CN110970998A - 一种基于源网荷储的多能互补智慧能源的能量管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于源网荷储的多能互补智慧能源的能量管理系统，智慧能源包括智慧能源站、光伏发电模块和风力发电装置，能量管理系统包括上位机系统和下位机系统，下位机系统包括六个数据采集装置，所述数据采集装置通过通讯网关将数据从底层设备采集上来，并通过无线传输的方式经过无线网关传到上位机系统，上位机系统将数据传到网页端；本发明从能源供应侧、转换、存储、负荷侧进行全面的“源‑网‑荷‑储”协同管理；对多能互补智慧能源系统进行有效能量管理，实现“源‑网‑荷‑储”能源数据在线监测，历史数据查询；实现负荷预测、计划调度、运行控制功能、可调负荷投切。

Description

一种基于源网荷储的多能互补智慧能源的能量管理系统

技术领域

本发明属于智慧能源信息领域，具体涉及一种基于源网荷储的多能互补智慧能源的能量管理系统。

背景技术

目前能源的能量管理往往关注能源供应侧的运行优化算法，能量管理系统监控架构的设计。例如：专利文献CN108171384A公开了一种基于复合粒子群算法微网能量管理方法，搭建微网系统模型，采用复合粒子群优化算法，充分考虑微网运行过程的经济性、环保特性以及运行可靠性等要求对微网系统进行能量管理。专利文献CN107872068A公开了一种基于互联网的并网型微网联合能量管理与控制方法，依据风力、光伏等分布式可再生能源的发电预测与负荷预测技术，针对微网中的储能系统，以电动汽车、蓄电池为代表的能量型储能元件参与微网的削峰填谷，在保证设备运行安全和系统稳定的前提下制定能量存储和释放控制策略。专利文献CN108062062A公开了一种微网基于综合监控的能量管理系统，包括就地控制层、网络通信层和主站层，可以进行微网运行优化策略研究，将分散的清洁能源集中高效利用，以更安全、可靠、环保的方式提供给用户，节约能源，提高电能质量、减少网损实现二氧化碳减排。

缺少对“源-网-荷-储”进行整体的监控和优化控制管理方面的研究，源自两个方面的因素：一是缺乏对智慧能源项目能源系统设备的控制特性的了解；二是智慧能源系统涉及多个专业知识，包含电力数据采集、优化算法、逆变器控制模式、动力暖通设备运行特性、新能源充电桩、计算机软件架构设计等，单一专业难以覆盖整个智慧能源系统，智慧能源管理系统需要跨学科合作。

随着全球能源、环境问题的凸显，清洁、环保、高效的智慧能源得到了较大的发展。智慧能源是以电力系统为枢纽，多类型能源网络和交通运输网络高度整合，具有“横向多能源体互补，纵向源-网-荷-储协调”、能量流与信息流双向流动特性的新型能源供用体系；包括可再生能源发电、分布式三联供、微型热电联产、储能系统、充电桩、冷能发电等多种技术种类，系统具有清洁、高效、环保的特点。

智慧能源不仅关注能源怎样生产和满足供给，而且更突出如何管控、调配，达到最佳的合理组合。其中，风光资源具有间歇性、波动性的特点，可调电源具有多种计划安排方案。因此，设计一套智慧能源管理系统对可再生能源进行预测，优化调度分布式三联供、微型热电联产、储能系统等可调电源，提高系统运行经济性、减少系统的污染排放，已经成为智慧能源建设中一个重要的组成部分。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于源网荷储的多能互补智慧能源的能量管理系统，主要解决现有技术中能源信息采集不能被优化管理和协调控制的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于源网荷储的多能互补智慧能源的能量管理系统，其特征在于，所述智慧能源包括智慧能源站、光伏发电模块和风力发电装置，所述能量管理系统包括上位机系统和下位机系统，所述下位机系统包括六个数据采集装置，所述数据采集装置通过ModBus通讯方式的通讯网关将数据从底层设备采集上来，并通过无线传输的方式经过无线网关传到上位机系统，所述上位机系统通过OPCUA接口将数据传到网页端。

