國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院 周治伊 楊 勇 國網(wǎng)甘肅省電力公司調(diào)度中心 龍 杰

我國疆土遼闊，可利用的自然資源豐富。隨著綠色環(huán)保可再生的新能源的提出，以風(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的分布式發(fā)電在各個行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。目前全國各地都建設(shè)起小型分布式電源電站，通過低壓配網(wǎng)并入電網(wǎng)供電站附近地區(qū)居民的使用。而往往分布式電站的分布區(qū)域較廣，大多數(shù)電站的運行狀況和數(shù)據(jù)信息尚未接入調(diào)度部門，調(diào)度部門無法對這些電源進行實時監(jiān)視和控制管理。目前分布式電源不參與電網(wǎng)的調(diào)壓、調(diào)頻以及調(diào)峰等服務(wù)。隨著并入電網(wǎng)的規(guī)模日益擴大，并入電網(wǎng)的容量占比也越來越高，部分容量小的電網(wǎng)極易受這些電源的影響，電網(wǎng)的電能質(zhì)量隨之下降，出現(xiàn)局部過/欠電壓導(dǎo)致電氣設(shè)備受損的問題，威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，為電力工作者工作帶來麻煩。

1 5G通信技術(shù)

在如今的高科技社會，信息傳輸速率的需求也愈來愈高，無疑是加大了分布式調(diào)控采集裝置對信息數(shù)據(jù)采集的難度。在過去幾年里,4G技術(shù)已經(jīng)為各個行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了諸多便利。而5G技術(shù)作為4G技術(shù)的延伸和發(fā)展，其技術(shù)性能在降低延遲、節(jié)約資源、降低成本、提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾实确矫娑加匈|(zhì)的改變。在新時代的影響下，電力行業(yè)發(fā)展規(guī)模不斷擴大，對電力設(shè)備運行狀況和數(shù)據(jù)信息采集要求也越來越高。隨著5G時代的到來，國務(wù)院將5G定位為“新基建”的基礎(chǔ)性行業(yè)，為了響應(yīng)國家政策，積極推進5G信息技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，在分布式電源調(diào)控采集裝置的應(yīng)用中引入5G通信技術(shù)，使得信息數(shù)據(jù)采集和調(diào)控指令精確下傳，提高了調(diào)度部門對這些電源的監(jiān)視和管控能力。

在各方的共同努力下，5G發(fā)展成績突出，技術(shù)能力不斷提升。目前為止，我國5G基站建設(shè)數(shù)目達(dá)到了99.3萬個，在全球比例占超過70%；5G終端手機連接數(shù)超3.92億戶，在全球占比超80%，專利數(shù)居全球首位[1]。

2 調(diào)控采集裝置的研制

本文擬研制基于5G通信的分布式電源調(diào)控采集裝置，該調(diào)控采集裝置的工作電源擬采用220VAC供電，工作溫度范圍-30～75℃，IP20防護等級；CPU板加有國產(chǎn)ARM處理器和智芯IC（通信加密芯片）；電量傳感器擬采用穿刺方式取電壓的開合式電壓/電流一體化傳感器，或者開口鉗形夾方式；樣機成品機箱的設(shè)計與加工：調(diào)控采集裝置宜采用導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，鋁合金機箱，尺寸不大于18cm高×8cm厚×15cm深；對于戶外安裝，擬增加小型電表箱（防水、防塵、絕緣），將調(diào)控采集裝置安裝于電表箱內(nèi)，在最大程度上簡化現(xiàn)場安裝工作。參考結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安裝結(jié)構(gòu)參考圖

