微電網(wǎng)在線監(jiān)控智能終端設(shè)計(jì)

南方電網(wǎng)科學(xué)研究院 喻磊 田兵 于力 雷金勇 許愛東 郭曉斌

智能終端在硬件設(shè)計(jì)上采用基于雙MCU的嵌入式解決方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)電氣信號(hào)的精確采集和快速上傳微電網(wǎng)決策單元。在電量參數(shù)計(jì)量上，采用基于三相軟件鎖相環(huán)的方法，同時(shí)，針對(duì)電壓波形畸變采用正負(fù)序分離的方法進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，智能終端功能能夠滿足微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控要求。

微電網(wǎng)；嵌入式系統(tǒng)；在線監(jiān)測(cè)；電量計(jì)量； 三相鎖相環(huán)

0 引言

隨著能源匱乏和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，擁有豐富可再生能源的海洋與海島的開發(fā)利用得到了廣泛重視。建設(shè)可靠的海島電網(wǎng)是開發(fā)海洋可再生能源的基礎(chǔ)，具有重要的意義。新興的微電網(wǎng)技術(shù)以其在新能源利用效率、控制可靠性和環(huán)境友好等方面的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為了海島電網(wǎng)建設(shè)的重要途徑[1]。

微電網(wǎng)融合多種分布式發(fā)電形式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布式可再生發(fā)電單元通過電力電子裝置接入，具有出力波動(dòng)大、控制慣性小等問題[2][3]。因此，為實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠控制，必須對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備以及線路節(jié)點(diǎn)的電氣狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)。

文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]提出了SCADA/EMS監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。但該系統(tǒng)采用基于穩(wěn)態(tài)信息的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)方式，中央決策單元從RTU獲得微電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算發(fā)出調(diào)節(jié)指令，時(shí)間尺度在分鐘級(jí)，無(wú)法滿足微電網(wǎng)根據(jù)可再生能源的隨機(jī)波動(dòng)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的要求。文獻(xiàn)[6]提出將分布式前置采集終端應(yīng)用于SCADA/EMS系統(tǒng)以降低其采樣和通信響應(yīng)速度瓶頸，但仍然沒有在根本上解決SCADA/EMS用于微電網(wǎng)狀態(tài)快速監(jiān)測(cè)及調(diào)節(jié)的問題。

為了滿足微電網(wǎng)在線監(jiān)控的快速、實(shí)時(shí)、高精度等要求，本文設(shè)計(jì)了一種微電網(wǎng)在線監(jiān)控智能終端。智能終端實(shí)現(xiàn)了對(duì)微電網(wǎng)電氣信號(hào)的精確采集，并采用基于正負(fù)序分量分離的三相鎖相環(huán)算法，從采樣數(shù)據(jù)中精確快速的獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)信息，通過光纖以太網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠實(shí)時(shí)地傳輸至中央決策單元。

1 智能終端總體設(shè)計(jì)

微電網(wǎng)在線監(jiān)控一般需要考慮以下3個(gè)方面：

(1) 實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)電氣信號(hào)的采集，根據(jù)計(jì)量算法得到所需電能參數(shù)；

(2) 實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)到?jīng)Q策單元的可靠快速傳輸；

(3) 實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的快速控制和故障保護(hù)。

根據(jù)上述分析，本文提出的智能監(jiān)控終端分為中央控制單元、通信傳輸單元、信號(hào)采集單元和動(dòng)作控制單元四個(gè)模塊，整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 中央控制單元

中央控制單元作為系統(tǒng)控制和運(yùn)算核心，完成模塊管理和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

