风光储一体化电站智能电能监测与计量系统

黄世回, 王汝钢, 杨忠亮

(1. 深圳普禄科智能检测设备有限公司，广东 深圳 518067；2. 深圳供电局有限公司，广东 深圳 518020)



风光储一体化电站智能电能监测与计量系统

黄世回1, 王汝钢1, 杨忠亮2

(1. 深圳普禄科智能检测设备有限公司，广东 深圳 518067；2. 深圳供电局有限公司，广东 深圳 518020)

摘要：针对新型绿色发电系统风光储一体化变电站对电能质量监测和电能转换计量的要求，设计了一种智能电能质量在线监测与计量系统。核心硬件采用了嵌入式模块化结构设计，嵌入式软件采用三层构架方式，以及多种通信方式和B/S架构的远程监控。通过将风光储一体化电站各发电线路实时电量统计和电能质量的谐波分析等结合起来，实现了不同类型电能转化的电量计量。该系统结构合理，安装简易，管理方便，满足风光储一体化电站对常规电能质量监测要求，可实现电能转换计量、绿色节能的评价等。

关键词：风光储；一体化电站；电能质量；谐波电量；储能；在线监测

我国在“十二五”规划以及“十三五”规划中，都明确提出重点大力发展风能、光能、储能、水能等“新型绿色能源”系统，为减轻或解决传统能源带来的日益严重的资源枯竭和环境问题。随着储能技术的发展，改善了风电，光电的输电电能质量，使得风力发电，光伏发电等新能源可实现一定规模并网运行[1-3]。用储能技术将风力发电、光伏发电统一结合在一起而构成的多元化电站系统称之为风光储一体化电站，目前的规模与传统电站比多数属于微电站系统。相比单一型的电站，风光储一体化电站具有风电、光电、蓄电池储电多种电源输电的互补优势，灵活控制发电模式，从而实现电能优化配置。

诸如环渤海、长三角、珠三角经济发达地区，随着社会经济跨越式发展，电力供应不足突显，用电高峰期拉闸限电，错峰用电等影响了许多中小型企业的发展。用电负荷的多样化促使对电能质量的指标不断提高和完善[4]。2012年开始在深圳由广东电机工程学会低压直流电源专业委员组织，多家单位联合建立了3 MWh的风光储一体化储能电站示范工程基地，一期已经试运行[3]。其中电能检测是一体化电站的重要环节，是及时发现和评价电能质量问题重要手段[5]，评价电站节能减排，实现电站智能化重要体现。针对这样新型复杂多元发电站系统，对电能的在线检测布局与功能实现提出新的要求与挑战。为此作为风光储一体化电站示范工程联合设计单位之一，设计了一套基于电能质量分析的在线智能监测与计量系统(以下简称“监测系统”)，为风光储一体化电站的电能质量、基于谐波分析电能计量、节能减排以及相关发电系统优化改造提供数据支持[6]。

1风光储一体化电站与电能智能监控系统

1.1风光储一体化电站简述

风光储一体化示范工程初步设计容量为3 MWh，可以实现孤岛运行和并网运行，为周边一定范围的中小企业或者职工、居民生活区的用户提供可靠的电力支持。风光储一体化电站的拓扑结构如图1所示。

PCS—双向变流器系统，power convert system的缩写。图1　风光储一体化电站结构

图1中的风光储一体化电站由以下6大单元组成。发电系统：包括风能、太阳能光伏绿色能源发电系统和辅助柴油发电系统；能量转换系统：包括逆变器系统、PCS等；蓄电池储能系统，包括多种材质的蓄电池组，如铅炭、锂电、胶体、铅酸等；配电系统：包括配电，自动切换设备等；输电系统：包括无功补偿，变压器，低压、高压开关设备等；智能电能监控系统，包括数据采集、计算存储、电量统计，智能检测控制等。

