CN110096043B - 能源站多能供给网络协同控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能源站多能供给网络协同控制系统，包括能量管理子系统、多个协同控制子系统和多个分布式能源站，每个协同控制子系统均包括同步数据采集单元和数据优化处理单元，同步数据采集单元的输出端与数据优化处理单元的输入端连接，同步数据采集单元包括主控模块、遥测模块、遥信模块、遥控模块和MLVDS总线，数据优化处理单元包括优化算法模块和数据处理模块，多个协同控制子系统的同步数据采集单元通过各类数据接口与多个分布式能源站实现双向数据通信，数据优化处理单元与能量管理子系统实现双向数据通信。本发明可以对能源站网络状态进行实时把控，对实现能量梯级利用，提高系统能源利用率具有重大意义。

Description

能源站多能供给网络协同控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于能源供给协同控制技术领域，具体涉及一种能源站多能供给网络协同控制系统及其控制方法。

背景技术

近年来，各科研学校和企业单位开辟了一条符合中国国情的多能协同发展道路，特别是在国家政策的大力支持下，我国在理论研究以及示范工程建设等方面取得了一系列的成果。但是，关于能源站多能供给网络协同控制的研究还处于空白状态，相关研究成果多集中在多能协同多目标规划领域。荆有印，白鹤，张建良以多目标转化为单目标的总体思路，提出了基于生命周期的多目标规划，实现了对多能源冷热电三联供系统的一次能耗节约率、碳排放和投资回报年限目标之间的利益协调。然而，不同能源站运行环境下目标权重系数的未知性易导致多目标函数难以联合。为此，陈洁，杨秀，朱兰将价格惩罚因子引入到热电联产型能源站经济运行中，有效地将环境目标转化为经济惩罚项。但惩罚因子只是一种价格估算，难以获得运行的最优解。为实现能源站在多目标框架下的最优运行，通过定义目标隶属度函数将确定性问题模糊化，陈洁，杨秀，朱兰采用最大满意度指标法将能源站经济和环境多目标优化问题转化为单目标优化问题，获得了分布式电源在发电成本最小和环境成本最低目标下有功和无功优化出力。

目前国内外对能源站间互联互济运行与控制的研究尚处于起步阶段，缺乏能够联通各个分布式能源站的设备和方法。因此，研究区域能源站能源协调控制系统，实现系统子模块各项功能，建立各模块之间信息流、控制流及协调工作机制，对于实现能量的梯级利用，提高系统能源利用率具有重大意义。

发明内容

针对以上情况，本发明提供一种能源站多能供给网络协同控制系统，整个系统采用IEEE1888标准，且同时采用ARM处理器与FPGA芯片硬件架构设计和GOOSE数据传输协议，并使用SMV对采样点进行快速传输，这不仅有利于对能源站网络状态的实时把控，而且保证数据了的实时性，解决了大规模能源供给网络大数据的吞吐能力，对于实现能量的梯级利用，提高系统能源利用率具有重大意义。