在模塊管理上，通信傳輸單元、動(dòng)作控制單元對(duì)響應(yīng)速度有較高要求，但一般不涉及復(fù)雜數(shù)據(jù)運(yùn)算，對(duì)處理器資源消耗低；而信號(hào)采集單元所得采樣數(shù)據(jù)需通過復(fù)雜運(yùn)算得到運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，消耗大量處理器資源?；谝陨峡紤]，中央控制單元采用雙MCU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中計(jì)量MCU專門負(fù)責(zé)采樣數(shù)據(jù)處理及電量計(jì)算，控制MCU負(fù)責(zé)對(duì)計(jì)量MCU和其他功能單元進(jìn)行綜合管理，兩個(gè)MCU間通過高速USART口進(jìn)行通信。該方案能夠同時(shí)滿足數(shù)據(jù)傳輸和動(dòng)作控制的實(shí)時(shí)性，以及電能計(jì)量結(jié)果的精確快速獲得。

圖1 智能終端功能模塊框圖

圖2 通信傳輸單元實(shí)現(xiàn)框圖

圖3 信號(hào)采集單元實(shí)現(xiàn)框圖

1.2 通信傳輸單元

通信傳輸單元實(shí)現(xiàn)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)狀態(tài)信息快速上傳至決策單元。由于微電網(wǎng)決策單元一般遠(yuǎn)離發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)，為滿足其獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，采用光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速可靠傳輸。光纖以太網(wǎng)具備高效性、高安全性和傳輸距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，能很好的解決遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)膯栴}。同時(shí)，其“即插即用”的特性能夠滿足微電網(wǎng)在任意時(shí)刻對(duì)任意節(jié)點(diǎn)實(shí)施監(jiān)測(cè)的要求。通信傳輸單元的實(shí)現(xiàn)如圖2所示?？刂芃CU管理通信過程，通過移植輕量TCP/IP協(xié)議LWIP實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)高效快速收發(fā)。

1.3 信號(hào)采集單元

信號(hào)采集單元完成對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)電氣信號(hào)的采樣，設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮采樣精度和響應(yīng)速度的提高。采用低時(shí)延、高精度的電壓電流傳感器實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電到弱電信號(hào)的變換，經(jīng)過調(diào)理放大電路作用后，由16位高精度AD芯片實(shí)現(xiàn)同步快速采樣。計(jì)量MCU通過并口讀取采樣結(jié)果，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.4 動(dòng)作控制單元

動(dòng)作控制單元由快速響應(yīng)的繼電器及I/0接口構(gòu)成，能夠輔助決策單元遠(yuǎn)程控制電力設(shè)備，實(shí)現(xiàn)故障單元切除、設(shè)備運(yùn)行模式選擇、靜態(tài)開關(guān)控制等功能。

2 智能終端電量計(jì)量算法實(shí)現(xiàn)

通過信號(hào)采集單元獲得采樣數(shù)據(jù)后，需要在計(jì)量MCU中實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量，快速獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)，一般包括電壓電流模值、有功及無(wú)功功率、電壓頻率和相位信息等。其中電壓信號(hào)頻率和相位的獲得對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)功率器件的通斷控制、孤島到并網(wǎng)模式切換等過程的實(shí)現(xiàn)有著至關(guān)重要的作用，同時(shí)還可以為其他電能參數(shù)的計(jì)算提供基準(zhǔn)。

傳統(tǒng)過零檢測(cè)獲取頻率相位的方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單[7]，但由于一個(gè)工頻周期內(nèi)僅存在兩個(gè)過零點(diǎn)，動(dòng)態(tài)性能差，同時(shí)算法精度也易受諧波、直流偏移的干擾。本文采用三相鎖相環(huán)方法，實(shí)現(xiàn)了干擾情況下的頻率相位精確測(cè)量，并通過正負(fù)序分離方法對(duì)算法在三相不對(duì)稱情況下的性能進(jìn)行了優(yōu)化。以此為基準(zhǔn)，計(jì)算得到其他所需電能參數(shù)。本文還針對(duì)算法在微處理器上的軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了執(zhí)行速度上的優(yōu)化處理。

