周 亮，周國(guó)平

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210037)

0 引言

隨著新能源在國(guó)內(nèi)的大規(guī)模開發(fā)和利用，分布式發(fā)電及其微電網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為解決偏遠(yuǎn)地區(qū)供電問(wèn)題的重要技術(shù)手段[1]。鐵塔基站遍布各地，電力供應(yīng)的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性、能耗的精細(xì)化管理以及隨之而來(lái)的運(yùn)維問(wèn)題等將是鐵塔基站面臨的緊迫任務(wù)。大部分鐵塔基站處于供電的末端且具備建設(shè)光伏發(fā)電和小型風(fēng)力發(fā)電的條件，其內(nèi)部的供電、輸電、用電存在于一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域，為基站微電網(wǎng)的構(gòu)建創(chuàng)造了條件。

以基站微電網(wǎng)為代表的小型微電網(wǎng)具有規(guī)模小、發(fā)用電設(shè)備種類多的特點(diǎn)。若微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中使用單獨(dú)的計(jì)量表，各路負(fù)載開關(guān)由人工控制或分散到各個(gè)單獨(dú)的控制器中控制，將導(dǎo)致微電網(wǎng)測(cè)控效率低，使用成本高，安全性穩(wěn)定性較低。

鑒于上述問(wèn)題，本文為鐵塔基站構(gòu)建了一個(gè)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)，并研制了滿足該小型微電網(wǎng)源、網(wǎng)、荷協(xié)調(diào)控制要求的微電網(wǎng)系統(tǒng)控制器，將控制集成到一起，實(shí)現(xiàn)電量的實(shí)時(shí)采集，源、網(wǎng)、荷的接入與切除的自動(dòng)運(yùn)行及遠(yuǎn)程調(diào)度。

1 基站微電網(wǎng)的構(gòu)建

基站微電網(wǎng)系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、光伏和柴油機(jī)等微電源，交直流負(fù)載，儲(chǔ)能裝置，控制系統(tǒng)以及監(jiān)控和保護(hù)裝置等。微電網(wǎng)公共母線通過(guò)重合閘開關(guān)在PCC點(diǎn)與配電網(wǎng)進(jìn)行連接。

1.1 基站微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

基站微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。風(fēng)機(jī)和光伏組件經(jīng)過(guò)逆變器和可控開關(guān)接入交流母線。柴油發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出端通過(guò)可控開關(guān)接到交流母線中。交流母線通過(guò)自動(dòng)重合閘開關(guān)與電網(wǎng)連接。儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)作為負(fù)載使用，所以儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入端應(yīng)接到負(fù)載側(cè)。負(fù)載側(cè)接三大通訊運(yùn)營(yíng)商的基站，以及基站的監(jiān)控設(shè)備與照明路燈，提供廣告、插座的電力供應(yīng)，并為將來(lái)基站可能擴(kuò)展的功能提供電能供應(yīng)。

圖1 基站微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.2 微電網(wǎng)系統(tǒng)控制策略

基站微電網(wǎng)靈活的運(yùn)行和高質(zhì)量的供電服務(wù)離不開完善穩(wěn)定的控制系統(tǒng)[2-4]。控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能為電能計(jì)量與電能調(diào)度。電能計(jì)量分為交流計(jì)量與直流計(jì)量，由電能計(jì)量芯片完成；電能調(diào)度涉及源、網(wǎng)、荷以及存儲(chǔ)等各發(fā)電用電單元協(xié)調(diào)調(diào)度控制，調(diào)度過(guò)程與控制方法較復(fù)雜。

根據(jù)微電網(wǎng)與電網(wǎng)的連接狀態(tài)，將微電網(wǎng)運(yùn)行分為兩種模式：基站微電網(wǎng)與電網(wǎng)連接，稱為并網(wǎng)狀態(tài)。電網(wǎng)供電中斷或發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)隔離市電，稱為離網(wǎng)狀態(tài)。

當(dāng)外部電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，基站微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)，微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行于并網(wǎng)模式。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電源、儲(chǔ)能以及電網(wǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)度策略如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)控制策略

(1)微電源輸出有功功率大于等于負(fù)載所需時(shí)，若儲(chǔ)能系統(tǒng)滿電，則儲(chǔ)能系統(tǒng)不充不放，微電網(wǎng)向負(fù)載供電，余電送入電網(wǎng)；若儲(chǔ)能系統(tǒng)不滿，則余電優(yōu)先給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。

(2)微電源輸出有功功率小于負(fù)載所需時(shí)，設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)最低電量和平衡電量，若儲(chǔ)能系統(tǒng)電量少于最低電量，則電網(wǎng)向儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，并向微電網(wǎng)中送電；當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)電量超過(guò)平衡電量時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，電網(wǎng)向微電網(wǎng)中送電。

