CN112600241B - 一种微电网ems能量管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种微电网EMS能量管理系统，所述系统包括位于所述微电网范围内的多个受控智能用电设备、储能装置、本地耗能发电装置、本地非耗能发电装置以及中央控制引擎；每个所述受控智能用电设备包括智能控制电路；所述储能装置用于储存所述微电网产生的剩余电能，并利用所述剩余电能给所述智能控制电路供电；所述中央控制引擎基于所述多个受控智能用电设备各自的所述智能控制电路的所述设定时间段、所述储能装置的储能状态以及所述本地非耗能发电装置的工作状态，控制所述本地耗能发电装置的运行状态。本发明能够实现微电网内部发电效率与能量利用的最优化。

Description

一种微电网EMS能量管理系统
技术领域
本发明属于微电网运行与管理技术领域，尤其涉及一种微电网EMS能量管理系统。
背景技术
21世纪来，随着全球能源、环境问题日益凸显，世界各国开始大规模开发风能、太阳能等可再生能源新能源的涌现促进了分布式电源的快速发展。基于分布式电源，结合相关负荷、储能装置、能量转换装置，并按照一定的拓扑结构组成的巧络可称为微电网(Microgrids)。微电网系统实现了分布式电源(Distributed Generation，DG)和负荷的一体化运行，为可再生能源的综合利用提供了一种有效的技术手段。
能量管理系统(EMS)是独立微电网系统正常运行的关键，可在保证微电网可靠运行的基础上最大化经济效益或环境效益。然而，可再生能源发电输出的随机性、间歇性和波动性，增加了微电网能量管理和实时控制的难度。
申请号为CN202010737401.0的中国发明专利申请提出一种风光储充校园微电网系统，包括分布式发电单元和混合储能单元，所述分布式发电单元与所述混合储能单元相连；所述分布式发电单元包括光伏系统和风力发电机组，所述混合储能单元包括超级电容和锂电池组，该发明具有提高用电经济性、提高用电安全稳定性、延长锂电池组使用寿命等优点；
申请号为CN202010729461.8的中国发明专利申请提出一种移动式多能源微电网控制方法及系统，先根据蓄电池的荷电状态SOC选择由蓄电池或者柴油机发电机组单独启动作为主供电电源；微网系统启动后燃料电池发电机组启动工作，若燃料电池发电机组稳定则燃料电池发电机组作为微网系统的主供电电源，在第二阶段内，则由光伏电池发电机组、燃料电池发电机组、蓄电池及其互相联合发电满足负载需求功率Pload；若燃料电池发电机组不稳定，则由光伏电池发电机组、蓄电池、柴油机发电机组及其互相联合发电以满足负载需求功率Pload，从而可以实现可再生能源与微电网系统相结合的优势，实现可移动微电网能源利用。
然而，随着智能家居设备的广泛使用，智能家居设备本身就具备一定的节能属性。如何使得微电网范围的智能家居设备既能够正常工作，又能够保证原有的节能属性，并使得微电网本身能够实现系统能量最优调度，现有技术并未注意到此类问题，更未提出有效的技术方案。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种微电网EMS能量管理系统，所述系统包括位于所述微电网范围内的多个受控智能用电设备、储能装置、本地耗能发电装置、本地非耗能发电装置以及中央控制引擎；每个所述受控智能用电设备包括智能控制电路；所述储能装置用于储存所述微电网产生的剩余电能，并利用所述剩余电能给所述智能控制电路供电；所述中央控制引擎基于所述多个受控智能用电设备各自的所述智能控制电路的所述设定时间段、所述储能装置的储能状态以及所述本地非耗能发电装置的工作状态，控制所述本地耗能发电装置的运行状态。本发明能够实现微电网内部发电效率与能量利用的最优化。
具体而言，本发明提出一种微电网EMS能量管理系统，所述系统包括位于所述微电网范围内的多个受控智能用电设备、储能装置、本地耗能发电装置、本地非耗能发电装置以及中央控制引擎；
每个所述受控智能用电设备包括智能控制电路，所述智能控制电路控制所述受控智能用电设备在多个不同的设定时间段内开启和关闭；
所述储能装置用于储存所述微电网产生的剩余电能，并利用所述剩余电能给所述智能控制电路供电；
所述本地耗能发电装置包括天然气发电装置或柴油发电装置；
所述本地非耗能发电装置包括太阳能发电装置以及风能发电装置；
所述中央控制引擎基于所述本地非耗能发电装置的运行状态控制所述本地耗能发电装置的运行状态。
