一种配电网水力发电和储能设备协调装置及协调方法

摘要

一种配电网水力发电和储能设备协调装置及协调方法属于配电网技术领域，特别涉及一种配电网水力发电和储能设备协调装置及协调方法。本发明提供一种数据采集准确、速度快的配电网水力发电和储能设备协调装置及协调方法。本发明配电网水力发电和储能设备协调装置包括发电设备终端和调度中心端；所述的发电设备终端包括传感器、A/D模数转换器、DSP微处理器、FPGA数据计算芯片和4G通信模块，所述调度中心端包括工控机和4G通信模块，所述传感器的输出端与A/D模数转换器输入端相连，A/D模数转换器的输出端与DSP微处理器的输入端相连，DSP微处理器的输出端与FPGA数据计算芯片的输入端相连。

说明书

技术领域

本发明属于配电网技术领域，特别涉及一种配电网水力发电和储能设备协 调装置及协调方法。

背景技术

水利发电是一个复杂的系统，如何根据水利发电和储能设备的运行特点进 行水库调度，使现有工程发挥最大效益，越来越受到重视，以往水利发电调度 的特点是运行人员凭借主观判断控制决策水利发电的运行，在这个过程中有很 多模糊性的内容，因此，对配电网内水利发电和储能设备的电气参数及气象环 境参数进行实时监测，并根据监测参数对水力发电和储能设备间出力协调比例 进行计算，根据计算结果实时地对水利发电和储能设备输出功率进行控制，能 够有效避免水利发电和储能设备间的功率分配不合理现象，显著提高电力系统 可靠性和经济性。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种数据采集准确、速度快的配电网水力 发电和储能设备协调装置及协调方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明配电网水力发电和储 能设备协调装置包括发电设备终端和调度中心端；所述的发电设备终端包括传 感器、A/D模数转换器、DSP微处理器、FPGA数据计算芯片和4G通信模块，所 述调度中心端包括工控机和4G通信模块，所述传感器的输出端与A/D模数转换 器输入端相连，A/D模数转换器的输出端与DSP微处理器的输入端相连，DSP微 处理器的输出端与FPGA数据计算芯片的输入端相连，FPGA数据计算芯片的输出 端与发电设备的控制单元和4G通信模块的输入端相连，发电设备的控制单元与 人机交互信息显示单元相连；

所述传感器包括电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、噪 声传感器、降雨量传感器，电流互感器输出端口、电压互感器输出端口、温度 传感器输出端口、湿度传感器输出端口、噪声传感器输出端口、降雨量传感器 输出端口分别与A/D模数转换器的输入端口相连。

作为另一种优选方案，本发明所述传感器选用DHC03B型电流互感器、 DH51D6V0.4B型电压互感器、HE-200红外温度传感器、STYB3100111A50型湿度 传感器、CRY2110型噪声传感器、BL-YW900型雷达液位传感器。

作为另一种优选方案，本发明所述A/D模数转换器采用TLC2543串行A/D 转换器，4G通信传输单元采用ME3760型号的LTE模块，DSP微处理器选用 TMS320F2812芯片，FPGA数据计算芯片选用EPM7064SLC44芯片，发电设备的控 制单元采用51单片机ST89C51芯片，人机交互信息显示模块为HG1286402C型 号的液晶显示模块；

电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、噪声传感器、降雨 量传感器输出端分别经过信号转换电路后连接到A/D转换器TLC2543的输入端 AIN0-AIN5，A/D转换器TLC2543的输出端EOC、I/O、IN、OUT、CS分别连接到 DSP芯片TMS320F2812的XA1-XA5引脚，TMS320F2812的XD0-XD7引脚分别与 FPGA芯片EPM7064SLC44的IO17-IO21、IO24-IO26引脚，FPGA芯片EPM7064SLC44 的IO4-IO6、IO8、IO9、IO11、IO12、IO14引脚分别与单片机STC89C51芯片的 P0.0-P0.7相连，单片机STC89C51芯片的P1.0-P1.7与液晶显示模块的D0-D7 连接，单片机STC89C51芯片的P2.0-P1.4与液晶显示模块的RS、RW、CS1、CS2、 EN相连接，STC89C51芯片的RXD、TXD与发电自动控制装置相连，FPGA芯片 EPM7064SLC44的IO37引脚与4G通信模块ME3760的DATA端相连，4G通信模块 的ATN1端通过天线将数据传送到远方调度终端的UNO-3072系列PentiumM嵌 入式工控机。