2.1 三相鎖相環(huán)(SPLL)基本原理

三相鎖相環(huán)綜合利用三相電壓相位信息，將電壓合成矢量us在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行矢量分解，如圖4所示。在us幅值不變情況下，q軸電壓分量大小反映了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和合成矢量us間的相位關(guān)系。當(dāng)usq<0時(shí)d軸超前于us，當(dāng)usq>0時(shí)d軸滯后us，在usq＝0時(shí)d軸與us實(shí)現(xiàn)相位同步。因此三相鎖相環(huán)通過控制電壓矢量q軸分量usq為0，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓信號(hào)的相位和頻率跟蹤。

圖4 dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三相電壓矢量相位圖

三相鎖相環(huán)的具體實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示，通過帶PI控制器的閉環(huán)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)下usq無(wú)差跟蹤給定值0。PI控制器的輸出為頻率誤差Δω，與理論頻率相加后經(jīng)過積分環(huán)節(jié)得到實(shí)際三相電壓相位信息。

圖5 三相鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)原框圖

2.2 鎖相環(huán)性能分析及優(yōu)化

為了對(duì)三相鎖相環(huán)的性能進(jìn)行分析，將圖5轉(zhuǎn)化為圖6所示的系統(tǒng)控制框圖。對(duì)三相電壓進(jìn)行標(biāo)幺化處理，采樣延時(shí)環(huán)節(jié)用一階慣性環(huán)節(jié)近似。

圖6 三相鎖相環(huán)系統(tǒng)控制框圖

可以得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

實(shí)際采樣頻率為6400Hz，根據(jù)控制理論優(yōu)化PI參數(shù)選擇得到kp=200,ki=60。系統(tǒng)波特圖如圖7所示。

圖7 鎖相環(huán)系統(tǒng)波特圖

從圖7可以看出三相鎖相環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，且具有低通特性，對(duì)高頻諧波干擾具有很好的抑制作用。但在三相電壓不對(duì)稱情況下，基波負(fù)序分量在dq坐標(biāo)系下以-ω頻率反向旋轉(zhuǎn)，使鎖相環(huán)含有2次諧波。上述系統(tǒng)對(duì)該頻率干擾沒有很好的抑制效果，如果增加低通濾波器，則會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。為此本文采用基于延時(shí)信號(hào)消除的正負(fù)序分離方法對(duì)三相鎖相環(huán)進(jìn)行優(yōu)化[8]。

根據(jù)圖4的相位圖，當(dāng)存在負(fù)序分量時(shí)，靜止坐標(biāo)系下電壓合成矢量可表示為：

使用該方法優(yōu)化后的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且具有良好的諧波抑制特性和抗三相不平衡能力，同時(shí)具備快速響應(yīng)速度。

2.3 優(yōu)化后的鎖相環(huán)性能驗(yàn)證

(1) 相位和頻率突變時(shí)鎖相環(huán)相位跟蹤性能

圖8 優(yōu)化后的鎖相環(huán)在相位和頻率突變時(shí)的相位跟蹤性能

(2) 三相不平衡情況下鎖相環(huán)優(yōu)化算法的頻率和相位測(cè)量性能

在t=1s時(shí)刻，C相電壓發(fā)生跌落，產(chǎn)生三相不平衡情況，從圖9可以看出經(jīng)正負(fù)序分離法優(yōu)化后的鎖相環(huán)仍然能夠準(zhǔn)確獲取輸入電壓信號(hào)的相位和頻率。

圖9 優(yōu)化后的鎖相環(huán)在三相不平衡時(shí)的頻率相位測(cè)量性能

2.4 其他電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算

在三相鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)相位跟蹤后，可根據(jù)式(5)計(jì)算得到基波電壓、電流模值和監(jiān)測(cè)點(diǎn)流過的有功及無(wú)功功率：

2.5 電能計(jì)量算法的軟件實(shí)現(xiàn)

將上述電能參數(shù)計(jì)算原理在計(jì)量MCU中通過軟件實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)過程需要充分考慮算法的實(shí)時(shí)性，對(duì)算法執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。主要從以下幾方面進(jìn)行：

