一种分布式光伏互动终端和方法与流程

本发明涉及一种互动终端和方法，具体涉及一种分布式光伏互动终端和方法。

背景技术：

在经济发展的过程中，伴随着能源的消费，以化石能源为主体的资源需求结构会对地球环境的破坏，即3E问题，解决3E问题的方法就是要依靠清洁能源技术的开发，实现能源、环境、经济的良性循环。与煤、石油、天然气等化石燃料相比，由于太阳能的巨大的储能能力、普遍存在性、经济性等特点，太阳能是理想的可再生绿色能源。

光伏发电系统通常包括太阳能电池组件、蓄电池、充放电控制器。若有交流负载或并入电网，则还需配置不同的逆变器。光伏电池是将太阳能直接转化成电能。这些电池都是由晶体硅或薄膜材料等半导体制成的。光伏系统产生的直流电既可储存在电池中，也可通过逆变器转换为交流电来对居民或企业供电。光伏系统是由通过吸收太阳光将其转化成直流电的半导体电池组成。多个电池封装在一个“模块”中，并相互连接构成一个光伏“阵列”。所产生的直流电可通过“逆变器”转换为交流电，由此可用于大多数家庭和企业，并可与大型电网相连。

分布式发电的核心特征是“就地消纳”。目前，全球90％的电力负荷是由集中式单一的电力系统提供，其主要特征是大机组、高电足、大电网。但是由于其固有的弱点，迭种供电系统已不能满足负荷对供电质量与可靠性越来越高的要求。从安全角度分析，大电网中任何故降所造成的扰动将影响整个电网，甚至可能造成大面积停电甚至全网崩溃。从经济角度分析，集中式供电系统为了调节短时的供电峰值需要建设大量造价高昂的发电机组，经济上不合理。大电网与分布式系统相结合，不仅能够提高系统的灵活性及安全性，而且能够节省投资。

在住宅、办公楼、厂房等建筑物上分布式安装的并网光伏系统是整个市场的主流应用形式。发展分布式光伏发电，鼓励自发自用，既能满足当地大量的消费需求，又能减少电力输送成本，同时能更为有效地拓展国内光伏市场，缓解光伏制造企业面临的困难，是未来国内光伏发电的主要发展方向。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种分布式光伏互动终端和方法，能够满足分布式光伏与主站服务器的双向通信需求，可以用于实现配电网与分布式光伏电站基于分时电价和补贴激励的互动。在互动机制设计中既考虑了分布式光伏电站在分时电价下，以经济性最优为目标的优化调度，这种较长时间尺度的电价互动机制；也考虑了在配电网短时的互动需求下，基于互动补贴的激励政策。在基于电价的互动中实现分布式光伏运行成本最小的目标，高可靠性的响应配电网的“削峰填谷”需求；在基于激励的互动中实现及时响应配电网乃至输电网的互动需求。进而达到提高配电网运行效率的目标。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种分布式光伏互动终端，包括通信单元、人机交互单元、存储单元和主控单元；所述通信单元、人机交互单元和存储单元分别与主控单元相连；

所述通信单元，用于采集用采系统中的分布式光伏电站的用电信息和人机交互单元中的分布式光伏电站的互动意愿，并将它们发送到调度中心的主站服务器，还用于接收调度中心的主站服务器下发的互动指令、参与互动时的电价，其中互动指令包括互动时间段和互动量Cset；

