一种配电网水力发电和储能设备协调装置及协调方法技术领域
本发明属于配电网技术领域，特别涉及一种配电网水力发电和储能设备协
调装置及协调方法。
背景技术
水利发电是一个复杂的系统，如何根据水利发电和储能设备的运行特点进
行水库调度，使现有工程发挥最大效益，越来越受到重视，以往水利发电调度
的特点是运行人员凭借主观判断控制决策水利发电的运行，在这个过程中有很
多模糊性的内容，因此，对配电网内水利发电和储能设备的电气参数及气象环
境参数进行实时监测，并根据监测参数对水力发电和储能设备间出力协调比例
进行计算，根据计算结果实时地对水利发电和储能设备输出功率进行控制，能
够有效避免水利发电和储能设备间的功率分配不合理现象，显著提高电力系统
可靠性和经济性。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提供一种数据采集准确、速度快的配电网水力
发电和储能设备协调装置及协调方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明配电网水力发电和储
能设备协调装置包括发电设备终端和调度中心端；所述的发电设备终端包括传
感器、A/D模数转换器、DSP微处理器、FPGA数据计算芯片和4G通信模块，所
述调度中心端包括工控机和4G通信模块，所述传感器的输出端与A/D模数转换
器输入端相连，A/D模数转换器的输出端与DSP微处理器的输入端相连，DSP微
处理器的输出端与FPGA数据计算芯片的输入端相连，FPGA数据计算芯片的输出
端与发电设备的控制单元和4G通信模块的输入端相连，发电设备的控制单元与
人机交互信息显示单元相连；
所述传感器包括电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、噪
声传感器、降雨量传感器，电流互感器输出端口、电压互感器输出端口、温度
传感器输出端口、湿度传感器输出端口、噪声传感器输出端口、降雨量传感器
输出端口分别与A/D模数转换器的输入端口相连。
作为另一种优选方案，本发明所述传感器选用DHC03B型电流互感器、
DH51D6V0.4B型电压互感器、HE-200红外温度传感器、STYB3100111A50型湿度
传感器、CRY2110型噪声传感器、BL-YW900型雷达液位传感器。
作为另一种优选方案，本发明所述A/D模数转换器采用TLC2543串行A/D
转换器，4G通信传输单元采用ME3760型号的LTE模块，DSP微处理器选用
TMS320F2812芯片，FPGA数据计算芯片选用EPM7064SLC44芯片，发电设备的控
制单元采用51单片机ST89C51芯片，人机交互信息显示模块为HG1286402C型
号的液晶显示模块；
电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、噪声传感器、降雨
量传感器输出端分别经过信号转换电路后连接到A/D转换器TLC2543的输入端
AIN0-AIN5，A/D转换器TLC2543的输出端EOC、I/O、IN、OUT、CS分别连接到
DSP芯片TMS320F2812的XA1-XA5引脚，TMS320F2812的XD0-XD7引脚分别与
FPGA芯片EPM7064SLC44的IO17-IO21、IO24-IO26引脚，FPGA芯片EPM7064SLC44
的IO4-IO6、IO8、IO9、IO11、IO12、IO14引脚分别与单片机STC89C51芯片的
P0.0-P0.7相连，单片机STC89C51芯片的P1.0-P1.7与液晶显示模块的D0-D7
连接，单片机STC89C51芯片的P2.0-P1.4与液晶显示模块的RS、RW、CS1、CS2、
EN相连接，STC89C51芯片的RXD、TXD与发电自动控制装置相连，FPGA芯片
EPM7064SLC44的IO37引脚与4G通信模块ME3760的DATA端相连，4G通信模块
的ATN1端通过天线将数据传送到远方调度终端的UNO-3072系列PentiumM嵌
入式工控机。
作为另一种优选方案，本发明所述信号转换电路采用TLC4501芯片。(设置
信号转换电路，保证信号采集的频带宽度、转换速率和电压增益,同时降低输
入失调电压和电流以及温度漂移)。
其次，本发明所述TLC4501芯片5脚分别与电阻R3一端、电阻R4一端、
电容C2一端相连，电阻R4另一端接1.5V电源，电容C2另一端接地，电阻R3
另一端分别与TLC4501芯片1脚、电阻R2一端、电容C1一端相连，电容C1另
一端分别与电阻R2另一端、TLC4501芯片2脚、传感器的输出端相连，TLC4501
芯片3脚接地；TLC4501芯片7脚通过电阻R8与A/D转换器输入端口相连。
另外，本发明所述STC89C51芯片的XTAL1引脚分别与晶振一端、第一30pF
一端相连，第一30pF另一端分别与地线、STC89C51芯片的GND引脚、第二30pF
一端相连，第二30pF另一端分别与晶振另一端、STC89C51芯片的XTAL2引脚相
