CN104065168B - 一种风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法，按如下步骤进行：Step1：监控层的场间调度监控工作站获取联合发电***运行组合模式，同时初始化任务特征参数；Step2：监控层监控是否达到采集数据时间，发送采集时间指令至采集层；Step3：场间调度监控工作站对接收的有功功率p进行处理，计算总有功分钟级波动率；Step4：场间调度监控工作站根据接收的有功功率p对各采集层进行分析，采用双门限多级阈值调频机制判断是否需要变更采集频率，如果需要变更频率，确定变更后的采集频率并发送至各场级工作站。本发明可识别出较小幅度的数据变化，实现了频率间平稳切换，大大降低了阈值取值对节能效果的影响。

Description

一种风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法

技术领域

本发明涉及一种风光储联合发电状态监测的数据采集方法，更具体的说，涉及一种风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法，属于风光储发电技术领域。

背景技术

近年来，在中国以风力发电、光伏发电为代表的清洁能源发电技术得到了快速发展。针对一次能源具有随机性、波动性与间接性的特点，风光储联合发电技术旨在利用储能***与光伏发电和风力发电***相协调，有效减小新能源发电对电力***安全运行的冲击和影响，提高电力***运行的稳定性和经济性。风光储联合发电实时运行信息的采集和监视是保证其正常运行的基础。数据采集***作为控制***基础平台的重要组成部分，实现了生产运行信息的统一采集与处理，为联合发电***运行监视提供可靠数据源。

与传统电网相比，含分布式电源的风光储联合发电***，在***容量和采集点的规模上均有所区别。因此，保证数据采集的实时性和和可靠性显得尤为重要。风光储联合发电***中，风电***、光伏***和储能***在拓扑结构上既相互独立又互为补充，这决定了风光储***运行模式的多样性，如：风电***单独出力、光伏***单独出力、风电/光伏***联合出力、风电/储能***联合出力、光伏/储能***联合出力、风电/光伏/储能***联合出力。在以上6种组态运行模式切换过程中，运行数据变化特征也会随各***出力状态的调整产生相应变化。然而，传统数据采集方法通常采用固定采集频率，采集方式较为“被动”，忽略了数据变化对采集任务执行过程的影响。应用在实际工程中，会存在以下缺点：(1)采集对象的数据在某一时间区内变化剧烈，采集次数不足，关键数据较难捕捉，易被忽略，无法准确反应数据的变化趋势；(2)采集对象的数据在某一时间区内变化平缓，采集次数过多，数据冗余度增加，造成资源浪费和***性能下降；(3)随着发电***扩容，网络设备的负载压力及带宽的传输压力会随之增大，严重影响整体性能，数据实时性得不到保证。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，涉及一种风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法。

因此针对上述情况需要建立一种符合风光储联合发电组合模式，可根据实际***运行情况自适应调整数据采集任务状态，在满足数据完整性和实时性的同时，充分利用网络资源的数据采集方法。

技术方案：本发明所述一种风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法，联合发电***包括设备层、采集层、网络层和监控层，所述设备层包括风电场、光伏电场和储能装置，所述采集层包括与所述风电场通信连接的风电场场级工作站、与所述光伏电场通信连接的光伏场场级工作站、与所述储能装置通信连接的储能装置场级工作站，所述监控层包括场间调度监控工作站，所述场间调度监控工作站通过所述网络层与所述采集层通信连接，按如下步骤进行：

Step1：监控层的场间调度监控工作站获取联合发电***运行组合模式，同时初始化任务特征参数，初始化的任务特征参数包括各级别采集频率和与所述各级别采集频率所划分的粒度对应的各级总有功分钟级波动阈值；

Step2：监控层监控是否达到采集数据时间，当到达采集数据时间时，发送采集时间指令至采集层，采集层的各场级工作站采集与其通信连接的各场区内个体的有功功率p，将采集到的有功功率传送至监控层的场间调度监控工作站；

Step3：场间调度监控工作站对接收的有功功率p进行处理，提取t分钟内最大有功功率P_max，t和t分钟内最小有功功率P_min，t，并计算t分钟内平均有功功率P_avg，t，然后计算总有功分钟级波动率a₁，计算方法为

