分布式发电电能质量在线监测装置设计
2019-04-30张延迟李鹏飞宋悦琳
张 倩,张延迟,李鹏飞,宋悦琳
(上海电机学院电气学院,上海 闵行 200240)
0 引言
国民经济的发展越来越离不开电网安全可靠稳定地运行,电能质量的优劣直接和经济效益挂钩。但是,大功率、大电容、非线性和冲击性负载等电子设备的使用,造成了巨大的电能污染,极大范围地影响电能质量[1-2]。因此,对电能质量的监测和分析研究是非常重要。
目前,我国电能质量检测装置根据具体功能和对象主要分为3类。第1类,文献[3]介绍的手持式电能质量检测设备,以检测单相的信号为主,其设计特点是构造和功能都相对精简,能完成特定的测量任务,却不适应现在的市场;第2类,文献[4-5]提到的便携式电能质量检测设备,功能较多,精度较高,但是不能进行连续的监测,更适用于临时的研究和评估性的检测功能;第3类,文献[6-7]介绍的集中式电能质量检测设备,可以作为较大规模的电力系统同时多点测量,而且功能齐全,精度高,但是相对的价格也昂贵许多。在实际工程中用到的绝大多数的电能质量监测装置都或多或少存在一些问题:存储空间小、功能单一、不具备网络功能、成本高、不易大量安装在现场进行多点多位检测等。低成本和高性能成为了电能质量监测装置设计的主要方向[8-9],因此,为了顺应售电侧改革的趋势,狙击售电需求侧的用户市场,发明一种新型分布式发电电能质量监测装置是十分必要的。
1 售电侧改革的影响
目前,我国风力、光伏等新能源发电技术的大力发展,预估2018年底,全国发电装机容量将达19.0亿 kW,其中非化石能源发电7.6亿 kW,占总装机比重将上升至40%左右[10],而分布式能源接入电网的渗透率愈高,电网结构也愈加复杂多变,电能质量问题愈发严重。
随着售电侧改革的推进,售电公司的数量及参与市场交易的形式也在不断增加,分布式发电也可为一些用户提供一种自立的选择,使其更能适应易变的电力市场,而新型分布式发电电能质量在线监测装置的应用市场也可转移至售电新市场用户侧,用于监测用电端电能质量情况。但是,大量电力电子装置的使用、种类繁多的分布式电源的接入、运行模式的变化、微电源的运行控制方法和微电源之间的相互作用[11],都会带来一些新的电能质量问题,如谐波频率扩大、低电压穿越、电压暂降频次提高等,因此,电能质量监测装置的关键就是在于准确而及时地监测电网的异常。
2 电能检测参数
2.1 电压偏差计算
电压偏差用某点的实际电压有效值Ur与电网电压标称值(电网额定电压有效值)U之差相对于电网电压标称值的百分数表示,即
(1)
2.2 电压、电流有效值的计算
式中:Un表示电压的各点采样值;In表示电流的各点采样值。
2.3 各谐波含有率及总畸变率的算法分析
采样信号经快速傅氏变换(fast fourier trans-formation,FFT)得到各次谐波分量的实部ur(k)、虚部ui(k),然后计算各电气量[12]:
幅值
(4)
相角
θk=arctan[ui(k)/ur(k)]
(5)
谐波电压含有率
(6)
电压谐波总畸变率
(7)
电流谐波总畸变率
(8)
2.4 电压波动和闪动的监测计算
(1) 电压波动
(9)
式中:Umax,Umin为工频电压调幅波的相邻2个极值电压。
(2) 电压闪变的强度为
(10)
式中:∂f是电压调幅波中频率为f的正弦分量的视感度加权系数;ΔVf是电压调幅波中频率为f的正弦分量1 min均方根平均值,以额定电压的百分数表示。
2.5 三相电压不平衡计算
对交流采样后得到的数据进行数字处理得到三相对应的基波电压Ua、Ub、Uc,再根据对称分量法分别得到负序和正序的基波电压,因此三相电压不平衡度为
(11)
式中:U(0)是电压零序基波分量,U(0+)是电压正序基波分量。
3 电能质量在线监测装置功能
3.1 系统结构
本装置建立在ATT7022E和STM32F103ZE主控单元完成电能质量的数据采集和数据处理及通信(如图1所示),ATT7022E采集模块进行数据采集,STMF103ZE完成数据的处理、储存以及通信,通信功能包括控制器局域网通信(controller area network,CAN)、通用分组无线服务技术通信(general packet radio service,GPRS),或者配合具有串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)的网络芯片DM9051(QFN-32),就可以添加以太网功能,并且最后将数据传送至液晶屏显示。
图1 系统总体框图Fig.1 Overall block diagram of system
3.2 硬件设计
首先,电能采集模块主要芯片为ATT7022E,这是一款高进度三项专用计量芯片,集成6路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路;能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量,同时还能测量各项电压电流的有效值、功率因数、相角、频率等参数,充分满足三项复费率多功能电能表的需求;支持全数字域的增益、相位校正,有功、无功电能脉冲输出CF1、CF2提供瞬时有功、无功功率信息可以直接用于误差校正;提供1个SPI接口,方便与外部微控制单元(micro controller unit,MCU)之间进行数据交换。采集电路如图2—4所示。图2为ATT7022E外部基础电路,图3为电压采集模块电路原理图,图4为电流采集模块电路原理图,电压电流采集均包含a、b、c三相。
