微电网调度的通讯控制技术研究

摘要:微电网的基本运行依靠各分布式电源控制器执行,但是仅依靠微源逆变器控制只能满足其局部的要求,在一些情况下需要中央管理单元从全局角度重新协调各微源逆变器工作状况,调整微电网达到新的稳态运行点。此时,中央管理单元协调控制微电源可以通过通讯技术来实现。

关键词:微电网调度;通讯控制技术;微源通讯;安全配置

中图分类号:TM612文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)25-0111-02

大电网的安全运行依赖于发电厂、各级调度中心、变电站等部门协作,需要大量人员不断制定计划、分析和管理运行状态,以维持其正常运行。而对微电网而言,从调度上来说,微电网通常是作为一个负荷在电网中存在,即使向大电网馈电,其馈电量也较小,通常不在电力部门调度范围之内。因此需要它作为一个独立的可控个体,在满足与大电网协议前提下能以自定义的运行规律独立运行;从经济上来说,如果需要人员维持运行的话,在微电网在大电网中渗透程度较高时,目前无人值守的配电网会需要大量的人员管理,不符合经济需要;从技术上来说,微电网是基于电力电子装置的,本身具有相当的柔性和灵活性,设计很好的话,可以实现独立运行,只有在一些特殊的情况下需要管理人员介入干预。因此,从理论上说,微电网既需要也能够实现独立运行,但是它仍面临许多不同于大电网的新课题。

1微电网的控制

微电网的控制可分为局部的分布式电源控制和系统级的中央管理单元两部分。各分布式电源控制器主要负责共同维持微电网基本运行,根据指令调节潮流,调节接口电压,快速各自分担负荷等;中心管理系统主要负责提供系统运行的控制和协调。主要包括:自定义并选择运行模式;协调各逆变电源在不同模式下共同稳定工作;对微电网工作状况进行分析和监控,在必要情况下,干预并改变微电网运行,预防灾害发生;全局优化配置;与配电网管理系统DMS(Distribution Management System)交互等功能。因此微电网中心管理单元可看成是微电网的大脑,同时管理微电网内信息流和能量流,管理微电网对外即对大电网的特性和它的内部独立运行。

要实现微电网的独立运行,需要有一套从系统到各微源的完善的控制管理策略。但要建立这样一套控制管理策略,首先就要划分分布式电源控制和系统级的中央管理单元的各自功能,定义接口标准,以实现两者的协调。否则,会出现控制功能的重叠和冲突,使系统反而不稳定。这种接口的定义类似于计算机系统的即插即用的概念。在计算机系统里,安装在核心系统硬件上的BIOS(The Basic Input/Output System)通过查询连接到系统上的设备,并对比上一次的系统配置后启动。这也需要设备都具有附加能力使BIOS识别。假如系统配置没有改变,启动过程继续。否则,BIOS将会创建一个新的系统配置和描述以提供给操作系统,并把它存储在扩展系统配置数据ESCD(The Extended System Configuration Data)。在启动以后,操作系统使用ESCD鉴别是何种设备连到计算机,并正确转换输入数据,做出相应的资源配置和数据输出决策。通过这样的策略,现代计算机系统可支持大部分设备热插拔和即插即用。这需要系统和设备之间有一个或几个标准化接口,如计算机的串口、并口和USB口等。在微电网中,我们也需要定义类似意义上的标准化接口,这也是微电网的控制管理的基础。

2微源通讯的必要性

当微电网没有出现故障和稳定问题时,则处于正常运行状态。通常微电网均运行在这种状态下。基本运行依靠各分布式电源控制器执行,但是仅依靠微源逆变器控制只能满足其局部的要求,不足以满足整个系统的要求,在一些情况下需要中央管理单元从全局角度重新协调各微源逆变器工作状况,调整微电网达到新的稳态运行点。这些情况包括以下几种情况:

2.1负荷变化

在电网中,用电负荷随时都在变化,而且负荷的峰谷差通常相距较大。针对这种负荷变化,需要调节各个发电单元的发电功率。但这种变化较小时,可以通过分布式发电单元自身的能力调节,当负荷变化范围较大时,只有通过管理系统改变分布式发电单元的运行设定点。

