智能電網(wǎng)：NI LabVIEW應(yīng)用于微網(wǎng)分布式監(jiān)控系統(tǒng)

挑戰(zhàn):

隨著化石燃料的耗盡和全球能源需求的不斷增加,我們需要探索可持續(xù)的能源，并有效進(jìn)行管理。新加坡沒(méi)有自然資源，因此需要在技術(shù)上加大投入以提高供給系統(tǒng)效率從而滿足其能源需求。

解決方案:

我們使用NI LabVIEW和NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備開(kāi)發(fā)低成本微網(wǎng)功率管理系統(tǒng)(MEMS)。ICT、智能儀表和高級(jí)優(yōu)化應(yīng)用程序被用于MEMS中，管理我們的LV分布式系統(tǒng)，作為整合可再生能源的平臺(tái)。

圖1.MEMS數(shù)據(jù)接口方塊圖

"在處理矩陣計(jì)算時(shí)，LabVIEW提供了編程工具更方便地編寫功率系統(tǒng)應(yīng)用程序，從而節(jié)省編程時(shí)間。"

- Gooi Hoay Beng, 南洋工科大學(xué)

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作者:

Cheah Peng Huat - 南洋工科大學(xué)

Siow Lip Kian - 南洋工科大學(xué)

Liang Hong Zhu - 南洋工科大學(xué)

Vo Quoc Nguyen - 南洋工科大學(xué)

Nguyen Dinh Duc - 南洋工科大學(xué)

Gooi Hoay Beng - 南洋工科大學(xué)

新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)電子工程學(xué)院(EEE)的清潔能源研究實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生(LaCER)開(kāi)發(fā)出了一套微網(wǎng)系統(tǒng)原型。它包含例如太陽(yáng)能PV、風(fēng)力渦輪、燃料電池和電池庫(kù)等能源。整個(gè)微網(wǎng)用基于網(wǎng)頁(yè)的MEMS服務(wù)器系統(tǒng)控制。MEMS負(fù)責(zé)控制并監(jiān)視能源管理的不同方面。

我們開(kāi)發(fā)了軟件程序管理采集到的傳感信息，完成負(fù)載控制器和發(fā)電分配。圖1顯示了數(shù)據(jù)庫(kù)和不同軟件模塊之間的界面示意圖。例如高級(jí)傳感和通信系統(tǒng)、負(fù)載預(yù)測(cè)(LF)、機(jī)組組合(UC)、狀態(tài)估計(jì)(SE)和最優(yōu)功率流(OPF)等模塊都是使用LabVIEW開(kāi)發(fā)的。

高級(jí)傳感和通信系統(tǒng)

在微網(wǎng)中，傳感和控制設(shè)備的集成和交互是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗婕安煌ㄐ艆f(xié)議，例如RS-232串行通信、RS422-/485 modbus通信等。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們建議將所有信息轉(zhuǎn)換為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，即以太網(wǎng)通信協(xié)議或通常稱為TCP/IP協(xié)議。這個(gè)轉(zhuǎn)換可以通過(guò)使用通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器方便而經(jīng)濟(jì)地完成。

在MEMS服務(wù)器和功率傳感器以及其他例如斷路器、可編程交流電源和PLC等其他控制設(shè)備之間傳感和通信是我們的主要設(shè)計(jì)任務(wù)。在整個(gè)微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中安裝了32個(gè)支持Modbus協(xié)議的功率傳感器單元，用于例如電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率和斷路器狀態(tài)的能量監(jiān)視測(cè)量。為了在MEMS服務(wù)器和所有功率傳感器之間部署經(jīng)濟(jì)的的解決方案，這些傳感器被分成四組，每組包含八個(gè)傳感器單元。每組最終連接到RS-485到TCP/IP轉(zhuǎn)換器，將Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換為運(yùn)行在以太網(wǎng)LAN網(wǎng)絡(luò)商的Modbus TCP協(xié)議。為每個(gè)傳感器配置一個(gè)唯一的IP地址，每組功率傳感器都配置一個(gè)相應(yīng)的ID。

