CN109861389A - 一种基于LoRa技术的光伏微网能量管理*** - Google Patents

一种基于LoRa技术的光伏微网能量管理*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于LoRa技术的光伏微网能量管理***，属于工业物联网技术领域。包含多个电能监测采集节点，通过LoRa技术实现大容量电能监测终端数据传输，并将采集的数据接入光伏微网能量管理***，实现基于LoRa技术的光伏微网电能质量的在线监测、实时分析处理和决策优化的功能。本发明提供了一种基于LoRa传感技术的光伏微网能量管理***，该***将LoRa技术与光伏微网结合，对智能工厂光伏微网多个监测点进行全面的监测分析，实现全面控制与运行状态的精确掌握，进而改善电力***通信水平，并在管理平台上对微网电力设备的运行状态进行控制和调整。

Description

一种基于LoRa技术的光伏微网能量管理***
技术领域
本发明属于工业物联网领域，涉及一种基于LoRa技术的光伏微网能量管理***。
背景技术
电是我们当今社会必不可缺的能源，在之前的时间里，煤炭、石油、天然气等不可再生能源一直是人们进行各种生产活动的主要能源来源。随着全球能源和环境问题的日益严峻,基于可再生能源的分布式发电已成为实现可持续发展能源战略规划的重要组成部分。开发利用分布式电源是解决当前能源问题的主要途径。目前,世界各国已经开始广泛开展了分布式发电***的研究。在这个背景下人们开始寻找新的能源，太阳能作为21世纪的新能源之一，是一种可再生的绿色能源，利用太阳能发电不仅在一定程度上缓解当前能源紧缺的现状，也可以保护环境，应用十分广泛。太阳能发电的推广和微电网技术的发展，使得越来越多的微网与配电网互联以达到分布式电源高效利用与电能质量互补的目的，与之配套的能量管理***也逐渐成为一个研究热点。
在自动化工业生产环境中，大量的智能技术得到应用，各种信息数据在网络中进行交汇，因此所选网络的特性直接关乎生产计划的执行质量，物联网无线传输技术便是合理的选择。物联网无线传输技术有WiFi、蓝牙、ZigBee和2G/3G/4G，它们的缺点非常明显，前三者虽然功耗低但传输距离近，后三者传输距离远但功耗高。自从出现了LPWAN(lowerpower wide area network，低功耗广域网)技术，便可以最大程度地实现远距离和低功耗的兼顾。作为LPWAN技术的一种———LoRa，全称“Long Range”，是由Semtech公司于2013年发布的一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术，该频段为非授权频段，故在使用时不需要额外收费，而且LoRa使用的LoRaWAN是一种异步通讯协议，该协议方式不仅在处理干扰、网络重叠、可伸缩性等方面具有独特的特性，而且在耗电方面极为经济，大大增加了利用电池供电的设备的使用寿命。但是，在服务质量(QoS)上却差强人意，略逊色于使用蜂窝网络的通讯方式。因此需要节约成本、大量连接，而对QoS要求不高的情况下，LoRa无疑是最佳的选择。
微电网(Micro-Grid)***也称为微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电***。
微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，使传统电网向智能电网过渡。
