使用​NILabVIEW​和​DAQ​创建​微​网​能量​管理​系统​(MEMS)

Gooi Hoay Beng, 南洋​工科大学

"在​处理​矩阵​计算​时,​LabVIEW​提供​了​编​程​工具​更​方便​地​编写​功率​系统​应用​程序,​从而​节省​编​程​时间。" ​

- Gooi Hoay Beng, 南洋​工科大学

挑战:

随着​化石​燃料​的​耗​尽​和​全球​能源​需求​的​不断​增加,​我们​需要​探索​可​持续​的​能源,​并​有效​进行​管理。​新加坡​没有​自然​资源,​因此​需要​在​技术​上​加大​投入​以​提高​供给​系统​效率​从而​满足​其​能源​需求。 ​

解决​方案:

我们​使用​NI LabVIEW​和​NI​数据​采集​设备​开发​低成本​微​网​功率​管理​系统​(MEMS)。​ICT、​智能​仪表​和​高级​优​化​应用​程序​被​用于​MEMS​中,​管理​我们​的​LV​分布​式​系统,​作为​整合​可​再生​能源​的​平台。 ​

作者:

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

 

新加坡​南洋​理工​大学​(NTU)​电子​工程​学院​(EEE)​的​清洁​能源​研究​实验​室​的​学生​(LaCER)​开发​出了​一套​微​网​系统​原型。​它​包含​例如​太阳​能​PV、​风力​涡轮、​燃料​电池​和​电池​库​等​能源。​整个​微​网​用​基于​网页​的​MEMS​服务​器​系统​控制。​MEMS​负责​控制​并​监视​能源​管理​的​不同​方面。

 

 

我们​开发​了​软件​程序​管理​采集​到​的​传​感​信息,​完成​负载​控制器​和​发电​分配。​图​1​显示​了​数据​库​和​不同​软件​模​块​之间​的​界面​示意​图。​例如​高级​传​感​和​通信​系统、​负载​预测​(LF)、​机组​组合​(UC)、​状态​估计​(SE)​和​最优​功率​流​(OPF)​等​模​块​都是​使用LabVIEW开发​的。

 

高级​传​感​和​通信​系统

在​微​网​中,​传​感​和​控制​设备​的​集成​和​交互​是​一个​挑战,​因为​它​涉及​不同​通信​协议,​例如​RS-232​串​行​通信、​RS422-/​485 modbus​通信​等。​为了​解决​这个​问题,​我们​建议​将​所有​信息​转换​为​一个​标准​协议,​即​以太​网​通信​协议​或​通常​称为​TCP/​IP​协议。​这个​转换​可以​通过​使用​通信​协议​转换​器​方便​而​经济​地​完成。

 

在​MEMS​服务​器​和​功率​传感器​以及​其他​例如​断​路​器、​可​编​程​交流​电源​和​PLC​等​其他​控制​设备​之间​传​感​和​通信​是​我们​的​主要​设计​任务。​在​整个​微​网​网络​中​安装​了​32​个​支持​Modbus​协议​的​功率​传感器​单元,​用于​例如​电压、​电流、​有功功率、​无功​功率​和​断​路​器​状态​的​能量​监视​测量。​为了​在​MEMS​服务​器​和​所有​功率​传感器​之间​部署​经济​的​的​解决​方案,​这些​传感器​被​分成​四​组,​每​组​包含​八个​传感器​单元。​每​组​最终​连接​到​RS-485​到​TCP/​IP​转换​器,​将​Modbus​协议​转换​为​运行​在​以太​网​LAN​网络​商​的​Modbus TCP​协议。​为​每​个​传感器​配置​一个​唯一​的​IP​地址,​每​组​功率​传感器​都​配置​一个​相应​的​ID。

 

 

通过​输入​功率​传感器​的​IP​地址、​传感器​ID​和​寄存器​地址,​我们​使用LabVIEW DSC​模块提取​功率​测量​值。​用户​无​需​定义​确切​的​modbus​消息​提取​信息,​因此​为​用户​节省​了​宝贵​的​时间。​所有​功率​测量​值​都​被​发送​到​LabVIEW​的​全局​变量​中,​如​图​2​在​主要​图形​界面​中​显示,​用于​监视。​除此以外,​还​可以​通过​全局​变量​在​其他​应用​程序​中​使用。​相同​的​方法​还​用于​PLC​控制​微​网​中的​断​路​器。

