黃世回, 王汝鋼, 楊忠亮

(1. 深圳普祿科智能檢測設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518067；2. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518020)

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風光儲一體化電站智能電能監(jiān)測與計量系統(tǒng)

黃世回1, 王汝鋼1, 楊忠亮2

(1. 深圳普祿科智能檢測設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518067；2. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518020)

摘要：針對新型綠色發(fā)電系統(tǒng)風光儲一體化變電站對電能質(zhì)量監(jiān)測和電能轉(zhuǎn)換計量的要求，設(shè)計了一種智能電能質(zhì)量在線監(jiān)測與計量系統(tǒng)。核心硬件采用了嵌入式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，嵌入式軟件采用三層構(gòu)架方式，以及多種通信方式和B/S架構(gòu)的遠程監(jiān)控。通過將風光儲一體化電站各發(fā)電線路實時電量統(tǒng)計和電能質(zhì)量的諧波分析等結(jié)合起來，實現(xiàn)了不同類型電能轉(zhuǎn)化的電量計量。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，安裝簡易，管理方便，滿足風光儲一體化電站對常規(guī)電能質(zhì)量監(jiān)測要求，可實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換計量、綠色節(jié)能的評價等。

關(guān)鍵詞：風光儲；一體化電站；電能質(zhì)量；諧波電量；儲能；在線監(jiān)測

我國在“十二五”規(guī)劃以及“十三五”規(guī)劃中，都明確提出重點大力發(fā)展風能、光能、儲能、水能等“新型綠色能源”系統(tǒng)，為減輕或解決傳統(tǒng)能源帶來的日益嚴重的資源枯竭和環(huán)境問題。隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，改善了風電，光電的輸電電能質(zhì)量，使得風力發(fā)電，光伏發(fā)電等新能源可實現(xiàn)一定規(guī)模并網(wǎng)運行[1-3]。用儲能技術(shù)將風力發(fā)電、光伏發(fā)電統(tǒng)一結(jié)合在一起而構(gòu)成的多元化電站系統(tǒng)稱之為風光儲一體化電站，目前的規(guī)模與傳統(tǒng)電站比多數(shù)屬于微電站系統(tǒng)。相比單一型的電站，風光儲一體化電站具有風電、光電、蓄電池儲電多種電源輸電的互補優(yōu)勢，靈活控制發(fā)電模式，從而實現(xiàn)電能優(yōu)化配置。

諸如環(huán)渤海、長三角、珠三角經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，隨著社會經(jīng)濟跨越式發(fā)展，電力供應(yīng)不足突顯，用電高峰期拉閘限電，錯峰用電等影響了許多中小型企業(yè)的發(fā)展。用電負荷的多樣化促使對電能質(zhì)量的指標不斷提高和完善[4]。2012年開始在深圳由廣東電機工程學會低壓直流電源專業(yè)委員組織，多家單位聯(lián)合建立了3 MWh的風光儲一體化儲能電站示范工程基地，一期已經(jīng)試運行[3]。其中電能檢測是一體化電站的重要環(huán)節(jié)，是及時發(fā)現(xiàn)和評價電能質(zhì)量問題重要手段[5]，評價電站節(jié)能減排，實現(xiàn)電站智能化重要體現(xiàn)。針對這樣新型復(fù)雜多元發(fā)電站系統(tǒng)，對電能的在線檢測布局與功能實現(xiàn)提出新的要求與挑戰(zhàn)。為此作為風光儲一體化電站示范工程聯(lián)合設(shè)計單位之一，設(shè)計了一套基于電能質(zhì)量分析的在線智能監(jiān)測與計量系統(tǒng)(以下簡稱“監(jiān)測系統(tǒng)”)，為風光儲一體化電站的電能質(zhì)量、基于諧波分析電能計量、節(jié)能減排以及相關(guān)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化改造提供數(shù)據(jù)支持[6]。

1風光儲一體化電站與電能智能監(jiān)控系統(tǒng)

