分布式發(fā)電電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

張 倩,張延遲,李鵬飛，宋悅琳

(上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 閔行 200240)

0 引言

國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展越來越離不開電網(wǎng)安全可靠穩(wěn)定地運(yùn)行，電能質(zhì)量的優(yōu)劣直接和經(jīng)濟(jì)效益掛鉤。但是，大功率、大電容、非線性和沖擊性負(fù)載等電子設(shè)備的使用，造成了巨大的電能污染，極大范圍地影響電能質(zhì)量[1-2]。因此，對電能質(zhì)量的監(jiān)測和分析研究是非常重要。

目前，我國電能質(zhì)量檢測裝置根據(jù)具體功能和對象主要分為3類。第1類，文獻(xiàn)[3]介紹的手持式電能質(zhì)量檢測設(shè)備，以檢測單相的信號為主，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是構(gòu)造和功能都相對精簡，能完成特定的測量任務(wù)，卻不適應(yīng)現(xiàn)在的市場；第2類，文獻(xiàn)[4-5]提到的便攜式電能質(zhì)量檢測設(shè)備，功能較多，精度較高，但是不能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測，更適用于臨時(shí)的研究和評估性的檢測功能；第3類，文獻(xiàn)[6-7]介紹的集中式電能質(zhì)量檢測設(shè)備，可以作為較大規(guī)模的電力系統(tǒng)同時(shí)多點(diǎn)測量，而且功能齊全，精度高，但是相對的價(jià)格也昂貴許多。在實(shí)際工程中用到的絕大多數(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置都或多或少存在一些問題：存儲空間小、功能單一、不具備網(wǎng)絡(luò)功能、成本高、不易大量安裝在現(xiàn)場進(jìn)行多點(diǎn)多位檢測等。低成本和高性能成為了電能質(zhì)量監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)的主要方向[8-9]，因此，為了順應(yīng)售電側(cè)改革的趨勢，狙擊售電需求側(cè)的用戶市場，發(fā)明一種新型分布式發(fā)電電能質(zhì)量監(jiān)測裝置是十分必要的。

1 售電側(cè)改革的影響

目前，我國風(fēng)力、光伏等新能源發(fā)電技術(shù)的大力發(fā)展，預(yù)估2018年底，全國發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)19.0億 kW，其中非化石能源發(fā)電7.6億 kW，占總裝機(jī)比重將上升至40%左右[10]，而分布式能源接入電網(wǎng)的滲透率愈高，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也愈加復(fù)雜多變，電能質(zhì)量問題愈發(fā)嚴(yán)重。

隨著售電側(cè)改革的推進(jìn)，售電公司的數(shù)量及參與市場交易的形式也在不斷增加，分布式發(fā)電也可為一些用戶提供一種自立的選擇，使其更能適應(yīng)易變的電力市場，而新型分布式發(fā)電電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置的應(yīng)用市場也可轉(zhuǎn)移至售電新市場用戶側(cè)，用于監(jiān)測用電端電能質(zhì)量情況。但是，大量電力電子裝置的使用、種類繁多的分布式電源的接入、運(yùn)行模式的變化、微電源的運(yùn)行控制方法和微電源之間的相互作用[11]，都會(huì)帶來一些新的電能質(zhì)量問題，如諧波頻率擴(kuò)大、低電壓穿越、電壓暫降頻次提高等，因此，電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的關(guān)鍵就是在于準(zhǔn)確而及時(shí)地監(jiān)測電網(wǎng)的異常。

2 電能檢測參數(shù)

2.1 電壓偏差計(jì)算

電壓偏差用某點(diǎn)的實(shí)際電壓有效值Ur與電網(wǎng)電壓標(biāo)稱值(電網(wǎng)額定電壓有效值)U之差相對于電網(wǎng)電壓標(biāo)稱值的百分?jǐn)?shù)表示，即

(1)

2.2 電壓、電流有效值的計(jì)算

式中：Un表示電壓的各點(diǎn)采樣值；In表示電流的各點(diǎn)采樣值。

2.3 各諧波含有率及總畸變率的算法分析

采樣信號經(jīng)快速傅氏變換(fast fourier trans-formation，F(xiàn)FT)得到各次諧波分量的實(shí)部ur(k)、虛部ui(k)，然后計(jì)算各電氣量[12]：

幅值

(4)

