智能微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

黃業(yè)川 龍有煉 李培鋒 黃 輝

（五邑大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)格局開始顯現(xiàn)出它的弊端，人們開始提出配電網(wǎng)的網(wǎng)格化布局。于此同時，新能源技術(shù)以及分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展使得他們的結(jié)合產(chǎn)物：微電網(wǎng)技術(shù)開始進入人們的視線。微電網(wǎng)技術(shù)是一項十分契合配電網(wǎng)網(wǎng)格化布局的技術(shù)，它擁有獨立的電能來源，能夠供應(yīng)用戶在大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時的孤島運行需求，也能在發(fā)電盈余時向大電網(wǎng)送電，減輕大電網(wǎng)供電壓力[1-2]。

本文設(shè)計了一種智能微電網(wǎng)控制系統(tǒng)，可以對用戶身邊的清潔能源如風(fēng)能、太陽能進行收集，產(chǎn)出電能供用戶使用，并可在發(fā)電盈余時對大電網(wǎng)進行送電。同時，對系統(tǒng)內(nèi)各個關(guān)鍵節(jié)點電壓、電流、有功、無功數(shù)據(jù)進行收集，反饋給用戶電能質(zhì)量信息，并在用戶端提供了三相負載功率自平衡功能，可以更好地為用戶提升電能質(zhì)量。

1 微電網(wǎng)控制系統(tǒng)整體實現(xiàn)布局

本控制系統(tǒng)整體實現(xiàn)布局如圖 1所示，風(fēng)力發(fā)電機與光伏太陽能板發(fā)出的電能輸送至配電柜中，匯集至12V直流母線，一端連接蓄電池與直流負載，另一端經(jīng)逆變器升壓逆變后，可實現(xiàn)與大電網(wǎng)的并網(wǎng)連接，向大電網(wǎng)輸送電能；當(dāng)大電網(wǎng)故障時，系統(tǒng)可依靠微電源（蓄電池、風(fēng)機和光伏板）發(fā)電支持系統(tǒng)脫離主網(wǎng)孤島運行；系統(tǒng)在用戶端根據(jù)優(yōu)先級不同設(shè)置有一、二、三級負載，根據(jù)對電池剩余電量的檢測，智能切除次要負載，保證重要負載的供電；另外，系統(tǒng)在用戶端各個相線均設(shè)置有電流電壓監(jiān)測點，可根據(jù)計算出的三相負載功率不平衡度進行智能調(diào)度，提升電能質(zhì)量[3]。

圖1 微電網(wǎng)控制系統(tǒng)整體實現(xiàn)布局

2 系統(tǒng)控制功能的設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的需求，可以將系統(tǒng)整體分為電量測量部分、核心控制器，現(xiàn)場指示和上位機監(jiān)控四部分。由電量測量部分檢測系統(tǒng)各路電源輸入的電壓電流數(shù)據(jù)，然后將所獲得的數(shù)據(jù)傳送到核心控制器，控制器將獲得的數(shù)據(jù)進行處理和比較后對相應(yīng)的部分進行動作，并通過現(xiàn)場的指示燈作為狀態(tài)指示，上位機讀取核心控制的數(shù)據(jù)作為監(jiān)控所用，同時上位機配置輸入設(shè)備能對系統(tǒng)的各部分進行實時的控制。其具體模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，下面對各個功能模塊的設(shè)計進行說明。

圖2 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

2.1 電壓電流采樣與處理模塊

在本系統(tǒng)中，對電壓和電流的測量，選用了美國Cirrus Logic公司最新推出的CS5460A芯片。該芯片包含兩個累加式 AD轉(zhuǎn)換器用于測量電量數(shù)據(jù)；具有高速電能計算功能；還有一個串行接口用于數(shù)據(jù)讀寫。是一款高度集成的電能有效值轉(zhuǎn)換芯片。本次設(shè)計該芯片用測量電流和電壓的有效值（IRMS和VRMS），并用單片機通過串口功能讀出數(shù)據(jù)，其測量電路圖如圖3所示。

