CN109302303A - 一种多能互补能源互联网分层控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多能互补能源互联网分层控制系统，包括能源互联网管理模块、分布式能源站、分布式能源控制器和现场仪表设备，所述能源互联网管理模块通过互联网与分布式能源站连接形成过程管理层，所述分布式能源站与分布式能源控制器通信连接形成过程控制层，所述分布式能源控制器与现场仪表设备通信连接形成现场层，控制信息流自上而下依次流过过程管理层流、过程控制层和现场层，现场数据流自下而上依次流过现场层、过程控制层和过程管理层。与现有技术相比，本发明具有降低复杂控制系统的设计难度，能够满足多能互补能源互联网开放性与灵活性要求等优点。

Description

一种多能互补能源互联网分层控制系统
技术领域
本发明涉及能源互联网控制技术领域，尤其是涉及一种多能互补能源互联网分层控制系统。
背景技术
随着互联网技术与可再生能源技术的发展和应用，发展多能互补的能源互联网，加快布局由单一能源进入到多种能源有机整合、集成互补的能源体系，成为了我国的能源发展趋势。
能源互联网含有多种形式能源，从能源供应侧角度看各种能源形式可以互补，从能源消费侧角度看各种用能形式可以相互替代，实现能源间的多能互补替代，有利于提高整个系统能源利用率，促进系统清洁能源消纳，有利于推动能源互联网的发展。根据面向对象的不同，多能互补能源互联网划分为两类，一类是面向终端用户，综合供应冷、热、电、天然气等多种形式的能源，主要采用冷热电三联供工艺，并通过余热回收利用设备回收发电余热，实现能源的梯级利用；另一类是面向能源开发，利用分布式能源站的太阳能、风能、天然气等资源组合优势，实现风、光、储多能互补。然而，目前关于多能互补能源互联网具体应用技术的研究不足，尤其是能源互联网控制技术方面。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多能互补能源互联网分层控制系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种多能互补能源互联网分层控制系统，包括能源互联网管理模块、分布式能源站、分布式能源控制器和现场仪表设备，所述能源互联网管理模块通过互联网与分布式能源站连接形成过程管理层，所述分布式能源站与分布式能源控制器通信连接形成过程控制层，所述分布式能源控制器与现场仪表设备通信连接形成现场层，控制信息流自上而下依次流过过程管理层流、过程控制层和现场层，现场数据流自下而上依次流过现场层、过程控制层和过程管理层。
过程管理层将分布式能源站与多能互补能源互联网管理模块连接，过程控制层实现分布式能源站分布式能源站控制器间的数据通信，现场层建立分布式能源站控制器与现场仪表设备之间的数据传输通道。
一种多能互补能源互联网分层控制系统，其特征在于，包括能源互联网管理模块、分布式能源站、分布式能源控制器和现场仪表设备，所述能源互联网管理模块通过互联网与分布式能源站连接形成过程管理层，所述分布式能源站与分布式能源控制器通信连接形成过程控制层，所述分布式能源控制器与现场仪表设备通信连接形成现场层，控制信息流自上而下依次流过过程管理层流、过程控制层和现场层，现场数据流自下而上依次流过现场层、过程控制层和过程管理层。
进一步地，所述过程管理层以企业广域网为核心，将分布式能源站中的各分布式能源子站、分布式用户子站与能源互联网管理模块中的生产管理中心、能量管理中心、云端服务器、远程监控中心进行有机结合。
进一步地，所述分布式能源子站和分布式用户子站的监控数据作为厂站信息化原始数据的主要来源。
进一步地，所述云端服务器实现控制信息流与现场数据流的实时管理，并对实时数据库和历史数据库进行维护。
进一步地，所述远程监控中心从云端服务器采集所需要的数据，实现对能源互联网环境下分布式能源站的运行管理。
进一步地，所述过程控制层采用100/1000Mbps的Industry Ethernet网络。
进一步地，所述现场层采用分散型外围设备现场总线Profibus-DP。
进一步地，所述分布式能源控制器设有多个，现场仪表设备采用广播方式上传检测数据供多个分布式能源控制器读取，同一时刻仅有一个分布式能源控制器向一个现场仪表设备发送控制指令。
进一步地，所述能源互联网管理模块与分布式能源站之间设有通信安全保障设备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用了层次化方法，将多能互补能源互联网的控制系统划分为过程管理层、过程控制层与现场层等三个功能不同的层级，降低复杂控制系统的设计难度。同时，针对不同层级进行控制系统设计的设计方法，能够满足多能互补能源互联网开放性与灵活性的要求。
2、本发明在分层控制系统的层级之间设置隔离措施，避免了添加新服务或扩充网络时对整体网络架构产生影响，增强了多能互补能源互联网控制网络的可靠性。