进一步地，所述底层设备为远程终端单元，所述远程终端单元配置在甲线配电房、乙线配电房、光伏发电模块、风力发电装置、智慧能源站和充电桩中。

进一步地，所述数据采集装置包括第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置、第四数据采集装置、第五数据采集装置和第六数据采集装置，第一数据采集装置采集甲线配电房的电表信息，第一数据采集装置和第二数据采集装置的通讯网关相互连接，第二数据采集装置采集光伏发电模块和风力发电装置的信息，第三数据采集装置采集燃气总表的信息，第四数据采集装置采集充电桩信息，第五数据采集装置采集乙线配电房的电表信息，所述第六数据采集装置采集智慧能源站信息，智慧能源站信息包括：微型燃气轮机发电功率、储能状态参数、烟气流量等数据。

进一步地，第二~第六数据采集装置通过无线转发器朝上位机系统进行无线传输，第一数据采集装置通过无线路由器朝上位机系统进行无线传输，所述无线路由器从第三数据采集装置的无线转发器接收信息。

进一步地，所述智慧能源站包含微型燃气轮机，所述微型燃气轮机的电力输出端与市政电网连接，微型燃气轮机的排烟管通过三通阀与溴化锂机组连接，微型燃气轮机产生的烟气驱动溴化锂机组制冷或者供热，所述溴化锂机组的冷温水出口与下游空调用户的供水端连接，为下游供水端提供冷温水，为空调用户提供制冷服务，下游空调用户的回水返回至冷温水循环泵的入口，所述冷温水循环泵与所述溴化锂机组的冷温水进口连接；

所述光伏发电模块连接到市政电网，所述市政电网与并联的负载和充电桩连接；

所述智慧能源站中还包含储能电池和双向变流器，所述储能电池通过双向变流器与市政电网连接；

所述冷却水循环泵连接冷却塔，冷却水经过冷却塔冷却后被冷却水循环泵循环送入溴化锂机组，为所述溴化锂机组提供循环冷却水。

进一步地，所述光伏发电模块包括光伏组件，所述光伏组件的电力输出端与第一直流接收箱的输入端连接，所述直流接收箱的输出端与光伏并网逆变器的输入端连接，所述光伏并网逆变器的输出端与交流配电箱的输入端连接。

进一步地，所述风力发电装置包括风机，所述风机的电力输出端与第二直流接收箱的输入端连接，所述第二直流接收箱的输出端与风机控制器的一端连接，所述风机控制器的另一端与并网离网储能一体机的输入端连接。

进一步地，所述能量管理系统还包括天然气压缩机和天然气储气罐，所述天然气压缩机从天然气总管进气，所述天然气压缩机的出气端与天然气储气罐的进气端连接，所述天然气储气罐的出气端与微型燃气轮机的进气端连接。

相对于目前能量管理系统侧重于数据监控、调度层的算法优化，本发明从能源供应侧、转换、存储、负荷侧进行全面的“源-网-荷-储”协同管理；对多能互补智慧能源系统进行有效能量管理：（1）实现“源-网-荷-储”能源数据在线监测，历史数据查询；（2）可实现负荷预测、计划调度、运行控制功能、可调负荷投切；（3）实现黑启动、并离网切换、削峰填谷等多种功能；（4）智慧能源能量管理系统通过神经网络算法可对风、光有发电进行有效预测；（5）根据调度计划曲线安排可调发电设备运行；（6）用户可通过手机访问web界面，查看智慧能源系统状态。

附图说明

图1为本发明智慧能源能量管理系统的结构示意图；

图2为实施例智慧能源能量管理系统的结构示意图；

图3为本发明智慧能源的结构示意图。

其中：

1智慧能源站2光伏发电模块3风力发电装置4微型燃气轮机

5冷却塔6三通阀7溴化锂机组8冷温水循环泵9市政电网

10储能电池11双向变流器12冷却水循环泵13光伏组件

14第一直流接收箱15光伏并网逆变器16交流配电箱

17风机18第二直流接收箱19风机控制器20并网离网储能一体机

21天然气压缩机22天然气储气罐23第一数据采集装置

24第二数据采集装置25第三数据采集装置26第四数据采集装置

27第五数据采集装置28第六数据采集装置29通讯网关30无线网关

31无线路由器32无线转发器33远程终端单元34TCP单元

35监测控制系统36负载37充电桩。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果作进一步说明，本实施例的内容不能作为限制本发明技术所要保护的范围。

