分布式光伏發(fā)電的雙向智能電表設(shè)計(jì)

郎燕娟，陶唯琛，朱海峰

(1.江蘇省電力公司蘇州供電公司營(yíng)銷部，江蘇 蘇州 215000;2.江蘇省電力公司太倉(cāng)市供電公司，江蘇 太倉(cāng) 215400;3.江蘇省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210000)

0 引言

在全球電力需求日益上漲、能源問(wèn)題逐漸加劇的背景下，光伏發(fā)電由于無(wú)污染、分布廣、應(yīng)用范圍大［1］，被給予厚望，期待可以用于緩解資源和環(huán)境的危機(jī)。光伏發(fā)電分為兩大類:集中式光伏發(fā)電和分布式光伏發(fā)電，其中分布式光伏發(fā)電具有環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性，以及投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容等特點(diǎn)［2］，成為了未來(lái)的重要發(fā)展方向。

雙向智能電表是分布式光伏發(fā)電建設(shè)的重要內(nèi)容［3］15。本文基于電能質(zhì)量芯片ADE7880，采用ARM核處理器LPC2119作為控制核心，設(shè)計(jì)了可用于分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的雙向智能電表

1 分布式光伏發(fā)電對(duì)智能電表的要求

1.1 分布式光伏發(fā)電的計(jì)量點(diǎn)設(shè)置

分布式光伏發(fā)電常用的運(yùn)營(yíng)模式包括:低壓并網(wǎng)統(tǒng)購(gòu)統(tǒng)銷、低壓并網(wǎng)自發(fā)自用/余電上網(wǎng)、高壓并網(wǎng)統(tǒng)購(gòu)統(tǒng)銷、自發(fā)自用/余電上網(wǎng)高壓并網(wǎng)四種方式［3］16，其中低壓并網(wǎng)自發(fā)自用/余電上網(wǎng)的場(chǎng)合最適宜使用雙向智能電表，其電價(jià)計(jì)量點(diǎn)設(shè)置示意圖如圖1所示，本文的智能電表設(shè)計(jì)中對(duì)運(yùn)營(yíng)模式的電表進(jìn)行研究。

圖1 低壓并網(wǎng)自發(fā)自用/余電上網(wǎng)的電能計(jì)量點(diǎn)

1.2 分布式光伏發(fā)電中電信號(hào)的諧波

將電力系統(tǒng)中的電壓、電流信號(hào)采用周期函數(shù)表示為:

其中Vn和In是諧波電壓和電流的有效值，φn和ψn分別是諧波的相位延遲。由于光伏發(fā)電采用DC-AC逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為交流能量，通常會(huì)包含基波為50 Hz的高次諧波和開(kāi)關(guān)頻率的高次諧波［4］。

電力系統(tǒng)中的諧波會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓、電流波形的畸變，引起電極的機(jī)械振動(dòng)、損壞電機(jī)設(shè)備，不僅會(huì)損害電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，也會(huì)對(duì)人、動(dòng)物和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響［5］。因此，在光伏發(fā)電的智能電表設(shè)計(jì)中，必須對(duì)光伏逆變并網(wǎng)點(diǎn)電能諧波進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證分布式并網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2 系統(tǒng)總體和硬件設(shè)計(jì)

本文基于ARM作為控制核心的方案設(shè)計(jì)三相智能電表。其中，電能計(jì)量選擇ANALOG DEVICES公司的集成諧波監(jiān)控的多相多功能電能計(jì)量集成芯片ADE7880，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算。微處理器ARM選擇NXP公司的32/16位核的微控制器LPC 2119，負(fù)責(zé)一級(jí)存儲(chǔ)和與外部進(jìn)行通信。

2.1 電能計(jì)量硬件設(shè)計(jì)

圖2 雙向智能電表系統(tǒng)框圖

電能計(jì)量的總體框圖如圖2所示。 兩 個(gè)ADE7880分別對(duì)電網(wǎng)向用戶輸送的、用戶微網(wǎng)向電網(wǎng)輸送電能的電壓信號(hào)、電流信號(hào)極性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、A-D轉(zhuǎn)換、電能有功電量計(jì)算、無(wú)功電量計(jì)算、功率因數(shù)分析、諧波頻譜分析，完成電能測(cè)量。然后，對(duì)處理的結(jié)果通過(guò)異步串口發(fā)送到ARM主控單元LPC 2119，由LPC 2119完成智能電表的顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、通信。

2.2 采樣電路設(shè)計(jì)

雙向電壓電流的采樣方式為:設(shè)計(jì)中采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)電壓進(jìn)行采樣，通過(guò)調(diào)理電路輸入到ADE7880;采用電流互感器對(duì)電流進(jìn)行采樣，通過(guò)調(diào)理電路輸入到ADE7880。六路完全一致的RC低通濾波器可以保證采樣前后電壓、電流的相位保持一致，也能降低外界干擾對(duì)電壓、電流采集造成的影響。