當(dāng)外部電網(wǎng)發(fā)生故障或停電時(shí)，基站微電網(wǎng)系統(tǒng)由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)入離網(wǎng)模式。離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電源、儲(chǔ)能以及電網(wǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)度策略如圖3所示。

圖3 離網(wǎng)控制策略

(1)微電源輸出有功功率大于等于負(fù)載所需時(shí)，若儲(chǔ)能系統(tǒng)滿電，則儲(chǔ)能系統(tǒng)不充不放，微電網(wǎng)切除多余微電源且不允許新的微電源接入微電網(wǎng)；若儲(chǔ)能系統(tǒng)不滿，則余電優(yōu)先給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。

(2)微電源輸出有功功率小于負(fù)載所需時(shí)，設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)最低電量，若儲(chǔ)能系統(tǒng)電量少于最低電量，則啟動(dòng)柴油機(jī)發(fā)電機(jī)向微電網(wǎng)中送電。

(3)當(dāng)出現(xiàn)柴油儲(chǔ)備不足且儲(chǔ)能余量不足時(shí)，由微電網(wǎng)控制系統(tǒng)快速切除部分優(yōu)先級(jí)低的負(fù)載，從而保障微電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)于優(yōu)先級(jí)高的重要負(fù)載的持續(xù)、可靠的電力供給。

當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換為離網(wǎng)模式時(shí)，由于光伏、風(fēng)機(jī)有功輸出的不確定性，所以選擇儲(chǔ)能系統(tǒng)作為切換時(shí)的主電源。微電網(wǎng)控制系統(tǒng)發(fā)出斷開重合閘開關(guān)的指令。此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)系統(tǒng)主電源，支撐微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定。

2 基站微電網(wǎng)控制器設(shè)計(jì)

本控制器以MK64FN1M0VLQ12控制器為核心，ATT7022E和ATT7053C分別作為交、直流計(jì)量芯片，用于計(jì)量光伏、風(fēng)力發(fā)電量和交直流負(fù)載用電量。開入電路利用控制器感應(yīng)輔助觸點(diǎn)的位置狀況，從而確定斷路器的開關(guān)狀態(tài)；開出電路通過(guò)控制斷路器的電操，實(shí)現(xiàn)控制微電網(wǎng)中負(fù)載的接入和切除；RS485用于與光伏逆變器、重合閘開關(guān)及其他微電網(wǎng)控制器通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)微電源和重合閘開關(guān)的控制。上位機(jī)通過(guò)RS485或以太網(wǎng)獲取微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并下達(dá)控制指令?？刂破髟O(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 控制器設(shè)計(jì)框圖

2.1 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 交直流計(jì)量電路

交流電能計(jì)量采用專用計(jì)量芯片ATT7022E，通過(guò)交流調(diào)理電路將220 V交流電轉(zhuǎn)換為小電壓和小電流接入到ATT7022E中。交流電壓調(diào)理電路見圖5，電路采用了電阻分壓采樣的方法，電流和電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓電路，變換成小電流，再通過(guò)精密電流互感器，實(shí)現(xiàn)電壓采樣與計(jì)量芯片的電氣隔離。

圖5 交流電壓調(diào)理電路

由于直流電壓與直流電流中往往也存在著較多的交流與諧波分量，因此直流計(jì)量與交流計(jì)量一樣，必須要考慮多種多樣復(fù)雜的電網(wǎng)情況[5]。

直流電能計(jì)量采用單相計(jì)量芯片ATT7053C，本設(shè)計(jì)是用于調(diào)理直流電壓和電流的兼容電路，如圖6所示。當(dāng)采樣電路用于電流計(jì)量時(shí)，焊接R1，R1兩端的電壓再通過(guò)R2、R3、R4分壓，最終R4兩端的電壓作為采樣信號(hào)送入計(jì)量芯片中；當(dāng)調(diào)理電路用于直流電壓計(jì)量時(shí)，不用焊接R1。R2、R3和R4用于電壓分壓，R4兩端的電壓作為采樣信號(hào)送入計(jì)量芯片中。R7和R8采用小電阻，用于在計(jì)量芯片前端，起保護(hù)和隔離的作用。

圖6 直流電壓和電流兼容調(diào)理電路

2.1.2 相頻檢測(cè)電路

目前，微電網(wǎng)控制領(lǐng)域的研究中，較多集中在并網(wǎng)逆變器的控制[1]。大型并網(wǎng)逆變器成本高昂，控制復(fù)雜且運(yùn)行維護(hù)要求高，而基站微電網(wǎng)規(guī)模小、數(shù)量多。因此在基站微電網(wǎng)實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，使用的逆變器均為小型逆變器。小型逆變器生產(chǎn)設(shè)計(jì)成熟，對(duì)電網(wǎng)沖擊小且控制簡(jiǎn)單，使用RS485即可對(duì)逆變器進(jìn)行輸出功率及相位的控制。

