一种基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统

技术领域

本发明涉及绿色可再生新能源技术领域，具体涉及一种基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统。

背景技术

可再生能源渗透率的上升为能源系统带来了很强的时空不确定性、随机波动性和间歇性，能源系统受限于通信能力和数据处理能力，大量测量设备无法与调控中心实现即时的互联互通，直接导致整个能源系统各子系统互动不足、调度规模受限、方式单一。如何利用先进的通信和能源系统耦合技术实现可再生能源利用最大化，是目前绿色能源技术领域亟需解决的问题。

2022年6月30日，河南省发布《2021河南省互联网发展报告》，报告显示，2021年河南省5G终端用户达到3184万户，5G基站数量达到9.71万个。相比4G通信链路数据可靠性的不足，5G技术可提供更高的数据可靠性和低时延性，将会是解决可再生能源的间歇性以及对能源效率和节约的有效控制等问题。随着5G网络在河南省的连续覆盖，将有效支撑河南省能源领域的数字化智能化转型。

发明内容

针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的旨在提供一种基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，包括能源生产分级控制子系统、储能控制子系统、运移控制子系统、需求侧分析控制子系统、调控中心、5G分体式基站；其中，所述能源生产分级控制子系统用于接收调控中心发送的能源生产优化控制决策，并根据能源生产优化控制决策对能源生产进行优化控制，同时将能源生产优化控制信息发送至调控中心；所述储能控制子系统用于接收调控中心发送的能源存储信号，并根据能源存储信号进行能源存储或释放，同时将能源存储或释放结果发送至调控中心；所述运移控制子系统用于接收调控中心发送的能源运移指令，并根据能源运移指令进行能源配送，同时将能源配送结果发送至调控中心；所述需求侧分级控制子系统用于采集需求侧用能信息，并将需求侧用能信息发送至调控中心；所述调控中心用于接收能源生产分级控制子系统、储能控制子系统、运移控制子系统、需求侧分析控制子系统发送的反馈信息，并对反馈信息进行分析生成对应的能源控制决策，然后将能源控制决策发送至对应的子系统，实现能源生产、储能、动态负载之间的平衡；所述5G分体式基站用于实现能源生产分级控制子系统、储能控制子系统、运移控制子系统、需求侧分析控制子系统与调控中心之间的数据信号传输。

根据上述的基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，优选地，所述能源生产分级控制子系统包括预先控制模块、同期控制模块、事后控制模块和第一F1接口；所述预先控制模块用于对不同形式可再生能源生产进行碳足迹预测分析，并根据调控中心发送的能源生产优化控制决策对不同形式可再生能源生产和能源需求侧响应进行权重分配，生成预先能源生产策略，对企业能源生产过程中能源生产优先级进行预测和指导；所述同期控制模块用于根据预先控制模块生成预先能源生产策略对能源生产过程进行即时检测和监控；所述事后控制模块基于碳足迹分级技术对能源生产过程中的碳足迹进行分层分析，找出影响碳排放的主要因素，并根据影响碳排放的主要因素生成优化方案，然后将优化方案发送至调控中心；所述第一F1接口用于能源生产分级控制子系统各模块之间数据信号传输以及能源生产分级控制子系统与调控中心之间的数据信号传输。

根据上述的基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，优选地，所述可再生能源生产包括太阳能发电、风能发电、水力发电、氢能/天然气发电、地热能。

根据上述的基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，优选地，所述储能控制子系统包括蓄电池堆、储能变流器、电池管理系统、储能电站监控系统和第二F1接口；其中，蓄电池堆用于对能源生产分级控制系统中生产的电能进行存储或释放；电池管理系统用于监测、评估和保护电池运行状态；储能变流器是交/直流侧可控的四象限运行的变流装置，用于控制蓄电池的充电和放电过程，并进行交直流的变换；储能电站监控系统为储能控制子系统的控制中枢，用于监控整个储能系统的运行状态，保证储能系统处于最优的工作状态；第二F1接口用于储能控制子系统与调控中心之间的数据信号传输以及蓄电池堆、储能变流器、电池管理系统、储能电站监控系统彼此之间数据信号的传输；储能电站监控系统接收调控中心发送的能源存储信号，并与储能变流器及电池管理系统通讯，采集储能变流器和蓄电池堆的实时状态信息，并根据能源存储信号控制储能变流器和蓄电池堆进行充放电。

