CN111313468B - 一种模块化微电网中央控制器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电网技术领域，公开了一种模块化微电网中央控制器，包括服务器接口单元、模式切换单元、功能控制单元、设备管理单元和设备接口单元；服务器接口单元依次连接模式切换单元、功能控制单元、设备管理单元和设备接口单元，设备接口单元与模式切换单元连接。解决了现有微电网中央控制器大多根据项目需求进行具体功能开发，缺乏系统性的架构设计及模块化功能规划，导致项目定制化开发效率低、周期长的问题，通过模块化架构实现的微电网中央控制器系统，能够实现多种应用功能的定制，可根据用户需求自由配置各功能模块，应用场景适应性强，能够快速部署的微电网中央控制器，能够有效缩短开发周期，降低系统开发成本。

Description

一种模块化微电网中央控制器

技术领域

本发明属于微电网技术领域，涉及一种模块化微电网中央控制器。

背景技术

微电网作为“互联网+智慧能源”的重要支撑以及与大电网友好互动的技术手段，能够提高电力系统的安全性和可靠性，促进清洁能源的接入和就地消纳，提升能源利用效率；针对边远无电地区和无电海岛的用电问题，建设微电网替代柴油发电机组，能够降低用能成本；针对工商业园区，建设微电网能够促进分布式发电消纳，实现能源的精细化管理，降低用能成本，提高供电可靠性，提高设备利用率，延缓投资；并能够参与电力市场，提供辅助服务，挖掘能源数据价值，从经济与技术两个层面实现多主体的全局最优，因此，微电网具有很好的应用前景。

随着微电网的发展，微电网控制技术成为关注的重点，微电网可广泛应用于工商业园区、无电的海岛地区、偏远无电弱电地区等多种场景，各种应用场景对微电网中央控制器需求差异明显，因此中央控制器定制化程度高，现有微电网中央控制器大多根据项目需求进行具体功能开发，缺乏系统性的架构设计及模块化功能规划，导致项目定制化开发效率低，周期长。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中微电网中央控制器大多根据项目需求进行具体功能开发，导致项目定制化开发效率低，周期长的缺点，提供一种模块化微电网中央控制器。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种模块化微电网中央控制器，包括服务器接口单元、模式切换单元、功能控制单元、设备管理单元和设备接口单元；服务器接口单元依次连接模式切换单元、功能控制单元、设备管理单元和设备接口单元，设备接口单元与模式切换单元连接；其中：服务器接口单元用于接收电站调度系统、能量管理系统或SCADA下发的电网调度计划指令或模式切换指令并发送至模式切换单元；模式切换单元用于接收电网调度计划指令或模式切换指令，接收设备接口单元发送的微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据、状态信息及开关分合闸状态信号，当接收模式切换指令时，根据模式切换指令以及各个微网设备的实时电力数据及状态信息生成微网调度指令；当接收电网调度计划指令时，根据电网调度计划指令生成微网调度指令；模式切换单元还用于将微网调度指令以及微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据、状态信息及开关分合闸状态信号发送至功能控制单元；功能控制单元用于根据接收的微网调度指令以及微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据、状态信息及开关分合闸状态信号得到微网系统中各个子系统的调整量，生成微网系统中各个子系统的调整信号并发送至设备管理单元；设备管理单元用于根据微网系统中各个子系统的调整信号，生成微网系统中各个子系统内各个微网设备的调整指令、启停指令或开关分合闸指令并发送至设备接口单元；设备接口单元用于采集微网系统中各个子系统内的各个微网设备的实时电力数据、状态信息及开关分合闸状态信号并发送至模式切换单元；还用于将微网系统中各个子系统内各个微网设备的调整指令、启停指令或开关分合闸指令发送至对应的微网设备。

本发明进一步的改进在于：

所述服务器接口单元支持IEC60870-5-101/103/104电力规约、Modbus-RTU电力规约、Modbus-TCP电力规约以及IEC61850电力规约。

所述模式切换单元内部预设微网运行模式和微网工作模式，微网运行模式包括并网运行模式、离网运行模式以及并/离网切换模式，并网运行模式包括经济最优工作模式、低碳环保工作模式、联络线功率控制工作模式以及调度响应工作模式。

