CN106410966B - 一种应用于多能互补系统的能量管理装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于多能互补系统的能量管理装置，包括服务器、显示器、以太网交换机、串口服务器、485集线器和微网控制器。所述的微网控制器连接开关设备；所述的485集线器连接同类485信号设备；所述的串口服务器连接微网控制器、485集线器及485信号设备；所述的以太网交换机连接以太网信号设备及串口服务器；所述的服务器连接以太网交换机；所述的显示器连接服务器。本发明可通过对多能互补系统的数据采集分析，制定多能互补系统经济运行及潮流稳定控制策略，实现分布式电源的能量调度、储能系统管理、负荷能效分析及管理以及并网/孤岛模式自动切换，使多能互补系统经济、可靠、友好运行。

Description

一种应用于多能互补系统的能量管理装置

技术领域

本发明涉及一种能量管理装置。

背景技术

随着能源危机及环境污染、气候变化等问题日益突出，以风力发电、太阳能发电为代表的新能源发电技术因其清洁和可持续性，受到了广泛关注。但新能源电力系统具有随机性，单一发电系统很不稳定，造成大电网难以消融，出现大量弃风弃光现象，如果加储能调节，成本又过高。实际应用中，风力发电和太阳能发电有着很强的互补性，采用多能互补系统，与单独的能源系统相比，稳定性得到了很大的改善，并且也减少了储能设备的容量，对于用户使用互补的能源系统可以很好的满足他们的用电需求，而且极具环保性与经济性，将是满足经济社会发展、环境保护需求的首选。

能量管理系统是多能互补系统的核心技术，采用有效的能量管理策略，能够利用不同类型能源的各自优点，与大电网配合实现“削峰填谷”的作用，降低系统电压和频率的波动，提高电能质量。

但现有的能量管理系统多强调于控制策略本身，对系统的硬件实现过程并无具体说明，既不能直接应用于多能互补系统的现场，且多适用于特别的系统，如风光储系统，光储微网系统，光柴储微网系统等，不具备广泛适用性。

发明内容

本发明的目的在于克服了现有技术缺乏广泛适用性、缺乏硬件结构的缺点，提供一种可直接用于多能互补系统的能量管理装置。本发明根据现场的分布式电源种类，功率大小，调整控制策略相关阈值后，即可直接应用于多能互补系统现场。本发明通过各通信设备采集多能互补系统现场的电力信息、气象信息及调度信息，制定控制策略，实现多能互补系统优化控制，提高电能质量。

为实现上述目的，本发明应用于多能互补系统的能量管理装置包括服务器、显示器、以太网交换机、串口服务器、485集线器和微网控制器。所述的微网控制器连接开关设备；所述的485集线器连接同类485信号设备；所述的串口服务器分别连接微网控制器、485集线器及485信号设备；所述的以太网交换机分别连接以太网信号设备及串口服务器；所述的服务器连接以太网交换机；所述的显示器连接服务器。

所述的服务器装有7个模块：数据采集模块、调度模块、预测模块、管理模块、控制模块、分析模块和显示模块，以及实时数据库和历史数据库。数据采集模块采集现场气象信息、电力信息及设备状态；调度模块采集区域上一级管理系统调度信息；本发明能量管理装置首先将现场数据及调度数据存入实时数据库，再通过数据转发，存储至历史数据库；分析模块通过分析现场实时信息及历史信息，形成节能策略及分析结果，如数据、曲线、图表、报表等；显示模块将数据分析结果具象化呈现，实现人机交互；预测模块通过光伏发电预测及负荷预测制定发电计划；管理模块综合调度指令、发电计划及节能策略，形成最终的控制策略；控制模块对控制策略统一梳理后，形成控制指令，下发给光伏逆变器、风电变流器、燃气轮机、柴油发电机、燃料电池逆变器、储能变流器、生物发电系统及微网控制器，最终实现多能互补系统的能量管理；

