CN107968429B - 一种光储充系统能量管理装置、系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光储充系统能量管理装置、系统，包括：主程序，Modbus规约库和GOOSE规约库、Xml规约库、104规约库、组态监视工具、实时操作系统和硬件层；所述硬件层采集与其连接的外围设备的实时运行信息并上送至主程序；组态监视工具用于对能量管理装置的运行状态进行监视，同时对能量管理装置的参数、规约库、能量管理控制策略进行配置；本发明有益效果：本发明系统主要针对光储充一体化充电站微网应用，优化架构，策略执行实时性高。能量管理系统采用VxWorks实时操作系统，具有多任务、可抢占、可预测的任务同步机制，保障能量管理策略指令的有序、高效执行。
Description
技术领域
本发明涉及光储充微电网系统技术领域，尤其涉及一种光储充系统能量管理装置、系统。
背景技术
微电网是一种将可再生能源发电、(风、光、水力等)清洁能源发电、储能装置及各类负载集成在一起的新型能源系统供及模式，正在受到越来越多的应用关注。光、储、充一体化充电站(以下简称：光储充电站)作为一种新型微网架构，涉及光伏发电、电池储能、电动汽车充电一体化供能组合，同时保持与大电网调度的双向互动，运行工况复杂，迫切需要一种能量管理装置，进行系统工况监测与管理。
微电网技术是推动可再生能源利用和分布式发电的重要途径，备受世界各国重视，已成为现代电力系统最重要的发展方向之一。因此，研究微电网及其关键技术具有重要的理论意义和应用价值，可获得重大的经济和社会效益。根据连接母线电流形式的不同，微电网可以分为交流微电网和直流微电网。交流微电网是目前微电网的主要形式，且大多数的负荷也是交流供电。然而,近几年新发展起来的直流微电网也体现出其独特的优势：当连接大量的直流输出型分布式电源时，需要较少的变换装置，降低了系统建设成本，并且无需考虑各微源之间同步和无功问题，控制上容易实现，在环流抑制上更具优势。但是随着分布式能源和储能技术的发展以及负荷类型的增加，结合交流微电网和直流微电网优点的新能源微电网具有结构灵活多样、负荷密度大、优势互补等特点，已成为未来微电网技术发展的必然趋势。新能源微电网具有非常明显的特点:(1)新能源微电网系统包括交流子系统(交流母线)、直流子系统(直流母线)、交直流母线间双向AC/DC变换器；(2)既可以直接向交流负载供电，又可以直接向直流负载供电，降低因多重变换器带来的损耗；(3)交、直流子系统间功率可双向流动，各子系统可独立控制也可协调控制，混合微电网可以在并网模式与孤岛模式之间切换运行。
随着我国电动汽车产量的快速攀升，依托国内相关政策及新能源发展方向，国家对充电设施建设布局规划的投入逐年加大，作为能源互联网的重要入口之一，“光伏+储能+充电设施”的市场应用迅速兴起。近年来，国家新能源政策的不断利好，电动汽车充电桩建设数量的急剧增加,进而导致电力系统末端配网容量愈发紧张，光储充电站作为一种就地“就地发电，就地消纳”的供能平衡模式，配网末端增加负荷的同时，不必对旧配网容量进行升级改造，因而受到众多用户业主的青睐，此模式的应用推广，可为电动汽车的发展提供有效的配套保障。
通过光伏发电技术、动力电池储能技术、快速充电技术，规划建设由光伏发电、锂电池储能系统、电动汽车充电桩及能量管理系统等组成的分布式光伏储能充电站，可提高充电站内清洁能源利用比率，达到节能减排，降低配电网络的用电成本，推动智能电网建设具有重要的意义。
