微電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

劉 鳴，王 攀，畢 偉，江 瑋

(國網(wǎng)湖北綜合能源服務有限公司，湖北 武漢 430070)

微電網(wǎng)是由分布式電源、負荷以及儲能設備，電能轉換設備和相應的監(jiān)控與保護等二次設備集成的小型電力系統(tǒng)，通過對公共連接節(jié)點的控制，微電網(wǎng)既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以獨立運行。分布式電源由于其地點靈活且分散的特點，很好地適應了目前電力供應的分散化現(xiàn)狀，分布式電源在能夠滿足資源分布的同時卻由于其大量分散，電源形式的多樣化以及性能的各異特性，使得各微電網(wǎng)系統(tǒng)對電網(wǎng)和用電用戶造成電網(wǎng)沖擊，給電能質(zhì)量以及電網(wǎng)系統(tǒng)的安全帶來不好的影響[1-2]。

隨著信息化技術的發(fā)展，電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測逐漸由人工巡檢的方式發(fā)展到遠程監(jiān)控，由于微電網(wǎng)是最近興起的一項技術，目前大部分研究注重于大電網(wǎng)中的電能監(jiān)測裝置和監(jiān)測系統(tǒng)的研究，關于微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測以及協(xié)調(diào)控制監(jiān)控系統(tǒng)的設計，還處于初步研究階段[3-4]。

文獻[5]設計了一種基于LabVIEW的微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了虛擬儀器技術，通過G語言編程實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、計算、分析、處理以及顯示功能，使用虛擬儀器技術代替了傳統(tǒng)的硬件電路，減小了系統(tǒng)成本。文獻[6]為了更好地分析和研究微電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測技術，設計了低壓并網(wǎng)型微電網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),能夠從影響微電網(wǎng)電能質(zhì)量的擾動特征值提取、擾動識別、和電能質(zhì)量評估4個環(huán)節(jié)完成對微電網(wǎng)電能質(zhì)量進行監(jiān)測和評估。但該文獻僅研究了電能質(zhì)量的監(jiān)測，未涉及到微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。文獻[7]分析了分布式電源接入用戶及用戶側微電網(wǎng)雙向計量的需求,總結了智能電表通信接口、協(xié)議、精確計量算法的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢以及智能電表在未來智能電網(wǎng)中的地位與作用,并提出了雙向計量的模式和未來發(fā)展的方向。

上述研究針對微電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及智能電表提出了一些監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，但還存在一些缺陷，如未考慮到在監(jiān)測的同時進行電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。因此，筆者基于LabVIEW平臺設計了一套專用協(xié)調(diào)控制與監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測微電網(wǎng)電能質(zhì)量信息，并對信息進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)電能質(zhì)量的分析，通過控分控合功能實現(xiàn)微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。

1 微電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結構

微電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體結構如圖1所示，開發(fā)工具采用LabVIEW 2014，工業(yè)串口通信以RS-232、RS-485標準通信為主，以此實現(xiàn)上位機與程控儀器及智能表的信號通信，檢測對象為智能表，對其進行誤差檢測，監(jiān)測對象為微電網(wǎng)，對微電網(wǎng)的實時電能質(zhì)量進行監(jiān)控以便對其進行協(xié)調(diào)控制[8]，以保證微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

圖1 系統(tǒng)總體結構

微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制監(jiān)控系統(tǒng)可劃分為以下模塊：參數(shù)匹配模塊、串口通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、誤差檢定模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊，每個模塊負責對應的功能，各模塊通過選項卡控件進行切換。系統(tǒng)功能模塊組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊組成

2 系統(tǒng)各功能模塊設計

2.1 系統(tǒng)參數(shù)配置模塊

參數(shù)配置模塊可通過選項卡控件由主監(jiān)測界面切換至該模塊界面，便于用戶配置所需的對應參數(shù)，包括被檢測電能表串口設置、標準源設置、儲存路徑設置。該模塊通過局部變量將所配置的參數(shù)指令寫入串口通信模塊，其結構示意圖如圖3所示。

圖3 參數(shù)配置模塊結構

2.2 串口通信模塊

串口通信通過調(diào)用LabVIEW系統(tǒng)本身自帶的“VISA”函數(shù)實現(xiàn)與程控儀器和被檢測電能表之間的通信，計算機與程控儀器和被檢測電能表等下位機之間分別采用USB轉RS-232與RS-485接口連接。實現(xiàn)通信后計算機可讀取并輸出控制命令給程控儀器和被檢測電能表[9]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與協(xié)調(diào)控制。該模塊程序流程如圖4所示。

圖4 串口通信模塊程序流程圖

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理是對讀取的數(shù)據(jù)進行相應波形圖及參數(shù)顯示、濾波、傅里葉變換、偏差計算等處理。濾波算法采用帶通濾波方式，由于電網(wǎng)信號基頻及其諧波為50 Hz及其倍頻，因此本系統(tǒng)將過低及過高的頻率噪聲濾除，提高信號的信噪比，增加分析的準確度，給用戶提供直觀的監(jiān)測對象運行狀態(tài)信息。該模塊功能結構如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理模塊結構組成

