分布式温度控制（精选12篇）
分布式温度控制 篇1
未来配电网是一个更加智能、灵活、主动的有源配电网,对保护控制技术(简称控制技术)提出了更高的要求。
根据对测量信息的利用方式,控制技术可分成三类:
一是就地控制技术,利用就地测量信息进行控制,如电流保护、距离保护、基于就地电压的无功补偿电容器投切控制。就地控制方式的优点是控制响应速度快,在数十毫秒级,但利用的测量信息不全面,控制性能不完善。
二是集中控制技术,采用专用控制主站集中处理控制域内现场智能终端(STU,Smart Terminal Unit)的测量信息,进行控制决策并将控制命令下发至相应的终端。集中控制技术的优点是能够利用全局信息,控制功能完善,但不足之处是控制响应速度慢,在分钟级;需要设置通信网络与主站,投资大。
三是分布式控制技术,不依赖控制主站,现场终端通过互相之间交换测量与控制信息,协作完成控制任务。分布式控制技术兼有就地控制与集中控制的优点:因为是利用多个站点的测量信息,所有控制性能比较完善;由于是终端之间交换信息,控制响应速度也比较快,在100ms级。
分布式控制特别适合用于配电网。因为配电网中的控制应用的控制域一般是以变电站中压母线为边界的一条馈线或一组具有连接关系的馈线(关联馈线),控制节点数不会太多,对控制响应速度的要求不是特别高(不小于100ms),控制系统的构成与算法设计相对比较简单。
国内外对已有应用分布式控制进行配电网故障隔离、继电保护、电压控制方面研究的报道,但总体来说,对分布式控制的研究还处于初级阶段,还缺少成熟实用的分布式控制技术,还不能形成一个完善的技术体系。
要加强对分布式控制技术的研究,建立完善的配电网分布式控制技术体系。
广域测控系统
需要为未来配电网构建广域测控系统,为各种监测与保护控制应用提供统一的支撑平台。广域测控系统的构成与常规的配电网自动化系统类似,包括主站、通信与终端,其主要特点为:终端能够和其他终端交换测控信息,拥有开放式的应用程序接口(API),支持基于本地测量信息的就地控制以及基于多个站点测量信息的分布式控制。
广域测控系统的通信接口、数据模型、通信服务以及配置方式遵循IEC61850标准,支持终端与控制主站即插即用、互通互联。
馈线拓扑自动识别技术
终端实现分布式控制,除了获取来自相关终端的测量信息外,还要知道控制应用作用范围内(控制域)的馈线实时(动态)拓扑结构,称为应用拓扑。
终端通过逐级查询建立应用拓扑的步骤为:首先查询相邻终端,获取其局部拓扑信息以及下一级终端的通信地址;然后查询下一级终端,获取其局部拓扑信息以及再下一级终端的通信地址;依次类推,直至查询到控制域边界的终端(例如终端负荷的控制开关、变电站出线断路器的终端)。
在配电网自动化系统中,一般不再为GOOSE设置一个专用的传输网络,所有的测控信息在同一个网络里传输,而且一些情况下GOOSE可能需要通过路由器在不同的局域网中传输,因此,不宜再采用GOOSEover MAC的传输方式。解决方案是采用UPD协议传输GOOSE报文,即采用GOOSE over UDP的传输方式。UDP报文是一种无连接的传输层协议,因为没有可靠性保证、顺序保证和流量控制字段等,协议的控制选项少,数据在传输过程中的延迟小。理论分析与测试结果表明,采用UDP协议传输GOOSE的延时不大于10ms,满足配电网控制应用对实时性的要求。
除可以在不同的局域网中传输外,采用UDP协议传输GOOSE还具有通用性好,简单、易于实现的优点。但UDP协议不能保证数据传输的可靠性,需要在应用层采取措施,解决单个GOOSE报文传输失败带来的问题。
分布式控制应用示例
下面介绍一个分布式控制应用的简单示例—分布式远方跳闸反孤岛保护。
对于检测就地电压和频率的反孤岛保护来说,在孤岛内负荷和分布式电源发电功率接近时,运行电压与频率不超过反孤岛保护的门槛值,因此存在检测死区。其中一个解决方案是采用远方跳闸式保护(Direct TripTransfer,DTT)。
常规远方跳闸式保护只检测变电站出线断路器的状态,不能反映分布式电源与出线断路器之间的分段开关跳闸形成的孤岛。而采用分布式远方跳闸保护,在分布式电源上游任何一个开关跳闸时都向分布式电源并网开关终端发出跳闸命令,即可解决这个问题。
一个典型的分布式远方跳闸式保护系统的构成如图1(a)所示,分布式电源并网开关的监控终端(STU4)存储有其上游变电站出线断路器以及所有线路分段开关的开关名称,这些开关处的终端在检测到所监测的开关跳闸时发布信息,STU4接收到上游开关跳闸的信息后发出跳开并网开关的命令。
在图1(a)所示系统中,开关S6处于分位,为联络开关;分布式电源所在线路由左侧变电站供电,其上游的开关为S1、S2、S3;如果S5合上,S2打开,线路由右侧变电站B供电,上游开关变为S7、S6、S5、S3,如图1(b)所示。
分布式电源并网开关处的终端在合上并网开关后,通过逐级查询的方法获取反孤岛保护应用拓扑。首先,在终端投运前,为其配置被监控开关的属性及其相邻开关的名称与相邻终端的通信地址,开关的属性用来标识被监控的开关是否是电源开关(变电站出线开关)。例如,图1系统中S3的属性是非电源开关,其下侧相邻的开关与相邻的终端分别是S4与STU4,上侧相邻的开关是S3与S5,上侧相邻的终端分别为STU3与STU5;S1的属性是电源开关,只有右侧的一个相邻开关S2,一个相邻终端STU2。以图1(a)所示系统的运行方式为例,在分布式电源投入运行后,STU4首先访问相邻的STU3,获知S3处于合位,同时获知S3的下一级相邻开关为S2与S5,相邻的终端为STU2与STU5;第二步,STU4分别查询STU2与STU5,获知S2处于合位而S5处于分位,同时获知S2的下一级相邻开关为S1,相邻终端为STU1;接下来,STU4继续查询STU1,获知S1处于合位,并获知该开关的属性是电源开关,从而结束查询。
这样,STU4根据这些查询到的开关信息识别出S4上游的开关为S1、S2与S3。
分布式控制具有响应速度快、性能完善的优点,是未来配电网控制技术的发展方向。
分布式控制应用的研究还在初级阶段,还有大量的研究工作要做。
分布式温度控制 篇2
Git 是 Linux Torvalds 为了帮助管理 Linux 内核开发而开发的一个开放源码的版本控制软件。
Torvalds 开始着手开发 Git 是为了作为一种过渡方案来替代 BitKeeper，后者之前一直是 Linux 内核开发人员在全球使用的主要源代码工具。开放源码社区中的有些人觉得 BitKeeper 的许可证并不适合开放源码社区的工作，因此 Torvalds 决定着手研究许可证更为灵活的版本控制系统，
尽管最初 Git 的开发是为了辅助 Linux 内核开发的过程，但是我们已经发现在很多其他自由软件项目中也使用了 Git。例如，X.org 最近就迁移到 Git 上来了，很多 Freedesktop.org 的项目也迁移到了 Git 上。
Git与CVS的区别
分支更快、更容易。
支持离线工作；本地提交可以稍后提交到服务器上。
Git 提交都是原子的，且是整个项目范围的，而不像 CVS 中一样是对每个文件的。
Git 中的每个工作树都包含一个具有完整项目历史的仓库。
没有哪一个 Git 仓库会天生比其他仓库更重要。
分布式温度控制 篇3
关键词： 光纤传感器； 拉曼散射； 电力电缆； 载流量/温度
中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.01.015
引言 随着经济社会的发展，对电的需求量越来越大，水电、火电、可再生发电系统、城市变电的大规模建立，电缆输电任务随之加大，如何来保证电缆的安全正常有效的运营，保障电缆资产价值，成为一种迫切需要解决的问题。电缆运行不安全因素主要为电缆在运行时电缆发热，导致电缆温度过高致使电缆发生火灾。光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的传感技术。光纤传感具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量、便于组网等诸多优点。目前国内外研究机构用光纤传感监测技术对电力电缆在线测温及载流量[1]的安全监测的研发和应用大多还处于初期研究阶段，应用也基本停留在对个别设备和某个部件的监测上。比如Micron Optics公司推出的光纤点式测温系统实现对风力发电机组的温度检测。基于拉曼分布式光纤温度传感技术的分布式光纤载流量/温度安全监测系统，不仅具有普通光纤传感器的优点，而且还具有对光纤沿线各点的载流量/温度的分布式传感能力。利用这种特点可以连续实时测量光纤沿线几十公里内各点的温度。定位精度≤1 m，测温精度可达1 ℃，非常适用于高压电力电缆的载流量/温度传感监测的应用场合。1系统工作原理分布式光纤载流量/温度安全监测系统由拉曼分布式光纤测温传感器、感温光缆、载流量软件以及电流记录仪组成。拉曼分布式光纤测温传感器[24]能对电力电缆全线温度进行周期性实时在线监测，对极易出现故障的电缆接头进行重点监测。该项技术利用光纤作为传感器，将光纤直接敷设在被测物体表面，在一定条件下被测物体各个位置的温度信号会以光波的形式回传到光纤端部，最终被提取并显示出来。这种技术只需一根或几根光纤就可以监测长达数十公里的线型设备或点式设备。光纤的拉曼散射与温度有着密切的关系。依据光时域反射测定法[5]，将短促的激光脉冲按精确的时间间隔注入光纤之中。在同一根光纤中，散射光的强度随时间呈现出指数衰减。如果知道光在光纤中的传播速度，就能计算出距离。从该指数衰减的偏差就能得出温度。光纤既是该信号的生成器，又是该信号的渠道。反射光被分流到传感器中来加以解码。在光纤测温系统连接的监控屏上能同时显示距离和温度数据。利用此技术把光纤与被测高压电缆采用接触方式安装，测出高压电缆表面温度，根据表面温度，电缆结构，辐射环境等因素，精确计算出电缆的线芯温度，通过线芯温度计算出通过线芯的载流量，并给出电缆对应分区的最高温度，电缆的运行温度和电缆的负荷水平，对温度异常点进行报警。光学仪器第35卷
