黃 穎
(九州能源有限公司,廣東 廣州 510663)
隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境污染的日益加重,光伏和風力發(fā)電越來越多地應用到電力系統(tǒng)中。光伏發(fā)電可以利用居民屋頂和廠房進行自主發(fā)電,相對于風力發(fā)電更容易大范圍實現(xiàn),我國為了鼓勵光伏發(fā)電推廣,制定了一系列的補貼政策,以提高居民積極性[1]。然而目前分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)其研究重點往往在于提高電能質(zhì)量和提高轉(zhuǎn)換效率上,而電能計量數(shù)據(jù)更新速度慢,觀察不直觀,用戶不能實時實地的獲得光伏發(fā)電量以及補貼量,因此容易導致用戶積極性不高。因此本文設計了一種分布式光伏電能雙向計量裝置,以精確計量每日發(fā)電量和補貼量,每天定時更新到用戶指定手機,以提高其安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的積極性[2]。
首先從實用性考慮,該裝置應當具有精確電能雙向計量功能,應當具有較好的用戶體驗友好度,方便用戶進行配置,同時方便裝置的安裝調(diào)試和版本迭代。
在技術方面,應采用模塊化設計思路,圍繞核心主控單片機采用通用型接口連接各個功能模塊。其核心功能模塊是電能雙向計量模塊和短信交互模塊,同時為了保證工作準確性和可靠性,需要增加精準時鐘計時、掉電存儲、液晶顯示等輔助功能模塊。
光伏電能計量裝置首要功能是實現(xiàn)電能的雙向計量,本文采用ANAOLOG DEVICES公司的ADE7758電能計量芯片實現(xiàn)實時電能計量。該芯片和主控單片機通過SPI接口通訊。其次,該裝置需具有短信通訊功能,本文在充分調(diào)研的前提下,采用濟南有人物聯(lián)網(wǎng)的2GDTU(Data Transfer Unit)實現(xiàn)短信雙向通訊。為了保證該裝置的控制可靠性和計算速率,本文采用ST公司的STM32F103RCT6單片機作為主控芯片。該裝置需具備精確實時計時功能,以給實時計量貼上精準時標,因此本文采用DS3231計時芯片。為實現(xiàn)計量數(shù)據(jù)的掉電存儲,本文采用24C64大容量EEPROM存儲芯片。其組成框圖見圖1。
圖1 組成框圖
考慮到光伏計量現(xiàn)場應用情況,本文為該裝置設定了以下幾項功能:
1) 電能計量:光伏側(cè)和市電側(cè)的實時雙向電能計量,包括電壓有效值、電流有效值、有功功率、視在功率;
2) 短信交互:用戶可通過短信設置目標手機號碼(針對用戶更換手機號碼的情況)、定時接收電能信息短信、實時請求查詢電能信息;
3) 精準計時:實時精準計時(年累計偏差不大于2 min)、時間設置接口(采用按鍵和液晶進行設置)
4) 掉電存儲:為防止停電情況,需要對電能計量數(shù)據(jù)進行定時存儲,例如每隔1 h,同時可通過按鍵清空存儲數(shù)據(jù)。
電流互感器采用2 000∶1的穿心式電流互感器,其規(guī)則參數(shù)為50 A/25 mA,其輸出信號為電流信號。ADE7758的輸入信號不得大于0.5 V,因此本文采用20 Ω的電阻將輸出電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號,如圖2所示。D1和D2為二極管,用于限幅保護。R1和C1、R4和C6分別組成RC低通濾波器。
圖2 電能計量電路原理圖
電壓互感器為2 mA/2 mA的1∶1電流型電壓互感器,在其一次側(cè)串接180 k的高耐壓電阻,從而將大電壓信號轉(zhuǎn)為小電流信號,二次側(cè)串接240 Ω的電阻,將電流信號轉(zhuǎn)為峰值不大于0.5 V的電壓信號。信號調(diào)理電路見圖2所示。圖中二極管和RC濾波器功能與電流互感器調(diào)理電路相同,這里不再贅述。
電能計量芯片采用ADE7758集成芯片。該芯片為SPI接口,同時提供中斷脈沖輸出和電能轉(zhuǎn)頻率輸出接口。能夠提供電壓電流有功、無功、有效值的精準測量,在25 ℃時,在1 000∶1的動態(tài)范圍內(nèi),有功電能誤差小于0.1%,其內(nèi)部擁有相位校正、有效值校正等多種校正功能,可實現(xiàn)高精度校準和測量[3]。其原理圖如圖2所示。由于該芯片采用5 V電壓源,而本文所用單片機采用3.3 V電平,因此本文在該芯片的輸出口上串接一個1 k的電阻以限流,防止燒壞單片機,同時在該芯片的輸入口上拉1 k的電阻到5 V電壓源,單片機采用開漏輸出即可實現(xiàn)3.3 V電平到5 V電平的轉(zhuǎn)換。