作为另一种优选方案，本发明所述信号转换电路采用TLC4501芯片。(设置 信号转换电路，保证信号采集的频带宽度、转换速率和电压增益,同时降低输 入失调电压和电流以及温度漂移)。

其次，本发明所述TLC4501芯片5脚分别与电阻R3一端、电阻R4一端、 电容C₂一端相连，电阻R4另一端接1.5V电源，电容C₂另一端接地，电阻R3 另一端分别与TLC4501芯片1脚、电阻R2一端、电容C1一端相连，电容C1另 一端分别与电阻R2另一端、TLC4501芯片2脚、传感器的输出端相连，TLC4501 芯片3脚接地；TLC4501芯片7脚通过电阻R8与A/D转换器输入端口相连。

另外，本发明所述STC89C51芯片的XTAL1引脚分别与晶振一端、第一30pF 一端相连，第一30pF另一端分别与地线、STC89C51芯片的GND引脚、第二30pF 一端相连，第二30pF另一端分别与晶振另一端、STC89C51芯片的XTAL2引脚相 连。

电流、电压、温度、湿度、噪声、降雨量信息经过各传感器，进行同步采 样、保持、A/D转换，变为数字信号后，送入DSP芯片进行数据处理，处理后的 信息数据由DSP的并行数据输出接口送到FPGA的数据输入口，再由FPGA将数 据送到4G通信模块，为与远方调度端的工控机通讯做好准备；工控机对电流、 电压、温度、湿度、噪声、降雨量信息数据进行计算后，将计算结果通过4G通 信网络传输到4G通信模块，然后由4G模块将计算结果送到FPGA，由FPGA将数 据送至单片机STC89C51，由单片机通过TXD口对发电自动控制装置发出控制命 令，并在人机交互信息显示单元进行显示。

本发明配电网水力发电和储能设备协调方法，包括如下步骤：

步骤1：发电设备终端采集水力发电设备和储能设备的电流、电压、温度、 湿度、噪声、降雨量参数，通过4G通信模块将采集的电流、电压、温度、湿度、 噪声、降雨量测量值传输到调度中心端的工控机，电流、电压、温度、湿度、 噪声、降雨量作为输入量：

步骤2：建立目标优化函数

步骤2.1：建立优化目标函数：

$\min f(x_1,x_2,...x_i,x_{k_l})---\left(1\right)$

步骤2.2：构建水力发电和储能设备状态数据的n维相空间

步骤3：对顶点的目标函数值进行迭代运算

步骤3.1：对定点的目标函数值进行反射运算：

$P*=(1+\alpha )\bar{P}-\alpha P_h---\left(3\right)$

为相空间内各点范数的平均值，P_h为相空间内原有顶点，P^*为通过反射 运算寻找的新顶点；

步骤3.2：对顶点的目标函数进行扩张运算：

$P**=(1-\gamma )\bar{P}+\mathrm{\gamma P}*---\left(4\right)$

P^**为通过扩张运算寻找的新顶点，扩张系数γ＝1.5；

步骤3.3：对顶点的目标函数进行收缩运算：

$P**=(1-\beta )\bar{P}+\beta P_h---\left(5\right)$

如果新顶点下的目标函数满足f(P^**)>f(P_h)，则将所有点进行替换：

P_i＝(P_i+P_l)/2(6)

