呂繼偉，向 馳，付永長，周振華，宋春亮

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，北京 102200）

堅強智能電網(wǎng)的提出，使得新能源發(fā)電領(lǐng)域的研究達到了空前的高度，而供電可靠性的極大提升，在一定程度上也依賴于可逆變的新能源電源，其中風(fēng)、光能源以其清潔和高效的優(yōu)勢，占據(jù)了配電網(wǎng)分布式供電電源的重要地位。但是風(fēng)、光單獨供電模式運行有其弊端，最終反映在供電上就是電量供應(yīng)不穩(wěn)定，受風(fēng)、光資源影響很大。因此，考慮采用風(fēng)光互補的形式來提高資源的利用率，并且通過蓄電池來存儲電能，從而達到穩(wěn)定供電。由于每天的發(fā)電量受天氣的影響較大，導(dǎo)致系統(tǒng)的蓄電池組長期處于虧電狀態(tài)，降低了蓄電池組的使用壽命。目前，整個微網(wǎng)系統(tǒng)各單元運行相對分散，缺乏集中采集控制終端對系統(tǒng)運行進行監(jiān)測和控制。因此，考慮設(shè)計一種測控終端能夠協(xié)調(diào)控制整個微網(wǎng)的運行狀態(tài)，對蓄電池進行狀態(tài)監(jiān)測和充放電管理，同時又能夠?qū)崟r監(jiān)測微網(wǎng)系統(tǒng)各單元運行情況以及客戶負荷。測控終端可以將集中采集的數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)絡(luò)遠傳至監(jiān)控中心，供主站調(diào)度和控制之用，同時配置保護模塊后，可以完成微網(wǎng)內(nèi)部故障診斷與切除［1－3］。

1 小型風(fēng)光互補微網(wǎng)系統(tǒng)

智能微網(wǎng)主要由可逆變型分布式電源、并網(wǎng)逆變器、儲能系統(tǒng)、智能測控終端以及客戶負荷等組成，其系統(tǒng)集成框圖如圖1所示。

圖1 智能微網(wǎng)典型系統(tǒng)集成框圖

測控終端是整個微網(wǎng)的集中控制中樞和數(shù)據(jù)中心，是微網(wǎng)與主站系統(tǒng)、系統(tǒng)電網(wǎng)相聯(lián)的關(guān)鍵通道。測控終端實時監(jiān)測微網(wǎng)系統(tǒng)各部分運行狀態(tài)，集中采集分布式電源、逆變器、儲能系統(tǒng)以及客戶負荷的實時數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)及時由通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心，作為調(diào)度控制的依據(jù)。

測控終端能有效對蓄電池進行充放電管理。設(shè)計采用的儲能控制策略是基于短期負荷預(yù)測的微網(wǎng)儲能系統(tǒng)主動控制策略，并采用恒功率充電控制方式對蓄電池進行充放電管理。測控終端根據(jù)采集到的歷史運行數(shù)據(jù)，對負荷曲線以及對風(fēng)機和光伏的出力進行預(yù)測，將這些隨機性較強的分布式電源的功率波動和傳統(tǒng)負荷的功率波動綜合在一起考慮。根據(jù)預(yù)測情況生成儲能系統(tǒng)充放電指令，由測控終端根據(jù)蓄電池特性，在確定的充放電區(qū)間內(nèi)完成相應(yīng)的能量管理［4］。

2 微網(wǎng)智能測控終端硬件設(shè)計

測控終端的硬件電路，主要由DSP核心、ADC數(shù)據(jù)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、開入開出控制電路、通信電路以及LCD顯示電路等組成。

2.1 主控芯片電路設(shè)計

基于微網(wǎng)多單元數(shù)據(jù)采集和保護控制的需求，采用高精度Blackfin32位處理器ADSP－BF518芯片作為測控終端的控制核心。該芯片具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，片內(nèi)集成兩個16位的乘法器、兩個40位的累加器，運算頻率為400MHz。另外，該芯片具有豐富的外設(shè)接口，包括32位定時器，全雙工異步串行端口，UART通信接口，CAN通信接口，SPI接口等。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計［5］

