CN106451415A - 一种基于分布式协调方法的微电网电力交易系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于分布式协调方法的微电网电力交易系统，其特征在于，包括微电网、ZigBee模块、继电器模块，利用ZigBee模块作为微电网电力交易系统中的分布式存储设备，将每个微电网的电量信息分布存放，每个ZigBee模块只要接收相邻智能体的信息进行数据更新，巧妙的结合了ZigBee网状网特性，具有低成本、低复杂度的特性。采用ZigBee无线网状网，网络中各ZigBee模块是平等独立的，没有主从地位之分，即使个别智能体发生故障无法参与电力交易，也不会造成电力系统的大面积瘫痪，其他部分仍能正常工作、制定价格；在一定程度上大大提高了无线网络的安全性。

Description

一种基于分布式协调方法的微电网电力交易系统
技术领域
本发明涉及智能电网领域，更具体地，涉及一种基于分布式协调方法的微电网电力交易系统。
背景技术
分布式发电技术是近年来电力系统的关键技术之一，它打破了原来集中大型发电的格局，它具有支持分布式新能源、独立组网运行等诸多优点。微电网是分布式发电系统的组成单元。将发电装置、储能设备、负载以及控制传输系统等结合起来，构成一个输出功率可控的微型电力网。微电网既可以并网运行，向外部电网输出多余的电能或由外部电网补充自身发电量的不足，也可以独立运行，由内部的电源用户向负载用户供电，这其中涉及到电力的交易，因而构建一个合理的微电网内部交易系统是必要的。
然而，国际上还没有微电网参与电力交易的先例，这个交易机制仍处于摸索阶段，还未拥有成熟的竞争体制。但随着微电网技术的日益成熟及环保的需求，微电网各用户参与电力价格制定是必然的趋势。因此，微电网的市场化是未来电网发展的一个方向，值得深入研究。
目前，国内外对微电网内部的竞争机制、价格策略和分布式管理策略问题缺乏系统性的研究。针对微电网自身间歇性强，调控实时性要求高，需求多样化等新特点，对微电网群的分布式电力交易策略进行研究。基于分布式算法的理论基础和关键技术，如何有效利用当地和附近节点信息，考虑基于供电服务质量的竞争机制，设计合适的分布式电力交易算法，构建合理的交易体系，在满足用户基本用电权利的同时激励微电网提高服务质量与管理效率，已成为当今电力系统研究的热门。
目前已知的微电网中的电力交易系统研究的文献主要有：
[1]A.L.Dimeas and N.D.Hatziargyrious,"Operation of a multiagentsystem for microgrid control,"IEEE Trans.Power Syst.,vol.20,no.3,pp.24-34,2015.
[2]F.Eddy,H.B.Gooi,S.X.Chen,"Multi-agent system for distributedmanagement of microgrids,"IEEE Trans.Power Syst.,vol.30,no.1,pp.24-34,2015.
[3]C.Huang and S.Sarkar,"Dynamic pricing for distributed generationin smart grid,"2013IEEE Green Technologies Conference,pp.422-429,April 2013.
[4]S.Li,G.Oikonomou,T.Tryfonas,T.M.Chen,and L.D.Xu,"A distributedconsensus algorithm for decision making in service-oriented internet ofthings,"IEEE Trans.Ind.Informat,vol.10,no.2,pp.1461-1468,May 2014.
[5]N.R.Asr,Z.Zhang,M.Chow,"Consensus-based distributed energymanagement with real-time pricing,"2013IEEE Power and Energy Society GeneralMeeting(PES),pp.1-5,July 2013.
