一種新型智能雙向電力計量實驗裝置

劉復(fù)玉 陳 璨 李 林 卜艷菊

(1.中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院,山東 青島 266580；2.遼河油田茨榆坨采油廠采油管理科,遼寧 盤錦 124000)

隨著科技的發(fā)展，太陽能電池和電力電子技術(shù)不斷進(jìn)步，太陽能光伏發(fā)電得到了長足的發(fā)展并已成為新能源利用的主流之一。在我國西部，太陽能和風(fēng)能資源豐富，同時由于西部人口密度小，居住分散，太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電是既廉價又清潔的居民用電選擇。但是太陽能和風(fēng)能因為時間和季節(jié)的不同，產(chǎn)生的電力差異很大，比如在冬季，太陽能產(chǎn)生的電力無法滿足人們的需要，需要額外通過大電網(wǎng)提供電力；而在夏季，風(fēng)能和太陽能產(chǎn)生的電力遠(yuǎn)超出了本地用量，可利用并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)將多余電能隨時回送大電網(wǎng)[1～3]。高峰時向電網(wǎng)輸出電能，低谷時從電網(wǎng)獲得電能，即用戶既是外電網(wǎng)的電力消費者又是電力的“生產(chǎn)者”，如此便涉及電能的雙向計量(計算從大電網(wǎng)獲得的電能和反饋到大電網(wǎng)的電能)。

據(jù)筆者調(diào)查，目前國內(nèi)電能計量大部分以單向為主，雙向計量的比較少且功能單一，為此筆者設(shè)計并實現(xiàn)了一種電能雙向計量實驗裝置，該裝置不但能雙向計量電能，而且可以通過采集電源相應(yīng)的性能參數(shù)反饋給光伏逆變器和控制器，以提高光伏發(fā)電效率和電源質(zhì)量。

智能雙向電力計量裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該實驗裝置不但能單獨計量并顯示從大電網(wǎng)獲得的電能和反饋到大電網(wǎng)的電能，還能夠計量電網(wǎng)的電壓有效值和市電頻率、監(jiān)測連接于該計量裝置的負(fù)載工作電流有效值和有功功率值、計算并顯示連接于該裝置的負(fù)載功率因數(shù)和用電時間。通過把這些參數(shù)反饋給光伏逆變器和控制器，進(jìn)一步提高輸電效率和輸電質(zhì)量[4～6]。

圖1 智能雙向電力計量裝置結(jié)構(gòu)框圖

1.1 核心處理器方案選擇

STM32F407ZGT6單片機(jī)是32位ARM微控制器，具有高達(dá)72MHz的工作頻率，在72MHz工作頻率下電流低至36mA，符合低功耗設(shè)計要求。STM32F407ZGT6的庫函數(shù)中有FFT算法相關(guān)的函數(shù)，可以極大地降低程序設(shè)計的難度和程序運行時間，而且還擁有多個可同時啟動的內(nèi)部A/D，可同時采集雙路信號，且更加精確[5,7]?；谝陨显颍蔬x用STM32F407ZGT6單片機(jī)作為主控芯片。

1.2 LCD顯示屏選擇

綜合考慮程序設(shè)計、功耗和數(shù)據(jù)顯示，本設(shè)計選用OLED1286顯示屏。OLED1286 LED點陣屏帶有字庫，顯示信息豐富，無背光，功耗較LCD12864低，可以使用串口連接，節(jié)省單片機(jī)I/O口資源。

1.3 電壓電流信號采集和調(diào)理電路

實驗裝置電路采用SCT254AK與SPT204A互感器將被測電力系統(tǒng)的高電壓、大電流變換為低電壓、小電流并輸入到微控制器ADC通道[6,8]。通過調(diào)整圖2中的反饋電阻R7和R8可得到所需電壓，利用電容C26和可調(diào)電阻R6補(bǔ)償相移，采用400～1 000pF的小電容C27防振和濾波，運用小于400pF的C30抗干擾。

圖2 電壓信號采集電路

需將電流輸出信號變換成電壓信號時，使用SCT254AK，通過調(diào)整圖3中的反饋電阻R15和R16得到所需輸出電壓。添加電容C33和可調(diào)電阻R14來補(bǔ)償相移，電容C34(400～1 000pF)用來防振和濾波，C37起抗干擾作用，其數(shù)值不大于400pF。