式(6)中P_i为新生产的相空间相点，P_l为原相点中范数最小的点，即原来 最低的相点；

通过收缩运算，求得了最大值顶点和重心连线上的某一点；在进行反射、 扩张、收缩的过程中，当顶点向量中各维变量值小于0时，取为0；当其大于所 允许最大功率时，取为该最大功率数。

步骤4：根据配电网水力发电和储能设备特征量进行快速协调同步

对目标函数为y＝minf(x_i)+g(x_i)+k(x_i)进行求解，惩罚函数 其中p_i为水力发电和储能设备x_i发出功率，为x_i功率最 大值，约束函数其中I_i为x_i中电流值，r_i为x_i电阻值，t为电网系 统运行的时间；

步骤5：调度中心端工控机将协调计算结果p_i通过4G通信模块传输到发电 设备终端，发电设备终端通过发电控制单元调整水力发电设备和储能设备的功 率输出。

作为一种优选方案，本发明所述α＝0.83。

作为一种优选方案，本发明所述收缩系数β＝0.5。

本发明有益效果。

DSP微处理器和FPGA数据计算芯片相结合，提高了数据采集准确性和全面 性，提高数据采集速度和精度。本发明通过配电网内水力发电设备和储能设备 间的协调控制，有效避免了水利发电设备和储能设备对电网产生的冲击，大大 提高配网内多种发电设备发电并网效率，降低了水力发电并网和储能设备运行 成本。通过调度中心端的协调计算，最后得到水力发电设备和储能设备理想的 出力水平。改善了电力品质，提高了配电网、水力发电设备和储能设备可靠性， 同时协调同步过程满足实时性要求，提高数据采集及处理的效率，提高协调计 算的速度和精度，实现了以较高精度和较短响应时间的优势对配电网中的水力 发电设备和储能设备进行协调同步。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不 仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明电路原理框图。

图2是本发明电路原理图。

具体实施方式

如图所示，本发明配电网水力发电和储能设备协调装置包括发电设备终端 和调度中心端；所述的发电设备终端包括传感器、A/D模数转换器、DSP微处理 器、FPGA数据计算芯片和4G通信模块，所述调度中心端包括工控机和4G通信 模块，所述传感器的输出端与A/D模数转换器输入端相连，A/D模数转换器的输 出端与DSP微处理器的输入端相连，DSP微处理器的输出端与FPGA数据计算芯 片的输入端相连，FPGA数据计算芯片的输出端与发电设备的控制单元和4G通信 模块的输入端相连，发电设备的控制单元与人机交互信息显示单元相连。

上述传感器选用DHC03B型电流互感器、DH51D6V0.4B型电压互感器、HE-200 红外温度传感器、STYB3100111A50型湿度传感器、CRY2110型噪声传感器、 BL-YW900型雷达液位传感器。

上述A/D模数转换器选用TLC2543A/D转换芯片。

上述DSP微处理器选用TMS320F2812芯片。

上述FPGA数据计算芯片选用EPM7064SLC44芯片。

上述发电设备控制单元为51单片机ST89C51芯片。

人机交互信息显示模块为HG1286402C型号的液晶显示模块。

上述4G通信模块为ME3760型号LTE模块。

电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、噪声传感器、降雨 量传感器输出端分别经过信号转换电路后连接到A/D转换器TLC2543的输入端 AIN0-AIN5，如图2所示，A/D转换器TLC2543的输出端EOC、I/O、IN、OUT、 CS分别连接到DSP芯片TMS320F2812的XA1-XA5引脚，TMS320F2812的XD0-XD7 引脚分别与FPGA芯片EPM7064SLC44的IO17-IO21、IO24-IO26引脚，FPGA芯 片EPM7064SLC44的IO4-IO6、IO8、IO9、IO11、IO12、IO14引脚分别与单片机 STC89C51芯片的P0.0-P0.7相连，单片机STC89C51芯片的P1.0-P1.7与液晶 显示模块的D0-D7连接，单片机STC89C51芯片的P2.0-P1.4与液晶显示模块的 RS、RW、CS1、CS2、EN相连接，STC89C51芯片的RXD、TXD与发电自动控制装 置相连，FPGA芯片EPM7064SLC44的IO37引脚与4G通信模块ME3760的DATA 端相连，4G通信模块的ATN1端通过天线将数据传送到远方调度终端的UNO-3072 系列PentiumM嵌入式工控机。