根据上述的基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，优选地，当能源生产过剩时，电池管理系统对电池充放电状态进行动态调整，以将过剩的电能进行电解水制备氢气或抽水蓄能；；电解水制备的氢气可存储在盐穴中并通过输送管道可输送至加氢站进行再分配或用于生产甲烷，在剩余负荷为正时，甲烷用于发电和供热；所述抽水蓄能是将低位的采空区和/或井巷区抽水至高位蓄水硐室，在剩余负荷为正时，再放水发电。

根据上述的基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，优选地，所述运移控制子系统包括能源输送网络数据采集与监控系统、无人移动加氢站控制系统和第三F1接口；第三F1接口用于运移控制子系统与调控中心之间的数据信号传输；第三F1接口接收调控中心发送的能源运移指令，并将能源运移指令分别传递给能源输送网络数据采集与监控系统、无人移动加氢站控制系统，能源输送网络数据采集与监控系统、无人移动加氢站控制系统根据接收的指令进行能源配送，满足区域内智能配送的需求，并将能源配送结果通过第三F1接口发送至调控中心。

根据上述的基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，优选地，所述能源输送网络数据采集与监控系统在输送管道设置有高清视频监控系统，能全天候监控，同时实现运移控制子系统的自动预警功能。

根据上述的基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，优选地，所述无人移动加氢站控制系统包括无人移动加氢站，无人移动加氢站上设有自动导向系统，无人移动加氢站在自动导向系统的作用下可沿预定的路线自动行驶，实现无人移动加氢站进行固定线路的氢气智能配送，不需要人工引航。更加优选地，无人移动加氢站通过5G无线网络连接到运移控控制子系统进行自动化集中控制和调度，5G技术的低时延、高可靠特性可以防止车辆间的急停、碰撞带来的安全生产事故。

根据上述的基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，优选地，所述需求侧分析控制子系统包括管理层、通信层、设备采集层和第四F1接口；设备采集层用于采集需求侧原始用能信息；设备采集层将采集的用能信息上传至集中器，集中器经上通信层将用能信息传输至管理层。

根据上述的基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，优选地，所述管理层包括上层控制系统、下层控制系统和数据库管理；所述下层控制系统采用基于人工智能的需求侧管理技术，以用户收益最大化作为优化目标，通过大数据分析用户用能数据，自动化控制能源的生产和储运；需求侧的上层控制系统采用基于人工智能的需求侧响应技术，在系统正常运行时，以利润最大化为目标保证设备经济运行，当负荷出现波动时，通过控制上层直调资源和下层互动用户的可调控资源进行削峰，管理层的需求信息通过第四F1接口传递到调控中心由其转化为具体的调度指令执行。

根据上述的基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，优选地，所述5G分体式基站包括集中式单元和分布式单元，集中式单元的功能包括：无线资源控制协议、服务数据适配协议和分组数据汇聚协议；分布式单元的功能包括：无线链路控制协议、多路访问控制和端口物理层。

根据上述的基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，优选地，所述多能源智能耦合控制系统还包括电力市场交易系统，电力市场交易系统通过第五F1接口将电力市场交易信息传输至调控中心，调控中心根据能源生产分级控制子系统、储能控制子系统、运移控制子系统、需求侧分析控制子系统、电力市场交易系统发送的反馈信息进行分析生成对应的能源控制决策。本发明在能源智能耦合控制系统中引入基于区块链技术的电力市场交易系统，能进一步提高可再生能源消纳水平。

