基于5G通信的分布式電源調(diào)控采集裝置研制

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院 周治伊 楊 勇 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司調(diào)度中心 龍 杰

我國(guó)疆土遼闊，可利用的自然資源豐富。隨著綠色環(huán)?？稍偕男履茉吹奶岢觯燥L(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的分布式發(fā)電在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。目前全國(guó)各地都建設(shè)起小型分布式電源電站，通過低壓配網(wǎng)并入電網(wǎng)供電站附近地區(qū)居民的使用。而往往分布式電站的分布區(qū)域較廣，大多數(shù)電站的運(yùn)行狀況和數(shù)據(jù)信息尚未接入調(diào)度部門，調(diào)度部門無法對(duì)這些電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制管理。目前分布式電源不參與電網(wǎng)的調(diào)壓、調(diào)頻以及調(diào)峰等服務(wù)。隨著并入電網(wǎng)的規(guī)模日益擴(kuò)大，并入電網(wǎng)的容量占比也越來越高，部分容量小的電網(wǎng)極易受這些電源的影響，電網(wǎng)的電能質(zhì)量隨之下降，出現(xiàn)局部過/欠電壓導(dǎo)致電氣設(shè)備受損的問題，威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為電力工作者工作帶來麻煩。

1 5G通信技術(shù)

在如今的高科技社會(huì)，信息傳輸速率的需求也愈來愈高，無疑是加大了分布式調(diào)控采集裝置對(duì)信息數(shù)據(jù)采集的難度。在過去幾年里,4G技術(shù)已經(jīng)為各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了諸多便利。而5G技術(shù)作為4G技術(shù)的延伸和發(fā)展，其技術(shù)性能在降低延遲、節(jié)約資源、降低成本、提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾实确矫娑加匈|(zhì)的改變。在新時(shí)代的影響下，電力行業(yè)發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀況和數(shù)據(jù)信息采集要求也越來越高。隨著5G時(shí)代的到來，國(guó)務(wù)院將5G定位為“新基建”的基礎(chǔ)性行業(yè)，為了響應(yīng)國(guó)家政策，積極推進(jìn)5G信息技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，在分布式電源調(diào)控采集裝置的應(yīng)用中引入5G通信技術(shù)，使得信息數(shù)據(jù)采集和調(diào)控指令精確下傳，提高了調(diào)度部門對(duì)這些電源的監(jiān)視和管控能力。

在各方的共同努力下，5G發(fā)展成績(jī)突出，技術(shù)能力不斷提升。目前為止，我國(guó)5G基站建設(shè)數(shù)目達(dá)到了99.3萬個(gè)，在全球比例占超過70%；5G終端手機(jī)連接數(shù)超3.92億戶，在全球占比超80%，專利數(shù)居全球首位[1]。

2 調(diào)控采集裝置的研制

本文擬研制基于5G通信的分布式電源調(diào)控采集裝置，該調(diào)控采集裝置的工作電源擬采用220VAC供電，工作溫度范圍-30～75℃，IP20防護(hù)等級(jí)；CPU板加有國(guó)產(chǎn)ARM處理器和智芯IC（通信加密芯片）；電量傳感器擬采用穿刺方式取電壓的開合式電壓/電流一體化傳感器，或者開口鉗形夾方式；樣機(jī)成品機(jī)箱的設(shè)計(jì)與加工：調(diào)控采集裝置宜采用導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，鋁合金機(jī)箱，尺寸不大于18cm高×8cm厚×15cm深；對(duì)于戶外安裝，擬增加小型電表箱（防水、防塵、絕緣），將調(diào)控采集裝置安裝于電表箱內(nèi)，在最大程度上簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)安裝工作。參考結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安裝結(jié)構(gòu)參考圖

2.1 多制式通信模塊的研制

調(diào)控采集裝置通信模塊擬采用模塊化選擇的方式支持2G/3G/4G/5G/WIFI及物聯(lián)網(wǎng)通信，以靈活適應(yīng)分布式電站附近的通信條件。原則上優(yōu)先采用分布式電站附近的5G網(wǎng)絡(luò)通信，但是由于建設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的電站5G網(wǎng)絡(luò)尚未覆蓋，對(duì)于暫不具備5G網(wǎng)絡(luò)的電源點(diǎn)采用4G/3G/2G網(wǎng)絡(luò)或物聯(lián)網(wǎng)通信。目前，隨著新基建戰(zhàn)略的實(shí)施5G基站建設(shè)速度得到了加快，部分偏遠(yuǎn)地區(qū)也將覆蓋5G通信。另外支持智芯IC（通信加密芯片）的數(shù)據(jù)加密功能，采用IEC60870-5-104通信協(xié)議，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)與不少于兩個(gè)主站（如地調(diào)和省調(diào)）軟件系統(tǒng)的信息交互，從而大大提高調(diào)度部門對(duì)電站監(jiān)視控制的可靠性和安全性。

