CN117477665A - 一种分布式能源孤网电站的智能功率管理系统 - Google Patents

一种分布式能源孤网电站的智能功率管理系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种分布式能源孤网电站的智能功率管理系统，涉及分布式能源站领域，该智能功率管理系统基于PLC控制器构建形成三层网络架构，通过数据采集层的远程IO模块集中获取分布式能源孤网电站的发电机组和用电负荷设备的实时电量参数，根据发电机组和用电负荷设备的实时电量参数监测发电侧和用电侧的功率不平衡工况，从而及时自动化调节发电机组的功率以及实现对用电负荷设备的减载操作，且监控信息层可以实时上位监测和操作整个分布式能源孤网电站的状态，整个智能功率管理系统可以实现对分布式能源孤网电站的智能化、自动化管理，保证分布式能源孤网电站的稳定运行。

Description

一种分布式能源孤网电站的智能功率管理系统
技术领域
本申请涉及分布式能源站领域，尤其是一种分布式能源孤网电站的智能功率管理系统。
背景技术
分布式能源站不同于传统的集中式供能系统，其直接面向用户，按用户的需求就地生产并供应能量，可满足多重目标的中、小型能量转换利用。分布式能源站一般将发电机组布置在用户负荷附近，以一种独立于大电网的孤网模式运行，现场负荷侧功率与发电侧功率必须保持一定的平衡才能使孤网内频率和电压保持稳定，不影响用户负荷用电安全。
由于用户负荷是实时变化的，而用户负荷的波动会造成孤网内源荷不平衡，因此目前为了避免因用户负荷而造成孤网内源荷不平衡，主要有如下两种机制：当孤网内频率到达上下限时会向电站控制系统发出报警提示，需要技术人员在电站控制系统中及时向安装在发电机组侧的功率分配装置发送调度指令，使得发电机组侧的功率分配装置按照调度指令来调整功率以匹配用户负荷，另外在重要性较低的负荷馈线保护中还会安装低频减载装置，当系统频率降低到整定值以下时，低频减载装置会根据事先设定的优先级分批切除用户负荷。
但是分布式能源站在运行过程中，用户负荷是不断实时变化的，技术人员在电站控制系统对功率分配装置的调度总是相对滞后的，自动化程度低且反应时间慢，容易造成系统很大的频率波动。而低频减载装置独立于电站控制系统，也不能实时掌握负荷功率状态，减载操作也不够准确。因此现有的这种通过增加附加装置结合人工调度的调节方法智能化程度不高，并不能很好的解决孤网电压和频率不稳定的问题。
发明内容
本申请针对上述问题及技术需求，提出了一种分布式能源孤网电站的智能功率管理系统，本申请的技术方案如下：
一种分布式能源孤网电站的智能功率管理系统，该智能功率管理系统包括：
数据采集层，数据采集层包括若干个远程IO模块，远程IO模块通过硬接线连接分布式能源孤网电站的各个就地设备的控制器，并通过现场控制总线通讯的方式与各个就地设备进行数据交互，就地设备包括分布式能源孤网电站中的发电机组以及各个用电负荷设备；
控制层，控制层包括PLC控制器，PLC控制器与数据采集层的远程IO模块建立分布式的数据通路实现数据的双向传输，PLC控制器通过远程IO模块采集各个就地设备的实时电量参数，控制层根据发电机组的实时电量参数确定发电侧功率，根据各个用电负荷设备的实时电量参数确定用电侧功率，PLC控制器基于发电侧功率和用电侧功率之间的功率平衡为调度目标，并通过发电机组控制器对发电机组进行功率分配调节，以及按照预定的减载策略对用电负荷设备进行减载控制；
监控信息层，监控信息层与PLC控制器采用高速以太网连接，监控信息层实现对各个就地设备的实时电量参数的数据显示和数据存储，以及实现人机界面交互。
其进一步的技术方案为，控制层中的PLC控制器实现冗余配置，控制层与数据采集层之间的分布式的数据通路连接实现冗余网络配置，监控信息层与控制层之间的以太网实现冗余网络配置。
其进一步的技术方案为，PLC控制器采用ControlLogix控制器1756-L73，远程IO模块基于1756-CN2R模块实现并设置站点与ControlLogix控制器建立分布式的数据通路实现数据的双向传输，且远程IO模块中设置有MVI56-MCM模块。
其进一步的技术方案为，PLC控制器对发电机组和用电负荷设备的控制包括：
