使用NI CompactRIO 和NI LabVIEW开发基于分布式发电的智能微型电网系统

作者:
Alekhya Datta - The Energy and Resources Institute (TERI)
Mukesh Gujar - The Energy and Resources Institute (TERI)
Parimita Mohanty - The Energy and Resources Institute (TERI) 

图1. 由TERI开发的SMG系统的完整单线图

"使用NI平台开发的SMG系统，具有高可靠性和高兼容性，该方案实现了一个优化使用分布式能源的平台，同时可以提高农村电力系统的性能，因此对于提升国家电力行业的技术能力至关重要。"

                                                                         - Alekhya Datta, The Energy and Resources Institute (TERI)

挑战:
对于印度国家战略层面来说，作为高能耗的新兴经济体，加强其能源的安全性和获取途径，与高效率、智能化地发电同样重要。

解决方案:
利用最先进的电力电子设备作为驱动，同时利用基于NI CompactRIO硬件和NI LabVIEW系统设计软件所提供的超高速数字技术进行控制，开发印度第一个智能微型电网系统（Smart mini grid, SMG），以确保整个电力系统具有更高度的灵活性、可靠性、效率及安全性。

为了应对公用事业的变化和挑战，在印度，许多公用事业公司正在计划实施智能电网技术。SMG系统是智能电网中的子系统，通常被定义为智能配电网络，在11KV以下运行，并向社区提供电力。它由各种各样的分布式能源（Distributed energy resources, DER）所供给，其中包括小型、传统的发电机，例如柴油发电机，以及一系列可再生发电机，例如微型水力、风力发电机、生物发电和太阳能光伏发电等。SMG能够连接到传统公用电网，也能孤立存在，只为本地负载供电。SMG是一个数字信息和通信技术（Information and communication technology, ICT）的具体应用，它采用先进的传感、通信和控制技术，以优化发电、输送电，并最终应用于微型电网域中。SMG提供电网的动态通信和平衡，从而减少损失并提高电网的稳定性。

SMG的优势

SMG的优势如下：

·         促进需求方面的管理和响应

·         减少电网断电，并提升电网的可靠性、效率和安全性

·         减少碳的排放量，并最大限度地减少化石燃料的消耗

·         为客户提供更好的自主权，管理他们的用电需求

TERI在SMG系统中的首创

在亚洲太平洋伙伴关系计划的赞助下，TERI向新能源和可再生能源部门提交了一份提案，联邦科学与工业研究组织向澳大利亚环境、水、遗产以及艺术部门联邦提交了一份提案，意在获得基金来开发和验证基于分布式发电的SMG系统，以及适用于印度地区并可促进SMG在印度部署的控制技术。为了优化多种发电资源以及需要服务的不同负载，TERI设计并开发了SMG系统。该系统是在印度哈里亚纳邦的TERI Retreat小区的的研究所完成的。

TERI SMG模型的特性

TERI SMG 模型包括如下特性：

·         集成了多个DER的轮换和预测

·         集中控制（智能调度控制器），实现资源优化和需求管理

·         起始负载的优先级排序——总负载被分为关键的、主要的和次要的负载

·         使用LabVIEW系统设计软件进行数据采集以及控制命令的发送和接收，从而实现集成式、高速、基于FPGA的数字化通信

·         通过安装的传感器，完成实时的数据采集以及针对多种电气、气象以及物理参数的监测

·         通过系统组件的自动连接/断开，最小化断电影响，并快速响应电网波动

TERI SMG系统还集成了下面的DER：

·         10.5 kW_P太阳能光伏（基于晶体硅的太阳能模块）系统，安装在TERI Retreat小区北楼的屋顶

·         2 kW_P太阳能光伏（基于晶体硅的太阳能模块）系统，安装在Biomass Gasifier大楼的屋顶

·         1 kW_P基于薄膜的太阳能光伏系统，位于TERI Retreat 南楼的屋顶上

·         3.3 kW风力发电机（Wind turbine generator, WTG）

·         Biomass Gasifier 大楼中的100 kW生物气化炉（木质的）系统

·         48 V, 600 Ah的电池组，用于能量储存

·         柴油发电机和公用电网

TERI Retreat是一个多设施复合体住宅区，装备有许多现代的设施，其中包括会议大厅、公共及住宅场所、实验室以及运动场。综合设施电力需求的变化大小取决于季节、住宅楼的使用率、举办会议的数量以及一些其它因素。

使用CompactRIO和LabVIEW开发智能调度控制器

SMG系统背后的心脏和大脑是智能控制器，它是基于CompactRIO平台开发的。使用NI cRIO-9022机箱与NI 9227 电流输入模块、NI 9225模拟输入模块、NI 9481继电器模块、NI 9211热电偶输入模块、NI 9205模拟输入模块、以及NI 9403 双向数字I/O系列模块，从各种资源和控制中收集电气信号和气象数据。

使用NI C系列模块进行数据记录

表1 电气参数的测量

表2 气象/物理参数的测量

使用LabVIEW平台开发一个SMG SCADA系统

使用NI 开发者套件 开发SMG的监控和数据采集（Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA）系统，NI 开发者套件 包括以下LabVIEW模块：

·         LabVIEW数据记录和监控（Data logging and Supervisory Control, DSC）模块

·         LabVIEW Real-Time模块

·         LabVIEW FPGA模块

·         LabVIEW电源套件（Electrical Power Suite, EPS）

SCADA系统和智能控制器之间的通信

采用第三方GSM/GPRS SA 1802 C系列模块，作为CompactRIO和SCADA系统之间的通信接口。从各种数据节点收集的数据通过基于Modbus协议的以太网以及基于TCP/IP协议的GSM调制解调器进行传输。

SMG系统的实时数据采集显示面板

NI 开发者套件，包括LabVIEW DSC模块、LabVIEW Real-Time模块, 和LabVIEW FPGA模块，用于开发SMG系统的显示面板，该显示面板将提供SMG系统的所有实时信息，例如：电气、气象参数以及每日能源消耗。SMG系统的显示面板使用以太网（Modbus协议）与SMG SCADA系统进行通信。

SMG系统的应用

SMG系统可以应用在以下几方面：

·         工业和商业综合设施，如商场、酒店和医院

·         住宅设施，例如公寓和乡村住宅

·         教育机构

·         离网的农村和远郊地区

·         电信基站

基于NI平台开发系统的优势

使用NI平台开发的SMG系统，具有高可靠性和高兼容性，该方案实现了一个优化使用分布式能源的平台，同时可以提高农村电力系统的性能，因此对于提升国家电力行业的技术能力至关重要。它可以被印度政府的旗帜项目所采用，例如Jawaharlal Nehru National Solar Mission 项目和 Rajiv Gandhi Grameen Vidyutikaran Yojana项目。该设备已经成功地委托给Farooq Abdullah博士，他是联邦的新能源和可再生能源的部长，以及Shri Sushil Kumar Shinde，可敬的联邦电力部长以及TERI的局长Dr. R.K. Pachauri。