显示器，用于人机交互，显示多能互补系统信息；

以太网交换机，用于将以太网信号数据统一上传至服务器，实现现场信号采集；

串口服务器，用于将485信号转换为以太网信号上传至以太网交换机；

485集线器，用于对多能互补系统现场的同类485信号设备的集中采集信号；

微网控制器，用于采集及控制多能互补系统的各分布式电源支路保护开关的开关量状态，实现多能互补系统保护功能；

所述的多能互补系统包括多种分布式电源，分别为：光伏阵列、风电机组、储能系统、燃气轮机、柴油机、燃料电池、生物质发电；

所述的分布式电源支路为各分布式电源的电气连接回路。

所述的开关设备包括各分布式电源支路的接触器及多能互补系统并网点接触器；所述的485集线器连接同类485信号设备；所述的同类485信号设备主要指电表，这类设备的接口波特率、数据位、停止位相同，协议内容相同，可以级联，采用485集线器不容易出问题；所述的串口服务器连接微网控制器、485集线器及485信号设备；所述的485信号设备包括蓄电池BMS、谐波监测仪、光伏逆变器、风电变流器、燃气轮机、柴油发电机、燃料电池逆变器、生物发电系统，以及关键负荷；所述的以太网交换机连接以太网信号设备及串口服务器；所述的以太网信号设备包括气象站、储能变流器、GPS时钟、调度中心；所述的服务器连接以太网交换机；所述的显示器连接服务器。

本发明能量管理装置通过所述的以太网交换机、串口服务器、485集线器、微网控制器实现服务器与多能互补系统现场数字信号、485信号及以太网信号的关联。服务器中的数据采集模块采集现场气象信息、电力信息及设备状态；调度模块采集区域上一级管理系统调度信息；数据采集模块、调度模块与实时数据库连接，将采集的现场气象信息、电力信息、设备状态及区域上一级管理系统调度信息传送至实时数据库。实时数据库与历史数据库连接，通过数据转发，将实时采集信息存入历史数据库。预测模块与实时数据库、历史数据库连接，预测模块根据历史气象数据、预测气象数据、历史发电数据、历史用电数据实现负荷预测及发电预测，进而制定发电计划。分析模块与实时数据库及历史数据库连接，通过分析现场实时信息及历史信息，形成节能策略及分析结果。显示模块与分析模块连接，对分析结果具象化呈现，实现人机交互。管理模块与实时数据库、预测模块、分析模块连接，根据实时数据库中的调度指令，预测模块形成的发电计划，分析模块形成的节能策略，并结合潮流稳定技术、并离网自动切换技术、经济运行控制技术，形成控制策略；控制模块与管理模块连接，对控制策略统一梳理后，形成控制指令，下发给光伏逆变器、风电变流器、燃气轮机、柴油发电机、燃料电池逆变器、储能变流器、生物发电系统及微网控制器。通过以上模块的协调运行，最终实现多能互补系统的能量管理。

在实际应用中，本发明的能量管理装置可根据实际多能互补系统中所含有的能源种类及功率大小，对服务器中各模块内容筛选，调整管理模块中的相关阈值，调整各通信装置接口配置，即可广泛应用于各种多能互补系统，并通过经济运行控制技术使多能互补系统经济运行，通过并离网自动切换技术提高多能互补系统的可靠性，通过潮流稳定控制技术多能互补系统其友好运行。

附图说明

图1为本发明的能量管理装置结构图；

图2为本发明的能量管理装置硬件接线图；

图3为本发明的能量管理装置控制策略原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的能量管理装置包括服务器、显示器、以太网交换机、串口服务器、485集线器和微网控制器。所述的微网控制器连接现场开关设备；所述的485集线器连接同类485信号设备；所述的串口服务器分别连接微网控制器、485集线器及485信号设备；所述的以太网交换机分别连接以太网信号设备及串口服务器；所述的服务器连接以太网交换机；所述的显示器连接服务器。

