CN109510236A - 一种集控制保护监测于一体的智能微网控制器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集控制保护监测于一体的智能微网控制器及控制方法，所述微网控制器，包括机箱、面板、总线和插件，所属插件插接在机箱的背板总线上，其特征在于：所述插件包括采用多核异构架构的CPU插件、电源插件、模拟量采样插件、开入开出插件、通信扩展插件；集成了控制、保护、通信、嵌入式web等多种功能于一体，一台微网控制器便可以满足控制、保护、监测等多种要求，大大缩减了微网投资成本，同时保证微网在并网状态、离网状态、并离网切换过度状态等多种运行状态下的安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于新能源开发和微电网智能监控与保护技术领域，特别涉及一种集控制保护监测于一体的智能微网控制器及控制方法。
背景技术
随着新能源技术及互联网技术的发展，建筑、交通工具使用绿色能源并融入电网双向传输，电网结构不断发生变化，构建光储充配一体的微网***，可有效实现新能源消纳的同时实现电动汽车、电网、新能源的互动。
微网***虽然容量不大，但却包含了发电、配电、用电等多个环节，***结构复杂，其能量管理***也包含了测量、保护、控制、运行监测、远动、汽车充电控制等多个环节，如果按照标准电力***标准装置配置，需配置保护装置、测控装置、运行控制器、充电控制、远动设备及其后台监测***，***配置复杂，二次设备投资成本高，不利于微网***的推广及其新能源的消纳。
因此，为解决我国新能源消纳问题，方便微网***的推广应用，急需一套可方便实现微网控制、保护、通信、监测的技术方案和成套设备。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种集控制保护监测于一体的智能微网控制器及控制方法，解决箱变级微网控制、保护、通信、监测等多种问题，简化微网二次***配置，减少微网二次***投资。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种集控制保护监测于一体的智能微网控制器，包括机箱、面板、总线和插件，所属插件插接在机箱的背板总线上，所述插件包括采用多核异构架构的CPU插件、电源插件、模拟量采样插件、开入开出插件、通信扩展插件；
模拟量采样插件，用于将交流间隔、直流间隔的电压互感器、电流互感器及其直流传感器的信号变换成小信号；
开入开出插件，用于采集遥信开入信号，并开出控制信号，通过总线和CPU插件交互信息；
通信扩展插件，用于扩展3G/4G公网通信接口、串行通信口、CAN总线接口及其网络通信接口，通信扩展板通过内部CAN总线、485总线及其以太网交换芯片三种方式和CPU插件交互信息；
通过微网控制器软件采集信号、并进行数据管理，实现微网监测、控制与保护。
优选的是，所述微网控制器软件总体架构采用三层设计，包括物理层、平台层及应用层，其中：
物理层，实现信号采集、控制输出及信息互动，包括由模拟量采集板卡实现的模拟量采集、开入开出板卡实现的开关量信号采集及其遥控开出、通信扩展板实现的串行通信口、工业总线、短距离无线通信及以太网通信接口；
平台层，用于实现数据管理和通信规约管理，数据管理内容包括实时数据库管理、定值参数数据库管理、历史数据库管理及其控制策略库管理；
应用层，实现智能微网控制器的控制、保护、嵌入式web功能。
一种集控制保护监测于一体的智能微网控制方法，利用前述智能微网控制器及微网控制器软件实现。
具体包括以下步骤：
信号采集、控制输出及信息互动的步骤；
数据管理和通信规约管理的步骤；
实现智能微网控制器的控制功能的步骤；
实现智能微网控制器的保护功能的步骤；