相角

θk=arctan[ui(k)/ur(k)]

(5)

諧波電壓含有率

(6)

電壓諧波總畸變率

(7)

電流諧波總畸變率

(8)

2.4 電壓波動(dòng)和閃動(dòng)的監(jiān)測計(jì)算

(1) 電壓波動(dòng)

(9)

式中：Umax，Umin為工頻電壓調(diào)幅波的相鄰2個(gè)極值電壓。

(2) 電壓閃變的強(qiáng)度為

(10)

式中：?f是電壓調(diào)幅波中頻率為f的正弦分量的視感度加權(quán)系數(shù)；ΔVf是電壓調(diào)幅波中頻率為f的正弦分量1 min均方根平均值，以額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示。

2.5 三相電壓不平衡計(jì)算

對交流采樣后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理得到三相對應(yīng)的基波電壓Ua、Ub、Uc，再根據(jù)對稱分量法分別得到負(fù)序和正序的基波電壓，因此三相電壓不平衡度為

(11)

式中：U(0)是電壓零序基波分量，U(0+)是電壓正序基波分量。

3 電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置功能

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本裝置建立在ATT7022E和STM32F103ZE主控單元完成電能質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理及通信(如圖1所示)，ATT7022E采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，STMF103ZE完成數(shù)據(jù)的處理、儲存以及通信，通信功能包括控制器局域網(wǎng)通信(controller area network,CAN)、通用分組無線服務(wù)技術(shù)通信(general packet radio service,GPRS)，或者配合具有串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)的網(wǎng)絡(luò)芯片DM9051(QFN-32)，就可以添加以太網(wǎng)功能，并且最后將數(shù)據(jù)傳送至液晶屏顯示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

3.2 硬件設(shè)計(jì)

首先，電能采集模塊主要芯片為ATT7022E，這是一款高進(jìn)度三項(xiàng)專用計(jì)量芯片，集成6路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路；能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量及無功能量，同時(shí)還能測量各項(xiàng)電壓電流的有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三項(xiàng)復(fù)費(fèi)率多功能電能表的需求；支持全數(shù)字域的增益、相位校正，有功、無功電能脈沖輸出CF1、CF2提供瞬時(shí)有功、無功功率信息可以直接用于誤差校正；提供1個(gè)SPI接口，方便與外部微控制單元(micro controller unit,MCU)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。采集電路如圖2—4所示。圖2為ATT7022E外部基礎(chǔ)電路，圖3為電壓采集模塊電路原理圖，圖4為電流采集模塊電路原理圖，電壓電流采集均包含a、b、c三相。

圖2 ATT7022E外圍電路原理圖Fig.2 ATT7022E peripheral circuit schematic

圖3 電壓測量原理圖Fig.3 Voltage measurement schematic

圖4 電流測量原理圖Fig.4 Current measurement schematic

圖5 控制模塊外圍電路Fig.5 Control module peripheral circuit

控制模塊主要采用STM32F103系列芯片，具有較高的信息處理性能，優(yōu)于現(xiàn)在市場電能質(zhì)量監(jiān)測裝置使用的大多數(shù)單片機(jī)。控制模塊電路設(shè)計(jì)如圖5所示，圖5(a)為STM32F103外圍基礎(chǔ)電路，(b)為STM32F103增加的多個(gè)通信串口，以及連接平板顯示模塊的J1接口。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要分為3大部分，分別是數(shù)據(jù)采集、信號處理和顯示，主程序流程圖如圖6所示，設(shè)計(jì)步驟如下。

(1) 開啟采樣功能(0XC0命令：通道選擇加啟動(dòng)工作)。

(2) 等待采樣數(shù)據(jù)完成。

(3) 設(shè)置用戶讀取指針的起始地址(通過0XC1命令)，讀取采樣數(shù)據(jù)。

(4) 讀數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后在LCD顯示屏顯示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

3.4 SD卡存儲功能

裝置中用4G容量的儲存卡(secure digital,SD)來存儲數(shù)據(jù)記錄，快速便捷，結(jié)合時(shí)鐘DS1307，以時(shí)間作為文件名進(jìn)行儲存，更有利于清楚明白地記錄電壓驟降、電流驟降、過壓欠壓等暫態(tài)事件，同時(shí)記錄下來的時(shí)間信息也能為電能的計(jì)量提供了有力的依據(jù)[13]。增加SD卡存儲功能，也是為了在不具備通信條件的現(xiàn)場或現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信信號不佳時(shí)，作為備用方案，不至于導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息丟失。