针对光伏微网***的的智能化、信息化需求，根据智能电网、物联网等技术的未来发展方向，将LoRa通信技术应用于光伏微网***，进一步提升对光伏微网***的管理，增强物联网技术对光伏微网***电能监测分析和预警能力，提升管理者对光伏微网***的管理效率，通过互联网平台向管理人员发布。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于针对当前环境下物联网无线传感技术高速发展，光伏微网***广泛应用于工业工厂的背景下，提出一种基于LoRa通信技术的光伏微网能量管理***，对智能工厂光伏微网***中多个监测点进行全面的监测分析，实现全面控制与运行状态的精确掌握，进而改善电力***通信水平，在微网***和用电设备运行失效之前，及时捕获其早期的故障信息，并在管理平台上通知管理人员对微网电力设备的运行状态进行调整和预防检修。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于LoRa技术的光伏微网能量管理***，包括感知设备层、网络通信层和管理平台层；
所述感知设备层包括设置在光伏微网***的光伏阵列中的LoRa终端和多个电能监测终端，所述电能检测终端包括电源、电能监测模块和MCU处理器，所述电源用于电能监测终端的供电需求；电能监测模块包括电压传感器、电流传感器和功率传感器；MCU处理器，用于实现控制和预处理计算功能；
所述LoRa终端包含MCU处理器、LoRa通信模块、电源管理、RF部件和SPI接口，所述LoRa终端是以MCU处理器为核心，对电能监测模块采集到的数据进行处理，得到电能质量的指标，包括电压偏移，电压波动值及电压闪变值，电压、电流的各次谐波分量、谐波总畸变率及各次谐波含有率，并通过RF部件发送到LoRa通信基站，LoRa通信模块通过SPI接口与***设备连接；电源管理单元用于为电池供电；
所述网络通信层包括LoRa通信基站，所述LoRa通信基站采用电能监测终端一跳到基站的星型网络架构，所述LoRa通信基站负责实现终端设备和网络服务器之间的数据转发，包括终端上行发送的采集数据、应答信号和网络心跳信息，是一种无损失、无延迟的无线传输技术，所述LoRa通信基站具备多信道同时接收的功能；终端与基站间采用无线通信方式，基站与服务器之间采用无线、或有线通信方式，服务器之间、服务器与平台之间采用有线通信方式；
所述管理平台层包括光伏微网能量管理***平台，所述光伏微网能量管理***平台包括信息采集模块、数据监测模块、决策优化模块和人机交互模块，所述信息采集模块用于采集光伏微网***中的各设备信息、工作模式数据以及通过LoRa基站发送过来的电能监测终端数据；所述数据监测模块用于检测上述采集的数据并保存到数据库中；所述决策优化模块用于根据采集到的数据对光伏微网***的分布式电源运行情况进行优化；所述人机交互模块用于展示光伏微网能量管理***中的监测数据和决策信息，并能够向***中输入数据，从而实时操作开关与刀闸的状态，控制微网的工作方式。
进一步，所述LoRa终端使用STM32低功耗MCU；RF部分选取SX1278作为RF器件；还包括天线，所述天线采用折叠棒状天线，天线采用TNC接口固定于底板右上角；还包括指示灯，采用发光二极管，包括电源指示，收发指示和错误指示。
进一步，所述光伏微网***采用交直流混合微网结构，光伏阵列***经双向DC/DC变换器接入直流母线，储能单元通过双向DC/DC变换器实现有功功率的双向流通，进而通过DC/AC变换器连接直流母线和交流母线，交流侧通过开关连接负载和市电。
进一步，所述交直流混合光伏微网结构，储能单元采用蓄电池和超级电容混合储能方式，将光伏阵列和储能单元看作一个整体，对其中的逆变器采用虚拟同步发电机(VSG)控制技术。
进一步，所述光伏微网能量管理***，提出一种基于虚拟同步发电机(VSG)的能量管理控制策略，将光伏阵列发电量和储能单元荷电状态(SOC)接入VSG控制中，通过调整VSG的下垂特性，实现光伏阵列、储能单元、逆变器和市电的协调控制。
光伏微网能量管理的基础是保持***中能量供需平衡，在***运行过程中的任意时刻满足：
PV+PS+PGRID＝PL (1)
其中，PV是光伏阵列产生的功率，PS是储能单元吸收或发出的功率，PGRID是市电供给负载或微网反馈给市电的功率，PL是负载需要的功率。