实现智能微网控制器嵌入式web功能的步骤。
进一步的，智能微网控制器的控制功能，用于保证微网在并网、离网、停机、并离网切换、黑启动各个运行状态和切换状态下的安全稳定运行，包括：主动离网控制过程；被动离网控制过程；同期并网控制过程；黑启动控制过程；母线电压控制过程。
优选的是，所述的主动离网控制过程，是由微网能量云、电网调控中心或者本地嵌入式web发起，将微网***由并网运行状态切换至离网运行状态的控制过程，步骤如下：
(a1)微网控制器根据由模拟量采集模块采集的并网点交换功率、微网发电功率、微网负荷功率，实时计算微网功率不平衡量，并根据定值参数数据库的微网负荷等级确定离网负荷切除策略；
(a2)微网控制器接收通过以太网或者3G/4G无线通信模块下发的离网控制指令，根据步骤(a1)的负荷切除策略，由开出模块控制输出，切除部分可中断负荷；
(a3)微网控制器通过开出模块，遥控跳开并网点开关；
(a4)微网控制器通过通信扩展板控制四象限模块，使之由恒功率运行模式切换至恒压恒频工作模式，至此，微网由并网运行模式切换至离网运行模式。
优选的是，所述同期并网控制过程，是由微网能量云、电网调控中心或者本地嵌入式web发起，将微网***由离网运行状态切换至并网运行状态的控制过程；步骤如下：
(b1)微网控制器接收通过以太网或者3G/4G无线通信模块下发的并网控制指令；
(b2)微网控制通过模拟量采集板卡采集并网点两侧的电压，实时计算电压的幅值、频率和相位，根据两侧电压的幅值差和频率差调整微网***电压和频率；
(b3)当两侧电压的幅值差和频率差满足设条件后，通过开出模块，遥控合闸并网点开关，微网由离网运行模式切换至并网运行模式。
优选的是，所述黑启动控制过程，由微网能量云、电网调控中心或者本地嵌入式web发起，将微网由停机工作状态切换至并网稳定工作状态或者离网稳定运行状态。
优选的是，所述母线电压控制过程，是通过和具备下垂特性的电力电子装置配合，实现微网交直流母线电压和频率的稳定，控制过程如下：
(C1)微网母线电压和功率和呈下垂特性，即微网母线交换功率和增加时，母线电压随之下降；
(C2)微网控制器通过模拟量采集板卡采集交直流母线电压信号、电流信号，并计算出各个间隔的功率值；
(C3)根据(C1)所述的微网***特性，实时计算微网母线处电压和功率的下垂特性函数表达式；
(C4)微网母线电压范围超过设定值后，由步骤(C3)计算的数学表达式，计算当前功率差额，并由通信扩展板卡，输出控制至对应的具有下垂特性的电力电子装置，保持微网母线电压的稳定。
优选的是，智能微网控制器内置嵌入式web，通过嵌入式web服务，实现多种监测和控制功能，包括：
(E1)通过读取实时数据库信息，实现对微网各个节点电压、电流、功率、开关位置状态等信息进行实施在线监测；
(E2)通过操作界面，实现微网的主动离网控制、同期并网控制等多种控制功能；
(E3)通过历史信息查看界面，查看微网运行的多种历史信息；
(E4)通过定值参数整定界面，对微网控制、保护、通信参数进行在线设置；
(E5)利用其提供的用户权限功能，可实现不同类型用户操作权限的管理。
与现有技术相比，本发明优点在于：
(1)智能微网控制器集成了控制、保护、通信、嵌入式web等多种功能于一体，对于单箱变级微网，一台微网控制器便可以满足控制、保护、监测等多种要求，大大缩减了微网投资成本，有利于微网的建设和新能源的消纳；
(2)智能微网控制器可以在充分发挥电力电子设备快速调节能力的同时增加微网***惯性，保证微网在并网状态、离网状态、并离网切换过度状态等多种运行状态下的安全稳定运行；
(3)智能微网控制集成的保护功能，可以在毫秒时间范围内切除故障，极大程度的保证了微网内重要负荷的不间断供电，提高供电可靠性；