2.2 多功能電參數(shù)采集模塊的研制

多功能電參數(shù)采集為實(shí)現(xiàn)分布式電源的380V接入點(diǎn)的頻率、電流矢量、電壓矢量、有功功率、無功功率、功率因素、發(fā)電量、上網(wǎng)電量、開關(guān)位置等基本信息，以及諧波、間諧波、電壓合格率、閃變等電能質(zhì)量信息的采集，具備連續(xù)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)及暫態(tài)觸發(fā)波形記錄功能，并可根據(jù)需要對(duì)發(fā)電狀態(tài)進(jìn)行控制。受諧波和間諧波干擾等影響的波形畸變，尤其是在信噪較低（如小電流）時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響電參數(shù)的計(jì)算精度。本文采用基于滑窗動(dòng)態(tài)分步復(fù)用計(jì)算技術(shù)的離散傅里葉分析和希爾伯特-黃變換理論，過濾外部干擾，并高效率、高精度、高穩(wěn)定性地計(jì)算基波分量、諧波及間諧波分量，為調(diào)控系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用軟件奠定精確有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。主要涉及的算法是高精度、高速電參數(shù)計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)，包括滑窗動(dòng)態(tài)分步復(fù)用計(jì)算技術(shù)、離散傅里葉分析、希爾伯特-黃變換（HHT）理論。

滑窗方法不僅可以用在原始采樣數(shù)據(jù)的處理上，通過對(duì)算法（如后續(xù)的FFT和Hilbert變換）進(jìn)行合理的步驟分解設(shè)計(jì)，滑窗也可用于復(fù)用中間計(jì)算過程，從而大幅度減少計(jì)算量，提高計(jì)算速度。傅里葉變換法的諧波檢測(cè)目前是最經(jīng)典諧波檢測(cè)的方法之一,對(duì)整數(shù)次諧波的檢測(cè)很精準(zhǔn)，對(duì)間諧波的檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)頻譜泄露和柵欄效應(yīng)。傅立葉分解在采樣時(shí)基波頻率獲得不精確，造成采樣時(shí)間不同步問題，就會(huì)引起頻譜泄露。解決頻譜泄露問題通?？梢詫?duì)快速傅里葉變換（FFT）進(jìn)行加窗處理，柵欄效應(yīng)通常采用插值法處理。通過加窗插值改進(jìn)算法后可得到非常精確的頻率、幅值、相位，提高了計(jì)算精度。Hilbert變換應(yīng)用解析表達(dá)式中實(shí)部與虛部的共軛關(guān)系，定義出任意時(shí)刻的瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)相位及瞬時(shí)幅度[2],從而解決了信號(hào)瞬時(shí)參數(shù)的定義及計(jì)算問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)于短信號(hào)和復(fù)雜信號(hào)的瞬時(shí)參數(shù)的有效提取。

2.3 GPS/北斗衛(wèi)星信號(hào)接收模塊的研制

用于自動(dòng)同步時(shí)間及提供精確的位置信息，以實(shí)現(xiàn)調(diào)控裝置的即插即用（即裝即用），并可實(shí)現(xiàn)分布式電源的GIS信息管理，有利于后續(xù)的維護(hù)與監(jiān)管。為了確保本地時(shí)間精度和全網(wǎng)調(diào)控裝置的時(shí)間同步性優(yōu)于10us，必須研制GPS/北斗衛(wèi)星信號(hào)接收模塊用于處理、優(yōu)化衛(wèi)星接收OEM板輸出的時(shí)間信號(hào)（UTC時(shí)間和秒脈沖PPS），其中時(shí)間源、內(nèi)部時(shí)鐘和頻標(biāo)優(yōu)化處理是關(guān)鍵。主要涉及的算法是高精度的時(shí)間同步及守時(shí)關(guān)鍵技術(shù)理論，包括北斗和GPS時(shí)間源冗余輸入延時(shí)補(bǔ)償方法、時(shí)間源信號(hào)預(yù)處理方法、內(nèi)部時(shí)鐘及其調(diào)節(jié)方法、頻標(biāo)馴服方法。

