CN105634139A - 一种智能微网控制和电能质量监控一体化设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能微网控制和电能质量监控一体化设备，包括控制计算单元、数据采集单元、数据存储单元、通信管理单元、输入输出接口单元、隔离电路单元、能量预测单元，数据采集单元和通信管理单元均连接控制计算单元，输入输出接口单元通过隔离电路单元连接控制计算单元，数据存储单元连接输出接口模块的另一端，数据存储单元的另一端连接能量预测单元。本发明既可以用来实现微型电网的分层控制，也可以单独运行在微型电网任意处监测电能质量，细化了系统功能，大大降低了系统开发和维护的成本，并且因为分层的结构使系统具备灵活的可扩展性和伸缩性，并且在微网社区综合能量管理系统的协调调度下，成为一个有机的整体。
Description
技术领域
本发明涉及智能微网技术领域，具体是一种智能微网控制和电能质量监控一体化设备
背景技术
进入21世纪以来，随着石油、煤炭等资源储量的不断下降，世界范围内的能源供应持续紧张，开发利用清洁高效的可再生能源成为解决未来能源问题的主要出路。目前应用较为广泛的几种新能源包括太阳能、风能、燃料电池等，均为分布式电源，相应的一些发电技术称为分布式发电技术。将分布式发电技术与大电网相结合，被国内外许多专家学者认为是降低能耗、提高电力系统安全性和灵活性的主要方式，但分布式发电技术对大电网的影响却是一个不得不考虑的重要问题。为了能充分利用分布式发电所带来的经济效益，同时提高可靠性，并尽量减少其对主网的冲击，微电网的概念被提了出来。
微型电网是指由分布式发电单元、储能装置、保护装置、能量转换装置、相关负荷、控制与监测系统组成的小型发电系统，是一个能够自我控制、保护和稳定运行的系统。微型电网既能够和大电网并网运行，也可以自我孤岛运行，是智能电网的重要组成部分。微电网是规模较小的独立分散系统，采用大量的现代电力技术，将燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电池及储能设备等合并在一起，直接接在用户侧。对于大电网而言，微电网可被视为电网中的一个可控单元，它可以在数秒钟内动作以满足外部输配电网络的需求；另一方面，微电网还可满足用户的特定需求，如提高本地可靠性、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用效率及提供不间断电源等。微电网和大电网通过能量交换，二者互为备用，从而大大提高供电可靠性。
随着微型电网的广泛应用，微型电网控制与监测技术成为关注重点。由于组成微型电网的分布式发电单元工作原理和特性有着很大差别，控制和监测方法也不相同，对微型电网控制与监测系统提出了更高的要求。能够让多种分布式发电单元在微型电网中共存稳定运行，是微型电网控制与监测系统技术研究的关键。组成微型电网的分布式发电单元都具有独立的电力电子装置，与控制系统交互数据都采用通信的方式。目前分布式发电单元多数采用现场总线技术，而中央控制单元很少具有现场总线接口。电能质量是考核微型电网是否正常运行的标准。微型电网每处的电能质量影响到微型电网整体的控制。电能质量对微型电网的稳定运行有着重要意义，这对电能质量的监测和计算提出了较高要求。
微电网具备智能性、灵活性、环保以及能量利用的多元化等优点，势必将成为未来电网的重要发展方向。智能微电网中能源包括光伏发电、风力发电、生物质发电、燃气发电等，由于其分布式特性和能源本身的波动性，所以需要智能微电网电能管理系统进行统一协调和管理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种细化了系统功能、维护成本低的智能微网控制和电能质量监控一体化设备，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种智能微网控制和电能质量监控一体化设备，包括控制计算单元、数据采集单元、数据存储单元