CN105322569A - 一种配电网光伏发电设备协调同步装置及协调同步方法 - Google Patents

Abstract

一种配电网光伏发电设备协调同步装置及协调同步方法属于配电网技术领域，特别涉及一种配电网光伏发电设备协调同步装置及协调同步方法。本发明提供一种数据采集准确、速度快的配电网光伏发电设备协调同步装置及协调同步方法。本发明配电网光伏发电设备协调同步装置包括发电设备终端和调度中心端；所述的发电设备终端包括传感器、A/D模数转换器、DSP微处理器、FPGA数据计算芯片和4G通信模块，所述调度中心端包括工控机和4G通信模块，所述传感器的输出端与A/D模数转换器输入端相连，A/D模数转换器的输出端与DSP微处理器的输入端相连，DSP微处理器的输出端与FPGA数据计算芯片的输入端相连。

Description

一种配电网光伏发电设备协调同步装置及协调同步方法

技术领域

本发明属于配电网技术领域，特别涉及一种配电网光伏发电设备协调同步装置及协调同步方法。

背景技术

光伏发电是一个复杂的系统，如何根据光伏设备的运行特点进行协调调度，使现有工程发挥最大效益，越来越受到重视，以往光伏发电调度的特点是忽略光伏发电设备间的协调控制过程，由调度运行人员凭借主观判断控制决策配电网内各个光伏发电的运行，因此，对配电网内各光伏设备的电气参数及气象环境参数进行实时监测，并根据监测参数对光伏发电设备间出力协调比例进行计算，根据计算结果实时地对光伏设备输出功率进行控制，能够有效避免各个光伏发电设备间的功率分配不合理现象，显著提高电力系统可靠性和经济性。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种数据采集准确、速度快的配电网光伏发电设备协调同步装置及协调同步方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明配电网光伏发电设备协调同步装置包括发电设备终端和调度中心端；所述的发电设备终端包括传感器、A/D模数转换器、DSP微处理器、FPGA数据计算芯片和4G通信模块，所述调度中心端包括工控机和4G通信模块，所述传感器的输出端与A/D模数转换器输入端相连，A/D模数转换器的输出端与DSP微处理器的输入端相连，DSP微处理器的输出端与FPGA数据计算芯片的输入端相连，FPGA数据计算芯片的输出端与发电设备的控制单元和4G通信模块的输入端相连，发电设备的控制单元与人机交互信息显示单元相连；

所述传感器包括电流互感器、电压互感器、功率变送器、温度传感器、湿度传感器，电流互感器输出端口、电压互感器输出端口、功率变送器输出端口、温度传感器输出端口、湿度传感器输出端口分别与A/D模数转换器的输入端口相连。

作为另一种优选方案，本发明所述传感器选用DHC03B型电流互感器、DH51D6V0.4B型电压互感器、SSETCE-C03型功率变送器、HE-200红外温度传感器和STYB3100111A50型湿度传感器。

作为另一种优选方案，本发明所述A/D模数转换器采用TLC2543串行A/D转换器，4G通信传输单元采用ME3760型号的LTE模块，DSP微处理器选用TMS320F2812芯片，FPGA数据计算芯片选用EPM7064SLC44芯片，发电设备的控制单元采用51单片机ST89C51芯片，人机交互信息显示模块为HG1286402C型号的液晶显示模块；

电流互感器、电压互感器、功率变送器、湿度传感器、湿度传感器输出端分别经过信号转换电路后连接到A/D转换器TLC2543的输入端AIN0-AIN4，A/D转换器TLC2543的输出端EOC、I/O、IN、OUT、CS分别连接到DSP芯片TMS320F2812的XA1-XA5引脚，TMS320F2812的XD0-XD7引脚分别与FPGA芯片EPM7064SLC44的IO17-IO21、IO24-IO26引脚，FPGA芯片EPM7064SLC44的IO4-IO6、IO8、IO9、IO11、IO12、IO14引脚分别与单片机STC89C51芯片的P0.0-P0.7相连，单片机STC89C51芯片的P1.0-P1.7与液晶显示模块的D0-D7连接，单片机STC89C51芯片的P2.0-P1.4与液晶显示模块的RS、RW、CS1、CS2、EN相连接，STC89C51芯片的RXD、TXD与发电自动控制装置相连，FPGA芯片EPM7064SLC44的IO37引脚与4G通信模块ME3760的DATA端相连，4G通信模块的ATN1端通过天线将数据传送到远方调度终端的UNO-3072系列PentiumM嵌入式工控机。