风光储一体化储能电站多种运行模式[7]，弥补了单独风电或者光电受天气环境影响造成的不稳定性和间歇性[8]，风光发电互补，多种蓄电池储能合理配置，改善电能质量，满足高科技敏感负荷对高电能质量的更高要求。推动新能源技术发展，是实现智能电网重要组织部分，缓解用电高峰期电能供应不足，减少停电、错峰用电给部分企业带来损失。提高能源的使用效率，达到节能减排，改善环境的效果。

1.2基于电能质量的智能监测系统结构

监测系统的组成示意图如图2所示。

图2　在线智能电能监控系统结构

图2中，检测系统分为现场监测部分和远程监控部分。现场监测部分：包括监测机组(包括电压，电流传感器)和通信路由设备；远程监控：包括数据库服务器、管理员主控PC机、局域网用户终端、以及以太网用户终端。风光储一体化电站的混合多元结构，决定了在线电能质量监测系统的系统线路结构。

在线监测信号采集点选在光伏、风能储能逆变器输出端，PCS双向换流器的交流端，电网进线端，柴油发电机系统输出端，以及一体化电站总输电端。每条路监测线路，安装一台主监测设备，进行电能质量电能计量等数据分析处理。远程数据通信采用Internet网络TCP/IP协议，主机设有IP地址，网线接入路由器，数据上传远程数据库服务器。管理员、其他用户组可以通过局域网联机，或者以太网，用浏览器查看相关数据。

2智能监测系统硬件软件设计

2.1核心电路模块化设计

电能质量分析需要处理很多复杂的算法，比如谐波简谐波分析算法、闪变的分析算法等，这些算法都十分复杂，运算量大，同时还有界面显示等任务。单核处理不能够满足这样的要求。基于这个特点，现场监测主机的核心硬件系统采用嵌入式“CPU(ARM)+ 数字信号处理(digital signal processing，DSP)”的双核主从架构技术。ARM作为主控芯片，DSP专门处理数据运算任务，作为从属处理器，通过HPI接口实现控制、数据、代码的通信传递。核心硬件结构框图如图3所示。

A/D—模数采样器，analog-to-digital的缩写。图3　监测主机核心硬件结构

图3中，电源模块为硬件系统供电。主控ARM芯片采用32位、最高主频72 MHz的LPC2478，片内512 kB高速缓存器(Flash)保证了系统在线编程( in system programming ，ISP)和应用编程(in application programming，IAP)代码存储。其具有较强的控制和通信功能。其主要功能就是实现：测量线路控制、自动档位切换等测量控制；LCD显示屏驱动；输入设备扫描；测量界面显示；接口与通信控制；部分数据的滤波平滑处理等；主控芯片与各单元之间通过HPI接口，实现控制信号、测试结果数据，程序代码等传递。

DSP芯片采用多总线结构，执行速率达100 MIPS的16位定点处理器TMS320C5402。该芯片具有40位的算术逻辑单元(arithmetic logic unit，ALU)，一个40位的专用加法器，17×17位并行乘法器。该DSP芯片具有高性能、功耗低等特点，主要完成采样信号数据复杂的电能质量分析算法等数据运算。单独外设的高速同步A/D采样器，采用14位的ADS8568芯片，其8 个低功耗具有真正两级输入的基于逐次求近的寄存器(successive approximation register，SAR)和模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)。8通道被分4对，能满足高达650 ksps同步高速信号采集。

配置的RS232通信接口方便配有该接口的设备与主机进行数据通信；USB接口一方面是通过U盘扩展数据的存储和下载，同时也是主机嵌入式程序载入、更新的通道。

2.2软件设计

现场主机嵌入式软件采用底层、中间层、应用层的3层构架，其结构如图4所示。

图4　主机嵌入式软件结构

底层主要包含双核的初始化，硬件设备的驱动程序，多任务的消息调度等；中间层主要包含各种接口程序，通信协议等；应用层主要包含人机界面程序，数据管理程序，设备参数管理，采样测量管理，DSP代码通信管理等。嵌入式程序代码均使用C语言编写。该3层构架简洁，逻辑合理，各层任务清晰，使得的整个软件系统代码具有很强的执行能力。