通過(guò)輸入功率傳感器的IP地址、傳感器ID和寄存器地址，我們使用LabVIEW DSC模塊提取功率測(cè)量值。用戶無(wú)需定義確切的modbus消息提取信息，因此為用戶節(jié)省了寶貴的時(shí)間。所有功率測(cè)量值都被發(fā)送到LabVIEW的全局變量中，如圖2在主要圖形界面中顯示，用于監(jiān)視。除此以外，還可以通過(guò)全局變量在其他應(yīng)用程序中使用。相同的方法還用于PLC控制微網(wǎng)中的斷路器。

使用可編程交流源主要用于測(cè)試獨(dú)立微網(wǎng)。為了與功率源通信，我們使用LabVIEW中的TCP協(xié)議函數(shù)模塊。用戶只需要輸入功率源的IP地址，無(wú)需任何繁瑣的程序代碼就可以對(duì)功率源進(jìn)行監(jiān)視和控制。

負(fù)載預(yù)測(cè)

負(fù)載預(yù)測(cè)的目標(biāo)是提前15分鐘預(yù)測(cè)總用戶負(fù)載。它對(duì)于有效的市場(chǎng)運(yùn)作以及微網(wǎng)的控制和計(jì)劃有重要的影響。精確的預(yù)測(cè)數(shù)值能夠節(jié)省能源并且提高系統(tǒng)運(yùn)作的安全性。

預(yù)測(cè)方法是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的。LabVIEW用于開(kāi)發(fā)如圖3所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。為了提高LF算法性能，增加了特殊解決方案：

· 數(shù)據(jù)采集——用于檢測(cè)錯(cuò)誤和異常數(shù)據(jù)，在用于訓(xùn)練之前刪除或調(diào)整。

· 早期停止——加速收斂并防止訓(xùn)練數(shù)據(jù)過(guò)度擬合。

· 異常日期規(guī)劃——檢測(cè)負(fù)載規(guī)劃異常的日期，并將它們從訓(xùn)練中去除，從而不會(huì)破壞負(fù)載模型。用戶能夠從GUI中更新異常日期。

· 相關(guān)性和線性回歸分析——通過(guò)使用直線找出輸入和目標(biāo)數(shù)據(jù)的線性關(guān)系。

歷史負(fù)載數(shù)據(jù)是從NTU的Wee Kim Wee通信與信息大樓使用NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備 NI USB-6215 采集的。這些數(shù)據(jù)使用LabVIEW處理并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。為了采集這些每日負(fù)載數(shù)據(jù)(即分布式網(wǎng)格的負(fù)載電壓和電流)，我們將數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸入通過(guò)降電壓變壓器連接到大樓的分布式網(wǎng)格中，以及電流電壓變換器分別獲取電壓和電流數(shù)據(jù)。

LF算法已經(jīng)成功整合到MEMS的UC中。實(shí)現(xiàn)的預(yù)測(cè)系統(tǒng)能夠以令人滿意的精度可靠地進(jìn)行預(yù)測(cè)。

機(jī)組組合

機(jī)組組合(UC)軟件模塊是MEMS的主要組成之一。這個(gè)軟件模塊基于預(yù)測(cè)需求，能夠協(xié)助微網(wǎng)找到最優(yōu)功率生成計(jì)劃，在微網(wǎng)獨(dú)立的情況下，將總操作成本降至最小，或是在微網(wǎng)連接到主電網(wǎng)時(shí)，將總受益最大化。在優(yōu)化過(guò)程完成后，包含開(kāi)關(guān)狀態(tài)的結(jié)果和發(fā)電源的分配kW數(shù)將會(huì)送到MEMS的最優(yōu)功率流(OPF)模塊進(jìn)行處理。UC是功率系統(tǒng)管理中最為復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)使用LabVIEW的MATLAB腳本函數(shù)，軟件能夠在幾秒內(nèi)確定包含多個(gè)約束和數(shù)百個(gè)變量的優(yōu)化解決方案。UC的主要用戶界面如圖5所示。

軟件模塊包含以下特性：

· 通過(guò)使用LabVIEW的MATLAB腳本函數(shù)，可以在幾秒內(nèi)解決復(fù)雜的UC問(wèn)題。

· 使用LabVIEW建立的圖形界面，用戶能夠方便地點(diǎn)擊鼠標(biāo)用默認(rèn)設(shè)置或定制設(shè)置運(yùn)行UC優(yōu)化。