2.3 基于LPC2119的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LPC2119是一個(gè)基于實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM微控制器，并帶有256 K嵌入的高速片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器，內(nèi)置符合16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口和高速I2C接口，非常適用于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件MODEM的應(yīng)用。

表1 電力參數(shù)計(jì)算公式

微處理的外部采用12 MHz晶振，采用SP708作為復(fù)位芯片。本文的雙向智能電表的電量存儲(chǔ)設(shè)計(jì)中，將ADE 7880測(cè)量和計(jì)算得到的電能計(jì)量數(shù)據(jù)輸入到LPC2119的片內(nèi)FLASH ROM中，并利用LCD數(shù)字顯示實(shí)時(shí)輸出這些電量的計(jì)量結(jié)果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電力參數(shù)計(jì)算模型

在ADE 7880中，電能的計(jì)算方式為:先對(duì)電能進(jìn)行采樣，計(jì)算瞬時(shí)功率，然后通過(guò)對(duì)瞬時(shí)功率對(duì)時(shí)間的累加計(jì)算電能［6］。電力參數(shù)計(jì)算公式如表1所示。

3.2ARM通信管理

主控管理單元ARM負(fù)責(zé)對(duì)電能表所有模塊進(jìn)行管理，管理單元主程序流程如圖3所示，系統(tǒng)主要流程包括上電初始化(包括寄存器初始化、I/O口初始化、定時(shí)器初始化、串口初始化、LCD和 RTC初始化)、與 ADE 7880通信(讀取E2PROM電量、時(shí)鐘數(shù)據(jù)、電表數(shù)據(jù))。

本文設(shè)計(jì)的通信采用RS-485串行總線通信方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。為保證數(shù)據(jù)可靠，設(shè)計(jì)了兩級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并確保數(shù)據(jù)為一個(gè)一個(gè)寫入X5045的串行 E2PROM。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有串行時(shí)鐘，為ARM提供具體時(shí)間，這樣，每個(gè)用戶儀表的數(shù)據(jù)都有詳細(xì)的時(shí)間，為電能質(zhì)量檢測(cè)和故障監(jiān)測(cè)提供了時(shí)間依據(jù)。

圖3 基于ARM的主控管理流程

4 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的框圖如圖4所示，三相精密電源輸出連接用電器，并利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)三相電表和一個(gè)待測(cè)智能電表進(jìn)行測(cè)試，待測(cè)智能電表通過(guò)LCD顯示屏讀取測(cè)試數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中，三相精密電源采用JCD4060，三相標(biāo)準(zhǔn)電能表采用CL311E。測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。

從表2的測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)電網(wǎng)向用戶提供負(fù)載時(shí)，雙向智能電表基波有功功率誤差小于0.29%，基波無(wú)功功率誤差小于0.46%，功率因數(shù)誤差小于0.66%。由表3的測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)用戶向電網(wǎng)提供電能時(shí)，雙向智能電表基波有功功率誤差小于0.24%，基波無(wú)功功率測(cè)量誤差小于0.22%，功率因數(shù)測(cè)量誤差小于0.33%。雙向的基波有功功率計(jì)量誤差達(dá)到了GB/T17215.322-2008的0.2 s級(jí)誤差要求，電網(wǎng)向用戶提供負(fù)荷的基波無(wú)功功率計(jì)量誤差達(dá)到了0.4 s級(jí)誤差要求，用戶向電網(wǎng)提供能量的基波無(wú)功功率計(jì)量誤差達(dá)到了0.2 s級(jí)要求。

圖4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框圖

表2 電網(wǎng)向用戶提供負(fù)荷下測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文面向分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電和智能電網(wǎng)高級(jí)測(cè)量體系的迫切需求，設(shè)計(jì)了一種多功能雙向智能電表。文中給出了研究背景、設(shè)計(jì)過(guò)程和測(cè)試結(jié)果，基波有功、無(wú)功電能測(cè)量誤差均滿足誤差要求，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

［1］康玉泉，孫慶蘭.中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究［J］.中國(guó)產(chǎn)業(yè)，2010，22(11):41-42.

［2］NKKHAJOEI H，LASSETER R H.Distributed generation interface to the CERTS microgrid［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(3):1598-1608.

［3］王夢(mèng)蔚，晏陽(yáng).分布式發(fā)電功率雙向計(jì)量問(wèn)題的分析［J］.電工電氣，2013，33(5):15-22.

［4］王月志.電能計(jì)量技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

［5］馮力鴻.諧波對(duì)電能表計(jì)量誤差影響的分析［D］.北京:華北電力大學(xué)(北京)，2008.

［6］陳雪梅.基于DSP的單相電子式電表的設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2008.