所述本地非耗能发电装置的运行状态包括：不同时间段对应不同的功率值，所述本地非耗能发电装置将所述不同时间段对应的不同的功率值发送至所述中央控制引擎；
所述中央控制引擎基于所述本地非耗能发电装置的运行状态、所述不同时间段对应的不同的功率值、所述储能装置的储能状态、所述多个受控智能线路各自的所述智能控制电路的所述设定时间段以及所述多个受控智能用电设备各自的额定功率和启动功率，控制所述本地耗能发电装置的运行状态。
所述储能装置的储能状态表现在：
所述储能装置在不同时段内对应不同的剩余储能比例值；
当所述本地耗能发电装置处于关闭状态时，所述储能装置将当前时段对应的剩余储能比例值发送至所述中央控制引擎。
作为进一步的优选，所述中央控制引擎还包括远程终端单元与边缘计算单元。
利用所述远程终端单元采集已有参数，利用所述边缘计算单元基于已有单元得到预测参数；
所述中央控制引擎基于所述已有参数和预测参数，控制所述本地耗能发电装置的运行状态。
本发明使得独立微电网范围的智能家居设备既能够正常工作，又能够保证原有的节能属性，并使得微电网本身能够实现系统能量最优调度。
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例的一种微电网EMS能量管理系统的主体架构图
图2是图1所述系统使用的中央控制引擎的控制示意图
图3是图1所述系统使用的中央控制引擎的数据流示意图
图4是图2或图1所述系统中预测引擎的工作示意图
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
参见图1，本发明一个实施例的一种微电网EMS能量管理系统的主体架构图。
在图1中，所述系统包括位于所述微电网范围内的多个受控智能用电设备、储能装置、本地耗能发电装置、本地非耗能发电装置以及中央控制引擎。
需要说明的是，在本发明的各个实施例中，所使用的微电网是处于孤岛状态的，并不需要与主电网并网。
众所周知，微电网可运行在并网和孤岛两种模式下。当处于并网运行时，可对电网起到削峰填谷的作用，是保障电网稳定运行的有力支撑。当电网出现故障时，微网能够快速的与电网断开，孤岛运行，保证了敏感负荷的持续供电，提高供电可靠性。
然而，在本发明的各个实施例中，为了确保系统的电压稳定、频率稳定和功率的平衡，避免了间歇式电源(例如光伏发电和风力发电)对主电网电能质量的影响，微电网不并网运行，而是与主电网独立分开，可以避免电压波动和谐波问题。
在图1实施例中，本地耗能发电装置B与本地非耗能发电装置A是相对的概念。
耗能发电，包括燃气发电和燃油发电等，是指需要外界提供化石能源；非耗能发电，是指直接利用新能源发电，包括光能、风能、沼气等可再生能源，尤其是处于孤岛状态下可以就地获取的能源。
作为优选，所述本地耗能发电装置包括天然气发电装置或柴油发电装置；所述本地非耗能发电装置包括太阳能发电装置以及风能发电装置。
所述受控智能用电设备为智能家居设备或者配置智能控制电路的普通家居设备；
对于智能家居设备，其通常配置可编程的逻辑智能控制电路，通过交互式的软件，可以实现家居设备的可编程控制，例如分时段定时开启和关闭；
对于普通家居设备，其可以外置一个智能插座，将所述智能插座插在通用供电电源上，然后再将所述普通家居设备通过所述智能插座接入通用电源。智能开关插座本身的开启和关闭时段可以通过交互式软件设置，从而实现普通家居设备的分时段定时开启和关闭。
不管是哪一种情况，都需要给所述智能开关插座或者逻辑智能控制电路提供不间断电源。
因此，在本发明的各个实施例中，所述储能装置用于储存所述微电网产生的剩余电能，并利用所述剩余电能给所述智能控制电路供电。
在本发明的各个实施例中，所述本地非耗能发电装置是自适应运行的装置，当外界的环境参数满足预定条件时，本地非耗能发电装置即开始运行；而所述本地耗能发电装置是受控装置，其运行状态由所述中央控制引擎控制。
总体来说，在本发明的各个实施例中，所述中央控制引擎基于所述多个受控智能用电设备各自的所述智能控制电路的所述设定时间段、所述储能装置的储能状态以及所述本地非耗能发电装置的工作状态，控制所述本地耗能发电装置的运行状态。
其中，所述智能控制电路包括前述的可编程的逻辑智能控制电路和所述智能插座。
所述储能装置的储能状态，包括所述储能装置在不同时段内对应不同的剩余储能比例值。
所述本地非耗能发电装置的工作状态，包括所述本地非耗能发电装置在不同时间段对应不同的功率值，所述本地非耗能发电装置将所述不同时间段对应的不同的功率值发送至所述中央控制引擎。
在图1的基础上，参见图2。