其中，文献【1】基于多重代理操作系统的微网控制系统。通过多智能体技术的优势来控制微网并且基于对称分配问题的经典分布式算法来达到能量最优。文献【2】微网分布式管理的多代理系统，微电网为了获得一定的利益参与市场交易，在对电量购买方和售电方效益最大化时，微电网先对自身效益评估，如果低于自身效益则拒绝，等待下一场交易。文献【3】微电网分布式发电的动态价格，阐述了一种特殊的微电网参与电力市场的交易模型。它提出了一个叫价过程，通过微电网之间、微电网和配电网之间的交易，每个角色都达到了最优。文献【4】在面向服务的物联网中的分布式一致性算法，每个微电网都可以与附近的微电网进行双向通信，基于本地信息随后结合以迭代方式达成一致的过程。文献【5】基于一致性算法的分布式能源管理和实时定价。通过提出新型分布式处理能量管理方法下的智能电网可分派分布式发电机和响应负载，使用实时定价和网络一致性使效益最大化。
上述的文献所运用的方法虽然可以实现与其相对应的目的，但是仍然存在一些不足之处：
1、这种机制中，它只在乎总体效益的最佳，竞争因素被忽略，模型中微电网比较理想化，及时性和操作性较差，不符合现实情况。
2、这种机制中的微电网并不是完全无私的，但是竞争因素并没有完全体现出来。
3、这种情况下的市场平衡是最理想的平衡，只有微电网成本满足特定的要求时才能实现，但是基于实际情况下微电网的异构性，这种理想状态是很难符合的。
4、该算法仍属于“部分分布式算法”，它最主要的缺点，该模型不能脱离主协调器，需要主协调器来收集总的用电量信息并制定和发布下一次迭代电力价格。
5、该模型中也还是需要一个领导智能体来发布系统中总的功率平衡信息。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于分布式协调方法的微电网电力交易系统，根据各微电网的发电量和用电量进行决策，调节当前电价，使微电网用电与发电趋于一致。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于分布式协调方法的微电网电力交易系统，包括：
微电网：其数目为若干个，微电网包括发电设备和用电设备；
ZigBee模块：其数目为若干个，各ZigBee模块对应设置于各微电网中，ZigBee模块包括无线通信模块和存储模块，各ZigBee模块通过无线通信模块能够自行组网并传输数据，存储模块用于存储所属微电网的发电量和用电量；相邻的ZigBee模块之间能够进行发电量和用电量信息的交流，根据各微电网的发电量和用电量进行决策，调节当前电价，使微电网用电与发电趋于一致；
继电器模块：继电器模块连接在ZigBee模块和用电设备之间，通过ZigBee模块发送命令控制继电器模块的开启或闭合，实现用电设备的接入或断开的功能。
在一种优选的方案中，所述用电设备包括照明设备，所述继电器模块为光电耦合继电器驱动模块或固态继电器。
在一种优选的方案中，所述用电设备包括还电机设备，电机设备通过电机驱动模块与ZigBee模块连接，ZigBee模块发送指令控制电机驱动模块，使电机设备按照指定的转速和转向来转动。
在一种优选的方案中，所述Zigbee模块采用分布式协调算法，建立发电、用电和电价三者之间的关系，进行决策，具体方法为：
在微电网电力交易系统中，通过Zigbee模块收集各个微电网t0时刻的发电量Pi(t0)和负载用电量Li(t0),此时刻的电价为r(t)；其中，i为微电网的序号；发电量多于用电量，即Pi(t0)>Li(t0)时，发电量过多，微电网内将会调节电价，电价下降；电价的降低，促进各微电网内用户的用电量增加，发电量将逐渐减少；通过分布式算法，反复作用协调，二者将趋于平衡，电价也会随之趋于稳定。
利用了供求平衡关系，建立了发电、用电和电价三者之间的关系，微电网内的所有用户都参与电价的调整。因此，该系统更加符合现实情况，更能满足用户需求。
在一种优选的方案中，微电网的ZigBee模块开启后自动加入ZigBee网络中，考虑到各个ZigBee模块加入ZigBee网络的顺序不同、信息传输及数据处理有时延、定时器触发时序，通过加入延时子程序或设置标志位来实现各ZigBee模块的同步。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1)利用ZigBee模块作为微电网电力交易系统中的分布式存储设备，将每个微电网的电量信息分布存放，每个ZigBee模块只要接收相邻智能体的信息进行数据更新，巧妙的结合了ZigBee网状网特性，具有低成本、低复杂度的特性。
2)系统采用ZigBee无线网状网，网络中各ZigBee模块是平等独立的，没有主从地位之分，即使个别智能体发生故障无法参与电力交易，也不会造成电力系统的大面积瘫痪，其他部分仍能正常工作、制定价格；在一定程度上大大提高了无线网络的安全性。
3)采用分布式协调算法，具有控制任务分散到各控制对象，任务简单明确；系统实时性、可靠性高；系统拓扑结构相对简单。
附图说明