远程数据连接基于以太网传输，监控中心PC机软件采用B/S的模式，建立基于SQL-Sever的数据库服务器，使得相关管理员，技术用户能方便进行查询，管理与控制。监控数据可以用Excel报表，图形或者文本形式导出。B/S结构极为方便为管理员、终端用户提供后续软件在线维护和升级方式。

3风光储一体化电站电能检测系统功能设计

风光储一体化电站首先作为电力提供系统，必须保证输出的电能质量符合相关标准，达到改善电能质量作用，否则谐波、电压波动以及不平衡并网对电网均会产生影响[9-10]。同时，在错峰储能环节，电网对蓄电池组充电时，也要分析电网的电能质量，以及充电能计量，以达到统计节能节费的目的。因此，在线电能监测系统一方面对电站本身优化升级提供数据支持，同时担负着电站不同运行模式下的节能计量任务。

3.1电能质量分析功能

基本电能质量参数监测功能：

a) 三相三线、三相四线的电压、电流、频率，并记录其变化趋势。

b) 三相四线电系统的三相有功功率、视在功率、无功功率、功率因数等，并记录的变化趋势。

c) 三相电系统的电压及电流不平衡度，并记录其变化趋势。

d) 分析三相电压、电流的基波及2～50次谐波，及其总谐波失真，并记录其变化趋势。

e) 间谐波分析。

f) 电压骤升、骤降及电压的波动与闪变。

g) 瞬变事件，电流浪涌事件捕获。

3.2基于电能质量分析的电能计量

谐波污染是被公认的电力危害之一，无论是输电网本身带有谐波输出还是负载设备产生谐波注入电网，都会影响各种用电设备安全运行。在用电计费方面，分析谐波电能，有利于清晰合理的进行计价统计。电网输出的谐波电能，用户不应该承担付费。相反，对电网注入谐波污染，可以做谐波惩罚性收费。三相不平衡，无功功率因数也是客观的影响用电质量，对无功电量的计量也越来越受到重视。电力信号频域分析中，按照傅里叶分析，可表示为：

(1)

(2)

式(1)—(2)中：h为谐波次数，h=1为基波；N为所分析的谐波最高次数，工程中一般取N=50；Uh、Ih为各次电压电流谐波信号有效值；φh、 θh分别为各次电压电流的初始相位；f1为基波频率(工频50Hz)。

以含有谐波的信号有功功率为例，可表述为：

(3)

(4)

(5)

式(3)—(5)中：P为全波有功功率；P1为基波有功功率；PH为谐波总有功功率；Ph为各次谐波有功功率。

对应电量为：

(6)

式中：E为全波有功电量；E1为基波有功功率；EH谐波总电量；Eh为各次谐波电量。则式(3)—(5)可进一步写为

(7)

式中：t1为测量初始时刻；t2为测量结束时刻。

如果不求各次谐波的功率，只要求总谐波功率，可以计算全波功率，考虑到数字采样，信号已经离散化，则

(8)

式中：M为整倍周期采样点数；u(k)、i(k)分别采样的电压、电流离散值。

则谐波总功率

(9)

进而可以计算出总谐波电量EH。

风光储一体化电站中，各监测线路都是基于电能质量分析的电能计量。基于谐波分析的基波电量和谐波电量，以及基于功率分析的有功电量、无功电量、视在电量。按照发电、储电、用电的不同能量转换模式，以电流方向作为判据，风能、光伏发电、一体化电站输电、储能电池放电为“+”电量，电网低谷给储能电池充电用“-”电量。理清这些电量的分类，对节能减排的分析至关重要，同时也是该智能监测系统的最重要特点，传统的电能质量分析仪表和安装式电能表(也有谐波电能表)不具备如此详细的分析功能。