所述功能控制单元内部设置功率控制模块、电压控制模块、频率控制模块、离网控制模块、黑启动模块、主动离网模块、同期并网模块以及削峰填谷模块；功率控制模块、电压控制模块、频率控制模块、离网控制模块、黑启动模块、主动离网模块、同期并网模块以及削峰填谷模块的一端均与模式切换单元连接，另一端均与设备管理单元连接；功率控制模块、频率控制模块、离网控制模块、黑启动模块、主动离网模块、同期并网模块以及削峰填谷模块用于根据微网调度指令以及微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据及状态信息生产微网系统中各个子系统的功率控制调整信号、频率控制调整信号、离网控制调整信号、黑启动调整信号、主动离网调整信号、同期并网调整量信号以及削峰填谷调整信号并发送至设备管理单元。

所述设备管理单元内部设置分布式电源系统控制模块、柴发系统控制模块、储能系统控制模块和负荷系统控制模块；分布式电源系统控制模块、柴发系统控制模块、储能系统控制模块和负荷系统控制模块的一端均与功能控制单元连接，另一端均与设备接口单元连接；分布式电源系统控制模块用于接收分布式电源系统的调整信号并生成分布式电源系统内各个分布式电源的调整指令或启停指令然后发送至设备接口单元；柴发系统控制模块用于接收柴发系统的调整信号并生成柴发系统内各个柴发设备的调整指令或启停指令然后发送至设备接口单元；储能系统控制模块用于接收储能系统的调整信号并生成储能系统内各个储能变流器的调整指令或启停指令然后发送至设备接口单元；负荷系统控制模块用于接收负荷系统的调整信号并生成负荷系统内各个负荷的调整指令、启停指令或开关分合闸指令然后发送至设备接口单元。

所述设备接口单元内部设置通讯接口、开入接口、开出接口和模拟量采集接口；通讯接口和开出接口均与设备管理单元连接，通讯接口、开入接口和模拟量采集接口均与模式切换单元连接；通讯接口用于采集微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据及状态信息并发送至模式切换单元，还用于接收微网系统内各个微网设备的调整指令或启停指令然后发送至对应的微网设备；开入接口用于采集微网系统与大电网公共连接点的开关分合闸状态信号以及微网系统负载的投切开关分合闸状态信号并发送至模式切换单元；开出接口用于输出控制微网系统与大电网公共连接点开关分合闸指令以及微网系统负载投切开关分合闸指令；模拟量采集接口用于采集微网系统与大电网公共连接点开关两侧大电网和微网系统的模拟电参量信号并发送至模式切换单元。

所述通讯接口支持IEC60870-5-101/103/104电力规约、Modbus-RTU电力规约、Modbus-TCP电力规约和IEC61850电力规约。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

采用模块化的架构设计，适用于各种根据不同用户需求自由配置各种子系统后的微网系统，比如，通过配置光伏分布式电源系统、储能系统及负荷系统形成的典型的光储型微网，配置柴发系统、光伏分布式电源系统、储能系统及负荷系统形成的适用于孤岛的离网型微网，通过配置光伏分布式电源系统和储能系统形成的光伏发电侧储能微网，不需要根据项目需求进行具体中央控制器系统的开发，有效解决现有微电网中央控制器大多根据项目需求进行具体功能开发，缺乏系统性的架构设计及模块化功能规划，进而导致开发效率低、开发周期长的问题，本发明中央控制器通过模块化的架构设计实现多种应用功能的微网系统的控制，应用场景适应性强，且能够快速部署，能够有效缩短开发周期，降低开发成本。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为典型的微网系统拓扑示意图；

图3为本发明的中央控制器并网运行模式指令流转示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1至3，本发明模块化微电网中央控制器，采用模块化架构设计，包括服务器接口单元、模式切换单元、功能控制单元、设备管理单元和设备接口单元。

服务器接口单元用于接收调度计划指令或模式切换指令并发送至模式切换单元，模式切换指令包括微网运行模式切换指令和微网工作模式切换指令。服务器接口单元负责与电站调度系统、数据采集与监视控制系统(SCADA)或能量管理系统(EMS)的通讯，支持IEC60870-5-101/103/104、Modbus-RTU、Modbus-TCP、IEC61850等多种电力规约。

