劉 鳴，王 攀，畢 偉，江 瑋

(國(guó)網(wǎng)湖北綜合能源服務(wù)有限公司，湖北 武漢 430070)

微電網(wǎng)是由分布式電源、負(fù)荷以及儲(chǔ)能設(shè)備，電能轉(zhuǎn)換設(shè)備和相應(yīng)的監(jiān)控與保護(hù)等二次設(shè)備集成的小型電力系統(tǒng)，通過對(duì)公共連接節(jié)點(diǎn)的控制，微電網(wǎng)既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以獨(dú)立運(yùn)行。分布式電源由于其地點(diǎn)靈活且分散的特點(diǎn)，很好地適應(yīng)了目前電力供應(yīng)的分散化現(xiàn)狀，分布式電源在能夠滿足資源分布的同時(shí)卻由于其大量分散，電源形式的多樣化以及性能的各異特性，使得各微電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)和用電用戶造成電網(wǎng)沖擊，給電能質(zhì)量以及電網(wǎng)系統(tǒng)的安全帶來不好的影響[1-2]。

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)逐漸由人工巡檢的方式發(fā)展到遠(yuǎn)程監(jiān)控，由于微電網(wǎng)是最近興起的一項(xiàng)技術(shù)，目前大部分研究注重于大電網(wǎng)中的電能監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，關(guān)于微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)以及協(xié)調(diào)控制監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還處于初步研究階段[3-4]。

文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了虛擬儀器技術(shù)，通過G語言編程實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、分析、處理以及顯示功能，使用虛擬儀器技術(shù)代替了傳統(tǒng)的硬件電路，減小了系統(tǒng)成本。文獻(xiàn)[6]為了更好地分析和研究微電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了低壓并網(wǎng)型微電網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠從影響微電網(wǎng)電能質(zhì)量的擾動(dòng)特征值提取、擾動(dòng)識(shí)別、和電能質(zhì)量評(píng)估4個(gè)環(huán)節(jié)完成對(duì)微電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估。但該文獻(xiàn)僅研究了電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，未涉及到微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[7]分析了分布式電源接入用戶及用戶側(cè)微電網(wǎng)雙向計(jì)量的需求,總結(jié)了智能電表通信接口、協(xié)議、精確計(jì)量算法的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)以及智能電表在未來智能電網(wǎng)中的地位與作用,并提出了雙向計(jì)量的模式和未來發(fā)展的方向。

上述研究針對(duì)微電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及智能電表提出了一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，但還存在一些缺陷，如未考慮到在監(jiān)測(cè)的同時(shí)進(jìn)行電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。因此，筆者基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套專用協(xié)調(diào)控制與監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微電網(wǎng)電能質(zhì)量信息，并對(duì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的分析，通過控分控合功能實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。

1 微電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，開發(fā)工具采用LabVIEW 2014，工業(yè)串口通信以RS-232、RS-485標(biāo)準(zhǔn)通信為主，以此實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與程控儀器及智能表的信號(hào)通信，檢測(cè)對(duì)象為智能表，對(duì)其進(jìn)行誤差檢測(cè)，監(jiān)測(cè)對(duì)象為微電網(wǎng)，對(duì)微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控以便對(duì)其進(jìn)行協(xié)調(diào)控制[8]，以保證微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制監(jiān)控系統(tǒng)可劃分為以下模塊：參數(shù)匹配模塊、串口通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、誤差檢定模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，每個(gè)模塊負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)的功能，各模塊通過選項(xiàng)卡控件進(jìn)行切換。系統(tǒng)功能模塊組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊組成

2 系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)參數(shù)配置模塊

參數(shù)配置模塊可通過選項(xiàng)卡控件由主監(jiān)測(cè)界面切換至該模塊界面，便于用戶配置所需的對(duì)應(yīng)參數(shù)，包括被檢測(cè)電能表串口設(shè)置、標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)置、儲(chǔ)存路徑設(shè)置。該模塊通過局部變量將所配置的參數(shù)指令寫入串口通信模塊，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 參數(shù)配置模塊結(jié)構(gòu)

2.2 串口通信模塊

串口通信通過調(diào)用LabVIEW系統(tǒng)本身自帶的“VISA”函數(shù)實(shí)現(xiàn)與程控儀器和被檢測(cè)電能表之間的通信，計(jì)算機(jī)與程控儀器和被檢測(cè)電能表等下位機(jī)之間分別采用USB轉(zhuǎn)RS-232與RS-485接口連接。實(shí)現(xiàn)通信后計(jì)算機(jī)可讀取并輸出控制命令給程控儀器和被檢測(cè)電能表[9]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與協(xié)調(diào)控制。該模塊程序流程如圖4所示。

圖4 串口通信模塊程序流程圖

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理是對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)波形圖及參數(shù)顯示、濾波、傅里葉變換、偏差計(jì)算等處理。濾波算法采用帶通濾波方式，由于電網(wǎng)信號(hào)基頻及其諧波為50 Hz及其倍頻，因此本系統(tǒng)將過低及過高的頻率噪聲濾除，提高信號(hào)的信噪比，增加分析的準(zhǔn)確度，給用戶提供直觀的監(jiān)測(cè)對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)信息。該模塊功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)構(gòu)組成