第1期杨斌，等：分布式光纤载流量/温度安全监测系统的研究
拉曼光强差和温度为：Pa/Ps∝exp（-h·c·Δν/kT）（1）式（1）中，Pa表示为拉曼散射反斯托克斯光Antistokes功率，Ps为 拉曼散射斯托克斯光（stokes）功率，h为普朗克常数，c为光速，Δν为拉曼频移量，T为温度。温度探测距离为 z=tV/2（2）其中，t表示两倍定点距离光传播时间，V为光纤中光速。2系统的结构与功能设计分布式光纤载流量/温度安全监测系统：系统由中控室、分布式光纤温度传感器、数据采集器（PLC）、光纤（缆）等设备组成。系统结构图如图1所示。分布式光纤载流量/温度安全监测系统可以通过电缆温度的监测计算得到电缆载流量变化情况。同时在电缆隧道中实现高温危险报警。主要功能包括：（1）分布式光纤温度传感器准确实时测量整条电缆的温度分布。它的探测范围：30 km，温度精度：1 ℃，定位精度：1 m；图1系统结构图
分布式温度控制 篇4
关键词：分布式光纤测温度技术,在线检测电缆温度
相对于发达国家我国电缆的故障率比较高, 电缆系统的有效在线温度检测的缺乏是故障率高的重要原因。电力传输的重要载体是电力电缆, 电力电缆的运行温度对高压超高压输配电系统的安全运行起着制约作用。电力电缆的温度升高会造成绝缘的老化, 使泄漏电流能够增大造成绝缘击穿。因此, 需要建立高压超高压电力电缆实时在线测温系统, 使电力电缆系统能够安全运行。
传统的测温方法通过点式感温装置在电缆重要部位的安装, 实现对电缆的测温。这种方法只能测量电缆系统的局部位置的温度, 不能对整个电缆线路进行温度在线监测。分布式光纤测温技术在需要几根光纤的情况下就可以对数公里的线型设备或点式设备进行监测, 因此被广泛应用。
1 分布式光纤传感器概述
2 分布式光纤测温度技术在线检测电缆温度的实验分析
我们可以通过实验对分布式光纤测温度技术在线检测电缆温度的情况进行分析, 以便在光缆检测中更好的利用分布式光纤测温度技术, 实现更好的测量效果。
2.1 对实验安装和现场布局进行分析
技术人员可以在实验室的户外场敷设长度大概为140m的220 k V被测电缆, 可以设计一些模拟电缆区, 电缆隧道和模拟工井等区域, 技术人员可以在主处理机上的光纤插口插入感温光缆的一端, 从实验室引出另一端, 将其按照电缆方向在外护套表面紧贴, 用胶布将其贴牢固。为了避免出现问题可以在重点监测部位缠绕圈数较多, 可以用八个点表示。技术人员可以将热电偶和分布式光纤传感器装在这些部位, 可以进行分析和比较。热电偶对温度测量的数据可以通过通道在另一台电脑中显示。
2.2 对实验项目和数据进行分析
在实验时要对空间进行精度的定位, 可以对光缆的八个位置的加热器进行加热, 加热的地方会有温度升高的情况。技术人员将八个升温对应的八个定位点的位置记下, 对比传感器测量位置与实际位置, 测量的误差必须要确保在0.6~0.9米的范围内。
同时, 及时快速的测量, 可以为电缆的防火和报警提供宝贵的时间。就响应时间来说P1~P8通过加热需要大概4~6秒, 时间较短。通过软件可以对温度上限和温度上升速率上限进行设定, 对设置数值偏离的情况下, 会有蜂鸣声作为警报。
此外, 对电缆温度测试的精度要能够有所保证。技术人员可以对P8附近的光缆盘成若干小圈, 在有标准准温度计的恒温装置中将其放置。这个装置具有稳定的恒温性能, 利用温度计可以对温度进行准确的测试。将光缆放入恒温装置后, 要对恒温装置的温度进行设定, 使其能够达到和保持一段时间预先设定的温度, 再对温度计上的数值进行读取。进行多次实验, 实验结果可以用下表表示。
通过对下表的分析可以得出传感器对温度的检测和标准温度计对温度的检测是有一定偏差的。
3 分布式光纤测温度技术应用于电缆绝缘的在线检测
电缆在发生绝缘故障时经常会出现击穿部位及附近温度突然升高等特殊现象。技术人员如果对此现象能够提前检测, 就可以通过预防措施避免事故的发生。
技术人员可以将直径为2.5m m的光缆敷设在10 k V X LPE单芯电缆护套表面, 要对重要点的位置进行确定, 可以将电缆终端配置在电缆两头, 将工频电压施加给电缆, 并使电压的速度提高。电压在上升到102k V时, 会在103和113米的位置出现波峰。电压的继续升高, 波峰的明显程度会增加, 温度幅值也会不断上升。54分钟后, 电缆就会被击穿。这两个位置的幅值是33.5和33.8摄氏度。除过这两个位置, 其他的的温度在21~22摄氏度之间。电缆被击穿后要对电缆及时检查, 就会发现两个波峰的位置正好是击穿的位置。
通过这个实验说明分布式光纤测温度技术是电缆绝缘监测的有效的新方法。在具体生产电缆的工作中, 可以在电源内部埋入光纤, 对电缆的导体温度能更直接的反映, 使电缆的载流量能更容易确定。此外, 报警系统较灵敏可以使火灾事故有效避免, 分布式光纤测温度技术是电缆绝缘监测的有效方法。
4 总结
综上所述, 分布式光纤测温度技术已经广泛应用于在线检测电缆温度, 它是一种电缆温度检测非常科学、有效的方法。文章先对传感器进行了简单的分析, 再通过实验分析了分布式光纤测温度技术在线检测电缆温度的方法和步骤, 最后对分布式光纤测温度技术应用于电缆绝缘的在线检测进行分析。希望通过本文的研究对分布式光纤测温度技术在线检测电缆温度水平的提高有所帮助。
参考文献
[1]李强, 王艳松, 刘学民.光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述[J].电力系统保护与控制, 2010.
[2]高云鹏, 谭甜源, 刘开培.电力电缆温度监测方法的探讨[J].绝缘材料, 2014.
气温分布和温度带 篇5
教学目的
1．了解并掌握我国冬夏季气温的分布特点及冬季0℃等温线所穿过的地区；理解气温分布特点的形成原因；掌握温度带的划分标准及分布。
2．通过学习气温分布特点，培养学生使用等温线图分析问题的能力；通过对气温分布特点成因的学习，培养学生分析归纳问题的能力。
3．通过对气温及温度带的讲解，使学生更加体会我国疆域的辽阔，气候资源的优越，从而为祖国大好河山而自豪的情感。
教学重点和难点
本节重点：1．冬夏季气温分布的特点及成因。2．温度带的划分及分布。
本节难点：生长期和积温等概念的理解及温度带的具体分布。
教学方法 讲解法与练习法相结合。
教具 一、七月等温线图，温度带的划分图，三地在冬至日和夏至日太阳高度和昼长时间表（投影片）。
课时 2课时。（第一课时讲到冬夏季气温分布特点及成因；第二课时讲温度带的划分及分布。）
教学提纲
一、我国冬季气温分布特点
1．特点
2．原因
二、我国夏季气温分布特点
1．特点
2．原因
三、温度带
1．生长期和积温的概念
2．划分温度带的依据
3．温度带的分布
教学过程
[第一课时]
导入新课
同学们都有亲身的感受，每当冬季来临的时候，天气变得十分寒冷，夏季到来时，天气又变得十分温暖。大家知道，我国国土辽阔，南北跨度很大。那么，我国南方和北方气温有没有差别呢？如果有的话，又是什么原因形成的呢？
学习新教材
分布式温度控制 篇6
关键词：电气工程；控制系统；施工质量
1 分层分布式控制的特征
分层分布式控制系统从管理上分为高低两个层面（随着被控系统的负责程度，甚至可以在此基础上拓展为三层，或者更多层次）。其中，分层分布式控制系统的高级层面，是管理协调层。主要采用高级应用软件，沟通被控对象，实现越限超标报警（一般采用图像、音频、光电等单一方式或多种方式组合进行警示），并实施调度优化计算、命令下达、远程通信等管理协调工作。分层分布式控制系统的低级层面，是执行层。其主要工作是，负责采集数据、执行监控系统高级层面下达的命令。具体来说，分层分布式控制方式通过采取多套控制设备（或者专用电脑）按照工程功能或者按照地理位置分布监控被监控对象的不同设备或者系统。然后，这些控制设备（或者专用电脑）通过网线或总线进行同层面和高低层面的交互信息沟通。分层分布式控制方式不但具有远程監控方式的全部优点，还可以使监控系统的设计更加有针对性，并且对不同的间隔进行不同的功能安排。
2 分层分布式控制的施工质量问题
不可否认，电气工程在建设工程当中占有非常重要的地位。随着工程施工的全面实现机械化，以及分层分布式控制系统的自身特点，使得对该类型的电气工程施工提出了更高的要求。可以说，该类型的电气工程能否顺利地、高质量地完成，对整个工程的顺利完成以及安全与质量有着重大的影响。因此，只有保证分层分布式电气工程的质量，才能切实保障整个工程的顺利施工。虽然，分层分布式控制已普遍应用于包括变电站、发电站等在内的各种自动化系统中，且也已经积累了丰富的施工与运行经验。但是，依然存在以下几方面的问题。
其一，在人员素质方面。由于分层分布式控制系统的自身特征，需要具有高水平技术的安装人员进行线路和设备的安装。但是，通常在诸如此类电气施工，施工单位对分层分布系统的过于自信或者是盲目理解，并不能聘请相关高水平技术人员进行线路和设备的安装，也不注重施工人员的素质提升，最终使得电气工程的质量得不到保证而影响整体工程质量。不但如此，在工程建设过程中，一些工程施工人员或者工作人员使用低于标准甚至低质量的工程材料进行线路和设备的安全，不但给控制系统带来安全隐患，也给整体工程带来安全问题。
