借助​NI LabVIEW​和​DAQ​构​建​微​电​网​能源​管理​系统

Gooi Hoay Beng,​南洋​理工​大学

“在​进行​矩阵​计算​的​公式​制定​和​处理​时,​LabVIEW​提供​的​编​程​工具​有助​于​更​轻松​地​编写​电力​系统​应用​程序,​从而​节省​编​程​时间。”

- Gooi Hoay Beng,​南洋​理工​大学

挑战:

通过​探索​可​持续​能源​资源​和​提高​当前​供​能​系统​的​效率​来​满足​新加坡​的​能源​需求。

解决​方案:

借助​NI LabVIEW​软件​和​NI​数据​采集​(DAQ)​硬件​开发​低成本​的​微​电​网​能源​管理​系统​(MEMS),​其中​涵​盖​信息​和​通信​技术​(ICT)、​智能​仪表​和​高级​优​化​应用​程序,​以此​来​管理​作为​可​再生​能源​资源​整合​平台​的​配​电​系统。

作者:

Cheah Peng Huat - 南洋​理工​大学
​Siow Lip Kian - 南洋​理工​大学
​Liang Hong Zhu - 南洋​理工​大学
​Vo Quoc Nguyen - 南洋​理工​大学
​Nguyen Dinh Duc - 南洋​理工​大学
​Gooi Hoay Beng - 南洋​理工​大学

 

南洋​理工​大学​(NTU)​电气​与​电子​工程​学院​(EEE)​清洁​能源​研究​实验​室​(LaCER)​的​学生​构​建​了​一个​微​电​网​原型。​该​原型​由​太阳​能​光​伏​(PV)、​风力​涡轮​机、​燃料​电池​和​电池​组​等​能源​资源​组成。​整个​微​电​网​由​基于​Web​的​MEMS​服务​器​控制,​该​服务​器​可​控制​和​监测​电源​管理​的​不同​方面。

 

 

 

我们​开发​了​软件​程序​来​管理​从​传感器​采集​的​信息,​以及​执行​负载​控制​和​发电​调度。​图​1​显示​了​数据​库​与​不同​软件​模​块​之间​的​连接​结构​框​图。​我们​使用LabVIEW软件​开发​了​高级​传​感​和​通信、​负载​预测、​机组​组合、​状态​估计​和​最优​潮流​等​模​块。

 

高级​传​感​和​通信​系统

在​微​电​网​中,​集成​和​连接​传​感​及​控制​设备​颇​具​挑战​性,​因为​这​需要​涉及​不同​的​通信​协议,​例如​RS232​串​行​通信​和​RS422/485 Modbus​通信。​为了​克服​这​一​挑战,​我们​将​信息​转换​为​一种​标准​协议,​即​以太​网。​借助​通信​协议​转换​器,​我们​可以​轻松​且​经济​高效​地​实现​这​一​转换。

 

我们​的​主要​设计​任务​包括​MEMS​服务​器​和​功率​传感器​之间​的​传​感​和​通信,​以及​其他​控制​设备,​例如​断​路​器、​可​编​程​交流​电源​和​可​编​程​逻辑​控制器​(PLC)。​我们​在​整个​微​电​网​网络​中​安装​了​32​个​支持​Modbus​协议​的​功率​传感器,​用于​电压、​电流、​有功功率、​无功​功率​和​断​路​器​状态​等​功率​监测​测量。​为了​在​MEMS​服务​器​和​所有​功率​传感器​之间​部署​经济​高效​的​通信​解决​方案,​我们​将​传感器​分为​四​组,​每​组​八个​传感器​单元。​每​个​组​最终​都​连接​到​RS485​转​TCP/​IP​转换​器,​在​该​转换​器​中,​Modbus​协议​转换​为​在​以太​网​LAN​网络​上​运行​的​Modbus TCP。​我们​为​每​个​转换​器​和​每​组​功率​传感器​分配​唯一​的​IP​地址​以及​相应​的​ID。

 

 

 

在​输入​所需​功率​传感器​的​IP​地址、​传感器​ID​和​寄存器​地址​后,​系统​使用LabVIEW Datalogging and Supervisory Control(DSC)​模​块​提取​功率​测量​值。​用户​无​需​定义​确切​的​Modbus​消息​即可​检索​信息,​从而​节省​了​宝贵​的​时间。​系统​将​所有​功率​测量​值​发送​到​LabVIEW​中​相应​的​全局​变量,​并​在​主​GUI​中​显示​以​进行​监测​(参见​图​2)。​其他​应用​程序​也可以​通过​全局​变量​轻松​使用​测量​值。​PLC​使用​相同​的​技术​来​控制​微​电​网​中的​断​路​器。

 

