用NI LabVIEW和DAQ創(chuàng)建微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

　　"在處理矩陣計(jì)算時(shí)，LabVIEW提供了編程工具更方便地編寫功率系統(tǒng)應(yīng)用程序，從而節(jié)省編程時(shí)間。"– Gooi Hoay Beng, Nanyang Technological University

　　The Challenge:

　　隨著化石燃料的耗盡和全球能源需求的不斷增加,我們需要探索可持續(xù)的能源，并有效進(jìn)行管理。新加坡沒有自然資源，因此需要在技術(shù)上加大投入以提高供給系統(tǒng)效率從而滿足其能源需求。

　　The Solution:

　　我們使用NI LabVIEW和NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備開發(fā)低成本微網(wǎng)功率管理系統(tǒng)(MEMS)。ICT、智能儀表和高級(jí)優(yōu)化應(yīng)用程序被用于MEMS中，管理我們的LV分布式系統(tǒng)，作為整合可再生能源的平臺(tái)。

　　Author(s):

　　Cheah Peng Huat - Nanyang Technological University

　　Siow Lip Kian - Nanyang Technological University

　　Liang Hong Zhu - Nanyang Technological University

　　Vo Quoc Nguyen - Nanyang Technological University

　　Nguyen Dinh Duc - Nanyang Technological University

　　Gooi Hoay Beng - Nanyang Technological University

　　新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)電子工程學(xué)院(EEE)的清潔能源研究實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生(LaCER)開發(fā)出了一套微網(wǎng)系統(tǒng)原型。它包含例如太陽能PV、風(fēng)力渦輪、燃料電池和電池庫等能源。整個(gè)微網(wǎng)用基于網(wǎng)頁的MEMS服務(wù)器系統(tǒng)控制。MEMS負(fù)責(zé)控制并監(jiān)視能源管理的不同方面。

　　我們開發(fā)了軟件程序管理采集到的傳感信息，完成負(fù)載控制器和發(fā)電分配。圖1顯示了數(shù)據(jù)庫和不同軟件模塊之間的界面示意圖。例如高級(jí)傳感和通信系統(tǒng)、負(fù)載預(yù)測(cè)(LF)、機(jī)組組合(UC)、狀態(tài)估計(jì)(SE)和最優(yōu)功率流(OPF)等模塊都是使用LabVIEW開發(fā)的。

                                                                                           圖1.MEMS數(shù)據(jù) 

        高級(jí)傳感和通信系統(tǒng)

　　在微網(wǎng)中，傳感和控制設(shè)備的集成和交互是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗婕安煌ㄐ艆f(xié)議，例如RS-232串行通信、RS422-/485 modbus通信等。為了解決這個(gè)問題，我們建議將所有信息轉(zhuǎn)換為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，即以太網(wǎng)通信協(xié)議或通常稱為TCP/IP協(xié)議。這個(gè)轉(zhuǎn)換可以通過使用通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器方便而經(jīng)濟(jì)地完成。

　　在MEMS服務(wù)器和功率傳感器以及其他例如斷路器、可編程交流電源和PLC等其他控制設(shè)備之間傳感和通信是我們的主要設(shè)計(jì)任務(wù)。在整個(gè)微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中安裝了32個(gè)支持Modbus協(xié)議的功率傳感器單元，用于例如電壓、電流、有功功率、無功功率和斷路器狀態(tài)的能量監(jiān)視測(cè)量。為了在MEMS服務(wù)器和所有功率傳感器之間部署經(jīng)濟(jì)的的解決方案，這些傳感器被分成四組，每組包含八個(gè)傳感器單元。每組最終連接到RS-485到TCP/IP轉(zhuǎn)換器，將Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換為運(yùn)行在以太網(wǎng)LAN網(wǎng)絡(luò)商的Modbus TCP協(xié)議。為每個(gè)傳感器配置一個(gè)唯一的IP地址，每組功率傳感器都配置一個(gè)相應(yīng)的ID。

　　通過輸入功率傳感器的IP地址、傳感器ID和寄存器地址，我們使用LabVIEW DSC模塊提取功率測(cè)量值。用戶無需定義確切的modbus消息提取信息，因此為用戶節(jié)省了寶貴的時(shí)間。所有功率測(cè)量值都被發(fā)送到LabVIEW的全局變量中，如圖2在主要圖形界面中顯示，用于監(jiān)視。除此以外，還可以通過全局變量在其他應(yīng)用程序中使用。相同的方法還用于PLC控制微網(wǎng)中的斷路器。

                  圖2.使用LabVIEW 2009開發(fā)的MEMS主要圖形界面，用于監(jiān)視所有安裝的功率傳感器。

　　使用可編程交流源主要用于測(cè)試獨(dú)立微網(wǎng)。為了與功率源通信，我們使用LabVIEW中的TCP協(xié)議函數(shù)模塊。用戶只需要輸入功率源的IP地址，無需任何繁瑣的程序代碼就可以對(duì)功率源進(jìn)行監(jiān)視和控制。

　　負(fù)載預(yù)測(cè)

　　負(fù)載預(yù)測(cè)的目標(biāo)是提前15分鐘預(yù)測(cè)總用戶負(fù)載。它對(duì)于有效的市場(chǎng)運(yùn)作以及微網(wǎng)的控制和計(jì)劃有重要的影響。精確的預(yù)測(cè)數(shù)值能夠節(jié)省能源并且提高系統(tǒng)運(yùn)作的安全性。

                                             圖3.使用LabVIEW 2009開發(fā)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練用戶圖形界面

　　預(yù)測(cè)方法是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的。LabVIEW用于開發(fā)如圖3所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。為了提高LF算法性能，增加了特殊解決方案：

　　數(shù)據(jù)采集——用于檢測(cè)錯(cuò)誤和異常數(shù)據(jù)，在用于訓(xùn)練之前刪除或調(diào)整。

　　早期停止——加速收斂并防止訓(xùn)練數(shù)據(jù)過度擬合。

　　異常日期規(guī)劃——檢測(cè)負(fù)載規(guī)劃異常的日期，并將它們從訓(xùn)練中去除，從而不會(huì)破壞負(fù)載模型。用戶能夠從GUI中更新異常日期。

　　相關(guān)性和線性回歸分析——通過使用直線找出輸入和目標(biāo)數(shù)據(jù)的線性關(guān)系。

　　歷史負(fù)載數(shù)據(jù)是從NTU的Wee Kim Wee通信與信息大樓使用NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備 NI USB-6215 采集的。這些數(shù)據(jù)使用LabVIEW處理并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。為了采集這些每日負(fù)載數(shù)據(jù)(即分布式網(wǎng)格的負(fù)載電壓和電流)，我們將數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸入通過降電壓變壓器連接到大樓的分布式網(wǎng)格中，以及電流電壓變換器分別獲取電壓和電流數(shù)據(jù)。