基于OPC通信技術的微電網優化監控系統研究

孫惠娟，彭春華，黃興德

(1. 華東交通大學電氣與電子工程學院，南昌 330013；2. 上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437)

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基于OPC通信技術的微電網優化監控系統研究

孫惠娟1，彭春華1，黃興德2

(1. 華東交通大學電氣與電子工程學院，南昌 330013；2. 上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437)

通過構建微電網多目標優化調度模型和設計改進型粒子群多目標優化算法，以實現微電網的節能減排優化運行；并在開發微電網優化監控系統過程中，基于OPC數據交換通信技術，集成了組態王專業的監控平臺開發能力和MATLAB強大的科學運算能力，實現了組態王和MATLAB的優勢互補，為微電網優化監控系統的開發提供了靈活高效的途徑。

微電網；優化監控；OPC；組態王

Foundationitems：TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51567007)；TheHumanitiesandSocialScienceFoundationoftheMinistryofEducationofChina(14YJCZH135)；TheScienceandTechnologyPlanProjectofJiangxiProvince(20142BBE50001)；TheNationalNaturalScienceFoundationofJiangxiProvince(20152ACB20017，20151BAB216020)

微電網(Microgrid)作為智能電網的一個重要組成部分，可整合可再生能源發電等分布式發電(DG)單元、電力網絡和終端用戶之間的關系，優化和提高新能源利用效率，減輕能源動力系統對環境的影響，更好地滿足電力用戶對電能質量的要求[1]，即微網運行應能充分發揮經濟性和環保性的綜合效用，并可高效利用可再生能源。對于擁有節能環保內涵的微網，對其進行優化監控具有非常重要的作用[2-3]。

在工業控制領域，普遍采用開發周期短、方便靈活的工控組態軟件(如北京亞控公司的組態王軟件Kingview)來實現監控系統的開發[4]。然而，目前大量的組態監控系統一般只具有數據監測和自動控制等常規功能，不能進行復雜運算，難以實現高維非線性的優化求解。鑒于微電網系統的電能優化調度具有模型高度復雜、約束條件多、優化求解難度大等特點，很難直接在組態軟件開發中解決微電網優化監控的問題。而MATLAB恰恰具有強大的科學運算能力，可高效實現復雜的優化計算和模型求解，同時它還提供了大量的專業工具箱, 在控制決策、數據分析、科學計算和仿真調試等方面有著明顯的優勢[5]。但MATLAB人機界面功能薄弱，難以直接用于工業監控過程。

為發揮它們各自的優勢，本文提出利用組態王開發微電網監控系統，并在MATLAB中基于改進型粒子群算法實現微電網系統電能調度的優化計算，并基于OPC(OLE for Process Control)數據交換技術將組態監控與MATLAB優化計算有效地結合起來[6]，以最終實現對微電網系統的優化監控。

1 微電網監控系統組態開發

組態王KingView具有使用便捷、開發性好、適應性強、易于擴展等特點。它不僅提供了豐富的配置界面和大量的圖形元素和圖庫，為用戶創建圖庫提供了簡單易用的接口，便于進行歷史曲線的繪畫、報表的查詢、顯示報警以及Web發布，同時還提供了開放式的通訊接口，如DDE、OPC、通用總線協議驅動接口(如以太網)等，能夠方便實現與其他支持相應開放的通訊接口軟件進行數據交換。

針對如圖1所示的典型微電網系統，利用組態王對其監控系統進行了設計與開發，系統主界面如圖2所示。

圖1 典型微電網系統

圖2 微電網監控系統主界面

所開發的微電網監控系統可對微電網的運行進行實時監控。在電源側監控量包括光伏發電、風力發電、柴油機發電，儲能電池等微電源的實時功率、運行狀態、日發電量、總發電量以及運行時間等，還能實現并網模式和孤島模式的微網運行模式切換控制；在負荷側則可對系統總發電量以及各負荷的用電量等數據進行監控(如圖3所示)。系統具有實時曲線顯示、歷史曲線和報表查詢、實時報警等功能。

圖3 負荷監控界面

2 微電網優化調度模型與求解

2.1 微電網優化調度模型

經濟目標和環境目標是目前微電網運行所考慮的主要優化指標[7-8]，為此本文構建了如式(1)所示的以降低運行成本C和污染排放E為綜合優化目標的微電網多目標優化運行模型。

(1)

式中NG——系統DG總數；ki——第個DG的CO2排放系數；kgrid——配電網的CO2排放系數。

微網運行成本C包括折舊成本、維護成本、燃料成本以及向外網的購電成本：

(2)