2.1 多制式通信模塊的研制

調(diào)控采集裝置通信模塊擬采用模塊化選擇的方式支持2G/3G/4G/5G/WIFI及物聯(lián)網(wǎng)通信，以靈活適應(yīng)分布式電站附近的通信條件。原則上優(yōu)先采用分布式電站附近的5G網(wǎng)絡(luò)通信，但是由于建設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的電站5G網(wǎng)絡(luò)尚未覆蓋，對于暫不具備5G網(wǎng)絡(luò)的電源點采用4G/3G/2G網(wǎng)絡(luò)或物聯(lián)網(wǎng)通信。目前，隨著新基建戰(zhàn)略的實施5G基站建設(shè)速度得到了加快，部分偏遠(yuǎn)地區(qū)也將覆蓋5G通信。另外支持智芯IC（通信加密芯片）的數(shù)據(jù)加密功能，采用IEC60870-5-104通信協(xié)議，可以同時實現(xiàn)與不少于兩個主站（如地調(diào)和省調(diào)）軟件系統(tǒng)的信息交互，從而大大提高調(diào)度部門對電站監(jiān)視控制的可靠性和安全性。

2.2 多功能電參數(shù)采集模塊的研制

多功能電參數(shù)采集為實現(xiàn)分布式電源的380V接入點的頻率、電流矢量、電壓矢量、有功功率、無功功率、功率因素、發(fā)電量、上網(wǎng)電量、開關(guān)位置等基本信息，以及諧波、間諧波、電壓合格率、閃變等電能質(zhì)量信息的采集，具備連續(xù)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)及暫態(tài)觸發(fā)波形記錄功能，并可根據(jù)需要對發(fā)電狀態(tài)進行控制。受諧波和間諧波干擾等影響的波形畸變，尤其是在信噪較低（如小電流）時會嚴(yán)重影響電參數(shù)的計算精度。本文采用基于滑窗動態(tài)分步復(fù)用計算技術(shù)的離散傅里葉分析和希爾伯特-黃變換理論，過濾外部干擾，并高效率、高精度、高穩(wěn)定性地計算基波分量、諧波及間諧波分量，為調(diào)控系統(tǒng)的高級應(yīng)用軟件奠定精確有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。主要涉及的算法是高精度、高速電參數(shù)計算關(guān)鍵技術(shù)，包括滑窗動態(tài)分步復(fù)用計算技術(shù)、離散傅里葉分析、希爾伯特-黃變換（HHT）理論。

滑窗方法不僅可以用在原始采樣數(shù)據(jù)的處理上，通過對算法（如后續(xù)的FFT和Hilbert變換）進行合理的步驟分解設(shè)計，滑窗也可用于復(fù)用中間計算過程，從而大幅度減少計算量，提高計算速度。傅里葉變換法的諧波檢測目前是最經(jīng)典諧波檢測的方法之一,對整數(shù)次諧波的檢測很精準(zhǔn)，對間諧波的檢測會出現(xiàn)頻譜泄露和柵欄效應(yīng)。傅立葉分解在采樣時基波頻率獲得不精確，造成采樣時間不同步問題，就會引起頻譜泄露。解決頻譜泄露問題通?？梢詫焖俑道锶~變換（FFT）進行加窗處理，柵欄效應(yīng)通常采用插值法處理。通過加窗插值改進算法后可得到非常精確的頻率、幅值、相位，提高了計算精度。Hilbert變換應(yīng)用解析表達(dá)式中實部與虛部的共軛關(guān)系，定義出任意時刻的瞬時頻率、瞬時相位及瞬時幅度[2],從而解決了信號瞬時參數(shù)的定義及計算問題，實現(xiàn)對于短信號和復(fù)雜信號的瞬時參數(shù)的有效提取。

2.3 GPS/北斗衛(wèi)星信號接收模塊的研制

用于自動同步時間及提供精確的位置信息，以實現(xiàn)調(diào)控裝置的即插即用（即裝即用），并可實現(xiàn)分布式電源的GIS信息管理，有利于后續(xù)的維護與監(jiān)管。為了確保本地時間精度和全網(wǎng)調(diào)控裝置的時間同步性優(yōu)于10us，必須研制GPS/北斗衛(wèi)星信號接收模塊用于處理、優(yōu)化衛(wèi)星接收OEM板輸出的時間信號（UTC時間和秒脈沖PPS），其中時間源、內(nèi)部時鐘和頻標(biāo)優(yōu)化處理是關(guān)鍵。主要涉及的算法是高精度的時間同步及守時關(guān)鍵技術(shù)理論，包括北斗和GPS時間源冗余輸入延時補償方法、時間源信號預(yù)處理方法、內(nèi)部時鐘及其調(diào)節(jié)方法、頻標(biāo)馴服方法。