本发明提供一种能源站多能供给网络协同控制系统，其包括能量管理子系统、多个协同控制子系统和多个分布式能源站，所述每个协同控制子系统均包括同步数据采集单元和数据优化处理单元，所述同步数据采集单元的输出端与所述数据优化处理单元的输入端连接，所述同步数据采集单元包括主控模块、遥测模块、遥信模块、遥控模块和MLVDS总线，所述主控模块采用ARM处理器与主控FPGA芯片，所述ARM处理器与主控FPGA芯片之间采用总线进行双向通信，所述ARM处理器上设有对位接口，所述对位接口与所述ARM处理器之间采用双向通信，所述主控FPGA芯片包括授时接口、主控电压互感器、主控电流互感器、主控AD转换器、主控光耦、主控PHY芯片、主控网口和第一遥信接口，所述授时接口的输出端与所述主控FPGA芯片的输入端相连，所述主控电压互感器和主控电流互感器的输出端均通过所述主控AD转换器与所述主控FPGA芯片的输入端相连，所述第一遥信接口通过所述主控光耦与所述主控FPGA芯片的输入端相连，所述主控FPGA芯片的输出端通过所述主控PHY芯片与所述主控网口的输入端连接，所述遥测模块包括遥测FPGA芯片、遥测AD转换器、比较器、运放器、遥测电压互感器、遥测电流互感器、遥测PHY芯片和遥测网口，所述遥测FPGA芯片与所述遥测AD转换器之间采用双向通信，所述遥测电压互感器和遥测电流互感器的输出端通过所述运放器与所述遥测AD转换器的输入端连接，所述运放器的输出端通过所述比较器与所述遥测FPGA芯片的输入端连接，所述遥测FPGA芯片的输出端通过所述遥测PHY芯片与所述遥测网口的输入端连接，所述遥信模块包括遥信FPGA芯片、遥信光耦、遥信PHY芯片、遥信网口和第二遥信接口，所述第二遥信接口的输出端通过所述遥信光耦与所述遥信FPGA芯片的输入端连接，所述遥信FPGA芯片的输出端通过所述遥信PHY芯片与所述遥信网口的输入端连接，所述遥控模块包括遥控FPGA芯片、遥控继电器、遥控PHY芯片、遥控网口和第二遥控接口，所述遥控FPGA芯片的输出端分别通过所述遥控继电器和遥控PHY芯片与所述第二遥控接口和遥控网口连接，所述主控模块的主控FPGA芯片与所述MLVDS总线相连，且所述ARM处理器的输出端与所述MLVDS总线的输入端相连，所述遥测模块和遥信模块与所述MLVDS总线之间均采用双向通信，所述MLVDS总线的输出端与所述遥控模块的输入端连接；以及所述多个协同控制子系统的同步数据采集单元通过各类数据接口与所述多个分布式能源站实现双向数据通信，所述数据优化处理单元与所述能量管理子系统实现双向数据通信。

进一步地，所述同步数据采集单元的遥测模块采用GOOSE数据传输协议，所述遥信模块采用SMV对采样点进行快速传输。

优选地，所述数据优化处理单元包括优化算法模块和数据处理模块。

进一步地，所述对位接口包括3个对位接口，分别为太网口、USB接口和SD卡接口。

进一步地，所述授时接口包括4个授时接口，分别为GPS接口、北斗接口、IRIG-B接口和IEEE1588接口。

优选地，所述MLVDS总线采用一对多的通信方式以及高速SPI的通信时序，SPI通信时钟速度为20Mbps。

优选地，所述协同控制子系统采用双电源供电方式。

本发明的另一方面，提供了一种能源站多能供给网络协同控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、接受能量管理子系统的指令，控制多个分布式能源站的接入或分流；

S2、获取已接入的所述分布式能源站的拓扑结构、设备信息以及档案信息；

S3、所述协同控制子系统的同步数据采集单元采集所述分布式能源站的运行信息；

S4、将所述分布式能源站的运行信息输送至所述数据优化处理单元中，对能源站多能供给网络协同控制策略进行优化提升；

S5、将数据优化处理结果以及优化控制策略上传至所述能量管理子系统中；以及

S6、所述能量管理子系统下发协同调度指令，对所述分布式能源站的能源分配进行指导调度。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明提供一种能源站多能供给网络协同控制系统，整个系统采用IEEE1888标准，有利于大规模能源站多能供给网络的扩展建设。

2、本发明提供一种能源站多能供给网络协同控制系统，采用ARM处理器与FPGA芯片硬件架构设计和GOOSE数据传输协议，选取高精度恒温晶振保证守时精度，减小通信延时，有助于对能源站网络状态的实时把控。