储能单元中的超级电容负责吸收和释放高频功率，蓄电池蓄电池作为长时间的储能装置，吸收和释放低频功率。蓄电池的SOC：
Qmax＝essmaxn (3)
Qmax和Quse分别表示蓄电池组电量最大值和蓄电池组消耗电量；I为蓄电池电流；essmax为单体电池最大存储电量；n为串联电池组的数量；essSOC为单体电池初始SOC值，设定蓄电池的SOC低于30％停止放电。将式(2)、(3)代入式(4)中得到蓄电池的SOC计算方式。
(1)若30％<SOC<100％，储能单元荷电状态正常，光伏阵列运行于最大功率点(MPP)，VSG控制逆变器使***根据下垂特性输出功率。当PV>PL时，储能单元充电，光伏阵列承担负载供电；当PV<PL时，储能单元放电承担负载供电。
(2)若SOC＝100％，储能单元电量饱和，光伏阵列运行于MPP，调整VSG控制，增加逆变器输出，储能单元停止充电并将多余电量回馈市电。直到PV＝PL时，仅由光伏阵列承担负载供电。
(3)若SOC<30％，储能单元剩余电量不足，停止放电且以恢复储能单元荷电状态为首要控制目标。光伏阵列变换器采用最大功率点追踪(MPPT)控制，调整VSG控制，减少逆变器输出功率，打开电网开关，市电优先承担负载供电。
(4)在负载功率突变以及光伏阵列输出功率突变的情况下，将储能***需要平衡的功率分为低频部分和高频部分，超级电容负责吸收和释放高频功率，蓄电池吸收和释放低频功率。本发明的有益效果在于：
1)采用了LoRa通信技术，终端设备终端设备使用低功耗、低成本的RF射频芯片，基站具备多信道同时接收功能，且具备超高灵敏度接收能力，理论上仅靠少量基站即可支持数百万设备。整个***具备成本低、***容量大、覆盖范围广、布设和维护简单等特点。
2)通过在微网设备上部署的电能监测装置，实时测量并在线处理得到电压偏移，电压波动值(包括电压偏差及其统计数据)及电压闪变值，电压、电流的各次谐波分量、谐波总畸变率及各次谐波含有率等电能质量的指标，并通过低功耗广域传感网络LoRa将这些信息及时传到能量管理平台进行处理，进而实现在线电能质量检测以及优化电力设施运行等功能。
3)针对光伏微网发电***能量管理的特点，提出一种基于虚拟同步发电机(VSG)的能量管理控制策略，将光伏阵列发电量和储能单元荷电状态(SOC)接入VSG控制中，通过调整VSG的下垂特性，实现光伏阵列、储能单元、逆变器和市电的协调控制，良好的维持了光伏微网并网的稳定性。
4)拓展了光伏微网的应用场景，将太阳能发电技术应用于智能工厂领域，有望解决目前大多数工厂供电不灵活、中断供电对生产管理造成混乱等实际问题。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的***结构框架图；
图2为本发明的电能监测终端总体功能结构框架图；
图3为本发明的LoRa终端硬件布局结构框架图；
图4为本发明的光伏微网能量管理***平台框架图；
图5为本发明的光伏微网***结构框架图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示，一种基于LoRa通信的光伏微网能量管理***，将电能监测终端装到智能工厂光伏微网***中的每个光伏阵列上，由于光伏阵列较多分布广泛，各个电能监测终端物理位置相距甚远，本发明采用LoRa技术实现多终端设备的远程管理，LoRa通讯模块提供与不同传感器的接口，集成为感知终端，采集周围信息并远距离回传到LoRa基站，LoRa基站可接收覆盖范围内的所有感知终端的上报数据，将前端信息进行协议转换，通过以太网/3G/4G/WIFI与服务器相连接入光伏微网能量管理平台，可满足智能工厂远距离、大数量、和低功耗的监测网络应用。