当用电侧功率下降时，通过发电机组控制器控制发电机组减小功率输出以降低发电侧功率，直至发电侧功率和用电侧功率之间达到功率平衡，使得分布式能源孤网电站的系统频率和系统电压均在各自的波动范围内波动；
当用电侧功率上升时，通过发电机组控制器控制发电机组增大功率输出以增大发电侧功率，直至发电侧功率和用电侧功率之间达到功率平衡；或者直至发电机组达到最大功率输出仍不能达到发电侧功率和用电侧功率之间的功率平衡时，控制用电负荷设备进行减载直至发电侧功率和用电侧功率之间达到功率平衡。
其进一步的技术方案为，PLC控制器通过发电机组控制器控制发电机组调节功率输出包括：
通过发电机组控制器控制工作模式为调度模式的发电机保持当前的功率输出不变，通过发电机组控制器按照负荷均分的方式控制工作模式为负荷共享模式的其他发电机调节功率。
其进一步的技术方案为，PLC控制器对发电机组的控制还包括：
在智能功率管理系统的工作过程中，当根据发电机组的实时电量数据确定存在至少两个发电机的输出功率的差异性达到差异性阈值时，通过发电机组控制器按照负荷均分的方式控制工作模式为负荷共享模式的其他发电机调节功率进行输出功率重分配。
其进一步的技术方案为，PLC控制器根据从监控信息层获取到的模式配置指令确定各个发电机的工作模式。
其进一步的技术方案为，PLC控制器还用于将各个用电负荷设备的实时电量数据上传至监控信息层进行数据存储。
其进一步的技术方案为，采集到的实时电量数据包括就地设备的电流、电压、有功功率和无功功率。
本申请的有益技术效果是：
本申请公开了一种分布式能源孤网电站的智能功率管理系统，该智能功率管理系统基于PLC控制器构建形成三层网络架构，通过数据采集层的远程IO模块集中获取分布式能源孤网电站的发电机组和用电负荷设备的实时电量参数，根据发电机组和用电负荷设备的实时电量参数监测发电侧和用电侧的功率不平衡工况，从而及时自动化调节发电机组的功率以及实现对用电负荷设备的减载操作，且监控信息层可以实时上位监测和操作整个分布式能源孤网电站的状态，整个智能功率管理系统可以实现对分布式能源孤网电站的智能化、自动化管理，保证分布式能源孤网电站的稳定运行。
监控信息层可以基于分布式能源孤网电站的大量历史运行数据，利用人工智能优化软件，可以建立负荷功率模型，从而可以对用电负荷进行功率预测，继而对优化系统的控制算法提供了理论依据。
该智能功率管理系统中进行设备与网络的冗余配置，提高了整个智能功率管理系统的实时性和可靠性。
附图说明
图1是本申请的分布式能源孤网电站的智能功率管理系统的系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种分布式能源孤网电站的智能功率管理系统，请参考图1所示的系统架构图，该智能功率管理系统采用包括数据采集层、控制层和监控信息层的三层网络架构：
1、数据采集层，数据采集层负责与分布式能源孤网电站中的就地设备进行数据交换，就地设备包括分布式能源孤网电站中的发电机组以及各个用电负荷设备，图1以两个用电负荷设备为例。
数据采集层包括若干个远程IO模块，远程IO模块通过硬接线连接分布式能源孤网电站的各个就地设备的控制器，一般是4-20mA标准电信号。远程IO模块通过ControlNet现场控制总线通讯的方式与各个就地设备进行数据交互。
2、控制层，控制层负责对分布式能源孤网电站进行功率调节。
控制层包括PLC控制器，PLC控制器与数据采集层的远程IO模块建立分布式的数据通路实现数据的双向传输。PLC控制器与数据采集层的远程IO模块通过通讯接口进行数据传输，通讯接口采用Modbus 485或Modbus TCP。
PLC控制器通过远程IO模块采集各个就地设备的实时电量参数，其中，采集到的实时电量数据包括就地设备的电流、电压、有功功率和无功功率。
在一个实施例中，PLC控制器采用ControlLogix控制器1756-L73，远程IO模块基于1756-CN2R模块实现并设置站点与ControlLogix控制器建立分布式的数据通路实现数据的双向传输。
目前大部分的数据采集设备都是采用Modbus的通信方式，为了获得这些设备采集的数据，本申请在远程IO模块中还设置MVI56-MCM模块，以此实现Modbus通信网络与ControlLogix控制器之间通信。