其二，在系统设计方面。虽然，在整个工程建设中，分层分布式控制系统工程只是其中很小的一部分，但是其独特的作用却是不容忽视的。然而，部分工程设计人员由于自身对控制系统重要性认识的不足或者不够重视，在不同程度上轻视了，或者忽略了电气控制工程的设计。譬如，在工程设计图纸中，不对控制系统进行标注，使得在施工过程中的实际安装中出现布线随意或者路线密集，轻则导致施工质量，重则使工期受到延误。更甚，遇到这种情况，现场施工安装人员，并不去和系统设计技术人员进行商讨，而只好依据过去的工作经验进行安装，从而给整个工程带来安全隐患。
其三，在安防设施方面。在电气工程的施工中，安防设施必不可少，其中尤以防雷设备的安装更是具有非常重要的地位。很显然的道理，只有做好防雷工作，才能确保电气工程的安全性。然而，在实际的工程施工过程中，总是存在一些工程安装人员由于自身的工作素质或者技术水平低下等原因，造成防雷设备设施存在着不同程度的安全隐患。譬如，一旦遇到雷雨天气，就会严重地影响电气设备设施的正常运行和使用，更有甚，造成人员伤亡，以及整个工程进度的延误。
3 分层分布式控制的施工对策
我们为了保证整个工程质量，唯有全面认识分层分布式控制系统工程的各个重要部位，保证各个施工环节的质量，更新电气工程知识，规范施工步骤，强化科学管理。除此之外，我们还需要对以下几方面强化控制。
首先，强化材料设备的质量控制。在电气控制系统工程施工过程中，应该强化对工程质量起到重要甚至关键作用的材料和设备进行必要的质量控制。唯有保证了这些材料和设备的质量，才有可能保障电气工程质量，进而，保障整个工程的质量与安全。对此，我们认为，应该对这些材料和设备进行“监管并举”。一方面，我们要对这些进入施工现场的材料和设备做到有准备的“监”。具体来说，就是在这些材料和设备进入施工现场前，不但要严格检验材料和设备的质量，要求这些设备和材料的销售单位出具相应的合格证、检验报告等证明文件，还要依据工程系统的设计要求，选配适当的材料和设备。一旦，遇有不符合要求的或者质量低于标准的的材料和设备，必须坚决予以清退，不能让其进入施工现场。另一方面，我们要对进入施工现场的材料和设备的使用，要做到合理的“管”。具体来说，就是要按照施工要求和施工进度，严格管理材料和设备的领出和使用。不但，要经过相应的工程技术人员的审定，还要出具相应的使用数量单据，并且要求相应的工程技术人员签字确认，注明使用材料的用途。最后，施工现场的材料和设备的保管人员要独立审核实际领取的材料设备与工程进度和设计要求是否一致，并做好相关记录工作。其次，提升施工人员的素质水平。在分层分布式控制系统的电气工程施工过程中，要注重施工人员的素质水平。一方面，要及时做好施工人员的培训工作和教育工作。既要对具体施工人员进行定期培训，还要求其必须持有相应的执业资格证，又要使这些施工人员通过培训和教育不断提高施工技术，具备分层分布式控制系统的质量和安全意识，认识到电气控制系统工程的重要性，进而，保证电气控制系统工程的质量与安全。另一方面，还要在实际施工中，就控制系统的具体特点对技术人员讲解相应的施工技术。通过介绍整体电气控制系统工程的布局情况以及需要注意的问题等，让施工技术人员在控制系统构建过程中做到心中有数。再次，重视系统设计的质量控制除了设备材料的质量以及施工技术人员的素质外，电气控制系统的设计则尤显重要。因此，在进行控制系统工程设计时，首先要选择信誉度高、社会影响好的工程设计单位。并且，在开展具体的设计工作时，针对整个工程质量和安全要求以及具体的细节，建议施工单位的施工技术人员也要尽可能参与相关控制系统工程图纸的设计中来，然后，对已设计完成的图纸进行集中审核与论证，一旦遇有问题就应该及时解决问题。
其中，在审核时需要强调以下几点：第一，控制系统工程设计是否与国家相应的规定冲突，是否与整个工程质量和安全要求相符；第二，已经完成设计的图纸是否与工程施工的实际情况相符；第三，在控制系统设计过程中是否科学考虑相关材料的运用和具体线路的布置；第四，是否经济合理有效考虑了线路和总线的走向与架设方式；第五，是否考虑了控制系统工程与整体工程的协调性，是否出现控制系统工程与整体工程发生冲突。如果出现不协调和冲突，应该秉承整体工程的质量和安全，积极与设计单位进行必要的论证、协调，适宜解决。另外，在具体的施工过程中，不但要与其它施工项目进行协调，还要继续保持与设计单位的沟通，进而，保证控制系统工程的高效、高质进行。最后，提升工程安防的技术水平分层分布式控制系统的稳定性和可靠性，在不同程度上受到控制系统工程的安防措施制约。其中，尤其关键的是防雷设施。
4总结
分布式温度控制 篇7
为保障电网的安全稳定运行,2011年国家电网公司颁布了《光伏电站接入电网技术规定》,提出了在光伏电站配置有功功率控制系统(以下简称自动发电控制(AGC)系统)的要求[1,2,3]。当前光伏电站AGC是由厂站AGC直接对各光伏逆变器进行功率控制,这种站内两级控制结构虽然能基本满足集中式逆变器光伏电站AGC功率控制需求,但对于近年大量出现的含有组串式逆变器光伏阵列的大型光伏电站则遇到困难。原因是同等容量的组串式光伏阵列与集中式相比,逆变器数量是集中式阵列的几十倍。庞大的逆变器数量导致大型光伏厂站AGC系统在遭遇计算与容量瓶颈的同时,还存在功率调节过程中形成的大量遥调或遥控报文通信下发阻塞延迟严重问题,有时不得不放弃对部分或全部组串式逆变器方阵的功率控制,不利于光伏工程的推广应用。
目前,关于AGC的文献大部分都是针对调度中心或厂站AGC控制策略的讨论。文献[1]提到的分层是指在上层调度中心层面对各发电厂进行有功和无功的协调控制,下层在厂站层进行改进超前AGC的控制策略。文献[2]提出了针对火电机组AGC在含有大量新能源接入下协调配合策略。文献[3-6]提出在光伏电站建立AGC系统的必要性以及常规光伏电站AGC的一些优化策略和控制办法。文献[7-8]提出在构建分钟级时间尺度下的风电场与AGC机组分布式协同控制模型,以降低系统运营成本提高新能源风电消纳能力。这些文献提到的相关技术主要是对调度端AGC和发电厂内厂站级AGC进行优化控制,对厂站级以上AGC系统运行控制具有一定的指导作用[8,9,10,11],但未能指出并解决近年刚刚涌现的百兆瓦级含有组串式光伏逆变器的大型光伏电站遭遇到的上述AGC控制难题。本文在总结比较常规光伏电站AGC系统组网结构优缺点的基础上提出了针对含有组串式光伏阵列大型新能源电站的三层分布式AGC系统结构,提出在组串式光伏子方阵(以下简称方阵)中增设方阵AGC中间层并形成一体化多功能设备来解决以上问题。研究给出了方阵AGC功率分配算法以及与厂站AGC系统的配合策略,并给出了光伏电站现场测试与仿真应用结果数据分析,最后分析结果表明了分层分布式AGC技术可有效解决大型组串式光伏电站AGC系统相关问题。
1 AGC分层分布式结构
1.1 传统AGC结构
当前光伏电站AGC功率控制系统主要由光伏电站AGC系统、环网交换机、通信管理机和各方阵中的光伏逆变器组成。 对于典型的峰值功率为500kW的集中式逆变器,每个方阵(通常峰值功率为1 MW)中通常配置两台;而组串式逆变器峰值功率通常在20~40kW,同等容量的方阵通常含有几十台组串式逆变器。如图1 所示,进行AGC控制时,厂站AGC系统直接对各方阵中的逆变器进行遥调/遥控操作。在这些遥调/遥控指令通信报文经过通信管理机时,管理机将其作为通信过路指令或批处理指令协议转换转发处理[4,5,8,9,10,11]。因此,从逻辑上来讲,这种站内AGC系统是一种直接的两层控制结构。
相同容量的光伏电站,由于组串式光伏逆变器单台容量较小,而每台组串式逆变器的数据信息点容量又与大型集中式逆变器相当。这导致采用组串式逆变器的光伏电站AGC系统信息点容量需求暴增。据统计,同等容量的光伏电站方阵,组串式方阵中逆变器信息点容量大到接近集中式的30倍。这对厂站AGC系统数据库存储形成较大压力的同时,更为突出的是,厂站AGC系统每轮次控制中短短几秒钟内就会生成上万条AGC遥调/遥控指令(对应每台逆变器至少一条),这些瞬间海量的通信控制报文在网络中传输,以及在厂站级中心交换机网络、光伏区光纤环网和光伏区方阵的串口通信网络中传输下发都将导致出现通信阻塞问题,以致它们最终到达逆变器时延迟非常严重甚至出现报文丢失。实际工程中,AGC控制指令收发延时从集中式的5~6s增大为组串式的几十秒甚至几分钟,极大地降低了AGC系统的时效性和准确率。
因此,当前这种传统光伏电站AGC系统结构显然不能满足大型组串式光伏电站的AGC应用需求。
1.2 带方阵AGC的分层分布式组网结构
针对当前光伏电站AGC系统在组串式光伏阵列时出现的计算、控制容量和通信阻塞迟缓瓶颈等问题,本文提出在中间层增加一个方阵AGC而形成分层分布式AGC控制架构的设想,如图2所示。这样,厂站AGC系统仅需对中间层代表各方阵内所有逆变器的各方阵AGC进行功率控制计算与指令下发即可,而对各方阵内部大量的组串式逆变器的局部AGC控制计算则由各方阵AGC各自独立执行。通常一个组串式方阵峰值功率为1~2 MW,假设定义N为全站组串式方阵数目,定义M为每个方阵中组串式逆变器的数目(通常每个方阵含20~60台组串式逆变器)。采用分层分布式AGC架构后的效果相当于AGC功率控制计算由原来一台厂站计算机增加到N+1台机器进行并行控制计算与通信下发,同时厂站AGC以中间方阵AGC为基础,控制计算容量和通信遥控/遥调控制指令数目容量大大减少至原来的1/M(M为20~60),效果将十分明显。
基于该分层分布式架构,在传统方案下方阵中已包含箱变保护测控装置、通信管理机、环网交换机三个控制设备的基础上,还将需要在方阵中额外增加方阵AGC。直接物理设备的增加会带来安装和二次电缆接线设计等多方面的问题,不利于相关技术方案的具体工程实施与推广。为此,本文又提出将新设计的方阵AGC功能与保护测控、通信管理机、环网交换机四大功能进行一体化融合而仅形成一台发电单元智能一体化装置的设计思想。该装置可直接安装于光伏方阵的升压箱式变压器中,如图2中方阵J所示。