、通信管理单元、输入输出接口单元、隔离电路单元、能量预测单元，所述输入输出接口单元包括输入接口模块和输出接口模块，所述数据采集单元和通信管理单元均连接所述控制计算单元，所述输入接口模块和输出接口模块均通过隔离电路单元连接所述控制计算单元，所述数据存储单元连接输出接口模块的另一端，所述数据存储单元的另一端连接所述能量预测单元；所述控制计算模块包括计算MCU和控制MCU这两个微控制单元，分别用于实现电能信息计算、分析与流程控制、通信交互，两者之间采用高速串口进行数据传输；所述数据采集单元包括发电数据采集模块、用电负荷数据采集模块、并网数据监测模块、储能系统运行状态模块、环境数据采集模块、电压互感器、电流互感器、信号调理电路和采样电路，所述的发电数据采集模块包括发电组和发达数据采集服务器，其中发电组与数据采集设备相连接，数据采集设备和发电数据采集服务器相连接，发电数据采集服务器与控制计算单元相连接；其中发电组包括风力发电机组、光伏发电机组、沼气发电机组、天然气发电机组；所述的用电负荷数据采集模块包括依次连接的用能设备、数据采集设备、用电数据采集服务器和数据存储模块；其中用能设备包括企业一二级总表、企业主要用能设备、居民用户总表、公共设施用电总表和其他总表；所述的环境数据采集模块包括依次连接的监测站点、数据采集设备、环境数据采集服务器和数据存储模块，还包括单独与环境数据采集服务器相连接的天气预报模块，其中监测站点包括气象监测站点、光照监测站点、水位监测站点、雨量监测站点；所述数据存储单元包括实时数据处理模块和能量管理数据模块，其中实时数据处理模块与能量管理数据模块单向连接，所述信管理模块与控制计算模块中的计算MCU相接，控制MCU经隔离电路单元与通信管理单元、输入输出接口单元、数据存储单元相连；所述输入输出单元具有模拟输入输出模块、I/O数字输入模块、继电器输出模块和开漏OC门输出模块；所述隔离电路单元用于实现对所有的对外接口进行电气上的隔离；所述能量预测单元包括发电预测模块、用电负荷预测模块和供电与储能模块。
作为本发明进一步的方案：所述输入输出接口单元包括4路0-5V/4-20mA的输入电路、2路0-5V/4-20mA的输出电路、4路继电器输出电路、4路开漏OC门输出电路、10路数字I/O量输入电路。
作为本发明再进一步的方案：通过所述数据采集单元采集微型电网的运行参数，送往计算MCU进行计算处理，然后通过通信管理单元传送到上层的中央控制器；通信管理单元接收到中央控制器的控制指令后传送至控制MCU，控制MCU将控制指令通过输入输出接口单元对断路开关进行控制，通过控制断路开关闭合来控制微型电网的投切处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明既可以用来实现微型电网的分层控制，也可以单独运行在微型电网任意处监测电能质量，通过对实时数据采集将监测的数据进行建立数学模型之后传输至智能微电网调度控制系统，将整个系统分为不同的逻辑块，细化了系统功能，大大降低了系统开发和维护的成本，并且因为分层的结构使系统具备灵活的可扩展性和伸缩性，并且在微网社区综合能量管理系统的协调调度下，成为一个有机的整体。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明中发电数据采集模块的结构框图。
图3为本发明中用电数据采集模块的结构框图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1-3，一种智能微网控制和电能质量监控一体化设备，包括控制计算单元、数据采集单元、数据存储单元、通信管理单元、输入输出接口单元、隔离电路单元、能量预测单元，所述输入输出接口单元包括输入接口模块和输出接口模块，所述数据采集单元和通信管理单元均连接所述控制计算单元，所述输入接口模块和输出接口模块均通过隔离电路单元连接所述控制计算单元，所述数据存储单元连接输出接口模块的另一端，所述数据存储单元的另一端连接所述能量预测单元；所述控制