基于ADE7758的分布式光伏電能計(jì)量裝置

黃 穎

(九州能源有限公司，廣東 廣州 510663)

0 引言

隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境污染的日益加重，光伏和風(fēng)力發(fā)電越來(lái)越多地應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。光伏發(fā)電可以利用居民屋頂和廠(chǎng)房進(jìn)行自主發(fā)電，相對(duì)于風(fēng)力發(fā)電更容易大范圍實(shí)現(xiàn)，我國(guó)為了鼓勵(lì)光伏發(fā)電推廣，制定了一系列的補(bǔ)貼政策，以提高居民積極性[1]。然而目前分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)其研究重點(diǎn)往往在于提高電能質(zhì)量和提高轉(zhuǎn)換效率上，而電能計(jì)量數(shù)據(jù)更新速度慢，觀(guān)察不直觀(guān)，用戶(hù)不能實(shí)時(shí)實(shí)地的獲得光伏發(fā)電量以及補(bǔ)貼量，因此容易導(dǎo)致用戶(hù)積極性不高。因此本文設(shè)計(jì)了一種分布式光伏電能雙向計(jì)量裝置，以精確計(jì)量每日發(fā)電量和補(bǔ)貼量，每天定時(shí)更新到用戶(hù)指定手機(jī)，以提高其安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的積極性[2]。

1 總體設(shè)計(jì)思路

首先從實(shí)用性考慮，該裝置應(yīng)當(dāng)具有精確電能雙向計(jì)量功能，應(yīng)當(dāng)具有較好的用戶(hù)體驗(yàn)友好度，方便用戶(hù)進(jìn)行配置，同時(shí)方便裝置的安裝調(diào)試和版本迭代。

在技術(shù)方面，應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，圍繞核心主控單片機(jī)采用通用型接口連接各個(gè)功能模塊。其核心功能模塊是電能雙向計(jì)量模塊和短信交互模塊，同時(shí)為了保證工作準(zhǔn)確性和可靠性，需要增加精準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)時(shí)、掉電存儲(chǔ)、液晶顯示等輔助功能模塊。

1.1 設(shè)計(jì)框圖

光伏電能計(jì)量裝置首要功能是實(shí)現(xiàn)電能的雙向計(jì)量，本文采用ANAOLOG DEVICES公司的ADE7758電能計(jì)量芯片實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電能計(jì)量。該芯片和主控單片機(jī)通過(guò)SPI接口通訊。其次，該裝置需具有短信通訊功能，本文在充分調(diào)研的前提下，采用濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)的2GDTU(Data Transfer Unit)實(shí)現(xiàn)短信雙向通訊。為了保證該裝置的控制可靠性和計(jì)算速率，本文采用ST公司的STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控芯片。該裝置需具備精確實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)功能，以給實(shí)時(shí)計(jì)量貼上精準(zhǔn)時(shí)標(biāo)，因此本文采用DS3231計(jì)時(shí)芯片。為實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)的掉電存儲(chǔ)，本文采用24C64大容量EEPROM存儲(chǔ)芯片。其組成框圖見(jiàn)圖1。

圖1 組成框圖

1.2 裝置功能設(shè)定

考慮到光伏計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，本文為該裝置設(shè)定了以下幾項(xiàng)功能：

1) 電能計(jì)量：光伏側(cè)和市電側(cè)的實(shí)時(shí)雙向電能計(jì)量，包括電壓有效值、電流有效值、有功功率、視在功率；

2) 短信交互：用戶(hù)可通過(guò)短信設(shè)置目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼(針對(duì)用戶(hù)更換手機(jī)號(hào)碼的情況)、定時(shí)接收電能信息短信、實(shí)時(shí)請(qǐng)求查詢(xún)電能信息；

3) 精準(zhǔn)計(jì)時(shí)：實(shí)時(shí)精準(zhǔn)計(jì)時(shí)(年累計(jì)偏差不大于2 min)、時(shí)間設(shè)置接口(采用按鍵和液晶進(jìn)行設(shè)置)

4) 掉電存儲(chǔ)：為防止停電情況，需要對(duì)電能計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)存儲(chǔ)，例如每隔1 h，同時(shí)可通過(guò)按鍵清空存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 硬件電路模塊設(shè)計(jì)

2.1 采樣電路設(shè)計(jì)

