使用NI CompactRIO和NI LabVIEW打造基于分布式发电的智能小型电网系统
Alekhya Datta，能源与资源研究所(TERI)
“利用NI平台开发的SMG系统是一个可靠、一致的解决方案，可创建一个平台来优化分布式电源的使用，同时提高乡村电力供应系统的性能，在加强国家电力部门能力方面具有独特的优势。”
- Alekhya Datta，能源与资源研究所(TERI)
挑战：
加强能源安全和能源获取，尤其是针对能源资源日益枯竭的新兴经济体，做到有效且智能地发电。这对印度全国来说也同样重要。
解决方案：
开发印度首个智能小型电网(SMG)系统，该系统由先进的电力电子设备驱动，并通过基于NI CompactRIO硬件和NI LabVIEW系统设计软件的超快速数字技术进行控制，从而确保整个电力系统具有更高的灵活性、可靠性、安全性和效率。
作者：
Alekhya Datta - 能源与资源研究所(TERI)
Mukesh Gujar - 能源与资源研究所(TERI)
Parimita Mohanty - 能源与资源研究所(TERI)
为了应对公用事业的变化和挑战，印度的许多公用事业公司正计划实施智能电网技术。SMG系统是智能电网的一环，通常被定义为在11千伏或以下运行并向社区提供电力的智能配电网络。其电力供应来自多种多样的分布式能源资源(DER)，包括柴油发电机等小型传统发电机，以及一系列可再生能源发电机，如微型水电机、风力涡轮机、生物质和太阳能光伏发电。SMG既可以连接到传统的公用事业电网，也可以独立工作，只向局部负载提供电力。SMG是数字信息和通信技术(ICT)的应用成果，采用先进的传感、通信和控制技术来优化电力生产、输送，并最终应用于微电网领域。SMG可提供动态通信和平衡电力网络，从而尽可能减少损失，提高电网的稳定性。
SMG的优势
SMG的优势包括以下几点：
- 促进需求侧管理与需求侧响应
- 减少停电，提高电网的可靠性、安全性和效率
- 减少碳排放量，尽量减少化石燃料的消耗
- 让客户能够更为自主地管理自身电力需求
TERI的SMG系统提案
在“亚太合作伙伴”(Asia Pacific Partnership)计划的支持下，TERI向新能源和可再生能源部(Ministry of New and Renewable Energy)提交了一份提案，联邦科学与工业研究组织(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization)向澳大利亚联邦环境部、水资源部、遗产部和艺术部提交了一份提案，以期获得资助用以开发和演示基于分布式发电的SMG系统和控制技术，将其应用于印度市场，推动SMG在印度的部署。为了优化多种发电资源和各种需要电力的负载，TERI在其位于印度哈里亚纳邦TERI Retreat的一个研究设施中设计和开发了SMG系统。
TERI SMG模型的独特功能
TERI SMG模型的独特功能包括以下内容：
- 集成多个DER，确保尽可能充分利用可再生能源
- 分析、控制和预测资源和负载
- 集中控制（智能分配控制器），实现资源优化和需求管理
- 启动负载优先级排序——总负载被分为关键、必要和非必要的负载
- 使用LabVIEW系统设计软件进行基于FPGA的集成式高速数字通信，以采集数据并控制发送和接收
- 通过安装的传感器来为多个电力、天气和物理参数采集和监测实时数据
- 系统组件具有自动连接/断开连接功能，可尽可能减少停电，并能对网络干扰做出快速响应
TERI SMG系统还集成了以下DER：
- TERI Retreat北区的屋顶上安装了10.5 kWP太阳能光伏（基于晶体硅的太阳能模块）系统
- 生物质气化炉楼顶安装了2 kWP太阳能光伏（基于晶体硅的太阳能模块）系统
- TERI Retreat南区的屋顶上安装了1 kWP的薄膜太阳能光伏系统
- 3.3千瓦风力涡轮发电机(WTG)
- 生物质气化炉大楼内安装了100千瓦生物质气化炉（木质）系统
- 48 V，600 Ah的电池组，用于存储能源
- 柴油发电机和公用事业电网
TERI Retreat是一个兼具住宅功能的多功能建筑群，配备了各类现代化设施，包括会议厅、办公区、住宅区、实验室和运动场。该建筑群的电力需求会因季节、住宅区入住率、正在举行的会议数量和其他一些因素而大幅变化。
使用CompactRIO和LabVIEW开发智能分配控制器