1.1風光儲一體化電站簡述

風光儲一體化示范工程初步設(shè)計容量為3 MWh，可以實現(xiàn)孤島運行和并網(wǎng)運行，為周邊一定范圍的中小企業(yè)或者職工、居民生活區(qū)的用戶提供可靠的電力支持。風光儲一體化電站的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PCS—雙向變流器系統(tǒng)，power convert system的縮寫。圖1　風光儲一體化電站結(jié)構(gòu)

圖1中的風光儲一體化電站由以下6大單元組成。發(fā)電系統(tǒng)：包括風能、太陽能光伏綠色能源發(fā)電系統(tǒng)和輔助柴油發(fā)電系統(tǒng)；能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：包括逆變器系統(tǒng)、PCS等；蓄電池儲能系統(tǒng)，包括多種材質(zhì)的蓄電池組，如鉛炭、鋰電、膠體、鉛酸等；配電系統(tǒng)：包括配電，自動切換設(shè)備等；輸電系統(tǒng)：包括無功補償，變壓器，低壓、高壓開關(guān)設(shè)備等；智能電能監(jiān)控系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、計算存儲、電量統(tǒng)計，智能檢測控制等。

風光儲一體化儲能電站多種運行模式[7]，彌補了單獨風電或者光電受天氣環(huán)境影響造成的不穩(wěn)定性和間歇性[8]，風光發(fā)電互補，多種蓄電池儲能合理配置，改善電能質(zhì)量，滿足高科技敏感負荷對高電能質(zhì)量的更高要求。推動新能源技術(shù)發(fā)展，是實現(xiàn)智能電網(wǎng)重要組織部分，緩解用電高峰期電能供應(yīng)不足，減少停電、錯峰用電給部分企業(yè)帶來損失。提高能源的使用效率，達到節(jié)能減排，改善環(huán)境的效果。

1.2基于電能質(zhì)量的智能監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)的組成示意圖如圖2所示。

圖2　在線智能電能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2中，檢測系統(tǒng)分為現(xiàn)場監(jiān)測部分和遠程監(jiān)控部分?，F(xiàn)場監(jiān)測部分：包括監(jiān)測機組(包括電壓，電流傳感器)和通信路由設(shè)備；遠程監(jiān)控：包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、管理員主控PC機、局域網(wǎng)用戶終端、以及以太網(wǎng)用戶終端。風光儲一體化電站的混合多元結(jié)構(gòu)，決定了在線電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)。

在線監(jiān)測信號采集點選在光伏、風能儲能逆變器輸出端，PCS雙向換流器的交流端，電網(wǎng)進線端，柴油發(fā)電機系統(tǒng)輸出端，以及一體化電站總輸電端。每條路監(jiān)測線路，安裝一臺主監(jiān)測設(shè)備，進行電能質(zhì)量電能計量等數(shù)據(jù)分析處理。遠程數(shù)據(jù)通信采用Internet網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議，主機設(shè)有IP地址，網(wǎng)線接入路由器，數(shù)據(jù)上傳遠程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。管理員、其他用戶組可以通過局域網(wǎng)聯(lián)機，或者以太網(wǎng)，用瀏覽器查看相關(guān)數(shù)據(jù)。

2智能監(jiān)測系統(tǒng)硬件軟件設(shè)計

2.1核心電路模塊化設(shè)計

電能質(zhì)量分析需要處理很多復(fù)雜的算法，比如諧波簡諧波分析算法、閃變的分析算法等，這些算法都十分復(fù)雜，運算量大，同時還有界面顯示等任務(wù)。單核處理不能夠滿足這樣的要求?；谶@個特點，現(xiàn)場監(jiān)測主機的核心硬件系統(tǒng)采用嵌入式“CPU(ARM)+ 數(shù)字信號處理(digital signal processing，DSP)”的雙核主從架構(gòu)技術(shù)。ARM作為主控芯片，DSP專門處理數(shù)據(jù)運算任務(wù)，作為從屬處理器，通過HPI接口實現(xiàn)控制、數(shù)據(jù)、代碼的通信傳遞。核心硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