2.2全局优化

微电网内发电单元种类较多,可能包括风力发电、太阳能发电、微燃气轮机等。对一些电源,如微燃气轮机,要求运行在一定负载以上,需要避免在低负载条件下运行,因此在低负载条件下需要切除一些分布式电源。另一些电源受天气影响发电量不稳定,无法固定一条频率-有功下垂曲线进行负荷均分。

另外,可再生能源如风电和太阳能都没有燃料消耗问题,一般应尽量使用可再生能源,其发出的电如果不能立即消耗则应转入储能单元。同时,对非可再生能源需要进行经济计算,尽量避免负效益运行。

2.3安全配置

通常微电网内的一些变化可由分布式电源控制器调整单独完成调整适应,但是对于微电网来说,经常需要根据微电网运行的经济性、天气条件、稳定性等要求,从其中切除或重新并入分布式电源,独立运行和联网运行的交替,网内联络开关的变化等结构性变化事件,一台分布式发电装置本身容量可能并不大,但是相对微电网来说,可能占到微电网总容量的很大一部分,这样的结构变化对微电网来说可看成是一个很大的扰动。对于这样的情况,希望微电网能够在大电网大扰动或是断供时,尽量维持全网安全运行,而不是黑启动或是切负荷。在独立运行时,尽量符合N-1甚至N-2规则。即当一台发电装置由于过载等原因被切除,储能备用和系统备用可以稳定整个微电网,不至于使一系列发电机被连锁切除,导致整个系统崩溃。因此,在系统处于潜在的不安全运行点时,尽管目前它仍处于稳定运行状态,仍需改变其运行点,防止大扰动出现后,系统完全崩溃。

中央管理单元协调控制微电源可以通过通讯技术来实现。传统专用电源(如应急和备用电源系统)与电力系统之间的关联性比较薄弱,随着分布式发电硬件设备可靠性和经济性的提高,将微源单元与已有的电力设施进行互连,可以满足各种能量需求,并为电力用户和电力系统提供更多可能的服务,如:用以提高电力可用性和可靠性的备用/后备电源,高峰负荷抑制,热电联产,将电力售与其他用户,电能质量如无功补偿和电压调节,动态稳定性的提高等。

3微电网调度的主要内容

微电网调度控制技术为微电网实现各种工况运行提供保障,研究的主要内容包括:

(1)和中央管理单元EMS进行信息交互,向EMS上传本地微源的基本静态信息和微源逆变器运行的动态信息,同时接收EMS的指令,完成其输出状态的调整。

(2)基本的功率流动控制,能够实现其容量范围之内的任意给定有功和无功输出。

(3)在EMS限定的功率调节范围之内时,DR能够通过本地调节来响应负载的变化。

具体内容包括中央管理单元利用CAN通信向本地微源发送启动、并网、并网有功数值、并网无功数值、离网、关机等指令。实现微源本地运行的启动、并网、离网、关机操作,达到中央管理单元对微源控制管理的目的。

4微源通讯方式选择

RS-485是一种半双工、全双工异步通信总线,是为弥补RS-232 通信距离短、速率低等缺点而产生的。RS-485只规定了平衡驱动器和接收器的电气特性,而没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议,因而在当时看来是一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远和宽共模范围的平台。RS-485总线上只能有一个主机,往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。但是,CAN-bus是一种多主方式的串行通讯总线,基本设计规范要求有高的位速率、高抗电磁干扰性而且能够检测出产生的任何错误。CAN-bus总线在通信能力可靠性、实时性、灵活性、易用性、传输距离远、成本低等方面有着明显的优势,成为业界最有前途的现场总线之一。通过比较可知:RS-485 网络除了硬件成本开发难度比CAN-bus网络稍具优势外,其他性能方面都没有可比性。在产品更新速度特别快的今天,如果将产品的上市时间产品的后期维护、软件开发难度等计算在一起,RS-485的硬件成本优势也变得不十分明显,因而用CAN 总线取代RS-485总线是一种比较彻底的方案。选择CAN-bus总线作为微源和中央管理单元之间的通讯方式。

5结语

在某些情况下微电网的中央管理单元需要从全局角度重新协调各微源逆变器工作状况,调整微电网达到新的稳态运行点。有时中央管理单元需要远程启动本地微源,执行微源的并网、离网等操作,本文通过比较选择了CAN-bus总线作为微源和中央管理单元之间的通讯方式。

作者简介:张进(1977-),男(满族),河北唐山人,唐山市丰润区广播电视网络公司助理工程师,研究方向:调度控制。

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