Step4：场间调度监控工作站根据接收的有功功率p对各采集层进行分析，对于处于产生有功功率状态的采集层，将总有功分钟级波动率a₁与总有功分钟级波动阈值进行比较，采用双门限多级阈值调频机制判断是否需要变更采集频率，如果需要变更频率，确定变更后的采集频率并发送至各场级工作站。

本发明技术方案的进一步限定为，Step1中所述的运行组合模式包括风电场单独出力、光伏场单独出力、风电/光伏场联合出力、风电/储能场联合出力、光伏/储能场联合出力或风电/光伏/储能场联合出力中的一种或两种以上的组合。

进一步地，步骤Step4中所述的采用双门限多级阈值调频机制的具体方法为：首先，初始化初始化任务特征参数时初始化的各级别采集频率为F_i，与各级别采集频率对应的总有功分钟级波动阈值为2n个，其中n个低阈值表示为α_iL(1≤i≤n),n个高阈值表示为α_iH(1≤i≤n)，且满足α_iL＜α_iH＜α_(i+1)L(1≤i≤n)；然后，当总有功分钟级波动率α₁<α_iL时，场间调度监控工作站将采集频率由F_i降至F_i-1；当总有功分钟级波动率a₁＞a_iH时，场间调度监控工作站将采集频率由F_i升至F_i+1。

进一步地，步骤Step4中，对于处于不产生有功功率状态的采集层，在原有采集频率下，逐级下降采集频率至初始设置的最小采集频率。

有益效果：本发明提供的一种风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法，结合风光储联合发电***组合运行模式及运行数据变化特征，采用分层分布式调度策略，实现自适应动态调整采集任务的执行频率。经验证，在相同采集频率下，根据自适应变频算法比固定频率法采集得到的拟和曲线，精度提高一个数量级，有效地降低信号数据采集的失真度；在相同的采集精度下，自适应变频采集方法的采集频率比固定频率采集方法低30％以上，其传输的数据量随之降低为三分之一，显著提高了网络传输带宽利用率；本发明构建数据采集任务频率分配模型，应用模拟退火算法在有限时间内得到***采集频率集的最优解和次优解，实现任务频率分配的优化，获得使任务执行时间最少、网络能耗最低的动态频率分配方案；本发明采用双门限多级阈值机制实现采集频率切换过程，解决了采用单一阈值频率切换时的抖动问题，同时也优于传统双阈值方法，减小了相邻频率间的差值，可识别出较小幅度的数据变化，实现了频率间平稳切换，大大降低了阈值取值对节能效果的影响。

附图说明

图1为本发明提供的风光储联合发电数据采集***的结构示意图；

图2为本发明提供的风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法的流程图；

图3为本发明提供的双门限多级阈值调频机制示意图；

图4为本发明提供的风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法与固定采集频率数据采集方法的仿真效果对比图；

图5为本发明提供的风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法应用于风光储联合发电状态监测中的仿真效果图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：一种风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法，联合发电***的结构示意图如图1所示，***采用横向分布、纵向分层的思想,建立分布式网络硬件平台，包括设备层、采集层、网络层和监控层，所述设备层包括风电场、光伏电场和储能装置，所述采集层包括与所述风电场通信连接的风电场场级工作站、与所述光伏电场通信连接的光伏场场级工作站、与所述储能装置通信连接的储能装置场级工作站，所述监控层包括场间调度监控工作站，所述场间调度监控工作站通过所述网络层与所述采集层通信连接。

所述设备层，按照发电方式，将整个发电厂区划分为多个区域进行分布式采集，包括风电场、光伏电池，以及储能***

所述采集层，包括每个区域中所设置的场级工作站，对所在区域内发电场的采集任务进行调度监控。

所述网路层，采用以太网方式组建数据采集***，通讯连接采用TCP/IP协议。监控层中的远动数据传输遵循统一的基于TCP的远动协议，保证***通信的兼容性、可靠性和开放性。

所述监控层，负责对***运行状态实时监控调度。包括场间调度监控工作站、故障警告管理工作站、***维护工作站和数据库服务器。

风光储联合发电***组合运行模式及运行数据变化特征，本发明在监控层设置场间控制调度工作站执行自适应动态变频数据采集策略，对各场区的采集任务进行动态调节。

风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法的流程图如图2所示，按如下步骤进行：

Step1：监控层的场间调度监控工作站获取联合发电***运行组合模式，同时初始化任务特征参数，初始化的任务特征参数包括各级别采集频率和与所述各级别采集频率所划分的粒度对应的各级总有功分钟级波动阈值。