(1) 由于鎖相環(huán)需要大量的三角函數(shù)運(yùn)算，執(zhí)行周期長(zhǎng)，為此采用查表法配合中值插入法以快速得到三角函數(shù)運(yùn)算結(jié)果。程序構(gòu)建0～90度正弦函數(shù)表，計(jì)算三角函數(shù)時(shí)先變換到0～90度表區(qū)間，查表找到角度對(duì)應(yīng)的表中位置，采用中值插入法完成最后計(jì)算。

(2) 對(duì)于開方運(yùn)算采用牛頓-拉夫遜算法實(shí)現(xiàn)，并在迭代初值選擇上進(jìn)行優(yōu)化，使初值逼近精確解，從而大大加快算法的迭代過程，快速得到精確計(jì)算結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完成智能終端軟硬件實(shí)現(xiàn)后，采用華立電表的專業(yè)校正實(shí)驗(yàn)臺(tái)得到其電能參數(shù)計(jì)量誤差：頻率測(cè)量誤差為0.1‰，電壓、電流模值測(cè)量誤差在0.2%以內(nèi)，功率測(cè)量誤差在0.5%以內(nèi)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)难訒r(shí)保持在0.2 ms以內(nèi)。

將智能終端用于“多可再生能源發(fā)電和并網(wǎng)技術(shù)研發(fā)平臺(tái)”，取代傳統(tǒng)EMS進(jìn)行微電網(wǎng)孤島并網(wǎng)模式切換實(shí)驗(yàn)。智能終端監(jiān)測(cè)PCC點(diǎn)兩側(cè)狀態(tài)，并控制PCC點(diǎn)靜態(tài)開關(guān)完成并網(wǎng)及離網(wǎng)切換操作。

3.1 主動(dòng)孤網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

主動(dòng)孤網(wǎng)實(shí)驗(yàn)決策單元根據(jù)智能終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將聯(lián)絡(luò)線功率控制為零，之后控制智能終端繼電器動(dòng)作單元斷開PCC點(diǎn)開關(guān)。圖10和圖11分別是主動(dòng)孤網(wǎng)過程中聯(lián)絡(luò)線有功無(wú)功變化曲線。可以看出，整個(gè)過程可在數(shù)秒內(nèi)完成，產(chǎn)生沖擊小、控制精度高。

圖10 主動(dòng)孤網(wǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的聯(lián)絡(luò)線有功變化曲線

圖11 主動(dòng)孤網(wǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的聯(lián)絡(luò)線無(wú)功變化曲線

3.2 主動(dòng)并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

主動(dòng)并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中微電網(wǎng)先將電壓指令從220 V變?yōu)楦欀骶W(wǎng)電壓，頻率調(diào)至50.1 Hz，隨后啟動(dòng)同期指令。根據(jù)智能終端監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在微電網(wǎng)和主網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)同步時(shí)，控制智能終端繼電器動(dòng)作單元閉合PCC點(diǎn)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)操作。圖12和圖13分別是并網(wǎng)過程中微電網(wǎng)頻率和電壓變化曲線，可以看到通過智能終端的監(jiān)測(cè)和控制作用，能夠?qū)崿F(xiàn)微電網(wǎng)的快速并網(wǎng)操作。

圖12 主動(dòng)并網(wǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的微電網(wǎng)頻率變化曲線

圖13 主動(dòng)并網(wǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的微電網(wǎng)電壓變化曲線

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于微電網(wǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控的微電網(wǎng)智能終端，對(duì)其系統(tǒng)構(gòu)成和電能計(jì)量算法進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)證明，該智能終端具有優(yōu)秀的在線監(jiān)測(cè)性能，能夠滿足微電網(wǎng)實(shí)時(shí)快速控制的要求，具備廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也具備應(yīng)用到其他類型包含分布式發(fā)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集的潛力。

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