图1为本发明微电网电力交易系统的示意图。
图2为Zigbee模块组网的示意图
图3为多个ZigBee模块中协调器和终端节点程序流程图。
图4为本发明所采用的多个ZigBee模块之间的信息传输过程示意图。
图5为设置标识符的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1-2所示，本实施例提供一种基于分布式协调方法的微电网电力交易系统，包括：
微电网：其数目为若干个，微电网包括发电设备和用电设备；
ZigBee模块：其数目为若干个，各ZigBee模块对应设置于各微电网中，ZigBee模块包括无线通信模块和存储模块，各ZigBee模块通过无线通信模块能够自行组网并传输数据，存储模块用于存储所属微电网的发电量和用电量；相邻的ZigBee模块之间能够进行发电量和用电量信息的交流，根据各微电网的发电量和用电量进行决策，调节当前电价，使微电网用电与发电趋于一致；
继电器模块：继电器模块连接在ZigBee模块和用电设备之间，通过ZigBee模块发送命令控制继电器模块的开启或闭合，实现用电设备的接入或断开的功能。
在具体实施过程中，所述用电设备包括照明设备，所述继电器模块为光电耦合继电器驱动模块或固态继电器。
在具体实施过程中，所述用电设备包括还电机设备，电机设备通过电机驱动模块与ZigBee模块连接，ZigBee模块发送指令控制电机驱动模块，使电机设备按照指定的转速和转向来转动。
在具体实施过程中，所述Zigbee模块采用分布式协调算法，建立发电、用电和电价三者之间的关系，进行决策，具体方法为：
在微电网电力交易系统中，通过Zigbee模块收集各个微电网t0时刻的发电量Pi(t0)和负载用电量Li(t0),此时刻的电价为r(t)；其中，i为微电网的序号；发电量多于用电量，即Pi(t0)>Li(t0)时，发电量过多，微电网内将会调节电价，电价下降；电价的降低，促进各微电网内用户的用电量增加，发电量将逐渐减少；通过分布式算法，反复作用协调，二者将趋于平衡，电价也会随之趋于稳定。
利用了供求平衡关系，建立了发电、用电和电价三者之间的关系，微电网内的所有用户都参与电价的调整。因此，该系统更加符合现实情况，更能满足用户需求。
在具体实施过程中，微电网的ZigBee模块开启后自动加入ZigBee网络中，考虑到各个ZigBee模块加入ZigBee网络的顺序不同、信息传输及数据处理有时延、定时器触发时序，通过加入延时子程序或设置标志位来实现各ZigBee模块的同步。
实施例2
本实施搭建了仿真模型和硬件实验平台验证本发明微电网电力交易系统的模拟运行状态，验证该方法的有效性和可靠性。
(1)微电网电力交易系统硬件平台的构建：
在本方案中采用ZigBee模块作为分布式存储设备，每个ZigBee模块仅存储该微电网发电产生或用电使用的电量，这对内存及计算能力有限的ZigBee模块是足够承受的。
首先，合理布设微电网内各个ZigBee模块，设定一个节点作为协调器，建立一个ZigBee无线智能网络。然后，经过授权的、作为终端设备的其他智能节点能够自动搜索并且申请加入该网络中，智能体之间可以互相通信；
其次，各ZigBee模块分别存储对应用户的发电或用电信息，同时仅接收相邻ZigBee模块的电量信息用来更新自身的数据，并将更新后的数据信息传输到显示模块，显示出每个ZigBee模块中的电量变化情况。
最后，各ZigBee模块间的用电、发电量在分布式算法的作用下，在微电网内部二者趋于平衡。此时将继电器、电机驱动器接入智能网络中，根据发电与用电情况，各智能体通过写入指令，控制继电器的闭合，实现照明设备的自动接入与断开；同时控制电机驱动器运转，实现转动设备的停止、运转方向及速度。所述的ZigBee无线智能网络：各智能体自动搜索并加入无线网络，这是依靠无线数据传输进行通信；它能够周期性获取并更新各节点的信息，并在显示模块上实时显示出来。
(2)具体阐述发电量、用电量与电价之间的关系：
假设交易系统中m个发电装置，n个用电负载，每个用户的智能模块收集到t0时刻的发电量Pi(t0)，负载用电量Li(t0),此时刻的电价为r(t)。假设发电量多余用电量Pi(t0)>Li(t0)，即ΔP(tk)＞0；通过供求平衡关系，发电量过多，用电量过少，这种不平衡关系使得电价发生调整。故t+1时刻的电价r(t+1)将降低，得：
r(t+1)＝r(t)-krΔp(tk)；
此时电力价格的降低又会反过来调节微电网内用户的发电量或负载的用电量，故此时的发电量Pi(t+1)0将会减少，得：
Pi(t+1)0＝Pi(t0)-kg(r(t+1)-r(t))；
相对应的负载的用电量Li(t+1)0将会增加，得：
Li(t+1)0＝Li(t0)+kl(r(t+1)-r(t))；
如此反复，三者相互影响，相互作用，直到用电量与发电量平衡，微电网内电量不再有盈余或不足，此时电价稳定不再发生变化，从而得到一个明确合理的电力价格。
其中kr是电价波动因子，kg是电价对发电影响因子，kl是电价对负载用电影响因子。