模式切换单元一端与服务器接口单元连接，另一端与功能控制单元连接，模式切换单元用于接收微网运行模式切换指令或微网工作模式切换指令以及设备接口单元发送的微网系统中各个微网设备的实时电力数据、状态信息及开关状态信号，并根据微网运行模式切换指令和微网工作模式切换指令以及微网系统中各个微网设备的实时电力数据、状态信息及开关状态信号切换微网运行模式和工作模式生成微网调度指令，将微网调度指令和微网系统中各个微网设备的实时电力数据及状态信息发送至功能控制单元，来实现控制微网系统运行在不同的运行模式或工作模式下；或者接收调度计划指令并将调度计划指令和微网系统中各个微网设备的实时电力数据及状态信息发送至功能控制单元。具体的，可以根据用户使用场景，预先定制化设计不同的微网运行模式和工作模式，然后在模式切换单元的作用下进行微网运行模式和工作模式的切换，微网运行模式包括并网运行模式、离网运行模式以及并/离网切换模式，其中，并网运行模式包括经济最优、低碳环保、联络线功率控制以及调度响应四种工作模式，另外还可以定制化开发适用于不同场景的工作模式。

模式切换单元包括运行模式控制模块和工作模式控制模块，运行模式控制模块和工作模式控制模块的一端均与服务器接口单元连接，另一端均与功能控制单元连接，运行模式控制模块用于切换微网运行模式，切换微网运行模式用于切换微网工作模式。

功能控制单元是微电网中央控制器的核心单元，用于响应微网调度指令要求，根据微网调度指令实时计算微网系统中各个子系统的调整量，生成微网系统中各个子系统的调整信号并发送至设备管理单元。其中，子系统包括分布式电源系统、柴发系统、储能系统和负荷系统等，分布式电源系统包括风电分布式电源系统和/或光伏分布式电源系统。负责根据调度指令计算微网系统的功率、电压、频率等的调整量，以满足大电网或能量管理调度的需求，其基本涵盖微电网、储能系统及小型孤岛系统场景所需要的基本功能模块，主要包括功率控制模块、电压控制模块、频率控制模块、离网控制模块、黑启动模块、主动离网模块、同期并网模块以及削峰填谷模块等。

其中，功率控制模块、频率控制模块、离网控制模块、黑启动模块、主动离网模块、同期并网模块以及削峰填谷模块用于根据微网调度指令以及微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据、状态信息及开关状态信号生产微网系统中各个子系统的功率控制调整信号、频率控制调整信号、离网控制调整信号、黑启动调整信号、主动离网调整信号、同期并网调整信号以及削峰填谷调整信号并发送至设备管理单元。功率控制模块的主要功能为控制微电网与大电网的联络线有功/无功功率按照大电网的功率调度要求运行；电压控制模块的功能为配合大电网调压需求进行二次调压；频率控制模块功能为配合大电网调频调度需求进行二次调频；离网控制模块的主要功能是协调控制微网内的源、负荷、储能系统，保证微网稳定运行；黑启动模块的主要功能是实现微电网没有外部电源的情况下，只依靠内部电源设备完成系统启动；主动离网模块的主要功能是根据运行模式切换指令要求，实现微电网从并网运行平滑切换至离网运行；同期并网模块的主要功能是控制微电网平稳并入大电网；削峰填谷模块的功能为根据电价曲线控制储能系统在峰值时放电，在电价谷值时进行充电，从而实现峰谷套利。

设备管理单元用于接收功能控制单元发送的微网系统中各个子系统的调整量信号，并生成微网系统中各个子系统内各个微网设备的调整指令或启停指令，然后发送各个子系统内各个微网设备的调整指令、启停指令或开关分合闸指令至设备接口单元。

设备管理单元内部设置分布式电源系统控制模块、柴发系统控制模块、储能系统控制模块和负荷系统控制模块；分布式电源系统控制模块用于接收分布式电源系统的调整量信号并生成分布式电源系统内各个分布式电源的调整指令或启停指令然后发送至设备接口单元；柴发系统控制模块用于接收柴发系统的调整量信号并生成柴发系统内各个柴发设备的调整指令或启停指令然后发送至设备接口单元；储能系统控制模块用于接收储能系统的调整量信号并生成储能系统内各个储能变流器的调整指令或启停指令然后发送至设备接口单元；负荷系统控制模块用于接收负荷系统的调整量信号并生成负荷系统内各个负荷的调整指令、启停指令或开关分合闸指令，然后发送至设备接口单元。

设备接口单元与模式切换单元、设备管理单元和微网系统中各个子系统内的各个微网设备均连接。设备接口单元主要负责采集微网系统中各个子系统内的各个微网设备的实时电力数据及状态信息并发送至模式切换单元，以及将设备管理单元下发的微网系统中各个子系统内的各个微网设备的调整指令、启停指令或开关分合闸指令发送至对应的微网设备。设备接口单元主要包括通讯接口、开入接口、开出接口和模拟量采集接口。