图2为电能监测终端总体功能结构框架图，电能监测终端部分主要包括：电源用于电能监测终端***的供电需求，设计为电池供电模式；电能监测终端包括电压传感器、电流传感器和功率传感器；MCU处理器，用于实现各种控制和预处理计算功能，针对应用的传感器，以及以上各部分间的接口和电源管理单元；LoRa无线传输模块实现无线数据收发。通过在光伏微网设备上部署的电压变化传感器、电流变化传感器以及功率传感器装置，实时测量并在线处理得到电压偏移，电压波动值(包括电压偏差及其统计数据)及电压闪变值，电压、电流的各次谐波分量、谐波总畸变率及各次谐波含有率等电能质量的指标，并通过LoRa低功耗广域传感网络将这些信息及时传到能量管理***平台，进而实现在线电能质量检测以及能量优化决策等功能。
图3为LoRa终端硬件布局结构框架图，LoRa终端设备硬件结构包含LoRa通信模块、电源管理和SPI接口等部分；LoRa终端是以MCU处理器为核心，对电能检测模块采集到的数据进行处理，得到电能质量的指标，包括电压偏移，电压波动值及电压闪变值，电压、电流的各次谐波分量、谐波总畸变率及各次谐波含有率，并通过LoRa RF部分进行数据发送发送到LoRa基站，本***使用STM32低功耗MCU；LoRa终端的RF部分，根据中国无线频段的要求，选取SX1278作为RF器件；传感器单元部分，选择电压传感器、电流传感器和功率传感器，作为模块数据采集终端；天线类型采用折叠棒状天线，天线采用TNC接口固定于底板右上角；通信模块通过SPI接口与***设备连接，液晶显示接口可选；指示灯采用发光二极管，分别为：电源指示，收发指示和错误指示；电源管理单元设计为电池供电模式。
图4为光伏微网能量管理***平台框架图，光伏微网能量管理***具有数据监测和决策优化功能。一些外部信息如设备信息、工作模式通过数据接口传递给微网能量管理***，同时微网能量管理***也通过接口与分布式电源互相交换信息。人机交流主要负责人与能量管理***的交流，其采用可视化人机接口，并提供一个统一的图形平台。通过人机界可以查看微网的拓扑结构和所有电气元件的接入情况，并能实时操作开关与刀闸的状态，控制微网的工作方式。监测***采集的电压、电流和功率实时数据将在图形***中显示。通过对人机界面的监视，工作人员可以实时了解微电网***、后台***和通信***的运行工况。***的运行信息将通过文字、图形、声光、颜色等多种方式在人机界面中显示。数据监测模块将***采集的实时数据和历史数据存储到***的数据库中，将数据灵活地组织到表格中，形成实时、日、月、年等历史统计报表，同时具有打印和表格编辑功能。决策优化是光伏微网能量管理***的核心模块。该优化***根据负荷和可再生能源的发电量、用户的用电需求、调度规则、市场电价等信息决策分布式电源的发电调度、从电网的购电计划、储能的出力分配、负荷的安排该决策需要满足一系列约束条件以及控制目标，尽可能使能源消耗与***损耗最小，使分布式电源的运行效率最高。
图5为光伏微网***结构，所述的光伏微网***采用交直流混合微网结构，光伏阵列***作为分布式发电单元经双向DC/DC变换器接入直流母线，储能单元采用蓄电池和超级电容，通过双向DC/DC变换器实现有功功率的双向流通，进而通过DC/AC变换器连接直流母线和交流母线，交流侧通过开关连接负载和市电。将光伏阵列和储能单元看作一个整体，对其中的逆变器采用虚拟同步发电机(VSG)控制技术。
微电网主要有交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网3种典型结构。相比于单一的光伏微网结构，交直流混合微网在交流微网的基础上，结合了直流微网的优点，具有以下优势：直流母线与交流母线的存在满***流或者直流分布式发电与负荷的需求，减少了AC/DC或DC/AC变流环节，缩减了电力电子器件的使用，从而抑制了谐波；交直流混合微网可以在交流微网与直流微网独立控制的同时又互为备用，提高***的可靠性；交直流混合微网有更好的延展性，应用更加广泛。交流直流混合微网中，交流DG或者负荷直接接入交流母线，直流DG或负荷直接接入直流母线，交流母线与直流母线之间通过一个双向变流器实现功率流的平衡。交直流混合微电网由于具有更好的经济性、安全性、可靠性，受到国内外的广泛关注。