測控終端要對大電網(wǎng)和微網(wǎng)各單元運行狀況實時監(jiān)測，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心。監(jiān)控數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)電網(wǎng)的電壓、電流、功率和頻率；逆變器的輸出電壓、電流和功率，并記錄每日電網(wǎng)交流輸入電量、直流側(cè)逆變電量、客戶每日耗電量、每日電池放電量，以及逆變器輔助觸點狀態(tài)；光伏板輸出的電壓、電流、功率以及記錄每日的總發(fā)電量；風(fēng)機輸出的電壓、電流、功率以及記錄每日的總發(fā)電量；蓄電池的電壓、電流、功率、溫度以及記錄其運行時間、每日的充放電量和總的充放電安時數(shù)。另外，采集的數(shù)據(jù)還包括重要負荷的電壓、電流、功率以及每日消耗的電量。

工頻交流數(shù)據(jù)采集通過電壓、電流互感器將一次側(cè)的電壓、電流信號變換成芯片可接受的二次信號，經(jīng)過信號調(diào)整電路輸入采樣芯片ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后給DSP處理判斷。對于風(fēng)機和光伏板輸出的電壓、電流數(shù)據(jù)的采集，使用霍爾電流、電壓傳感器實現(xiàn)，霍爾傳感器可以對后端采集電路起到隔離和保護的作用。

本設(shè)計所選用的ADC芯片為亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)公司的AD7606。AD7606為16位同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集芯片，采用單電源5V供電，支持±10V或±5V的雙極性信號輸入。所有的通道均以200kbps的速率進行采樣，同時輸入端箝位保護電路可以承受±16.5V的電壓。AD7606可以直接接收二次互感器輸出的信號，無需再經(jīng)過運放緩沖。AD7606具有8路采樣通道，便于實現(xiàn)智能化電力設(shè)備中的多路電流和電壓的采集測量和監(jiān)控，對于測控終端的多數(shù)據(jù)監(jiān)測，可以配置多片AD7606來實現(xiàn)，本設(shè)計采用兩片AD7606。為了提高絕對精度，設(shè)計采用高初始精度和低溫度系數(shù)的外部基準(zhǔn)，來消除不同器件內(nèi)置基準(zhǔn)之間的差異而帶來的誤差。本設(shè)計選用初始精度為0.04%，溫度系數(shù)為3×10－6／℃的ADR421B。

2.3 開關(guān)狀態(tài)信息輸入電路

測控終端通過開入量電路可以監(jiān)測多路外部開關(guān)的狀態(tài)，包括開關(guān)位置信息、故障告警等狀態(tài)量。設(shè)計采用IC－TLP181高速光耦芯片，用以對DSP芯片進行隔離，防止外部沖擊電流對芯片造成損害。當(dāng)開關(guān)位置信息發(fā)生變化或出現(xiàn)故障時，觸點的電位變化會導(dǎo)致開入電路向控制器發(fā)送變位脈沖，即開入量“輸入”電平狀態(tài)從高變到低，使光耦中的發(fā)光二極管導(dǎo)通，產(chǎn)生的光信號會導(dǎo)通光電三極管，“三極管”輸出電平由高變低，產(chǎn)生一次遙信變位，通過DSP控制芯片外部捕獲中斷，判斷是哪個管腳對應(yīng)的信息量發(fā)生了變化，同時通過通信電路向主站發(fā)送相應(yīng)報文。

2.4 保護控制輸出電路

保護控制輸出電路，即開出電路是實現(xiàn)測控終端對蓄電池充放電管理，保護控制、逆變器運行方式控制以及遠程遙控功能的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采樣信息通過DSP進行分析判斷后，根據(jù)預(yù)測日負荷情況，對蓄電池下達充放電指令，由開出電路控制開關(guān)完成相應(yīng)操作；檢測微網(wǎng)內(nèi)部各單元運行是否正常，若出現(xiàn)故障，則立即向開關(guān)發(fā)出分閘脈沖，切掉相應(yīng)的運行單元；若是電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障，開出電路應(yīng)根據(jù)控制中心下發(fā)的命令，改變逆變器的運行方式，并對負荷運行的情況進行控制調(diào)整。

