CN109710962A - 一种基于实时仿真器的智能家庭能量管理仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是，提供一种基于实时仿真器的智能家庭能量管理仿真平台。采用该平台，可检测家用电器及电动汽车等家居设备和家庭能源的使用情况，并根据不同条件对不同家居产品进行管理调度，实现家庭的智能化管理和能源的有效利用，并支撑新能源的就地消纳。

Description

一种基于实时仿真器的智能家庭能量管理仿真平台

本发明提供一种典型智能家居仿真环境平台，属于智能电网、能源互联网与能源管理领域。

背景技术

能源是现代社会赖以生存和发展的基础，为了应对能源危机和环境污染，各国积极研究新能源技术。可再生能源因取之不竭，清洁环保等特点，受到人们的高度重视。对于可再生能源的有效利用方式是分布式的“就地收集，就地存储，就地使用”，然而基于可再生能源的分布式发电系统因其间歇性、波动性，并不能充分地保证自发自用，因此需要与其他分布式电网或公共电网互联，从而促使了传统电网向未来电网的转型升级与发展。在这发展过程中，传统电力网络的集中控制管理方式，难以适应可再生能源大规模利用的要求，继而将引入智能型分布式能源网络技术，成为构建未来的能源互联网的重要组成部分。

本平台主要研究的家庭能量管理器正是未来分布式能源网络中用户侧中的一个重要部分。

发明内容

本发明的目的是，提供一种智能家庭能量管理仿真平台，用于解决家庭能源的有效管理及支撑能源的就地消纳。

为达到此目的，本发明采用如下技术方案。

该典型智能家居仿真环境需要的硬件主要有实时仿真器、上位机PC及模拟通信板卡。

(1)实时仿真器PXI

选择National Instruments公司的PXI平台作为实时仿真器的硬件平台，PXI控制器比起传统离线仿真可以进行与真实系统时间比例完全相同的实时仿真，并产生实时动态输出。这种仿真不但可以应用于控制系统的分析、研究与设计，而且可以广泛的应用于大型控制系统操作人员的培训与教育，从而避免了在实际控制系统中由于操作不当所带来的危险性及高昂的代价。

控制部分中的上位机PC接收到路由器的解调信号后传输给PXI仿真器，有PXI仿真器进行计算，反馈出响应的控制信号，传回PC，并由PC向下对模拟终端进行设置。上位机PC在此过程中并未参与计算，仅起到数据传输与设置模拟终端的功能，目的是利用windows系统为模拟终端的设置做出人性化操作界面。

PXI实时仿真器中左边大槽为CPU与一些输入输出端口，右侧两槽为FPGA板卡，CPU与FPGA通过背板相连，能够提供CPU与FPGA的联合仿真。实时仿真系统采用LabVIEW RT系统，在上位机PC上编辑后通过TCP/IP下载到实时仿真器中实时运行，并且在运行过程中可以通过上位机程序的前面板进行设置调节。由于Labview程序基于图形化建模，模型一键下载，无需等待编译以及额外的编程知识学习，大大增强了产品的易用性。

(2)上位机PC

由于大部分计算功能都在下位机实时仿真器上实现，上位机PC的功能并不需要很强大，在上位机PC 上仅需实现监控显示与数据通信的功能，因此对上位机的硬件要求并不高。本项目采用的上位机PC采用 i3处理器及4Gb内存，并且拥有网口及串口通信的能力，操作系统为Windows 7，并且安装含Real-time模块的LabVIEW 2016程序。

(3)通信板卡

由于市面上未存在达到相应功能要求的板卡硬件，所以本项目中模拟通信板卡采用定做的模式。

硬件设计框图如图1所示，主芯片为一块STM32F103ARM芯片，接口及外设均围绕其进行工作，电源模块选用明纬12v电源模块，PLC模块采用大强大公司的BWP31模块，外设包括EEPROM、FLASH、 CAN收发器、USB-RS232芯片、继电器模块、晶振、JTAG口等，黄色部分即为引出的各个端子和接口，其中IO部分并未引出壳体，仅供日后裸板开发调试。模块上安装有Sel硬件开关，用于选择当前模块工作状态(控制器还是模拟器)。

其中主芯片STM32F1系列属于32位ARM微控制器，该芯片是意法半导体(ST)公司出品，其内核是 Cortex-M3。

由于上位机PC不支持PLC通信，所以在通信板卡中分为一个通信模块和多个模拟模块，二者之间硬件、外观模具相同，但是下位机程序不同。通信模块主要功能为将PC传出的RS232通信与PLC通信互相转换，而模拟模块的主要作用为模拟各个智能能量设备所发出的通信信号。

