智能電網：NI LabVIEW應用于微網分布式監(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，并有效進行管理。新加坡沒有自然資源，因此需要在技術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)采集設備開發(fā)低成本微網功率管理系統(tǒng)(MEMS)。ICT、智能儀表和高級優(yōu)化應用程序被用于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。

圖1.MEMS數(shù)據(jù)接口方塊圖

在處理矩陣計算時，LabVIEW提供了編程工具更方便地編寫功率系統(tǒng)應用程序，從而節(jié)省編程時間。

- Gooi Hoay Beng, 南洋工科大學

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作者:

Cheah Peng Huat - 南洋工科大學

Siow Lip Kian - 南洋工科大學

Liang Hong Zhu - 南洋工科大學

Vo Quoc Nguyen - 南洋工科大學

Nguyen Dinh Duc - 南洋工科大學

Gooi Hoay Beng - 南洋工科大學

新加坡南洋理工大學(NTU)電子工程學院(EEE)的清潔能源研究實驗室的學生(LaCER)開發(fā)出了一套微網系統(tǒng)原型。它包含例如太陽能PV、風力渦輪、燃料電池和電池庫等能源。整個微網用基于網頁的MEMS服務器系統(tǒng)控制。MEMS負責控制并監(jiān)視能源管理的不同方面。

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

高級傳感和通信系統(tǒng)

在微網中，傳感和控制設備的集成和交互是一個挑戰(zhàn)，因為它涉及不同通信協(xié)議，例如RS-232串行通信、RS422-/485 modbus通信等。為了解決這個問題，我們建議將所有信息轉換為一個標準協(xié)議，即以太網通信協(xié)議或通常稱為TCP/IP協(xié)議。這個轉換可以通過使用通信協(xié)議轉換器方便而經濟地完成。

在MEMS服務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等其他控制設備之間傳感和通信是我們的主要設計任務。在整個微網網絡中安裝了32個支持Modbus協(xié)議的功率傳感器單元，用于例如電壓、電流、有功功率、無功功率和斷路器狀態(tài)的能量監(jiān)視測量。為了在MEMS服務器和所有功率傳感器之間部署經濟的的解決方案，這些傳感器被分成四組，每組包含八個傳感器單元。每組最終連接到RS-485到TCP/IP轉換器，將Modbus協(xié)議轉換為運行在以太網LAN網絡商的Modbus TCP協(xié)議。為每個傳感器配置一個唯一的IP地址，每組功率傳感器都配置一個相應的ID。

通過輸入功率傳感器的IP地址、傳感器ID和寄存器地址，我們使用LabVIEW DSC模塊提取功率測量值。用戶無需定義確切的modbus消息提取信息，因此為用戶節(jié)省了寶貴的時間。所有功率測量值都被發(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，還可以通過全局變量在其他應用程序中使用。相同的方法還用于PLC控制微網中的斷路器。

使用可編程交流源主要用于測試獨立微網。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，無需任何繁瑣的程序代碼就可以對功率源進行監(jiān)視和控制。

負載預測

負載預測的目標是提前15分鐘預測總用戶負載。它對于有效的市場運作以及微網的控制和計劃有重要的影響。精確的預測數(shù)值能夠節(jié)省能源并且提高系統(tǒng)運作的安全性。

預測方法是基于人工神經網絡(ANN)的。LabVIEW用于開發(fā)如圖3所示的神經網絡。為了提高LF算法性能，增加了特殊解決方案：

· 數(shù)據(jù)采集——用于檢測錯誤和異常數(shù)據(jù)，在用于訓練之前刪除或調整。

· 早期停止——加速收斂并防止訓練數(shù)據(jù)過度擬合。

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

· 相關性和線性回歸分析——通過使用直線找出輸入和目標數(shù)據(jù)的線性關系。

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

LF算法已經成功整合到MEMS的UC中。實現(xiàn)的預測系統(tǒng)能夠以令人滿意的精度可靠地進行預測。

機組組合

機組組合(UC)軟件模塊是MEMS的主要組成之一。這個軟件模塊基于預測需求，能夠協(xié)助微網找到最優(yōu)功率生成計劃，在微網獨立的情況下，將總操作成本降至最小，或是在微網連接到主電網時，將總受益最大化。在優(yōu)化過程完成后，包含開關狀態(tài)的結果和發(fā)電源的分配kW數(shù)將會送到MEMS的最優(yōu)功率流(OPF)模塊進行處理。UC是功率系統(tǒng)管理中最為復雜的優(yōu)化問題。通過使用LabVIEW的MATLAB腳本函數(shù)，軟件能夠在幾秒內確定包含多個約束和數(shù)百個變量的優(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：

· 通過使用LabVIEW的MATLAB腳本函數(shù)，可以在幾秒內解決復雜的UC問題。

· 使用LabVIEW建立的圖形界面，用戶能夠方便地點擊鼠標用默認設置或定制設置運行UC優(yōu)化。

· 通過運行LabVIEW的實時抓取函數(shù)，軟件可以在用戶定制的自動開始時間自動執(zhí)行。

· 在優(yōu)化完成后，結果將自動保存到服務器系統(tǒng)中用戶指定的路徑，并且同時發(fā)送到MEMS的OPF中。

狀態(tài)估計

狀態(tài)估計是MEMS實時函數(shù)，它使用SCADA采集的測量、斷路器狀態(tài)和電壓調節(jié)器位置驗證并估計功率系統(tǒng)的總線電壓。估計的總線電壓幅值和電壓相位角被認為是系統(tǒng)的可靠狀態(tài)，作為OPF的一個輸入，其處理后的總線負載數(shù)值作為負載預測的輸入。

狀態(tài)估計器包含三個子函數(shù)，它們是用Matlab編程語言在LabVIEW平臺上編寫的。.

拓撲處理器：通過將節(jié)點網絡轉換為總線網絡確定網絡配置。

狀態(tài)估計：計算總線電壓幅值和相位

錯誤數(shù)據(jù)檢測與判斷：在狀態(tài)估計器使用原始測量值前，檢驗其是否良好

在編寫狀態(tài)估計器時，確保它能夠運行在任何功率網絡是一個挑戰(zhàn)。因此使用腳本模塊是描述復雜算法時提高靈活性的一個方法。每個子函數(shù)都使用LabVIEW中的腳本模塊實現(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果。還使用反饋節(jié)點作為錯誤數(shù)據(jù)檢測與判斷的過濾器。

處理是基于矩陣計算的，LabVIEW提供了編程工具更方便地編寫功率系統(tǒng)應用程序，因此它能夠為程序員節(jié)省時間。

狀態(tài)估計函數(shù)，與其它MEMS函數(shù)一起，已在NTU清潔能源研究實驗室的微型網格硬件裝置上做了成功演示。狀態(tài)估計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的目標是找出給定功率系統(tǒng)網絡的最優(yōu)設置，將例如總發(fā)電成本或系統(tǒng)損失等系統(tǒng)目標函數(shù)進行優(yōu)化，同時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)電源容量限制等設備操作限制。OPF的輸入包含SE定義的網絡配置和負載信息，作為輸出結果，OPF將給出以下推薦數(shù)值

· 源有功/無功功率輸出

· 負載下的調壓變壓器比例

這些參數(shù)將送到CB控制器、逆變控制器、發(fā)電控制器和負載調壓控制器，從而確保系統(tǒng)運行在更為經濟有效的模式。

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

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