另外，本发明所述信号转换电路采用TLC4501芯片。(设置信号转换电路，保证信号采集的频带宽度、转换速率和电压增益,同时降低输入失调电压和电流以及温度漂移)。

其次，本发明所述TLC4501芯片1脚分别与电阻R3一端、电阻R2一端、电容C1一端相连，电阻R3另一端与所述A/D模数转换器输入端相连，电容C1另一端分别与电阻R2另一端、TLC4501芯片2脚、电阻R1一端、二极管D2阳极、二极管D1阴极、传感器的输出端相连，二极管D1阳极分别与地线、二极管D2阴极、电阻R1另一端、TLC4501芯片3脚相连。

电流、电压、功率、温度、湿度信息经过各传感器，进行同步采样、保持、A/D转换，变为数字信号后，送入DSP芯片进行数据处理，处理后的信息数据由DSP的并行数据输出接口送到FPGA的数据输入口，再由FPGA将数据送到4G通信模块，为与远方调度端的工控机通讯做好准备；工控机对电流、电压、功率、温度、湿度信息数据进行计算后，将计算结果通过4G通信网络传输到4G通信模块，然后由4G模块将计算结果送到FPGA，由FPGA将数据送至单片机STC89C51，由单片机通过TXD口对发电自动控制装置发出控制命令，并在人机交互信息显示单元进行显示。

本发明配电网光伏发电设备协调同步方法，包括如下步骤：

步骤1：发电设备终端采集光伏发电设备的电流、电压、功率、温度、湿度参数，通过4G通信模块将采集的光伏发电设备的电流、电压、功率、温度、湿度测量值传输到调度中心端的工控机，光伏发电设备的电流、电压、功率、温度、湿度作为输入量：

步骤2：建立目标优化函数

步骤2.1：建立优化目标函数：

$\min f(x_1,x_2,..x_i,x_{k_l})---\left(1\right)$

步骤2.2：构建配网光伏发电设备状态数据的n维相空间

步骤3：对顶点的目标函数值进行迭代运算

步骤3.1：对定点的目标函数值进行反射运算：

$P^{*}=(1+\mathrm{\α})\stackrel{\‾}{P}-{\mathrm{\αP}}_h---\left(3\right)$

为相空间内各点范数的平均值，P_h为相空间内原有顶点，P^*为通过反射运算寻找的新顶点；

步骤3.2：对顶点的目标函数进行扩张运算：

$P^{**}=(1+\mathrm{\γ})\stackrel{\‾}{P}+{\mathrm{\γP}}^{*}---\left(4\right)$

P^**为通过扩张运算寻找的新顶点，扩张系数γ＝1.5。

步骤3.3：对顶点的目标函数进行收缩运算：

$P^{**}=(1-\mathrm{\β})\stackrel{\‾}{P}+{\mathrm{\βP}}_h---\left(5\right)$

如果新顶点下的目标函数满足f(P^**)>f(P_h)，则将所有点进行替换：

P_i＝(P_i+P_l)/2(6)

式(6)中P_i为新生产的相空间相点，P_l为原相点中范数最小的点，即原来最低的相点；

通过收缩运算，求得了最大值顶点和重心连线上的某一点；在进行反射、扩张、收缩的过程中，其顶点的取值必须满足配电网光伏发电协调空间构建规则的光伏最大出力约束，即各顶点须在可行域内；当顶点向量中各维变量值小于0时，取为0；当其大于所允许最大功率时，取为该最大功率数。

步骤4：根据配电网光伏发电设备的特征量进行快速协调同步

对目标函数为y＝minf(x_i)+g(x_i)+k(x_i)进行求解，惩罚函数其中p_i为光伏发电设备x_i发出功率，为x_i功率最大值，约束函数其中I_i为x_i中电流值，r_i为x_i电阻值，t为电网系统运行的时间；