所述光伏微网能量管理***，提出一种基于虚拟同步发电机(VSG)的能量管理控制策略，将光伏阵列发电量和储能单元荷电状态(SOC)接入VSG控制中，通过调整VSG的下垂特性，实现光伏阵列、储能单元、逆变器和市电的协调控制。
光伏微网能量管理的基础是保持***中能量供需平衡，在***运行过程中的任意时刻满足：
PV+PS+PGRID＝PL (1)
其中，PV是光伏阵列产生的功率，PS是储能单元吸收或发出的功率，PGRID是市电供给负载或微网反馈给市电的功率，PL是负载需要的功率。
储能单元中的超级电容负责吸收和释放高频功率，蓄电池蓄电池作为长时间的储能装置，吸收和释放低频功率。蓄电池的SOC：
Qmax＝essmaxn (3)
Qmax和Quse分别表示蓄电池组电量最大值和蓄电池组消耗电量；I为蓄电池电流；essmax为单体电池最大存储电量；n为串联电池组的数量；essSOC为单体电池初始SOC值，设定蓄电池的SOC低于30％停止放电。将式(2)、(3)代入式(4)中得到蓄电池的SOC计算方式。
(1)若30％<SOC<100％，储能单元荷电状态正常，光伏阵列运行于最大功率点(MPP)，VSG控制逆变器使***根据下垂特性输出功率。当PV>PL时，储能单元充电，光伏阵列承担负载供电；当PV<PL时，储能单元放电承担负载供电。
(2)若SOC＝100％，储能单元电量饱和，光伏阵列运行于MPP，调整VSG控制，增加逆变器输出，储能单元停止充电并将多余电量回馈市电。直到PV＝PL时，仅由光伏阵列承担负载供电。
(3)若SOC<30％，储能单元剩余电量不足，停止放电且以恢复储能单元荷电状态为首要控制目标。光伏阵列变换器采用最大功率点追踪(MPPT)控制，调整VSG控制，减少逆变器输出功率，打开电网开关，市电优先承担负载供电。
(4)在负载功率突变以及光伏阵列输出功率突变的情况下，将储能***需要平衡的功率分为低频部分和高频部分，超级电容负责吸收和释放高频功率，蓄电池吸收和释放低频功率。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于LoRa技术的光伏微网能量管理***，其特征在于：包括感知设备层、网络通信层和管理平台层；
所述感知设备层包括设置在光伏微网***的光伏阵列中的LoRa终端和多个电能监测终端，所述电能检测终端包括电源、电能监测模块和MCU处理器，所述电源用于电能监测终端的供电需求；电能监测模块包括电压传感器、电流传感器和功率传感器；MCU处理器，用于实现控制和预处理计算功能；
所述LoRa终端包含MCU处理器、LoRa通信模块、电源管理、RF部件和SPI接口，所述LoRa终端是以MCU处理器为核心，对电能监测模块采集到的数据进行处理，得到电能质量的指标，包括电压偏移，电压波动值及电压闪变值，电压、电流的各次谐波分量、谐波总畸变率及各次谐波含有率，并通过RF部件发送到LoRa通信基站，LoRa通信模块通过SPI接口与***设备连接；电源管理单元用于为电池供电；
所述网络通信层包括LoRa通信基站，所述LoRa通信基站采用电能监测终端一跳到基站的星型网络架构，所述LoRa通信基站负责实现终端设备和网络服务器之间的数据转发，包括终端上行发送的采集数据、应答信号和网络心跳信息，是一种无损失、无延迟的无线传输技术，所述LoRa通信基站具备多信道同时接收的功能；终端与基站间采用无线通信方式，基站与服务器之间采用无线、或有线通信方式，服务器之间、服务器与平台之间采用有线通信方式；
