分布式電源接入下雙向計(jì)量與監(jiān)控一體化設(shè)計(jì)構(gòu)想

唐艷蘭

摘 要：為保護(hù)地球資源，現(xiàn)在大力開(kāi)發(fā)無(wú)污染可再生的新能源。在此背景下，大量分布式新能源電源接入電網(wǎng)。分布式電源接入電網(wǎng)后，家庭微電網(wǎng)潮流存在雙向性，又有分布式電源發(fā)電補(bǔ)貼、余電上網(wǎng)、用電價(jià)格不同等因素，傳統(tǒng)的電能計(jì)量裝置已不能滿足發(fā)展的需求。雙向計(jì)量與監(jiān)控一體化設(shè)備使用“單片機(jī)+計(jì)量芯片”以及其他通信接口等設(shè)備，搭載適合的操作系統(tǒng)對(duì)總體任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電能表的不足，實(shí)現(xiàn)雙向計(jì)量、計(jì)算補(bǔ)貼、電網(wǎng)電能質(zhì)量采集等任務(wù)。

關(guān)鍵詞：分布式；雙向計(jì)量；監(jiān)控；一體化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.230

0 引言

化石能源等傳統(tǒng)能源，具有不可再生性，它們的日漸枯竭使得人們尋找新能源替代。在這種背景下，大量可再生新能源的開(kāi)發(fā)利用提上日程，甚至已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用。與傳統(tǒng)能源不同，太陽(yáng)能生物能、風(fēng)能、小水電資源等可再生資源都是分布式存在的。國(guó)家大力推行新能源，倡導(dǎo)新能源發(fā)電。一方面，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)，電力客戶的用電需求也在增加；另一方面，城鎮(zhèn)化的建設(shè)實(shí)施同時(shí)也為分布式能源的大量、成規(guī)模地加入提供了有利的大環(huán)境。

1 分布式電源發(fā)展概況

1.1 分布式電源技術(shù)定義及分類

分布式發(fā)電（ Distributed Generation，DG） 技術(shù)一般主要包括發(fā)電容量為幾十到幾百 kW 的燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)等。這些技術(shù)依靠可再生新能源為主的小型發(fā)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)，這些小型設(shè)備都就近分布在負(fù)荷附近。

1.2 分布式電源優(yōu)缺點(diǎn)

分布式電源具有投資小、占地少及節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。但跟傳統(tǒng)的集中能源相比，還是有弊端存在。人們將現(xiàn)代電能質(zhì)量通常理解為 “ 導(dǎo)致用戶電力設(shè)備不能正常工作的電壓 、電流或頻率偏差，造成用電設(shè)備故障或錯(cuò)誤動(dòng)作的任何電力問(wèn)題都是電能質(zhì)量問(wèn)題 ”。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題包括諧波、頻率偏差、電壓波動(dòng)與閃變等；暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題主要包括電壓凹陷、電壓凸起、暫態(tài)震蕩等，是電力系統(tǒng)發(fā)生故障機(jī)投切操作等伴隨的暫時(shí)性現(xiàn)象。分布式電源接入電網(wǎng)，其輸出功率具有隨機(jī)性和波動(dòng)性特征，并網(wǎng)后容易引起變壓波形畸變、電壓波動(dòng)與閃變、三項(xiàng)不平衡、諧波等一系列問(wèn)題，會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2 雙向計(jì)量與監(jiān)控一體化設(shè)備的需求

2.1 家庭微電網(wǎng)應(yīng)用分析

對(duì)家庭微電網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)用分析，本文是基于高級(jí)計(jì)量架構(gòu)（AMI）的。高級(jí)計(jì)量架構(gòu)包含以下幾個(gè)部分：測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（ MDMS） 、雙向通信網(wǎng)絡(luò)、智能電表和用戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。

高級(jí)計(jì)量架構(gòu)中的計(jì)量和智能監(jiān)控功能由雙向計(jì)量與監(jiān)控一體化設(shè)備承擔(dān)。設(shè)備包括：主站、智能設(shè)備、分布式電源、智能負(fù)載。一方面，從上級(jí)主站或微電網(wǎng)獲得電價(jià)、調(diào)度信息等；另一方面通過(guò)RS-485、信息網(wǎng)絡(luò)等方式對(duì)分布式電源及用電設(shè)備來(lái)進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 家庭用戶功能需求

家庭微電網(wǎng)的潮流方式與普通電網(wǎng)潮流方式不同，它是存在雙向流動(dòng)的。分布式電源發(fā)電補(bǔ)貼、余電上網(wǎng)、用電電價(jià)不同、家庭用電方式不同。傳統(tǒng)的電能計(jì)量裝置顯然已經(jīng)不能滿足如此多樣化的需求了。這就要求有一種可以雙向計(jì)量且具有監(jiān)控功能的設(shè)備來(lái)替代。

3 硬件方案

雙向計(jì)量與監(jiān)控一體化設(shè)備同時(shí)具備對(duì)電網(wǎng)的質(zhì)量監(jiān)測(cè)、可雙向計(jì)量電能費(fèi)用、可計(jì)量分布式電源的發(fā)電補(bǔ)貼、可體現(xiàn)用電能效等功能。設(shè)備采用MCU+計(jì)量芯片方案，主要組成部分為：雙向計(jì)量、CAN總線、信息網(wǎng)絡(luò)及RS-485模塊。