所述人机交互单元，用于显示调度中心的主站服务器下发的互动指令、参与互动时的电价、分布式光伏电站的用电信息，并采集分布式光伏电站的互动意愿；

所述主控单元，用于根据调度中心的主站服务器下发的互动指令计算分布式光伏电站可参与的互动量；

所述存储单元，用于存储分布式光伏电站的用电信息，调度中心的主站服务器下发的互动指令、参与互动时的电价，分布式光伏可参与的互动量。

所述主控单元包括：MCU控制模块、电源管理模块、时钟芯片和分布式光伏电站互动调度模块；

所述MCU控制模块分别与电源管理模块、时钟芯片和分布式光伏电站互动调度模块相连，MCU控制模块还分别与通信单元、人机交互单元和存储单元相连；

所述电源管理模块用于给分布式光伏互动终端的各个模块供电；

所述时钟芯片用户给分布式光伏互动终端提供时钟信号；

所述分布式光伏电站互动调度模块与MCU控制模块连接，用于根据调度中心的主站服务器下发的互动指令计算分布式光伏电站可参与的互动量。

所述通信单元包括：第一通信模块和第二通信模块；所述第一通信模块用于与用采系统进行数据交互；所述第二通信模块用于与调度中心的主站服务器进行无线通信。

所述第一通信模块为GPRS模块；所述第二通信模块接收的数据必须要接受到设定的使能信号才能进行数据的读取，其中，使能信号采用Hamming Code对其进行编码。

一种分布式光伏互动方法，包括以下步骤：

(1)调度中心的主站服务器接收到分布式光伏电站通过人机交互单元上传的互动意愿，下发互动指令，其中互动指令包括互动时段和互动量Cset；

(2)根据分布式光伏模型，由实际光照和环境温度数据计算分布式光伏电站的各蓄电池机组的充放电功率Pgen,i，其中i取1，2，3……24；

(3)定义优化目标函数模型，使得用户可参与互动的互动量Cdeclare和电网调度中心下发的互动量Cset之间的差值的绝对值最小：

min|Cdeclare-Cset|

其中，Vin表示蓄电池机组处于放电状态下，分布式光伏电站向配电网卖电取得的收益，Vin＝PES,i*Punit，其中PES,i均取正值；Vout表示蓄电池机组处于充电状态下，分布式光伏电站向配电网买电的成本，Vout＝PES,i*Punit，其中PES,i均取负值；Vloss表示分布式光伏电站中各类设备的自然损耗成本，Vmaintain表示分布式光伏电站中设备的维护成本，Punit是分布式光伏电站参与互动时的电价，且|PES,i|≤±20％|Pgen,i|。

(4)随机生成NP个种群的N个体，采用实数编码，每个个体由蓄电池24h充放电功率组成，用优化变量X表示：

X＝[PES,1,PES,2,…PES,24]；

其中，P代表分布式光伏电站中的蓄电池机组的数量，i取1，2，3……24；

(5)根据蓄电池模型和蓄电池运行约束条件式，以优化变量X作为充放电功率初始值，计算蓄电池机组实际充放电功率PES,i，并将PES,i作为修正值返回给优化变量X；其中当PES,i为正值时，表示其为放电功率，当PES,i为负值时，表示其为充电功率；

(6)计算个体适应度，并根据适应度，对种群个体进行选择、交叉、变异操作，生成新的种群，并将新的种群中的PES,i作为修正值返回给优化变量X；

(7)反复进行步骤(6)对种群个体进行修正，直到获得最优的充放电功率值；

(8)根据步骤(7)中获得的最优的充放电功率值，带入公式计算出分布式光伏电站可参与互动的互动量Cdeclare。

所述电网调度中心下发的互动量Cset由采集到的分布式光伏电站的用电信息和电网调度中心中预设的用电预测曲线计算得到。

本发明的有益效果：

本发明满足分布式光伏电站与主站服务器的双向通信需求，进而促进分布式光伏电站参与电网互动，希望用户能够在用电高峰时减少用电负荷，在用电低谷时增大用电负荷，从而实现削峰填谷，达到降低配电网峰谷差，提高配电网运行效率的目标。

本发明可以被用于实现配电网与分布式光伏电站基于分时电价和补贴激励的互动。补贴激励不参与互动，当分布式光伏电站参与互动时，就会使用分时电价，结合分布式光伏电站自身的互动量与配电网的补贴激励算法给光伏电站下发相应的补贴。分时电价是由配电网下发，主要是每个或者某几个时段的电价不一样。与固定电价相比，分时电价的灵活性更强，进而可以激励用户在电价低的时段参与互动，从而获得补贴。

本发明的分布式光伏互动终端具有开放式的人机界面，用户不仅可以通过该界面完成互动指令接受与互动意愿申报，还可以被用于进行历史互动信息查询，对以往的互动结果进行对比分析，有助于用户调整执行方案，更好地参与互动。

附图说明

图1是本发明一种实施例的分布式光伏互动终端的原理图。

图2是本发明一种实施例的分布式光伏互动终端的软件架构图。

图3是本发明一种实施例的分布式光伏互动终端的功能结构图

图4是本发明一种实施例的分布式光伏互动终端中第二通信模块的时序示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，一种分布式光伏互动终端200，包括通信单元、人机交互单元201、存储单元203和主控单元；所述通信单元、人机交互单元201和存储单元203分别与主控单元相连；