(4)智能微网控制的小微传感器接入信息可辅助实现主动运维功能，提升微网运行的可靠性；
(5)高级微网控制器还可以和微网能量云信息互动，执行微网能量云的经济运行策略，可参与电网辅助服务及需求侧响应，最大程度的提升微网运行的经济性。
附图说明
图1为本发明的智能微网控制器的硬件架构图；
图2为本发明的一个实施例的智能微网控制器硬件配置示意图；
图3为本发明的微网控制器软件架构图；
图4为本发明的一个实施例的微网***一次主接线图；
图5为本发明微网***的不同运行状态及其切换状态图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一
如图1所示为本发明的智能微网控制器的硬件架构，包括机箱、面板、总线和插件，所属插件插接在机箱的背板总线上，插件包括采用多核异构架构的CPU插件、电源插件、模拟量采样插件、开入开出插件、通信扩展插件，各插件通过智能总线实现数据交换和板卡的配置管理。
其中，CPU插件，采用多核异构片上SOC作为主控CPU，(注：
SOC-System-on-a-chip，片上***)。
电源插件，用于提供装置工作电源和遥信电源。
模拟量采样插件，用于将交流间隔、直流间隔的电压互感器、电流互感器及其直流传感器的信号变换成小信号。
开入开出插件，用于采集遥信开入信号，并开出控制信号，通过总线和CPU插件交互信息。
通信扩展插件，用于扩展3G/4G公网通信接口、串行通信口、CAN总线接口及其网络通信接口，通信扩展板通过内部CAN总线、485总线及其以太网交换芯片三种方式和CPU插件交互信息。
图2所示为一个实施例的智能微网控制器，从左到右分别为4块模拟量采样插件(其中AC插件为交流量采集插件，AC/DC插件为交直流采集插件，DC插件)、1块CPU插件、7块开入开出插件(BIO插件)、1块通信扩展插件(COMM插件)和1块电源插件(POWER插件)。
本发明通过微网控制器软件采集信号、并进行数据管理，实现微网监测、控制与保护。图3为微网控制器软件架构图，微网控制器软件总体架构采用三层设计，包括物理层、平台层及应用层，其中：
物理层，实现信号采集、控制输出及信息互动，包括由模拟量采集板卡实现的模拟量采集、开入开出板卡实现的开关量信号采集及其遥控开出、通信扩展板实现的串行通信口、工业总线、短距离无线通信及以太网通信接口。物理层用于实现智慧储能、汽车充放电、交直流负荷、光伏发电、智能小微传感器信息的接入，同时还可以通过以太网、3G/4G无线通信接口实现和电网调控中心及微网能量云的信息互动。
平台层，用于实现数据管理和通信规约管理，数据管理内容包括实时数据库管理、定值参数数据库管理、历史数据库管理及其控制策略库管理。通信规约实现包括IEC60870-5系列规约、MQTT、云端通信规约、SAE J1939汽车通信CAN协议、Modbus在内的多种通信协议。
应用层，实现智能微网控制器的控制、保护、嵌入式web功能；微网控制器的控制功能，用于保证微网在并网、离网、停机、并离网切换、黑启动各个运行状态和切换状态下的安全稳定运行。
实施例二
本实施例提供一种集控制保护监测于一体的智能微网控制方法，可以利用实施例一所述的智能微网控制器及微网控制器软件实现，包括：信号采集、控制输出及信息互动的步骤；数据管理和通信规约管理的步骤；实现智能微网控制器的控制功能的步骤；实现智能微网控制器的保护功能的步骤；实现智能微网控制器嵌入式web功能的步骤。
图4所示为一个实施例的微网***主接线图，下面的控制过程将依据该主接线图展开描述。
微网控制器通过模拟量采样插件采集交流间隔、并网点间隔处的交流电压和电流信号，直流间隔的直流电压和电流信号，通过开入开出插件采集上述间隔的位置信号，并通过开入开出插件对这些开关进行遥控分合闸操作。微网控制器通过CPU板及其扩展通信板的CAN总线、RS485通信口和四象限变换柜、汽车充放电柜、储能变流器柜及其光伏MPPT控制柜通信。注：MPPT-Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪。