3.1 雙向計(jì)量模塊

依照《 國(guó)家電網(wǎng)智能電表技術(shù)規(guī)范 》要求，雙向計(jì)量應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)的功能有：“組合/正向/反向有功總電能、組合/正向/反向各費(fèi)率有功電能、正向/反向分相有功電能、正向/反向有功最大需量、 瞬時(shí)凍結(jié)功能、整點(diǎn)凍結(jié)功能、電壓過(guò)壓欠壓事件記錄、電流失流過(guò)流事件記錄、瞬時(shí)電壓電流功率的檢測(cè)等功能。”經(jīng)過(guò)綜合考慮，采用ADE7878/7593 計(jì)量芯片為宜。

3.2 通信功能模塊

為滿足實(shí)際應(yīng)用中不同的通信接口需求，設(shè)備集成信息網(wǎng)絡(luò)、電力線載波、RS-485、CAN、紅外借口等通信模塊。例如：后期與其他能效管理設(shè)備通訊可使用CAN；遠(yuǎn)程抄表功能的實(shí)現(xiàn)可依靠紅外通訊；信息網(wǎng)絡(luò)可用于與其他分布式單元通訊，獲得更多訊息。

4 軟件設(shè)計(jì)及任務(wù)組成

設(shè)備要實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、雙向獨(dú)立計(jì)量電能電費(fèi)、計(jì)量補(bǔ)貼、雙向通信等功能。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高，任務(wù)繁重，操作系統(tǒng)選取輕量級(jí)的，比如FreeRTOS。基于操作系統(tǒng)支持，可將設(shè)備的軟件流程在不影響功能的情況下分解成幾塊主要任務(wù)。

4.1 總體任務(wù)設(shè)計(jì)

雙向計(jì)量與監(jiān)控一體化設(shè)備的任務(wù)涉及電網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、雙向電能計(jì)量、人機(jī)交互等方面。為保證電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，電網(wǎng)參數(shù)采集處理任務(wù)設(shè)置成最高優(yōu)先級(jí)；雙向計(jì)量任務(wù)也較為重要，設(shè)置為次優(yōu)先級(jí)；通信任務(wù)在不同時(shí)段不同場(chǎng)合需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)置級(jí)別；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間要求很短，設(shè)置為較低的優(yōu)先級(jí)；能效管理任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，可設(shè)置級(jí)別為0。

4.2 電能雙向計(jì)量任務(wù)

電能雙向計(jì)量任務(wù)由線周期電能累計(jì)模式實(shí)現(xiàn)。在電能計(jì)量模式下，對(duì)計(jì)量芯片進(jìn)行配置。設(shè)置為：LINECYC 寄存器中所設(shè)整數(shù)個(gè)半波周期的積分每次處理完畢，就會(huì)向主控芯片發(fā)出中斷請(qǐng)求。主控芯片收到請(qǐng)求即讀取電能寄存器的值及獲取寄存器狀態(tài)，及時(shí)判斷有功的正反向；利用獲取的信息進(jìn)一步進(jìn)行處理，為用戶能效管理任務(wù)及微電網(wǎng)中央控制器提供有效數(shù)據(jù)。

4.3 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)任務(wù)

分布式電源不同于傳統(tǒng)的集中能源，它所產(chǎn)生的電能質(zhì)量不佳。分布式能源產(chǎn)生的電能穩(wěn)定性差、會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變、還會(huì)出現(xiàn)諧波、電壓偏差、頻率波動(dòng)等問(wèn)題。雙向計(jì)量與監(jiān)控一體化設(shè)備雖然不能把上述問(wèn)題全部解決，但對(duì)于諧波還是有一定作用的。對(duì)諧波進(jìn)行計(jì)量，則需采集定時(shí)電壓、瞬時(shí)電流值。利用操作系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)周

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期采集100或200個(gè)樣本，設(shè)置每隔0.1或0.2ms進(jìn)行一次采樣工作。此采樣程序設(shè)置為最優(yōu)先級(jí)，以使電網(wǎng)得到最快響應(yīng)，來(lái)保護(hù)大電網(wǎng)的運(yùn)行。

4.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)

雙向計(jì)量與監(jiān)控一體化設(shè)備還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及讀取操作。其中包括基本參數(shù)、電能質(zhì)量信息以及用戶用電信息等。同時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)還可對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)記錄設(shè)備設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，能效管理狀態(tài)信息，停送電事件發(fā)生時(shí)處理申請(qǐng)；信息網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，管理設(shè)備連接狀態(tài)，將不用的鏈接關(guān)閉以釋放資源來(lái)使設(shè)備更加順暢地運(yùn)行等。另外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)還可以對(duì)分布式電源進(jìn)行監(jiān)控，并反饋給上級(jí)電網(wǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著分布式電源大量接入電網(wǎng)，家庭微電網(wǎng)潮流存在雙向性，分布式電源電費(fèi)補(bǔ)貼，分布式電源接入電網(wǎng)后電能質(zhì)量不穩(wěn)定等因素導(dǎo)致傳統(tǒng)的電能計(jì)量裝置不再適用。雙向計(jì)量與監(jiān)控一體化設(shè)備可以較好地解決上述問(wèn)題。進(jìn)一步配合FreeRTOS 嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)電能表的缺憾，實(shí)現(xiàn)雙向電能獨(dú)立計(jì)量、補(bǔ)貼電費(fèi)計(jì)算、微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)及信息通訊等功能。為分布式電源的推廣應(yīng)用做了一個(gè)良好的助推，也為大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效保障。

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