 

使用​可​编​程​交流​源​主要​用于​测试​独立​微​网。​为了​与​功率​源​通信,​我们​使用​LabVIEW​中的​TCP​协议​函数​模​块。​用户​只需要​输入​功率​源​的​IP​地址,​无​需​任何​繁​琐​的​程序​代码​就​可以​对​功率​源​进行​监视​和​控制。

 

负载​预测

负载​预测​的​目标​是​提前​15​分钟​预测​总​用户​负载。​它​对于​有效​的​市场​运作​以及​微​网​的​控制​和​计划​有​重要​的​影响。​精确​的​预测​数值​能够​节省​能源​并且​提高​系统​运作​的​安全​性。

 

 

预测​方法​是​基于​人工​神经​网络​(ANN)​的。​LabVIEW​用于​开发​如​图​3​所​示​的​神经​网络。​为了​提高​LF​算法​性能,​增加​了​特殊​解决​方案:

  • 数据​采集​——​用于​检测​错误​和​异常​数据,​在​用于​训练​之前​删除​或​调整。
  • 早期​停止​——​加速​收​敛​并​防止​训练​数据​过度​拟​合。
  • 异常​日期​规划​——​检测​负载​规划​异常​的​日期,​并​将​它们​从​训练​中​去除,​从而​不会​破坏​负载​模型。​用户​能够​从​GUI​中​更新​异常​日期。
  • 相关​性​和​线性​回归​分析​——​通过​使用​直线​找出​输入​和​目标​数据​的​线性​关系。

 

历史​负载​数据​是​从​NTU​的​Wee Kim Wee​通信​与​信息​大楼​使用​NI​数据​采集​设备 NI USB-6215 采集​的。​这些​数据​使用​LabVIEW​处理​并​存储​在​数据​库​中。​为了​采集​这些​每日​负载​数据​(即​分布​式​网​格​的​负载​电压​和​电流),​我们​将​数据​采集​设备​的​模拟​输入​通过​降​电压​变压器​连接​到​大楼​的​分布​式​网​格​中,​以及​电流​电压​变换​器​分别​获取​电压​和​电流​数据。

 

LF​算法​已经​成功​整合​到​MEMS​的​UC​中。​实现​的​预测​系统​能够​以​令人​满意​的​精度​可靠​地​进行​预测。

 


机组​组合

机组​组合​(UC)​软件​模​块​是​MEMS​的​主要​组成​之一。​这个​软件​模​块​基于​预测​需求,​能够​协助​微​网​找到​最优​功率​生成​计划,​在​微​网​独立​的​情况​下,​将​总​操作​成本​降至​最小,​或是​在​微​网​连接​到​主​电​网​时,​将​总​受益​最大​化。​在​优​化​过程​完成后,​包含​开关​状态​的​结果​和​发​电源​的​分配​kW​数​将会​送到​MEMS​的​最优​功率​流​(OPF)​模​块​进行​处理。​UC​是​功率​系统​管理​中​最为​复杂​的​优​化​问题。​通过​使用​LabVIEW​的​MATLAB​脚本​函数,​软件​能够​在​几秒​内​确定​包含​多个​约束​和​数百​个​变量​的​优​化​解决​方案。​UC​的​主要​用户​界面​如​图​5​所​示。

 

软件​模​块​包含​以下​特性:

  • 通过​使用​LabVIEW​的​MATLAB​脚本​函数,​可以​在​几秒​内​解决​复杂​的​UC​问题。
  • 使用​LabVIEW​建立​的​图形​界面,​用户​能够​方便​地点​击​鼠​标​用​默认​设置​或​定制​设置​运行​UC​优​化。
  • 通过​运行​LabVIEW​的​实​时​抓取​函数,​软件​可以​在​用户​定制​的​自动​开始​时间​自动​执行。
  • 在​优​化​完成后,​结果​将​自动​保存​到​服务​器​系统​中​用户​指定​的​路径,​并且​同时​发送​到​MEMS​的​OPF​中。

 

状态​估计

状态​估计​是​MEMS​实​时​函数,​它​使用​SCADA​采集​的​测量、​断​路​器​状态​和​电压​调节​器​位置​验证​并​估计​功率​系统​的​总​线​电压。​估计​的​总​线​电压​幅​值​和​电压​相位​角​被​认为​是​系统​的​可靠​状态,​作为​OPF​的​一个​输入,​其​处理​后​的​总​线​负载​数值​作为​负载​预测​的​输入。

 

状态​估计​器​包含​三​个子​函数,​它们​是用​Matlab​编​程​语言​在​LabVIEW​平台​上​编写​的。.