微​电​网​测试​台​使用​可​编​程​交流​电源​来​测试​独立​的​微​电​网。​为了​与​电源​通信,​我们​使用​了​LabVIEW​中的​TCP​函数​块。​用户​输入​电源​的​IP​地址,​无​需​编写​繁​琐​的​编​程​代码​即可​监测​和​控制​电源。

 

负载​预测

负载​预测​的​目的​是​提前​15​分钟​预测​总​用户​负载。​它​对​高效​运行、​控制​和​规划​微​电​网​具有​重大​的​市场​影响。​准确​的​预测​值​可​节省​经济​成本​并​提高​系统​运行​的​安全​性。

 

 

 

预测​方法​基于​我们​使用​LabVIEW​开发​的​人工​神经​网络​(ANN)​(参见​图​3)。​为了​提升​负载​预测​算法​的​性能,​我们​添加​了​以下​特殊​功能:

 

  • 数据​预​处理,​以​识别​不良​和​不​规则​数据,​以便​在​将​数据​用于​训练​之前​进行​删除​或​调整。
  • 早期​停止,​以​加速​收​敛​并​防止​训练​数据​过度​拟​合。
  • 异常​天​数​调度,​以​识别​具有​异常​负载​配置​文件​的​天​数​并​在​训练​中将​其​排除,​以免​损坏​负载​模型。​用户​可以​通过​GUI​更新​异常​天​数。
  • 相关​性​和​线性​回归​分析,​使用​直线​来​发现​输入​数据​和​目标​数据​之间​的​线性​关系。

 

我们​使用​NI USB-6215 DAQ设备​从​NTU​的​Wee Kim Wee​传播​与​信息​学院​大楼​采集​历史​负载​数据。​我们​在​使用​LabVIEW​开发​的​数据​库​中​处理​和​存储​数据。​为了​采集​日常​负载​数据,​我们​通过​降​压​变压器​将​DAQ​设备​的​模拟​输入​连接​到​建筑​物​中的​配​电​网,​同时​将​该​变压器​连接​到​额外​的​电流​和​电压​传感器,​分别​采集​电流​和​电压​数据。

 

我们​成功​地​将​负载​预测​算法​与​MEMS​单元​中的​软件​模​块​集成​在一起。​所​实现​的​预测​系统​既​可靠​又​准确。

 

 

 

机组​组合

机组​组合​软件​模​块​是​MEMS​的​重要​组成​部分。​该​软件​模​块​基于​预测​的​需求​概况,​可​协助​微​电​网​操作​人员​找到​理想​发电​计划,​在​微​电​网​独立​的​情况​下,​尽可能​降低​总​操作​成本,​或是​在​微​电​网​连接​到​主​电​网​时,​实现​总​效益​最大​化。​在​优​化​过程​完成后,​开关​状态​和​从​发​电源​调度​的​千瓦​数​等​结果​将​发送​到​MEMS​最优​潮流​模​块​进行​处理。​机组​组合​是​电力​系统​管理​中​较​为​复杂​的​优​化​问题​之一。​通过​使用​基于LabVIEW MathScript RT​模块创建​的​脚本,​该​软件​只需​几秒​钟​即可​确定​基于​多个​约束​和​数百​个​变量​的​公式​化​问题​的​优​化​解决​方案​(参见​图​5)。

 

该​软件​模​块​包括​以下​功能:

 

  • 使用​LabVIEW MathScript RT​模​块,​在​几秒​钟​内​即可​解决​复杂​的​机组​组合​问题。
  • 借助​LabVIEW​中​内​置​的​GUI,​用户​可以​轻松​地​使用​默认/​自​定义​设置​来​运行​机组​组合​模​块。
  • 利用​LabVIEW​的​实​时​捕获​函数,​软件​可以​在​用户​定义​的​启动​时间​到达​时​自动​开始​执行。
  • 优​化​完成后,​结果​会​自动​保存​在​服务​器​上​用户​定义​的​路径​中,​并​发送​到​MEMS​最优​潮流​模​块。

 

状态​估计

状态​估计​是​一个​MEMS​实​时​函数,​它​使用​监​控​和​数据​采集​(SCADA)​系统​采集​的​测量​值、​断​路​器​状态​和​稳​压​器​抽​头​位置​来​验证​并​估计​电力​系统​中的​总​线​电压。​估计​的​总​线​电压​幅​值​和​电压​相​角​被​视为​可靠​的​系统​状态​值,​将​用作​最优​潮流​模​块​的​输入​之一。​其​处理​过的​总​线​负载​值​用作​负载​预测​模​块​的​输入。

 

状态​估计​模​块​有三​个子​函数​是​基于​LabVIEW​平台​并​使用​The MathWorks, Inc.MATLAB​编​程​语言​编写​的:

 