3、本发明分层控制系统各层级采用的控制网络形式不同，能够兼顾多能互补能源互联网内不同层级控制的实时性、可靠性要求与网络负载率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为实施例中多能互补能源互联网分层控制系统的过程管理层示意图；
图3为实施例中分布式能源子站过程管理层的实施示意图；
图4为实施例中分布式能源子站过程控制层与现场层的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明提供一种多能互补能源互联网分层控制系统，包括能源互联网管理模块、分布式能源站、分布式能源控制器和现场仪表设备，所述能源互联网管理模块通过互联网与分布式能源站连接形成过程管理层100，所述分布式能源站与分布式能源控制器通信连接形成过程控制层200，所述分布式能源控制器与现场仪表设备通信连接形成现场层300，控制信息流自上而下依次流过过程管理层流、过程控制层和现场层，现场数据流自下而上依次流过现场层、过程控制层和过程管理层。
过程管理层将分布式能源站与多能互补能源互联网管理模块连接，分布式能源站与多能互补能源互联网管理模块之间设置有防火墙104。能源互联网管理模块包括能量管理中心106、生产管理中心105、远程监控中心107和云端服务器108等。分布式能源站包括操作员站101、工程师站102和历史数据服务器103等。本实施例中，过程管理层采用100/1000Mbps的Industry Ethernet网络，通过网关、网桥等通信安全保障设备，将操作员站、工程师站、历史数据服务器等上位机设备互相连接。为保障过程管理层的可靠性，选用具有冗余管理功能的Industry Ethernet交换机，使控制网络层具备冗余通信功能。
过程控制层实现分布式能源站分布式能源站控制器间的数据通信。分布式能源站控制器201为现场控制站，具有多个。本实施例中，过程控制层以100/1000Mbps 的IndustryEthernet为核心网络，通过各类通信卡件，在底层自动化控制器与操作员站、工程师站、历史数据服务器等管理层上位机之间搭建数据传输通道，构建多能互补能源互联网分层控制系统的过程控制层。在过程控制层中，上位机设备通过 IE General通用网卡或CP1613Industry Ethernet网卡参与该控制层通信，读取现场仪表检测数据，向现场层设备传送标准控制信号。另一方面，自动化控制器将分布式I/O采集的现场数据通过CP443-1模块传送到过程控制层中，供上位机设备抓取，同时接收上位机发出的控制指令，最终实现分布式能源站运行过程的控制。
现场层建立分布式能源站控制器与现场仪表设备之间的数据传输通道。本实施例中，现场层选用分散型外围设备现场总线Profibus-DP，在自动化控制器与现场仪表、设备之间建立数据传输通道，构成多能互补能源互联网分层控制系统的现场层，实现对分布式能源设备运行工况的监测和运行方式的控制。在现场层中，变送器采用广播方式将检测数据上传到通信网络专供，多个控制器可以同时读取数据，而控制器之间则采用令牌环传递的方式获取总线使用权，同一时刻只能有一台控制器主站向从站发送控制指令。
实施例1
以图2为例，在该实例网络中，分层控制系统的过程管理层以企业广域网为核心，各分布式能源子站、分布式用户子站、生产管理中心、能量管理中心、云端数据中心、上级远程监控平台等通过企业广域网有机地结合在一起。在多能互补能源互联网的过程管理层中，能源子站与用户子站的监控数据是厂站信息化原始数据的主要来源；云端数据中心实现控制信息流与现场数据流的实时管理，从底层获取数据资源，形成一个实时数据库和历史数据库，并在该数据库的基础上开发管理应用软件，例如报表系统等；生产管理中心包括分布式能源管理系统、上位机监控平台、 WEB服务软件等的展示与管理，具备能量管理功能；上级远程监控平台从云端数据中心采集所需要的数据，从而实现对能源互联网环境下分布式能源站的运行管理。多能互补能源互联网的分层控制系统包括有冗余核心三层交换机、冗余能源子站接入交换机、冗余生产管理中心接入交换机和一台大屏系统接入交换机。其中，冗余的交换机以热备方式运行，保证在一台核心交换机或一台接入交换机出现故障的情况下，保证网络连接正常。分布式能源子站的设备通过防火墙接入分布式能源站核心交换机，而分布式能源站核心交换机通过专线接入企业广域网。分布式能源子站过程管理层的实施示意图如图3所示，192.168.1.X网段的操作员站3和数据采集接口机映射到192.138.11.XX网段，192.168.2.X网段的视频服务器映射到 192.168.11.X网段，VLAN 82网段可以访问VLAN 81网段。192.168.1.X网段的数据采集接口机可以访问VLAN 85广域网的服务器，192.168.1.X网段可以访问 VLAN 86，VLAN 82可以访问VLAN 85广域网的服务器和VLAN 86。
实施例2