硬件内部结构如图2所示，绿色区域为核心板，主要为MCU、外设和相应的接口部分，包括主MCU、 EEPROM、继电器、IO、JTAG、蜂鸣器和各种接口，核心板从电源模块获取电源，并给PLC模块供电和通讯。蓝色区域为电源区域，负责将市电转化成稳定的直流电，并将市电转接给PLC模块。红色区域为 PLC通讯模块，由核心板负责通讯和供电。为了硬件的统一性，核心板靠如下的硬件跳线区分模拟模块和通讯模块，当插入硬件跳线时，上电自识别为通讯模块，同时蓝色指示灯常亮。

(4)验证测试平台集成

在硬件之间通信线路全部接上的基础上，项目硬件联通整合通过上位机PC上的上位机程序实现。其中，PC与实时仿真器的变量传输单维的采用RT FIFO进行传输，多维变量采用网络发布，PC与通信板卡之间的数据传输采用串口通信。

PC的上位机展示和控制程序采用Labview编写，下位机的计算模拟程序采用Labview RT编写，整合为一个project。整体project如图3所示

项目中我的电脑下属程序为上位机程序，主要负责监控波形、实时调整仿真参数与串口通信协调。PXI Target下属程序为下位机程序，实时仿真器与上位机PC应在同一个局域网下，在运行时下位机程序将从上位机下载到下位机上。

如图4所示，上位机程序中分为几个选项卡，每个选项卡中都有特定的功能。图中选项卡为上位机PC 与下位机实时仿真器之间网络参数的配置，包括下位机的网络地址、传输量大小、传输变量名等信息。同时还有数据记录的功能，点击Data Logging后就会开始按时间记录从上位机往下位机传送的所有变量，并按照输入的文件名存在project的根目录下。

第二个选项卡如下图5所示，为预测信息与家庭能量设备的参数输入。

其中，左侧预测信息模块能够读入excel形式的预测信息，预测数据包括了家庭的日负荷曲线、实时电价预测曲线与可再生能源出力曲线，其中读出的日负荷曲线与出力预测曲线会经过处理下发给通信板卡，通信板卡更改自身的储存值，之后上位机PC再发送指令问询各个通信板卡，将得到的值作为智能能量设备的发出的功率信号提供给实时仿真器做能量协调优化的运算，需要注意的是单次问询的时间大概在 200ms左右，数据下发间隔应该大于200ms。右侧为家庭能量设备参数的与算法参数的设定，其中包括算法步长、粒子数、循环周期等算法参数与家庭能量设备中储能容量、电动汽车充电功率、储能初始SOC、储能充放电功率、电动汽车预计归家时间与离家时间设定等。

图6为上位机实时监控数据的波形展示页面，页面左上角的旋钮可以实时调节程序运行时负荷大小与可再生能源出力，可以在仿真过程中实时加入人为添加的波动。波形图展示的是上位机下发信号后，下位机经过计算后返回的控制波形等信息，其中包括了家庭内实时负荷波形，家庭内实时可再生出力波形，经过控制算法后家庭储能的充放电功率曲线，SOC曲线，家庭购入功率曲线，计算延时曲线等等，在仿真完成后可以以多种格式储存波形数据。右上角的Start和Stop为控制程序的软启停，并配有信号灯指示程序的工作状态。

图7为程序中日前安排环节波形展示图，主要展示的是混合运行下电动汽车的调度结果，包括调度时间内预计的家庭购入功率，储能SOC变化曲线等，还包含了一些算法循环次数、算法计算时间、粒子表现等曲线。由于混合运行在下位机单独一个处理器上运行，所以还有一个指令按钮用来命令下位机该循环的软停止。同时，日前安排环节计算时间较长，在提供数据完整的情况下，在大步长的前提下仍要3分钟左右的计算时间，因此程序在每次运行完后会记录下当前计算出的全天安排，并且作为缓存记录下，在下位机没有断电关机或是有新的日前安排记录储存时不会丢失。当实时仿真开始时没有日前安排程序也是能够进行的，但此时家庭的能量优化仅由模糊控制来管理。

图8为整体系统构架展示界面，除了可以展现家庭内各个能量设备的实时功率外，还有一些设备的投切指示等。电动汽车上的指示灯为电动汽车充电投切的指示灯，家庭储能上的指示灯在充电时亮绿灯，在放电时显示为蓝灯。展示界面显示的功率为实时仿真器在每个严格的真实离散时间点计算反馈出的计算结果的返回值。

下位机设置页面主要包括了计算速率、指令变量名、数据大小长度等信息，还有报错显示。其余运算程序均在背板，得出计算结果后直接返回上位机显示。下位机的数据设置已设好默认值，不需要额外设置，仅供调试用。