電流互感器采用2 000∶1的穿心式電流互感器，其規(guī)則參數(shù)為50 A/25 mA，其輸出信號(hào)為電流信號(hào)。ADE7758的輸入信號(hào)不得大于0.5 V，因此本文采用20 Ω的電阻將輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，如圖2所示。D1和D2為二極管，用于限幅保護(hù)。R1和C1、R4和C6分別組成RC低通濾波器。

圖2 電能計(jì)量電路原理圖

電壓互感器為2 mA/2 mA的1∶1電流型電壓互感器，在其一次側(cè)串接180 k的高耐壓電阻，從而將大電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為小電流信號(hào)，二次側(cè)串接240 Ω的電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)為峰值不大于0.5 V的電壓信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路見(jiàn)圖2所示。圖中二極管和RC濾波器功能與電流互感器調(diào)理電路相同，這里不再贅述。

2.2 電能計(jì)量模塊設(shè)計(jì)

電能計(jì)量芯片采用ADE7758集成芯片。該芯片為SPI接口，同時(shí)提供中斷脈沖輸出和電能轉(zhuǎn)頻率輸出接口。能夠提供電壓電流有功、無(wú)功、有效值的精準(zhǔn)測(cè)量，在25 ℃時(shí)，在1 000∶1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，有功電能誤差小于0.1%，其內(nèi)部擁有相位校正、有效值校正等多種校正功能，可實(shí)現(xiàn)高精度校準(zhǔn)和測(cè)量[3]。其原理圖如圖2所示。由于該芯片采用5 V電壓源，而本文所用單片機(jī)采用3.3 V電平，因此本文在該芯片的輸出口上串接一個(gè)1 k的電阻以限流，防止燒壞單片機(jī)，同時(shí)在該芯片的輸入口上拉1 k的電阻到5 V電壓源，單片機(jī)采用開(kāi)漏輸出即可實(shí)現(xiàn)3.3 V電平到5 V電平的轉(zhuǎn)換。

2.3 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊采用高精度的DS3231集成計(jì)時(shí)芯片。該芯片內(nèi)部集成了溫補(bǔ)振蕩器和32.768 kHz的晶體[4]，外部可最大限度減少輔助器件，只需要提供幾個(gè)去耦電容和電池即可。該芯片采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，需上拉4.7 kΩ的電阻到3.3 V電壓源。

2.4 存儲(chǔ)模塊

EEPROM存儲(chǔ)方式的存儲(chǔ)壽命為100萬(wàn)次，而FLASH存儲(chǔ)方式為10萬(wàn)次，為了保證10年設(shè)計(jì)壽命，本文選用EEPROM存儲(chǔ)介質(zhì)，芯片為24C64，其內(nèi)部擁有8 kB的存儲(chǔ)容量。為充分利用EEPROM存儲(chǔ)容量，提高其使用壽命，本文采用循環(huán)存儲(chǔ)的方式存放數(shù)據(jù)。即在存儲(chǔ)芯片中平均分為若干個(gè)子區(qū)域，每個(gè)區(qū)域輪流存儲(chǔ)電能數(shù)據(jù)。

2.5 短信模塊

為實(shí)現(xiàn)短信交互功能，本文采用濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)公司的GPRS DTU模塊。該模塊提供了方便快捷的AT指令接口和詳細(xì)的軟件開(kāi)發(fā)文檔。為提高數(shù)據(jù)抗干擾性能，DTU模塊采用RS485接口與單片機(jī)通訊。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要包括ADE7758驅(qū)動(dòng)程序模塊、短信交互程序模塊、存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)程序模塊、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)程序模塊、液晶顯示模塊、定時(shí)器中斷模塊6個(gè)模塊。

3.1 程序流程圖

本文程序設(shè)計(jì)的核心構(gòu)架為：ADE7758芯片內(nèi)部不斷累積電能計(jì)數(shù)值，單片機(jī)每隔500 ms讀取一次ADE7758內(nèi)部數(shù)據(jù)，并累加到全局電能計(jì)量值變量中，同時(shí)ADE7758內(nèi)部的電能累計(jì)值清零，其他所有的功能程序模塊均在STM32單片機(jī)的主循環(huán)中。