  1. 拓​扑​处理​器:​通过​将​节点​网络​转换​为​总​线​网络​确定​网络​配置。
  2. 状态​估计:​计算​总​线​电压​幅​值​和​相位
  3.  错误​数据​检测​与​判断:​在​状态​估计​器​使用​原始​测量​值​前,​检验​其​是否​良好

 

 

在​编写​状态​估计​器​时,​确保​它​能够​运行​在​任何​功率​网络​是​一个​挑战。​因此​使用​脚本​模​块​是​描述​复杂​算法​时​提高​灵活​性的​一个​方法。​每​个子​函数​都​使用​LabVIEW​中的​脚本​模​块​实现。​输入​和​输出​(一​维和​二​维)​创建​用于​将​数据​从​脚本​模​块​传送​到​其他​或​前​面板​用于​显示​结果。​还​使用​反馈​节点​作为​错误​数据​检测​与​判断​的​过滤​器。

 

处理​是​基于​矩阵​计算​的,​LabVIEW​提供​了​编​程​工具​更​方便​地​编写​功率​系统​应用​程序,​因此​它​能够​为​程序​员​节省​时间。

 

状态​估计​函数,​与​其它​MEMS​函数​一起,​已​在​NTU​清洁​能源​研究​实验​室​的​微型​网​格​硬件​装置​上​做了​成功​演示。​状态​估计​器​的​主要​用户​图形​界面​如​图​6​所​示。

 

 

最优​功率流

最优​功率​流​(OPF)​是​MEMS​的​在​线​函数​之一。​OPF​的​目标​是​找出​给​定​功率​系统​网络​的​最优​设置,​将​例如​总​发电​成本​或​系统​损失​等​系统​目标​函数​进行​优​化,​同时​满足​其​功率​流​方程​和​例如​总​线​电压​约束、​分​支流​限制​和​发​电源​容量​限制​等​设备​操作​限制。​OPF​的​输入​包含​SE​定义​的​网络​配置​和​负载​信息,​作为​输出​结果,​OPF​将给​出​以下​推荐​数值

 

  • 源​有功/​无功​功率​输出
  • 负载​下​的​调压​变压器​比例

 

这些​参数​将​送到​CB​控制器、​逆​变​控制器、​发电​控制器​和​负载​调压​控制器,​从而​确保​系统​运行​在​更​为​经济​有效​的​模式。

 

二次​编​程​用于​解决​OPF​问题。​这个​算法​在​MATLAB​中​编写,​然后​通过​MATLAB​脚本​函数​集成​到​LabVIEW​中。​基于​LabVIEW​平台,​OPF​连接​到​SE​和​SCADA​控制​某​个​微​网​组​件。​通过​使用​LabVIEW​工具箱,​LaCER​微​网​的​主要​OPF​图形​界面​如​图​7​所​示。​LabVIEW​工具箱,​LaCER​微​网​的​主要​OPF​图形​界面​如​图​7​所​示。

 

作者​信息:

Gooi Hoay Beng
南洋​工科大学
​School of Electrical and Electronic Engineering (S2-​B7c-05) Nanyang Technological University
​Singapore 639798
​Singapore
​Tel: +65-67905481
​Fax: +65-67933318
ehbgooi@ntu.edu.sg

图​1. ​ ​MEMS​数据​接口​方​块​图 ​
图​2. ​ ​使用​LabVIEW 2009​开发​的​MEMS​主要​图形​界面,​用于​监视​所有​安装​的​功率​传感器。 ​
图​3. ​ ​使用​LabVIEW 2009​开发​的​人工​神经​网络​训练​用户​图形​界面 ​
图​4. ​ ​使用​LabVIEW 2009​开发​的​负载​预测​主​用户​图形​界面 ​
图​5. ​ ​使用​LabVIEW 2009​开发​的​机组​组合​用户​图形​界面 ​
图6 ​ .​使用​LabVIEW 2009​开发​的​状态​估计​函数​主要​用户​图形​界面 ​
图​7. ​ ​使用​LabVIEW 2009​开发​的​最优​功率​流​函数​主​用户​界面 ​