作为一个一般性的例子，所述微电网EMS能量管理系统包括N个远程终端单元，所述中央控制引擎包括M个边缘计算单元；
所述N个终端单元与所述M个边缘计算单元通信连接；
所述N个终端单元采集得到N组第一非耗能发电参数，将所述N组第一非耗能发电参数分为M组后，分别发送至所述M个边缘计算单元；
所述M个边缘计算单元基于所述M组第一非耗能发电参数预测得出所述所述第二非耗能发电参数；
其中，N和M均为正整数，并且
Figure BDA0002826761570000071
Figure BDA0002826761570000072
表示向下取整。
更具体的，所述远程终端单元用于在所述微电网范围内采集第一非耗能发电参数，所述第一非耗能发电参数包括所述太阳能发电装置处于运行状态时的第一输出功率、对应的光强信号及其对应的第一时间段、所述风能发电装置处于运行状态时的第二输出功率、风速信号及其对应的第二时间段。
图2给出了一个具体的示意图。
在图2的实施例中，在所述微电网范围内，包括2台太阳能发电装置和2台风能发电装置，分别对应2个远程终端单元，因此，所述实施例对应4台远程终端单元；4个远程终端单元分为两组，每组对应一个边缘计算单元。
2台太阳能发电装置各自对应1个远程终端单元，这两个远程终端单元各自采集所述2台太阳能发电装置处于运行状态时的第一输出功率、对应的光强信号及其对应的第一时间段，将其发送给第一边缘计算单元；
第一边缘计算单元基于接收的上述数据，预测所述2台太阳能发电装置未来预定时间段的第二非耗能发电参数，所述太阳能发电装置未来预定时间段的第二非耗能发电参数包括未来预定时间段的光强信号和输出功率；
2台风能发电装置各自对应1个远程终端单元，这两个远程终端单元各自采集所述2台风能发电装置处于运行状态时的第二输出功率、风速信号及其对应的第二时间段，将其发送给第二边缘计算单元；
第二边缘计算单元基于接收的上述数据，预测所述2台风能发电装置未来预定时间段的第二非耗能发电参数，所述风能发电装置未来预定时间段的第二非耗能发电参数包括未来预定时间段的风速信号和输出功率；
然后，所述中央控制引擎基于上述预测结果和已有数据控制所述本地耗能发电装置的运行状态。
所述本地耗能发电装置的运行状态包括所述本地耗能发电装置的开启状态和关闭状态；所述开启状态包括所述本地耗能发电装置的运行功率。
所述储能装置用于储存所述微电网产生的剩余电能，所述微电网产生的电能包括所述本地耗能发电装置和所述本地非耗能发电装置输出的电能，所述剩余电能是指所述输出电能在满足所述微电网范围的多个受控智能用电设备的正常运行后剩余的电能。
同时，所述剩余电能需要给所述智能控制电路供电，因此，当所述本地耗能发电装置处于关闭状态时，所述储能装置将当前时段对应的剩余储能比例值发送至所述中央控制引擎。
进一步的，所述储能装置设定剩余储能比例值上限值与下限值；
当所述剩余储能比例值低于所述下限值或者高于所述上限值时，所述储能装置发送至所述警示信号给所述中央控制引擎，使得所述中央控制引擎控制所述本地耗能发电装置的运行状态。
上述过程可以参见图3和图4所述的数据流程图。
在图3中，所述中央控制引擎基于上述预测结果和已有数据控制所述本地耗能发电装置的运行状态。
其中，上述预测结果包括：基于已经采集的第一非耗能发电参数预测未来预定时间段的第二非耗能发电参数。
所述太阳能发电装置未来预定时间段的第二非耗能发电参数包括未来预定时间段的光强信号和输出功率；
所述风能发电装置未来预定时间段的第二非耗能发电参数包括未来预定时间段的风速信号和输出功率；
已有数据则至少包括：
受控智能用电设备的设定时间段、启动功率、额定运行功率；
储能装置剩余储能比例值；
本地非耗能发电装置的当前输出功率。
将上述已有数据和预测结果发送给中央控制引擎之后，本地耗能发电装置的状态改变，此时，储能装置剩余储能比例值随着时间的改变也会变化，因此，反过来引擎所述中央控制引擎的操作状态，从而构成闭环的反馈控制，保证系统的稳定性。
图4中，基于第一输出功率、对应的光强信号及其对应的第一时间段预测未来预定时间段的光强信号，同时，基于第二输出功率、风速信号及其对应的第二时间段，预测未来预定时间段的风速信号，从而得出本地非耗能发电装置的未来预测功率。
在该实施例中，所述预测是通过边缘计算单元来实现。
边缘计算，是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。
本实施例中，更特殊的，边缘计算是在靠近数据产生源段的一侧的本地计算，无需时刻与外界保持沟通，而仅在本地具备一定数据分析和处理能力的预测引擎模型基础上，在本地独立进行数据分析和数据预测。
