分布式電源接入下雙向計量與監(jiān)控一體化設計構想

唐艷蘭

摘 要：為保護地球資源，現(xiàn)在大力開發(fā)無污染可再生的新能源。在此背景下，大量分布式新能源電源接入電網。分布式電源接入電網后，家庭微電網潮流存在雙向性，又有分布式電源發(fā)電補貼、余電上網、用電價格不同等因素，傳統(tǒng)的電能計量裝置已不能滿足發(fā)展的需求。雙向計量與監(jiān)控一體化設備使用“單片機+計量芯片”以及其他通信接口等設備，搭載適合的操作系統(tǒng)對總體任務進行優(yōu)化設置，較好地彌補了傳統(tǒng)電能表的不足，實現(xiàn)雙向計量、計算補貼、電網電能質量采集等任務。

關鍵詞：分布式；雙向計量；監(jiān)控；一體化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.230

0 引言

化石能源等傳統(tǒng)能源，具有不可再生性，它們的日漸枯竭使得人們尋找新能源替代。在這種背景下，大量可再生新能源的開發(fā)利用提上日程，甚至已經開始應用。與傳統(tǒng)能源不同，太陽能生物能、風能、小水電資源等可再生資源都是分布式存在的。國家大力推行新能源，倡導新能源發(fā)電。一方面，隨著城鎮(zhèn)化建設，電力客戶的用電需求也在增加；另一方面，城鎮(zhèn)化的建設實施同時也為分布式能源的大量、成規(guī)模地加入提供了有利的大環(huán)境。

1 分布式電源發(fā)展概況

1.1 分布式電源技術定義及分類

分布式發(fā)電（ Distributed Generation，DG） 技術一般主要包括發(fā)電容量為幾十到幾百 kW 的燃料電池、微型燃氣輪機、風力發(fā)電技術、太陽能光伏發(fā)電技術等。這些技術依靠可再生新能源為主的小型發(fā)電設備實現(xiàn)，這些小型設備都就近分布在負荷附近。

1.2 分布式電源優(yōu)缺點

分布式電源具有投資小、占地少及節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點。但跟傳統(tǒng)的集中能源相比，還是有弊端存在。人們將現(xiàn)代電能質量通常理解為 “ 導致用戶電力設備不能正常工作的電壓 、電流或頻率偏差，造成用電設備故障或錯誤動作的任何電力問題都是電能質量問題 ”。穩(wěn)態(tài)電能質量問題包括諧波、頻率偏差、電壓波動與閃變等；暫態(tài)電能質量問題主要包括電壓凹陷、電壓凸起、暫態(tài)震蕩等，是電力系統(tǒng)發(fā)生故障機投切操作等伴隨的暫時性現(xiàn)象。分布式電源接入電網，其輸出功率具有隨機性和波動性特征，并網后容易引起變壓波形畸變、電壓波動與閃變、三項不平衡、諧波等一系列問題，會嚴重影響電網的電能質量。

2 雙向計量與監(jiān)控一體化設備的需求

2.1 家庭微電網應用分析

對家庭微電網進行應用分析，本文是基于高級計量架構（AMI）的。高級計量架構包含以下幾個部分：測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（ MDMS） 、雙向通信網絡、智能電表和用戶戶內網絡。

高級計量架構中的計量和智能監(jiān)控功能由雙向計量與監(jiān)控一體化設備承擔。設備包括：主站、智能設備、分布式電源、智能負載。一方面，從上級主站或微電網獲得電價、調度信息等；另一方面通過RS-485、信息網絡等方式對分布式電源及用電設備來進行監(jiān)控。

2.2 家庭用戶功能需求

家庭微電網的潮流方式與普通電網潮流方式不同，它是存在雙向流動的。分布式電源發(fā)電補貼、余電上網、用電電價不同、家庭用電方式不同。傳統(tǒng)的電能計量裝置顯然已經不能滿足如此多樣化的需求了。這就要求有一種可以雙向計量且具有監(jiān)控功能的設備來替代。

3 硬件方案

雙向計量與監(jiān)控一體化設備同時具備對電網的質量監(jiān)測、可雙向計量電能費用、可計量分布式電源的發(fā)電補貼、可體現(xiàn)用電能效等功能。設備采用MCU+計量芯片方案，主要組成部分為：雙向計量、CAN總線、信息網絡及RS-485模塊。