· 通過(guò)運(yùn)行LabVIEW的實(shí)時(shí)抓取函數(shù)，軟件可以在用戶定制的自動(dòng)開(kāi)始時(shí)間自動(dòng)執(zhí)行。

· 在優(yōu)化完成后，結(jié)果將自動(dòng)保存到服務(wù)器系統(tǒng)中用戶指定的路徑，并且同時(shí)發(fā)送到MEMS的OPF中。

狀態(tài)估計(jì)

狀態(tài)估計(jì)是MEMS實(shí)時(shí)函數(shù)，它使用SCADA采集的測(cè)量、斷路器狀態(tài)和電壓調(diào)節(jié)器位置驗(yàn)證并估計(jì)功率系統(tǒng)的總線電壓。估計(jì)的總線電壓幅值和電壓相位角被認(rèn)為是系統(tǒng)的可靠狀態(tài)，作為OPF的一個(gè)輸入，其處理后的總線負(fù)載數(shù)值作為負(fù)載預(yù)測(cè)的輸入。

狀態(tài)估計(jì)器包含三個(gè)子函數(shù)，它們是用Matlab編程語(yǔ)言在LabVIEW平臺(tái)上編寫的。.

拓?fù)涮幚砥鳎和ㄟ^(guò)將節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為總線網(wǎng)絡(luò)確定網(wǎng)絡(luò)配置。

狀態(tài)估計(jì)：計(jì)算總線電壓幅值和相位

錯(cuò)誤數(shù)據(jù)檢測(cè)與判斷：在狀態(tài)估計(jì)器使用原始測(cè)量值前，檢驗(yàn)其是否良好

在編寫狀態(tài)估計(jì)器時(shí)，確保它能夠運(yùn)行在任何功率網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此使用腳本模塊是描述復(fù)雜算法時(shí)提高靈活性的一個(gè)方法。每個(gè)子函數(shù)都使用LabVIEW中的腳本模塊實(shí)現(xiàn)。輸入和輸出(一維和二維)創(chuàng)建用于將數(shù)據(jù)從腳本模塊傳送到其他或前面板用于顯示結(jié)果。還使用反饋節(jié)點(diǎn)作為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)檢測(cè)與判斷的過(guò)濾器。

處理是基于矩陣計(jì)算的，LabVIEW提供了編程工具更方便地編寫功率系統(tǒng)應(yīng)用程序，因此它能夠?yàn)槌绦騿T節(jié)省時(shí)間。

狀態(tài)估計(jì)函數(shù)，與其它MEMS函數(shù)一起，已在NTU清潔能源研究實(shí)驗(yàn)室的微型網(wǎng)格硬件裝置上做了成功演示。狀態(tài)估計(jì)器的主要用戶圖形界面如圖6所示。

最優(yōu)功率流

最優(yōu)功率流(OPF)是MEMS的在線函數(shù)之一。OPF的目標(biāo)是找出給定功率系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)設(shè)置，將例如總發(fā)電成本或系統(tǒng)損失等系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)滿足其功率流方程和例如總線電壓約束、分支流限制和發(fā)電源容量限制等設(shè)備操作限制。OPF的輸入包含SE定義的網(wǎng)絡(luò)配置和負(fù)載信息，作為輸出結(jié)果，OPF將給出以下推薦數(shù)值

· 源有功/無(wú)功功率輸出

· 負(fù)載下的調(diào)壓變壓器比例

這些參數(shù)將送到CB控制器、逆變控制器、發(fā)電控制器和負(fù)載調(diào)壓控制器，從而確保系統(tǒng)運(yùn)行在更為經(jīng)濟(jì)有效的模式。

二次編程用于解決OPF問(wèn)題。這個(gè)算法在MATLAB中編寫，然后通過(guò)MATLAB腳本函數(shù)集成到LabVIEW中。基于LabVIEW平臺(tái)，OPF連接到SE和SCADA控制某個(gè)微網(wǎng)組件。通過(guò)使用LabVIEW工具箱，LaCER微網(wǎng)的主要OPF圖形界面如圖7所示。LabVIEW工具箱，LaCER微網(wǎng)的主要OPF圖形界面如圖7所示。

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