時鐘模塊采用高精度的DS3231集成計時芯片。該芯片內(nèi)部集成了溫補振蕩器和32.768 kHz的晶體[4],外部可最大限度減少輔助器件,只需要提供幾個去耦電容和電池即可。該芯片采用標準的I2C接口,需上拉4.7 kΩ的電阻到3.3 V電壓源。
EEPROM存儲方式的存儲壽命為100萬次,而FLASH存儲方式為10萬次,為了保證10年設計壽命,本文選用EEPROM存儲介質(zhì),芯片為24C64,其內(nèi)部擁有8 kB的存儲容量。為充分利用EEPROM存儲容量,提高其使用壽命,本文采用循環(huán)存儲的方式存放數(shù)據(jù)。即在存儲芯片中平均分為若干個子區(qū)域,每個區(qū)域輪流存儲電能數(shù)據(jù)。
為實現(xiàn)短信交互功能,本文采用濟南有人物聯(lián)網(wǎng)公司的GPRS DTU模塊。該模塊提供了方便快捷的AT指令接口和詳細的軟件開發(fā)文檔。為提高數(shù)據(jù)抗干擾性能,DTU模塊采用RS485接口與單片機通訊。
本文軟件采用模塊化的設計思想,主要包括ADE7758驅(qū)動程序模塊、短信交互程序模塊、存儲驅(qū)動程序模塊、時鐘驅(qū)動程序模塊、液晶顯示模塊、定時器中斷模塊6個模塊。
本文程序設計的核心構架為:ADE7758芯片內(nèi)部不斷累積電能計數(shù)值,單片機每隔500 ms讀取一次ADE7758內(nèi)部數(shù)據(jù),并累加到全局電能計量值變量中,同時ADE7758內(nèi)部的電能累計值清零,其他所有的功能程序模塊均在STM32單片機的主循環(huán)中。
單片機主循環(huán)程序中,單片機首先讀取當前時間,調(diào)取中斷服務程序中的電量累加值,進而根據(jù)光伏補貼政策進行計算。然后判斷是否有存儲鬧鐘、短信發(fā)送鬧鐘、清零按鍵觸發(fā)事件、短信設置指令事件觸發(fā),當其中任意事件觸發(fā)時,單片機執(zhí)行相應的事件函數(shù)。STM32單片機內(nèi)沒有運行嵌入式操作系統(tǒng),因此主循環(huán)為死循環(huán)程序。程序流程圖見圖3。
目前屋頂光伏發(fā)電往往采用“自發(fā)自用,余額上網(wǎng)”的政策。本文所設計的光伏計量裝置采集光伏發(fā)電側(cè)電能和用戶實際用電側(cè)電能。當實際用電量大于光伏發(fā)電量時,光伏用電量=光伏發(fā)電量;當實際用電量小于光伏發(fā)電量時,光伏用電量=實際用電量[5]。
圖3 程序流程圖
發(fā)送給用戶的重要數(shù)據(jù)包括:
1) 光伏發(fā)電量:逆變器輸出口的電量。
2) 實際用電量:用戶實際使用的電量。
3) 用戶的節(jié)省電費:節(jié)省收益=光伏用電量×當?shù)仉妰r。
4) 光伏售電收益:售電收益=(光伏發(fā)電量-光伏用電量)×標桿電價0.453元。
5) 光伏補貼收益:補貼收益=總發(fā)電量×(國家補貼+地方政府補貼)。
為驗證電能計量的準確性,本文采用3個100 W的白熾燈泡作為三相負載,搭建了計量實驗裝置,見圖4,同時購買了市面上的標準電能計量表進行對比,由于市售電能計量表的機械指針行走緩慢,因此本文采用了其光電脈沖作為對比,電能表每走一度電會產(chǎn)生400個脈沖信號,即每個脈沖信號代表2.5 W·h。本文記錄了連續(xù)1 200個脈沖值對應的電能計量數(shù)據(jù),部分數(shù)據(jù)如表1所示。
圖4 實驗裝置圖
表1 部分電能計量實驗數(shù)據(jù)
由上表可知,本文設計的分布式光伏電能計量裝置在3 kW·h的累計測量實驗中,最大相對誤差為0.933 33%,絕對誤差最多為1.02 W·h。能夠滿足目前售點分布式光伏電能計量要求。
實驗中,以中國移動網(wǎng)絡的SIM卡插入GPRS DTU中,同時采用中國電信的手機作為用戶機,采用用戶機給GPRS DTU發(fā)送指令數(shù)據(jù),其客戶手機界面如圖5所示。
即本裝置成功實現(xiàn)了短信交互功能,同時嘗試50次發(fā)送短信,均會收到回復,即本文所設計的分布式光伏電能計量裝置滿足可靠性要求。
圖5 短信測試界面
本文采用模塊化的軟硬件設計思路,在充分調(diào)研光伏發(fā)電現(xiàn)場需求的前提下,完成了光伏電能計量裝置的研發(fā),實驗證明本文所設計的分布式光伏電能計量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電的精準計量,同時可以實現(xiàn)短信交互、定時短信發(fā)送、定時掉電存儲等功能,能夠滿足目前分布式屋頂光伏發(fā)電的現(xiàn)場需求,使得用戶可以實時獲知光伏發(fā)電量和政策補貼金額,能夠在一定程度上提升用戶使用屋頂光伏發(fā)電的積極性。