3.1 雙向計量模塊

依照《 國家電網智能電表技術規(guī)范 》要求，雙向計量應當實現(xiàn)的功能有：“組合/正向/反向有功總電能、組合/正向/反向各費率有功電能、正向/反向分相有功電能、正向/反向有功最大需量、 瞬時凍結功能、整點凍結功能、電壓過壓欠壓事件記錄、電流失流過流事件記錄、瞬時電壓電流功率的檢測等功能?！苯涍^綜合考慮，采用ADE7878/7593 計量芯片為宜。

3.2 通信功能模塊

為滿足實際應用中不同的通信接口需求，設備集成信息網絡、電力線載波、RS-485、CAN、紅外借口等通信模塊。例如：后期與其他能效管理設備通訊可使用CAN；遠程抄表功能的實現(xiàn)可依靠紅外通訊；信息網絡可用于與其他分布式單元通訊，獲得更多訊息。

4 軟件設計及任務組成

設備要實現(xiàn)電能質量監(jiān)測、雙向獨立計量電能電費、計量補貼、雙向通信等功能。整個系統(tǒng)對實時性要求非常高，任務繁重，操作系統(tǒng)選取輕量級的，比如FreeRTOS?；诓僮飨到y(tǒng)支持，可將設備的軟件流程在不影響功能的情況下分解成幾塊主要任務。

4.1 總體任務設計

雙向計量與監(jiān)控一體化設備的任務涉及電網的電能質量監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、雙向電能計量、人機交互等方面。為保證電網質量監(jiān)測的準確性，電網參數(shù)采集處理任務設置成最高優(yōu)先級；雙向計量任務也較為重要，設置為次優(yōu)先級；通信任務在不同時段不同場合需要根據(jù)實際情況來設置級別；數(shù)據(jù)存儲時間要求很短，設置為較低的優(yōu)先級；能效管理任務對實時性要求不高，可設置級別為0。

4.2 電能雙向計量任務

電能雙向計量任務由線周期電能累計模式實現(xiàn)。在電能計量模式下，對計量芯片進行配置。設置為：LINECYC 寄存器中所設整數(shù)個半波周期的積分每次處理完畢，就會向主控芯片發(fā)出中斷請求。主控芯片收到請求即讀取電能寄存器的值及獲取寄存器狀態(tài)，及時判斷有功的正反向；利用獲取的信息進一步進行處理，為用戶能效管理任務及微電網中央控制器提供有效數(shù)據(jù)。

4.3 電能質量監(jiān)測任務

分布式電源不同于傳統(tǒng)的集中能源，它所產生的電能質量不佳。分布式能源產生的電能穩(wěn)定性差、會產生電壓波動和閃變、還會出現(xiàn)諧波、電壓偏差、頻率波動等問題。雙向計量與監(jiān)控一體化設備雖然不能把上述問題全部解決，但對于諧波還是有一定作用的。對諧波進行計量，則需采集定時電壓、瞬時電流值。利用操作系統(tǒng)設置一個周

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期采集100或200個樣本，設置每隔0.1或0.2ms進行一次采樣工作。此采樣程序設置為最優(yōu)先級，以使電網得到最快響應，來保護大電網的運行。

4.4 數(shù)據(jù)存儲任務

雙向計量與監(jiān)控一體化設備還包括數(shù)據(jù)存儲功能。數(shù)據(jù)存儲模塊實現(xiàn)設備的數(shù)據(jù)存儲及讀取操作。其中包括基本參數(shù)、電能質量信息以及用戶用電信息等。同時，數(shù)據(jù)存儲任務還可對設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。通過記錄設備設備的運行狀態(tài)，能效管理狀態(tài)信息，停送電事件發(fā)生時處理申請；信息網絡連接時，管理設備連接狀態(tài)，將不用的鏈接關閉以釋放資源來使設備更加順暢地運行等。另外，數(shù)據(jù)存儲任務還可以對分布式電源進行監(jiān)控，并反饋給上級電網。

5 結束語

隨著分布式電源大量接入電網，家庭微電網潮流存在雙向性，分布式電源電費補貼，分布式電源接入電網后電能質量不穩(wěn)定等因素導致傳統(tǒng)的電能計量裝置不再適用。雙向計量與監(jiān)控一體化設備可以較好地解決上述問題。進一步配合FreeRTOS 嵌入式操作系統(tǒng)對設備進行軟件設計，彌補傳統(tǒng)電能表的缺憾，實現(xiàn)雙向電能獨立計量、補貼電費計算、微電網電能質量監(jiān)測及信息通訊等功能。為分布式電源的推廣應用做了一個良好的助推，也為大電網的安全穩(wěn)定運行提供了有效保障。

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