分布式電源接入下雙向地磅計(jì)量與監(jiān)控一體化設(shè)計(jì)構(gòu)想
分布式電源接入下雙向地磅計(jì)量與監(jiān)控一體化設(shè)計(jì)構(gòu)想
為保護(hù)地球資源,現(xiàn)在大力開發(fā)無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)。
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發(fā)利用提上日程,甚至已經(jīng)開始應(yīng)用。與傳統(tǒng)能源不同,太陽能生物能、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)作的任何電力問題都是電能質(zhì)量問題 ”。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題包括諧波、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、諧波等一系列問題,會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
2.雙向地磅計(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 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、電壓過壓欠壓事件記錄、電流失流過流事件記錄、瞬時(shí)電壓電流功率的檢測(cè)等功能。”經(jīng)過綜合考慮,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)等問題。雙向計(jì)量與監(jiān)控一體化設(shè)備雖然不能把上述問題全部解決,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
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
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題。進(jìn)一步配合 Free R TOS 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。