3、本发明提供一种能源站多能供给网络协同控制系统，采用SMV对采样点进行快速传输，保证数据的实时性，解决了大规模能源供给网络大数据的吞吐能力。

附图说明

图1为本发明能源站多能供给网络协同控制系统的总体结构示意图；

图2为本发明能源站多能供给网络协同控制系统的多能供给网络构架示意图；

图3为本发明能源站多能供给网络协同控制系统的主控模块结构示意图；

图4为本发明能源站多能供给网络协同控制系统的遥测模块结构示意图；

图5为本发明能源站多能供给网络协同控制系统的遥信模块结构示意图；

图6为本发明能源站多能供给网络协同控制系统的遥控模块结构示意图；

图7为本发明能源站多能供给网络协同控制系统的模块信息流向示意图；

图8为本发明能源站多能供给网络协同控制系统的各个模块间通信示意图；以及

图9为本发明能源站多能供给网络协同控制系统的控制方法流程图。

主要附图标记：

能量管理子系统1；协同控制子系统2；同步数据采集单元3；主控模块31；ARM处理器311；主控FPGA芯片312；对位接口313；太网口3131；USB接口3132；SD卡接口3133；授时接口314；GPS接口3141；北斗接口3142；IRIG-B接口3143；IEEE1588接口3144；主控电压互感器315；主控电流互感器316；主控AD转换器317；主控光耦318；主控PHY芯片319；主控网口320；第一遥信接口321；遥测模块33；遥测FPGA芯片331；遥测AD转换器332；比较器333；运放器334；遥测电压互感器335；遥测电流互感器336；遥测PHY芯片337；遥测网口338；遥信模块34；遥信FPGA芯片341；遥信光耦342；遥信PHY芯片343；遥信网口344；第二遥信接口345；遥控模块35；遥控FPGA芯片351；遥控继电器352；遥控PHY芯片353；遥控网口354；第二遥控接口355；MLVDS总线36；数据优化处理单元4；优化算法模块41；数据处理模块42；分布式能源站5。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种能源站多能供给网络协同控制系统，如图1和2所示，包括能量管理子系统1、多个协同控制子系统2和多个分布式能源站5，每个协同控制子系统2均包括同步数据采集单元3和数据优化处理单元4，同步数据采集单元3的输出端与数据优化处理单元4的输入端连接，同步数据采集单元3包括主控模块31、遥测模块33、遥信模块34、遥控模块35和MLVDS总线36，数据优化处理单元4包括优化算法模块41和数据处理模块42，多个协同控制子系统2的同步数据采集单元3通过各类数据接口与多个分布式能源站5实现双向数据通信，数据优化处理单元4与能量管理子系统1实现双向数据通信，将数据优化处理结果及优化策略上传至能量管理子系统1，并根据能量管理子系统1的指令对多个分布式能源站5能源分配进行指导调度。

如图3所示，主控模块31采用ARM处理器311与主控FPGA芯片312，ARM处理器311与主控FPGA芯片312之间采用总线进行双向通信，ARM处理器311上设有对位接口313，对位接口313包括为太网口3131、USB接口3132和SD卡接口3133，对位接口313与ARM处理器311之间采用双向通信，主控FPGA芯片312包括授时接口314、主控电压互感器315、主控电流互感器316、主控AD转换器317、主控光耦318、主控PHY芯片319、主控网口320和第一遥信接口321，授时接口314包括GPS接口3141、北斗接口3142、IRIG-B接口3143和IEEE1588接口3144，授时接口314的输出端与主控FPGA芯片312的输入端相连，主控电压互感器315和主控电流互感器316的输出端均通过主控AD转换器317与主控FPGA芯片312的输入端相连，第一遥信接口321通过主控光耦318与主控FPGA芯片312的输入端相连，主控FPGA芯片312的输出端通过主控PHY芯片319与主控网口320的输入端连接，主要用于负责收集各测量模块采集到的数据信息，对数据进行进一步计算、分析和处理等工作，同时将有效数据进行转发和存储。