根据上述的基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，优选地，所述调控中心实施分级控制，包括整体电源管理的监测控制器，确保间歇性可再生能源发电、储能和动态负载需求之间的功率平衡，以及接收各子系统反馈的数据，所有的数据传输都基于5G分体式基站架构。调控中心的核心是构建省、地两级的能源调控平台，通过收集各分布式系统采集的海量资源，生成可调潜力评估及资源优化调度策略；海量数据通过5G网络接入调控平台，包括实时潮流、机组运行数据、外部环境数据等，由调控中心生成协调优化控制策略；各板块控制系统通过5G网络实现对海量资源的实时控制以及接受调度指令并自动化执行。

与现有技术相比，本发明取得的技术效果如下：

本发明基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统基于第五代移动通信技术，依托能源生产分级控制子系统、储能控制子系统、运移控制子系统、需求侧分析控制子系统、调控中心的智能多板块耦合技术能够耦合多种分布式可再生能源的发电、储能、运移、使用和各板块系统的分级控制，能有效提升能源网络安全经济运行水平和多能源综合利用效率，更好地提高可再生能源的消纳能力；而且，利用5G技术、大数据、人工智能和区块链等技术对海量能源数据进行实时预测、多目标优化和闭环控制，促进能源和信息深度融合，满足能源生产侧、能源需求侧和能源管理者的广泛参与，使得能源系统达到最佳状态；很好的解决分布式能源设备分散、海量、智慧化的问题，为不同类型的业务提供不同的网络切片，保障不同业务的服务质量和差异化需求，为分布式能源的更好发展提供个性化，智慧化服务。

附图说明

图1为本发明基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统示意图；

图2为需求侧分级控制系统示意图；

图3为本发明中5G分体式基站架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1：

一种基于5G分体式基站的多能源智能耦合控制系统，如图1所示，包括能源生产分级控制子系统、储能控制子系统、运移控制子系统、需求侧分析控制子系统、电力市场交易系统、调控中心和5G分体式基站。

能源生产分级控制子系统用于接收调控中心发送的能源生产优化控制决策，并根据能源生产优化控制决策对能源生产进行优化控制，同时将能源生产优化控制信息发送至调控中心。能源生产分级控制子系统是整个多能源智能耦合控制系统中的重要组成部分，它为关键人员和组织提供相关信息来提高能源生产绩效。

能源生产分级控制子系统包括预先控制模块、同期控制模块、事后控制模块和第一F1接口。预先控制模块可结合数据库和模型库对不同形式可再生能源生产进行碳足迹预测分析，同时通过第一F1接口接收调控中心发送的能源生产优化控制决策，并根据能源生产优化控制决策对不同形式可再生能源生产（可再生能源生产包括太阳能发电、风能发电、水力发电、氢能/天然气发电、地热能）和能源需求侧响应进行权重分配，生成预先能源生产策略，对企业能源生产过程中能源生产优先级进行预测和指导。同期控制模块接收预先控制模块生成的预先能源生产策略，并根据预先能源生产策略对能源生产过程进行即时检测和监控。为了在没有人为干预的情况下测量和控制关键生产过程，采用了新的无线传感器接口的低成本测量设备，它们确保>4 kHZ的采样率并通过5G无线网络传输通信，允许通过在线检测系统进行实时环境排放控制和整体产品质量控制。事后控制模块基于碳足迹分级技术对能源生产过程中的碳足迹进行分层分析，找出影响碳排放的主要因素，并根据影响碳排放的主要因素生成优化方案，然后将优化方案发送至调控中心，调控中心在根据优化方案对能源生产优化控制决策进行调整，从而形成一个闭环、螺旋化改进的生产过程周期优化过程。第一F1接口用于预先控制模块、同期控制模块、事后控制模块之间的数据信号传输以及能源生产分级控制子系统与调控中心之间的数据信号传输。

