使用NI LabVIEW和MEMS服務(wù)器開發(fā)出微網(wǎng)系統(tǒng)原型

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)開發(fā)出了一套微網(wǎng)系統(tǒng)原型。它包含例如太陽能PV、風(fēng)力渦輪、燃料電池和電池庫等能源。整個(gè)微網(wǎng)用基于網(wǎng)頁的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(fù)載預(yù)測(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開發(fā)的。

高級傳感和通信系統(tǒng)

圖1.MEMS數(shù)據(jù)接口方塊圖

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、無功功率和斷路器狀態(tài)的能量監(jiān)視測量。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(shí)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(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。

圖2.使用LabVIEW 2009開發(fā)的MEMS主要圖形界面，用于監(jiān)視所有安裝的功率傳感器。

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

負(fù)載預(yù)測

負(fù)載預(yù)測的目標(biāo)是提前15分鐘預(yù)測總用戶負(fù)載。它對于有效的市場運(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)測方法是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的。LabVIEW用于開發(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——用于檢測錯誤和異常數(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)過度擬合。

* 異常日期規(guī)劃——檢測負(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——通過使用直線找出輸入和目標(biāo)數(shù)據(jù)的線性關(guān)系。

圖3.使用LabVIEW 2009開發(fā)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練用戶圖形界面

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處理并存儲在數(shù)據(jù)庫中。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)。

圖4.使用LabVIEW 2009開發(fā)的負(fù)載預(yù)測主用戶圖形界面

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

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)化過程完成后，包含開關(guān)狀態(tài)的結(jié)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(jìn)行處理。UC是功率系統(tǒng)管理中最為復(fù)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(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。

圖5.使用LabVIEW 2009開發(fā)的機(jī)組組合用戶圖形界面

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(nèi)解決復(fù)雜的UC問題。

* 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開始時(shí)間自動執(zhí)行。

* 在優(yōu)化完成后，結(jié)果將自動保存到服務(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編程語言在LabVIEW平臺上編寫的。.

1. 拓?fù)?a target="_blank">處理器：通過將節(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。

2. 狀態(tài)估計(jì)：計(jì)算總線電壓幅值和相位

3. 錯誤數(shù)據(jù)檢測與判斷：在狀態(tài)估計(jì)器使用原始測量值前，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)作為錯誤數(shù)據(jù)檢測與判斷的過濾器。

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)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1730/" target="_blank">程序員節(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。

圖6.使用LabVIEW 2009開發(fā)的狀態(tài)估計(jì)函數(shù)主要用戶圖形界面

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問題。這個(gè)算法在MATLAB中編寫，然后通過MATLAB腳本函數(shù)集成到LabVIEW中?；贚abVIEW平臺，OPF連接到SE和SCADA控制某個(gè)微網(wǎng)組件。通過使用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。

圖7.使用LabVIEW 2009開發(fā)的最優(yōu)功率流函數(shù)主用戶界面

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