使用NI LabVIEW和MEMS服務器開發(fā)出微網系統原型

新加坡南洋理工大學(NTU)電子工程學院(EEE)的清潔能源研究實驗室的學生(LaCER)開發(fā)出了一套微網系統原型。它包含例如太陽能PV、風力渦輪、燃料電池和電池庫等能源。整個微網用基于網頁的MEMS服務器系統控制。MEMS負責控制并監(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，完成負載控制器和發(fā)電分配。圖1顯示了數據庫和不同軟件模塊之間的界面示意圖。例如高級傳感和通信系統、負載預測(LF)、機組組合(UC)、狀態(tài)估計(SE)和最優(yōu)功率流(OPF)等模塊都是使用LabVIEW開發(fā)的。

高級傳感和通信系統

圖1.MEMS數據接口方塊圖

在微網中，傳感和控制設備的集成和交互是一個挑戰(zhàn)，因為它涉及不同通信協議，例如RS-232串行通信、RS422-/485 modbus通信等。為了解決這個問題，我們建議將所有信息轉換為一個標準協議，即以太網通信協議或通常稱為TCP/IP協議。這個轉換可以通過使用通信協議轉換器方便而經濟地完成。

在MEMS服務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等其他控制設備之間傳感和通信是我們的主要設計任務。在整個微網網絡中安裝了32個支持Modbus協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)視測量。為了在MEMS服務器和所有功率傳感器之間部署經濟的的解決方案，這些傳感器被分成四組，每組包含八個傳感器單元。每組最終連接到RS-485到TCP/IP轉換器，將Modbus協議轉換為運行在以太網LAN網絡商的Modbus TCP協議。為每個傳感器配置一個唯一的IP地址，每組功率傳感器都配置一個相應的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)省了寶貴的時間。所有功率測量值都被發(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用程序中使用。相同的方法還用于PLC控制微網中的斷路器。

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試獨立微網。為了與功率源通信，我們使用LabVIEW中的TCP協議函數模塊。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功率源進行監(jiān)視和控制。

負載預測

負載預測的目標是提前15分鐘預測總用戶負載。它對于有效的市場運作以及微網的控制和計劃有重要的影響。精確的預測數值能夠節(jié)省能源并且提高系統運作的安全性。

預測方法是基于人工神經網絡(ANN)的。LabVIEW用于開發(fā)如圖3所示的神經網絡。為了提高LF算法性能，增加了特殊解決方案：

* 數據采集——用于檢測錯誤和異常數據，在用于訓練之前刪除或調整。

* 早期停止——加速收斂并防止訓練數據過度擬合。

* 異常日期規(guī)劃——檢測負載規(guī)劃異常的日期，并將它們從訓練中去除，從而不會破壞負載模型。用戶能夠從GUI中更新異常日期。

* 相關性和線性回歸分析——通過使用直線找出輸入和目標數據的線性關系。

圖3.使用LabVIEW 2009開發(fā)的人工神經網絡訓練用戶圖形界面

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

圖4.使用LabVIEW 2009開發(fā)的負載預測主用戶圖形界面

LF算法已經成功整合到MEMS的UC中。實現的預測系統能夠以令人滿意的精度可靠地進行預測。

機組組合

機組組合(UC)軟件模塊是MEMS的主要組成之一。這個軟件模塊基于預測需求，能夠協助微網找到最優(yōu)功率生成計劃，在微網獨立的情況下，將總操作成本降至最小，或是在微網連接到主電網時，將總受益最大化。在優(yōu)化過程完成后，包含開關狀態(tài)的結果和發(fā)電源的分配kW數將會送到MEMS的最優(yōu)功率流(OPF)模塊進行處理。UC是功率系統管理中最為復雜的優(yōu)化問題。通過使用LabVIEW的MATLAB腳本函數，軟件能夠在幾秒內確定包含多個約束和數百個變量的優(yōu)化解決方案。UC的主要用戶界面如圖5所示。

圖5.使用LabVIEW 2009開發(fā)的機組組合用戶圖形界面

軟件模塊包含以下特性：

* 通過使用LabVIEW的MATLAB腳本函數，可以在幾秒內解決復雜的UC問題。

* 使用LabVIEW建立的圖形界面，用戶能夠方便地點擊鼠標用默認設置或定制設置運行UC優(yōu)化。

* 通過運行LabVIEW的實時抓取函數，軟件可以在用戶定制的自動開始時間自動執(zhí)行。

* 在優(yōu)化完成后，結果將自動保存到服務器系統中用戶指定的路徑，并且同時發(fā)送到MEMS的OPF中。

狀態(tài)估計

狀態(tài)估計是MEMS實時函數，它使用SCADA采集的測量、斷路器狀態(tài)和電壓調節(jié)器位置驗證并估計功率系統的總線電壓。估計的總線電壓幅值和電壓相位角被認為是系統的可靠狀態(tài)，作為OPF的一個輸入，其處理后的總線負載數值作為負載預測的輸入。

狀態(tài)估計器包含三個子函數，它們是用Matlab編程語言在LabVIEW平臺上編寫的。.

1. 拓撲處理器：通過將節(jié)點網絡轉換為總線網絡確定網絡配置。

2. 狀態(tài)估計：計算總線電壓幅值和相位

3. 錯誤數據檢測與判斷：在狀態(tài)估計器使用原始測量值前，檢驗其是否良好

在編寫狀態(tài)估計器時，確保它能夠運行在任何功率網絡是一個挑戰(zhàn)。因此使用腳本模塊是描述復雜算法時提高靈活性的一個方法。每個子函數都使用 LabVIEW中的腳本模塊實現。輸入和輸出(一維和二維)創(chuàng)建用于將數據從腳本模塊傳送到其他或前面板用于顯示結果。還使用反饋節(jié)點作為錯誤數據檢測與判斷的過濾器。

處理是基于矩陣計算的，LabVIEW提供了編程工具更方便地編寫功率系統應用程序，因此它能夠為程序員節(jié)省時間。

狀態(tài)估計函數，與其它MEMS函數一起，已在NTU清潔能源研究實驗室的微型網格硬件裝置上做了成功演示。狀態(tài)估計器的主要用戶圖形界面如圖6所示。

圖6.使用LabVIEW 2009開發(fā)的狀態(tài)估計函數主要用戶圖形界面

最優(yōu)功率流

最優(yōu)功率流(OPF)是MEMS的在線函數之一。OPF的目標是找出給定功率系統網絡的最優(yōu)設置，將例如總發(fā)電成本或系統損失等系統目標函數進行優(yōu)化，同時滿足其功率流方程和例如總線電壓約束、分支流限制和發(fā)電源容量限制等設備操作限制。OPF的輸入包含SE定義的網絡配置和負載信息，作為輸出結果，OPF將給出以下推薦數值

* 源有功/無功功率輸出

* 負載下的調壓變壓器比例

這些參數將送到CB控制器、逆變控制器、發(fā)電控制器和負載調壓控制器，從而確保系統運行在更為經濟有效的模式。

二次編程用于解決OPF問題。這個算法在MATLAB中編寫，然后通過MATLAB腳本函數集成到LabVIEW中。基于LabVIEW平臺，OPF連接到SE和SCADA控制某個微網組件。通過使用LabVIEW工具箱，LaCER微網的主要OPF圖形界面如圖7所示。LabVIEW工具箱，LaCER微網的主要OPF圖形界面如圖7所示。

圖7.使用LabVIEW 2009開發(fā)的最優(yōu)功率流函數主用戶界面

責任編輯：gt