步骤5：调度中心端工控机将协调计算结果p_i通过4G通信模块传输到发电设备终端，发电设备终端通过发电控制单元调整发电设备的功率输出。

作为一种优选方案，本发明所述α＝0.83。

作为一种优选方案，本发明所述收缩系数β＝0.5。

本发明有益效果。

DSP微处理器和FPGA数据计算芯片相结合，提高了数据采集准确性和全面性，提高数据采集速度和精度。本发明通过配电网内发电设备间的协调控制，有效避免了发电设备对电网产生的冲击，大大提高发电设备发电并网效率，降低了发电并网成本。通过调度中心端的协调计算，最后得到发电设备理想的出力水平。改善了电力品质，提高了配电网和发电设备可靠性，同时协调同步过程满足实时性要求，提高数据采集及处理的效率，提高协调计算的速度和精度，实现了以较高精度和较短响应时间的优势对配电网中的发电设备进行协调同步。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明电路原理框图。

图2是本发明电路原理图。

具体实施方式

如图所示，本发明配电网光伏发电设备协调同步装置包括发电设备终端和调度中心端；所述的发电设备终端包括传感器、A/D模数转换器、DSP微处理器、FPGA数据计算芯片和4G通信模块，所述调度中心端包括工控机和4G通信模块，所述传感器的输出端与A/D模数转换器输入端相连，A/D模数转换器的输出端与DSP微处理器的输入端相连，DSP微处理器的输出端与FPGA数据计算芯片的输入端相连，FPGA数据计算芯片的输出端与发电设备的控制单元和4G通信模块的输入端相连，发电设备的控制单元与人机交互信息显示单元相连。

上述传感器选用DHC03B型电流互感器、DH51D6V0.4B型电压互感器、SSETCE-C03型功率变送器、HE-200红外温度传感器和STYB3100111A50型湿度传感器。

上述A/D模数转换器选用TLC2543A/D转换芯片。

上述DSP微处理器选用TMS320F2812芯片。

上述FPGA数据计算芯片选用EPM7064SLC44芯片。

上述发电设备控制单元为51单片机ST89C51芯片。

上述4G通信模块为ME3760型号LTE模块。

人机交互信息显示模块为HG1286402C型号的液晶显示模块。

电流互感器、电压互感器、功率变送器、湿度传感器、湿度传感器输出端分别经过信号转换电路后连接到A/D转换器TLC2543的输入端AIN0-AIN4，如图2所示，A/D转换器TLC2543的输出端EOC、I/O、IN、OUT、CS分别连接到DSP芯片TMS320F2812的XA1-XA5引脚，TMS320F2812的XD0-XD7引脚分别与FPGA芯片EPM7064SLC44的IO17-IO21、IO24-IO26引脚，FPGA芯片EPM7064SLC44的IO4-IO6、IO8、IO9、IO11、IO12、IO14引脚分别与单片机STC89C51芯片的P0.0-P0.7相连，单片机STC89C51芯片的P1.0-P1.7与液晶显示模块的D0-D7连接，单片机STC89C51芯片的P2.0-P1.4与液晶显示模块的RS、RW、CS1、CS2、EN相连接，STC89C51芯片的RXD、TXD与发电自动控制装置相连，FPGA芯片EPM7064SLC44的IO37引脚与4G通信模块ME3760的DATA端相连，4G通信模块的ATN1端通过天线将数据传送到远方调度终端的UNO-3072系列PentiumM嵌入式工控机。

电流、电压、功率、温度、湿度信息经过各传感器，进行同步采样、保持、A/D转换，变为数字信号后，送入DSP芯片进行数据处理，处理后的信息数据由DSP的并行数据输出接口送到FPGA的数据输入口，再由FPGA将数据送到4G通信模块，为与远方调度端的工控机通讯做好准备；工控机对电流、电压、功率、温度、湿度信息数据进行计算后，将计算结果通过4G通信网络传输到4G通信模块，然后由4G模块将计算结果送到FPGA，由FPGA将数据送至单片机STC89C51，由单片机通过TXD口对发电自动控制装置发出控制命令，并在人机交互信息显示单元进行显示。

本发明配电网光伏发电设备协调同步方法，包括如下步骤：

步骤1：发电设备终端采集光伏发电设备的电流、电压、功率、温度、湿度参数，通过4G通信模块将采集的光伏发电设备的电流、电压、功率、温度、湿度测量值传输到调度中心端的工控机，光伏发电设备的电流、电压、功率、温度、湿度作为输入量：