  1. 拓​扑​处理​器​通过​将​面向​节点​的​网络​转换​为​面向​总​线​的​网络​来​确定​网络​配置。
  2. 状态​估计​功能​可​计算​总​线​电压​幅​值​和​角度。
  3. 不良​数据​检测​和​识别​功能​会​在​状态​估计​模​块​使用​原始​测量​值​之前,​验证​这些​数据​是否​良好。

 

在​对​状态​估计​模​块​进行​编码​时,​很​难​确保​它​在​任何​电力​网络​中​都能​运行。​因此,​我们​使用​脚本​块​来​提高​复杂​算法​描述​时​的​灵活​性。​每​个子​函数​都是​使用​LabVIEW​中的​脚本​块​来​实现​的。​输入​和​输出​(1D​和​2D)​在​脚本​块​之间​传输​数据,​或​将​数据​传输​到​前​面板​以​显示​结果。​反馈​节点​也​用于​检测​和​识别​不良​数据。

 

在​进行​矩阵​计算​的​公式​制定​和​处理​时,​LabVIEW​提供​的​编​程​工具​有助​于​更​轻松​地​编写​电力​系统​应用​程序,​从而​节省​编​程​时间。

 

 

 

我们​已​成功​在​NTU LaCER​将​状态​估计​函数​与​其他​MEMS​函数​以及​微​电​网​硬件​装置​集成​在一起​(参见​图​6)。

 

最优​潮流

最优​潮流​是​MEMS​的​在​线​函数​之一。​最优​潮流​模​块​可​找到​给​定​电力​系统​网络​的​最优​设置​(例如​总​发电​成本​或​系统​损耗),​同时​满足​其​潮流​公式​和​设备​运行​限制,​例如​总​线​电压​限制、​支路​潮流​限制​和​发​电源​容量​限制。​最优​潮流​模​块​的​输入​数据​包括​由​状态​估计​模​块​定义​的​网络​配置​和​负载​信息。​作为​输出​结果​的​一部分,​最优​潮流​模​块​推荐​以下​值:

 

  • 有功/​无功​电源​输出
  • 有​载​调压​变压器​的​抽​头​比

 

这些​参数​发送​到​断​路​器​CB​控制器、​逆​变​器​控制器、​发​电机​控制器​和​负载​抽​头​控制器,​使​系统​以​更​经济​高效​的​模式​运行。

 

 

 

我们​使用​二次​规划​来​解决​最优​潮流​问题。​我们​在​MATLAB​中​编写​该​算法,​然后​通过​MATLAB​脚本​函数​将​其​与​LabVIEW​集成。​利用​LabVIEW,​我们​将​最优​潮流​与​状态​估计​和​SCADA​相关​联,​以​控制​某些​微​电​网​组​件。​图​7​显示​了​我们​如何​使用​LabVIEW​工具​包​来​开发​NTU LaCER​微​电​网​的​最优​潮流​主​GUI。

 

LF​算法​已​成功​与​MEMS​的​UC​集成。​所​实现​的​预测​系统​能够​可靠​地​执行,​且​准确​性​令人​满意。

 

机组​组合

机组​组合​(UC)​软件​模​块​是​MEMS​的​重要​组​件​之一。​该​软件​模​块​基于​预测​的​需求​概况,​能够​协助​微​电​网​操作​人员​找到​理想​发电​计划,​在​微​电​网​独立​的​情况​下,​尽可能​降低​总​操作​成本,​或是​在​微​电​网​连接​到​主​电​网​时,​实现​总​效益​最大​化。​在​优​化​过程​完成后,​开关​状态​和​从​发​电源​调度​的​千瓦​数​等​结果​将​发送​到​MEMS​的​最优​潮流​(OPF)​模​块​进行​处理。​UC​是​电力​系统​管理​中​较​为​复杂​的​优​化​问题​之一。​通过​使用​LabVIEW​的​MATLAB​脚本​函数,​该​软件​能够​在​几秒​钟​内​确定​具有​多个​约束​和​数百​个​变量​的​公式​化​问题​的​优​化​解决​方案。​UC​的​主​GUI​如​图​5​所​示。

 

该​软件​模​块​具有​以下​功能:

 

  • 使用​LabVIEW​的​MATLAB​脚本​函数,​即可​在​几秒​钟​内​解决​复杂​的​UC​问题。
  • 借助​LabVIEW​中​内​置​的​图形​化​界面,​用户​只需​通过​简单​的​单击,​即可​轻松​地​使用​默认/​自​定义​设置​来​运行​UC​优​化。
  • 利用​LabVIEW​的​实​时​捕获​函数,​软件​可以​在​用户​定义​的​自动​启动​时间​到达​时​自动​开始​执行。
  • 优​化​完成后,​结果​会​自动​保存​在​服务​器​系统​上​用户​定义​的​路径​中,​同时​发送​到​MEMS​的​OPF。