现有技术中，对于微电网系统的能量管理主要采用传统通信系统架构，或是简单的数据汇总、收集，实时性、扩展性差，对于微网系统运行策略不完善。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述难题，提供了一种光储充系统能量管理装置、系统，该装置及系统包含多种优化运行策略，能够实现对整个光储充电站的优化调度及能量管理工作，同时保障能量管理策略指令的有序、高效执行。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种光储充系统能量管理装置，包括：主程序，Modbus规约库和GOOSE规约库、Xml规约库、104规约库、组态监视工具、实时操作系统和硬件层；
所述硬件层采集与其连接的外围设备的实时运行信息并上送至主程序；组态监视工具用于对能量管理装置的运行状态进行监视，同时对能量管理装置的参数、规约库、能量管理控制策略进行配置；
所述主程序通过加载Modbus规约库、GOOSE规约库、Xml规约库和104规约库与外围设备通过网络进行通信，将能量管理控制策略执行的结果转化成相应的控制指令，经过实时操作系统的任务调度实时精确地与外围设备进行交互控制；实现对电网、光伏、PCS储能系统及充电桩之间的优化分配。
进一步地，所述主程序包括：
数据转发模块：根据定制的转发表，将采集的数据经过处理后调用通讯规约库接口发送到不同的转发通道，另一方面将通讯规约库收取的控制命令经过映射转换后下发给主进程，并对链路进行管理维护；
模型加载模块：通过调用xml解析库的接口，完成配置文件的加载；
数据处理模块：将规约收到的数据进行解析处理，存储在实时数据表内，Modbus可直接通过访问实时数据表获取所需数据；
数据采集模块：通过规约与设备通讯，接收上送的变化数据，然后通知程序进行转发表数据处理、维护工具数据处理，并把数据写入实时数据共享内存；
规约管理模块：负责Modbus通信规约和GOOSE规约的报文封装，发送至对应接口；对接收到的报文进行合法性判断，并解析得到所需数据；
能量管理策略模块：用于实现各种优化运行策略的算法实现；
远方控制模块:控制命令通过逻辑链路、规约接口，规约内部组遥控命令帧下发至设备；
线程池管理模块:线程池管理通讯服务、实时数据服务和策略服务线程，管理各线程的优先级和运行状态；同时负责各线程的优先级设置、退出标识设置、关闭及删除操作；
日志管理模块:用于记录程序运行信息、操作信息和维护信息为开发调试过程提供调试信息；
维护工具：用于实现模型文件修改配置、能量管理装置参数配置和运行模式配置。
进一步地，所述数据转发模块包括：
测量数据上传单元：用于将测控装置、孤岛保护装置、变流器设备的遥测数据进行转发上传至与光储充系统能量管理装置连接的上位机进行数据处理以及数据、曲线功能展示；
远方控制转发单元：将上位机下发的遥控数据、能量管理遥控指令下发至测控装置的遥控接口，用于遥控电气执行控分、控合动作；
数据缓存单元：用于通信数据缓冲；
转发通道管理单元：用于每个外围转发设备接口的管理，使每个设备与相应转发通道相应匹配，保护设备数据的独立性。
进一步地，所述能量管理策略模块实现的优化运行策略包括：
并网启动控制策略、孤网启动控制策略、主动并网转孤网控制策略、被动并网转孤网控制策略、主动孤网转并网控制策略、并网多能优化策略、孤网多能优化策略。
进一步地，所述并网多能优化策略具体为：
当光伏系统发电充足时：优先直供负荷；如果发电大于负荷，则储能系统储能；如果不需储能，则光伏发电回馈电网；
当光伏系统发电不足时：光伏系统不出力；
对于储能PCS：
当SOC充足时，判断是否为用电高峰，如果是用电高峰，则电能回馈；如果非用电高峰，则优先用光能，其次用大电网供能；
当SOC不足时，等待光伏充储能，等待谷时储能，微网由大电网供能；
当光伏发电、储能电量不足时，负载由大电网供电。