该分层分布式AGC及其一体化技术的优点是:有效降低厂站AGC系统功率控制计算容量;有效降低厂站AGC控制时下发的遥控/遥调指令数目,大大降低了通信阻塞概率;多方阵AGC并行同步计算控制与通信下发,时效性好;而且一体化方案下设备数量少,直接箱变安装还能有效节约额外的屏柜安装费用。
附录A表A1 中显示了以典型峰值功率为100 MW的光伏电站为例,采用行业典型集中式、组串式产品方案和带方阵AGC技术方案情况下的厂站AGC系统信息点数对比情况[12,13,14]。带方阵AGC的组串式光伏电站AGC每轮次生成下发的遥调/遥控指令数只有常规组串式的1/50,而且厂站AGC所需收发和计算的控制目标数也减少为原有的1/50。
2 方阵AGC功率分配控制策略
由于厂站AGC和方阵AGC是通过上下级密切配合以实现全厂AGC发电功率目标的一体化系统,它们之间需要一个上下级分工配合策略。厂站AGC系统通常装配于全站关口附近(升压站内),而方阵AGC则装配于各光伏方阵中,它们两者所处的数据逻辑环境主要有以下区别:① 厂站AGC系统有全站关口高精度电能计量总功率数据支持;②厂站AGC系统有气象和光伏功率预测数据支持;③厂站AGC有经纬度和GPS对时数据支持。而方阵AGC通常没有类似数据支持或相关数据可靠性和准确率低,不能作为通用可靠计算依据[13,14,15,16,17]。举个例子,能给厂站AGC提供全站关口高精度总功率数据是全站关口电能表对应方阵AGC,它理论上对应各方阵中的升压箱式变压器处的电能表;然而,由于成本等原因,绝大部分光伏工程中,方阵升压箱变处通常没有配置电能表,即使相应箱变保护测控装置提供类似功率计量等功能,也因其精度和通信等原因使得该数据不可靠,方阵AGC不宜采用这种数据作为关键数据源参与计算。因此方阵AGC的功率控制算法相比厂站AGC功率控制算法有很大的差异,值得重新深入研究。
基于上述两者数据环境的差异性,本文设计了上下级配合策略。考虑到上级厂站AGC系统通常能够获得发电厂/站总关口处的有功功率计量值,因此它可以围绕调度下发功率目标值与关口处实测出口功率值之差进行多次逼近计算控制[5,8,9,10,11,13,14]。这种多次逼近计算控制可以有效排除各方阵中的逆变器功率误差、损耗和少数逆变器未知发电功率情况(通信中断或异常)对AGC控制算法的影响[16,17,18]。因此,可以由上级厂站AGC系统来综合调节计算处理这些可能存在于各方阵中的功率误差、功率损耗等复杂情况对全厂AGC计算控制造成的负面影响;而各方阵中的方阵AGC仅需对方阵内与其保持正常通信的各逆变器进行计算控制处理。
假设在光伏电站的某个组串式光伏方阵中,共有n台逆变器,其中有m台(0≤m ≤n)不能参与AGC调控。这m台中有的是故障停机,其对应发电功率Pi=0;有的是通过控制策略主动关停,对应发电功率Pi=0;还有一类是正在发电中,逆变器向方阵AGC上送功率状态数据正常,但由于未知原因不能按功率调度指令进行功率调节的逆变器,这种发电功率值可由通信获知0<Pi≤Pimax;另一类是,逆变器还在发电,却与方阵AGC通信完全中断,这种发电功率值虽然实际上是未可知的0<Pi≤Pimax,但按前述上下级配合策略,方阵AGC针对这种无法通信的逆变器计算时也按故障停机Pi=0处理,由此造成的总功率统计计算误差由厂站AGC来平衡处理;另外还有一种是为了方便得知当前时刻同一方阵中同类逆变器最大可发有功功率值而定义的样本逆变器,该类逆变器除了在整个方阵关停情况下外将一直处于自然最大有功工作点,系统不对其进行有功调节。这样,方阵AGC算法的具体目标就是对本子方阵新增加(减少)的功率发电指标在剩余n-m台可调逆变器中进行新的功率分配。功率分配策略如下。
假设某时刻收到厂站AGC系统发送至本方阵的总功率为Pf。
式中:Punctrl为不能参与AGC调节的逆变器功率值;PAGC为参与AGC调节的功率值[8]。
由于逆变器从关机到启动需要较长时间(几秒至几分钟不等),因此为了AGC系统功率的快速跟踪调节,一般不直接关停逆变器,而是尽可能通过平均比例限制减小或提升各逆变器功率的方法来满足AGC功率目标变化的需求,这种控制策略定义为平均分配策略。对于极少数出现的严重限功率情况,也设计了可选择使用的允许关停或开启逆变器的算法来满足需求,这种会导致逆变器关机或开机的控制策略本文定义为自由控制策略。
2.1 平均分配策略
式中:Piset为在平均分配策略下每台参与调节的逆变器分配到的有功功率[8];Pimax为第i台逆变器当前光照下的最大发电功率,如逆变器运行在限功率模式下,其可发的最大功率值数据获得比较困难,一般采用类比策略通过同方阵同类其他逆变器同时刻自然最大发电功率状态获得,这也是采用样本逆变器的一个重要意义所在[18,19,20]。绝大部分情况下,同一个方阵中逆变器为同一类型,此时可认为各逆变器在当前同一时刻和光照情况下的最大发电功率值相同,这样式(3)可简化为式(4)。平均分配策略下方阵AGC装置只发送功率遥调指令。
2.2 自由分配策略
该模式允许方阵AGC装置根据目标功率大小和各逆变器的状态进行自由启/停机遥控操作。对各逆变器的指令由启/停机遥控和功率遥调两种指令组成。
1)关停策略
考虑到功率的平稳过渡以及尽可能减少遥控/遥调指令的频繁重复下发,关停逆变器策略设计如下。
假设在k时刻厂站AGC给本子方阵下发功率目标Pf(k),此前k-1时刻厂站AGC下发Pf(k-1),同时满足:
式中:ΔPmin为开启AGC调节的最小功率变化死区值;Pirate为逆变器的额定功率值;Tcls为关停逆变器策略的功率比例下限定值,可取值1020;Tspl-cls为关停逆变器策略的功率相对样本逆变器(自由发电)比例下限定值,可取值30~40。式(8)是为了防止限功率且低光照情况下目标功率值Piset(k)在接近样本逆变器当前最大发电功率附近时仍然去关停逆变器,以致造成剩余逆变器无法满足目标功率的不良后果。当限功率严重时,功率变化差可以通过关停多台(j台)逆变器来实现。
式中:j为需要关停的逆变器台数(取其整数),j台逆变器关停按运行时间长短顺序的依次选取;为方阵中当前参与AGC调节的所有逆变器的当前平均发电功率(同一方阵内同类型参与调控的各逆变器发电功率基本相同)。这些主动关停的j台逆变器置主动关停标志,作为方阵备用逆变器容量。注意,此时由式(7)、式(8)新计算出的Piset(k)值仅作为触发停机的条件,并不需真正向这些逆变器下发,待计算出来j台逆变器停机后(一般几秒钟),再在剩余的逆变器中进行实际的平均分配调整,算法参考式(4)。
2)开启逆变器策略
当子方阵中的方阵AGC接收到的发电功率目标值上升时,假设k时刻厂站AGC下发Pf(k),此前k-1时刻厂站AGC下发Pf(k-1),同时满足:
式中:Topn为开启备用逆变器容量的百分比高限值门槛内部定值,可取值7080;Tmgn为开启功率裕度比例。当同时满足式(10)至式(12)时,检查当前所有未参与AGC调节的逆变器列表中是否有备用运行的逆变器,如有则依据功率差额按Tmgn取值140%左右裕度开启j(计算值取整加1)台逆变器,这些逆变器按备用停机时间由长到短依次选择开启。由于逆变器启动时间较长,为了快速响应厂站AGC对本方阵的功率调度指令,此时要将计算出来的Piset(k)值立即向已处于运行发电状态的各逆变器下发,同时遥控开启计算出的备用逆变器。而且,为了使这些新开机逆变器的发电功率突增不对目标功率造成较大扰动影响,需要在后续指令中将这些正在启动的备用逆变器设置为最低运行功率值;后续再将方阵内所有可调逆变器按式(4)进行平均比例功率分配。
另外,对于方阵AGC上述两种典型分配策略,考虑到与组串式逆变器的通信一般为低通信波特率(如9 600bit/s)的RS-485串口通信,再加上光伏电站现场电磁干扰大,方阵AGC下发所有的遥调/遥控指令并不一定能得到所有逆变器的可靠执行。因此,在实际技术应用开发中,不管是厂站AGC还是方阵AGC侧,均可加入多轮次微调控制,有利于抑制各种误差与干扰。
3 应用情况分析
基于上述分层分布式AGC技术的光伏发电单元AGC智能一体化装置及其上级厂站光伏AGC系统已经开发完成,并且于2015年7月在宁夏某峰值功率为60 MW的光伏电站进行了联调测试应用。该工程中每个子方阵装有27 台型号为SG40KTL的组串式逆变器,其最大发电功率为40kW,额定峰值发电功率为36kW。这27台逆变器通过一体化装置的通信管理功能将信息汇总后通过光纤环网基于IEC 870-5-103协议上送厂站AGC系统和光伏区监控。同时方阵AGC基于方阵内所有逆变器形成方阵AGC虚装置,该虚装置可以理解为代表这27台逆变器的一个虚拟大型逆变器,仅含有方阵总功率遥测,总功率遥调及开关整个方阵逆变器的少量AGC相关信息点(相关信息点数目参考附录A表A1),因此厂站AGC系统只需要与每个方阵中的这一台虚拟大型逆变器进行通信配置与AGC控制计算即可,而不是原来的27 台逆变器。下面介绍该光伏工程现场采集实测数据和相关仿真模拟实验情况。
表1 为厂站AGC给该方阵分配目标功率为650kW时稳定后方阵实际发电功率和各逆变器实测有功功率值。除1号和10号逆变器为自然最大发电功率值的样本逆变器外,其余25台逆变器实发功率值均在目标值23.76kW左右,单台逆变器功率最大绝对误差为0.4kW,与逆变器额定容量的误差在1.6%左右;而方阵总输出功率和目标功率差值为1.93kW,误差为额定总容量的0.198%左右。方阵总额定功率Prate为972kW;方阵从厂站AGC接收到的本方阵总控制功率PAGC为650kW;方阵实际总功率Preal为648.07kW;方阵AGC分配给可调逆变器的平均功率Piset为23.76kW。