式中CDP，COM，Cfuel，Cgrid——各DG總的折舊成本、維護成本、燃料成本以及微網向外網的購電成本；Caz，i，PiN，ni，KOM，i，fi()——第i個DG的單位容量安裝成本、裝機容量、使用壽命、單位電量運行維護成本系數和燃料成本函數；r——年利率；CF——天然氣的價格；Pgrid，CE——微網向外網的購電量和實時電價。

微網運行中主要考慮以下約束條件：

(1)功率平衡約束

∑Pi=Pd+Ploss

(3)

式中Pd——實時有功負荷；Ploss——實時有功損耗。

(2)潮流方程約束

(4)

(5)

式中Pfs，Qfs——節點f的有功和無功注入量；Uf，Ug——節點f和g的電壓；Gfg，Bfg，θfg——節點f和g之間的導納和相角差。

(3)節點電壓約束

Ui，min≤Ui≤Ui，max，i=1，2，…，N

(6)

式中Ui，min，Ui，max——節i點的最小、最大電壓允許值；N——系統節點數。

(4)微電源出力約束

Pi，min≤Pi≤Pi，max，i=1，2，…，NG

(7)

式中Pi，min，Pi，max——第i個DG輸出有功功率的最小和最大限值。

2.2 優化求解

粒子群(Particle Swarm Optimization，簡稱PSO)算法是基于個體改進、種群協作與競爭機制的進化方法，具有理論簡單、易于編碼實現和收斂速度快等特點[9]，近年來已有許多用于求解多目標問題的粒子群算法被提出。PSO算法中，更新個體的速度(V)和位置(X)的方法為：

(8)

式中t——迭代次數；w——慣性權重；c1、c2——學習因子；r1，r2——[0,1]區間相互獨立的隨機數；pbest——單個粒子的個體最優位置；gbest——所有粒子的全局最優位置。

對于多目標優化問題，可以將粒子群算法擴展為多目標粒子群算法(MOPSO)對其進行求解[10-11]。但在高緯度的多目標優化問題上，常規MOPSO往往會過早喪失群體的多樣性，而導致早熟而陷入局部最優，找不到真正的多目標Pareto最優前沿。為此，本文從以下兩方面對多目標粒子群算法進行改進。

(1)將單一種群擴展為兩個不同速度等級的種群。將速度大的種群定義為“志向遠大”的種群，該種群的粒子任務是在遠方大范圍搜索；將速度小的種群定義為“安于現狀”的種群，該種群的任務是在近處精細尋優。

(2)建立動態更新的非劣解庫(記憶體)。其內部通過去重復和去受支配機制，使得非劣解庫隨著新一代非劣解的加入而不斷更新，并從庫中挑選出擁擠距離大的非劣解粒子組成優質粒子庫，再從優質粒子庫隨機選擇一個優質粒子作為全局最優放到下一代尋優，引導粒子向擁擠距離大的粒子位置飛行以得到均勻分布的帕累托最優前沿。

上述微電網優化調度建模和算法求解過程利用MATLAB高效的矩陣運算能力編程實現，并封裝成一個PSOfun函數為組態王監控系統調用。算法求解流程如圖4所示。

圖4 算法流程圖

3 組態王與MATLAB的OPC通信

3.1 組態王與MATLAB互聯設計

OPC規范是基于對象鏈接與嵌入(OLE)、組件對象模型 (COM)和分布式組件對象模型(DCOM) 技術的過程控制業國際標準。它采用客戶/服務器體系, 其目標是在客戶和服務器之間建立一種通信和數據交換的工業標準機制，只要遵循 OPC標準, 不同的客戶軟件能夠訪問任意的數據源。相比普通的DDE數據交換技術，OPC連接不需要建立中間服務器，具有數據傳送性能高、開發成本低等特點。組態王提供了標準的 OPC接口，可以方便地與其它具有 OPC 標準接口的應用程序或控制設備連接實現數據交互。MATLAB 7.0以上版本含有 OPC工具箱，可支持OPC數據訪問，允許將對象數據采集到 MATLAB環境中用于分析、可視化、仿真和復雜計算。

在此將組態王作為OPC服務器，實時采集光伏和風電等不可控微源出力、當前負荷需求、各微電源當前運行狀態等數據, 通過OPC 接口傳給作為 OPC 客戶端的 MATLAB 應用程序, 由它進行微網優化調度計算, 并將得到的微型燃氣輪機、柴油發電機、儲能設備等可控微源的最優發電指令通過 OPC 接口傳給組態王，實現對微電網的優化監控。兩者之間的互聯過程如圖5所示。