所述的运行组合模式包括风电场单独出力、光伏场单独出力、风电/光伏场联合出力、风电/储能场联合出力、光伏/储能场联合出力或风电/光伏/储能场联合出力中的一种或两种以上的组合。

风光联合发电具有一定程度的天然互补性，通过储能***其进行平滑调节。以一天24小时为例，受环境条件约束，风力发电量呈白天少夜间多的特点，且只有当风速处于最小启动风速、切除风速之间时，风电***才有输出；而光伏发电受到太阳能辐射、环境温度等因素影响，仅在白天有太阳光照时才能出力。考虑到储能电池的寿命因素，在风光出力无法达到并网要求时储能***进行调节，否则储能***不动作。风光储联合发电控制***根据调度计划、风光预测，对联合发电***进行全景监控，实现了6种不同组态运行方式无缝切换。如表1所示。P_pv、P_wd、P_bat分别光伏组件功率输出值、风电机组功率输出值、储能装置功率输出值。

表1风光储组合运行模式关系图

运行模式	外界环境因素	储能调节	总出力P
				风单独出力	风速在可运行范围内且满足并网条件，无光照	否	Pwd
风/储联合出力	风速在可运行范围内且不满足并网条件，无光照	是	Pwd+Pbat
				光单独出力	有光照且满足并网条件，风速在可运行范围外	否	Ppv
光/储联合出力	有光照且不满足并网条件，风速在可运行范围外	是	Ppv+Pbat
				风/光联合出力	有光照、风速在可运行范围内，合成出力满足并网条件	否	Ppv+Pwd
风光储联合出力	有光照、风速在可运行范围内，合成出力不满足并网条件	是	Ppv+Pwd+Pbat

Step2：监控层监控是否达到采集数据时间，当到达采集数据时间时，发送采集时间指令至采集层，采集层的各场级工作站采集与其通信连接的各场区内个体的有功功率p，将采集到的有功功率传送至监控层的场间调度监控工作站。

对于各个发电场区，本发明在风电场、光伏电池级和储能***分别设置场级工作站，对区域内采集数据分类，并按需求确定采集各类型数据所采用的任务启动方式。开始时定义任务的特征参数(如执行时间、时限、周期等)，并确定各任务优先级；然后，选择动态优先级最高的任务为其分配资源，并响应任务请求，数据采集线程开始执行该项任务。***定时对任务队列中的任务进行动态优先级更新，在设定的任务调度点定时更新计算所有就绪任务的动态优先级，对任务进行排序并选择执行队首任务。有新任务到来时，计算其优先级，并***任务队列中的相应位置。当多个任务的优先级值相等时，则按照一定的优先顺序参考其特征参数，如特征参数的优先顺序从高到低为：时限、执行时间、周期。

Step3：对于处在发电状态的***，根据其近期总有功波动率α的变化情况，判断是否变更频率。如果α超过或低于设定的临近阈值，则生成一个采集频率变更事件对采集频率进行相应调整，否则维持原有采集频率。

场间调度监控工作站对接收的有功功率p进行处理，提取t分钟内最大有功功率P_max，t和t分钟内最小有功功率P_min，t，并计算t分钟内平均有功功率P_avg，t，然后计算总有功分钟级波动率a₁，计算方法为

对于处在未出力状态的***，在原有采集状态下逐级降至最小采集频率F1。定义采集频率只能在相邻的频率之间切换，不能越级切换，且F1≤Fi≤Fn+1。其中，F1为***设定的最小采集频率，Fn+1为***设定的最大采集频率。

Step4：场间调度监控工作站根据接收的有功功率p对各采集层进行分析，对于处于产生有功功率状态的采集层，将总有功分钟级波动率a₁与总有功分钟级波动阈值进行比较，采用双门限多级阈值调频机制判断是否需要变更采集频率，如果需要变更频率，确定变更后的采集频率并发送至各场级工作站。