圖3 CS5460A電壓電流測量模塊

2.2 無線通信功能的實現(xiàn)

在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用 RS-485串行總線標準。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至 200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。

基于485通信的良好性能，系統(tǒng)芯片與上位機之間的通信采用485通信，系統(tǒng)芯片將采集回來的數(shù)據(jù)進行處理，通過485總線將電能數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C上，在遠方對線路斷路器執(zhí)行相應(yīng)的開合控制并實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，將電能數(shù)據(jù)反饋給用戶。另外，利用手機搭建 Android系統(tǒng)手持移動終端，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電數(shù)據(jù)和負載用電數(shù)據(jù)的隨時查看，實現(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 微電網(wǎng)信息體系與通信

2.3 風(fēng)力發(fā)電機和光伏板并網(wǎng)運行模塊

風(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池優(yōu)先給蓄電池充電，當(dāng)蓄電池充滿后，斷開發(fā)電機與電池的連接，發(fā)電機可以逆變并網(wǎng)。而當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生故障斷開時，先由發(fā)電機繼續(xù)逆變供電，當(dāng)無風(fēng)無陽光是斷開發(fā)電機與微電網(wǎng)的連接，由蓄電池逆變供電。在重負荷的時候還可以同時逆變供電，如圖5所示。

圖5 風(fēng)機與太陽能電池并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

另外，并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)由功率主電路、控制器、驅(qū)動電路、檢測電路等組成。其中，功率主電路采用DC/DC，DC/AC兩級結(jié)構(gòu)，其中 DC/DC電路采用 Boost升壓變換器，DC/AC電路采用 SPWM驅(qū)動的單相全橋電路。控制環(huán)節(jié)一方面控制DC/DC環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)光伏電池的最大功率點跟蹤，另一方面控制DC/AC環(huán)節(jié)，以使直流母線電壓穩(wěn)定，并將電能轉(zhuǎn)化為220V/50Hz正弦交流電。系統(tǒng)保證并網(wǎng)逆變器輸出的正弦電流與電網(wǎng)的相電壓同頻同相。逆變器并網(wǎng)時．要求其輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相?？刂瓶驁D如圖6所示。

圖6 并網(wǎng)逆變器控制電路框圖

2.4 三相負載功率自平衡模塊

低壓電網(wǎng)的三相平衡一直就是困擾供電單位的主要問題之一，低壓電網(wǎng)大多是經(jīng)10/0.4kV變壓器降壓后，以三相四線制向用戶供電，是三相生產(chǎn)用電與單相負載混合用電的供電網(wǎng)絡(luò)[4]。

但在實際運行中，由于單相用戶的不可控增容、大功率單相負載的接入以及單相負載用電的不同時性等都造成了三相負載的不平衡。低壓電網(wǎng)若在三相負荷不平衡度較大情況下運行，將會極大影響電能質(zhì)量，給低壓電網(wǎng)與電氣設(shè)備造成不良影響。因此，用戶端的三相功率自平衡功能也是智能微電網(wǎng)最希望解決的關(guān)鍵問題。系統(tǒng)根據(jù)對各相點電流電壓的監(jiān)控，得到從CS5460A電壓電流檢測模塊送回來的的數(shù)據(jù)，計算三相負載的不平衡度，對功率調(diào)節(jié)進行計算，得出最優(yōu)調(diào)度方案，再對部分負載進行相間轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)三相功率的自平衡。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)備的軟件系統(tǒng)主要包括上位機及手持移動終端機兩部分。采用模塊化的設(shè)計方法，以減少軟件設(shè)計的工作量，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