3.3远程监控分析功能

远程监控技术是在线监测系统和一体化电站智能化的重要体现之一。管理员可以在监控室掌握电站现场电能监测数据，使得工作更加高效，同时节约人工成本。

在线监测系统现场主机都配有IP地址，数据通信采用Internet网络TCP/IP协议，机组实时数据通过网卡发送，经由路由器，通过网线传输到固定服务器或者终端PC机。管理员、用户终端PC机安装有分析软件。可以通过局域网或者互联网访问服务器，运行终端软件统计分析电能质量各方面信息，诸如谐波的超标与报警、电压异常的分析与报警、电压电流、功率趋势，以及节能减排的计量分析等。管理员可以通过终端发控制命令，让现场主机做各项功能任务的切换操作。节能减排节费换算方式如下。

a) 风能发电，光伏发电节能减排分析。

月总发电量为E( kWh)，换算成节约标准煤炭的质量为G(kg)，则

式中k=0.4kg/kWh。

换算成减排的二氧化碳质量

式中k1=2.493。

b) 削峰填谷节约计价分析。

储能蓄电池削峰填谷节约电价

式中：x1为峰谷电价；x2为低估电价；Ec为低谷储能电量。

4结束语

目前，随着风光储一体化电站的初步验收，在线监测系统也随之投入运行。示范工程初期的设备都是多家单位联合提供，逆变器、PCS都是单独控制，因此后续工作中各设备在相互协调运作、实现统一标准配置和控制的空间还很大，能实现监控系统数据来源直接从各设备读取，各设备发电、储能运行的模式控制，无功、谐波控制，由监控系统统一调度，使得在线监测系统更加智能化，控制功能更加完善饱满；在系统的通信模式方面也可以采用无线，WIFI等模式，通过云服务器技术，传输管理数据，轻松在Android手持设备上浏览监测数据。

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Intelligent Electric Energy Monitoring and Metering System for Wind-PV-ES Integrated Power Station

HUANG Shihui1, WANG Rugang1, YANG Zhongliang2

(1. Shenzhen Pluke Intelligent Test Equipment Co., Ltd., Shenzhen, Guangdong 518067, China; 2. Shenzhen Power Supply Bureau Co., Ltd., Shenzhen, Guangdong 518020, China)

Abstract：In allusion to requirement of new typed green power generation system named Wind-PV-ES integrated power station for electric energy quality monitoring and electric energy conversion metering, a kind of online monitoring and metering system for intelligent electric energy quality is designed. The core hardware adopts embedded modular structural design and the embedded software adopts three-layer framework, multiple communication modes and B/S architecture remote monitoring. By combining real-time electric quantity statistics of power generation lines in Wind-PV-ES integrated power station and harmonic analysis on electric energy quality, it is able to realize electric energy metering for different typed electric energy conversion. This system has reasonable structure and is easy to be installed and convenient to be managed which can meet monitoring requirement for conventional electric energy quality for Wind-PV-ES integrated power station and realize electric energy conversion metering, evaluation on green energy saving, and so on.

Key words：Wind-photovoltaic-energy storage; integrated power station; electric energy quality; harmonic electric quantity; energy storage; online monitoring

收稿日期：2016-02-24修回日期：2016-04-13

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.017

中图分类号：TM932；TM764.1

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)06-0093-05

作者简介：

黄世回(1982)，男，安徽六安人。工程师，工学硕士，从事电能质量、电池能源管理、信号处理、智能控制、检测仪器算法等研究。

王汝钢(1964)，男，山东聊城人。高级工程师，工学硕士，从事蓄电池管理、智能检测仪表技术开发以及管理工作。

杨忠亮(1962)，男，上海人。高级工程师，工程硕士，从事变电站交直流电源研究和应用工作。

(编辑王朋)