所述的采用双门限多级阈值调频机制，其结构示意图如图3所示，具体方法为：首先，初始化初始化任务特征参数时初始化的各级别采集频率为F_i，与各级别采集频率对应的总有功分钟级波动阈值为2n个，其中n个低阈值表示为α_iL(1≤i≤n),n个高阈值表示为α_iH(1≤i≤n)，且满足α_iL＜α_iH＜α_(i+1)L(1≤i≤n)；然后，当总有功分钟级波动率α₁<α_iL时，场间调度监控工作站将采集频率由F_i降至F_i-1；当总有功分钟级波动率α₁＞α_iH时，场间调度监控工作站将采集频率由F_i升至F_i+1。对于处于不产生有功功率状态的采集层，在原有采集频率下，逐级下降采集频率至初始设置的最小采集频率。

为实现数据采集***各任务高效、实时地执行采集任务，同时有效提升网络性能，本发明采用模拟退火算法，以时间开销和网络开销作为评价模型，结合风光储联合发电***组合运行模式及运行数据变化特征，制定多目标优化模型的目标函数E(x)，动态为各区域采集点分配采集频率。

一、动态变频数据采集任务频率分配模型

1、任务频率分配模型评价函数

(1)时间开销，包括：场级采集时间、场间交互时间

$time={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=1}^{N_h^i}{\mathrm{time}}_{ij+}{\mathrm{time}}_{\mathrm{int}er}\right)---\left(2\right)$

time为分层分布式数据采集的时间开销；N为场区数量，为第i个场区的采集节点数；time_ij为采集每个节点所需时间，time_inter为该场区与场间工作站的控制中心交互所需时间。

(2)网络开销，包括：场级通信能耗、场间通信能耗、采集节点处理能耗

$C={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N(C_{\mathrm{int}ra}^i+C_{\mathrm{int}er}^i+C_{pro}^i)---\left(3\right)$

C为分层分布式数据采集的网络开销；N为场区数量，和为第i个场区的域内通信开销和域间通信开销，为节点处理任务的能量消耗。

2、多目标优化模型

为获得满足数据采集任务实时性和网络带宽要求的动态频率分配方案，本发明结合上述评价函数，对各项优化指标加权综合，得到如下多目标优化模型的目标函数：

E(x)＝w₁×min(time)+w₂×min(4)

其中的w_i为可取值为零的权函数。

二、算法设置

设数据采集设备所能提供的采集频率集为D＝{d1,d2,……,dm}。固定频率分配就是在一个固定的频率集内完成对各设备频率的分配工作，使任务执行时间最少、网络能耗最低。X表示频率分配方案，表示为X＝(x1,x2,…,xN)，N表示***中采集器数量，xi以优先级规则进行排列。

新解产生方法：本发明采用双迁移领域的新解产生方法，每次通过变化两个参数来产生新的频率分配解决方案：Xold和Xnew分别表示变换前后的频率分配解决方案。

状态接受函数：有效避免陷入局部次优解。本发明采用min{1,exp(-△E/t)}＞random(0,1)作为接受新状态的条件。

控制参数t：控制整个退火算法的进程，决定在每个“温度”下解的迭代次数。本发明采用几何退火策略，即温度的下降呈线性下降，在每个温度上的迭代步数相同。温度下降满足以下关系：

t_k+1＝α×t_k(0≤α≤1)(5)

退火计划：设总的温度下降次数为定值K，当温度迭代次数达到K时，停止运算。进一步的，每个温度的迭代步数由接受比率控制。给定一个接受比率指标R(0.9)，迭代步长上限U(100)和下限L(10)，每个温度至少迭代L次，并记录同一温度迭代的总次数和被接受的次数，当迭代次数超过L时，若接受次数同总次数的比率不小于R时，在这一温度不再迭代而开始温度降低，否则一直迭代到上限步数。