图5所示为微网***的不同运行状态及其切换状态，包括并网运行状态、离网运行状态、停机状态三个运行状态，主动离网切换、被动离网切换、同期并网、黑启动三类切换状态。
下面基于图2所示的智能微网控制器，阐述其应用功能。
1、智能微网控制器的控制功能
用于保证微网在并网、离网、停机、并离网切换、黑启动各个运行状态和切换状态下的安全稳定运行，包括：主动离网控制过程；被动离网控制过程；同期并网控制过程；黑启动控制过程；母线电压控制过程。
(1)主动离网控制过程，是由微网能量云、电网调控中心或者本地嵌入式web发起，将微网***由并网运行状态切换至离网运行状态的控制过程，步骤如下：
(a1)微网控制器实时计算交流间隔、并网点间隔、直流间隔的实时功率、微网负荷功率，实时计算微网功率不平衡量，并根据定值参数数据库的微网负荷等级确定负荷切除策略，假设此刻切除可以满足离网功率平衡；
(a2)微网控制器接收通过CPU插件的以太网接口或者通信扩展插件的3G/4G无线通信接口接收的离网控制指令，根据步骤(a1)计算的负荷切除策略，由开出模块控制输出，切除部分可中断负荷；
(a3)微网控制器通过开出模块，遥控跳开并网点开关；
(a4)微网控制器通过通信扩展板控制四象限模块，使之由恒功率运行模式切换至恒压恒频工作模式，至此，微网由并网运行模式切换至离网运行模式。
(2)被动离网控制过程和主动离网控制过程相同，只是其控制发起方式变成了并网点保护发起，即在并网点保护监测到大电网(主网，相对于微电网称大电网)故障时，控制微网由并网运行模式切换至离网运行模式。
(3)同期并网控制过程，是由微网能量云、电网调控中心或者本地嵌入式web发起，将微网***由离网运行状态切换至并网运行状态的控制过程。其控制过程简述如下：
(b1)微网控制器微网控制器通过CPU插件的以太网接口或者通信扩展插件的3G/4G无线通信接口接收的并网控制指令；
(b2)微网控制通过AC插件采集并网点两侧(电网侧和微网侧)的电压，实时计算电压的幅值、频率和相位，根据微网侧和电网侧电压的幅值差和频率差调整微网***电压和频率；
(b3)当微网侧和电网侧电压的幅值差和频率差满足设条件后，通过开出模块，在适当的时机遥控合闸并网点开关，微网由离网运行模式切换至并网运行模式。
黑启动控制过程，由微网能量云、电网调控中心或者本地嵌入式web发起，将微网由停机工作状态切换至并网稳定工作状态或者离网稳定运行状态。
(4)母线电压控制过程，是通过和具备下垂特性的电力电子装置配合，实现微网交直流母线电压和频率的稳定，本实例以稳定直流母线电压为例说明母线电压控制过程，控制过程如下：
(C1)微网母线电压和功率和呈下垂特性，即微网母线交换功率和增加时，母线电压随之下降；
(C2)微网控制器通过模拟量采集板卡采集直流间隔实测电压值和电流值，并计算出各个间隔的功率值；
(C3)根据微网直流母线电压和交换功率和具备下垂特性，实时计算微网母线处电压和功率的下垂特性函数表达式；
(C4)微网直流母线电压范围超过设定值后，由步骤(C3)计算的数学表达式，计算当前功率差额，并由通信扩展板卡，输出控制至对应的具有下垂特性的电力电子装置，保持微网母线电压的稳定。
微网控制器可通过通信板卡和充电桩、微网能量云实时互动，实现电动汽车充放电控制功能，可实现有充电云端发起的充电过程、就地刷卡充电过程、车牌号充电过程、汽车VIN充电过程等多种充电过程和功能。注：VIN-Vehicle Identification Number，即为车辆识别码。