计算模块包括计算MCU和控制MCU这两个微控制单元，分别用于实现电能信息计算、分析与流程控制、通信交互，两者之间采用高速串口进行数据传输；所述数据采集单元包括发电数据采集模块、用电负荷数据采集模块、并网数据监测模块、储能系统运行状态模块、环境数据采集模块、电压互感器、电流互感器、信号调理电路和采样电路，所述的发电数据采集模块包括发电组和发达数据采集服务器，其中发电组与数据采集设备相连接，数据采集设备和发电数据采集服务器相连接，发电数据采集服务器与控制计算单元相连接；其中发电组包括风力发电机组、光伏发电机组、沼气发电机组、天然气发电机组；所述的用电负荷数据采集模块包括依次连接的用能设备、数据采集设备、用电数据采集服务器和数据存储模块；其中用能设备包括企业一二级总表、企业主要用能设备、居民用户总表、公共设施用电总表和其他总表；所述的环境数据采集模块包括依次连接的监测站点、数据采集设备、环境数据采集服务器和数据存储模块，还包括单独与环境数据采集服务器相连接的天气预报模块，其中监测站点包括气象监测站点、光照监测站点、水位监测站点、雨量监测站点；所述数据存储单元包括实时数据处理模块和能量管理数据模块，其中实时数据处理模块与能量管理数据模块单向连接，所述信管理模块与控制计算模块中的计算MCU相接，控制MCU经隔离电路单元与通信管理单元、输入输出接口单元、数据存储单元相连；所述输入输出单元具有模拟输入输出模块、I/O数字输入模块、继电器输出模块和开漏OC门输出模块；所述隔离电路单元用于实现对所有的对外接口进行电气上的隔离；所述能量预测单元包括发电预测模块、用电负荷预测模块和供电与储能模块。
所述输入输出接口单元包括4路0-5V/4-20mA的输入电路、2路0-5V/4-20mA的输出电路、4路继电器输出电路、4路开漏OC门输出电路、10路数字I/O量输入电路。
通过所述数据采集单元采集微型电网的运行参数，送往计算MCU进行计算处理，然后通过通信管理单元传送到上层的中央控制器；通信管理单元接收到中央控制器的控制指令后传送至控制MCU，控制MCU将控制指令通过输入输出接口单元对断路开关进行控制，通过控制断路开关闭合来控制微型电网的投切处理。
所受数据采集单元主要功能是采集智能微电网系统中主要环节的状态数据及实施环境因素数据；其中发电数据采集模块是将各发电机组的发电数据进行采集的模块，并网数据监测模块是对并网后的数据进行监测的模块、用电负荷数据采集模块是对用电复核数据进行采集的模块、储能系统运行状态模块主要安装于智能微电网内各储能站点，数据源可以是储能站点控制系统、监测信息系统或者传感设备，主要采集数据包括储能站点运行状态数据、充放电信息数据、电能负荷数据、电能质量数据等，并将所采集数据传输给存储单元进行处理的模块；环境数据采集模块是对周围环境进行采集的模块。
数据采集单元可以使用RS485/RS232、CAN/LonWorks现场总线、以太网/INTERNET等多种通信接口，并支持MODBUS-RTU/TCP/ASCII、IEC60870-5-101/102/103/104、DNP03.0、CDT等标准规约。数据传输过程满足电力二次系统安全防护要求，并使用传输加密/解密技术，来保证所有数据的安全性和完整性。
所述数据储存单元主要功能为接收控制计算单元发送的实时数据，并进行解析处理并向能源管理数据中心发送数据及存储指令。数据存储单元按照控制计算单元使用的通信接口及通信规约进行实时数据解析，数据解析后按照“时间戳-测点名-值”的数据格式向能量管理数据中心发送数据及存储指令。能量管理数据中心主要功能为数据存储及分类汇总，数据种类分为实时数据及历史数据，数据库系统分为实时数据库及关系数据库，实时数据库存储所有采集点的实时数据，关系数据库又分为系统状态数据库、能量汇总数据库及备份数据库；关系数据库在实时数据基础上按照处理逻辑对数据进行加工、计算及分类存储，用于数据分析、查询、预测及报表服务等。数据处理和分配是本平台的核心，根据历史采集的发电、用电、和储能的每单个用户数据，自动分配每个单元用户的用电量以及运算本社区的可再生能源的利用量，通过控制系统依据小时用电量，按照用电优先级分配电量，临时大幅度增加用电用户单独向社区微网运行中心申请。此模块为能源数字化提供基础数据。