表2为方阵AGC在不同目标功率下的实测功率值和误差情况,从表中可以看出,在不同有功目标值下,平均控制策略均能使本方阵实际发出功率满足厂站AGC系统的要求,误差基本保持在0.2%以下,功率逼近效果十分良好。
另外,考虑到光伏现场逆变器故障停机和恢复等非正常情况可能对方阵AGC运行造成的影响,在光伏现场进行逆变器故障停机和恢复功能仿真测试,以测试方阵AGC对异常情况的响应速度,结果如图3所示。
图中先是模拟2台逆变器发生故障,功率为零退出运行,方阵AGC检测出逆变器故障方阵功率突降后,即对其他逆变器发送上调有功调节指令,因串口通信延时和组串式逆变器响应时间的影响,在前67s有功功率基本不变,随后本方阵有功功率逐渐爬坡递增,在经过40s后,重新逼近有功目标值;后续模拟2台自然满发逆变器通信故障后又恢复通信,与前述模拟故障时类似,方阵AGC检测到子方阵总功率突增后即对其他逆变器发送下调有功功率指令,此后方阵总功率逐渐减低,45s后使该方阵有功功率重新逼近有功目标值。
表3为自由分配策略下,切机前后的相关情况对比。程序设Tcls为20,当光照良好,有功功率目标值为500kW时,27台逆变器均正常工作,除1号和10号样本逆变器外,其他逆变器有功工作点设置为17.83kW。当厂站AGC系统下发有功目标值为200kW,自由分配策略下关停策略触发关停16台逆变器,并后续对其他继续运行逆变器有功目标值进行限定调节,关停后剩余逆变器设置功率为16.19kW。
图4所示为该工程现场10号方阵中方阵AGC7月23 日全天实测功率曲线图,其中蓝线为厂站AGC下发的方阵有功目标值,红线为方阵实际发电功率值,绿线为依据样本逆变器(1号和10号逆变器被配置为样本逆变器,自然最大发电)计算出的方阵总功率计算上限值。
由图中可以看出,在中间时间段,方阵目标功率值在小于方阵最大发电能力时,方阵AGC能够精准地控制各逆变器限功率到目标值附近(限功率模式);而在早晚不限功率情况下,AGC模块能快速让整个方阵自然最大发电,实发功率接近方阵理论计算最大发电功率值。现场应用情况分析表明,本文分层分布式AGC控制技术及其方阵AGC一体化装置达到了预期设计的效果。
2015年10 月,在内蒙古某光伏电站采用相关技术与产品并与多个其他厂家的逆变器完成了联调测试与应用,这些组串式逆变器型号包含SUN2000-33KTL和SolarLake 3000TL-PM等,测试结果与上文类似。
4 结语
本文针对当前含组串式逆变器的大型光伏电站中厂站AGC系统出现的控制计算容量瓶颈以及指令通信阻塞迟缓问题,提出在中间方阵层中增设方阵AGC的分层分布式AGC控制系统结构,并结合光伏方阵对其他保护测控、通信管理与通信环网功能需求形成了多功能一体化产品技术解决方案。对厂站AGC系统与方阵AGC之间的配合协调策略以及方阵AGC功率分配和启停控制策略进行了讨论并提出了相关算法。仿真和工程现场测试分析表明了相关技术的有效性。
所提出技术还可以考虑与保护测控技术进行跨界深度融合,比如针对方阵升压箱变处的汇流断路器,可设计带强制性并具备保护毫秒级开断速度的紧急功率控制措施,以及结合逆变器与汇流箱的一些智能控制与告警功能。在该分层AGC技术基础上,还可以基于各方阵中的样本逆变器建立逐级累加上送的超短期光伏预测功率系统,可以建立以方阵为单位的向上级厂站AGC进行发电功率请求的系统,提高光伏利用效率。这些技术都将有利于提高光伏电站对于调度AGC功率控制指令执行的准确性和时效性,还可辅助提高当前光功率预测系统准确度,值得进一步研究。
分布式温度控制 篇8
在实际应用的很多场所都需要进行温度监测。目前, 这些系统大都采用有线的方式, 在各点安放温度传感器。但在有些情况下, 监测点较多, 布线、维护困难, 容易导致损坏;或者有时候布线比较困难, 如果使用无线的方式进行数据采集和传输, 效果将会得到很大提高。目前, 发展前景最大的无线网络技术是基于802.15.4标准的Zig Bee无线网络技术。Zig Bee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据率、低成本的无线网络技术, 它是一种介于红外无线技术和蓝牙之间的技术提案。Zig Bee技术出现以前, 无线方式下各测量节点的供电成了非常难以解决的问题, 比如采用电池供电需要不断的更换电池。这种情况下, Zig Bee技术低功耗的特点可以最大限度地延长电池使用寿命, 所以, 使用Zig Bee无线采集方式能够满足要求[1]。
2 系统分析与结构设计
Zig Bee一开始就是被用来设计构建包括监测温度装置、安全装置、家用电表装置等小型设备的近距离通信的无线网络。作为系统的温度监测节点, 其覆盖范围大约在半径10~80m以内, 具有低功耗特性, 同时协议实现简单且免受专利费, 工作频段为免执照频段等。这为本系统的设计, 提供了最大方便的可实施性[4]。与其他无线技术相比比如蓝牙技术, Zig Bee具有的低功耗特性的优势显露无疑。
对于系统而言, 降低无线节点功耗的方法就是尽量减少其MCU (微控制单元) 、无线收发芯片的活动时间, 延长它们睡眠的时间, 但这需要处理好主节点和从节点之间的数据传输, 考虑系统的响应时间和功耗的关系。这里介绍一种可行的方法:主节点按一定周期、顺序“呼叫”各个从节点, 各从节点“定时”从睡眠中醒来。最理想的情况是, 某节点醒来的时刻收到主节点对它的呼叫, 于是, 从节点回答数据后再次转入睡眠状态。这样, 它处于活动的时间最少, 因而功耗最低。但是, 如果从节点醒来时已错过主节点对它的呼叫, 必须一直等待到主节点的下一次呼叫, 必将大大延长从节点处于活动状态的时间, 从而大大增加功耗。从节点从睡眠中本来时刻的准备性取决于双方时钟的一致程序。
对于这种应用, 系统采用飞思卡尔公司提供的飞思卡尔802.15.4解决方案。下面主要介绍系统结构设计过程中的硬件结构和相应的实现方案。
系统主要由一台温度数据集中器 (Zig Bee协调器) 和安装在各处的温度监测点 (Zig Bee设备) 组成一个星型结构网络。Zig Bee网络协调器通过发送超帧使各Zig Bee设备和它同步, 并使Zig Bee设备周期性地进入低功耗状态, 以达到节电的目的。温度监测节点将实时的温度值通过无线信道传送给Zig Bee网络协调器, Zig Bee网络协调器再通过串行接口或者以太网与PC机连接, 以实现各点温度的实时监测。系统结构如图1所示。图中Zig Bee协调器 (即数据集中器) 与Zig Bee设备 (即温度节点) 之间的虚线表示它们是通过无线方式连接的。而Zig Bee协调器与PC机相连的实线表示由该数据集中器采集到的数据最终传给PC机[1,3]。
2.1 温度检测节点
温度监测节点的结构相对简单, 它是一台Zig Bee精简功能设备, 主要由温度传感器、MCU和Zig Bee收发器组成。温度传感器采用一线器件DS18B20, 其温度测量范围为-55~125℃, 它本身输出数字信号, 无需外部信号放大电路和A/D转换器等, 与MCU的接口也非常简单;MCU采用飞思卡尔的MC9S08GT32;Zig Bee收发器采用飞思卡尔公司的MC13192[3]。图2给出了Zig Bee收发器MC13192和MCU相连的基本应用框架结构。
由于温度监测节点采用电池供电, 需要尽量延长电池的使用寿命, 所以, 功耗管理是一个难点。利用Z i g B e e的低功耗特性可以较好地解决这一问题。在总线频率为8MHZ时, MC9S08GT32的平均工作电流为6m A, MC13192的最大工作电流为40m A, DS18B20的工作电流为1.5m A, 完成一次温度测量需要约为100ms;MC13192在Hibernate状态的电流为6µA, MC9S08GT32在STOP状态下的最大电流为10µA。由于对温度监测的实时性不强, 因此可以选用较长的超帧周期, 以使各监测节点处于低功耗睡眠状态的时间较长, 并尽量减少工作电能的需求。这里取信标号位14, 对应的信标周期为251.65824s, 超帧序号取0, 对应的活动时间为15.36ms, 每台Zig Bee设备仅使用其中的一个时隙, 时间为15.36ms÷16=0.96ms, 占空比约为0.000003815。照此计算, 在一个信标周期里消耗的电能估算如下:
一天共有24×3600÷251.65824=344个信标周期, 共耗电 (0.00000123+0.00112+0.00021) mAh×344=0.46mAh, 一只750mA h的电池可使用750÷0.46=1630天=4.45年。当然上述计算只是理论上的, 考虑到漏电、信道访问时冲突引起的数据重发等因素, 实际使用时间可能会短一些, 但也能确保将更换电池的时间控制在可以接受的范围内。
本方案中的温度测量使用DS18B20, 其优点是电路简单。但它完成一次温度数据的测量、转换需要的时间较长, 大约在几毫秒到几十毫秒之间。如果改用AD590或者热敏电阻器等, 利用MCU内部的A/D转换器实现温度数据采集, 则需要的时间要短很多。由于本系统采用的设计方案是尽量简单的实现温度监测系统的基本功能, 故考虑的温度节点不会很多, 因而对于系统总体运行周期所花的时间将不会影响到整体效果。从图2中可以看出, 该温度监测节点的结构非常简单, MCU的大部分I/O引脚没有使用, 将来如果改用内部集成了MCU的Zig Bee芯片MC1321x, 则结构可进一步简化, 成本可进一步降低。MC13192的SPI接口直接与MCU的SPI接口相连接, 接受和发送使用PCB天线;DS18B20连接在MCU的一个I/O口上。整个温度监测点包括电池在内的总体尺寸很小, 大约在1cm×4cm×6cm左右, 非常便于实际应用中的安放与操作。