其中服务器装有7个模块：数据采集模块、调度模块、预测模块、管理模块、控制模块、分析模块和显示模块，以及实时数据库和历史数据库。数据采集模块采集现场气象信息、电力信息及设备状态；调度模块采集区域上一级管理系统调度信息；能量管理装置首先将现场数据及调度数据存入实时数据库，再通过数据转发，存储至历史数据库；分析模块通过分析现场实时信息及历史信息，形成节能策略及分析结果，如数据、曲线、图表、报表等；显示模块将数据分析结果具象化呈现，实现人机交互；预测模块通过光伏发电预测及负荷预测制定发电计划；管理模块综合调度指令、发电计划及节能策略，形成最终的控制策略；控制模块对控制策略统一梳理后，形成控制指令，下发给光伏逆变器、风电变流器、燃气轮机、柴油发电机、燃料电池逆变器、储能变流器、生物发电系统及微网控制器，最终实现多能互补系统的能量管理。

显示器，用于人机交互，对多能互补系统信息呈现；

以太网交换机，用于将以太网信号数据统一上传至服务器，实现现场信号采集；

串口服务器，用于将485信号转换为以太网信号上传至以太网交换机；

485集线器，用于对现场同类485信号设备集中采集信号；

微网控制器，用于采集及控制多能互补系统多种分布式电源支路的保护开关的开关量状态，实现多能互补系统保护功能；

微网控制器连接现场开关设备；485集线器连接同类485信号设备；串口服务器连接微网控制器、485集线器及485信号设备；以太网交换机连接以太网信号设备及串口服务器；服务器连接以太网交换机；显示器连接服务器。

多能互补系统包括多种分布式电源，分别为：光伏阵列、风电机组、储能系统、燃气轮机、柴油机、燃料电池、生物质发电。

所述的分布式电源支路表示各分布式电源的电气连接回路。

所述的开关设备包括各分布式电源支路的接触器及多能互补系统并网点接触器。

如图2所示，微网控制器采集各分布式电源支路的开关状态及多能互补系统并网点开关状态，485集线器主要采集各分布式电源支路的电表信息，串口服务器采集蓄电池BMS、谐波监测仪、光伏逆变器、风电变流器、燃气轮机、柴油发电机、燃料电池逆变器、生物质发电系统、关键负荷、485集线器及微网控制器信息。以太网交换机采集气象站、储能变流器、GPS时钟、调度中心及串口服务器信息。

如图3所示，本发明服务器中装有数据采集模块、调度模块、预测模块、管理模块、控制模块、分析模块和显示模块，以及实时数据库和历史数据库。

数据采集模块、调度模块与实时数据库连接。数据采集模块采集现场气象信息、电力信息及设备状态，通过设备各自的通信协议MODBUS-RTU、MODBUS-TCP，传送至实时数据库。

调度模块采集区域上一级管理系统调度信息，使多能互补系统可接收上级能量调度，并按照上级要求调整出力，通信可采用IEC-101、104规约。

实时数据库，直接存储实时的现场数据及调度数据。实时数据库与历史数据库连接，通过数据转发，将实时采集信息存入历史数据库。

历史数据库，将实时数据库数据按一定时间间隔转存。

分析模块与实时数据库及历史数据库连接，通过分析现场实时数据及历史数据，实现负荷特性分析，用能规律同比分析，即本月用电量与上月用电量对比分析，环比分析，即本年本月用电量与上一年本月用电量对比分析，在分析结果的基础上根据用户用电规律形成节能策略，在某一时段内出现异常用电高峰值，能量管理装置可提示用户留意。