當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)由離網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)模式時(shí)，采用檢同期合閘模式。由微電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)逆變器與電網(wǎng)之間的相位差達(dá)到同相位的時(shí)刻，下達(dá)閉合重合閘開關(guān)的指令，從而實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)由離網(wǎng)模式向并網(wǎng)模式的平滑轉(zhuǎn)換。

圖7為相頻檢測(cè)電路，將調(diào)理后的電壓V1電平移位后得到一個(gè)直流正弦波，再接入到比較電路后得到直流方波，將方波接入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，通過(guò)記錄不同電源的相位時(shí)間，即可計(jì)算出相位差，從而判斷合閘時(shí)機(jī)。

圖7 相頻檢測(cè)電路

2.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

MQX是由Freescale維護(hù)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性高、內(nèi)核精簡(jiǎn)、架構(gòu)清晰、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)[6]。將MQX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)植入到K64芯片內(nèi)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的自由調(diào)度，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性[7]。

控制器軟件設(shè)計(jì)采用“多任務(wù)+中斷”編程設(shè)計(jì)思路[8]，根據(jù)基站微電網(wǎng)控制策略，將復(fù)雜的調(diào)度過(guò)程拆分為多個(gè)任務(wù)。具體任務(wù)主要分為ATT7022E交流計(jì)量任務(wù)、ATT7053C直流計(jì)量任務(wù)、指示燈任務(wù)、RS485輪詢發(fā)送信息任務(wù)、開入檢測(cè)任務(wù)、開出控制任務(wù)、儲(chǔ)能系統(tǒng)控制任務(wù)等，每個(gè)任務(wù)分別對(duì)應(yīng)不同的事件位，當(dāng)相應(yīng)的事件位被置位時(shí)，任務(wù)啟動(dòng)執(zhí)行。其中指示燈任務(wù)一直執(zhí)行，通過(guò)小燈的閃爍情況，可以判斷出整個(gè)系統(tǒng)是否在運(yùn)行，確保程序沒(méi)有跑飛[8]。

中斷主要用于響應(yīng)上位機(jī)發(fā)送的控制指令。串口接收到上位機(jī)發(fā)送的控制指令信息，根據(jù)通訊協(xié)議進(jìn)行解幀，提取相關(guān)指令和數(shù)據(jù)分別賦值全局變量，根據(jù)控制指令置相應(yīng)的任務(wù)事件位。任務(wù)流程圖如圖8所示。

圖8 任務(wù)流程圖

3 運(yùn)行分析

該項(xiàng)目已在某鐵塔基站成功實(shí)施。風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量根據(jù)風(fēng)資源實(shí)際情況配置600 W風(fēng)機(jī)。光伏是在通信基站設(shè)備上搭建光伏電站，根據(jù)負(fù)載及占地面積估算，配置4.9 kW光伏。根據(jù)基站運(yùn)行現(xiàn)狀，將基站中的電信、移動(dòng)和聯(lián)通的通訊基站作為一級(jí)負(fù)載，優(yōu)先級(jí)最高；照明、插座等作為二級(jí)負(fù)載，優(yōu)先級(jí)次之；其余負(fù)載作為三級(jí)負(fù)載，優(yōu)先級(jí)最低。實(shí)際運(yùn)行中當(dāng)出現(xiàn)緊急情況，將按控制策略依次切除相應(yīng)負(fù)載。

上位機(jī)將數(shù)據(jù)上傳給手機(jī)APP，用戶可以隨時(shí)隨地了解鐵塔基站微電網(wǎng)系統(tǒng)信息。本控制器在實(shí)際基站微電網(wǎng)中應(yīng)用效果如圖9所示。通過(guò)基站拓?fù)鋱D，可以實(shí)時(shí)了解各負(fù)載及微電源的運(yùn)行狀況；通過(guò)切換到微電網(wǎng)實(shí)時(shí)功率頁(yè)面，通過(guò)微電源發(fā)電量餅狀圖和負(fù)載用電量餅狀圖，微電網(wǎng)運(yùn)行狀況可得到直觀了解。在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行中，本控制器運(yùn)行狀況穩(wěn)定，控制效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖9 基站微電網(wǎng)中應(yīng)用效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以實(shí)際基站微電網(wǎng)項(xiàng)目為例，從微電網(wǎng)搭建到控制器設(shè)計(jì)上詳細(xì)介紹了基站微電網(wǎng)控制器的研發(fā)流程。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，該控制系統(tǒng)在整體成本低的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有電源、負(fù)荷以及其他對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)度和控制，降低了基站運(yùn)行與維護(hù)成本，提高工作效率。