源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化多元協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江義火，符克議

（東莞城市學(xué)院，廣東 東莞）

引言

對(duì)微電網(wǎng)的屬性構(gòu)成分析可發(fā)現(xiàn)，其集成多種功能結(jié)構(gòu)板包括分布式能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備以及負(fù)荷[1]，是一種綜合程度較高的電力系統(tǒng)。在一定地理區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行小規(guī)模發(fā)電，可以減少上層電網(wǎng)在電力傳輸過程中產(chǎn)生的損失[2]，對(duì)于保持不間斷電力供應(yīng)也具有重要保障作用[3]。結(jié)合微電網(wǎng)屬性構(gòu)成，在儲(chǔ)能、光伏、風(fēng)電等可調(diào)度能源接入的條件下[4]，結(jié)合用戶側(cè)負(fù)荷行為習(xí)慣對(duì)其機(jī)型綜合控制就成為極為必要的管理內(nèi)容。因此，源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化成為能源發(fā)展的主要路徑[5]。在發(fā)展過程中，其核心目標(biāo)是打造以“綠色供能+綠色用能”為引擎驅(qū)動(dòng)綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展的集成創(chuàng)新體系。對(duì)此，文獻(xiàn)[6]以新型電力系統(tǒng)為導(dǎo)向，提出一種源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化電力平衡控制方法，在一定程度上提高電力系統(tǒng)輸出與負(fù)荷之間的平衡關(guān)系，但是精度存在優(yōu)化空間；文獻(xiàn)[7]從園區(qū)電能規(guī)劃設(shè)計(jì)角度出發(fā)，提出一種源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)一體化管理方案，一定程度上降低電力系統(tǒng)的無(wú)功輸出，但該方法靈敏程度相對(duì)偏低。

基于上述，本研究提出源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化多元協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，通過對(duì)比測(cè)試分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

1 硬件設(shè)計(jì)

在對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化多元協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，本研究主要對(duì)核心板進(jìn)行研究。考慮到對(duì)于源網(wǎng)荷儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息而言，其自身具有規(guī)模較大，種類較多，且更新較快的特點(diǎn)，在進(jìn)行協(xié)調(diào)控制時(shí)，對(duì)于控制的效率和效果要求也相對(duì)較高[8]。為此，本研究將XCZU3EG-1SFVC784 作為設(shè)計(jì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化多元協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心板硬件裝置。在結(jié)構(gòu)配置上，XCZU3EG-1SFVC784 是業(yè)界最小尺寸的ZynqUltra－Scale 核心板，因此在應(yīng)用階段不受客觀條件的局限。其中XCZU3EG-1SFVC784 核心板搭載了基于XILINXMPSoC 全可編程處理器，4 核Cortex-A53（Upto1.5 GHz）+FPGA+GPU+VideoCodec(僅EV 系列)，因此功能空前強(qiáng)大，能夠滿足多元源網(wǎng)荷儲(chǔ)數(shù)據(jù)的處理需求。同時(shí)板載4GB DDR4 SDRAM（64 bit，2 400 MHZ)及豐富的存儲(chǔ)資源，從容應(yīng)對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化多元協(xié)調(diào)控制下的復(fù)雜運(yùn)算需求。除此之外，XCZU3EG-1SFVC784 板載千兆以太網(wǎng)PHY 和USB PHY，輕松實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)，確?？刂频臅r(shí)效性。

在通信方面，XCZU3EG-1SFVC784 核心板的信號(hào)接口配置情況見表1。

表1 XCZU3EG-1SFVC784 核心板信號(hào)接口設(shè)置

結(jié)合表1 可以看出，XCZU3EG-1SFVC784 核心板運(yùn)用了極致的選料與工藝標(biāo)準(zhǔn)，在Samtec 28+Gbps高速高可靠性BTB 連接器和松下M6 板材&12 層盲埋孔工藝的支持下，能夠滿足不同環(huán)境下多元信號(hào)的實(shí)時(shí)交互需求。

對(duì)XCZU3EG-1SFVC784 核心板中ARM 和FPGA 的板載資源配置情況進(jìn)行分析，具體見表2。

結(jié)合表2 可以看出，XCZU3EG-1SFVC784 還板載了4 個(gè)編程運(yùn)行狀態(tài)LED 燈，確保在實(shí)際運(yùn)行階段清晰易用，除此之外，本研究選擇的核心板在供電設(shè)計(jì)階段以Intel 電源模塊為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了集成化的供電設(shè)計(jì)，具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。并且結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境，有主/被動(dòng)兩種散熱模式設(shè)計(jì)可供選擇。最大限度滿足源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化多元協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行需求。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)

在對(duì)電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)進(jìn)行協(xié)同控制時(shí)，保障實(shí)際輸出與負(fù)荷實(shí)現(xiàn)最大限度的擬合是根本目標(biāo)，為此，本研究首先對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)荷情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體的實(shí)現(xiàn)方式見圖1。