A/D—模數(shù)采樣器，analog-to-digital的縮寫。圖3　監(jiān)測主機核心硬件結(jié)構(gòu)

圖3中，電源模塊為硬件系統(tǒng)供電。主控ARM芯片采用32位、最高主頻72 MHz的LPC2478，片內(nèi)512 kB高速緩存器(Flash)保證了系統(tǒng)在線編程( in system programming ，ISP)和應(yīng)用編程(in application programming，IAP)代碼存儲。其具有較強的控制和通信功能。其主要功能就是實現(xiàn)：測量線路控制、自動檔位切換等測量控制；LCD顯示屏驅(qū)動；輸入設(shè)備掃描；測量界面顯示；接口與通信控制；部分數(shù)據(jù)的濾波平滑處理等；主控芯片與各單元之間通過HPI接口，實現(xiàn)控制信號、測試結(jié)果數(shù)據(jù)，程序代碼等傳遞。

DSP芯片采用多總線結(jié)構(gòu)，執(zhí)行速率達100 MIPS的16位定點處理器TMS320C5402。該芯片具有40位的算術(shù)邏輯單元(arithmetic logic unit，ALU)，一個40位的專用加法器，17×17位并行乘法器。該DSP芯片具有高性能、功耗低等特點，主要完成采樣信號數(shù)據(jù)復(fù)雜的電能質(zhì)量分析算法等數(shù)據(jù)運算。單獨外設(shè)的高速同步A/D采樣器，采用14位的ADS8568芯片，其8 個低功耗具有真正兩級輸入的基于逐次求近的寄存器(successive approximation register，SAR)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)。8通道被分4對，能滿足高達650 ksps同步高速信號采集。

配置的RS232通信接口方便配有該接口的設(shè)備與主機進行數(shù)據(jù)通信；USB接口一方面是通過U盤擴展數(shù)據(jù)的存儲和下載，同時也是主機嵌入式程序載入、更新的通道。

2.2軟件設(shè)計

現(xiàn)場主機嵌入式軟件采用底層、中間層、應(yīng)用層的3層構(gòu)架，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　主機嵌入式軟件結(jié)構(gòu)

底層主要包含雙核的初始化，硬件設(shè)備的驅(qū)動程序，多任務(wù)的消息調(diào)度等；中間層主要包含各種接口程序，通信協(xié)議等；應(yīng)用層主要包含人機界面程序，數(shù)據(jù)管理程序，設(shè)備參數(shù)管理，采樣測量管理，DSP代碼通信管理等。嵌入式程序代碼均使用C語言編寫。該3層構(gòu)架簡潔，邏輯合理，各層任務(wù)清晰，使得的整個軟件系統(tǒng)代碼具有很強的執(zhí)行能力。

遠程數(shù)據(jù)連接基于以太網(wǎng)傳輸，監(jiān)控中心PC機軟件采用B/S的模式，建立基于SQL-Sever的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，使得相關(guān)管理員，技術(shù)用戶能方便進行查詢，管理與控制。監(jiān)控數(shù)據(jù)可以用Excel報表，圖形或者文本形式導(dǎo)出。B/S結(jié)構(gòu)極為方便為管理員、終端用戶提供后續(xù)軟件在線維護和升級方式。

3風光儲一體化電站電能檢測系統(tǒng)功能設(shè)計

風光儲一體化電站首先作為電力提供系統(tǒng)，必須保證輸出的電能質(zhì)量符合相關(guān)標準，達到改善電能質(zhì)量作用，否則諧波、電壓波動以及不平衡并網(wǎng)對電網(wǎng)均會產(chǎn)生影響[9-10]。同時，在錯峰儲能環(huán)節(jié)，電網(wǎng)對蓄電池組充電時，也要分析電網(wǎng)的電能質(zhì)量，以及充電能計量，以達到統(tǒng)計節(jié)能節(jié)費的目的。因此，在線電能監(jiān)測系統(tǒng)一方面對電站本身優(yōu)化升級提供數(shù)據(jù)支持，同時擔負著電站不同運行模式下的節(jié)能計量任務(wù)。