SMG系统的核心和主控是智能控制器，它使用CompactRIO平台开发而成。NI cRIO-9022与NI 9227电流输入、NI 9225模拟输入、NI 9481继电器、NI 9211热电偶输入、NI 9205模拟输入和NI 9403双向数字I/O C系列模块配合使用，从各种来源收集电力和气象数据并进行控制。
使用NI C系列模块记录数据
测量 | 输出信号 | NI C系列模块 |
太阳能光伏发电 | 组串直流电流、电压 | NI 9227（电流），NI 9225（电压） |
电池 | 直流电流、电压 | NI 9227（电流），NI 9225（电压） |
风力涡轮发电机 | 相位电流、电压 | NI 9227（电流），NI 9225（电压） |
生物质气化炉 | 相位电流、电压 | NI 9227（电流），NI 9225（电压） |
负载功率消耗 | 交流电流、电压 | NI 9227（电流），NI 9225（电压） |
电网功率 | 交流电流、电压 | NI 9227（电流），NI 9225（电压） |
逆变器 | 交流电流、电压 | NI 9227（电流），NI 9225（电压） |
表1.电力参数的测量
测量 | 典型换能器 | 典型信号 | NI C系列模块 |
全球太阳辐射 | 测温仪 | 模拟电压 | NI 9205 |
风速 | 风速仪 | 脉冲序列 | NI 9205 |
风向 | 风速仪 | 模拟电阻 | NI 9205 |
环境温度 | 热电偶 | 模拟电压 | NI 9211 |
模块温度 | 热电偶 | 模拟电压 | NI 9211 |
电池温度 | 热电偶 | 模拟电压 | NI 9211 |
室内外湿度 | 相对湿度传感器 | 模拟电压 | NI 9205 |
表2.天气/物理参数的测量
使用LabVIEW平台开发SMG SCADA系统
SMG的监视控制和数据采集(SCADA)系统使用NI Developer Suite开发，包括以下LabVIEW模块：
SCADA系统和智能控制器之间的通信
使用一个第三方GSM/GPRS SA 1802 C系列模块，作为CompactRIO和SCADA系统之间的通信媒介。从各个数据节点收集的数据通过使用Modbus协议的以太网和使用TCP/IP的GSM调试解调器传输。
SMG系统的实时数据采集仪表板
SMG系统的仪表板采用NI Developer Suite开发，包括LabVIEW DSC、LabVIEW Real-Time和LabVIEW FPGA模块，该仪表板可提供所有实时信息，如电力和天气参数以及每日能耗。SMG系统的仪表板可用于与使用以太网（Modbus协议）的SMG SCADA系统进行通信。
SMG系统的应用
SMG系统可用于以下领域：
- 工业和商业建筑群，如商场、酒店和医院
- 住宅建筑群，如公寓和镇区
- 教育机构
- 未铺设电网的乡村和城市周边地区
- 电信基站
系统基于NI平台构建的优势
利用NI平台开发的SMG系统是一个可靠、一致的解决方案，可创建一个平台来优化分布式电源的使用，同时提高乡村电力供应系统的性能，在加强国家电力部门能力方面具有独特的优势。它可以纳入印度政府旗舰计划，如贾瓦哈拉尔·尼赫鲁国家太阳能计划(Jawaharlal Nehru National Solar Mission)和Rajiv Gandhi Grameen Vidyutikaran Yojana。该设施由印度联邦新能源和可再生能源部长Farooq Abdullah博士与印度联邦电力部长Shri Sushil Kumar Shinde和TERI总干事R.K.Pachauri博士共同剪彩并成功启用。
作者信息：
Alekhya Datta
能源与资源研究所(TERI)
Centre for Distributed Generation (CDG),Energy Environment Technology Development (EETD) Division,TERI – The Energy and Resources Institute,Darbari Seth Block, India Habitat Centre (IHC) Complex,Lodhi Road
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