连。
电流、电压、温度、湿度、噪声、降雨量信息经过各传感器，进行同步采
样、保持、A/D转换，变为数字信号后，送入DSP芯片进行数据处理，处理后的
信息数据由DSP的并行数据输出接口送到FPGA的数据输入口，再由FPGA将数
据送到4G通信模块，为与远方调度端的工控机通讯做好准备；工控机对电流、
电压、温度、湿度、噪声、降雨量信息数据进行计算后，将计算结果通过4G通
信网络传输到4G通信模块，然后由4G模块将计算结果送到FPGA，由FPGA将数
据送至单片机STC89C51，由单片机通过TXD口对发电自动控制装置发出控制命
令，并在人机交互信息显示单元进行显示。
本发明配电网水力发电和储能设备协调方法，包括如下步骤：
步骤1：发电设备终端采集水力发电设备和储能设备的电流、电压、温度、
湿度、噪声、降雨量参数，通过4G通信模块将采集的电流、电压、温度、湿度、
噪声、降雨量测量值传输到调度中心端的工控机，电流、电压、温度、湿度、
噪声、降雨量作为输入量：
步骤2：建立目标优化函数
步骤2.1：建立优化目标函数：
min f ( x 1 , x 2 , . . . x i , x k l ) - - - ( 1 ) ]]>
步骤2.2：构建水力发电和储能设备状态数据的n维相空间
步骤3：对顶点的目标函数值进行迭代运算
步骤3.1：对定点的目标函数值进行反射运算：
P * = ( 1 + α ) P ‾ - α P h - - - ( 3 ) ]]>
为相空间内各点范数的平均值，Ph为相空间内原有顶点，P*为通过反射
运算寻找的新顶点；
步骤3.2：对顶点的目标函数进行扩张运算：
P * * = ( 1 - γ ) P ‾ + γP * - - - ( 4 ) ]]>
P**为通过扩张运算寻找的新顶点，扩张系数γ＝1.5；
步骤3.3：对顶点的目标函数进行收缩运算：
P * * = ( 1 - β ) P ‾ + β P h - - - ( 5 ) ]]>
如果新顶点下的目标函数满足f(P**)>f(Ph)，则将所有点进行替换：
Pi＝(Pi+Pl)/2(6)
式(6)中Pi为新生产的相空间相点，Pl为原相点中范数最小的点，即原来
最低的相点；
通过收缩运算，求得了最大值顶点和重心连线上的某一点；在进行反射、
扩张、收缩的过程中，当顶点向量中各维变量值小于0时，取为0；当其大于所
允许最大功率时，取为该最大功率数。
步骤4：根据配电网水力发电和储能设备特征量进行快速协调同步
对目标函数为y＝minf(xi)+g(xi)+k(xi)进行求解，惩罚函数
其中pi为水力发电和储能设备xi发出功率，为xi功率最
大值，约束函数其中Ii为xi中电流值，ri为xi电阻值，t为电网系
统运行的时间；
步骤5：调度中心端工控机将协调计算结果pi通过4G通信模块传输到发电
设备终端，发电设备终端通过发电控制单元调整水力发电设备和储能设备的功
率输出。
作为一种优选方案，本发明所述α＝0.83。
作为一种优选方案，本发明所述收缩系数β＝0.5。
本发明有益效果。
DSP微处理器和FPGA数据计算芯片相结合，提高了数据采集准确性和全面
性，提高数据采集速度和精度。本发明通过配电网内水力发电设备和储能设备
间的协调控制，有效避免了水利发电设备和储能设备对电网产生的冲击，大大
提高配网内多种发电设备发电并网效率，降低了水力发电并网和储能设备运行
成本。通过调度中心端的协调计算，最后得到水力发电设备和储能设备理想的
出力水平。改善了电力品质，提高了配电网、水力发电设备和储能设备可靠性，
同时协调同步过程满足实时性要求，提高数据采集及处理的效率，提高协调计
算的速度和精度，实现了以较高精度和较短响应时间的优势对配电网中的水力
发电设备和储能设备进行协调同步。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不
仅局限于以下内容的表述。
图1是本发明电路原理框图。
图2是本发明电路原理图。
具体实施方式
如图所示，本发明配电网水力发电和储能设备协调装置包括发电设备终端
和调度中心端；所述的发电设备终端包括传感器、A/D模数转换器、DSP微处理
器、FPGA数据计算芯片和4G通信模块，所述调度中心端包括工控机和4G通信
模块，所述传感器的输出端与A/D模数转换器输入端相连，A/D模数转换器的输
出端与DSP微处理器的输入端相连，DSP微处理器的输出端与FPGA数据计算芯
片的输入端相连，FPGA数据计算芯片的输出端与发电设备的控制单元和4G通信
模块的输入端相连，发电设备的控制单元与人机交互信息显示单元相连。
上述传感器选用DHC03B型电流互感器、DH51D6V0.4B型电压互感器、HE-200
红外温度传感器、STYB3100111A50型湿度传感器、CRY2110型噪声传感器、
BL-YW900型雷达液位传感器。
上述A/D模数转换器选用TLC2543A/D转换芯片。
上述DSP微处理器选用TMS320F2812芯片。