所述管理平台层包括光伏微网能量管理***平台，所述光伏微网能量管理***平台包括信息采集模块、数据监测模块、决策优化模块和人机交互模块，所述信息采集模块用于采集光伏微网***中的各设备信息、工作模式数据以及通过LoRa基站发送过来的电能监测终端数据；所述数据监测模块用于检测上述采集的数据并保存到数据库中；所述决策优化模块用于根据采集到的数据对光伏微网***的分布式电源运行情况进行优化；所述人机交互模块用于展示光伏微网能量管理***中的监测数据和决策信息，并能够向***中输入数据，从而实时操作开关与刀闸的状态，控制微网的工作方式。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的光伏微网能量管理***，其特征在于：所述LoRa终端使用STM32低功耗MCU；RF部分选取SX1278作为RF器件；还包括天线，所述天线采用折叠棒状天线，天线采用TNC接口固定于底板；还包括指示灯，采用发光二极管，包括电源指示，收发指示和错误指示。
3.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的光伏微网能量管理***，其特征在于：所述光伏微网***采用交直流混合微网结构，光伏阵列***经双向DC/DC变换器接入直流母线，储能单元通过双向DC/DC变换器实现有功功率的双向流通，进而通过DC/AC变换器连接直流母线和交流母线，交流侧通过开关连接负载和市电。
4.根据权利要求3所述的交直流混合光伏微网结构，其特征在于：所述的储能单元采用蓄电池和超级电容混合储能方式，将光伏阵列和储能单元看作一个整体，对其中的逆变器采用虚拟同步发电机VSG控制技术。
5.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的光伏微网能量管理***，其特征在于：所述的光伏微网能量管理***，提出一种基于VSG的能量管理控制策略，将光伏阵列发电量和储能单元荷电状态SOC接入VSG控制中，通过调整VSG的下垂特性，实现光伏阵列、储能单元、逆变器和市电的协调控制，维持光伏微网***稳定运行；
光伏微网能量管理的基础是保持***中能量供需平衡，在***运行过程中的任意时刻满足：
PV+PS+PGRID＝PL (1)
其中，PV是光伏阵列产生的功率，PS是储能单元吸收或发出的功率，PGRID是市电供给负载或微网反馈给市电的功率，PL是负载需要的功率；
储能单元中的超级电容负责吸收和释放高频功率，蓄电池蓄电池作为长时间的储能装置，吸收和释放低频功率，蓄电池的SOC：
Qmax＝essmaxn (3)
Qmax和Quse分别表示蓄电池组电量最大值和蓄电池组消耗电量；I为蓄电池电流；essmax为单体电池最大存储电量；n为串联电池组的数量；essSOC为单体电池初始SOC值，设定蓄电池的SOC低于30％停止放电；将式(2)、(3)代入式(4)中得到蓄电池的SOC计算方式；
(1)若30％<SOC<100％，储能单元荷电状态正常，光伏阵列运行于最大功率点MPP，VSG控制逆变器使***根据下垂特性输出功率；当PV>PL时，储能单元充电，光伏阵列承担负载供电；当PV<PL时，储能单元放电承担负载供电；
(2)若SOC＝100％，储能单元电量饱和，光伏阵列运行于MPP，调整VSG控制，增加逆变器输出，储能单元停止充电并将多余电量回馈市电；直到PV＝PL时，仅由光伏阵列承担负载供电；
(3)若SOC<30％，储能单元剩余电量不足，停止放电且以恢复储能单元荷电状态为首要控制目标；光伏阵列变换器采用最大功率点追踪MPPT控制，调整VSG控制，减少逆变器输出功率，打开电网开关，市电优先承担负载供电；
(4)在负载功率突变以及光伏阵列输出功率突变的情况下，将储能***需要平衡的功率分为低频部分和高频部分，超级电容负责吸收和释放高频功率，蓄电池吸收和释放低频功率。
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