在仿真开始之前需要用额外的测试程序设置与通信板卡的通信口与测试通信，主要程序如图10。

网络连接检测界面的操作方式为，先选择同步配置端口(即为通讯模块对应的端口)，点击“同步状态”，此时上位机将会同步所有在线的设备状态，在同步过程中，软件左上角会出现系统忙碌的图标，如果系统在线，响应地址的设备PLC地址和状态将对应显示。

图11界面即为通过通信模块控制整个PLC网络的过程，在选择好前台配置端口(即通讯模块的端口) 后，可以用来测试设置、获取模拟模块的，如果出现设置失败或者获取失败的情况，在下面系统提示区域会给出失败提示，为调试提供参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍。

图1为硬件设计框图；

图2为通信板卡内部结构；

图3为整体project框架图；

图4为上位机Configuratuion选项卡；

图5为上位机Data Settings选项卡；

图6为上位机Data Display选项卡；

图7为上位机Dayahead-Schedule选项卡截图；

图8为上位Illustration选项卡截图；

图9为下位机程序主页面；

图10为网络状态监测；

图11为PLC前台测试通信；

图12为日前预测运行后截图；

图13为运行过程中展示选项卡截图；

图14为运行过程中实时波形记录截图；

图15为运行过程中实时波形记录截图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案更加清楚，下面将以实例对本发明做进一步详细描述。

以来自澳大利亚珀斯市中一户带光伏逆变器的居民用户的日负荷数据与光伏发电量来计算家庭净负荷，数据来源为PVOutput网站。电价数据为美国爱克斯龙旗下ComED公司所提供的日前电价预测曲线经处理之后的结果。在调试好系统后，经过运行，可以得到以下数据：

图12为在默认输入的情况下一天内家庭控制器日前安排调度的调度结果。

图12为日前运算选项卡根据输入的预测信息在运算后得到的日前安排信息，这个计算过程在实时仿真器上仅用不到3分钟实现，对于15分钟调度间隔的负载来说，2分钟能够处理完全天的调度信息是可以接受的。图中为混合运行优化执行过两次后的调度曲线。预测储能SOC曲线、预测家庭购入功率曲线、算法随迭代表现曲线等信息。

图13为展示界面运行时的截图。在截图时，电动汽车处于额定功率充电状态，充电提示灯亮，且显示充电功率，家庭光伏处于发电低谷，家庭储能为补偿家庭内的尖峰负荷处于放电状态(蓝提示灯)，并且显示了实时功率。

图14与图15为运行过程中家庭各个能量设备的波形记录，依次为家庭负荷的实时波形记录、计算延时的波形记录、实时电价的波形记录、储能SOC的波形记录、储能充放电功率的波形记录、光伏出力的波形记录与家庭购入功率波形记录等信息。可以看到每一次运行计算延迟基本在500微秒左右，对于实际工程应用来说是十分足够的。

Claims (5)

1.一种基于实时仿真器的智能家庭能量管理仿真平台，其特征在于：硬件主要有实时仿真器、上位机PC及模拟通信板卡。

2.根据权利要求1所述的实时仿真器，其特征在于：选择National Instruments公司的PXI平台作为实时仿真器的硬件平台，PXI控制器比起传统离线仿真可以进行与真实系统时间比例完全相同的实时仿真，并产生实时动态输出。

3.根据权利要求1所述的模拟通信板卡，其特征在于：模拟通信板卡采用定做的模式，主芯片为一块STM32F103ARM芯片，接口及外设均围绕其进行工作，电源模块选用明纬12v电源模块，PLC模块采用大强大公司的BWP31模块，外设包括EEPROM、FLASH、CAN收发器、USB-RS232芯片、继电器模块、晶振、JTAG口等，黄色部分即为引出的各个端子和接口，其中IO部分并未引出壳体，仅供日后裸板开发调试。模块上安装有Sel硬件开关，用于选择当前模块工作状态(控制器还是模拟器)。

4.根据权利要求1所述的管理仿真平台，其特征在于：硬件联通整合通过上位机PC上的上位机程序实现。其中，PC与实时仿真器的变量传输单维的采用RT FIFO进行传输，多维变量采用网络发布，PC与通信板卡之间的数据传输采用串口通信。PC的上位机展示和控制程序采用Labview编写，下位机的计算模拟程序采用Labview RT编写，整合为一个project。

5.根据权利要求1所述的管理仿真平台，其特征在于：其通信协议及算法是可替换的。对用电设备的调度是多样化的，可根据不同的调度目标采用不同的优化控制算法，通过改变程序实现。