本发明的一种基于源网荷储的多能互补智慧能源的能量管理系统，在实施时，采用数据采集装置、无线传输装置、下位机PLC控制器和上位机系统，通过正常运行状态监测、故障情况下异常报警、启停过程一键控制、并离网无缝切换等控制模式，对多能互补智慧能源系统进行全工况运行管理。

同时，基于数据分析处理，本系统包括可再生发电预测、运行调度优化、能耗分析模块，实现源网荷储的智慧能源系统协调管理。

本发明的一种基于源网荷储的多能互补智慧能源的能量管理系统，所述能量管理系统包括上位机系统和下位机系统，所述下位机系统包括六个数据采集装置，数据采集装置通过ModBus通讯方式的通讯网关29将数据从底层设备采集上来，并通过无线传输的方式经过无线网关30传到上位机系统，上位机系统通过OPCUA接口将数据传到网页端。

如图1所示，第一数据采集装置23采集甲线配电房的电表信息，通过串联方式传到第二数据采集装置24，第二数据采集装置24采集光伏发电模块2和风力发电装置3的信息，第三数据采集装置25采集燃气总表的信息，第四数据采集装置26采集充电桩37信息，第五数据采集装置27采集乙线配电房的电表信息，第六数据采集装置28采集智慧能源站1信息，包括：微型燃气轮机4发电功率、储能状态参数、烟气流量等数据，其中，储能电池10和双向变流器11组成的储能单元设有采集单元和TCP单元34，采集单元采集储能电池10的电池储备以及双向变流器11的电流、功率信息，通过TCP单元34发送至第六数据采集装置28的通讯网关29。

更具体地，第二~第六数据采集装置28通过无线转发器32朝上位机系统进行无线传输，第一数据采集装置23通过无线路由器31朝上位机系统进行无线传输，此外，无线路由器31可从第三数据采集装置25的无线转发器32接收信息。

如图2所示，上位机系统控制层包含操作员站、数据库、服务器等。

上位机系统将采集的数据进行实时展示，并将数据存入数据库。

可再生能源预测从数据库中读取历史数据，采用神经网络算法进行预测。

调度优化模块从数据库中读取数据，按照遗传算法进行优化计算。

负荷侧管理根据用户侧用能数据进行统计分析。

能耗分析从数据库中读取历史数据进行节能、减排等计算。

历史数据查询可从数据库中读取历史数据进行展示。

下位机PLC控制器包含就地PLC控制器、无线传输装置、控制逻辑策略等，接受上位机发出操作指令，完成控制操作，更具体地，下位机具有两个监测控制系统35，分别监测控制光伏发电模块2和风力发电装置3。

就地PLC控制器主要实现数据采集、上传，就地摄像画面采集，就地控制策略，包括：并网模式启停，孤网模式启停，并离网切换，燃机功能选择，储能PCS功能选择。

具体实施时，步骤如下：

并网1键开机

1.检查市电开关在合闸位置；

2.储能PCS在并网模式；

3.启动溴机；

4.启动增压机；

5.启动微型燃气轮机4。

并网1键停机

1.检查市电开关在合闸位置；

2.储能PCS停止；

3.溴机停止；

4.微型燃气轮机4停止；

5.增压机停止。

离网1键启动：

1.检查市电开关断开；

2.储能PCS投离网模式；

3.增压机启动；

4.启动溴机；

5.微型燃气轮机4启动。

离网1键停止：

1.检查市电开关断开；

2.储能PCS投离网模式；

3.微型燃气轮机4停止；

4.增压机停止；

5.溴机停止；

6.延时30分钟；

7.储能PCS停机。

并网切离网模式

1.并网模式1键停止；

2.系统设备均已停机；

3.30分钟延时已到；

4.离网模式1键启动。

离网切并网模式

1.离网模式1键停止；

2.系统设备均已停机；

3.30分钟延时已到；

4.并网模式1键启动。

上位机系统主要用于监控界面展示、操作，摄像画面展示，事件记录及报警状态显示，SCADA数据存储，实现智慧能源可再生能源发电预测，调度策略，能耗分析，历史数据查询等功能，实现值班人员对系统的运行进行监测和操作控制，同时，上位机人机界面展示的数据可远传web端，用户可通过浏览器访问，查看智慧能源系统状态。