(3)各智能体信息传输的同步性，方法有两种：
第一种，在接收函数中插入一个延时函数，延迟时间根据定时器的周期估计设定的。由于每个ZigBee模块加入网络的时序不一致等因素，因而每个ZigBee模块中延时函数的延迟时间不一样，需要多次调整以达到更好的同步。
第二种，所有ZigBee模块中，传输信息的数组中预留最后一位设置为flag标志位，传输数据信息的同时传输标志位，通过flag标志位来判断相邻ZigBee模块是否接受完毕，能否进行下一个周期的数据发送和接收。
下面为具体的仿真模型结果：
其中中每一行每一列之和都为1。
如图3所示，假设初始时刻收集到的电量数据信息，节点1(ZigBee模块1)数值为40.00，表示用户(微电网)1发电量为40；节点2的数值为60.00，表示用户2体发电量为60；节点3数值为-90.00，表示用户3用电量为90。ZigBee节点4接固态继电器和LT-518测量模块。节点1和节点3接继电器模块和照明设备，照明设备接在常闭端口上；节点2接电机驱动模块和转动设备。此时，设置节点1、3照明设备初始电量分别为3和5。
经过分布式协调方法后，模拟得出结果：节点1照明设备仍是亮，节点3照明设备由亮变暗；节点2上的转动设备运转情况：顺时针转动变慢—停止—逆时针转。
上述情形中，微电网内的发电量与用电量不平衡。通过分布式协调算法，经过k次迭代之后，多个节点电量趋于全局一致性。理论上，所有节点的数值将会趋于它们三者的平均数，也就是3.33，由于存在同步性问题和截断误差，导致各节点所得结果与理论值存在误差。
表1是各个ZigBee模块节点通过串口显示出的结果：
表1
表2是在接收数据程序块加入延时子程序得到的结果：
表2
分析：节点1所接照明设备的用电量小于协调后的电量，故继电器吸合，照明设备仍通电；同样，节点2的电机驱动模块运转，驱动转动设备运转方向、速度等；节点3用电设备的电量小于平衡后的电量，继电器断开，照明设备由亮变暗。上述仿真模拟平台实现用电设备自行判断电量使用情况完成一系列智能操作，无需人工管理。
同步性问题，参照图4和图5，设置发送信息、接收信息的指针都为8位，最后一位设为标志位flag位，初始值设为0，该位是用来判断相邻ZigBee节点的数据是否接收完毕。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于分布式协调方法的微电网电力交易系统，其特征在于，包括：
微电网：其数目为若干个，微电网包括发电设备和用电设备；
ZigBee模块：其数目为若干个，各ZigBee模块对应设置于各微电网中，ZigBee模块包括无线通信模块和存储模块，各ZigBee模块通过无线通信模块能够自行组网并传输数据，存储模块用于存储所属微电网的发电量和用电量；相邻的ZigBee模块之间能够进行发电量和用电量信息的交流，根据各微电网的发电量和用电量进行决策，调节当前电价，使微电网用电与发电趋于一致；
继电器模块：继电器模块连接在ZigBee模块和用电设备之间，通过ZigBee模块发送命令控制继电器模块的开启或闭合，实现用电设备的接入或断开的功能。
2.根据权利要求1所述的基于分布式协调方法的微电网电力交易系统，其特征在于，所述用电设备包括照明设备，所述继电器模块为光电耦合继电器驱动模块或固态继电器。
3.根据权利要求1所述的基于分布式协调方法的微电网电力交易系统，其特征在于，所述用电设备包括还电机设备，电机设备通过电机驱动模块与ZigBee模块连接，ZigBee模块发送指令控制电机驱动模块，使电机设备按照指定的转速和转向来转动。
4.根据权利要求1所述的基于分布式协调方法的微电网电力交易系统，其特征在于，所述Zigbee模块采用分布式协调算法，建立发电、用电和电价三者之间的关系，进行决策，具体方法为：
在微电网电力交易系统中，通过Zigbee模块收集各个微电网t0时刻的发电量Pi(t0)和负载用电量Li(t0),此时刻的电价为r(t)；其中，i为微电网的序号；发电量多于用电量，即Pi(t0)>Li(t0)时，发电量过多，微电网内将会调节电价，电价下降；电价的降低，促进各微电网内用户的用电量增加，发电量将逐渐减少；通过分布式算法，反复作用协调，二者将趋于平衡，电价也会随之趋于稳定。
5.根据权利要求1所述的基于分布式协调方法的微电网电力交易系统，其特征在于，微电网的ZigBee模块开启后自动加入ZigBee网络中，考虑到各个ZigBee模块加入ZigBee网络的顺序不同、信息传输及数据处理有时延、定时器触发时序，通过加入延时子程序或设置标志位来实现各ZigBee模块的同步。
6.根据权利要求1所述的基于分布式协调方法的微电网电力交易系统，其特征在于，所述微电网电力交易系统还包括与ZigBee模块连接的显示模块，用于显示出每个ZigBee模块的电量变化情况。
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