郎燕娟，陶唯琛，朱海峰

(1.江蘇省電力公司蘇州供電公司營銷部，江蘇 蘇州 215000;2.江蘇省電力公司太倉市供電公司，江蘇 太倉 215400;3.江蘇省電力公司電力經濟技術研究院，江蘇 南京 210000)

0 引言

在全球電力需求日益上漲、能源問題逐漸加劇的背景下，光伏發(fā)電由于無污染、分布廣、應用范圍大［1］，被給予厚望，期待可以用于緩解資源和環(huán)境的危機。光伏發(fā)電分為兩大類:集中式光伏發(fā)電和分布式光伏發(fā)電，其中分布式光伏發(fā)電具有環(huán)保性、經濟性，以及投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容等特點［2］，成為了未來的重要發(fā)展方向。

雙向智能電表是分布式光伏發(fā)電建設的重要內容［3］15。本文基于電能質量芯片ADE7880，采用ARM核處理器LPC2119作為控制核心，設計了可用于分布式光伏發(fā)電并網的雙向智能電表

1 分布式光伏發(fā)電對智能電表的要求

1.1 分布式光伏發(fā)電的計量點設置

分布式光伏發(fā)電常用的運營模式包括:低壓并網統(tǒng)購統(tǒng)銷、低壓并網自發(fā)自用/余電上網、高壓并網統(tǒng)購統(tǒng)銷、自發(fā)自用/余電上網高壓并網四種方式［3］16，其中低壓并網自發(fā)自用/余電上網的場合最適宜使用雙向智能電表，其電價計量點設置示意圖如圖1所示，本文的智能電表設計中對運營模式的電表進行研究。

圖1 低壓并網自發(fā)自用/余電上網的電能計量點

1.2 分布式光伏發(fā)電中電信號的諧波

將電力系統(tǒng)中的電壓、電流信號采用周期函數(shù)表示為:

其中Vn和In是諧波電壓和電流的有效值，φn和ψn分別是諧波的相位延遲。由于光伏發(fā)電采用DC-AC逆變器將直流電能轉化為交流能量，通常會包含基波為50 Hz的高次諧波和開關頻率的高次諧波［4］。

電力系統(tǒng)中的諧波會導致電網電壓、電流波形的畸變，引起電極的機械振動、損壞電機設備，不僅會損害電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，也會對人、動物和生態(tài)環(huán)境產生不良影響［5］。因此，在光伏發(fā)電的智能電表設計中，必須對光伏逆變并網點電能諧波進行監(jiān)測，保證分布式并網的電能質量。

2 系統(tǒng)總體和硬件設計

本文基于ARM作為控制核心的方案設計三相智能電表。其中，電能計量選擇ANALOG DEVICES公司的集成諧波監(jiān)控的多相多功能電能計量集成芯片ADE7880，負責數(shù)據(jù)的采集、運算。微處理器ARM選擇NXP公司的32/16位核的微控制器LPC 2119，負責一級存儲和與外部進行通信。

2.1 電能計量硬件設計

圖2 雙向智能電表系統(tǒng)框圖

電能計量的總體框圖如圖2所示。 兩 個ADE7880分別對電網向用戶輸送的、用戶微網向電網輸送電能的電壓信號、電流信號極性實時數(shù)據(jù)采集、A-D轉換、電能有功電量計算、無功電量計算、功率因數(shù)分析、諧波頻譜分析，完成電能測量。然后，對處理的結果通過異步串口發(fā)送到ARM主控單元LPC 2119，由LPC 2119完成智能電表的顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、存儲、通信。

2.2 采樣電路設計

雙向電壓電流的采樣方式為:設計中采用電阻分壓網絡對電壓進行采樣，通過調理電路輸入到ADE7880;采用電流互感器對電流進行采樣，通過調理電路輸入到ADE7880。六路完全一致的RC低通濾波器可以保證采樣前后電壓、電流的相位保持一致，也能降低外界干擾對電壓、電流采集造成的影響。