进一步地，所述孤网多能优化策略具体为：
当光伏系统发电充足时：优先直供负荷；发电大于负荷时，再考虑给储能系统储能；如果储能不需蓄能，则光伏发电不出力；
当光伏系统发电不足时：忽略光伏出力；
当SOC充足时，判断是否为用电高峰，如果是用电高峰，则电能回馈；如果非用电高峰，则优先用光能，其次用大电网供能；当SOC不足时，等待光伏充储能，等待谷时储能；如果低于SOC下限，启动孤转黑控制策略。
进一步地，所述能量管理策略模块实现的优化运行策略还包括：计划并转黑控制策略和计划孤转黑控制策略。
进一步地，所述日志管理模块输出的日志分为运行日志、操作日志和维护日志，日志采用滚动存储的方式记录。
一种光储充系统能量管理系统，包括：权利要求1-8所述的任一种光储充系统能量管理装置，所述光储充系统能量管理装置通过通信网络分别与电网、光伏逆变器、电池管理系统、充电桩、PCS以及测控装置进行通信，实现对整个光储充电站的优化调度及能量管理工作，同时与DCS监控系统实现双向数据传输与展示。
本发明的有益效果：
本发明系统主要针对光储充一体化充电站微网应用，优化架构，策略执行实时性高。
能量管理系统采用VxWorks实时操作系统，具有多任务、可抢占、可预测的任务同步机制，保障能量管理策略指令的有序、高效执行。
采用国网变电站网络通信标准IEC61850(goose、mms)规约，实现智能测控设备间互操作和信息共享，即能保证系统实时性的同时(goose)，又确保与多厂家设备的互联互通、即插即用(mms)。同时支持标准电力工业协议Modbus、Modbus TCP、IEC103、IEC104协议。
标准工业硬件平台，英特尔凌动TM处理器N455/D525系列、无风扇设计、内存2GBDDR3表贴内存、32G工业级固态、6网口千兆网络接口、工作温度：-20～+70℃，稳定性可靠性高。
能量管理策略丰富，包含并网启动控制策略、孤网启动控制策略、主动并网转孤网控制策略、被动并网转孤网控制策略、主动孤网转并网控制策略、并网多能优化、稳定策略、孤网多能优化、稳定策略等优化运行策略，能够实现对电网、光伏、PCS储能系统及充电桩之间的优化分配。
附图说明
图1是本发明能量管理装置结构图；
图2是本发明主程序功能示意图；
图3是本发明能量管理控制策略状态图；
图4是本发明能量管理系统结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
本发明公开了一种光储充系统能量管理装置，装置采用英特尔凌动TM处理器、无风扇设计、内存2GB DDR3表贴内存、1个VGA、硬盘32G工业级固态、6网口千兆网络接口、2串口、键盘及鼠标接口、内置VxWorks运行操作系统及硬件驱动。如图1所示，包括：主程序，Modbus规约库和GOOSE规约库、Xml规约库、104规约库、组态监视工具、实时操作系统和硬件层。
硬件层采集与其连接的外围设备(包括：电网、光伏逆变器、电池管理系统、充电桩、PCS以及测控装置)的实时运行信息并上送至主程序；主程序通过加载Modbus规约库和GOOSE规约库、104规约库、Xml规约库等与外围设备(孤岛保护、变流器、测控装置)通过网络通信进行互联互通，将能量管理控制策略执行的结果转化成相应的控制指令，实时操作系统VxWorks的任务调度实时精确与外围设备进行交互控制；组态监视工具用于对能量管理装置参数、规约库、策略等功能进行配置与运行状态监视。
其中，能量管理装置主程序功能如图2所示，包括：
模型加载：模型加载模块通过调用xml解析库的接口，完成主程序配置文件的加载，在内存中建立模型(采集对象模型、转发对象模型)，并对各类对象进行分类管理，同时提供接口给其他模块访问模型数据。模型加载是主程序初始化的第一项工作，模型数据是主程序运行的基础，这就要求模型加载模块具有高效性、完整性与准确性。