3.5 網(wǎng)絡(luò)通信

3.5.1 CAN、GPRS通信

(1) CAN通信。

本裝置的STMF103ZE通信模塊可以通過CAN通信完成和上位機(jī)的通信功能，而與現(xiàn)場其他總線相比較，CAN通信具有突出的可靠性和靈活性。所以，我們采用CAN總線來構(gòu)建分布式發(fā)電電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置的通信網(wǎng)絡(luò)，既能滿足基本的通信要求，又能滿足其科技化與網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展需求。

(2) GPRS通信。

本電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置可安裝在各個(gè)分布式電網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)，不僅能及時(shí)采集各電力參數(shù)，還可通過GPRS通信與控制中心交互信息，對現(xiàn)場臨時(shí)發(fā)生的突發(fā)情況發(fā)送補(bǔ)救措施指令。

對于本裝置面向的新電改市場的售電側(cè)用戶端，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測用戶端電能質(zhì)量的好壞，GPRS通信對比其他無線傳輸技術(shù)，可采用按流量計(jì)費(fèi)，降低用戶成本，也支持短信通群發(fā)系統(tǒng)(short message service,SMS)業(yè)務(wù)，可以作為備用方案，當(dāng)通信故障時(shí)，可啟動(dòng)短信通道通信。

3.5.2 以太網(wǎng)通信

(1) CAN轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)。

對于遠(yuǎn)程和跨區(qū)域通信監(jiān)控，最好是將CAN通信轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)來做數(shù)據(jù)集中傳輸，還可以避免重復(fù)布線和干擾問題。CANWIFI-200T就能將CAN通信轉(zhuǎn)換成無線形式連接，接入以太網(wǎng)后可以由遠(yuǎn)程上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，如圖7所示，比較方便。

圖7 以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.7 Ethernet structure network diagram

(2) 以太網(wǎng)控制。

本裝置使用的STM32F103ZE芯片，雖然不具備以太網(wǎng)接口，但是配合具有SPI接口的網(wǎng)絡(luò)芯片DM9051(QFN-32)，就可以添加以太網(wǎng)功能[14]，并經(jīng)實(shí)測網(wǎng)絡(luò)傳播速度速度可達(dá)290kb/s，網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定。

CAN、GPRS和以太網(wǎng)通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍見表1。

表1 CAN、GPRS和以太網(wǎng)通信方式的比較Table 1 Comparison of three communication methods: CAN, GPRS and Ethernet

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分布式發(fā)電電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置能精準(zhǔn)測量各相電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)以及CF脈沖輸出等，有功測量滿足0.1、0.2 s，無功測量滿足1級、2級。如表2所示，分布式發(fā)電電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置的實(shí)際測量值，且基本能夠達(dá)到預(yù)期技術(shù)指標(biāo)。已知電表基準(zhǔn)值為各相電壓有效值為220 V，各相電流為2.5 A，各相有功功率為550 W，功率因數(shù)為1，無功功率為0 var。

表2 電能質(zhì)量測量值Table 2 Power quality measurement

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ATT7022E和STM32F103ZE芯片的分布式發(fā)電電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，該裝置不僅可以采集基礎(chǔ)的電能質(zhì)量參數(shù)，還有利于解決分布式發(fā)電帶來的一些例如諧波頻率擴(kuò)大、低電壓穿越、電壓暫降頻次提高等新電能質(zhì)量問題，并且開辟了一個(gè)新的應(yīng)用市場，可廣泛適用于新電改市場的售電側(cè)用戶端。STM32F103ZE芯片既可以實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的大規(guī)模傳輸、處理和儲存，還可以采用CAN通信和GPRS通信，甚至可以搭配DM9051網(wǎng)絡(luò)芯片添加以太網(wǎng)功能，強(qiáng)大通信功能。

分布式發(fā)電電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置不僅克服了傳統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的實(shí)時(shí)性差、傳輸效率低、性價(jià)比低、存儲受限、通信方式單一等問題，還突出了實(shí)時(shí)性高、采集容量大、傳輸效率高、體積小、造價(jià)低的、可多點(diǎn)多位測量的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場前景。