 

状态​估计

状态​估计​是​一个​MEMS​实​时​函数,​它​使用​SCADA​系统​采集​的​测量​值、​断​路​器​状态​和​稳​压​器​抽​头​位置​来​验证​并​估计​电力​系统​中的​总​线​电压。​估计​的​总​线​电压​幅​值​和​电压​相​角​被​视为​可信​的​系统​状态​值,​将​用作​OPF​的​输入​之一,​其​处理​过的​总​线​负载​值​用作​负载​预测​的​输入。

 

状态​估计​器​有​3​个子​函数​是​基于​LabVIEW​平台​并​使用​Matlab​编​程​语言​编写​的。

 

  1. 拓​扑​处理​器:​通过​将​面向​节点​的​网络​转换​为​面向​总​线​的​网络​来​确定​网络​配置。
  2. 状态​估计:​计算​总​线​电压​幅​值​和​角度
  3. 不良​数据​检测​和​识别:​在​状态​估计​器​中​使用​原始​测量​值​之前,​验证​这些​数据​是否​良好。

 

在​对​状态​估计​器​进行​编码​时,​很​难​确保​它​在​任何​电力​网络​中​都能​运行。​因此,​在​描述​复杂​算法​时,​使用​脚本​块​是​提高​灵活​性的​一种​方法。​每​个子​函数​都是​通过​使用​LabVIEW​中的​脚本​块​来​实现​的。​创建​输入​和​输出​(1D​和​2D),​在​脚本​块​之间​传输​数据,​或​将​数据​传输​到​前​面板​以​显示​结果。​反馈​节点​也​用作​不良​数据​检测​和​识别​的​筛选​器。

 

当​公式​化​和​处理​基于​矩阵​计算​时,​LabVIEW​提供​的​编​程​工具​可​帮助​程序​员​更​轻松​地​编写​电力​系统​应用​程序,​从而​节省​编​程​时间。

 

在​NTU​清洁​能源​研究​实验​室​已​成功​演示​SE​函数​与​其他​MEMS​函数​以及​微​电​网​硬件​装置​的​集成。​状态​估计​器​的​主​GUI​如​图​6​所​示。

 

最优​潮流

最优​潮流​(OPF)​是​MEMS​的​在​线​函数​之一。​OPF​的​目标​是​找到​给​定​电力​系统​网络​的​最优​设置​来​优​化​系统​的​目标​函数​(例如​总​发电​成本​或​系统​损耗),​同时​满足​其​潮流​公式​和​设备​运行​限制,​例如​总​线​电压​限制、​支路​潮流​限制​和​发​电源​容量​限制。​OPF​的​输入​数据​包括​由​SE​定义​的​网络​配置​和​负载​信息,​作为​输出​结果​的​一部分,​OPF​将​推荐​以下值

 

  1. 有功/​无功​电源​功率​输出
  2. 有​载​调压​变压器​的​抽​头​比

 

这些​参数​将​发送​到​CB​控制器、​逆​变​器​控制器、​发​电机​控制器​和​负载​抽​头​控制器,​使​系统​以​更​经济​高效​的​模式​运行。

 

二次​规划​用于​解决​OPF​问题。​该​算法​在​MATLAB​中​编写,​然后​通过​MATLAB​脚本​函数​与​LabVIEW​集成。​基于​LabVIEW​平台,​OPF​可与​SE​和​SCADA​相关​联,​以​控制​某些​微​电​网​组​件。​图​7​所​示​的是​使用​LabVIEW​工具箱​开发​的​NTU LaCER​微​电​网​的​OPF​主​GUI。

 

MATLAB®​是​MathWorks, Inc.​的​注册​商标。

 

作者​信息:

Gooi Hoay Beng
​南洋​理工​大学
​南洋​理工​大学​电气​与​电子​工程​学院​(S2-​B7c-05)
​新加坡​639798
​新加坡
​电话:​+65-67905481
​传真:​+65-67933318
ehbgooi@ntu.edu.sg

图​1. ​ ​MEMS​数据​接口​结构​框​图 ​
图​2. ​ ​基于​LabVIEW 2009​开发​的​MEMS​主​GUI,​用于​监测​安装​的​所有​功率​传感器。 ​
图​3. ​ ​基于​LabVIEW​开发​的​人工​神经​网络​训练​GUI ​
图​4. ​ ​基于​LabVIEW​开发​的​负载​预测​主​GUI ​
图​5. ​ ​基于​LabVIEW​开发​的​机组​组合​GUI ​
图​6. ​ ​基于​LabVIEW​开发​的​状态​估计​函数​主​GUI ​
图​7. ​ ​基于​LabVIEW​开发​的​最优​潮流​函数​主​GUI ​