2.4 誤差檢定模塊

誤差檢定是通過同步讀取標(biāo)準(zhǔn)表與被檢測(cè)電能表電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)應(yīng)參數(shù)之間所存在的誤差并存入可查詢文檔，后續(xù)用戶可根據(jù)自己需要選擇各時(shí)間點(diǎn)的誤差數(shù)據(jù)來生成相應(yīng)的誤差檢定報(bào)表并打印。其程序框圖如圖6所示。

圖6 誤差檢定模塊程序框圖

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)保存至指定路徑文件夾，以便用戶對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析。

3 應(yīng)用案例

系統(tǒng)應(yīng)用于榆林市協(xié)和光伏電站分布式發(fā)電與儲(chǔ)能微電網(wǎng)運(yùn)行控制工程，建設(shè)規(guī)模200 MW，占地面積6 000畝，電站系統(tǒng)鋪設(shè)295 W多晶硅電池組件67.8萬塊，通過110 kV線路并入榆林電網(wǎng)，本系統(tǒng)對(duì)該電網(wǎng)系統(tǒng)二次設(shè)備艙輸入電壓電流信號(hào)進(jìn)行采集讀取以及數(shù)據(jù)處理。

3.1 數(shù)據(jù)讀取與監(jiān)測(cè)

當(dāng)點(diǎn)擊 “開始監(jiān)測(cè)”按鈕后，系統(tǒng)開始讀取電能表所采集到的微電網(wǎng)電能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將所讀取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以波形圖的形式顯示，并對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行直觀的數(shù)值顯示。點(diǎn)擊“控合”，按鈕狀態(tài)變?yōu)椤翱胤帧?，此時(shí)，微電網(wǎng)接入電源，電能表采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并通過上位機(jī)交互界面顯示，以便對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到某一電能信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，點(diǎn)擊“控分”，切斷微電網(wǎng)電源接入，保證微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。圖7為系統(tǒng)讀取到的微電網(wǎng)二次設(shè)備艙諧波電流電壓數(shù)據(jù)界面。

圖7 微電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取界面圖

3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

電能質(zhì)量分析界面主要通過對(duì)所讀取的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換、偏差計(jì)算等相關(guān)數(shù)據(jù)處理，使用戶能通過交互界面直觀地對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行分析。首先，在啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀取與監(jiān)測(cè)之后，通過點(diǎn)擊“電能質(zhì)量分析”選項(xiàng)卡可切換到電能質(zhì)量分析界面(如圖8所示)，其中，幅頻曲線波形圖主要對(duì)電壓或電流信號(hào)的幅頻特性進(jìn)行顯示，用戶可通過勾選圖例來確定波形圖所需顯示的幅頻曲線類型。而偏差曲線波形圖主要將每次偏差計(jì)算值連接成一條曲線進(jìn)行顯示[10-11]，同理，用戶可通過波形圖右上角圖例勾選框來確定所需顯示的偏差曲線類型。除此之外，在該界面的最右端，一些重要的誤差參數(shù)以數(shù)值形式進(jìn)行顯示，方便用戶更加直觀地讀取相關(guān)誤差數(shù)據(jù)。

3.3 誤差報(bào)表

誤差報(bào)表界面主要是生成電能表誤差檢定報(bào)表，便于用戶評(píng)估電能表精度等級(jí)和以誤差報(bào)告為依據(jù)對(duì)電能表進(jìn)行誤差補(bǔ)償。首先，點(diǎn)擊“誤差報(bào)表”選項(xiàng)卡切換到誤差報(bào)表界面(如圖9所示)，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)選擇”右端的下拉箭頭，其中各時(shí)間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為電能質(zhì)量分析界面點(diǎn)擊“讀取數(shù)據(jù)”所保存的誤差數(shù)據(jù)，選擇需要的節(jié)點(diǎn)誤差數(shù)據(jù)，再點(diǎn)擊“導(dǎo)入報(bào)表”，將所選擇的誤差數(shù)據(jù)導(dǎo)入至誤差報(bào)表，最終所生成的誤差報(bào)表形式可通過“誤差報(bào)表預(yù)覽”列表顯示。點(diǎn)擊“刪除”可刪除導(dǎo)入錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“保存”可保存目前所預(yù)覽報(bào)表至指定文件夾，點(diǎn)擊“打印”可接通外部打印機(jī)進(jìn)行誤差報(bào)表打印。

3.4 結(jié)果分析

由圖7可知，該微電網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)到電網(wǎng)的電壓幅值為27.8 V，電流幅值為0.83 A，電流相位為4.47度，電壓基頻為49.9 Hz，電壓基頻較為平穩(wěn)，系統(tǒng)輸電正常。由圖8可知此刻電流諧波成分較多，電能質(zhì)量較差，需及時(shí)進(jìn)行諧波抑制，將電能質(zhì)量計(jì)算結(jié)果生成誤差報(bào)表，可方便工程師實(shí)時(shí)掌握電能質(zhì)量情況。

圖8 電能質(zhì)量分析界面圖

4 結(jié)論

(1)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)數(shù)字化狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及微電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，設(shè)計(jì)并編制了基于LabVIEW的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制監(jiān)控系統(tǒng)。

(2)該控制系統(tǒng)具有參數(shù)配置模塊、串口通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、誤差檢定模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

(3)利用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)讀取并顯示微電網(wǎng)電能數(shù)據(jù)，且通過數(shù)據(jù)處理與分析能夠進(jìn)行電能質(zhì)量的分析并生成誤差報(bào)表，通過控合和控分功能實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。