圖3 電流信號采集電路

使用高精度穩(wěn)定性好的OP07運算放大器作為信號放大、偏置和電壓跟隨器件，通過兩個反接的二極管保護(hù)運算放大器。此電路將微控制器與電力高壓設(shè)備在電氣方面很好地進(jìn)行了隔離，從而保證二次設(shè)備和人身安全[9]。

1.4 過載報警和過流保護(hù)電路

利用電流互感器監(jiān)視負(fù)載電流。負(fù)載電流在通過互感器初級時，把電流的變化耦合到次級，通過ADC信號采樣，測得電流，然后微控制系統(tǒng)I/O口輸出信號控制常閉繼電器斷開進(jìn)行過流保護(hù)；利用微控制器控制蜂鳴器與LED閃爍實現(xiàn)超載報警功能(圖4)[10]。

圖4 過載報警和過流保護(hù)電路

1.5 低功耗設(shè)計

裝置從軟件與硬件分別進(jìn)行低功耗設(shè)計。軟件低功耗主要通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)，為減少處理器工作時間，電路設(shè)計SLEEP模式和STOP模式，當(dāng)控制系統(tǒng)在一定時間內(nèi)沒有信號被采集時則關(guān)閉控制系統(tǒng)和外設(shè)。硬件低功耗主要使用低功耗元器件和合理配置器件實現(xiàn)的[11]，液晶屏采用無背光0.96寸OLED顯示模塊，電路搭建過程中減少使用分立元件，使用小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器ICL7660芯片、正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117X芯片和三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源TL431生成所需電壓，以降低電路功耗。

2 理論分析與計算

220V交流電經(jīng)過互感器，可以將高電壓按比例關(guān)系降壓，然后經(jīng)過穩(wěn)壓、運放電路使電壓穩(wěn)定為±1.5V的正弦信號，通過信號的正負(fù)得到電源的輸出方向。接著信號經(jīng)過電壓跟隨器，使電壓偏置，得到0～3V的正弦信號，如此信號便可以連入單片機(jī)進(jìn)行A/D采集。A/D采集到電壓、電流信號后通過FFT算法得到復(fù)頻域值，然后通過幅值比較，在采集點中確定最大幅值，并根據(jù)最大幅值確定頻率，然后求得相位，從而可以得到電壓、電流的相位差和功率因數(shù)，再將求得的電壓、電流有效值、有功功率和電能消耗值輸出并在液晶上顯示[9,10,12]。

FFT技術(shù)是數(shù)字信號處理的一個強(qiáng)有力工具，它可以將信號變換到頻域。FFT的原理是通過許多小的更加容易進(jìn)行的變換去實現(xiàn)大規(guī)模的變換，降低了運算要求，提高了運算速度。在實際控制系統(tǒng)中得到的是連續(xù)信號x(t)的離散采樣值x(nT)，因此就需要利用離散信號x(nT)來計算信號x(t)的頻譜。本設(shè)計中，F(xiàn)FT主要通過STM32F407調(diào)用內(nèi)部函數(shù)實現(xiàn)對信號的頻域分析[13,14]。利用FFT對離散信號進(jìn)行壓縮的步驟如下：

a. 通過A/D采樣將信號離散化；

b. 對離散化信號進(jìn)行傅立葉變換；

c. 對變換后的系數(shù)進(jìn)行運算處理；

d. 使用微控制器對參數(shù)進(jìn)行計算顯示。

3 程序設(shè)計

程序主要實現(xiàn)的功能：接收用戶按鍵信息，用來調(diào)節(jié)負(fù)載最大門限值；輸出控制報警裝置工作與否；當(dāng)測量值超出安全范圍時，控制保護(hù)電路斷開電路與市電的連接；接收A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，采用STM32F407ZGT6中的FFT函數(shù)庫對信號參數(shù)進(jìn)行分析運算，利用FFT計算電壓、電流信號相位差、電壓有效值和負(fù)載電流值，得到有功功率和有功功率因數(shù)，并計算其他相關(guān)數(shù)據(jù)[12,13,15]；同時利用定時器記錄用電時間，用LCD實現(xiàn)各參數(shù)的顯示。程序設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 程序流程