在实际应用时，控制层中的PLC控制器实现冗余配置，也即设置主备PLC控制器，以在其中一个PLC控制器发生故障时及时切换到另一个PLC控制器。另外控制层与数据采集层之间的分布式的数据通路连接实现冗余网络配置，以在其中一路数据通路发生故障时及时切换到另一路数据通路，以保证数据传输可靠性。图1未示出冗余配置
控制层根据发电机组的实时电量参数确定发电侧功率，根据各个用电负荷设备的实时电量参数确定用电侧功率，PLC控制器基于发电侧功率和用电侧功率之间的功率平衡为调度目标，并通过发电机组控制器对发电机组进行功率分配调节，以及按照预定的减载策略对用电负荷设备进行减载控制。减载策略是预先设置的，用于指示对各个用电负荷设备进行减载的优先级和方法，在对用电负荷设备进行减载控制时，即控制用电负荷设备连接的负荷断路器断开，使得用电负荷设备从分布式能源孤网电站中断开，具体采用的减载策略和减载操作的方法与现有的类似，该实施例不展开描述。
可以认为所有发电机的功率之和即为发电侧功率，所有用电负荷设备的功率之和即为用电侧功率，发电侧功率和用电侧功率之间的功率不平衡工况，可以通过判断有功功率来检测。当发电侧功率和用电侧功率的有功功率差异超出对应的差异阈值。或者当发电侧功率和用电侧功率之间不平衡时将引起系统频率下降，因此也可以通过检测分布式能源孤网电站的系统频率来检测功率不平衡工况，当系统频率波动至对应的波动范围之外时，可以确定发电侧功率和用电侧功率之间的功率不平衡。PLC控制器对发电机组和用电负荷设备控制包括：
当用电侧功率下降时，通过发电机组控制器控制发电机组减小功率输出以降低发电侧功率，直至发电侧功率和用电侧功率之间达到功率平衡，使得分布式能源孤网电站的系统频率和系统电压均在各自的波动范围内波动。
当用电侧功率上升时，功率不平衡将引起系统频率下降，通过发电机组控制器控制发电机组增大功率输出以增大发电侧功率，直至发电侧功率和用电侧功率之间达到功率平衡。或者直至发电机组达到最大功率输出仍不能达到发电侧功率和用电侧功率之间的功率平衡时，控制用电负荷设备进行减载直至发电侧功率和用电侧功率之间达到功率平衡。低频减载是避免发电机组起动跳闸造成整个分布式能源孤网电站停电而设置的防御措施。
而在调节发电机组的功率输出时，主要按照对用电侧功率进行负荷均分的方式来调整各个发电机的有功功率和无功功率，以尽量让各个发电机的输出功率较为持平，避免单个发电机的输出功率过大或过小。
但是在这种调节策略下，也需要参考各个发电机的工作模式，发电机的工作模式为调度模式或负荷共享模式。则PLC控制器通过发电机组控制器控制工作模式为调度模式的发电机保持当前的功率输出不变不参与负荷均分，通过发电机组控制器按照负荷均分的方式控制工作模式为负荷共享模式的其他发电机调节功率。
在这种调节策略下，除了在功率不平衡时按照负荷均分的方式调节各个发电机的功率之外，在智能功率管理系统的工作过程中，当根据发电机组的实时电量数据确定存在至少两个发电机的输出功率的差异性达到差异性阈值时，即便发电侧功率和用电侧功率之间达到功率平衡，也会通过发电机组控制器按照负荷均分的方式控制工作模式为负荷共享模式的其他发电机调节功率进行输出功率重分配。比如当某台发电机的运行点慢慢接近输出曲线的界限，而其他发电机则在输出曲线的界限内轻载运行时，PLC控制器会重新分配各发电机的有功功率和无功功率，使得它们的运行点都尽可能均衡且都尽可能远离输出曲线的界限，这种方式提高了系统在扰动下的稳定性。
3、监控信息层，监控信息层实现对各个就地设备的实时电量参数的数据显示和数据存储，以及实现人机界面交互。
监控信息层与PLC控制器采用高速以太网连接。且实际运行时，监控信息层与控制层之间的以太网实现冗余网络配置，以保证数据传输可靠性。PLC控制器会将获取到的各个就地设备的实时电量参数发送到监控信息层进行数据存储和实时的数据显示，以使得监控信息层可以远程实时监测分布式能源孤网电站的运行参数，另外当PLC控制器断开某些负荷断路器时，也会将负荷断路器的状态变更情况发送给监控信息层，使得监控信息层也可以实时监测到各个负荷断路器的状态。
另外该监控信息层还可以实现人机界面交互，包括接收对就地设备的操作指令下发给PLC控制器，则PLC控制器根据操作指令对就地设备进行调节，包括启停发电机、设定发电机的功率、调节负荷断路器的状态等等。
另外，监控信息层还可以接收对各个发电机的工作模式的配置并发给PLC控制器，则PLC控制器根据从监控信息层获取到的模式配置指令确定各个发电机组的工作模式。