数据采集:数据处理模块通过规约与设备通讯，接收上送的变化数据，然后通知程序进行转发表数据处理、维护工具数据处理，并把数据写入实时数据共享内存。
数据转发:主程序的数据转发模块主要是根据定制的转发表，将采集的数据经过处理后调用通讯规约库接口发送到不同的转发通道，另一方面将通讯规约库收取的控制命令经过映射转换后下发给主进程，并对链路进行管理维护；共包括测量数据上传、远方控制转发、数据缓存和转发通道管理四个子功能单元。
测量数据上传单元：用于将测控装置、孤岛保护装置、变流器等设备遥测数据进行转发上传至DCS，经DCS进行数据处理进行数据、曲线等功能展示。
远方控制转发单元：将DCS系统下发的遥控数据、能量管理系统遥控指令等下发至测控装置的遥控接口，用于遥控电气执行控分、控合动作。
数据缓存单元：用于通信数据缓冲，保证相关指令、数据有序执行、不丢失。
转发通道管理单元：用于每个外围转发设备接口的管理，使每个设备与相应转发通道相应匹配，保护设备数据的独立性。
数据处理:数据处理模块将规约收到的数据进行解析处理，存储在实时数据表内，Modbus可直接通过访问实时数据表获取所需数据。
规约管理:规约管理模块主要负责Modbus通信规约和GOOSE规约的报文封装，发送至对应接口；对接收到的报文进行合法性判断，并解析得到所需数据。
能量管理策略包括并网启动控制策略、孤网启动控制策略、主动并网转孤网控制策略、被动并网转孤网控制策略、主动孤网转并网控制策略、并网多能优化、孤网多能优化等优化运行策略算法实现。
远方控制:控制命令通过逻辑链路、规约接口，规约内部组遥控命令帧下发至设备。
线程池管理:线程池管理通讯服务、实时数据服务、策略服务等线程，管理线程的优先级和运行状态；同时负责各线程的优先级设置、退出标识设置、关闭及删除等操作。
通讯管理:网络、串口等通讯模式的通道建立、设置、关闭等管理。
日志管理:日志功能主要用来记录程序运行信息、操作信息和维护信息，除此之外，还为开发调试过程提供调试信息。输出的日志分为运行日志、操作日志和维护日志，日志采用滚动存储的方式记录。
维护工具：模型文件修改配置、能量管理装置参数、运行模式配置，加快调试、实施进度，方便状态监测与故障排查。
本发明的能量管理控制策略状态图如图3所示，包括：并网启动控制策略、孤网启动控制策略、主动并网转孤网控制策略、被动并网转孤网控制策略、主动孤网转并网控制策略、并网多能优化、孤网多能优化、计划并转黑控制、计划孤转黑控制等优化运行策略算法实现。
作为一种实施方式，本发明的并网多能优化策略具体为：
(1-1)储能：锂电池(PCS作P/Q运行，SOC大于95％)、铅碳(PCS作P/Q运行，SOC大于95％)；
(1-2)光伏：变流器依次并入微电网
(1-3)负荷：基本由分布式能源供电。
并网下电源故障：
电源故障时：故障电源自动停机，单独切除；
并网优化运行：光伏、储能、电网
当光伏系统发电充足时：优先直供负荷，发电大于负荷，考虑给储能储能，
不需储能，光伏发电回馈电网
当光伏系统发电不足时：光伏系统不出力
储能PCS：
当SOC充足时，判断是否为用电高峰，高峰时电能回馈，非用电高峰，优先用光能，其次用大电网供能。
当SOC不足时，等待光伏充储能，等待谷时储能，微网由大电网供能
当光伏发电、储能电量不足时，负载由大电网供电。
本发明的孤网多能优化策略具体为：
(2-1)在主电源稳定的前提下，顺序并入光伏系统(投切光伏必须大于一定的时间间隔)；
(2-2)储能：锂电池(PCS作U/F运行，SOC上下限分别为40％和95％)、铅碳(PCS作P/Q运行，SOC上下限分别为40％和95％)。