显示模块与分析模块连接。显示模块将现场实时数据与分析模块的结果具象化呈现，实现人机交互。主要显示界面包括能源流势示意图界面、历史报表界面、曲线显示界面、故障列表界面、能效分析界面、用户管理界面及参数配置界面。能源流势示意图界面，包含多能互补系统的关键电量信息，如各分布式电源发电量、负荷用电量，电网上行、下行电量，节能减排信息，多能互补系统运行状态信息，故障信息，点击示意图中的各设备的图片可以查看该设备的所有数据信息，用户还可查看各分布式电源支路开关状态，可以进行多能互补系统启动、停止、模式切换操作。历史报表界面可对所有设备数据分页显示，并可查询、导出一定时间段内设备数据。曲线显示界面包含历史曲线与实时曲线，可以选择需显示变量，历史曲线可设置需查询的时间段。故障列表界面，以表格形式显示故障发生时间，故障设备及故障信息。能效分析界面，将分析模块的结果以报表、饼图、棒图显示。用户管理界面可以添加删除用户，修改当前用户密码，查看当前用户等级。参数配置界面可对多能互补系统保护参数配置，修正设定值。

预测模块与实时数据库、历史数据库连接，预测模块根据历史气象数据、预测气象数据、历史发电数据、历史用电数据、实时发电实现负荷预测及发电预测，进而制定发电计划。预测模块根据历史气象数据与天气预测数据选择与当天天气类似的相似日，根据相似日的发电量，按照发电趋势计算未来的发电量，实现发电预测；根据历史负荷用电量，查询历史同一天的用电量，如预测日为星期三，即查询历史前十周星期三的用电情况，按照用电趋势计算未来的用电量，实现负荷预测。发电预测包含风电、光伏等间歇式发电形式的分布式电源功率预测，短期功率预测能预测次日零时起24小时的输出功率；超短期功率预测能预测未来15分钟到4小时的输出功率。负荷预测包括用电量、最大负荷、最小负荷预测，最大负荷和最小负荷出现的时间区间预测，短期负荷预测可提供周期1天的预测信息，超短期负荷预测提供未来4小时的预测信息。根据发电预测及负荷预测结果，可制定发电计划。发用电计划能安排次日零时起24小时的输出功率，可滚动计划未来4小时的输出功率。

管理模块与实时数据库、预测模块、分析模块连接，根据实时数据库中的调度指令，预测模块形成的发电计划，分析模块形成的节能策略，并结合多能互补系统自身的潮流稳定技术、并离网自动切换技术、经济运行控制技术，形成控制策略，控制各分布式电源输出。

所述的潮流稳定控制技术即通过调整各分布式电源出力，实现多能互补系统恒功率上网或平滑功率上网，进而实现多能互补系统各节点电压稳定。并离网自动切换技术即在多能互补系统并网运行时，当能量管理装置检测到电网失压或故障后，并网点自动跳开接触器使多能互补系统与配电网电气隔离；离网运行时，能量管理装置实时检测配电网恢复供电情况，如果恢复供电则多能互补系统自动同步并网。经济运行控制技术即在分析各分布式电源燃料消耗成本、运行管理成本、发电折旧成本、环境成本的基础上，编制规定周期内各发电单元和用电单元的工作点，达到多能互补系统经济运行目标：如总费用最小、环境效益最优等。

控制模块与管理模块连接，对控制策略统一梳理，确定各分布式电源出力情况后，形成控制指令，下发给光伏逆变器、风电变流器、燃气轮机、柴油发电机、燃料电池逆变器、储能变流器、生物发电系统及微网控制器，协调各分布式电源输出功率。

本发明能量管理装置通过以太网交换机、串口服务器、485集线器、微网控制器、服务器实现对多能互补系统现场的光伏阵列、风电机组、储能系统、燃气轮机、柴油机、燃料电池、生物质发电各分布式电源信息，气象数据信息，负荷信息及调度信息采集和管理，实现多能互补。

在实际应用中，本发明的能量管理装置可根据实际多能互补系统中所含有的能源种类及功率大小，对服务器中各模块内容筛选，调整管理模块中的相关阈值，调整各通信装置接口配置，即可广泛应用于各种多能互补系统，并使其经济、可靠、友好运行。

Claims (7)