如图4所示，遥测模块33包括遥测FPGA芯片331、遥测AD转换器332、比较器333、运放器334、遥测电压互感器335、遥测电流互感器336、遥测PHY芯片337和遥测网口338，遥测FPGA芯片331与遥测AD转换器332之间采用双向通信，遥测电压互感器335和遥测电流互感器336的输出端通过运放器334与遥测AD转换器332的输入端连接，运放器334的输出端通过比较器333与遥测FPGA芯片331的输入端连接，遥测FPGA芯片331的输出端通过遥测PHY芯片337与遥测网口338的输入端连接，主要用于对电压电流进行带有准确时标的高精度采集，由于其模数转换器可以直接通过外部精确时钟信号进行触发，从硬件结构上规避了AD转换延时、数据传输延时、数据计算延时等误差量的引入因素，充分保证相量测量的准确性。

如图5所示，遥信模块34包括遥信FPGA芯片341、遥信光耦342、遥信PHY芯片343、遥信网口344和第二遥信接口345，第二遥信接口345的输出端通过遥信光耦342与遥信FPGA芯片341的输入端连接，遥信FPGA芯片341的输出端通过遥信PHY芯片343与遥信网口344的输入端连接，主要用于检测外部开关的位置及准确的动作时刻，通过总线可以获取准确时标信息。

如图6所示，遥控模块35包括遥控FPGA芯片351、遥控继电器352、遥控PHY芯片353、遥控网口354和第二遥控接口355，遥控FPGA芯片351的输出端分别通过遥控继电器352和遥控PHY芯片353与第二遥控接口355和遥控网口354连接，主要用于根据控制命令输出控制动作，通过总线可以获取准确时标信息。

如图7和8所示，主控模块31的主控FPGA芯片312与MLVDS总线36相连，且ARM处理器311的输出端与MLVDS总线36的输入端相连，遥测模块33和遥信模块34与MLVDS总线36之间均采用双向通信，MLVDS总线36的输出端与遥控模块35的输入端连接，同步数据采集单元3的遥测模块33采用GOOSE数据传输协议，遥信模块34采用SMV对采样点进行快速传输，MLVDS总线36采用一对多的通信方式以及高速SPI的通信时序，SPI通信时钟速度为20Mbps。

本发明的另一方面，提供了一种能源站多能供给网络协同控制系统的控制方法，如图9所示，包括以下步骤：

S1、接受能量管理子系统1的指令，控制多个分布式能源站5的接入或分流；

S2、获取已接入的分布式能源站5的拓扑结构、设备信息以及档案信息；

S3、协同控制子系统2的同步数据采集单元3采集分布式能源站5的运行信息；

S4、将分布式能源站5的运行信息输送至数据优化处理单元4中，对能源站多能供给网络协同控制策略进行优化提升；

S5、将数据优化处理结果以及优化控制策略上传至能量管理子系统中1；以及

S6、能量管理子系统1下发协同调度指令，对分布式能源站5的能源分配进行指导调度。

本发明的具体操作步骤如下：

本发明提供一种能源站多能供给网络协同控制系统，如图1～2所示，包括能量管理子系统1、多个协同控制子系统2和多个分布式能源站5，每个协同控制子系统2均包括同步数据采集单元3和数据优化处理单元4，同步数据采集单元3的输出端与数据优化处理单元4的输入端连接，同步数据采集单元3包括主控模块31、遥测模块33、遥信模块34、遥控模块35和MLVDS总线36，数据优化处理单元4包括优化算法模块41和数据处理模块42，多个协同控制子系统2的同步数据采集单元3通过各类数据接口与多个分布式能源站5实现双向数据通信，数据优化处理单元4与能量管理子系统1实现双向数据通信，将数据优化处理结果及优化策略上传至能量管理子系统1，并根据能量管理子系统1的指令对多个分布式能源站5能源分配进行指导调度。