所述通信单元，用于采集用采系统中的分布式光伏电站的用电信息和人机交互单元中的分布式光伏电站的互动意愿，并将它们发送到调度中心的主站服务器，还用于接收调度中心的主站服务器下发的互动指令、参与互动时的电价，其中互动指令包括互动时间段和互动量Cset；

所述人机交互单元201，用于显示调度中心的主站服务器下发的互动指令、参与互动时的电价、分布式光伏电站的用电信息，并采集分布式光伏电站的互动意愿；

所述主控单元，用于根据调度中心的主站服务器下发的互动指令计算分布式光伏电站可参与的互动量；

所述存储单元203，用于存储分布式光伏电站的用电信息，调度中心的主站服务器下发的互动指令、参与互动时的电价，分布式光伏可参与的互动量。

所述主控单元包括：MCU控制模块202、电源管理模块208、时钟芯片207和分布式光伏互动调度模块206；

所述MCU控制模块202分别与电源管理模块208、时钟芯片207和分布式光伏电站互动调度模块206相连，MCU控制模块还分别与通信单元和存储单元相连；

所述电源管理模块用于给分布式光伏互动终端的各个模块供电；

所述时钟芯片用户给分布式光伏互动终端提供时钟信号；

所述分布式光伏电站互动调度模块与MCU控制模块通信连接，用于根据调度中心的主站服务器下发的互动指令计算分布式光伏电站可参与的互动量。

所述通信单元包括：第一通信模块204和第二通信模块205；所述第一通信模块用于与用采系统300进行数据交互；所述第二通信模块用于与主站服务器进行无线通信。优选地，所述第一通信模块可以采用GPRS通信模块。

如图4所示，分布式光伏互动终端的第二通信模块的时序示意图，由于分布式光伏互动终端的数据传输速率要求不高，但其安全性要求较高。目前网络安全问题日益突出，信息泄露、丢失或完整性被破坏，具体指敏感数据在有意或无意中被泄露出去或丢失，或者数据被删除、修改、插入其他干扰数据等。为了避免数据传输错误，故使用第一通信模块(也可以成为专用通信模块)来进行数据的交互，提高数据识别的精度，不是盲目的读取主站下发的数据，而是必须要接受到设定的使能信号才能进行数据的读取，使用Hamming Code对使能信号编码；比如：如果使能信号是1100，源信号为10100010，使用Hamming Code编码(哈夫曼编码)将1100加密成1100001，最终输出的信号为110000110100010，具体如图4示意图所示。所述第一通信模块为GPRS模块。

一种分布式光伏互动方法，包括以下步骤：

(1)调度中心的主站服务器接收到分布式光伏电站通过人机交互单元上传的互动意愿，然后下发互动指令，其中互动指令包括互动时段和互动量Cset；

(2)根据分布式光伏模型，由实际光照和环境温度数据计算分布式光伏电站的各蓄电池机组的充放电功率Pgen,i，其中i取1，2，3……24；这个计算过程可以通过现有技术进行；

(3)定义优化目标函数模型，使得用户可参与互动的互动量Cdeclare和电网调度中心下发的互动量Cset之间的差值的绝对值最小：

min|Cdeclare-Cset|

其中，Vin表示蓄电池机组处于放电状态下，分布式光伏电站向配电网卖电取得的收益，Vin＝PES,i*Punit，其中PES,i均为正值；Vout表示蓄电池机组处于充电状态下，分布式光伏电站向配电网买电的成本，Vout＝PES,i*Punit，其中PES,i均为负值；Vloss表示分布式光伏电站中各类设备(太阳电池板、控制器、逆变器等)的自然损耗成本，Vmaintain表示分布式光伏电站中设备的维护成本，Punit是分布式光伏电站参与互动时的电价，且|PES,i|≤±20％|Pgen,i|；

(4)随机生成NP个种群的N个体，采用实数编码，每个个体由蓄电池24h充放电功率组成，用优化变量X表示：

X＝[PES,1,PES,2,…PES,24]；

其中，P代表光伏电站的蓄电池机机组的数量，i取1，2，3……24；

(5)根据蓄电池模型和蓄电池运行约束条件式，以优化变量X作为充放电功率初始值，计算蓄电池机组实际充放电功率PES,i，并将PES,i作为修正值返回给优化变量X；

(6)计算个体适应度，并根据适应度，对种群个体进行选择、交叉、变异操作，生成新的种群，并按固定代数间隔进行迁移操作，并将PES,i作为修正值返回给优化变量X；

(7)反复进行步骤(6)对种群个体进行修正，直到获得最优的充放电功率值；

(8)根据步骤(7)中获得的最优的充放电功率值，带入公式计算出分布式光伏电站可参与互动的互动量Cdeclare。

所述电网调度中心下发的互动量Cset由采集到的分布式光伏电站的用电信息和电网调度中心中预设的用电预测曲线计算得到。所述的预设的用电预测曲线采用的是现行配电网中心常用的用电预测曲线。电网调度中心下发的互动量Cset的计算过程也是采用的现有技术的方法，在此不赘述。