北斗和GPS時間源冗余輸入延時補償方法。由于天線等引起的時間源信號延遲可以分路補償，由軟件將補償值疊加在修正值上寫給FPGA調(diào)節(jié)。裝置內(nèi)置一個內(nèi)部時鐘作為裝置的本地時間源，內(nèi)部時鐘以外部時間源作為參考進行調(diào)節(jié)，保證走時精準(zhǔn)。所有的輸出、采集、顯示等時間信息均來自內(nèi)部時鐘；時間源信號預(yù)處理方法。FPGA內(nèi)部時鐘負(fù)責(zé)將接入的所有時鐘源打上時間戳，組織報文通過總線送往CPU軟件，由軟件負(fù)責(zé)時間源可用性判決及時鐘源的選擇處理，CPU通過對比時鐘源狀態(tài)和時差選出參考時鐘源，將FPGA內(nèi)部時鐘與參考時鐘源的時差寫回FPGA內(nèi)部寄存器，進行時間修正。

內(nèi)部時鐘及其調(diào)節(jié)方法。FPGA設(shè)計一個內(nèi)部時鐘作為裝置本地的時間源，外部采用一個高穩(wěn)頻標(biāo)源為FPGA內(nèi)部時鐘提供頻率。內(nèi)部時鐘上電后自由運行，可以由CPU進行時差調(diào)節(jié)，CPU的操作系統(tǒng)時鐘保持與FPGA內(nèi)部時鐘一致。主板CPU在外部參考時間源選定以后，計算內(nèi)部時鐘與其偏差，按步進調(diào)節(jié)策略對內(nèi)部時鐘進行調(diào)節(jié)；頻標(biāo)馴服方法。主板CPU在選定外部參考時間源后，將其作為頻率馴服參考基準(zhǔn)計算本地頻標(biāo)頻率偏差，寫入FPGA的頻率調(diào)整寄存器并對頻率調(diào)整使能寄存器進行置位，而后由FPGA執(zhí)行對DAC調(diào)整值的寫入。

3 實際應(yīng)用

在酒泉公司轄區(qū)范圍內(nèi)選擇了53個具有不同資產(chǎn)屬性、不同發(fā)電容量及上網(wǎng)余量、不同通信條件、不同地域特點的較為典型的分布式光伏電源點做為試點，開展低壓分布式電源信息采集試點技術(shù)服務(wù)。配網(wǎng)主站接入網(wǎng)內(nèi)10kV及以上分布式光伏電站接入率為93.66%。380（220）V低壓并網(wǎng)分布式光伏自動化信息暫未接入，僅僅通過并網(wǎng)點電度表完成了營銷用上網(wǎng)（反送電）電度量的信息采集。雖然這些380（220）V并網(wǎng)的分布式光伏電源基本都通過營銷系統(tǒng)的電度表實現(xiàn)了上網(wǎng)電量（反向有功）的采集，但是都不在電網(wǎng)調(diào)度部門的監(jiān)測范圍內(nèi)，且缺乏實時的電壓、電流、發(fā)電量、上網(wǎng)電量、電能質(zhì)量等信息數(shù)據(jù)，不能實現(xiàn)各分布式光伏電源的工作狀態(tài)監(jiān)視，更無法調(diào)控，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

4 結(jié)語

當(dāng)前的小容量分布式光伏發(fā)電的監(jiān)測手段對于電能質(zhì)量、調(diào)控接入需求、網(wǎng)絡(luò)安全、運維管理、建設(shè)成本等的考慮不足，難以滿足電力公司關(guān)于分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)服務(wù)工作的需要。因此研制基于5G通信的分布式電源調(diào)控采集裝置，為電網(wǎng)調(diào)度部門對分布式電源進行實時監(jiān)視和控制管理提供重要保障。樣機試制成功后在電源點實現(xiàn)試運行，并根據(jù)試運行情況完善技術(shù)方案、改革創(chuàng)新，并適時解決小容量分布式電源的接入，提高調(diào)度對這些電源的消納和管控能力，為未來光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)做好基礎(chǔ)。