2.2 数据集中器
数据集中器是一台Zig Bee全功能设备, 作为网络协调器, 在此星形网路中起着非常重要与核心的作用。它将负责启动整个无线网络, 建立连接, 承担着采集各温度监测节点的数据及上传的任务。根据需要支持与其连接的温度监测节点的数量不同, 需要的资源也有所不同。由于本系统设计的温度监测节点不是太多, 选择使用飞思卡尔公司的MC9S08GB60。MC9S08GB60内有64K FLASH和4K的E2PROM, 高度集成了四个串行通信端口 (SCI1, SCI2, SPI, I2C) 最多有8个定时器, 8个通道的10位A/D转换模块[3]。图3为MC9S08GB60的整体结构框图, 显示了所有主要外设系统和外设引脚。
由于本系统重点考虑到如何尽量的降低功耗节省电力, MC9S08GB60芯片提供低功耗模式, 包括停止和等待模式, 这正好符合系统设计的思路。下面介绍在等待模式下, 芯片是如何工作的。当执行WAIT指令时, 即可进入等待模式, 此时, CPU进入没有时钟的低功耗状态。CPU进入等待状态时, CCR寄存器里面的I位将被清零并允许中断。当有中断请求发生, CPU就脱离等待模式, 继续正常处理, 从相应的中断服务程序开始允许。在等待模式下, 只有BACKGROUND命令和存储器访问状态命令可用。一旦有访问状态命令要访问存储器, 它会报警说明CPU在等待模式, 此时, BACKGROUND将会唤醒CPU使它脱离等待模式, 进入下一个模式或状态。
所以, 当数据集中器处于工作或者需要它工作时它会切换状态, 并根据不同的命令, 不停地调整与切换。这与温度监测节点中从工作状态到休眠状态不停切换的过程, 是非常相似的[4,5]。
3 软件设计
由于该Zig Bee无线网络只需使用到一台网络协调器, 因此网络层的功能要求将会大大降低, 只需要负责管理网络中的Zig Bee设备即可, 而不需要寻找可能存在的其他网络, 如此便降低了系统实现的难度。
网络中建立的设备具有父设备和子设备的从属关系。当一个新的设备向网络中已经存在的设备发出连接请求并将建立了连接后, 则称新的设备为子设备, 原来的设备即是父设备。系统工作可以从两方面来看, 一是作为Zig Bee网络协调器的数据集中器, 它处于网络中的父设备状态;相应的, 温度监测节点是子设备。
3.1 父设备与子设备流程
Zig Bee协调器使用MAC层将一个设备同它所在的网络进行连接, 其流程由来自于MAC层的MLMEASSOCI ATE.indication原语来进行初始化。仅仅当这些设备为协调器即数据集中器, 并且允许同网络连接的设备时, 才能执行这个流程。如果设备为温度监测节点, 网络层管理实体将终止这个流程。
当这个流程开始后, 父设备的网络层管理实体首先将要确定设备是否愿意同已经存在的网络连接。为了确定这一点, 网络层管理实体将会搜索的邻居表以确定是否能找到一个匹配的64位扩展地址。如果搜索到相匹配的地址, 则网络层管理实体将检查在邻居表中给定的设备能力是否匹配设备类型。如果设备类型也匹配则网络层管理实体将得到一个相应的16位网络地址, 并且向MAC层发送连接响应。如果设备类型不匹配, 网络管理实体将移除邻居表中设备的所有记录且重新启动MLME-ASSOCIATION.indica tion。如果搜索不到相匹配的地址, 如果可能, 网络管理实体将分配一个16位的网络地址给这个新设备。
如果同意连接请求, 则父设备的网络管理实体将使用设备所提供的信息在它的邻居表中为子设备创建一个新的入口。并且随后向MAC层发送表明连接成功的MLME ASSOCIATE.response原语。MLME-COMMSTATUS indication原语将传送给子设备的响应状态回到网络层[2]。成功将设备同网络连接的流程如图4所示。
3.2 系统工作流程
对于父设备数据集中器, 它需要先开始工作。上电后, 它首先初始化协议栈, 然后进行能量检测, 扫描并选择合适的信道, 之后启动协调器;如此便可以允许Zig Bee设备与Zig Bee协调器相连, 接受它们传输的各节点的温度值, 并将温度值传输给PC机。对于温度监测节点, 它上电后首先进行信道扫描, 寻找网络协调器, 找到协调器后向它发送连接请求, 然后与协调器建立连接。连接成功后, 它即通过协调器发送的信标与协调器实现同步, 开始按周期采集本次的温度值, 并将测量值传送给协调器[6]。图5所示 (a) 为父设备数据集中器的工作流程图, (b) 为子设备温度监测节点的工作流程图。
4 结论
实验表明, 上述软、硬件设计方案是成功的, 它可以用在各种需要实现分布式温度监测的场合, 也可以用来监测湿度或其它物理量。此方案使用于不易铺设通信线路或供电难于解决的场合, 如大型粮库温度监测, 温室大棚、湿度监测和田间数据采集等方面。
参考文献
[1] IEEE 802.15.4 2003.Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) .http://www.ieee.org.
[2] ZigBee Specification.http://www.ZigBee.org.
[3] MC13192 and MC9S08GB60 Reference Manual.http://www.freescale.com.
[4]孙利民等.无线传感网络[M].北京:清华大学出版社, 2005.
[5]张平, 康桂霞, 田辉.甚低功耗无线通信技术-ZigBee[J].中兴通讯技术, 2006, (8) :21-23
一种分布式系统动态流量控制方法 篇9
关键词：流量控制,分布式系统,动态调整
现在的联机交易系统通常都采用分布式架构,多台服务器同时处理交易,使用一台或多台数据库服务器存储交易数据。
为了保证系统能在过载(即单位时间内交易请求的数量超过了系统可以处理的最大交易量)时仍然可以正常运行,通常都需要设计过载保护功能,即流量控制。
1现有流量控制技术的方案
分布式交易系统的特点为多台服务器同时处理交易。通常,每台服务器均和外部系统有一条或多条连接(有些系统会单独设置通信服务器负责通信连接),如果要统计总体负载和某一特殊分类的负载情况并进行流量控制,就需要分别统计各台服务器各条线路的负载情况并对统计数据进行合并与分析,系统设计较为复杂。
现行通常较为简单的流量控制方法为每台服务器的每个线路均配置一个单独的流量控制参数,该参数仅用于判断其对应的线路流量是否超过该限制,如果超过,则采取相应的流量控制策略进行限流,以确保系统的正常运行。
现行做法较为简单,容易实现,但仅能实现对一条线路单独进行的流量控制,不能实现单机多线路和多机多线路的分类集中流量控制,流量控制方式较为单一,不能满足多样化的流量控制需求。
2动态流量控制技术的方案
为简单起见,以下所述的联机交易系统,假设通信和交易处理均在同一台交易处理服务器。
假设一个典型的分布式交易系统的架构如图1。
为了实现动态的流量控制,需要增加两类控制设施:流量分析器和流量调节器。
流量分析器:通过对交易数据库中一定时间内的交易进行统计,结合线路的分组情况(需要提前配置,也可在系统运行中动态调整),计算当前分组的负载情况并判断是否需要进行流量控制,如果需要控制,则将流量控制的修改值通知流量调节器进行生效。流量分析器只部署一个即可实现流量控制功能,本文为简单起见,采用一个流量分析器的方案。
流量调节器:接收流量分析器传递的流量控制参数,并通知和修改对应线路的流量控制参数,实现流量的控制。流量调节器需要在每个交易处理服务器进行部署。
为了实现流量的分组多样化控制,需要设计3层流量控制参数,分别为:
(1)线路最高限流(单条线路允许的最大限流值,该值固定,不会随着分组流量控制的动态调整而调整)。
(2)线路动态限流(单条线路临时允许的限流值,该值随流量分析器的调整而调整,最高不超过线路最高限流)。
(3)分组最高限流(单个分组允许的最大限流值,该值固定,不会随着分组流量控制的动态调整而调整)。
在加入上述两个设施后,交易系统的架构如图2。
2.1流量统计与分析
当交易通过某条线路进入交易处理服务器时,交易处理器需对交易做处理,将处理该交易的线路ID一并记录在数据库中,以便流量分析器统计时使用。
流量分析器定时(具体周期可视实际情况设置)访问数据库服务器,统计各条线路当前交易流量,再根据分组规则计算各分组当前交易流量,并判断是否超过设定分组控制流量值,如果超过,继续计算出新的流量控制值并通知流量调节器进行调节。
流量分析器如果发现当前分组流量未超过限额而分组内某条线路已经达到该线路的线路动态限流时(达到线路动态限流时,可能存在线路的外部实际请求流量大于当前实际流量而由于线路的流量控制而导致不能充分处理的情况),需要将该线路的动态线路限额调大,以便充分利用线路负载。
示例:
每台交易服务器每条线路最高限流300(初始线路动态限流同线路最高限流),每台服务器两条线路为一个分组(线路1和线路2为分组1,线路3和线路4为分组2,线路5和线路6为分组3),每个分组最高限流为400.
具体的调整策略可以视实际需求而定,例如,按分组内各线路流量占有比例等比例调小,选择分组内最大流量线路单独调小等。如按分组内各线路流量占有比例等比例调整,则分组1中线路1的线路动态限流将调整为222,线路2的线路动态限流将调整为178.