2、智能微网控制器通过模拟量采样板卡实现交直流电压电流信号采集，实现多种保护功能，其中：
(D1)交流方向过流保护，由AC插件或者ACDC插件采集交流间隔的电压信号和电流信号，当间隔电流超过整定电流值，同时功率方向处于正方向时，方向过流保护动作，跳开间隔开关；
(D1)交流过压/低压保护，由AC插件或者ACDC插件采集交流间隔的电压信号，当电压超过过压定值或者低于低压定值后，过压/低压保护动作，跳开间隔开关；
(D3)交流过频/低频保护，由AC插件或者ACDC插件采集交流间隔的电压信号，计算母线频率，当频率超过过频定值或者低于低频定值后，过频/低频保护动作，跳开间隔开关；
(D4)直流过流保护，由DC插件或者ACDC插件采集直流间隔的电流信号，当电流超过过流定值后，过流保护动作，跳开间隔开关；
(D5)直流过压/低压保护，由DC插件或者ACDC插件采集直流间隔的电压信号，当电压超过过压定值或者低于低压定值后，过压/低压保护动作，跳开间隔开关。
3、智能微网控制器内置嵌入式web，通过嵌入式web服务，实现多种监测和控制功能，包括：
(E1)通过读取实时数据库信息，实现对微网各个节点电压、电流、功率、开关位置状态等信息进行实施在线监测；
(E2)通过操作界面，实现微网的主动离网控制、同期并网控制等多种控制功能；
(E3)通过历史信息查看界面，查看微网运行的历史事件信息、历史功率曲线等多种历史信息；
(E4)通过定值参数整定界面，对微网控制、保护、通信参数进行在线设置；
(E5)利用其提供的用户权限功能，可实现不同类型用户操作权限的管理。
综上所述，本发明的智能微网控制器集成了控制、保护、通信、嵌入式web等多种功能于一体，对于单箱变级微网，一台微网控制器便可以满足控制、保护、监测等多种要求，可以在充分发挥电力电子设备快速调节能力的同时增加微网***惯性，保证微网在并网状态、离网状态、并离网切换过度状态等多种运行状态下的安全稳定运行。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种集控制保护监测于一体的智能微网控制器，包括机箱、面板、总线和插件，所属插件插接在机箱的背板总线上，其特征在于：所述插件包括采用多核异构架构的CPU插件、电源插件、模拟量采样插件、开入开出插件、通信扩展插件；
模拟量采样插件，用于将交流间隔、直流间隔的电压互感器、电流互感器及其直流传感器的信号变换成小信号；
开入开出插件，用于采集遥信开入信号，并开出控制信号，通过总线和CPU插件交互信息；
通信扩展插件，用于扩展3G/4G公网通信接口、串行通信口、CAN总线接口及其网络通信接口，通信扩展板通过内部CAN总线、485总线及其以太网交换芯片三种方式和CPU插件交互信息；
通过微网控制器软件采集信号、并进行数据管理，实现微网监测、控制与保护。
2.根据权利要求1所述的集控制保护监测于一体的智能微网控制器，其特征在于：所述微网控制器软件总体架构采用三层设计，包括物理层、平台层及应用层，其中：
物理层，实现信号采集、控制输出及信息互动，包括由模拟量采集板卡实现的模拟量采集、开入开出板卡实现的开关量信号采集及其遥控开出、通信扩展板实现的串行通信口、工业总线、短距离无线通信及以太网通信接口；
平台层，用于实现数据管理和通信规约管理，数据管理内容包括实时数据库管理、定值参数数据库管理、历史数据库管理及其控制策略库管理；
应用层，实现智能微网控制器的控制、保护、嵌入式web功能。
3.一种集控制保护监测于一体的智能微网控制方法，其特征在于：利用权利要求2所述智能微网控制器及微网控制器软件实现。
4.根据权利要求3所述的集控制保护监测于一体的智能微网控制方法，其特征在于，包括：
信号采集、控制输出及信息互动的步骤；
数据管理和通信规约管理的步骤；
实现智能微网控制器的控制功能的步骤；