所述能量预测单元包括发电预测模型、用电预测模型、供电与储能预测模型三个预测模型。三个模型实际是紧密相关的，发电预测模型可以根据发电机组种类不同，根据所采集的影响因素参数数据及变化规律来预测未来发电量数据，比如针对风力发电机组可以根据实时风速、风向、本地气候历史数据、天气预报数据等建立风力发电预测模型，预测未来1-3日发电量数据；针对光伏发电机组可以根据实时光照数据、未来天气预报数据结合光伏设备安装数据建立光伏发电预测模型，预测未来发电量。同时，发电预测模块可以根据用电负荷预测模型所预测未来用电负荷数据，来预测未来发电机组运行负荷等数据。用电负荷预测模型，主要功能是基于实时用电负荷数据已经用电设备历史用电数据建立分析模型，预测用电负荷。模型的建立基于大量用电历史数据，其数据包括智能微电网覆盖区域整体用电量历史数据，居民用户用电量历史数据，用电企业总体用电量历史数据，主要用能设备实时运行状态及历史用电量数据等，从这些数据中分析用户用电习惯、设备运行状态及用电趋势、区域用电量与环境影响因素、用电负荷与时间关系等，建立用电负荷预测模型，并根据发电预测模型预测数据及储能预测模型预测数据，预测未来用电负荷等数据。供电与储能预测模型，根据储能站点的运行状态、储能量、峰谷电价数据，结合发电量预测数据与用电负荷预测数据，建立储能与供电预测模型，预测过程将充分考虑智能微电网运行经济成本，将供电时间尽量安排在峰值时段，而将向主电网取电时间设置在谷值时段。发电预测模型、用电负荷预测模型及供电与储能预测模型所预测数据将传输给智能微电网调度控制系统，由其根据预测数据对整个微电网设备进行统一协调调度。
所受发电数据采集模块包括发电组和发电数据采集服务器，其中发电组与数据采集设备相连接，数据采集设备和发电数据采集服务器相连接，发电数据采集服务器与数据存储模块相连接；其中发电组包括风力发电机组、光伏发电机组、沼气发电机组、天然气发电机组。各发电机组所采集数据包括机组运行状态数据、发电量数据、发电质量数据、机组故障信息数据、启停状态数据等，数据源可以是SCADA系统、在线监测系统或者其他实时监测系统或者传感器，数据采集设备与数据源连接，数据采集设备与发电数据采集服务器连接，由发电数据采集服务器发送采集数据指令并接收由数据采集设备发送的采集数据，所采集数据传输给数据存储单元进行处理。
所述用电负荷数据采集模块包括依次连接的用能设备、数据采集设备、用电数据采集服务器和数据存储模块；其中用能设备包括企业一二级总表、企业主要用能设备、居民用户总表、公共设施用电总表和其他总表。本模块采集的数据包括有功功率、无功功率、功率因数、电压、电流、频率、谐波、累计电能、峰谷用电数据等；数据源可以是SCADA系统、在线监测系统、二次计量仪表等，并与数据采集设备连接，数据采集设备与用电负荷数据采集服务器连接，由用电负荷数据采集服务器发送数据采集指令并接收由数据采集设备发送的采集数据，所采集数据传输给存储单元进行处理。
所述环境数据采集模块包括依次连接的监测站点、数据采集设备、环境数据采集服务器和数据存储模块，还包括单独与环境数据采集服务器相连接的天气预报模块，其中监测站点包括气象监测站点、光照监测站点、水位监测站点、雨量监测站点。本模块主要功能是采集实时环境因素数据，采集设备分布于智能微电网所覆盖区域，根据发电机组种类设置不同采集设备，比如，在风力发电机组附近设置风速、风向等气象监测设备、在光伏发电设备区域设置光照、湿度、温度等监测设备、在微电网覆盖区域设置雨量、水位、气压等监测设备；同时设置采集终端通过网络采集中央气象台发布的天气预报数据。所采集数据传输给存储单元进行处理。