作为优选，上述基于已有数据进行未来预测，可以是基于时间序列的预测模型，包括最小二乘预测、支持向量机预测等，本发明对此不作具体限制。
作为优选，上述实施例中，所述智能控制电路为可编程智能控制开关；
所述可编程智能控制开关与移动终端通信，通过所述移动终端设定所述受控智能用电设备的开启和/或关闭的时间段。
作为进一步的优选，所述预定时间段与所述受控智能用电设备的多个不同的设定时间段存在交集。
此种设置，使得预测时间段更为符合实际情况。例如，用点设备在8:00-12:00处于开启状态，那么，所述未来预定时间段的预测结果可以是未来七天内，包含每天8:00-12:00这个时间段的预测结果。
模拟仿真和实践数据均证明，本发明的独立微电网EMS可以使得微电网范围的智能家居设备既能够正常工作，又能够保证原有的节能属性，并使得微电网本身能够实现系统能量最优调度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种微电网EMS能量管理系统，包括位于微电网范围内的多个受控智能用电设备、储能装置、本地耗能发电装置、本地非耗能发电装置以及中央控制引擎；
其特征在于：
每个所述受控智能用电设备包括智能控制电路，所述智能控制电路控制所述受控智能用电设备在多个不同的设定时间段内开启和关闭；
所述智能控制电路为可编程智能控制开关；所述可编程智能控制开关与移动终端通信，通过所述移动终端设定所述受控智能用电设备的开启和/或关闭的时间段；
所述储能装置用于储存所述微电网产生的剩余电能，并利用所述剩余电能给所述智能控制电路供电；
所述本地非耗能发电装置在不同时间段对应不同的功率值，所述本地非耗能发电装置将所述不同时间段对应的不同的功率值发送至所述中央控制引擎；
所述中央控制引擎基于所述不同时间段对应的不同的功率值、所述多个受控智能用电设备各自的所述智能控制电路的所述设定时间段以及所述多个受控智能用电设备各自的额定功率，控制所述本地耗能发电装置的运行状态；
所述储能装置设定剩余储能比例值上限值；
所述储能装置在不同时段内对应不同的剩余储能比例值；当所述本地耗能发电装置处于关闭状态时，所述储能装置将当前时段对应的剩余储能比例值发送至所述中央控制引擎；
当所述剩余储能比例值高于所述上限值时，所述储能装置发送警示信号给所述中央控制引擎，使得所述中央控制引擎控制所述本地耗能发电装置的运行状态；
所述系统还包括多个远程终端单元，所述远程终端单元用于在所述微电网范围内采集第一非耗能发电参数，所述第一非耗能发电参数包括太阳能发电装置处于运行状态时的第一输出功率、对应的光强信号及其对应的第一时间段、风能发电装置处于运行状态时的第二输出功率、风速信号及其对应的第二时间段；
所述远程终端单元将所述第一非耗能发电参数发送至所述中央控制引擎，所述中央控制引擎基于已经采集的第一非耗能发电参数预测未来预定时间段的第二非耗能发电参数；
所述第二非耗能发电参数包括未来预定时间段的光强信号和风速信号；
所述系统包括N个远程终端单元，所述中央控制引擎包括M个边缘计算单元；
所述N个终端单元与所述M个边缘计算单元通信连接；
所述N个终端单元采集得到N组第一非耗能发电参数，将所述N组第一非耗能发电参数分为M组后，分别发送至所述M个边缘计算单元；
所述M个边缘计算单元基于所述M组第一非耗能发电参数预测得出所述第二非耗能发电参数；
其中，N和M均为正整数，并且
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示向下取整；
所述预定时间段与所述受控智能用电设备的多个不同的设定时间段存在交集。
2.如权利要求1所述的一种微电网EMS能量管理系统，其特征在于：
所述本地耗能发电装置包括天然气发电装置或柴油发电装置；
所述本地非耗能发电装置包括太阳能发电装置以及风能发电装置。
3.如权利要求1或2所述的一种微电网EMS能量管理系统，其特征在于：
所述本地耗能发电装置的运行状态包括所述本地耗能发电装置的开启状态和关闭状态；所述开启状态包括所述本地耗能发电装置的运行功率。
4.如权利要求1或2所述的一种微电网EMS能量管理系统，其特征在于：
所述储能装置设定剩余储能比例值下限值；
当所述剩余储能比例值低于所述下限值时，所述储能装置发送警示信号给所述中央控制引擎，使得所述中央控制引擎控制所述本地耗能发电装置的运行状态。
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