3.1電能質(zhì)量分析功能

基本電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測功能：

a) 三相三線、三相四線的電壓、電流、頻率，并記錄其變化趨勢。

b) 三相四線電系統(tǒng)的三相有功功率、視在功率、無功功率、功率因數(shù)等，并記錄的變化趨勢。

c) 三相電系統(tǒng)的電壓及電流不平衡度，并記錄其變化趨勢。

d) 分析三相電壓、電流的基波及2～50次諧波，及其總諧波失真，并記錄其變化趨勢。

e) 間諧波分析。

f) 電壓驟升、驟降及電壓的波動與閃變。

g) 瞬變事件，電流浪涌事件捕獲。

3.2基于電能質(zhì)量分析的電能計量

諧波污染是被公認的電力危害之一，無論是輸電網(wǎng)本身帶有諧波輸出還是負載設(shè)備產(chǎn)生諧波注入電網(wǎng)，都會影響各種用電設(shè)備安全運行。在用電計費方面，分析諧波電能，有利于清晰合理的進行計價統(tǒng)計。電網(wǎng)輸出的諧波電能，用戶不應(yīng)該承擔付費。相反，對電網(wǎng)注入諧波污染，可以做諧波懲罰性收費。三相不平衡，無功功率因數(shù)也是客觀的影響用電質(zhì)量，對無功電量的計量也越來越受到重視。電力信號頻域分析中，按照傅里葉分析，可表示為：

(1)

(2)

式(1)—(2)中：h為諧波次數(shù)，h=1為基波；N為所分析的諧波最高次數(shù)，工程中一般取N=50；Uh、Ih為各次電壓電流諧波信號有效值；φh、 θh分別為各次電壓電流的初始相位；f1為基波頻率(工頻50Hz)。

以含有諧波的信號有功功率為例，可表述為：

(3)

(4)

(5)

式(3)—(5)中：P為全波有功功率；P1為基波有功功率；PH為諧波總有功功率；Ph為各次諧波有功功率。

對應(yīng)電量為：

(6)

式中：E為全波有功電量；E1為基波有功功率；EH諧波總電量；Eh為各次諧波電量。則式(3)—(5)可進一步寫為

(7)

式中：t1為測量初始時刻；t2為測量結(jié)束時刻。

如果不求各次諧波的功率，只要求總諧波功率，可以計算全波功率，考慮到數(shù)字采樣，信號已經(jīng)離散化，則

(8)

式中：M為整倍周期采樣點數(shù)；u(k)、i(k)分別采樣的電壓、電流離散值。

則諧波總功率

(9)

進而可以計算出總諧波電量EH。

風光儲一體化電站中，各監(jiān)測線路都是基于電能質(zhì)量分析的電能計量?；谥C波分析的基波電量和諧波電量，以及基于功率分析的有功電量、無功電量、視在電量。按照發(fā)電、儲電、用電的不同能量轉(zhuǎn)換模式，以電流方向作為判據(jù)，風能、光伏發(fā)電、一體化電站輸電、儲能電池放電為“+”電量，電網(wǎng)低谷給儲能電池充電用“-”電量。理清這些電量的分類，對節(jié)能減排的分析至關(guān)重要，同時也是該智能監(jiān)測系統(tǒng)的最重要特點，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀表和安裝式電能表(也有諧波電能表)不具備如此詳細的分析功能。

3.3遠程監(jiān)控分析功能

遠程監(jiān)控技術(shù)是在線監(jiān)測系統(tǒng)和一體化電站智能化的重要體現(xiàn)之一。管理員可以在監(jiān)控室掌握電站現(xiàn)場電能監(jiān)測數(shù)據(jù)，使得工作更加高效，同時節(jié)約人工成本。