步骤2：建立目标优化函数

步骤2.1：建立优化目标函数：

$\min f(x_1,x_2,..x_i,x_{k_l})---\left(1\right)$

步骤2.2：构建配网光伏发电设备状态数据的n维相空间

步骤3：对顶点的目标函数值进行迭代运算

步骤3.1：对定点的目标函数值进行反射运算：

$P^{*}=(1+\mathrm{\α})\stackrel{\‾}{P}-{\mathrm{\αP}}_h---\left(3\right)$

为相空间内各点范数的平均值，P_h为相空间内原有顶点，P^*为通过反射运算寻找的新顶点，为使初始粒子广泛分布于可行空间内，取α＝0.83。

步骤3.2：对顶点的目标函数进行扩张运算：

$P^{**}=(1+\mathrm{\γ})\stackrel{\‾}{P}+{\mathrm{\γP}}^{*}---\left(4\right)$

P^**为通过扩张运算寻找的新顶点，扩张系数γ＝1.5。

步骤3.3：对顶点的目标函数进行收缩运算：

$P^{**}=(1-\mathrm{\β})\stackrel{\‾}{P}+{\mathrm{\βP}}_h---\left(5\right)$

为使初始顶点分布更加均匀，取其连线上的中点，即取收缩系数β＝0.5。如果新顶点下的目标函数满足f(P^**)>f(P_h)，则将所有点进行替换：

P_i＝(P_i+P_l)/2(6)

式(6)中P_i为新生产的相空间相点，P_l为原相点中范数最小的点，即原来最低的相点。

通过收缩运算，求得了最大值顶点和重心连线上的某一点。在进行反射、扩张、收缩的过程中，其顶点的取值必须满足配电网光伏发电协调空间构建规则的光伏最大出力约束，即各顶点须在可行域内。当顶点向量中各维变量值小于0时，取为0；当其大于所允许最大功率时，取为该最大功率数。

步骤4：根据配电网光伏发电设备的特征量进行快速协调同步

对目标函数为y＝minf(x_i)+g(x_i)+k(x_i)进行求解，惩罚函数其中p_i为光伏发电设备x_i发出功率，为x_i功率最大值，约束函数其中I_i为x_i中电流值，r_i为x_i电阻值，t为电网系统运行的时间。

步骤5：调度中心端工控机将协调计算结果p_i通过4G通信模块传输到发电设备终端，发电设备终端通过发电控制单元调整发电设备的功率输出。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种配电网光伏发电设备协调同步装置，其特征在于包括发电设备终端和调度中心端；所述的发电设备终端包括传感器、A/D模数转换器、DSP微处理器、FPGA数据计算芯片和4G通信模块，所述调度中心端包括工控机和4G通信模块，所述传感器的输出端与A/D模数转换器输入端相连，A/D模数转换器的输出端与DSP微处理器的输入端相连，DSP微处理器的输出端与FPGA数据计算芯片的输入端相连，FPGA数据计算芯片的输出端与发电设备的控制单元和4G通信模块的输入端相连，发电设备的控制单元与人机交互信息显示单元相连；

所述传感器包括电流互感器、电压互感器、功率变送器、温度传感器、湿度传感器，电流互感器输出端口、电压互感器输出端口、功率变送器输出端口、温度传感器输出端口、湿度传感器输出端口分别与A/D模数转换器的输入端口相连。

2.根据权利要求1所述一种配电网光伏发电设备协调同步装置，其特征在于所述传感器选用DHC03B型电流互感器、DH51D6V0.4B型电压互感器、SSETCE-C03型功率变送器、HE-200红外温度传感器和STYB3100111A50型湿度传感器。

3.根据权利要求2所述一种配电网光伏发电设备协调同步装置，其特征在于所述A/D模数转换器采用TLC2543串行A/D转换器，4G通信传输单元采用ME3760型号的LTE模块，DSP微处理器选用TMS320F2812芯片，FPGA数据计算芯片选用EPM7064SLC44芯片，发电设备的控制单元采用51单片机ST89C51芯片，人机交互信息显示模块为HG1286402C型号的液晶显示模块；