如图3～6所示，主控模块31采用ARM处理器311与主控FPGA芯片312，ARM处理器311与主控FPGA芯片312之间采用总线进行双向通信，ARM处理器311上设有对位接口313，对位接口313与ARM处理器311之间采用双向通信，主控FPGA芯片312包括授时接口314、主控电压互感器315、主控电流互感器316、主控AD转换器317、主控光耦318、主控PHY芯片319、主控网口320和第一遥信接口321；遥测模块33包括遥测FPGA芯片331、遥测AD转换器332、比较器333、运放器334、遥测电压互感器335、遥测电流互感器336、遥测PHY芯片337和遥测网口338；遥信模块34包括遥信FPGA芯片341、遥信光耦342、遥信PHY芯片343、遥信网口344和第二遥信接口345；遥控模块35包括遥控FPGA芯片351、遥控继电器352、遥控PHY芯片353、遥控网口354和第二遥控接口355，主要用于根据控制命令输出控制动作，通过总线可以获取准确时标信息。

如图7和8所示，主控模块31的主控FPGA芯片312与MLVDS总线36相连，且ARM处理器311的输出端与MLVDS总线36的输入端相连，遥测模块33和遥信模块34与MLVDS总线36之间均采用双向通信，MLVDS总线36的输出端与遥控模块35的输入端连接，从而完成整个能源站多能供给网络协同控制系统的搭建。由于协同控制子系统2采用模块化设计思想，各功能模块可以灵活配置，其中遥测模块33、遥信模块34以及遥控模块35用户可以灵活配置，满足用户不同采集的需求。同时各模块之间通过插槽进行连接，省去外部接线工作。

在工作过程中，遥测模块33、遥信模块34以及遥控模块35与主控模块31的通信采用轮询的方式，由主控模块31下发回传指令，各个测量模块收到对应的指令后，与本机ID号进行对比，若指令码与本机ID号相同，则将本机数据进行回传，完成该模块数据传输后，在读取下一模块数据，直到所有模块轮询一遍结束，正常的轮询顺序为1、2、3…N(N最大为8)。若某个模块因状态变化需要上传数据时，将上传请求信号线拉低，待读完当前设备数据后，继续读取被终端的模块数据。

如图9所示，本发明的另一方面，提供了一种能源站多能供给网络协同控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、接受能量管理子系统1的指令，控制多个分布式能源站5的接入或分流；

S2、获取已接入的分布式能源站5的拓扑结构、设备信息以及档案信息；

S3、协同控制子系统2的同步数据采集单元3采集分布式能源站5的运行信息；

S4、将分布式能源站5的运行信息输送至数据优化处理单元4中，对能源站多能供给网络协同控制策略进行优化提升；

S5、将数据优化处理结果以及优化控制策略上传至能量管理子系统中1；以及

S6、能量管理子系统1下发协同调度指令，对分布式能源站5的能源分配进行指导调度。

本发明提供一种能源站多能供给网络协同控制系统，整个系统采用IEEE1888标准，且同时采用ARM处理器与主控FPGA芯片硬件架构设计和GOOSE数据传输协议，并使用SMV对采样点进行快速传输，这不仅有利于对能源站网络状态的实时把控，而且保证数据了的实时性，解决了大规模能源供给网络大数据的吞吐能力，对于实现能量的梯级利用，提高系统能源利用率具有重大意义。

以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种能源站多能供给网络协同控制系统，其特征在于，其包括能量管理子系统、多个协同控制子系统和多个分布式能源站，