本发明通过CAN现场总线、RS485与发电设备进行数据交换，以实现发电设备运行状态的获取与控制；通过模拟输入输出来控制一般的不支持以上两种通信的设备；通过数字输入来获取电网中断路开关状态信息，通过数字输出来控制断路开关闭合，投切电网中的可控负荷；能采集并分析电网任意一点电网电能质量信息，并上发给上层控制单元；通过工业以太网和上层控制单元数据交互，上发收集到的信息并接受控制命令，根据控制命令采取相应动作。监控一体化设备采用全隔离电路，对设备所有输入输出信号进行光电或者电气隔离，增强了设备的抗干扰能力，能够适应各类微型电网现场的使用。
本发明既可以用来实现微型电网的分层控制，也可以单独运行在微型电网任意处监测电能质量，通过对实时数据采集将监测的数据进行建立数学模型之后传输至智能微电网调度控制系统，将整个系统分为不同的逻辑块，细化了系统功能，大大降低了系统开发和维护的成本，并且因为分层的结构使系统具备灵活的可扩展性和伸缩性，并且在微网社区综合能量管理系统的协调调度下，成为一个有机的整体。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种智能微网控制和电能质量监控一体化设备，其特征在于，包括控制计算单元、数据采集单元、数据存储单元、通信管理单元、输入输出接口单元、隔离电路单元、能量预测单元，所述输入输出接口单元包括输入接口模块和输出接口模块，所述数据采集单元和通信管理单元均连接所述控制计算单元，所述输入接口模块和输出接口模块均通过隔离电路单元连接所述控制计算单元，所述数据存储单元连接输出接口模块的另一端，所述数据存储单元的另一端连接所述能量预测单元；所述控制计算模块包括计算MCU和控制MCU这两个微控制单元，分别用于实现电能信息计算、分析与流程控制、通信交互，两者之间采用高速串口进行数据传输；所述数据采集单元包括发电数据采集模块、用电负荷数据采集模块、并网数据监测模块、储能系统运行状态模块、环境数据采集模块、电压互感器、电流互感器、信号调理电路和采样电路，所述的发电数据采集模块包括发电组和发达数据采集服务器，其中发电组与数据采集设备相连接，数据采集设备和发电数据采集服务器相连接，发电数据采集服务器与控制计算单元相连接；其中发电组包括风力发电机组、光伏发电机组、沼气发电机组、天然气发电机组；所述的用电负荷数据采集模块包括依次连接的用能设备、数据采集设备、用电数据采集服务器和数据存储模块；其中用能设备包括企业一二级总表、企业主要用能设备、居民用户总表、公共设施用电总表和其他总表；所述的环境数据采集模块包括依次连接的监测站点、数据采集设备、环境数据采集服务器和数据存储模块，还包括单独与环境数据采集服务器相连接的天气预报模块，其中监测站点包括气象监测站点、光照监测站点、水位监测站点、雨量监测站点；所述数据存储单元包括实时数据处理模块和能量管理数据模块，其中实时数据处理模块与能量管理数据模块单向连接，所述信管理模块与控制计算模块中的计算MCU相接，控制MCU经隔离电路单元与通信管理单元、输入输出接口单元、数据存储单元相连；所述输入输出单元具有模拟输入输出模块、I/O数字输入模块、继电器输出模块和开漏OC门输出模块；所述隔离电路单元用于实现对所有的对外接口进行电气上的隔离；所述能量预测单元包括发电预测模块、用电负荷预测模块和供电与储能模块。
2.根据权利要求1所述的智能微网控制和电能质量监控一体化设备，其特征在于，所述输入输出接口单元包括4路0-5V/4-20mA的输入电路、2路0-5V/4-20mA的输出电路、4路继电器输出电路、4路开漏OC门输出电路、10路数字I/O量输入电路。
3.根据权利要求1所述的智能微网控制和电能质量监控一体化设备，其特征在于，通过所述数据采集单元采集微型电网的运行参数，送往计算MCU进行计算处理，然后通过通信管理单元传送到上层的中央控制器；通信管理单元接收到中央控制器的控制指令后传送至控制MCU，控制MCU将控制指令通过输入输出接口单元对断路开关进行控制，通过控制断路开关闭合来控制微型电网的投切处理。
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