2.3 基于LPC2119的系統(tǒng)設計

LPC2119是一個基于實時仿真和跟蹤的ARM微控制器，并帶有256 K嵌入的高速片內FLASH存儲器，內置符合16C550工業(yè)標準的SPI接口和高速I2C接口，非常適用于通信網關、協(xié)議轉換器、嵌入式軟件MODEM的應用。

表1 電力參數(shù)計算公式

微處理的外部采用12 MHz晶振，采用SP708作為復位芯片。本文的雙向智能電表的電量存儲設計中，將ADE 7880測量和計算得到的電能計量數(shù)據(jù)輸入到LPC2119的片內FLASH ROM中，并利用LCD數(shù)字顯示實時輸出這些電量的計量結果。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 電力參數(shù)計算模型

在ADE 7880中，電能的計算方式為:先對電能進行采樣，計算瞬時功率，然后通過對瞬時功率對時間的累加計算電能［6］。電力參數(shù)計算公式如表1所示。

3.2ARM通信管理

主控管理單元ARM負責對電能表所有模塊進行管理，管理單元主程序流程如圖3所示，系統(tǒng)主要流程包括上電初始化(包括寄存器初始化、I/O口初始化、定時器初始化、串口初始化、LCD和 RTC初始化)、與 ADE 7880通信(讀取E2PROM電量、時鐘數(shù)據(jù)、電表數(shù)據(jù))。

本文設計的通信采用RS-485串行總線通信方式實現(xiàn)遠程抄表。為保證數(shù)據(jù)可靠，設計了兩級數(shù)據(jù)存儲器，并確保數(shù)據(jù)為一個一個寫入X5045的串行 E2PROM。同時，系統(tǒng)設計有串行時鐘，為ARM提供具體時間，這樣，每個用戶儀表的數(shù)據(jù)都有詳細的時間，為電能質量檢測和故障監(jiān)測提供了時間依據(jù)。

圖3 基于ARM的主控管理流程

4 系統(tǒng)測試實驗

系統(tǒng)實驗的框圖如圖4所示，三相精密電源輸出連接用電器，并利用一個標準比對三相電表和一個待測智能電表進行測試，待測智能電表通過LCD顯示屏讀取測試數(shù)據(jù)。實驗中，三相精密電源采用JCD4060，三相標準電能表采用CL311E。測試結果如表2、表3所示。

從表2的測試結果可知，當電網向用戶提供負載時，雙向智能電表基波有功功率誤差小于0.29%，基波無功功率誤差小于0.46%，功率因數(shù)誤差小于0.66%。由表3的測試結果可知，當用戶向電網提供電能時，雙向智能電表基波有功功率誤差小于0.24%，基波無功功率測量誤差小于0.22%，功率因數(shù)測量誤差小于0.33%。雙向的基波有功功率計量誤差達到了GB/T17215.322-2008的0.2 s級誤差要求，電網向用戶提供負荷的基波無功功率計量誤差達到了0.4 s級誤差要求，用戶向電網提供能量的基波無功功率計量誤差達到了0.2 s級要求。

圖4 系統(tǒng)實驗框圖

表2 電網向用戶提供負荷下測試結果

5 結束語

本文面向分布式光伏并網發(fā)電和智能電網高級測量體系的迫切需求，設計了一種多功能雙向智能電表。文中給出了研究背景、設計過程和測試結果，基波有功、無功電能測量誤差均滿足誤差要求，具有很高的實用價值。

［1］康玉泉，孫慶蘭.中國光伏產業(yè)發(fā)展研究［J］.中國產業(yè)，2010，22(11):41-42.

［2］NKKHAJOEI H，LASSETER R H.Distributed generation interface to the CERTS microgrid［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(3):1598-1608.

［3］王夢蔚，晏陽.分布式發(fā)電功率雙向計量問題的分析［J］.電工電氣，2013，33(5):15-22.

［4］王月志.電能計量技術［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［5］馮力鴻.諧波對電能表計量誤差影響的分析［D］.北京:華北電力大學(北京)，2008.

［6］陳雪梅.基于DSP的單相電子式電表的設計［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學，2008.