每个所述协同控制子系统均包括同步数据采集单元和数据优化处理单元，所述同步数据采集单元的输出端与所述数据优化处理单元的输入端连接，所述同步数据采集单元包括主控模块、遥测模块、遥信模块、遥控模块和MLVDS总线，所述主控模块采用ARM处理器与主控FPGA芯片，所述ARM处理器与主控FPGA芯片之间采用总线进行双向通信，所述ARM处理器上设有对位接口，所述对位接口与所述ARM处理器之间采用双向通信，所述主控FPGA芯片包括授时接口、主控电压互感器、主控电流互感器、主控AD转换器、主控光耦、主控PHY芯片、主控网口和第一遥信接口，所述授时接口的输出端与所述主控FPGA芯片的输入端相连，所述主控电压互感器和主控电流互感器的输出端均通过所述主控AD转换器与所述主控FPGA芯片的输入端相连，所述第一遥信接口通过所述主控光耦与所述主控FPGA芯片的输入端相连，所述主控FPGA芯片的输出端通过所述主控PHY芯片与所述主控网口的输入端连接，所述遥测模块包括遥测FPGA芯片、遥测AD转换器、比较器、运放器、遥测电压互感器、遥测电流互感器、遥测PHY芯片和遥测网口，所述遥测FPGA芯片与所述遥测AD转换器之间采用双向通信，所述遥测电压互感器和遥测电流互感器的输出端通过所述运放器与所述遥测AD转换器的输入端连接，所述运放器的输出端通过所述比较器与所述遥测FPGA芯片的输入端连接，所述遥测FPGA芯片的输出端通过所述遥测PHY芯片与所述遥测网口的输入端连接，所述遥信模块包括遥信FPGA芯片、遥信光耦、遥信PHY芯片、遥信网口和第二遥信接口，所述第二遥信接口的输出端通过所述遥信光耦与所述遥信FPGA芯片的输入端连接，所述遥信FPGA芯片的输出端通过所述遥信PHY芯片与所述遥信网口的输入端连接，所述遥控模块包括遥控FPGA芯片、遥控继电器、遥控PHY芯片、遥控网口和第二遥控接口，所述遥控FPGA芯片的输出端通过所述遥控继电器与所述第二遥控接口连接，所述遥控FPGA芯片的输出端通过所述遥控PHY芯片与所述遥控网口连接，所述主控模块的主控FPGA芯片与所述MLVDS总线相连，且所述ARM处理器的输出端与所述MLVDS总线的输入端相连，所述遥测模块和遥信模块与所述MLVDS总线之间均采用双向通信，所述MLVDS总线的输出端与所述遥控模块的输入端连接；以及

所述多个协同控制子系统的同步数据采集单元通过各类数据接口与所述多个分布式能源站实现双向数据通信，所述数据优化处理单元与所述能量管理子系统实现双向数据通信。

2.根据权利要求1所述的能源站多能供给网络协同控制系统，其特征在于，所述同步数据采集单元的遥测模块采用GOOSE数据传输协议，所述遥信模块采用SMV对采样点进行快速传输。

3.根据权利要求1所述的能源站多能供给网络协同控制系统，其特征在于，所述数据优化处理单元包括优化算法模块和数据处理模块。

4.根据权利要求2所述的能源站多能供给网络协同控制系统，其特征在于，所述对位接口包括3个对位接口，分别为太网口、USB接口和SD卡接口。

5.根据权利要求2所述的能源站多能供给网络协同控制系统，其特征在于，所述授时接口包括4个授时接口，分别为GPS接口、北斗接口、IRIG-B接口和IEEE1588接口。

6.根据权利要求1所述的能源站多能供给网络协同控制系统，其特征在于，所述MLVDS总线采用一对多的通信方式以及高速SPI的通信时序，SPI通信时钟速度为20Mbps。

7.根据权利要求2所述的能源站多能供给网络协同控制系统，其特征在于，所述协同控制子系统采用双电源供电方式。

8.一种利用权利要求1至7之一所述的能源站多能供给网络协同控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、接受能量管理子系统的指令，控制多个分布式能源站的接入或分流；

S2、获取已接入的所述分布式能源站的拓扑结构、设备信息以及档案信息；

S3、所述协同控制子系统的同步数据采集单元采集所述分布式能源站的运行信息；

S4、将所述分布式能源站的运行信息输送至所述数据优化处理单元中，对能源站多能供给网络协同控制策略进行优化提升；

S5、将数据优化处理结果以及优化控制策略上传至所述能量管理子系统中；以及

S6、所述能量管理子系统下发协同调度指令，对所述分布式能源站的能源分配进行指导调度。

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