2.4 誤差檢定模塊

誤差檢定是通過同步讀取標準表與被檢測電能表電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，計算對應參數(shù)之間所存在的誤差并存入可查詢文檔，后續(xù)用戶可根據(jù)自己需要選擇各時間點的誤差數(shù)據(jù)來生成相應的誤差檢定報表并打印。其程序框圖如圖6所示。

圖6 誤差檢定模塊程序框圖

2.5 數(shù)據(jù)存儲模塊

將監(jiān)測系統(tǒng)實時采集的數(shù)據(jù)保存至指定路徑文件夾，以便用戶對相關數(shù)據(jù)進行離線分析。

3 應用案例

系統(tǒng)應用于榆林市協(xié)和光伏電站分布式發(fā)電與儲能微電網(wǎng)運行控制工程，建設規(guī)模200 MW，占地面積6 000畝，電站系統(tǒng)鋪設295 W多晶硅電池組件67.8萬塊，通過110 kV線路并入榆林電網(wǎng)，本系統(tǒng)對該電網(wǎng)系統(tǒng)二次設備艙輸入電壓電流信號進行采集讀取以及數(shù)據(jù)處理。

3.1 數(shù)據(jù)讀取與監(jiān)測

當點擊 “開始監(jiān)測”按鈕后，系統(tǒng)開始讀取電能表所采集到的微電網(wǎng)電能實時數(shù)據(jù)，將所讀取的實時數(shù)據(jù)以波形圖的形式顯示，并對相應參數(shù)進行直觀的數(shù)值顯示。點擊“控合”，按鈕狀態(tài)變?yōu)椤翱胤帧?，此時，微電網(wǎng)接入電源，電能表采集實時數(shù)據(jù)并通過上位機交互界面顯示，以便對其進行實時監(jiān)測。當監(jiān)測到某一電能信號數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，點擊“控分”，切斷微電網(wǎng)電源接入，保證微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。圖7為系統(tǒng)讀取到的微電網(wǎng)二次設備艙諧波電流電壓數(shù)據(jù)界面。

圖7 微電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取界面圖

3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

電能質(zhì)量分析界面主要通過對所讀取的電能數(shù)據(jù)進行傅里葉變換、偏差計算等相關數(shù)據(jù)處理，使用戶能通過交互界面直觀地對電能質(zhì)量進行分析。首先，在啟動數(shù)據(jù)讀取與監(jiān)測之后，通過點擊“電能質(zhì)量分析”選項卡可切換到電能質(zhì)量分析界面(如圖8所示)，其中，幅頻曲線波形圖主要對電壓或電流信號的幅頻特性進行顯示，用戶可通過勾選圖例來確定波形圖所需顯示的幅頻曲線類型。而偏差曲線波形圖主要將每次偏差計算值連接成一條曲線進行顯示[10-11]，同理，用戶可通過波形圖右上角圖例勾選框來確定所需顯示的偏差曲線類型。除此之外，在該界面的最右端，一些重要的誤差參數(shù)以數(shù)值形式進行顯示，方便用戶更加直觀地讀取相關誤差數(shù)據(jù)。

3.3 誤差報表

誤差報表界面主要是生成電能表誤差檢定報表，便于用戶評估電能表精度等級和以誤差報告為依據(jù)對電能表進行誤差補償。首先，點擊“誤差報表”選項卡切換到誤差報表界面(如圖9所示)，點擊“數(shù)據(jù)選擇”右端的下拉箭頭，其中各時間節(jié)點數(shù)據(jù)為電能質(zhì)量分析界面點擊“讀取數(shù)據(jù)”所保存的誤差數(shù)據(jù)，選擇需要的節(jié)點誤差數(shù)據(jù)，再點擊“導入報表”，將所選擇的誤差數(shù)據(jù)導入至誤差報表，最終所生成的誤差報表形式可通過“誤差報表預覽”列表顯示。點擊“刪除”可刪除導入錯誤的數(shù)據(jù)，點擊“保存”可保存目前所預覽報表至指定文件夾，點擊“打印”可接通外部打印機進行誤差報表打印。

3.4 結果分析

由圖7可知，該微電網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)可實時檢測到電網(wǎng)的電壓幅值為27.8 V，電流幅值為0.83 A，電流相位為4.47度，電壓基頻為49.9 Hz，電壓基頻較為平穩(wěn)，系統(tǒng)輸電正常。由圖8可知此刻電流諧波成分較多，電能質(zhì)量較差，需及時進行諧波抑制，將電能質(zhì)量計算結果生成誤差報表，可方便工程師實時掌握電能質(zhì)量情況。

圖8 電能質(zhì)量分析界面圖

4 結論

(1)為了實現(xiàn)對微電網(wǎng)數(shù)字化狀態(tài)監(jiān)測以及微電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，設計并編制了基于LabVIEW的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制監(jiān)控系統(tǒng)。

(2)該控制系統(tǒng)具有參數(shù)配置模塊、串口通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、誤差檢定模塊以及數(shù)據(jù)存儲模塊。

(3)利用該系統(tǒng)進行實際應用，該系統(tǒng)能夠實時讀取并顯示微電網(wǎng)電能數(shù)據(jù)，且通過數(shù)據(jù)處理與分析能夠進行電能質(zhì)量的分析并生成誤差報表，通過控合和控分功能實現(xiàn)微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。