上位機的在線監(jiān)控功能設(shè)計

圖7 系統(tǒng)上位機PC端界面圖

本系統(tǒng)的上位機系統(tǒng)采用 Qt軟件進行監(jiān)控界面的設(shè)計，如圖7所示。該軟件由于可在Windows內(nèi)核與Linux內(nèi)核中運行，可支持我們將編寫好的軟件安裝到 PC端和手持嵌入式移動設(shè)備。同時，對控制面板元素進行了相關(guān)設(shè)計，支持系統(tǒng)遠程對微電網(wǎng)各部分進行接入和切除。另外，上位機終端將會實時接收下位機中發(fā)送過來的電壓、電流、有功無功等數(shù)據(jù)進行曲線描繪，同步顯示實時曲線，方便用戶進行電能質(zhì)量的查詢。

4 綜合調(diào)試及運行效果

4.1 軟件測試情況

實際運行中，通過電壓互感器和電流互感器測量主網(wǎng)輸入的電壓，在供電穩(wěn)定的情況下微電網(wǎng)的電能由主網(wǎng)提供，因為充電后的蓄電池是一個有穩(wěn)定輸出的電源，這時候風(fēng)力發(fā)電機和太陽能光伏發(fā)電輸出的電能給蓄電池充電。當(dāng)主網(wǎng)電壓發(fā)生偏差或供電出現(xiàn)異常時系統(tǒng)能馬上將主網(wǎng)接入線路切斷，在切斷的同時風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電的逆變供電接入微電網(wǎng)中，而逆變電源均由蓄電池提供，微電網(wǎng)形成孤島獨立運行，由風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電提供電能。

實時曲線能夠形象反映出測量數(shù)據(jù)在一定時間能的變化趨勢，讓監(jiān)控人員在及時掌控系統(tǒng)的運行情況。而歷史數(shù)據(jù)的翻閱查詢功能則能夠為后期的控制優(yōu)化（如負荷的分配、設(shè)備的容量升級等）提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)參考。在本次的設(shè)計中，實時數(shù)據(jù)檢測顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢方面，本系統(tǒng)都表現(xiàn)出了很好的效果。對于主網(wǎng)輸入的電壓電流有效值能夠?qū)崟r地顯示并通過上位機的運算繪制曲線，在實時的曲線中我們能夠明顯地看出電壓的波動情況。其中系統(tǒng)的實時曲線如圖8所示[5]。

圖8 系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時曲線

4.2 實際運行結(jié)果分析

如圖1所示的整個系統(tǒng)架設(shè)完畢后，對系統(tǒng)運行進行了相關(guān)測試及數(shù)據(jù)記錄，通過上位機軟件生成了歷史數(shù)據(jù)報表，從表中可以看出，系統(tǒng)輸入電壓在國家標準范圍內(nèi)穩(wěn)定浮動，電壓質(zhì)量良好。在日常用電負荷中，負荷種類繁多，如果所帶負荷屬于工業(yè)中電壓敏感設(shè)備，那么當(dāng)電壓出現(xiàn)波動時將對設(shè)備的正常穩(wěn)定運行造成很大的影響甚至損害設(shè)備，造成大量不合格產(chǎn)品。另外，本系統(tǒng)的實時曲線能夠給該類設(shè)備的安全正常運行提供實時的參考，通過輸入電壓曲線和實際負荷經(jīng)過穩(wěn)壓設(shè)備穩(wěn)壓后的電壓曲線的實時對比，根據(jù)兩根曲線的偏離程度就能掌握該類電壓敏感負荷設(shè)備當(dāng)前的安全運行情況，這對實際的使用都有非常大的幫助。

5 結(jié)論

本設(shè)計無論是從單個模塊還是整體功能都能比較好地實現(xiàn)，針對目前微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展當(dāng)中的幾個問題如三相負載功率平衡、微電網(wǎng)并網(wǎng)及孤島運行等問題都能得出比較好的解決方法。利用基于STM32F103C8T6芯片的單片機，自主設(shè)計程序，成功取代成本高昂的PLC控制設(shè)備，更加有利于產(chǎn)品的推廣；利用Qt設(shè)計的上位機界面嵌入到PC計算機或者手持移動設(shè)備極大地方便使用人員對微電網(wǎng)系統(tǒng)的查詢和管理。

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