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試儀器

系統(tǒng)測試使用的儀器有數(shù)字存儲示波器GDS-2102、數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器SU3050、數(shù)字多用表TH1951、便攜式萬用表VC890C+、功率因數(shù)表XL50PF及單相電能測試儀LCT-CX102等。

4.2 測試方案

在不加負(fù)載的情況下，利用交流電壓表和頻率表測交流電壓有效值和頻率。然后接負(fù)載電路，利用交流電流表和有功功率表測量負(fù)載電流和有功功率，并用功率因數(shù)表測量功率因數(shù)，再根據(jù)時間測出電能消耗[11,14,15]。

測試方法：連接電路，通過100VA隔離變壓器接入市電，調(diào)整負(fù)載電阻使電流有效值處于0.5～1.5A之間；經(jīng)STM32調(diào)控讀出功率、功率因數(shù)、電流電壓有效值、頻率和電能功耗作為測量值，調(diào)節(jié)最大門限，測試保護(hù)電路和報警電路功能；將單相電能測試儀接在帶負(fù)載的隔離變壓器輸出端，讀出電壓、電流、頻率、功率和功率因數(shù)作為實際值。

測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 測試數(shù)據(jù)

從測試數(shù)據(jù)與系統(tǒng)運行情況來看，電壓、電流、有功功率、電能和功率因數(shù)的誤差都控制在0.80%內(nèi)，表明該實驗裝置誤差小、運行穩(wěn)定可靠，整個硬件采集電路和單片機(jī)MSP430G2553具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計的智能雙向電力計量裝置采用ARM微控制器STM32F407ZGT6作為主控核心，以互感器與微控制器內(nèi)部12位ADC組合為采樣模塊，采用微控制器內(nèi)部FFT運算函數(shù)庫作為數(shù)據(jù)處理方法。該裝置不但能雙向計量電能，而且可以采集電源相應(yīng)的性能參數(shù)，通過反饋給光伏逆變器和控制器提高光伏發(fā)電效率和電源質(zhì)量。整個系統(tǒng)圍繞低功耗與高精度設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，減少使用分立元件，同時優(yōu)化程序，保證了該裝置低功耗、高精度、性能良好。經(jīng)實地測試，該裝置能夠較好地滿足現(xiàn)場實際需要，具有良好的推廣和使用價值。

[1] 李世璽,肖繼學(xué),王凱.交流電力測試系統(tǒng)中關(guān)鍵采樣點的估計方法研究[J].化工自動化及儀表,2010,37(9):42～45.

[2] 李培,李國友,劉立剛.基于非對稱模糊策略的光伏發(fā)電最大功率點跟蹤研究[J].化工自動化及儀表,2011,38(7):827～830.

[3] 蘭建軍,陳杰輝,李超.光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽方向檢測方法研究[J].化工自動化及儀表,2015,42(1):12～16.

[4] 李偉,劉齊飛,馬景蘭,等.基于USB存儲技術(shù)的管道定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].化工機(jī)械,2014,41(5):618～622.

[5] 李凱,鄒見效,鄭宏.風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2012,10(2):83～85.

[6] 王曉寰,張純江,顧和榮,等.現(xiàn)場總線控制的單相逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報,2007,22(10):109～112.

[7] 常婧.智能電網(wǎng)建設(shè)對智能儀表的技術(shù)需求分析[J].儀表技術(shù),2010,(4):58～60.

[8] 嚴(yán)琦龍,陳庭勛.基于DPA425的小功率無線電源設(shè)計[J].實驗室研究與探索,2010,29(7):27～30.

[9] 許勝輝.可控整流電源智能調(diào)節(jié)器的實驗研究[J].實驗室研究與探索,2008,27(5):157～160.

[10] 靜恩波.智能電網(wǎng)AMI中的智能電表系統(tǒng)設(shè)計[J].電測與儀表,2010,47(z1):36～39.

[11] 劉潤華,李震梅.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].東營:石油大學(xué)出版社,2007.

[12] 高吉祥.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)系列教程:模擬電子線路設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[13] 岳麗娟,曾成.雙向計量型智能電表系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化儀表,2014,35(4):75～78.

[14] 高曉雷.光伏發(fā)電并網(wǎng)及電量計量問題的探究[J].電力安全技術(shù),2013,15(12):29～31.

[15] 趙庚申,王慶章,郭天勇,等.基于FPGA的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)潮流分析及電量雙向計量的研究[J].南開大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,42(3):22～28.