PLC在微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

隨著國家智能電網(wǎng)相關(guān)政策的試行，可再生能源的開發(fā)利用及分布式供電已漸漸成為燎原之勢，即將進(jìn)入快速發(fā)展階段。為保障分布式發(fā)電這一新的發(fā)電方式可靠運(yùn)行、高效利用、最優(yōu)化配置，對微網(wǎng)系統(tǒng)的深入研究至關(guān)重要。微網(wǎng)是指由分布式電源、儲能裝置、能量變換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)。既可以與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以與配電網(wǎng)斷開孤立運(yùn)行。

本文闡述的微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的研究工作目標(biāo)是通過開展微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)及其應(yīng)用方案的研究，摸索微網(wǎng)各種分布式發(fā)電的特性，尋找最優(yōu)化微網(wǎng)能量分布策略，為智能電網(wǎng)建設(shè)計(jì)劃提供有力的技術(shù)支持。本文的研究內(nèi)容主要包括微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的組成、微網(wǎng)能量優(yōu)化控制策略等。

2 系統(tǒng)構(gòu)架

微網(wǎng)是中國發(fā)展可再生能源的有效形式。一方面，充分利用可再生能源發(fā)電對于中國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境、開發(fā)西部、解決農(nóng)村用電及邊遠(yuǎn)地區(qū)用電、進(jìn)行生態(tài)建設(shè)等具有十分重要的意義。另一方面，中國的可再生能源的發(fā)展?jié)摿薮蟆?/P>

微網(wǎng)在提高中國電網(wǎng)供電可靠性、改善電能質(zhì)量方面具有重要作用。在大電網(wǎng)的脆弱性日益凸顯的情況下，將地理位置接近的重要負(fù)荷組成微電網(wǎng)，設(shè)計(jì)合適的電路結(jié)構(gòu)和控制，為這些負(fù)荷提供優(yōu)質(zhì)、可靠的電力。

微網(wǎng)引入后，配電網(wǎng)的輻射狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將改變，線路的潮流可以雙向流通。而且微電源大部分是通過逆變器接入的，大量的電力電子設(shè)備的引入，將使短路電流受到限制，通常不超過額定電流的2倍。而且微網(wǎng)可以在和配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行也可以孤網(wǎng)運(yùn)行，因此如何在兩種工況下都能對微網(wǎng)內(nèi)部故障做出響應(yīng)以及在并網(wǎng)的情況下快速感知大電網(wǎng)故障，同時(shí)保證保護(hù)的選擇性、快速性、靈敏性和可靠性，是微網(wǎng)保護(hù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

微網(wǎng)靈活的運(yùn)行方式和高質(zhì)量的供電服務(wù)需要有完善與穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。微網(wǎng)的控制應(yīng)該基于本地的信息對電網(wǎng)中的事件做出自主反應(yīng)，例如，對于電壓跌落、故障、停電等，發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)利用本地信息自動跳轉(zhuǎn)到獨(dú)立運(yùn)行方式，而不是像傳統(tǒng)方式中有電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)主要是對微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)分布式電源、負(fù)荷、微網(wǎng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件、智能電表等設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和控制，針對微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的組成、設(shè)備特性、通信方式等，可以根據(jù)不同構(gòu)成形式靈活配置功能。本文基于現(xiàn)代先進(jìn)的控制思想，采用以和利時(shí)PLC為主的集中與分散相結(jié)合的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它集成了當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、高性能控制器及智能化儀表的各自特點(diǎn)于一身，使其在微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行管理方面發(fā)揮了巨大的作用。

在本文所介紹的系統(tǒng)中，由可編程序控制器（PLC）、智能電表、微網(wǎng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件等組成檢測控制系統(tǒng)——現(xiàn)場控制站，以控制分區(qū)為對象，具有獨(dú)立的區(qū)域監(jiān)控能力，能接受中央控制的調(diào)控，但不依賴中央控制的存在，對微網(wǎng)系統(tǒng)各部分進(jìn)行分散控制；再由中央控制室，對整個(gè)系統(tǒng)實(shí)行集中管理?，F(xiàn)場控制站根據(jù)微網(wǎng)系統(tǒng)所在構(gòu)筑物的平面分布，設(shè)置在控制對象和信號源相對集中的區(qū)域。

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用客戶/服務(wù)器模式，光纖網(wǎng)，客戶/服務(wù)器(Client/Server)模式的分布式實(shí)時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，100Mbps傳輸速率，全雙工通信，網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)有光纜、通訊串口電纜，主網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布線、子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布線統(tǒng)一考慮、綜合利用，配置網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)用軟件。

圖2-1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

各現(xiàn)場控制站的現(xiàn)場集中監(jiān)控部分——和利時(shí)LK系列PLC與中央控制室之間由工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通訊介質(zhì)為光纜，通訊采用MODBUS TCP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其中LK系列PLC作從站，操作員站電腦作主站；現(xiàn)場控制站的集中監(jiān)控部分與遠(yuǎn)程分散監(jiān)控部分——和利時(shí)LM系列PLC之間也由工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通訊介質(zhì)為雙絞線或光纜（視距離遠(yuǎn)近而定），通訊也采用MODBUS TCP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其中LK系列PLC作主站，LM系列PLC作從站；現(xiàn)場控制站的遠(yuǎn)程分散監(jiān)控部分與現(xiàn)場檢測電表進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通訊介質(zhì)為RS-485串口通訊線，通訊采用MODBUS RTU標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其中LM系列PLC作主站，智能儀表作從站；另外PLC與微網(wǎng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件單元采用24VDC電壓數(shù)字信號及標(biāo)準(zhǔn)4~20mA模擬信號通訊，通訊介質(zhì)為控制電纜及信號電纜；中央控制室中的操作員站與電網(wǎng)管理中心再通過電力骨干網(wǎng)進(jìn)行通訊，將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)信息存放到中央數(shù)據(jù)庫中CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，以供備份和分析使用。測量儀表是具有微處理器的智能設(shè)備。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。

3 設(shè)計(jì)方案

PLC監(jiān)控系統(tǒng)在微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用，其主要用于各種底層電表、逆變器、斷路器、接觸器等設(shè)備的分散數(shù)據(jù)采集，所有電量參數(shù)的數(shù)據(jù)整合，以及向上位監(jiān)控電腦上傳數(shù)據(jù)以供操作員監(jiān)視和分析。在向上傳遞數(shù)據(jù)的同時(shí)，PLC還逐級接收來自上級的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)和控制指令控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置和操控。另外，PLC還負(fù)責(zé)直接處理一些緊急任務(wù)，如故障急停等。