三、算法步骤

以发电场区为分配单位，根据优先级顺序列出所有采集任务。

按照优先级由高至低的顺序为给采集任务分配执行频率，直到所有任务频率分配完成。

将位于高优先级的任务解固定，其他解元素作为模拟退火算法的初始解。

执行模拟退火算法，寻找满足约束条件的解，与之前高优先级任务所分配的解合并，组成最终解集合，得到最终方案。

上述模拟退火算法具体步骤：

选择除高优先级的解元素i0；i:＝i0；k:＝0；t0:＝tmax(初始温度)。

若在改温度达到内循环停止条件，则到step3；

否则，由当前解Xold经变换产生Xnew，计算目标函数Enew，由△E＝Enew-Eold；若△E≤0，则Eold:＝Enew，Xold:＝Xnew，否则若exp(-△E/tk)＞random(0,1)时，则Eold:＝Enew，Xold:＝Xnew；重复步骤2。

tk+1:＝d(tk)；k:＝k+1；若满足停止条件，终止计算；否则，回到步骤2。

通过上述算法，可以得到以发电场区为单位的各场级工作站采集任务的频率分配方案。例如有分配方案(2,3,1)，则表示场级工作站所分配的采集频率分别是d2,d3,d1。

如图4所示，通过仿真实验，模拟了自适应动态变频数据采集方法与固定采集频率数据采集方法的效果对比图。

如图5所示，通过仿真实验，以一天24小时为例，模拟了自适应动态变频数据采集方法应用于风光储联合发电状态监测中的仿真效果图。

上述仿真结果表明，本发明所述的一种应用于风光储联合发电状态监测的自适应动态变频数据采集方法，可以适时地调节采集频率，与固定采集频率相比，在满足任务执行时间和网络能耗的要求下，有效减小采样的失真度，提高***稳定性。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (4)

1.一种风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法，联合发电***包括设备层、采集层、网络层和监控层，所述设备层包括风电场、光伏电场和储能装置，所述采集层包括与所述风电场通信连接的风电场场级工作站、与所述光伏电场通信连接的光伏场场级工作站、与所述储能装置通信连接的储能装置场级工作站，所述监控层包括场间调度监控工作站，所述场间调度监控工作站通过所述网络层与所述采集层通信连接，其特征在于，按如下步骤进行：

Step1：监控层的场间调度监控工作站获取联合发电***运行组合模式，同时初始化任务特征参数，初始化的任务特征参数包括各级别采集频率和与所述各级别采集频率所划分的粒度对应的各级总有功分钟级波动阈值；

Step2：监控层监控是否达到采集数据时间，当到达采集数据时间时，发送采集时间指令至采集层，采集层的各场级工作站采集与其通信连接的各场区内个体的有功功率p，将采集到的有功功率传送至监控层的场间调度监控工作站；

Step3：场间调度监控工作站对接收的有功功率p进行处理，提取t分钟内最大有功功率P_max,t和t分钟内最小有功功率P_min,t，并计算t分钟内平均有功功率P_avg,t，然后计算总有功分钟级波动率a₁，计算方法为：

Step4：场间调度监控工作站根据接收的有功功率p对各采集层进行分析，对于处于产生有功功率状态的采集层，将总有功分钟级波动率a₁与总有功分钟级波动阈值进行比较，采用双门限多级阈值调频机制判断是否需要变更采集频率，如果需要变更频率，确定变更后的采集频率并发送至各场级工作站。

2.根据权利要求1所述的一种风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法，其特征在于，Step1中所述的运行组合模式包括风电场单独出力、光伏场单独出力、风电/光伏场联合出力、风电/储能场联合出力、光伏/储能场联合出力或风电/光伏/储能场联合出力中的一种或两种以上的组合。

3.根据权利要求1所述的一种风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法，其特征在于，步骤Step4中所述的采用双门限多级阈值调频机制的具体方法为：首先初始化任务特征参数时初始化的各级别采集频率为F_i，与各级别采集频率对应的总有功分钟级波动阈值为2n个，其中n个低阈值表示为a_iL，n个高阈值表示为a_iH，且满足a_iL＜a_iH＜a_(i+1)L，1≤i≤n；然后，当总有功分钟级波动率a₁＜a_iL时，场间调度监控工作站将采集频率由F_i降至F_i-1；当总有功分钟级波动率a₁＞a_iH时，场间调度监控工作站将采集频率由F_i升至F_i+1。

4.根据权利要求1所述的一种风光储联合发电状态监测的动态变频数据采集方法，其特征在于，步骤Step4中，对于处于不产生有功功率状态的采集层，在原有采集频率下，逐级下降采集频率至初始设置的最小采集频率。