若一定时间后,线路1的流量下降为100而线路2的流量不变。流量分析器统计发现此时分组1的实际流量278未达到分组最高限流400,整个分组流量资源仍有余量122,可以根据一定策略(如单独为满负荷线路调高线路动态限流,分组内各线路按照当前流量所占比例等比例调高等)调高相关线路动态限流。如按照等比例调高方式,则分组1中的线路动态限流将被调整为144,线路2的线路动态限流将被调整为256.如果调整后线路2仍然满负荷,则可以根据上述策略再进行调整,直到线路2不再满负荷运行或达到该线路最高限流。
2.2流量调节
流量分析器根据判定结果,将调整线路动态限流值通知相关流量调节器,流量调节器接收数据后,修改相应线路的参数(通常存储在文件,内存等位置),使该调整生效。
2.3分组与多样化控制
3层流量开关的关系,如图3图示(按示例中分组划分)。
分组的组合,可以根据实际需要定制,最小粒度下每条线路为一个独立分组,最大粒度下所有线路为一个分组。即使管理不同服务器上的线路,也只需要根据实际情况进行分组即可。如果要实现在系统运行中分组的动态管理,也只需要在运行中对分组和相应线路进行调整即可。例如:
若要实现单机多线路的控制,则将线路1和2,3和4,5和6分别配置在一个独立分组中即可。
若要实现多机多线路的控制,则将相应的线路配置在一个独立分组即可,如分组1配置线路1,3和5,分组2配置线路2,4和6分别配置在一个独立分组中,每个分组即可实现跨机管理相应线路的流量。
3结语
分布式温度控制 篇10
为推广中小型清洁能源的应用,微电网的概念[1]被提出,旨在将密切相关的分布式能源、负荷、储能装置结合起来作为一个整体加以控制。微电网研究已得到高度重视,如欧盟的“Microgrid”和“More Microgrid”研究计划、美国CERTS研究计划等。我国在分布式发电技术[2]、分布式电源与配电网的协同工作[3,4,5]、分布式电源的单元控制[6,7]等方面取得了一些成果,对直流微电网[8]和交流微电网[9,10]也开始了探索性研究,这些为进一步开展微电网的研究奠定了基础。
微电网可运行在自治模式和并网模式,后者有配网作为无穷大母线,控制较前者简单。自治微电网的控制包括分布式的微电源单元控制和集中式的全局控制。单元控制研究多集中于基于逆变器并网的微电源,控制策略多基于斜率方法[11],利用频率-有功曲线和电压-无功曲线来保证有功和无功平衡,该控制方式是稳定的[12]。全局控制可采用三级控制[13]:就地控制保证微电源频率和电压输出特性;二级控制以一次调节的结果为基础提高电能质量;三级控制保证所有发电单元边际成本的一致以实现经济运行。其他的研究包括了基于多主体平台,利用对称指定法实现潮流优化[14];考虑安全性、经济性、污染和用户需求的多目标优化等[15]。
现针对自治微电网,提出以节点电压作为控制对象实现微电网中负荷平衡和储能式电源充放电的分布式控制。与文献[11]采用频率作为有功控制指标不同,本文的方法可保持频率的恒定,而只是存在微小的电压波动,提高了微电网的电能质量。
1 微电网的一般模型
微电网通常由微电源、负荷和线路网络组成。其中,微电源大致可以分为可控电源、不可控电源和储能式电源。基于逆变器并网的微电源无功输出可以迅速调节,而有功输出则存在不同的特性:可控电源是主动式的发电设备,如燃料电池、微型燃气轮机等,其有功输出可按照设定进行调节,调节的时间常数通常为几秒到几十秒;不可控电源主要是清洁能源,如太阳能、风力发电等,其有功输出取决于不可控的外部能源(风速或光照),虽可利用储能环节在短时间内稳定有功输出,但不能长期发出稳定的有功;储能装置(飞轮、蓄电池、超级电容等)可快速调节有功输出,但是输出的持续能力取决于其储能容量的大小。由于微电源一般通过直流环节逆变后并网(旋转发电设备一般也是整流为直流后逆变并网),现只考虑通过逆变器并网的微电源,其一般模型如图1所示。
发电装置(储能式电源没有该组件)向储能装置注入有功Pg。可控电源的有功注入可建模为
其中,Pgset为发电装置的有功输出设定,τ为时滞环节的时间常数。不可控电源中发电装置发出的有功由外部输入确定,可建模为稳态分量、缓变分量、周期分量和随机分量的线性组合。
储能装置根据运行模式向逆变器输出或吸收有功,其储能状态W(飞轮的动能、超级电容的电能或蓄电池的化学能等)的动态可建模为
其中,Pc表示逆变器吸收的有功(储能式发电单元没有发电装置,有Pg=0)。
本文将逆变器建模为无损的能量转换装置:
表明其发出的有功Pinv与储能装置输出的有功相同。逆变器发出的有功和无功通过并网电抗注入微电网,电抗中的电流动态为
其中,r、L为电抗的电阻和电感值;id、iq为电感电流的d、q轴分量;ed、eq为逆变器侧电压的d、q轴分量;ud、uq分别为网侧电压的d、q轴分量。
微电网中线路通常用RL模型来表示,忽略线路的动态,微电网中节点电压和电流满足如下代数方程:
其中,U=(U 1T…UnT)T,I=(I1T…InT)T分别为节点电压和电流向量,Ui=(udi,uqi)T,Ii=(idi,iqi)T分别为节点电压和电流的d、q轴表示。导纳矩阵为
它由线路阻抗矩阵确定:
其中rij、Lij为连接节点i、j线路的电阻和电感。
负荷模型可采用电压静态ZIP模型,即恒功率、恒阻抗和恒电流负荷的组合。该模型只是在额定电压UN附近有效,在电压低于一定水平时只包含恒阻抗负荷,负荷有功和无功分量PL、QL为
其中,为节点电压的幅值。
仿真中需考虑负荷的变化,为避免负荷突变,可将负荷系数变化加上一个0.2 s的时滞环节,有
其中,Piset、Qiset表示负荷各次电压的稳定设定值。
2 微电网的分布式电压控制策略
微电网控制包括针对整个微电网的控制策略和为实现上述控制策略而对微电源实施的单元控制。控制策略需要保障系统功率平衡并实现储能式电源充放电的分布式控制。针对前者,由于负荷的有功和无功需求均为节点电压的函数,可以通过稳定负荷节点的电压水平来满足其负荷需求。由于微电网规模一般较小,节点间的线路长度有限,因此各节点之间的电压差不大,只要电源节点的电压维持在合理水平,则负荷节点的电压也可以得到有效的保障。针对储能式电源的充放电控制,可以通过调低(调高)节点电压来实现有功输出(输入)。
针对不同类型电源的特点,同时考虑到储能单元的储能水平应该在一个合理的范围内波动,本文采用如下的电压控制策略:
a.采用一个工作在电压调节模式的可控电源负责长时间内有功平衡,即负责弥补不可控电源与负荷之间的有功缺口,同时在储能装置缺电时对其充电,其通过有功输出调节本地的节点电压,其无功输出为设定值;
b.利用一个工作在电压源模式的储能式电源(具有较快的调节速度)用于短时间内的有功和无功平衡,其通过调节逆变器输出电压的幅度(相位保持不变)来维持节点的电压水平;
c.任意个工作在有功调压模式的储能式电源,用于维持电网短期内的电压水平,其通过有功输出调节本地的节点电压,其无功输出为设定值;
d.任意个不可控电源,其工作在有功跟随模式,即将外部输入的能量等额的注入电网,同时发出给定的无功,从某种意义上而言,其可以认为是负的有功负荷。
由于节点电压需要满足式(5)给出的代数约束,为保证系统平衡点的存在,各节点的电压设定需要动态调节,可以采用如下方式:
a.可控电源的节点电压设定为额定值;
b.储能式电源的电压的设定值与其储能水平联系起来,有
选取函数f,令其满足df/d W<0,则可实现电压水平稳定和储能式电源充放电的分布式控制。
在短的时间尺度下,受控电源有功增加存在较大的延时,可以认为其输出有功不变,不参与电压调节;储能式电源则按照由储能水平确定的节点电压设定来调节其有功输出,由于调节曲线的不同,不同的储能式电源对有功输出的分担比例可以稳定在一个平衡点,整个微电网的电压水平由储能式电源主导。
在长的时间尺度内,若不考虑不受控电源和负荷变化的影响,则受控电源最终将会将其节点电压稳定在额定值,从而将整个微电网的电压水平稳定在额定值附近,同时间接保证了储能式电源储能水平也在额定值附近。
3 微电源的单元控制策略
不同微电源控制目标不同,需要采用不同的单元控制策略。
受控电源通过注入网络的有功来调节节点电压,功率控制需要通过对并网电抗的电流控制来实现,可采用如图2所示的双环控制。外环电压控制根据节点网侧电压幅值U及其设定Unset来调节发电装置的有功设定,采用PI控制:
内环功率控制的目标是将发电机输出的有功和设定的无功注入电网,其又分为有功设定控制和电流控制2个部分。有功设定控制需要确定逆变器注入电网的有功设定Pnset,使其与发电装置输入功率Pg保持一致,由于二者通过储能装置耦合,因此可用储能装置的储能水平作为控制对象来实现有功输出对输入的跟随(针对具体的储能装置,如超级电容或飞轮,可以用电压和转速来确定储能水平)。采用PI控制,有
其中,W、Wset为储能装置的储能水平及其额定值。
电流控制器通过注入网络电流的调节来发出设定的功率,其结构如图3所示。
输出电流的设定值idset、iqset由输出功率的设定值Pnset、Qnset和电网电压确定:
基于电流设定,可用PI控制器实现电流调节,考虑到电流状态方程之间存在交叉耦合,可以通过反馈补偿来实现电流的解耦控制,其控制为
不可控电源根据发电装置注入的有功和设定的无功向电网注入功率。除了没有电压控制环外,其控制与受控电源一样。
储能式电源可工作在有功调压模式和电压源模式。有功调节模式的控制如图4所示,其中电流控制与受控电源一致;电压设定调节确定节点电压的设定值Uset,使其与储能水平成反比,利用本地节点电压水平反映本身的储能水平,从而间接控制受控电源的有功输出,实现储能装置充放电的分布式控制。本文采用的调节方式为
W、Wset为储能装置的储能水平及其额定值,k为调节系数,UN=1 p.u.为额定电压。电压控制器用来确定储能单元发出的有功以调节节点电压,采用PI控制,有
工作在电压源模式的储能式电源通过逆变器侧的电压来维持节点电压,其控制如图5所示。
其中的电压设定环节与有功调压模式一致。而节点电压的调节则直接通过逆变器侧输出电压来进行调节,采用PI控制,有
由于eq始终为0,其实际上是一个电压幅度调节,而相位不变的电压源。
4 微电网分布式控制仿真
仿真的微电网如图6所示,包含4个电源节点(G1~G4)和一个负荷节点(L1)。仿真时间为0~3000 s,由于仿真的开始时间段是一个动态平衡的建立过程,后期是为了验证控制策略的电压调节能力,因此截取了250~1 250 s作为展示(对应图示中的0~1 000 s)。仿真参数均采用标么值。
线路1~4的电阻及电感分别为(0.02,0.005)、(0.01,0.008)、(0.01,0.005)和(0.01,0.002)。所有电源并网电抗的电阻和电感为(0.001,0.01),电感的初始电流为0,储能装置的初始储能状态与其设定值相同(上述初始状态均相对于绝对时间0 s,即图中仿真开始前250 s),电源G2~G4中电流PI控制器的比例和积分系数为(1,0.3)。
电源G1为电压源模式的储能式电源。其储能设定Wset=250,电压设定值调节系数,电压PI控制的比例和积分控制系数为(1,0.1)。
电源G2为受控电源,其储能水平和节点电压PI控制器的比例和积分控制系数分别为(1,0.1)和(50,0.1),有功调节的时间常数为10 s。
电源G3为有功调压模式的储能式电源,储能设定Wset=100,电压设定值调节系数k=0.1,节点电压PI控制器的比例和积分控制系数分别为(10,0.1)。
电源G4为不受控电源,有功输出调节PI控制器的比例和积分控制系数为(0.2,0.01)。其外部能量输入为稳态分量、缓变分量、周期分量和随机分量的叠加:稳态分量幅度为0.5;在100~300 s和300~500 s期间分别有一个0.001/s和-0.001/s的缓变分量;在100~500 s期间有一个幅度为0.2,频率为100π的周期分量和幅度为0.1的随机分量。
负荷L1考虑了2种不同负荷比例SL1、SL2:
基于上述负荷比例,负荷水平的时间分布为:在0~100 s和700~1 000 s期间,负荷水平为SL1;在100~300 s期间,负荷水平为1.1SL1;在300~500 s期间,负荷水平为0.8 SL2;在500~700 s期间,负荷水平为0.7 SL2。
系统1000 s的仿真结果如图7~10所示。系统的无功状况如图7所示,在仿真期间,电源G2、G3、G4发出的无功Q2、Q3、Q4只是在负荷发生变化时有一个小幅波动,其他时间均稳定在给定值0.05;电源G1作为电压源平衡负荷的无功需求,其发出的无功Q1很好地跟踪了无功负荷Q5。
有功状况如图8所示。其中储能式电源G3发出有功的趋势与G1类似,只是因为G1起到了主要的稳压作用,所以其变化不如G1明显;不可控电源G4只是简单地将外部有功输入注入电网(由于内部储能装置的滤波,其有功输出高频波动极大减小),是一个“负”有功负荷,对电网电压没有调控职能。下面只讨论电源G1和G2的情况。
阶段1(0~100 s),G1与G3、G4共同发出有功平衡负荷的有功需求,由于G1输出有功,其储能水平下降,相应的电压设定也下降,导致整个系统的电压水平下移(见图9;因节点4的电压不受控,故图中未给出);G2由于其节点电压高于额定值,不发出有功。
阶段2(100~300 s),由于负荷突然增大,将整个系统的电压拖低,G1发出有功瞬时下降,然后通过逆变器电压的调节迅速调高节点电压以平衡突然增加的负荷需求,其后随着G2和G4输出有功的增加,加之其本身电压设定随储能的减少逐步调低,其发出的有功逐步趋近于零;G2在100 s时节点电压低于额定值,开始发出有功,并随着储能单元有功输出的减少逐步增加有功输出,在该时间段的后期,由于G4有功的增长超过储能式电源有功的减少,所以其发出的有功有一个下调趋势。
阶段3(300~500 s),负荷水平降低导致G1的节点电压提高,它通过逆变器电压的调节迅速调低节点电压以吸收有功,从而将节点电压稳定,由于吸收有功造成储能增加,其节点电压设定逐步提高,吸收的有功趋近于0;由于G1提高了系统的电压,G2随着储能单元吸收有功的减少逐步减少有功输出,在该时间段的后期,由于G4发出有功的减少超过储能单元吸收有功的减少,所以其发出的有功有一个增加趋势。
阶段4(500~700 s),G1有功变化趋势与阶段3类似;G2随着储能单元吸收有功的减少逐步减少有功输出,由于该段时间内G4发出恒定有功,所以G2发出的有功始终保持下降趋势。
阶段5(700~1 000 s),负荷增加使得G1在节点电压突降后迅速提高有功输出以抬高节点电压,随后,G2开始逐步提高其有功输出以平衡负荷的有功需求,G1则逐步减少其有功输出趋近于0。
系统电压的变化如图9所示,各节点电压由于网络的约束而呈现同样的变化规律,即随着负荷需求的增大(减少)而降低(增高),但是变化的范围不大,基本处于额定电压附近。需要指出的是,在1 000 s时,微电源G2的节点电压U2仍然没有调整到设定值,这主要是因为储能式电源惯性较大,导致其电压设定值调整较慢,在实际仿真中,维持负荷水平和不可控电源的功率不变,需要仿真至3 000 s时才能调整到位。由于电压离额定值偏离较小,故不会对系统运行造成影响。
图10给出了微电源的储能变化情况,可以看出它们与其节点电压有着类似的波形,随着电压的波动在额定值附近调节其储能水平。
5 结论
研究表明,针对不同类型微电源的特点,可以让其工作在受控电源、不受控电源、电压源型储能式电源和有功调压型储能式电源等模式。同时,针对每种运行模式明确其在微电网中的职能,并针对不同的职能制定相应的单元控制策略。采用上述思路,以节点电压作为控制目标,可以实现微电网的分布式控制。各微电源通过本地电压的调节,一方面保证了负荷节点的电压水平,从而能够适应负荷的变化,另一方面储能装置也能够实现充放电的分布式控制。仿真结果表明本文给出的方法可以满足小规模微电网实用化要求。
分布式温度控制 篇11
关键词：层式通风;垂直温度分布;节点模型;能量平衡
中图分类号：TU831.8 文献标识码：A
AMethodtoPredictVerticalTemperatureDistribution
inaStratumventilatedEnvironment
HUANChao1，WANGFenghao2，WUXiaozhou2，LINZhang3，WANGZhihua1，WANGGuan2
（1.SchoolofEnergyandPowerEngineering，XianJiaotongUniv，Xian，Shaanxi710049，China;
2.SchoolofHumanSettlementsandCivilEngineering，XianJiaotongUniv，Xian，Shaanxi710049，China;
3.BuildingEnergy&EnvironmentTechnologyResearchUnit，DivisionofBuildingScience
andTechnology，CityUnivofHongKong，HongKongSAR，China）
Abstract：Asanewenergysavingairsupplymode，stratumventilationsystemhasnotbeenwidelyappliedduetoinadequatetheoreticalsupport.Amathematicalmodelbasedonthecharacteristicsoftheindoorairflowwasestablishedtopredicttheverticaltemperatureprofileinastratumventilatedroom.Bycombiningthecharacteristicsofindoorairflowwithmassandenergyequilibriumequations，thismodelgavethequantitativerelationshipbetweenindoorverticaltemperaturesandboundaryconditionssuchasheatsource，enclosureradiationandsupplyairparameters.Acomparativestudyshowsthatthepredictionsofthismodelfittheexperimentvalueswell.Themodelcanrepresentthepracticalverticaltemperatureprofilesinastratumventilatedroom.Theanalysesindicatethatthisproposedmodelhasacceptableaccuracyandcanbeusedforpracticalengineeringdesignsandenergyconsumptionanalysis.
Keywords：stratumventilation;verticaltemperaturedistribution;nodalmodel;energybalance
目前，中国的建筑能耗约占总能耗的30%[1]，为了减少夏季建筑空调能耗，许多国家都倡导提高夏季空调设定温度以降低空调能耗.然而，落实的情况却差强人意.原因是传统送风方式（混合通风、置换通风）均要求室内气流速度不能过高，若将空调设定温度调高必然会引起室内人员热舒适性的降低（出汗）.采用现有系统，纵使室温26℃，节能也只有几个百分点，激励效果有限.个性化送风技术虽节约能耗[2]，但因其在费用、布置和设计方面的困难，至今并未大规模地应用在实际工程中[3].基于此，香港城市大学的林章等学者提出了层式通风系统[4]，保证在低能耗的前提下（亦即在热中性温度较高的条件下），为室内人员提供良好的空气品质和热舒适环境[5-6].
层式通风系统的典型特征为风口布置在墙体中部，通过空气射流将新鲜的空气直接送入室内人员呼吸区，在呼吸区内形成一个新鲜的空气层.该系统是一种建立在室内气流速度相对较高环境下的高温通风方式，通过加强气流运动（风速+紊流强度）来实现人体热舒适，因此所要求的送风速度相对较大.但是太大的送风速度会导致人体的热不舒适，故其应用范围有一定的限制.林章通过大量研究发现，层式通风可很好地应用于沿送风方向进深不大于9m，热负荷不大于180W/m2的房间[7].实际中常规的教室、办公室及小商店等建筑大多在此应用范围内，只要合理设计层式通风系统（送风速度控制在1.3m/s左右），则人体周围的气流速度会小于0.8m/s，计算出的最大PMV介于±0.7之间，PPD<15%[8]，完全能创造出舒适的热环境.
分布式温度控制 篇12
目前, 国内广泛应用的采煤机普遍存在电机负荷较大, 故障率高的隐患, 因此电机保护在采煤机设计应用中至关重要。本文重点阐述分布式控制系统在电机控制上的应用。
1 原有机型采煤机电气系统存在问题
采煤机对电机的监测与保护包括漏电检测、电流检测、缺相检测、电机温度检测及保护、过流保护。旧型号电机电气系统图如图1所示。
从电气件布局来看, 真空接触器和电气检测元件放置在高压腔, 主控器放置在低压控制腔, 控制信号线接线距离较长, 加上模块的电源线, 需要的线路较多。当发生电机故障需要更换电气件时, 需要拆除所有控制线与电源线。在工作面真空接触器损坏时, 需要拆除前端隔离开关、控制变压器、漏电断路器。由于真空接触器上端支架上放置漏电检测器、电流传感器, 拆除真空接触器电源线若从正面接触不到时, 需要打开上盖板.
2 应用实例
针对原有机型煤机电气系统存在的由于集中式控制造成的故障点多、故障排查与维护不便等问题, 通过学习国外先进机型的电机系统结构, 采用分布式电机控制系统的设计方案, 改善了集中式控制造成的弊端, 提高了采煤机电气系统的智能化、模块化, 降低了整个电气系统的故障率与维护时间。
三一重型设备有限公司以往设计的传统机型均采用集中式控制系统直接控制, 即所有信号采集、通讯和信息处理都由1个主控器完成, 对于信号数量较多的机型, 可以增加1个控制器协助信号采集。分布式控制系统相对于直接控制系统, 对电机的控制及保护针对性更强, 使电机控制构成独立系统, 所需的电气件组成1个独立模块, 维护与更换更加方便。
分布式电机控制系统选用1个PLC控制器作为中央控制器, 根据需要保护的电机数量选用若干PLC控制器作为电机控制系统的智能处理单元。主控器与电机控制器通过CAN总线通讯, 电机控制器主要完成电机信号的采集, 保护动作, 并把电机控制单元运行状态、电机电流、温度等参数发送到CAN总线, 中央控制器采集后, 统筹安排各个模块的工作。
3 改进后电机控制系统
在电机控制上加入独立的控制单元后, 与电流互感器、漏电检测单元、热电阻隔离变送器等器件在功能与结构上都构成独立的控制单元。改进后电机电气图如图2所示。
电机的保护动作, 电机电流、电机温度的采集都由电机控制单元的控制器完成, 反映速度优于直接控制方式。通过分散式控制, 把故障点分散到了各个电机控制单元上, 既便于故障排查, 又有利于维修。当电气件发生故障时只需更换整个电机控制单元模块, 较旧结构更换时间缩短1～2h。
3 结论
采煤机工作环境恶劣, 有些煤矿的工作面地质变化较大 (特别是薄煤层) , 矸石较多, 使电机的负荷较大。在对采煤机维护过程中, 电气故障主要集中在电机故障与通讯故障上, 通过分布式机构设计整个电机控制系统, 为每个电机增加了独立的保护系统, 分散了故障点, 在采煤机工作过程中取得了良好效果。
摘要：针对国内现有型号采煤机电气控制采用集中式控制方式, 造成检测气件到主控器接线距离长、故障点多、故障排查与维护不便等隐患, 阐述了采煤机电机控制系统的设计改进。采用分布式控制系统 (DCS) , 使采煤机电气系统更加智能化、模块化, 降低了整个电气系统的故障率与维护时间。