孤网下主电源故障：
锂电作主电源时故障：因本项目为单一主电源，主电源故障，微网走转全黑流程；
孤网优化运行：
当光伏系统发电充足时：优先直供负荷，发电大于负荷(负荷停用或较小时)，再考虑给储能储能；储能不需蓄能，光伏发电不出力；当光伏系统发电不足时：忽略光伏出力
当SOC充足时，判断是否为用电高峰，高峰时电能回馈，非用电高峰，负载先用光能，其次用大电网电能。
当SOC不足时，等待光伏充储能，等待谷时储能，低于SOC下限，启动孤转黑策略。
需要说明的是，本发明中涉及到的储能PCS、P/Q、U/F具体含义解释如下：
储能PCS：储能电能转换系统，(用于交流、直流电能的转换，可用于电池电能的充放)。
P/Q：为PCS工作在主电源模式，在电网失电或处于独立系统时，设备可继续为各种负荷供电，能够稳定输出电压和频率，保障用户在电网掉电的突发状况下仍能正常生产和生活用电。
U/F：PCS工作并接大电网模式，在并网模式下储能变流器可以实现充电和放电功能。充电包括恒流充电、恒压充电。放电包括恒功率放电、恒流放电。
本发明进一步公开了一种能量管理系统，能量管理系统结构如图4所示，包括：
(1)分布式光伏并网发出的电能经过光伏逆变器转变成系统交流电，并通过PCS储能系统为锂电进行充电，实现绿色能源的存储；也可以直接给电动汽车充电实现绿色能源就地消纳，本地负荷不工作时，光伏系统可以向公共电网输出清洁电能。
(2)储能系统需经双向变流器(简称PCS)实现充、放电(在电网低价或光伏电能发电充足时，为电池系统充电，在电网断电或电价较高时，储能系统向母线负荷输出电能)为电动汽车充电桩及相关负荷提供功率输出，实现能量交换。
(3)能量管理装置将电网、光伏逆变器、电池管理系统(简称BMS)、PCS等当前的运行信息上送能量管理系统，能量管理系统通过智能管理、控制策略，实现对电网、光伏、PCS储能系统及充电桩之间的优化分配。
(4)能量管理装置是系统控制、通信的中心，DCS离散控制系统是系统数据显示、运行状态监控、数据记录的大屏调度。
DCS是能量管理装置的监控上位机。DCS离散控制系统由监控主站、数据采集服务器、数据采集及输出装置及监控屏幕组成，其中能量管理装置通过IEC61850控制协议实现对整个光储充电站的优化调度及能量管理工作，同时与DCS监控系统实现双向数据传输与展示。其中，能量管理装置采用VxWorks实时操作系统，保障能量管理策略指令的有序、高效执行。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种光储充系统能量管理装置，其特征在于，包括：主程序，Modbus规约库和GOOSE规约库、Xml规约库、104规约库、组态监视工具、实时操作系统和硬件层；
所述硬件层采集与其连接的外围设备的实时运行信息并上送至主程序；组态监视工具用于对能量管理装置的运行状态进行监视，同时对能量管理装置的参数、规约库、能量管理控制策略进行配置；
所述主程序通过加载Modbus规约库、GOOSE规约库、Xml规约库和104规约库与外围设备通过网络进行通信，将能量管理控制策略执行的结果转化成相应的控制指令，经过实时操作系统的任务调度实时精确地与外围设备进行交互控制；实现对电网、光伏、PCS储能系统及充电桩之间的优化分配；
所述主程序包括：
数据转发模块：根据定制的转发表，将采集的数据经过处理后调用通讯规约库接口发送到不同的转发通道，另一方面将通讯规约库收取的控制命令经过映射转换后下发给主进程，并对链路进行管理维护；
模型加载模块：通过调用xml解析库的接口，完成配置文件的加载；