北斗和GPS時(shí)間源冗余輸入延時(shí)補(bǔ)償方法。由于天線等引起的時(shí)間源信號(hào)延遲可以分路補(bǔ)償，由軟件將補(bǔ)償值疊加在修正值上寫給FPGA調(diào)節(jié)。裝置內(nèi)置一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘作為裝置的本地時(shí)間源，內(nèi)部時(shí)鐘以外部時(shí)間源作為參考進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證走時(shí)精準(zhǔn)。所有的輸出、采集、顯示等時(shí)間信息均來自內(nèi)部時(shí)鐘；時(shí)間源信號(hào)預(yù)處理方法。FPGA內(nèi)部時(shí)鐘負(fù)責(zé)將接入的所有時(shí)鐘源打上時(shí)間戳，組織報(bào)文通過總線送往CPU軟件，由軟件負(fù)責(zé)時(shí)間源可用性判決及時(shí)鐘源的選擇處理，CPU通過對(duì)比時(shí)鐘源狀態(tài)和時(shí)差選出參考時(shí)鐘源，將FPGA內(nèi)部時(shí)鐘與參考時(shí)鐘源的時(shí)差寫回FPGA內(nèi)部寄存器，進(jìn)行時(shí)間修正。

內(nèi)部時(shí)鐘及其調(diào)節(jié)方法。FPGA設(shè)計(jì)一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘作為裝置本地的時(shí)間源，外部采用一個(gè)高穩(wěn)頻標(biāo)源為FPGA內(nèi)部時(shí)鐘提供頻率。內(nèi)部時(shí)鐘上電后自由運(yùn)行，可以由CPU進(jìn)行時(shí)差調(diào)節(jié)，CPU的操作系統(tǒng)時(shí)鐘保持與FPGA內(nèi)部時(shí)鐘一致。主板CPU在外部參考時(shí)間源選定以后，計(jì)算內(nèi)部時(shí)鐘與其偏差，按步進(jìn)調(diào)節(jié)策略對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)節(jié)；頻標(biāo)馴服方法。主板CPU在選定外部參考時(shí)間源后，將其作為頻率馴服參考基準(zhǔn)計(jì)算本地頻標(biāo)頻率偏差，寫入FPGA的頻率調(diào)整寄存器并對(duì)頻率調(diào)整使能寄存器進(jìn)行置位，而后由FPGA執(zhí)行對(duì)DAC調(diào)整值的寫入。

3 實(shí)際應(yīng)用

在酒泉公司轄區(qū)范圍內(nèi)選擇了53個(gè)具有不同資產(chǎn)屬性、不同發(fā)電容量及上網(wǎng)余量、不同通信條件、不同地域特點(diǎn)的較為典型的分布式光伏電源點(diǎn)做為試點(diǎn)，開展低壓分布式電源信息采集試點(diǎn)技術(shù)服務(wù)。配網(wǎng)主站接入網(wǎng)內(nèi)10kV及以上分布式光伏電站接入率為93.66%。380（220）V低壓并網(wǎng)分布式光伏自動(dòng)化信息暫未接入，僅僅通過并網(wǎng)點(diǎn)電度表完成了營(yíng)銷用上網(wǎng)（反送電）電度量的信息采集。雖然這些380（220）V并網(wǎng)的分布式光伏電源基本都通過營(yíng)銷系統(tǒng)的電度表實(shí)現(xiàn)了上網(wǎng)電量（反向有功）的采集，但是都不在電網(wǎng)調(diào)度部門的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，且缺乏實(shí)時(shí)的電壓、電流、發(fā)電量、上網(wǎng)電量、電能質(zhì)量等信息數(shù)據(jù)，不能實(shí)現(xiàn)各分布式光伏電源的工作狀態(tài)監(jiān)視，更無法調(diào)控，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

當(dāng)前的小容量分布式光伏發(fā)電的監(jiān)測(cè)手段對(duì)于電能質(zhì)量、調(diào)控接入需求、網(wǎng)絡(luò)安全、運(yùn)維管理、建設(shè)成本等的考慮不足，難以滿足電力公司關(guān)于分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)服務(wù)工作的需要。因此研制基于5G通信的分布式電源調(diào)控采集裝置，為電網(wǎng)調(diào)度部門對(duì)分布式電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制管理提供重要保障。樣機(jī)試制成功后在電源點(diǎn)實(shí)現(xiàn)試運(yùn)行，并根據(jù)試運(yùn)行情況完善技術(shù)方案、改革創(chuàng)新，并適時(shí)解決小容量分布式電源的接入，提高調(diào)度對(duì)這些電源的消納和管控能力，為未來光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)做好基礎(chǔ)。