1.一种应用于多能互补系统的能量管理装置，其特征在于：所述的多能互补系统的能量管理装置包括服务器、显示器、以太网交换机、串口服务器、485集线器和微网控制器；所述的微网控制器连接开关设备；所述的485集线器连接同类485信号设备；所述的串口服务器分别连接微网控制器、485集线器及485信号设备；所述的以太网交换机分别连接以太网信号设备及串口服务器；所述的服务器连接以太网交换机；所述的显示器连接服务器；

所述的服务器装有7个模块：数据采集模块、调度模块、预测模块、管理模块、控制模块、分析模块和显示模块，以及实时数据库和历史数据库；数据采集模块采集现场气象信息、电力信息及设备状态；调度模块采集区域上一级管理系统调度信息；所述的能量管理装置首先将现场数据及调度数据存入实时数据库，再通过数据转发，存储至历史数据库；分析模块通过分析现场实时信息及历史信息，形成节能策略及分析结果；显示模块将数据分析结果具象化呈现，实现人机交互；预测模块通过光伏发电预测及负荷预测制定发电计划；管理模块综合调度指令、发电计划及节能策略，形成最终的控制策略；控制模块对控制策略统一梳理后，形成控制指令，下发给各设备，最终实现多能互补系统的能量管理；

所述的显示器用于人机交互，对多能互补系统信息呈现；

所述的以太网交换机用于将以太网信号数据上传至服务器，实现现场信号采集；

所述的串口服务器用于将485信号转换为以太网信号上传至以太网交换机；

所述的485集线器用于对现场同类485信号设备集中采集信号；

所述的微网控制器用于采集及控制能量管理装置多种分布式电源支路的各保护开关的开关量状态，实现多能互补系统保护功能；

所述的实时数据库与历史数据库连接，通过数据转发，将实时采集信息存入历史数据库；所述的预测模块与实时数据库、历史数据库连接，预测模块根据历史气象数据、预测气象数据、历史发电数据、历史用电数据实现负荷预测及发电预测，制定发电计划；所述的分析模块与实时数据库及历史数据库连接，通过分析现场实时信息及历史信息，形成节能策略及分析结果。

2.根据权利要求1所述的能量管理装置，其特征在于：所述的多能互补系统包括多种分布式电源，分别为：光伏阵列、风电机组、储能系统、燃气轮机、柴油机、燃料电池和生物质发电。

3.根据权利要求1所述的能量管理装置，其特征在于：所述的开关设备包括各分布式电源支路的接触器及多能互补系统并网点接触器。

4.根据权利要求1所述的能量管理装置，其特征在于：所述的同类485信号设备为电表。

5.根据权利要求1所述的能量管理装置，其特征在于：所述的485信号设备包括蓄电池BMS、谐波监测仪、光伏逆变器、风电变流器、燃气轮机、柴油发电机、燃料电池逆变器、生物发电系统，以及智能家居、地源热泵、交流充电桩这些关键负荷。

6.根据权利要求1所述的能量管理装置，其特征在于：所述的以太网信号设备包括气象站、储能变流器、GPS时钟和调度中心。

7.根据权利要求1所述的能量管理装置，其特征在于：所述的能量管理装置通过以太网交换机、串口服务器、485集线器、微网控制器实现服务器与多能互补系统现场数字信号、485信号及以太网信号的关联；服务器中的数据采集模块采集现场气象信息、电力信息及设备状态；调度模块采集区域上一级管理系统调度信息；数据采集模块、调度模块与实时数据库连接，将采集的现场气象信息、电力信息、设备状态及区域上一级管理系统调度信息传送至实时数据库；显示模块与分析模块连接，对分析结果具象化呈现，实现人机交互；管理模块与实时数据库、预测模块及分析模块连接，根据实时数据库中的调度指令，预测模块形成的发电计划，分析模块形成的节能策略，并结合潮流稳定技术、并离网自动切换技术和经济运行控制技术，形成控制策略；控制模块与管理模块连接，对控制策略统一梳理后，形成控制指令，下发给各设备；通过以上模块的协调运行，实现多能互补系统的能量管理。