上位机人机界面包括首页展示、PID流程图、监控界面、优化调度、可再生能源发电预测、能耗分析、能量流、历史数据查询、摄像头监控画面。

可再生能源发电通过神经网络算法可对风、光有发电进行预测。BP神经网络算法是模拟人的大脑，通过神经元的积累不断学习，建立机制。通过对历史数据、环境温度、辐照强度等参数的学习进行预测。

调度计划可采用优化算法进行优化，也可按照设置的调度曲线进行设备启停安排。

智慧能源能量管理系统从功能模块角度划分，包含数据监控模块、可再生能源预测、调度优化模块、控制策略、负荷侧管理、能耗分析和历史数据查询。

从能量管理系统架构来划分，包含下位机控制层，上位机控制层。上位机控制层包含工程师站、操作员站、数据库、服务器等，下位机控制层包含就地PLC控制器、无线传输装置、就地数据采集装置等。

本发明的一种基于源网荷储的多能互补智慧能源能量管理系统，还包括负荷侧管理，其具有能耗统计、数据监控、能源数据报表查询等功能，这些功能布置在人机界面。

如图3所示，所述智慧能源包括智慧能源站1、光伏发电模块2和风力发电装置3，所述智慧能源站1中包含微型燃气轮机4，所述微型燃气轮机4的电力输出端与市政电网连接，微型燃气轮机4的排烟管通过三通阀6与溴化锂机组7连接，微型燃气轮机4产生的烟气驱动溴化锂机组7制冷或者供热，所述溴化锂机组7的冷温水出口与下游空调用户的供水端连接，为下游供水端提供冷温水，为空调用户提供制冷服务，下游空调用户的回水返回至冷温水循环泵8的入口，所述冷温水循环泵8与所述溴化锂机组7的冷温水进口连接，所述冷却水循环泵12连接冷却塔5，冷却水经过冷却塔5冷却后被冷却水循环泵12循环送入所述溴化锂机组7，为所述溴化锂机组7提供循环冷却水。

所述光伏发电模块2通过光伏并网逆变器15连接到市政电网，所述市政电网与并联的负载36和充电桩37连接。

所述智慧能源站1中还包含储能电池10和双向变流器11，所述储能电池10通过双向变流器11与所述市政电网连接，市政电网与系统用电设备、市政电网分别相连，储能电池10夜间用电低谷充电、白天用电高峰放电，削峰填谷，节约电费。

所述光伏发电模块2包括光伏组件13，所述光伏组件13的电力输出端与第一直流接收箱14的输入端连接，所述第一直流接收箱14的输出端与光伏并网逆变器15的输入端连接，所述光伏并网逆变器15的输出端与交流配电箱16的输入端连接，光伏组件13将太阳能转换为电能，所发直流电力经光伏并网逆变器15转换为交流电力，接入市政电网。

所述风力发电装置3包括风机17，所述风机17的电力输出端与第二直流接收箱18的输入端连接，所述第二直流接收箱18的输出端与风机控制器19的一端连接，所述风机控制器19的另一端与并网离网储能一体机20的输入端连接。

所述能量管理系统还包括天然气压缩机21和天然气储气罐22，所述天然气压缩机21从天然气总管进气，所述天然气压缩机21的出气端与天然气储气罐22的进气端连接，所述天然气储气罐22的出气端与微型燃气轮机4的进气端连接。

具体实施时，微型燃气轮机4和光伏发电模块2所发清洁电力，接入市政电网后，优先由系统用电设备就地消纳，富余电力从市政电网并入市政电网；当系统所发电力不足或发电机组故障时，系统所用电力优先使用储能系统所储存的电力；仍然不足时，则通过市政电网补充；离网状态下，储能电池10作为系统的启动电源。