能源生产分级控制子系统将开展工厂5G无线网覆盖建设，在确保工厂安全运行前提下，以需求侧为引导，搭建适应工厂复杂环境的全域工业物联网和数据传输网络。基于5G网络及物联网，将生产现场的各类测量设备、控制设备、执行机构等快速接入工业生产分级控制系统，支撑各类实时数据采集和远程控制；将智能摄像头、智能机器人、巡检仪等各类智能化设备接入5G网络，实现各类生产人员、智能化设备的互联互通；实现设备状态智能监测与感知、设备状态智能评价、设备故障智能诊断及预警；实现对人员安全、危化安全、高风险作业安全及其他安全的技术管控和可视化管理，实现应急救援和快速处置情况下的人机协同和远程作业协助。

储能控制子系统用于接收调控中心发送的能源存储信号，并根据能源存储信号进行能源存储或释放，同时将能源存储或释放结果发送至调控中心。储能控制子系统包括蓄电池堆、储能变流器、电池管理系统、储能电站监控系统和第二F1接口。其中，蓄电池堆是实现电能存储和释放的载体，用于对能源生产分级控制系统中生产的电能进行存储或释放。电池管理系统用于监测、评估和保护电池运行状态。储能变流器是交/直流侧可控的四象限运行的变流装置，用于控制蓄电池的充电和放电过程，并进行交直流的变换。储能电站监控系统为储能控制子系统的控制中枢，用于监控整个储能系统的运行状态，保证储能系统处于最优的工作状态。第二F1接口用于储能控制子系统与调控中心之间的数据信号传输以及蓄电池堆、储能变流器、电池管理系统、储能电站监控系统彼此之间数据信号的传输；储能电站监控系统接收调控中心发送的能源存储信号，并与储能变流器及电池管理系统通讯，采集储能变流器和蓄电池堆的实时状态信息，并根据能源存储信号控制储能变流器和蓄电池堆进行充放电。

在大规模储能技术中，当能源生产过剩时，当能源生产过剩时，储能控制子系统可以利用电池管理系统对电池充放电状态进行动态调整，以将过剩的电能进行电解水制备氢气或抽水蓄能。电解水制备的氢气可存储在盐穴中并通过输送管道可输送至加氢站进行再分配；同时电解水制备的氢气也可转化为甲烷，转化得到的甲烷可储存在现有的天然气洞穴中，在剩余负荷为正时，甲烷用于发电和供热。抽水蓄能是将低位的采空区和/或井巷区抽水至高位蓄水硐室，在剩余负荷为正时，再放水发电。

运移控制子系统用于接收调控中心发送的能源运移指令，并根据能源运移指令进行能源配送，同时将能源配送结果反馈至调控中心。运移控制子系统包括能源输送网络数据采集与监控系统、无人移动加氢站控制系统和第三F1接口；第三F1接口用于运移控制子系统与调控中心之间的数据信号传输；第三F1接口接收调控中心发送的能源运移指令，并将能源运移指令分别传递给能源输送网络数据采集与监控系统、无人移动加氢站控制系统，能源输送网络数据采集与监控系统、无人移动加氢站控制系统根据接收的指令进行能源配送，满足区域内智能配送的需求，并将能源配送结果通过第三F1接口发送至调控中心。其中，输送网络主要是指电网、液网（水、油等）、气网（氢气、天然气等）。所述能源输送网络数据采集与监控系统基于5G大连接、低时延、高可靠等特性和边缘计算等技术，实现站场生产数据、设备状态、环境信息的实时采集与传输，输送管道状态监测、泄露检测、地质灾害监测，以及长输管线的应急通信、智能巡检、无人机巡检；而且，在输送管道设置有高清视频监控系统，能全天候监控，同时实现运移控制子系统的自动预警功能。无人移动加氢站控制系统包括无人移动加氢站，无人移动加氢站上设有自动导向系统，无人移动加氢站在自动导向系统的作用下可沿预定的路线自动行驶，实现无人移动加氢站进行固定线路的氢气智能配送，不需要人工引航。更加优选地，无人移动加氢站通过5G无线网络连接到运移控控制子系统进行自动化集中控制和调度，5G技术的低时延、高可靠特性可以防止车辆间的急停、碰撞带来的安全生产事故。