电流互感器、电压互感器、功率变送器、湿度传感器、湿度传感器输出端分别经过信号转换电路后连接到A/D转换器TLC2543的输入端AIN0-AIN4，A/D转换器TLC2543的输出端EOC、I/O、IN、OUT、CS分别连接到DSP芯片TMS320F2812的XA1-XA5引脚，TMS320F2812的XD0-XD7引脚分别与FPGA芯片EPM7064SLC44的IO17-IO21、IO24-IO26引脚，FPGA芯片EPM7064SLC44的IO4-IO6、IO8、IO9、IO11、IO12、IO14引脚分别与单片机STC89C51芯片的P0.0-P0.7相连，单片机STC89C51芯片的P1.0-P1.7与液晶显示模块的D0-D7连接，单片机STC89C51芯片的P2.0-P1.4与液晶显示模块的RS、RW、CS1、CS2、EN相连接，STC89C51芯片的RXD、TXD与发电自动控制装置相连，FPGA芯片EPM7064SLC44的IO37引脚与4G通信模块ME3760的DATA端相连，4G通信模块的ATN1端通过天线将数据传送到远方调度终端的UNO-3072系列PentiumM嵌入式工控机。

4.根据权利要求3所述一种配电网光伏发电设备协调同步装置，其特征在于所述信号转换电路采用TLC4501芯片。

5.根据权利要求4所述一种配电网光伏发电设备协调同步装置，其特征在于所述TLC4501芯片1脚分别与电阻R3一端、电阻R2一端、电容C1一端相连，电阻R3另一端与所述A/D模数转换器输入端相连，电容C1另一端分别与电阻R2另一端、TLC4501芯片2脚、电阻R1一端、二极管D2阳极、二极管D1阴极、传感器的输出端相连，二极管D1阳极分别与地线、二极管D2阴极、电阻R1另一端、TLC4501芯片3脚相连。

6.配电网光伏发电设备协调同步方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：发电设备终端采集光伏发电设备的电流、电压、功率、温度、湿度参数，通过4G通信模块将采集的光伏发电设备的电流、电压、功率、温度、湿度测量值传输到调度中心端的工控机，光伏发电设备的电流、电压、功率、温度、湿度作为输入量：

步骤2：建立目标优化函数

步骤2.1：建立优化目标函数：

$\min f(x_1,x_2,..x_i,x_{k_l})---\left(1\right)$

步骤2.2：构建配网光伏发电设备状态数据的n维相空间

步骤3：对顶点的目标函数值进行迭代运算

步骤3.1：对定点的目标函数值进行反射运算：

$P^{*}=(1+\mathrm{\α})\stackrel{\‾}{P}-{\mathrm{\αP}}_h---\left(3\right)$

为相空间内各点范数的平均值，P_h为相空间内原有顶点，P^*为通过反射运算寻找的新顶点；

步骤3.2：对顶点的目标函数进行扩张运算：

$P^{**}=(1+\mathrm{\γ})\stackrel{\‾}{P}+{\mathrm{\γP}}^{*}---\left(4\right)$

P^**为通过扩张运算寻找的新顶点，扩张系数γ＝1.5；

步骤3.3：对顶点的目标函数进行收缩运算：

$P^{**}=(1-\mathrm{\β})\stackrel{\‾}{P}+{\mathrm{\βP}}_h---\left(5\right)$

如果新顶点下的目标函数满足f(P^**)>f(P_h)，则将所有点进行替换：

P_i＝(P_i+P_l)/2(6)

式(6)中P_i为新生产的相空间相点，P_l为原相点中范数最小的点，即原来最低的相点；

通过收缩运算，求得了最大值顶点和重心连线上的某一点；在进行反射、扩张、收缩的过程中，其顶点的取值必须满足配电网光伏发电协调空间构建规则的光伏最大出力约束，即各顶点须在可行域内；当顶点向量中各维变量值小于0时，取为0；当其大于所允许最大功率时，取为该最大功率数。

步骤4：根据配电网光伏发电设备的特征量进行快速协调同步

对目标函数为y＝minf(x_i)+g(x_i)+k(x_i)进行求解，惩罚函数其中p_i为光伏发电设备x_i发出功率，为x_i功率最大值，约束函数其中I_i为x_i中电流值，r_i为x_i电阻值，t为电网系统运行的时间；

步骤5：调度中心端工控机将协调计算结果p_i通过4G通信模块传输到发电设备终端，发电设备终端通过发电控制单元调整发电设备的功率输出。

7.根据权利要求6所述配电网光伏发电设备协调同步方法，其特征在于所述α＝0.83。

8.根据权利要求7所述配电网光伏发电设备协调同步方法，其特征在于所述收缩系数β＝0.5。