其中，通讯接口为通过有线或无线通讯的方式实现微网系统中各个子系统的电量数据采集与实时控制，主要是采集微网系统中分布式电源、储能变流器、电池管理系统BMS、负荷的功率、运行状态和故障信息等，并通过有线或无线的通讯的方式，发送各个子系统中各个设备的调整指令或启停指令至对应设备，对微网系统内各个设备进行功率调整和启停控制。其支持的协议包括IEC60870-5-101/103/104、Modbus-RTU、Modbus-TCP和IEC61850等多种电力规约。

开入接口用于采集微网系统与大电网公共连接点(PCC)开关的开关分合闸状态信号以及微网系统负载投切开关的开关分合闸状态信号，并发送至模式切换单元。

开出接口用于输出控制微网系统与大电网公共连接点开关以及微网系统负载投切开关的开关分合闸指令。

AD接口，即模拟量采集转换接口，用于采集微网系统与大电网公共连接点PCC开关两侧大电网和微网系统的模拟电参量信号，并将采集到的模拟电参量信号转换成数字量信号发送至模式切换单元，供模式切换单元进行运算和逻辑判断。

本发明模块化微电网中央控制器的工作过程：

步骤1：电站调度系统/能量管理系统/SCADA下发调度计划指令、微网运行模式切换指令或微网工作模式切换指令，服务器接口单元接收到调度计划指令、微网运行模式切换指令或微网工作模式切换指令后传递给模式切换单元。同时，设备接口单元采集微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据及状态信息，并发送至模式切换单元。

步骤2：当模式切换单元接收到微网运行模式切换指令或微网工作模式切换指令后，模式切换单元根据微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据及状态信息，通过模式切换单元内预设的算法逻辑判断微网运行模式切换指令或微网工作模式切换指令是否合理，若微网运行模式切换指令或微网工作模式切换指令合理则进行微网系统运行模式或工作模式的切换，生成微网调度指令并将微网调度指令和微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据及状态信息发送至功能控制单元；当模式切换单元接收到微网调度指令后，直接将微网调度指令和微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据及状态信息发送至功能控制单元。

步骤3：功能控制单元根据微网调度指令实时计算微网系统中各个子系统的调整量，生成微网系统中各个子系统的调整信号并发送至设备管理单元实现微网系统的功率、电压和频率的控制。功能控制单元通过设置功率控制模块、电压控制模块、频率控制模块、离网控制模块、黑启动模块、主动离网模块、同期并网模块以及削峰填谷模块，基本涵盖微电网、储能系统及小型孤岛系统场景所需要的基本功能。

步骤4：设备管理单元接收功能控制单元发送的微网系统中各个子系统的调整信号后，根据微网系统中各个子系统的调整信号生成微网系统中各个子系统内各个微网设备的调整指令或启停指令，然后发送各个子系统内各个微网设备的调整指令或启停指令至设备接口单元。

步骤5：设备接口单元将设备管理单元下发的微网系统中各个子系统内的各个微网设备的调整指令或启停指令发送至对应的微网设备，实现对微网设备的控制；同时，设备接口单元采集微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据及状态信息，然后发送至模式切换单元。

本发明模块化微电网中央控制器，采用模块化的架构设计，适用于各种根据不同用户需求自由配置各种子系统后的微网系统，比如，通过配置光伏分布式电源系统、储能系统及负荷系统形成的典型的光储型微网，配置柴发系统、光伏分布式电源系统、储能系统及负荷系统形成的适用于孤岛的离网型微网，通过配置光伏分布式电源系统和储能系统形成的光伏发电侧储能微网，不需要根据项目需求进行具体中央控制器系统的开发，有效解决现有微电网中央控制器大多根据项目需求进行具体功能开发，缺乏系统性的架构设计及模块化功能规划，进而导致开发效率低、开发周期长的问题，本发明中央控制器通过模块化的架构设计实现多种应用功能的微网系统的控制，应用场景适应性强，且能够快速部署，能够有效缩短开发周期，降低开发成本。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种模块化微电网中央控制器，其特征在于，包括服务器接口单元、模式切换单元、功能控制单元、设备管理单元和设备接口单元；服务器接口单元依次连接模式切换单元、功能控制单元、设备管理单元和设备接口单元，设备接口单元与模式切换单元连接；其中：

服务器接口单元用于接收电站调度系统、能量管理系统或SCADA下发的电网调度计划指令或模式切换指令并发送至模式切换单元；

模式切换单元用于接收电网调度计划指令或模式切换指令，接收设备接口单元发送的微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据、状态信息及开关分合闸状态信号，当接收模式切换指令时，根据模式切换指令以及各个微网设备的实时电力数据及状态信息生成微网调度指令；当接收电网调度计划指令时，根据电网调度计划指令生成微网调度指令；模式切换单元还用于将微网调度指令以及微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据、状态信息及开关分合闸状态信号发送至功能控制单元；