图3智慧能源拓扑图中，智慧能源包括：包含1台多能能源站、219kW分布式光伏发电系统、2×300W风电并离储系统分布式风力发电系统、微型气象站、新能源汽车智慧能源充电桩37等系统模块。智慧能源拓扑图如图2所示：多能能源站创造性地集65kW天然气分布式系统、108kWh/PCS 50kW储能系统、600W微型光伏系统、V2G端口于一体，采用可移动撬装模块就近布置于能源需求侧，在电网失电的情况下，可作为应急供能装置保障用户重要负荷的运行。

智慧能源系统按照“自发自用，余电上网”的模式运行。峰值可提供333kW电力，116kW冷量或82kW热量。通过“源-网-荷-储”一体化管理，能源综合能源利用效率87.9%，节能率可达27.4%，每年CO2减排52.7吨。

Claims (8)

1.一种基于源网荷储的多能互补智慧能源的能量管理系统，其特征在于，所述智慧能源包括智慧能源站、光伏发电模块和风力发电装置，所述能量管理系统包括上位机系统和下位机系统，所述下位机系统包括六个数据采集装置，所述数据采集装置通过ModBus通讯方式的通讯网关将数据从底层设备采集上来，并通过无线传输的方式经过无线网关传到上位机系统，所述上位机系统通过OPCUA接口将数据传到网页端。

2.根据权利要求1所述的能量管理系统，其特征在于，所述底层设备为远程终端单元，所述远程终端单元配置在甲线配电房、乙线配电房、光伏发电模块、风力发电装置、智慧能源站和充电桩中。

3.根据权利要求1所述的能量管理系统，其特征在于，所述数据采集装置包括第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置、第四数据采集装置、第五数据采集装置和第六数据采集装置，第一数据采集装置采集甲线配电房的电表信息，第一数据采集装置和第二数据采集装置的通讯网关相互连接，第二数据采集装置采集光伏发电模块和风力发电装置的信息，第三数据采集装置采集燃气总表的信息，第四数据采集装置采集充电桩信息，第五数据采集装置采集乙线配电房的电表信息，所述第六数据采集装置采集智慧能源站信息，智慧能源站信息包括：微型燃气轮机发电功率、储能状态参数、烟气流量等数据。

4.根据权利要求3所述的能量管理系统，其特征在于，第二~第六数据采集装置通过无线转发器朝上位机系统进行无线传输，第一数据采集装置通过无线路由器朝上位机系统进行无线传输，无线路由器从第三数据采集装置的无线转发器接收信息。

5.根据权利要求1所述的能量管理系统，其特征在于，所述智慧能源站包含微型燃气轮机，所述微型燃气轮机的电力输出端与市政电网连接，微型燃气轮机的排烟管通过三通阀与溴化锂机组连接，微型燃气轮机产生的烟气驱动溴化锂机组制冷或者供热，所述溴化锂机组的冷温水出口与下游空调用户的供水端连接，为下游供水端提供冷温水，为空调用户提供制冷服务，下游空调用户的回水返回至冷温水循环泵的入口，所述冷温水循环泵与所述溴化锂机组的冷温水进口连接；

所述光伏发电模块连接到市政电网，所述市政电网与并联的负载和充电桩连接；

所述智慧能源站中还包含储能电池和双向变流器，所述储能电池通过双向变流器与市政电网连接；

所述冷却水循环泵连接冷却塔，冷却水经过冷却塔冷却后被冷却水循环泵循环送入溴化锂机组，为所述溴化锂机组提供循环冷却水。

6.根据权利要求5所述的能量管理系统，其特征在于，所述光伏发电模块包括光伏组件，所述光伏组件的电力输出端与第一直流接收箱的输入端连接，所述直流接收箱的输出端与光伏并网逆变器的输入端连接，所述光伏并网逆变器的输出端与交流配电箱的输入端连接。

7.根据权利要求5所述的能量管理系统，其特征在于，所述风力发电装置包括风机，所述风机的电力输出端与第二直流接收箱的输入端连接，所述第二直流接收箱的输出端与风机控制器的一端连接，所述风机控制器的另一端与并网离网储能一体机的输入端连接。

8.根据权利要求5所述的能量管理系统，其特征在于，所述能量管理系统还包括天然气压缩机和天然气储气罐，所述天然气压缩机从天然气总管进气，所述天然气压缩机的出气端与天然气储气罐的进气端连接，所述天然气储气罐的出气端与微型燃气轮机的进气端连接。

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