本設(shè)計采用以繼電器接點輸出的開關(guān)量控制回路。DSP輸出的控制信號和繼電器控制回路同樣采用光耦隔離，保證其安全性。DSP發(fā)出低電平脈沖，點亮發(fā)光二極管，從而使三極管導(dǎo)通，接通繼電器動作線圈，繼電器動作，完成相應(yīng)分合閘操作。

2.5 CAN總線電路

測控終端與微網(wǎng)內(nèi)其他運行單元通過CAN總線組網(wǎng)并連接，可以對風(fēng)光互補控制器、蓄電池、逆變器控制器進行協(xié)調(diào)控制和保護。由CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，可以有效提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。CAN總線采用雙線串行通信方式，傳輸距離較遠，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作，傳輸速度可以達到1M／s。由CAN總線組成的網(wǎng)絡(luò)，沒有主從之分，各節(jié)點之間可以實現(xiàn)任意通信，而且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制。CAN總線組網(wǎng)中采用CTM8251T芯片，主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平并且具有DC2.5kV的隔離功能，還具有TVS管防總線過壓。

2.6 通信電路

本設(shè)計為測控終端配置RS－232通信口，具備應(yīng)答數(shù)據(jù)召喚及遙信變位后的數(shù)據(jù)主動上傳功能。傳輸規(guī)約采用IEC 870－5－101《基本遠動任務(wù)的配套標(biāo)準(zhǔn)》（1995年）。另外，考慮到現(xiàn)場情況復(fù)雜性以及傳輸距離、速度等要求，本設(shè)計還增加了RS－485通信口，通信協(xié)議采用 MODBUS協(xié)議。 其 中，RS－232 通 信 電 路 采 用 了 ICSP3232EEN芯片，內(nèi)部數(shù)據(jù)收發(fā)端通過高速光耦進行電氣隔離；RS－485通信電路采用了ICSP485EEN芯片。通過 RS－232或 RS－485配置GPRS模塊，對采集數(shù)據(jù)進行遠傳以及組網(wǎng)。另外，結(jié)合具體模塊配置相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路。

3 軟件功能設(shè)計和總體程序流程

3.1 主要軟件功能

1）微網(wǎng)數(shù)據(jù)采集功能 智能測控終端能夠采集微網(wǎng)各單元運行數(shù)據(jù)，包括風(fēng)機、光伏板、逆變器、蓄電池以及負荷的運行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)作為監(jiān)控中心對微網(wǎng)進行系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制的依據(jù)。

2）蓄電池充放電管理功能 終端通過采集歷史數(shù)據(jù)形成負荷預(yù)測，并在日負荷曲線和日平均負荷的基礎(chǔ)之上，根據(jù)蓄電池組容量和負荷的峰谷時間段，結(jié)合蓄電池充放電特性曲線，確定1個或多個充放電區(qū)間，測控終端進行有效控制蓄電池的狀態(tài)，避免蓄電池頻繁充放電或過度充放電，以延長蓄電池使用壽命，起到保護蓄電池的作用。同時，在峰谷時間段充放電，可以有效起到削峰填谷的作用。

3）通信聯(lián)網(wǎng)功能 微網(wǎng)內(nèi)部由CAN總線連成局域網(wǎng)，便于命令轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)調(diào)控制。能夠?qū)⒔邮盏降闹髡久钔ㄟ^CAN總線下發(fā)給相應(yīng)的運行單元?？梢愿鶕?jù)主站總召喚命令讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，或者按照預(yù)先設(shè)定的時間，定時通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心，監(jiān)控主站可以隨時查看現(xiàn)場實時運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“三遙”功能。

4）保護控制功能 對于微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生故障，測控終端能夠識別故障單元，并主動切除，同時上傳告警信息。對于系統(tǒng)電網(wǎng)故障，及時上傳數(shù)據(jù)信息，提供給監(jiān)控中心作為決策依據(jù)。