在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場主機都配有IP地址，數(shù)據(jù)通信采用Internet網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議，機組實時數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡發(fā)送，經(jīng)由路由器，通過網(wǎng)線傳輸?shù)焦潭ǚ?wù)器或者終端PC機。管理員、用戶終端PC機安裝有分析軟件?？梢酝ㄟ^局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)器，運行終端軟件統(tǒng)計分析電能質(zhì)量各方面信息，諸如諧波的超標與報警、電壓異常的分析與報警、電壓電流、功率趨勢，以及節(jié)能減排的計量分析等。管理員可以通過終端發(fā)控制命令，讓現(xiàn)場主機做各項功能任務(wù)的切換操作。節(jié)能減排節(jié)費換算方式如下。

a) 風能發(fā)電，光伏發(fā)電節(jié)能減排分析。

月總發(fā)電量為E( kWh)，換算成節(jié)約標準煤炭的質(zhì)量為G(kg)，則

式中k=0.4kg/kWh。

換算成減排的二氧化碳質(zhì)量

式中k1=2.493。

b) 削峰填谷節(jié)約計價分析。

儲能蓄電池削峰填谷節(jié)約電價

式中：x1為峰谷電價；x2為低估電價；Ec為低谷儲能電量。

4結(jié)束語

目前，隨著風光儲一體化電站的初步驗收，在線監(jiān)測系統(tǒng)也隨之投入運行。示范工程初期的設(shè)備都是多家單位聯(lián)合提供，逆變器、PCS都是單獨控制，因此后續(xù)工作中各設(shè)備在相互協(xié)調(diào)運作、實現(xiàn)統(tǒng)一標準配置和控制的空間還很大，能實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源直接從各設(shè)備讀取，各設(shè)備發(fā)電、儲能運行的模式控制，無功、諧波控制，由監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，使得在線監(jiān)測系統(tǒng)更加智能化，控制功能更加完善飽滿；在系統(tǒng)的通信模式方面也可以采用無線，WIFI等模式，通過云服務(wù)器技術(shù)，傳輸管理數(shù)據(jù)，輕松在Android手持設(shè)備上瀏覽監(jiān)測數(shù)據(jù)。

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Intelligent Electric Energy Monitoring and Metering System for Wind-PV-ES Integrated Power Station

HUANG Shihui1, WANG Rugang1, YANG Zhongliang2

(1. Shenzhen Pluke Intelligent Test Equipment Co., Ltd., Shenzhen, Guangdong 518067, China; 2. Shenzhen Power Supply Bureau Co., Ltd., Shenzhen, Guangdong 518020, China)

Abstract：In allusion to requirement of new typed green power generation system named Wind-PV-ES integrated power station for electric energy quality monitoring and electric energy conversion metering, a kind of online monitoring and metering system for intelligent electric energy quality is designed. The core hardware adopts embedded modular structural design and the embedded software adopts three-layer framework, multiple communication modes and B/S architecture remote monitoring. By combining real-time electric quantity statistics of power generation lines in Wind-PV-ES integrated power station and harmonic analysis on electric energy quality, it is able to realize electric energy metering for different typed electric energy conversion. This system has reasonable structure and is easy to be installed and convenient to be managed which can meet monitoring requirement for conventional electric energy quality for Wind-PV-ES integrated power station and realize electric energy conversion metering, evaluation on green energy saving, and so on.

Key words：Wind-photovoltaic-energy storage; integrated power station; electric energy quality; harmonic electric quantity; energy storage; online monitoring

收稿日期：2016-02-24修回日期：2016-04-13

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.017

中圖分類號：TM932；TM764.1

文獻標志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)06-0093-05

作者簡介：

黃世回(1982)，男，安徽六安人。工程師，工學碩士，從事電能質(zhì)量、電池能源管理、信號處理、智能控制、檢測儀器算法等研究。

王汝鋼(1964)，男，山東聊城人。高級工程師，工學碩士，從事蓄電池管理、智能檢測儀表技術(shù)開發(fā)以及管理工作。

楊忠亮(1962)，男，上海人。高級工程師，工程碩士，從事變電站交直流電源研究和應(yīng)用工作。

(編輯王朋)