在蓄电池工作过程中，应保持荷电状态在一定范围内。较大的充放电电流、蓄电池过充或过放等都会对蓄电池造成伤害。因此，需要蓄电池的充放电电流、电压以及SOC三个指标满足一定的约束条件。所述步骤四中，蓄电池模型采用的是现有技术中常见的蓄电池模型，运行约束条件式具体为：

①蓄电池端电流约束：

Icharge＜MaxIcharge

Idischarge＜MaxIdischarge

其中，Icharge、Idischarge分别为蓄电池的充、放电电流，MaxIcharge、MaxIdischarge分别为蓄电池最大充、放电允许电流；

②蓄电池端电压约束：

MinVbattery＜V＜MaxVbattery

当蓄电池端电压V高于MaxVbattery或低于MinVbattery时，会影响蓄电池使用寿命。

③蓄电池电流约束：

MinSOCbat＜SOC＜MaxSOCbat

亦即蓄电池的荷电状态SOC必须处于允许的最小SOC(MinSOCbat)和最大SOC(MaxSOCbat)之间。

在求解优化目标函数模型的过程中，包括等式约束和不等式约束，具体为：

所述等式约束包括：功率平衡方程，具体为：

分布式光伏的电源与负荷功率之和与分布式光伏联络线功率相等：

Qout＝(PL+PES,C-PDG)Δt

Qin＝(PES,D+PDG-PL)Δt

PDP+PDG+PES,D＝PL+PES,C

式中，Qout为分布式光伏电站的购电电量，Qin为分布式光伏电站的售电电量，PL为分布式光伏电站的总负荷功率，PES,C为蓄电池机组的充电功率，PDG为分布式光伏电站的总出力，PES,D为蓄电池机组的放电功率，PDP为分布式光伏电站与配电网连接端口处的交换功率；

所述不等式约束包括：分布式光伏电站总出力的上下限、蓄电池机组的充、放电的上下限具体为：

PDG,min＜PDG＜PDG,max

其中，PDG,min为分布式光伏电站总出力的下限，PDG,max为分布式光伏电站总出力的上限，为蓄电池机组的充电上限，为蓄电池机组的放电上限。

同时要保证在同一时刻下蓄电池机组只能处于充电或者放电状态下，分布式光伏只能处于向电网买电或者卖电的条件：

PES,D,t*PES,C,t＝0

Pbuy,t*Psell,t＝0

Pbuy＝PL+PES,C-PDG

Psell＝PES,D+PDG-PL

其中：PES,D,t表示在t时刻蓄电池的放电功率，PES,C,t表示在t时刻蓄电池的充电功率，Pbuy,t表示t时刻用户向电网的买电功率，Psell,t表示t时刻用户向电网的卖电功率，Pbuy表示用户向电网的买电功率，Psell表示用户向电网的买电功率。

如图2所示，为分布式光伏互动终端的总体软件架构，软件系统底层由引导程序、配置文件、设备驱动及上层接口组成，实现操作系统与硬件系统的联系；采用Linux作为本项目软件的下层操作系统，需要在互动终端中移植Linux系统内核、构建文件系统、实现设备管理、服务管理、图形窗口管理及事件系统，同时，为上层应用程序提供接口APIS，用户互动终端上层应用程序根据各用户具体需求，实现各功能模块，包括通信模块、数据管理及数据处理模块、模式库模块、界面管理模块等。

如图3所示，分布式光伏互动终端还具有如下功能，包括：

1)用户注册信息维护

显示用户基本信息。包括：用户名称、用户编号、用户类型等。

2)用户互动时间段和互动量指令接收及显示

终端可以接收监控主站下发的互动时间段和互动量指令，接收到以后具备语音提醒功能，并显著地显示出来。

3)用户电价信息查询

终端可以显示不同时间段的电价以及用电量。

4)用户用电计划历史信息查询

具备按照日期查询的条件。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。