需求侧分级控制子系统用于采集需求侧用能信息，并将需求侧用能信息发送至调控中心。需求侧分级控制系统可实现需求侧用能信息的自动采集、计量异常监测、能源质量监测、用能分析和管理等功能。需求侧分级控制系统在逻辑上分为管理层、通信层、设备采集层和第四F1接口（如图2所示）。设备采集层是用能信息采集系统的信息底层，负责收集和提供整个系统的原始用能信息，主要是指低压工商业、居民用户和公配变用户的用能表数据采集器上传到集中器，集中器经上行通信通道传到管理层。通信层是管理层和设备采集层的纽带，提供有线和无线通信信道，为主站和终端的信息交互提供链路基础。用能数据采集对通信需求是点多面广，需要5G技术的大规模通信支持。管理层又分为上层控制系统、下层控制系统和数据库管理；下层控制系统采用基于人工智能的需求侧管理技术，以用户收益最大化作为优化目标，通过大数据分析用户用能数据，自动化控制能源的生产和储运；需求侧的上层控制系统采用基于人工智能的需求侧响应技术，在系统正常运行时，以利润最大化为目标保证设备经济运行，当负荷出现波动时，通过控制上层直调资源和下层互动用户的可调控资源进行削峰，管理层的需求信息通过第四F1接口传递到调控中心由其转化为具体的调度指令执行。第四F1接口用于管理层、通信层、设备采集层、调控中心之间的数据信号传输。

调控中心用于接收能源生产分级控制子系统、储能控制子系统、运移控制子系统、需求侧分析控制子系统发送的反馈信息，并对反馈进行分析生成对应的能源控制决策，然后将能源控制决策发送至对应的子系统，实现能源生产、储能、动态负载之间的平衡。调控中心实施分级控制，包括整体电源管理的监测控制器，确保间歇性可再生能源发电、储能和动态负载需求之间的功率平衡，以及接收各板块控制系统的数据，所有的数据传输都基于5G分体式基站架构。调控中心的核心是构建省、地两级的能源调控平台，通过收集各分布式系统采集的海量资源，生成可调潜力评估及资源优化调度策略；海量数据通过5G网络接入调控平台，包括实时潮流、机组运行数据、外部环境数据等，由调控中心生成协调优化控制策略；各板块控制系统通过5G网络实现对海量资源的实时控制以及接受调度指令并自动化执行。

电力市场交易系统将电力市场交易信息通过第五F1接口传输至调控中心，调控中心根据能源生产分级控制子系统、储能控制子系统、运移控制子系统、需求侧分析控制子系统、电力市场交易系统发送的反馈信息进行分析生成对应的能源控制决策。本发明在能源智能耦合控制系统中引入基于区块链技术的电力市场交易系统，能进一步提高可再生能源消纳水平。

5G分体式基站用于实现能源生产分级控制子系统、储能控制子系统、运移控制子系统、需求侧分析控制子系统与调控中心之间的数据信号通过5G网络传输。在本发明多能源智能耦合控制系统中，将5G网络部署在各控制系统下的所有物理基础设置中，所有控制系统的信息传输都遵循5G分体式基站架构。通过为各控制系统保留的无线电资源（频率），该网络能够实现能源工厂中所有传感器之间的互连，并通过整个能源分配基础设施连接调控中心。所有的集线器和入网点都可以通过使用单独频率的5G无线电技术来连接，能有效提升能源系统的安全经济运行水平和多能源综合利用效率，更好地提高可再生能源的消纳能力。