結(jié)合圖1 所示的電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)流程，本研究引入了VMD-LSTM -CNN 機(jī)制，對(duì)于特征參數(shù)的選擇，結(jié)合影響電力負(fù)荷數(shù)據(jù)，將氣象、歷史負(fù)荷、以及時(shí)間作為具體的指標(biāo)參數(shù)，采用變分模態(tài)分解的方式對(duì)電力負(fù)荷以及溫度、濕度等氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將與原電力負(fù)荷數(shù)據(jù)相關(guān)性最高的分量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)。結(jié)合模態(tài)分解結(jié)果，構(gòu)建多維特征時(shí)間序列，其可以表示為

式中：L 表示負(fù)荷數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果；l 表示當(dāng)前時(shí)刻的真實(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)；xmn表示時(shí)間序列的特征參數(shù)，對(duì)應(yīng)的維度為m×n。

在此基礎(chǔ)上，利用LSTM-CNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)多維特征時(shí)間序列數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練分析，將滿足誤差要求的結(jié)果作為最終的電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果。

2.2 源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化多元協(xié)調(diào)控制

在上述基礎(chǔ)上，對(duì)于源網(wǎng)荷儲(chǔ)的一體化多元協(xié)調(diào)控制方式可以表示為

按照上述所示的方式，結(jié)合實(shí)際負(fù)荷與電力系統(tǒng)輸出功率之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)的一體化多元協(xié)調(diào)控制。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試環(huán)境設(shè)置

在測(cè)試過程中，本研究以某實(shí)際的源網(wǎng)荷儲(chǔ)電力系統(tǒng)為基礎(chǔ)開展了對(duì)比測(cè)試。其中，測(cè)試電力系統(tǒng)在一天中的實(shí)際負(fù)荷數(shù)據(jù)變化情況見圖2。

圖2 測(cè)試電力系統(tǒng)單日負(fù)荷曲線

結(jié)合圖2 所示的信息可以看出，在測(cè)試電力系統(tǒng)中，單日負(fù)荷峰值出現(xiàn)在18 h～20 h 時(shí)間段，次峰值出現(xiàn)在7 h～8 h 時(shí)間段；單日負(fù)荷谷值出現(xiàn)在14 h～16 h 時(shí)間段，次谷值出現(xiàn)在23 h～次日4 h 時(shí)間段。在此基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)試電力系統(tǒng)的能源構(gòu)成情況進(jìn)行分析，其中，對(duì)應(yīng)的電源類型為分布式電源，并通過統(tǒng)一管理的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)清潔新能源和其他可控分布式電源的協(xié)同管理。在清潔新能源發(fā)電中，風(fēng)力發(fā)電的出力區(qū)間為700.0 kW～1 500 kW，光伏發(fā)電的出力區(qū)間為0.0 kW～2 000 kW。最后，對(duì)測(cè)試電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能配置情況進(jìn)行分析，其共包含3 個(gè)儲(chǔ)能裝置，對(duì)應(yīng)的滿額電量均為250.0 kW，允許剩余電量最小值為12.0%，最大充電和放電功率均為500.0 kW/h。

在此基礎(chǔ)上，分別采用本研究設(shè)計(jì)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化控制系統(tǒng)，以及文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]提出的源網(wǎng)荷儲(chǔ)控制系統(tǒng)在上述環(huán)境下開展對(duì)比測(cè)試，分析不同系統(tǒng)控制下，測(cè)試電力系統(tǒng)的無(wú)功輸出情況。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

結(jié)合3.1 部分設(shè)置的測(cè)試環(huán)境，不同系統(tǒng)作用下，電力系統(tǒng)的無(wú)功輸出情況見表3。

表3 不同系統(tǒng)控制下無(wú)功輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

結(jié)合表3 所示的數(shù)據(jù)信息對(duì)三種不同源網(wǎng)荷儲(chǔ)控制系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著電網(wǎng)實(shí)際負(fù)荷參數(shù)的變化，對(duì)應(yīng)的無(wú)功輸出也表現(xiàn)出了不同的變化趨勢(shì)。對(duì)比文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]控制系統(tǒng)，本研究設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果中，電網(wǎng)的無(wú)功輸出不僅隨著實(shí)際負(fù)荷參數(shù)的增加呈現(xiàn)出了穩(wěn)定的下降趨勢(shì)，且整體水平始終較低，當(dāng)電網(wǎng)實(shí)際負(fù)荷為6 000 kW 時(shí)，無(wú)功輸出為556.20 kW，當(dāng)電網(wǎng)實(shí)際負(fù)荷為12 000 kW時(shí)，無(wú)功輸出僅為53.79 kW，系統(tǒng)性能最佳。

結(jié)束語(yǔ)

為了能夠最大限度降低電力系統(tǒng)的無(wú)功輸出，對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)進(jìn)行綜合控制是十分必要的。本研究提出源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化多元協(xié)同控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，結(jié)合電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)數(shù)據(jù)自身的屬性特征，設(shè)計(jì)了具有強(qiáng)大處理能力的硬件裝置作為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的支撐，并歸納結(jié)合源網(wǎng)荷儲(chǔ)具體參數(shù)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制管理，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了降低電力系統(tǒng)無(wú)功輸出的目的。借助本研究設(shè)計(jì)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化多元協(xié)同控制系統(tǒng)，希望能夠?yàn)閷?shí)際的電力系統(tǒng)管理調(diào)度提供有價(jià)值的參考，最大限度提高電能資源的有效利用率。