以图4为例，在该实例网络中，分层控制系统的过程控制层以S7-400H控制器为核心单元，采用100/1000Mbps的Industry Ethernet，实现4组冗余400-H过程控制站与3台操作员站、2台工程师站、1台历史数据服务站相互连接。其中，每一组冗余控制站都采用一对冗余光纤连接至协同控制系统中央环网中，不同生产楼层中的自动化站可通过系统中央环网进行数据通信。为了便于系统中央冗余环网的管理，环网选用具有冗余管理功能的交换机，并且采用Scalance X408搭配M491 单模光纤模块和Scalaence X208的组合方式，提高过程控制层通信的可靠性与可用性。
在该实例网络中，分层控制系统的现场层主要设备包括：离心机、燃机及空气源热泵等分布式能源站设备，蓄能水罐等储能设备，水泵、阀门、冷却塔等辅助设备以及变送器等仪表通信设备。在现场层中，自动化控制站直接或者通过OLM模块与ET200PA DP从站进行Profibus-DP通讯，实现现场I/O模块与控制器之间的通信。
分层控制系统现场层的控制网络采用Profibus-DP，通信速率设置为12M/bps，每秒最大可通过1500000byte。该网络的设计通信容量为3000点模拟量，2000点开关量，实际使用了1851点模拟量及1005点开关量。按照通信协议，每个模拟量 6字节数据，每个开关量4字节数据，再加上通讯字节、控制字节及诊断字节等，总共约使用了17000字节。由于控制回路的设计循环周期为0.2s，可计算得该控制网络的极限通讯负荷约为11.3％。因此，在极限传输量下，按照200ms的循环周期，通信网络的负载率仍处于空闲状态。在实际配置中，可以根据通信需要，适当降低Profibus-DP通信速率，提高控制网络的负荷。
分层控制系统过程控制层的控制网络采用工业以太网，通信速率通讯速率为100M/bps，采用TCP/IP协议，通讯有发送和确认控制。Ethernet的通讯量主要包括系统的实时数据、各个操作员站操作时的数据和服务器通过Ethernet进行交换的数据。按应用软件通信协议，每个模拟量6字节数据，每个开关量4字节数据。模拟量按照采集周期250ms(4次/秒)计算，开关量按40ms(25次/秒)，考虑其中有最快125ms的模拟量，乘以系数120％。
系统按I/O模拟量6000点，开关量1500计算。在极限情况下，即开关量每 40ms都有变位，则系统的I/O实时数据在Ethernet的通讯量为322800字节。假设所有的操作员站台始终同时操作，单台操作员站按100点模拟量加100点开关量计算，刷新周期按模拟量250ms、开关量40ms计算并考虑20％的余量，则每台操作员站的通信数据量为14880字节。按照3台操作员站计算，实时操作数据在Ethernet 的有效数据量为44640字节，再根据TCP/IP约80％的通信效率，实际单条网络的通行量约为55800字节。由于采用冗余网络，则实际操作通信量约为111600字节。另外，系统冗余网络之间的通信，按现场通信数据量的50％计算，Ethernet总的通信量为395320字节。因此，整个网络的最大负荷率为23.6256％，在极限数据传输量下仍能保持较高通信能力。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种多能互补能源互联网分层控制系统，其特征在于，包括能源互联网管理模块、分布式能源站、分布式能源控制器和现场仪表设备，所述能源互联网管理模块通过互联网与分布式能源站连接形成过程管理层，所述分布式能源站与分布式能源控制器通信连接形成过程控制层，所述分布式能源控制器与现场仪表设备通信连接形成现场层，控制信息流自上而下依次流过过程管理层流、过程控制层和现场层，现场数据流自下而上依次流过现场层、过程控制层和过程管理层。
2.根据权利要求1所述的多能互补能源互联网分层控制系统，其特征在于，所述过程管理层以企业广域网为核心，将分布式能源站中的各分布式能源子站、分布式用户子站与能源互联网管理模块中的生产管理中心、能量管理中心、云端服务器、远程监控中心进行有机结合。
3.根据权利要求2所述的多能互补能源互联网分层控制系统，其特征在于，所述分布式能源子站和分布式用户子站的监控数据作为厂站信息化原始数据的主要来源。
4.根据权利要求2所述的多能互补能源互联网分层控制系统，其特征在于，所述云端服务器实现控制信息流与现场数据流的实时管理，并对实时数据库和历史数据库进行维护。
5.根据权利要求2所述的多能互补能源互联网分层控制系统，其特征在于，所述远程监控中心从云端服务器采集所需要的数据，实现对能源互联网环境下分布式能源站的运行管理。
6.根据权利要求1所述的多能互补能源互联网分层控制系统，其特征在于，所述分布式能源控制器设有多个，现场仪表设备采用广播方式上传检测数据供多个分布式能源控制器读取，同一时刻仅有一个分布式能源控制器向一个现场仪表设备发送控制指令。
7.根据权利要求1所述的多能互补能源互联网分层控制系统，其特征在于，所述能源互联网管理模块与分布式能源站之间设有通信安全保障设备。
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