圖5 組態王與MATLAB互聯系統

3.2 OPC數據交換

啟動組態王可自動啟動 OPC 服務器功能，組態王的OPC服務器名稱為“KingView.View.1”。 MATLAB為OPC提供了專門的接口程序, 可創建和配置OPC對象，讀寫和記錄數據。下面給出MATLAB運行 OPC工具箱函數以及與組態王進行數據通信的部分代碼。

(1)從組態王獲取實時數據

與組態王OPC服務器建立連接

da=opcda('localhost','KingView.View.1');

connect(da) ;

創建組和數據項，從組態王中讀取風電、光伏出力等實時數據和參數

grp1=addgroup(da,'daR')；

itm1=additem(grp1,{'系統負荷', '風電出力', '光伏出力', …});

對服務器和組進行相關參數設置,實現數據實時刷新

set(da,'Timeout',30,'EventLogMax',2000);

set(grp1,'UpdateRate',1,'RecordsToAcquire', 1000,'Active','on','Subscription','on');

set(grp1,'StartFcn',@opccallback);

set(grp1,'StopFcn',@opccallback);

set(grp1,'RecordsAcquiredFcn',@opccallback);

set(grp1,'DataChangeFcn',@opccallback);

創建輸入參數向量

IVec=[itm1(1).value,itm1(2).value, itm1(3).value, …];

(2)調用粒子群優化函數進行優化調度計算，得到各可控微電源的出力優化結果Pt, Ps,…

[Pt, Ps,…] =PSOfun (IVec);

(3)將MATLAB運算結果寫入組態王

grp2=addgroup(da,'daW')；

itm2=additem(grp2,{'微氣輪機出力', '儲能放電功率', …});

set(grp2,'UpdateRate',1,'RecordsToAcquire',1000,'Active','on','Subscription','on');

將優化運算結果發送給組態王

writeasync(itm2, ,{Pt, Ps,…})；

由此就可實現組態王和MATLAB 間的數據交互。圖6是微網優化監控系統中最終得到的優化調度結果。

圖6 微電網優化調度曲線

圖6中展現了風電(WT)和光伏(PV)等不可控微電源的日出力曲線，以及該日微型燃氣輪機(MT)等可控微源有功出力和微電網與大電網間的交互購電優化調度曲線。

4 結論

為了實現微電網的節能減排優化運行，本文基于MATLAB編程環境構建了微電網多目標優化調度模型，并設計了改進型粒子群多目標優化算法對模型進行求解。同時利用組態王軟件設計和開發了微電網監控系統，并在此基礎上，通過OPC數據交換技術實現了MATLAB與組態王之間的通信，從而將MATLAB強大的科學運算能力與組態王專業的監控平臺開發能力相集成，實現了兩者間的優勢互補，為微電網優化監控系統的開發提供了靈活高效的途徑。

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(本文編輯：楊林青)

Research on Microgrid Optimization Control and Supervisory System Based on OPC

SUNHui-juan1，PENGChun-hua1，HUANGXin-de2

Inordertoachieveenergysavingandemissionreductionoptimizationoperationinmicrogrid,amulti-objectiveoptimizationdispatchmodelisestablished,andanimprovedparticleswarmmulti-objectiveoptimizationalgorithmisproposedinthispaper.Inthedevelopmentprocessofmicrogridoptimizationcontrolandsupervisorysystem,basedontheOPCdataexchangecommunicationtechnology,professionalmonitoringplatformconfigurationdevelopmentcapabilitiesofKingViewandpowerfulscientificcomputingcapabilitiesofMATLABareintegrated,toachievethecomplementaryadvantagesofKingViewandMATLAB.Theresearchcanprovideaflexibleandefficientwayfordevelopingmicrogridoptimizationcontrolandsupervisorysystem.

microgrid；optimizationcontrolandsupervisory；OPC；KingView

10.11973/dlyny201506009

國家自然科學基金項目(51567007)；教育部人文社科青年基金項目(14YJCZH135)；江西省科技支撐計劃項目(20142BBE50001)；江西省自然科學基金項目 (20152ACB20017，20151BAB216020)

孫惠娟(1982)，女，碩士，講師，主要從事智能電網優化運行方向的研究。

TM

A

2095-1256(2015)06-0782-05

(1.SchoolofElectrical&ElectronicsEngineering,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China; 2.StateGridElectricPowerResearchInstitute,SMEPC,Shanghai200437,China)

2015-10-12