另外PLC控制器还用于将各个用电负荷设备的实时电量数据上传至监控信息层进行数据存储。
监控信息层包括各类计算机、服务器和数据库等，如图1所示，比较典型的，监控信息层包括工程师计算机、操作员计算机和数据库服务器，数据库服务器用于实现数据存储，操作员计算机用于实时显示分布式能源孤网电站的各类参数并进行人工界面交互，工程师计算机主要用于系统故障追溯和系统运行维护。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分布式能源孤网电站的智能功率管理系统，其特征在于，所述智能功率管理系统包括：
数据采集层，所述数据采集层包括若干个远程IO模块，所述远程IO模块通过硬接线连接分布式能源孤网电站的各个就地设备的控制器，并通过现场控制总线通讯的方式与各个就地设备进行数据交互，所述就地设备包括分布式能源孤网电站中的发电机组以及各个用电负荷设备；
控制层，所述控制层包括PLC控制器，所述PLC控制器与所述数据采集层的远程IO模块建立分布式的数据通路实现数据的双向传输，所述PLC控制器通过远程IO模块采集各个就地设备的实时电量参数，所述控制层根据发电机组的实时电量参数确定发电侧功率，根据各个用电负荷设备的实时电量参数确定用电侧功率，所述PLC控制器基于发电侧功率和用电侧功率之间的功率平衡为调度目标，并通过发电机组控制器对发电机组进行功率分配调节，以及按照预定的减载策略对用电负荷设备进行减载控制；
监控信息层，所述监控信息层与所述PLC控制器采用高速以太网连接，所述监控信息层实现对各个就地设备的实时电量参数的数据显示和数据存储，以及实现人机界面交互。
2.根据权利要求1所述的智能功率管理系统，其特征在于，所述控制层中的PLC控制器实现冗余配置，所述控制层与所述数据采集层之间的分布式的数据通路连接实现冗余网络配置，所述监控信息层与所述控制层之间的以太网实现冗余网络配置。
3.根据权利要求1所述的智能功率管理系统，其特征在于，所述PLC控制器采用ControlLogix控制器1756-L73，远程IO模块基于1756-CN2R模块实现并设置站点与ControlLogix控制器建立分布式的数据通路实现数据的双向传输，且所述远程IO模块中设置有MVI56-MCM模块。
4.根据权利要求1所述的智能功率管理系统，其特征在于，所述PLC控制器对发电机组和用电负荷设备的控制包括：
当用电侧功率下降时，通过所述发电机组控制器控制发电机组减小功率输出以降低发电侧功率，直至发电侧功率和用电侧功率之间达到功率平衡，使得分布式能源孤网电站的系统频率和系统电压均在各自的波动范围内波动；
当用电侧功率上升时，通过所述发电机组控制器控制发电机组增大功率输出以增大发电侧功率，直至发电侧功率和用电侧功率之间达到功率平衡；或者直至发电机组达到最大功率输出仍不能达到发电侧功率和用电侧功率之间的功率平衡时，控制用电负荷设备进行减载直至发电侧功率和用电侧功率之间达到功率平衡。
5.根据权利要求4所述的智能功率管理系统，其特征在于，所述PLC控制器通过所述发电机组控制器控制发电机组调节功率输出包括：
通过所述发电机组控制器控制工作模式为调度模式的发电机保持当前的功率输出不变，通过所述发电机组控制器按照负荷均分的方式控制工作模式为负荷共享模式的其他发电机调节功率。
6.根据权利要求5所述的智能功率管理系统，其特征在于，所述PLC控制器对发电机组的控制还包括：
在所述智能功率管理系统的工作过程中，当根据发电机组控制器的实时电量数据确定存在至少两个发电机的输出功率的差异性达到差异性阈值时，通过所述发电机组控制器按照负荷均分的方式控制工作模式为负荷共享模式的其他发电机调节功率进行输出功率重分配。
7.根据权利要求5所述的智能功率管理系统，其特征在于，所述PLC控制器根据从所述监控信息层获取到的模式配置指令确定各个发电机的工作模式。
8.根据权利要求1所述的智能功率管理系统，其特征在于，所述PLC控制器还用于将各个用电负荷设备的实时电量数据上传至所述监控信息层进行数据存储。
9.根据权利要求1所述的智能功率管理系统，其特征在于，采集到的实时电量数据包括就地设备的电流、电压、有功功率和无功功率。
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