图2 ATT7022E外围电路原理图Fig.2 ATT7022E peripheral circuit schematic
图3 电压测量原理图Fig.3 Voltage measurement schematic
图4 电流测量原理图Fig.4 Current measurement schematic
图5 控制模块外围电路Fig.5 Control module peripheral circuit
控制模块主要采用STM32F103系列芯片,具有较高的信息处理性能,优于现在市场电能质量监测装置使用的大多数单片机。控制模块电路设计如图5所示,图5(a)为STM32F103外围基础电路,(b)为STM32F103增加的多个通信串口,以及连接平板显示模块的J1接口。
3.3 软件设计
整个系统主要分为3大部分,分别是数据采集、信号处理和显示,主程序流程图如图6所示,设计步骤如下。
(1) 开启采样功能(0XC0命令:通道选择加启动工作)。
(2) 等待采样数据完成。
(3) 设置用户读取指针的起始地址(通过0XC1命令),读取采样数据。
(4) 读数据进行预处理,然后在LCD显示屏显示。
图6 主程序流程图Fig.6 Main program flow chart
3.4 SD卡存储功能
装置中用4G容量的储存卡(secure digital,SD)来存储数据记录,快速便捷,结合时钟DS1307,以时间作为文件名进行储存,更有利于清楚明白地记录电压骤降、电流骤降、过压欠压等暂态事件,同时记录下来的时间信息也能为电能的计量提供了有力的依据[13]。增加SD卡存储功能,也是为了在不具备通信条件的现场或现场网络通信信号不佳时,作为备用方案,不至于导致数据信息丢失。
3.5 网络通信
3.5.1 CAN、GPRS通信
(1) CAN通信。
本装置的STMF103ZE通信模块可以通过CAN通信完成和上位机的通信功能,而与现场其他总线相比较,CAN通信具有突出的可靠性和灵活性。所以,我们采用CAN总线来构建分布式发电电能质量在线监测装置的通信网络,既能满足基本的通信要求,又能满足其科技化与网络化的发展需求。
(2) GPRS通信。
本电能质量在线监测装置可安装在各个分布式电网监测点,不仅能及时采集各电力参数,还可通过GPRS通信与控制中心交互信息,对现场临时发生的突发情况发送补救措施指令。
对于本装置面向的新电改市场的售电侧用户端,用于实时监测用户端电能质量的好坏,GPRS通信对比其他无线传输技术,可采用按流量计费,降低用户成本,也支持短信通群发系统(short message service,SMS)业务,可以作为备用方案,当通信故障时,可启动短信通道通信。
3.5.2 以太网通信
(1) CAN转换为以太网。
对于远程和跨区域通信监控,最好是将CAN通信转换成以太网来做数据集中传输,还可以避免重复布线和干扰问题。CANWIFI-200T就能将CAN通信转换成无线形式连接,接入以太网后可以由远程上位机接收数据,如图7所示,比较方便。
图7 以太网结构网络图Fig.7 Ethernet structure network diagram
(2) 以太网控制。
本装置使用的STM32F103ZE芯片,虽然不具备以太网接口,但是配合具有SPI接口的网络芯片DM9051(QFN-32),就可以添加以太网功能[14],并经实测网络传播速度速度可达290kb/s,网络连接稳定。
CAN、GPRS和以太网通信方式的优缺点及适用范围见表1。
表1 CAN、GPRS和以太网通信方式的比较Table 1 Comparison of three communication methods: CAN, GPRS and Ethernet
4 实验数据分析
经实验验证,分布式发电电能质量在线监测装置能精准测量各相电压、电流、有功功率、功率因数以及CF脉冲输出等,有功测量满足0.1、0.2 s,无功测量满足1级、2级。如表2所示,分布式发电电能质量在线监测装置的实际测量值,且基本能够达到预期技术指标。已知电表基准值为各相电压有效值为220 V,各相电流为2.5 A,各相有功功率为550 W,功率因数为1,无功功率为0 var。
表2 电能质量测量值Table 2 Power quality measurement
5 结语
本文设计了一个基于ATT7022E和STM32F103ZE芯片的分布式发电电能质量在线监测装置,该装置不仅可以采集基础的电能质量参数,还有利于解决分布式发电带来的一些例如谐波频率扩大、低电压穿越、电压暂降频次提高等新电能质量问题,并且开辟了一个新的应用市场,可广泛适用于新电改市场的售电侧用户端。STM32F103ZE芯片既可以实现电力数据的大规模传输、处理和储存,还可以采用CAN通信和GPRS通信,甚至可以搭配DM9051网络芯片添加以太网功能,强大通信功能。
分布式发电电能质量在线监测装置不仅克服了传统电能质量监测装置的实时性差、传输效率低、性价比低、存储受限、通信方式单一等问题,还突出了实时性高、采集容量大、传输效率高、体积小、造价低的、可多点多位测量的优点,具有广阔的市场前景。