上述FPGA数据计算芯片选用EPM7064SLC44芯片。
上述发电设备控制单元为51单片机ST89C51芯片。
人机交互信息显示模块为HG1286402C型号的液晶显示模块。
上述4G通信模块为ME3760型号LTE模块。
电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、噪声传感器、降雨
量传感器输出端分别经过信号转换电路后连接到A/D转换器TLC2543的输入端
AIN0-AIN5，如图2所示，A/D转换器TLC2543的输出端EOC、I/O、IN、OUT、
CS分别连接到DSP芯片TMS320F2812的XA1-XA5引脚，TMS320F2812的XD0-XD7
引脚分别与FPGA芯片EPM7064SLC44的IO17-IO21、IO24-IO26引脚，FPGA芯
片EPM7064SLC44的IO4-IO6、IO8、IO9、IO11、IO12、IO14引脚分别与单片机
STC89C51芯片的P0.0-P0.7相连，单片机STC89C51芯片的P1.0-P1.7与液晶
显示模块的D0-D7连接，单片机STC89C51芯片的P2.0-P1.4与液晶显示模块的
RS、RW、CS1、CS2、EN相连接，STC89C51芯片的RXD、TXD与发电自动控制装
置相连，FPGA芯片EPM7064SLC44的IO37引脚与4G通信模块ME3760的DATA
端相连，4G通信模块的ATN1端通过天线将数据传送到远方调度终端的UNO-3072
系列PentiumM嵌入式工控机。
电流、电压、温度、湿度、噪声、降雨量信息经过各传感器，进行同步采
样、保持、A/D转换，变为数字信号后，送入DSP芯片进行数据处理，处理后的
信息数据由DSP的并行数据输出接口送到FPGA的数据输入口，再由FPGA将数
据送到4G通信模块，为与远方调度端的工控机通讯做好准备；工控机对电流、
电压、温度、湿度、噪声、降雨量信息数据进行计算后，将计算结果通过4G通
信网络传输到4G通信模块，然后由4G模块将计算结果送到FPGA，由FPGA将数
据送至单片机STC89C51，由单片机通过TXD口对发电自动控制装置发出控制命
令，并在人机交互信息显示单元进行显示。
本发明配电网水力发电和储能设备协调方法，包括如下步骤：
步骤1：发电设备终端采集水力发电设备和储能设备的电流、电压、温度、
湿度、噪声、降雨量参数，通过4G通信模块将采集的电流、电压、温度、湿度、
噪声、降雨量测量值传输到调度中心端的工控机，电流、电压、温度、湿度、
噪声、降雨量作为输入量：
步骤2：建立目标优化函数
步骤2.1：建立优化目标函数：
min f ( x 1 , x 2 , . . . x i , x k l ) - - - ( 1 ) ]]>
步骤2.2：构建水力发电和储能设备状态数据的n维相空间
步骤3：对顶点的目标函数值进行迭代运算
步骤3.1：对定点的目标函数值进行反射运算：
P * = ( 1 + α ) P ‾ - α P h - - - ( 3 ) ]]>
为相空间内各点范数的平均值，Ph为相空间内原有顶点，P*为通过反射
运算寻找的新顶点，为使初始粒子广泛分布于可行空间内，取α＝0.83。
步骤3.2：对顶点的目标函数进行扩张运算：
P * * = ( 1 - γ ) P ‾ + γP * - - - ( 4 ) ]]>
P**为通过扩张运算寻找的新顶点，扩张系数γ＝1.5。
步骤3.3：对顶点的目标函数进行收缩运算：
P * * = ( 1 - β ) P ‾ + β P h - - - ( 5 ) ]]>
为使初始顶点分布更加均匀，取其连线上的中点，即取收缩系数β＝0.5。
如果新顶点下的目标函数满足f(P**)>f(Ph)，则将所有点进行替换：
Pi＝(Pi+Pl)/2(6)
式(6)中Pi为新生产的相空间相点，Pl为原相点中范数最小的点，即原来
最低的相点。
通过收缩运算，求得了最大值顶点和重心连线上的某一点。在进行反射、
扩张、收缩的过程中，当顶点向量中各维变量值小于0时，取为0；当其大于所
允许最大功率时，取为该最大功率数。
步骤4：根据配电网水力发电和储能设备特征量进行快速协调同步
对目标函数为y＝minf(xi)+g(xi)+k(xi)进行求解，惩罚函数
其中pi为水力发电和储能设备xi发出功率，为xi功率最
大值，约束函数其中Ii为xi中电流值，ri为xi电阻值，t为电网系
统运行的时间。
步骤5：调度中心端工控机将协调计算结果pi通过4G通信模块传输到发电
设备终端，发电设备终端通过发电控制单元调整水力发电设备和储能设备的功
率输出。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受
限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然
可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需
要，都在本发明的保护范围之内。