5G分体式基站架构分为两个主要部分（如图3所示）：集中式单元和分布式单元，如图3所示。这两个单元各自执行特定的无线电功能，这两个单元实现无线电的具体功能，其中远离天线且在多个天线中常见的功能由集中式单元执行，而必须在靠近天线的位置执行的功能则由分布式单元执行。F1接口负责连接集中式单元和各个分布式单元，各控制系统的信息通过F1接口传输，该信息基于3GPP标准中列出的F1应用协议，该应用协议使用串流控制传输协议并支持接口管理、用户设备上下文管理和无线资源控制协议信息传输过程。

集中式单元的主要功能包括：（1）无线资源控制协议，它负责广播系统信息，建立和维护无线资源连接（包括载波聚合和双连接），管理与核心网的安全密钥，配置信令和数据无线电承载，不同无线系统之间的管理和切换，报告用户设备信息，并将非接入层信息传输到主机；（2）服务数据适配协议，它负责处理由主机的会话管理功能建立的服务质量，包括保证和非保证的比特率以及上行链路中协商或反射的服务质量，执行由无线资源控制协议和协议数据单元会话配置的无线电承载（每个会话需要一个服务数据适配协议实例)；（3）分组数据汇聚协议，它负责执行数据传输，包括序列编号和移交控制、传输控制协议和互联网协议地址的报头压缩、加密、解密和数据保护、丢弃信令数据单元、管理数据包数据单元的双重连接和透明数据单元的选择、无线电链路控制的确认和未确认模式。

分布式单元的主要功能包括：（1）无线链路控制协议，它负责处理无线电和用户设备之间透明的、确认和未确认的传输模式，即如何确认无线电接口中的分组传输，包括用于同步的透明模式和其他直接传递到天线的系统消息，而无需在无线链路控制协议中进一步处理。消息分段、分组顺序和分段偏移也由该协议处理；（2）多路访问控制，它负责传输信道多路复用和多路分用的功能，包括多路/解复用、带内监测、错误确认和错误编码、优先级和随机访问程序，包括基于竞争的随机接入或无竞争的随机接入；（3）端口物理层：将信息转换为由子载波调制的电信号。

F1接口的一般规范如下：

（1）F1接口是开放接口；

（2）F1接口支持点对点之间的信号信息交换，还支持向各端点的数据传输。即使在端点之间没有物理上的直接连接，同样支持点对点的逻辑接口；

（3）F1接口支持控制层面和设备层面的分离以及无线网络层和传输网络层的分离；

（4）F1接口实现设备F1接口的设计是为了满足不同的新要求，支持新的服务和新的功能；

（5）集中式单元和分布式单元对其他逻辑节点是可见的；

（6）集中式单元和分布式单元配置更新功能允许更新单元之间所需的应用及配置数据，以便通过F1接口正确地进行互操作，并且可以激活或停用各个基站；

（7）F1接口设置和分布式单元配置更新功能允许告知S-NASSAI。S-NSSAI是用于标识和选择网络切片的重要参数之一，包括网络切片类型、服务等级和切片ID。这些参数对于移动设备和网络设备在连接5G网络时选择合适的网络切片非常重要；

（8）F1接口的资源协调功能用于在集中式单元和分布式单元之间传输有关频率资源共享的信息；

（9）分布式单元状态指示功能允许分布式单元向集中式单元指示过载状态。

技术人员需要按照定义好的F1接口规范来实现接口功能，并确保接口的正确性和可靠性。这些接口可能包括传输数据的协议、数据的编码和解码方式、数据的加密和解密方式等。技术人员将所有能源子系统部署在能源系统中，并确保它们能够正确地相互通信。在这个过程中，需要进行系统测试和集成，以确保整个系统的功能和性能都符合预期。部署完本发明系统后，需要进行系统监控和维护，以确保系统的可靠性和稳定性。这包括监测系统性能和运行状况，检测和解决问题，以及及时更新系统以适应新的需求。

本发明采用5G分体式基站架构、生产分级控制系统、储能控制系统、运移控制系统、需求侧分级控制系统、调控中心和电力市场交易系统。在智能化耦合多种可再生能源的生产、储存、运移和使用过程中，各系统采用了“分散自治、整体协调”的优化分级控制策略。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。