功能。

如图3所示，是通用微网单元控制器的结构图，该模块以DSP控制器为控制核心，包括传感器输入模块、输入输出模块，PWM输出模块，触摸屏输入输出模块、光电报警与状态显示接口模块、以太网接口模块、RS232及RS485接口模块；

其中传感器模块包括电流传感器、电压传感器、功率传感器、频率传感器等各种传感器，通过光电隔离与信号转换输入到DSP的A/D接口；输入输出模块与DSP控制器的I/O接口连接，输入输出模块包括有继电器输入模块、继电器输出模块、大功率开关输出模块等；触摸屏输入输出模块实现整个模块的信息显示与控制输入，接收维护人员的控制命令，显示内部各种参数信息；光电报警与状态显示接口模块主要采用LED光电显示系统的运行状态，如果有故障发出故障报警；以太网模块完成与上两层的信息交换；RS232及RS485接口模块通过通用串行总线与兼容设备进行通信。

与现有的微网控制相比，本发明具有以下特点：

(1)采用分级模块化的方法，将微网分成三层结构，各层之间通过高速以太网连接，各层功能明确、责权分明，可以方便的实现基于多代理的智能控制方法，系统各部件更换方便，通用微网单元控制器实现即插即用功能。

(2)采用冗余设计，通信网络采用多路设计，主控制器采用主副机构，各层单元之间采用故障诊断与预测，充分考虑系统的易出故障点并进行相应的设计，提高了系统的可靠性。

(3)采用DSP高性能控制器完成通用微网单元控制器的设计，输入输出接口丰富，实习功能较多，可以方便的完成各种微网单元的控制与监测。

Claims (2)

1.一种小型能源发电微网监控方法，其特征是：监控方法包括：运行管理层、监控层和现场控制层的三层结构，各层结构之间、采用以太网通信方式通信连接；

所述的运行管理层包括管理计算机、运行监控计算机、输出设备和外部网络，完成与上级电网的信息交换、确定微网的运行模式、综合归纳分析微网的运行参数、微网各部分单元的故障预测与报警、用户友好交互模式功能；

所述的监控层包括以DSP为主的主微网控制器，以及副微网控制器、数据服务器和交换机；实现对运行管理层的命令的分析与管理、对现场控制层的各单元运行模式的命令下达、对各单元监控数据的收集、判断与上传、对微网的网络通信的管理、对数据的备份与管理；

所述的现场控制层包括通用微网单元控制器，并以DSP为通用微网单元控制器，拥有AD数据采集、PWM斩波输出、大功率电力电子开关输出、继电器输入输出、以太网接口多种功能，实现对监控层命令的接收与处理、根据上级命令决定各单元自身的控制模式与方法、对各单元运行参数的采集与上传、对各单元自身运行的保护与故障报警、对上级无命令模式下的智能运行判断等。

其中：在监控层中，主微网控制器完成对整个微网的协调控制，接收上级电网的指令与控制要求，设定底层各微网控制目标、完成对微网母线的电压、电流、功率、频率、功率因素、负荷参数的实时监控，接收底层各微源的运行参数；以太网通信网络完成主微网控制器与各通用微网单元控制器之间的数据通信，以及各通用微网单元控制器之间的数据通信；现场控制层的通用微网单元控制器为独立的通用微网单元控制器，对不同的通用微网单元控制器进行独立控制，接收主微网控制器的指令，制定该通用微网单元控制器的控制方法与发送运行参数给主微网控制器功能。

2.一种实现权利要求1所述方法的小型能源发电微网监控装置，其特征是：装置包括：DSP控制器、传感器模块、输入输出模块，PWM输出模块，触摸屏输入输出模块、光电报警与状态显示接口模块、以太网接口模块和RS232及RS485接口模块，该控制装置以DSP控制器为控制核心；

其中传感器模块包括电流传感器、电压传感器、功率传感器和频率传感器，所有的传感器分别通过光电隔离与信号转换输入到DSP的A/D接口；开关输入输出模块与DSP控制器的I/O接口连接，开关输入输出模块包括有继电器输入模块、继电器输出模块和大功率开关输出模块；触摸屏输入输出模块与DSP控制器的输入端连接，实现触摸屏输入输出模块的信息显示与控制输入，接收维护人员的控制命令，显示内部各种参数信息；光电报警与状态显示接口模块采用LED光电显示系统的运行状态，当监控装置发生故障时发出故障报警；以太网接口模块与DSP控制器的输入端连接，完成与上两层的信息交换；RS232及RS485接口模块通过通用串行总线与兼容设备进行通信。