电流、电压、温度、湿度、噪声、降雨量信息经过各传感器，进行同步采 样、保持、A/D转换，变为数字信号后，送入DSP芯片进行数据处理，处理后的 信息数据由DSP的并行数据输出接口送到FPGA的数据输入口，再由FPGA将数 据送到4G通信模块，为与远方调度端的工控机通讯做好准备；工控机对电流、 电压、温度、湿度、噪声、降雨量信息数据进行计算后，将计算结果通过4G通 信网络传输到4G通信模块，然后由4G模块将计算结果送到FPGA，由FPGA将数 据送至单片机STC89C51，由单片机通过TXD口对发电自动控制装置发出控制命 令，并在人机交互信息显示单元进行显示。

本发明配电网水力发电和储能设备协调方法，包括如下步骤：

步骤1：发电设备终端采集水力发电设备和储能设备的电流、电压、温度、 湿度、噪声、降雨量参数，通过4G通信模块将采集的电流、电压、温度、湿度、 噪声、降雨量测量值传输到调度中心端的工控机，电流、电压、温度、湿度、 噪声、降雨量作为输入量：

步骤2：建立目标优化函数

步骤2.1：建立优化目标函数：

$\min f(x_1,x_2,...x_i,x_{k_l})---\left(1\right)$

步骤2.2：构建水力发电和储能设备状态数据的n维相空间

步骤3：对顶点的目标函数值进行迭代运算

步骤3.1：对定点的目标函数值进行反射运算：

$P*=(1+\alpha )\bar{P}-\alpha P_h---\left(3\right)$

为相空间内各点范数的平均值，P_h为相空间内原有顶点，P^*为通过反射 运算寻找的新顶点，为使初始粒子广泛分布于可行空间内，取α＝0.83。

步骤3.2：对顶点的目标函数进行扩张运算：

$P**=(1-\gamma )\bar{P}+\mathrm{\gamma P}*---\left(4\right)$

P^**为通过扩张运算寻找的新顶点，扩张系数γ＝1.5。

步骤3.3：对顶点的目标函数进行收缩运算：

$P**=(1-\beta )\bar{P}+\beta P_h---\left(5\right)$

为使初始顶点分布更加均匀，取其连线上的中点，即取收缩系数β＝0.5。 如果新顶点下的目标函数满足f(P^**)>f(P_h)，则将所有点进行替换：

P_i＝(P_i+P_l)/2(6)

式(6)中P_i为新生产的相空间相点，P_l为原相点中范数最小的点，即原来 最低的相点。

通过收缩运算，求得了最大值顶点和重心连线上的某一点。在进行反射、 扩张、收缩的过程中，当顶点向量中各维变量值小于0时，取为0；当其大于所 允许最大功率时，取为该最大功率数。

步骤4：根据配电网水力发电和储能设备特征量进行快速协调同步

对目标函数为y＝minf(x_i)+g(x_i)+k(x_i)进行求解，惩罚函数 其中p_i为水力发电和储能设备x_i发出功率，为x_i功率最 大值，约束函数其中I_i为x_i中电流值，r_i为x_i电阻值，t为电网系 统运行的时间。

步骤5：调度中心端工控机将协调计算结果p_i通过4G通信模块传输到发电 设备终端，发电设备终端通过发电控制单元调整水力发电设备和储能设备的功 率输出。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受 限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然 可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需 要，都在本发明的保护范围之内。