实现智能微网控制器的保护功能的步骤；
实现智能微网控制器嵌入式web功能的步骤。
5.根据权利要求4所述的集控制保护监测于一体的智能微网控制方法，其特征在于，智能微网控制器的控制功能，用于保证微网在并网、离网、停机、并离网切换、黑启动各个运行状态和切换状态下的安全稳定运行，包括：主动离网控制过程；被动离网控制过程；同期并网控制过程；黑启动控制过程；母线电压控制过程。
6.根据权利要求5所述的集控制保护监测于一体的智能微网控制方法，其特征在于，所述的主动离网控制过程，是由微网能量云、电网调控中心或者本地嵌入式web发起，将微网***由并网运行状态切换至离网运行状态的控制过程，步骤如下：
(a1)微网控制器根据由模拟量采集模块采集的并网点交换功率、微网发电功率、微网负荷功率，实时计算微网功率不平衡量，并根据定值参数数据库的微网负荷等级确定离网负荷切除策略；
(a2)微网控制器接收通过以太网或者3G/4G无线通信模块下发的离网控制指令，根据步骤(a1)的负荷切除策略，由开出模块控制输出，切除部分可中断负荷；
(a3)微网控制器通过开出模块，遥控跳开并网点开关；
(a4)微网控制器通过通信扩展板控制四象限模块，使之由恒功率运行模式切换至恒压恒频工作模式，至此，微网由并网运行模式切换至离网运行模式。
7.根据权利要求5所述的集控制保护监测于一体的智能微网控制方法，其特征在于，所述同期并网控制过程，是由微网能量云、电网调控中心或者本地嵌入式web发起，将微网***由离网运行状态切换至并网运行状态的控制过程；步骤如下：
(b1)微网控制器接收通过以太网或者3G/4G无线通信模块下发的并网控制指令；
(b2)微网控制通过模拟量采集板卡采集并网点两侧的电压，实时计算电压的幅值、频率和相位，根据两侧电压的幅值差和频率差调整微网***电压和频率；
(b3)当两侧电压的幅值差和频率差满足设条件后，通过开出模块，遥控合闸并网点开关，微网由离网运行模式切换至并网运行模式。
8.根据权利要求5所述的集控制保护监测于一体的智能微网控制方法，其特征在于，所述黑启动控制过程，由微网能量云、电网调控中心或者本地嵌入式web发起，将微网由停机工作状态切换至并网稳定工作状态或者离网稳定运行状态。
9.根据权利要求5所述的集控制保护监测于一体的智能微网控制方法，其特征在于，所述母线电压控制过程，是通过和具备下垂特性的电力电子装置配合，实现微网交直流母线电压和频率的稳定，控制过程如下：
(C1)微网母线电压和功率和呈下垂特性，即微网母线交换功率和增加时，母线电压随之下降；
(C2)微网控制器通过模拟量采集板卡采集交直流母线电压信号、电流信号，并计算出各个间隔的功率值；
(C3)根据(C1)所述的微网***特性，实时计算微网母线处电压和功率的下垂特性函数表达式；
(C4)微网母线电压范围超过设定值后，由步骤(C3)计算的数学表达式，计算当前功率差额，并由通信扩展板卡，输出控制至对应的具有下垂特性的电力电子装置，保持微网母线电压的稳定。
10.根据权利要求4-9任一项所述的集控制保护监测于一体的智能微网控制方法，其特征在于，智能微网控制器内置嵌入式web，通过嵌入式web服务，实现多种监测和控制功能，包括：
(E1)通过读取实时数据库信息，实现对微网各个节点电压、电流、功率、开关位置状态等信息进行实施在线监测；
(E2)通过操作界面，实现微网的主动离网控制、同期并网控制等多种控制功能；
(E3)通过历史信息查看界面，查看微网运行的多种历史信息；
(E4)通过定值参数整定界面，对微网控制、保护、通信参数进行在线设置；
(E5)利用其提供的用户权限功能，可实现不同类型用户操作权限的管理。
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