数据处理模块：将规约收到的数据进行解析处理，存储在实时数据表内，Modbus可直接通过访问实时数据表获取所需数据；
数据采集模块：通过规约与设备通讯，接收上送的变化数据，然后通知程序进行转发表数据处理、维护工具数据处理，并把数据写入实时数据共享内存；
规约管理模块：负责Modbus通信规约和GOOSE规约的报文封装，发送至对应接口；对接收到的报文进行合法性判断，并解析得到所需数据；
能量管理策略模块：用于实现各种优化运行策略的算法实现；
所述能量管理策略模块实现的优化运行策略包括：
并网启动控制策略、孤网启动控制策略、主动并网转孤网控制策略、被动并网转孤网控制策略、主动孤网转并网控制策略、并网多能优化策略、孤网多能优化策略；
远方控制模块:控制命令通过逻辑链路、规约接口，规约内部组遥控命令帧下发至设备；
线程池管理模块:线程池管理通讯服务、实时数据服务和策略服务线程，管理各线程的优先级和运行状态；同时负责各线程的优先级设置、退出标识设置、关闭及删除操作；
日志管理模块:用于记录程序运行信息、操作信息和维护信息为开发调试过程提供调试信息；
维护工具：用于实现模型文件修改配置、能量管理装置参数配置和运行模式配置。
2.如权利要求1所述的一种光储充系统能量管理装置，其特征在于，所述数据转发模块包括：
测量数据上传单元：用于将测控装置、孤岛保护装置、变流器设备的遥测数据进行转发上传至与光储充系统能量管理装置连接的上位机进行数据处理以及数据、曲线功能展示；
远方控制转发单元：将上位机下发的遥控数据、能量管理遥控指令下发至测控装置的遥控接口，用于遥控电气执行控分、控合动作；
数据缓存单元：用于通信数据缓冲；
转发通道管理单元：用于每个外围转发设备接口的管理，使每个设备与相应转发通道相应匹配，保护设备数据的独立性。
3.如权利要求1所述的一种光储充系统能量管理装置，其特征在于，所述并网多能优化策略具体为：
当光伏系统发电充足时：优先直供负荷；如果发电大于负荷，则储能系统储能；如果不需储能，则光伏发电回馈电网；
当光伏系统发电不足时：光伏系统不出力；
对于储能PCS：
当SOC充足时，判断是否为用电高峰，如果是用电高峰，则电能回馈；如果非用电高峰，则优先用光能，其次用大电网供能；
当SOC不足时，等待光伏充储能，等待谷时储能，微网由大电网供能；
当光伏发电、储能电量不足时，负载由大电网供电。
4.如权利要求1所述的一种光储充系统能量管理装置，其特征在于，所述孤网多能优化策略具体为：
当光伏系统发电充足时：优先直供负荷；发电大于负荷时，再考虑给储能系统储能；如果储能不需蓄能，则光伏发电不出力；当光伏系统发电不足时：忽略光伏出力；
对于储能PCS：当SOC充足时，判断是否为用电高峰，如果是用电高峰，则电能回馈；如果非用电高峰，则优先用光能，其次用大电网供能；当SOC不足时，等待光伏充储能，等待谷时储能；如果低于SOC下限，启动孤转黑控制策略。
5.如权利要求1所述的一种光储充系统能量管理装置，其特征在于，所述能量管理策略模块实现的优化运行策略还包括：计划并转黑控制策略和计划孤转黑控制策略。
6.如权利要求1所述的一种光储充系统能量管理装置，其特征在于，所述日志管理模块输出的日志分为运行日志、操作日志和维护日志，日志采用滚动存储的方式记录。
7.一种光储充系统能量管理系统，其特征在于，包括：权利要求1-6所述的任一种光储充系统能量管理装置，所述光储充系统能量管理装置通过通信网络分别与电网、光伏逆变器、电池管理系统、充电桩、PCS以及测控装置进行通信，实现对整个光储充电站的优化调度及能量管理工作，同时与DCS监控系统实现双向数据传输与展示。
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