功能控制单元用于根据接收的微网调度指令以及微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据、状态信息及开关分合闸状态信号得到微网系统中各个子系统的调整量，生成微网系统中各个子系统的调整信号并发送至设备管理单元；

设备管理单元用于根据微网系统中各个子系统的调整信号，生成微网系统中各个子系统内各个微网设备的调整指令、启停指令或开关分合闸指令并发送至设备接口单元；

设备接口单元用于采集微网系统中各个子系统内的各个微网设备的实时电力数据、状态信息及开关分合闸状态信号并发送至模式切换单元；还用于将微网系统中各个子系统内各个微网设备的调整指令、启停指令或开关分合闸指令发送至对应的微网设备；

所述功能控制单元内部设置功率控制模块、电压控制模块、频率控制模块、离网控制模块、黑启动模块、主动离网模块、同期并网模块以及削峰填谷模块；功率控制模块、电压控制模块、频率控制模块、离网控制模块、黑启动模块、主动离网模块、同期并网模块以及削峰填谷模块的一端均与模式切换单元连接，另一端均与设备管理单元连接；

功率控制模块、频率控制模块、离网控制模块、黑启动模块、主动离网模块、同期并网模块以及削峰填谷模块用于根据微网调度指令以及微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据及状态信息生产微网系统中各个子系统的功率控制调整信号、频率控制调整信号、离网控制调整信号、黑启动调整信号、主动离网调整信号、同期并网调整量信号以及削峰填谷调整信号并发送至设备管理单元；

所述设备管理单元内部设置分布式电源系统控制模块、柴发系统控制模块、储能系统控制模块和负荷系统控制模块；分布式电源系统控制模块、柴发系统控制模块、储能系统控制模块和负荷系统控制模块的一端均与功能控制单元连接，另一端均与设备接口单元连接；

分布式电源系统控制模块用于接收分布式电源系统的调整信号并生成分布式电源系统内各个分布式电源的调整指令或启停指令然后发送至设备接口单元；柴发系统控制模块用于接收柴发系统的调整信号并生成柴发系统内各个柴发设备的调整指令或启停指令然后发送至设备接口单元；储能系统控制模块用于接收储能系统的调整信号并生成储能系统内各个储能变流器的调整指令或启停指令然后发送至设备接口单元；负荷系统控制模块用于接收负荷系统的调整信号并生成负荷系统内各个负荷的调整指令、启停指令或开关分合闸指令然后发送至设备接口单元。

2.根据权利要求1所述的模块化微电网中央控制器，其特征在于，所述服务器接口单元支持IEC60870-5-101/103/104电力规约、Modbus-RTU电力规约、Modbus-TCP电力规约以及IEC61850电力规约。

3.根据权利要求1所述的模块化微电网中央控制器，其特征在于，所述模式切换单元内部预设微网运行模式和微网工作模式，微网运行模式包括并网运行模式、离网运行模式以及并/离网切换模式，并网运行模式包括经济最优工作模式、低碳环保工作模式、联络线功率控制工作模式以及调度响应工作模式。

4.根据权利要求1所述的模块化微电网中央控制器，其特征在于，所述设备接口单元内部设置通讯接口、开入接口、开出接口和模拟量采集接口；通讯接口和开出接口均与设备管理单元连接，通讯接口、开入接口和模拟量采集接口均与模式切换单元连接；

通讯接口用于采集微网系统中各个子系统内各个微网设备的实时电力数据及状态信息并发送至模式切换单元，还用于接收微网系统内各个微网设备的调整指令或启停指令然后发送至对应的微网设备；开入接口用于采集微网系统与大电网公共连接点的开关分合闸状态信号以及微网系统负载的投切开关分合闸状态信号并发送至模式切换单元；开出接口用于输出控制微网系统与大电网公共连接点开关分合闸指令以及微网系统负载投切开关分合闸指令；模拟量采集接口用于采集微网系统与大电网公共连接点开关两侧大电网和微网系统的模拟电参量信号并发送至模式切换单元。

5.根据权利要求4所述的模块化微电网中央控制器，其特征在于，所述通讯接口支持IEC60870-5-101/103/104电力规约、Modbus-RTU电力规约、Modbus-TCP电力规约和IEC61850电力规约。

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