5）負荷監(jiān)測與控制功能 微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)正常運行時，測控終端實時監(jiān)測負荷情況，記錄日負荷信息，預(yù)測日負荷情況。當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入孤島運行狀態(tài)時，測控終端能夠根據(jù)負荷需要，切掉不重要負荷，專供重要負荷。

3.2 總體程序流程

測控終端需要采集和轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)較多，在初始化流程里配置了DSP芯片相應(yīng)的數(shù)據(jù)端口和控制端口。為了便于測控終端程序的更新和調(diào)試，調(diào)高其系統(tǒng)的兼容性，整個軟件主流程采用功能模塊化設(shè)計，包括數(shù)據(jù)采集計算模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通信模塊、保護控制模塊、儲能管理控制模塊等。各模塊間設(shè)計相應(yīng)的調(diào)用接口，從而進一步提高程序的擴展性。

為保證程序運行的穩(wěn)定性，考慮了運行單元采集數(shù)據(jù)的有效性和順序性，針對不同運行單元數(shù)據(jù)的特點，有效設(shè)置采樣精度和間隔。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通信流程里，既可以根據(jù)主站召喚數(shù)據(jù)類，設(shè)定數(shù)據(jù)上傳優(yōu)先級；也可以按照既定規(guī)約，順序上傳，同時配合數(shù)據(jù)采樣間隔，定時轉(zhuǎn)發(fā)。保護控制模塊中，對于監(jiān)測單元的重要數(shù)據(jù)異常能夠立即請求DSP中斷響應(yīng)，及時向主站告警故障信息。另外，為保證采集數(shù)據(jù)的安全性，需設(shè)定微電網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)通信規(guī)約并采用硬件加密方式來實現(xiàn)。

圖2 主程序流程

微網(wǎng)智能測控終端主程序是整個軟件設(shè)計的核心，其流程圖如圖2所示。

由圖2可知，微網(wǎng)智能測控終端主程序有兩部分組成。

1）初始化 系統(tǒng)上電后由主函數(shù)main進入初始化程序。初始化的內(nèi)容包括：DSP端口屬性及傳輸方向設(shè)置；芯片上外設(shè)Timer、UART、SPORTs、CAN等進行相應(yīng)功能的設(shè)置；從外部EEPROM載入系統(tǒng)的控制參數(shù)以及對變量進行初始化；外部采樣芯片AD7606初始化等。

2）主循環(huán) 實現(xiàn)測控終端的模塊化功能，包括微電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)采集模塊，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程

測控終端按照程序設(shè)定順序和采樣間隔對各運行單元進行數(shù)據(jù)循環(huán)采集；蓄電池充放電管理模塊，如圖4所示的基于負荷預(yù)測的蓄電池充放電管理控制流程；故障檢測與保護控制模塊和通信轉(zhuǎn)發(fā)模塊等。

圖4 蓄電池管控流程

4 結(jié)語

目前，微網(wǎng)智能測控終端主要應(yīng)用于木蘭圍場微網(wǎng)示范工程與廣西潿洲島智能微網(wǎng)項目中，現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 風(fēng)光互補微電網(wǎng)儲能管控匯總

測控終端在測試階段運行良好，“三遙”功能正常，各單元數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確采集并及時上傳，通過智能測控終端可以對蓄電池進行合理的充放電管理。采用基于短期負荷預(yù)測的控制算法，可以根據(jù)需要合理控制充放電次數(shù)，延長蓄電池的使用壽命，提高經(jīng)濟性，對微網(wǎng)起到削峰填谷的作用，提高負荷利用率。采用恒功率充電方法，控制相對簡單，較容易實現(xiàn)。若進一步提高負荷利用率，可以采用較為復(fù)雜的功率差控制方法［5］。

智能測控終端對于微網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集管理和集中控制有著非常重要的作用，可以有效提高上網(wǎng)電能運行質(zhì)量。因此，智能微網(wǎng)測控終端具有一定的工程實踐價值。

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