單片機(jī)主循環(huán)程序中，單片機(jī)首先讀取當(dāng)前時(shí)間，調(diào)取中斷服務(wù)程序中的電量累加值，進(jìn)而根據(jù)光伏補(bǔ)貼政策進(jìn)行計(jì)算。然后判斷是否有存儲(chǔ)鬧鐘、短信發(fā)送鬧鐘、清零按鍵觸發(fā)事件、短信設(shè)置指令事件觸發(fā)，當(dāng)其中任意事件觸發(fā)時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的事件函數(shù)。STM32單片機(jī)內(nèi)沒(méi)有運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，因此主循環(huán)為死循環(huán)程序。程序流程圖見(jiàn)圖3。

3.2 光伏補(bǔ)貼計(jì)算方法

目前屋頂光伏發(fā)電往往采用“自發(fā)自用，余額上網(wǎng)”的政策。本文所設(shè)計(jì)的光伏計(jì)量裝置采集光伏發(fā)電側(cè)電能和用戶(hù)實(shí)際用電側(cè)電能。當(dāng)實(shí)際用電量大于光伏發(fā)電量時(shí)，光伏用電量=光伏發(fā)電量；當(dāng)實(shí)際用電量小于光伏發(fā)電量時(shí)，光伏用電量=實(shí)際用電量[5]。

圖3 程序流程圖

發(fā)送給用戶(hù)的重要數(shù)據(jù)包括：

1) 光伏發(fā)電量：逆變器輸出口的電量。

2) 實(shí)際用電量：用戶(hù)實(shí)際使用的電量。

3) 用戶(hù)的節(jié)省電費(fèi)：節(jié)省收益=光伏用電量×當(dāng)?shù)仉妰r(jià)。

4) 光伏售電收益：售電收益=(光伏發(fā)電量-光伏用電量)×標(biāo)桿電價(jià)0.453元。

5) 光伏補(bǔ)貼收益：補(bǔ)貼收益=總發(fā)電量×(國(guó)家補(bǔ)貼+地方政府補(bǔ)貼)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

4.1 電能計(jì)量實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，本文采用3個(gè)100 W的白熾燈泡作為三相負(fù)載，搭建了計(jì)量實(shí)驗(yàn)裝置，見(jiàn)圖4，同時(shí)購(gòu)買(mǎi)了市面上的標(biāo)準(zhǔn)電能計(jì)量表進(jìn)行對(duì)比，由于市售電能計(jì)量表的機(jī)械指針行走緩慢，因此本文采用了其光電脈沖作為對(duì)比，電能表每走一度電會(huì)產(chǎn)生400個(gè)脈沖信號(hào)，即每個(gè)脈沖信號(hào)代表2.5 W·h。本文記錄了連續(xù)1 200個(gè)脈沖值對(duì)應(yīng)的電能計(jì)量數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

表1 部分電能計(jì)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由上表可知，本文設(shè)計(jì)的分布式光伏電能計(jì)量裝置在3 kW·h的累計(jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，最大相對(duì)誤差為0.933 33%，絕對(duì)誤差最多為1.02 W·h。能夠滿(mǎn)足目前售點(diǎn)分布式光伏電能計(jì)量要求。

4.2 短信交互測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中，以中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的SIM卡插入GPRS DTU中，同時(shí)采用中國(guó)電信的手機(jī)作為用戶(hù)機(jī)，采用用戶(hù)機(jī)給GPRS DTU發(fā)送指令數(shù)據(jù)，其客戶(hù)手機(jī)界面如圖5所示。

即本裝置成功實(shí)現(xiàn)了短信交互功能，同時(shí)嘗試50次發(fā)送短信，均會(huì)收到回復(fù)，即本文所設(shè)計(jì)的分布式光伏電能計(jì)量裝置滿(mǎn)足可靠性要求。

圖5 短信測(cè)試界面

4.3 結(jié)語(yǔ)

本文采用模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)思路，在充分調(diào)研光伏發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)需求的前提下，完成了光伏電能計(jì)量裝置的研發(fā)，實(shí)驗(yàn)證明本文所設(shè)計(jì)的分布式光伏電能計(jì)量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電的精準(zhǔn)計(jì)量，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)短信交互、定時(shí)短信發(fā)送、定時(shí)掉電存儲(chǔ)等功能，能夠滿(mǎn)足目前分布式屋頂光伏發(fā)電的現(xiàn)場(chǎng)需求，使得用戶(hù)可以實(shí)時(shí)獲知光伏發(fā)電量和政策補(bǔ)貼金額，能夠在一定程度上提升用戶(hù)使用屋頂光伏發(fā)電的積極性。