分布式电源接入下双向计量与监控一体化设计构想

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摘 要：为保护地球资源，现在大力开发无污染可再生的新能源。在此背景下，大量分布式新能源电源接入电网。分布式电源接入电网后，家庭微电网潮流存在双向性，又有分布式电源发电补贴、余电上网、用电价格不同等因素，传统的电能计量装置已不能满足发展的需求。双向计量与监控一体化设备使用“单片机+计量芯片”以及其他通信接口等设备，搭载适合的操作系统对总体任务进行优化设置，较好地弥补了传统电能表的不足，实现双向计量、计算补贴、电网电能质量采集等任务。

关键词：分布式；双向计量；监控；一体化

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.05.230

0 引言

化石能源等传统能源，具有不可再生性，它们的日渐枯竭使得人们寻找新能源替代。在这种背景下，大量可再生新能源的开发利用提上日程，甚至已经开始应用。与传统能源不同，太阳能生物能、风能、小水电资源等可再生资源都是分布式存在的。国家大力推行新能源，倡导新能源发电。一方面，随着城镇化建设，电力客户的用电需求也在增加；另一方面，城镇化的建设实施同时也为分布式能源的大量、成规模地加入提供了有利的大环境。

1 分布式电源发展概况

1.1 分布式电源技术定义及分类

分布式发电（ Distributed Generation，DG） 技g一般主要包括发电容量为几十到几百 kW 的燃料电池、微型燃气轮机、风力发电技术、太阳能光伏发电技术等。这些技术依靠可再生新能源为主的小型发电设备实现，这些小型设备都就近分布在负荷附近。

1.2 分布式电源优缺点

分布式电源具有投资小、占地少及节能环保等诸多优点。但跟传统的集中能源相比，还是有弊端存在。人们将现代电能质量通常理解为 “ 导致用户电力设备不能正常工作的电压 、电流或频率偏差，造成用电设备故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问题 ”。稳态电能质量问题包括谐波、频率偏差、电压波动与闪变等；暂态电能质量问题主要包括电压凹陷、电压凸起、暂态震荡等，是电力系统发生故障机投切操作等伴随的暂时性现象。分布式电源接入电网，其输出功率具有随机性和波动性特征，并网后容易引起变压波形畸变、电压波动与闪变、三项不平衡、谐波等一系列问题，会严重影响电网的电能质量。

2 双向计量与监控一体化设备的需求

2.1 家庭微电网应用分析

对家庭微电网进行应用分析，本文是基于高级计量架构（AMI）的。高级计量架构包含以下几个部分：测数据管理系统（ MDMS） 、双向通信网络、智能电表和用户户内网络。

高级计量架构中的计量和智能监控功能由双向计量与监控一体化设备承担。设备包括：主站、智能设备、分布式电源、智能负载。一方面，从上级主站或微电网获得电价、调度信息等；另一方面通过RS-485、信息网络等方式对分布式电源及用电设备来进行监控。

2.2 家庭用户功能需求

家庭微电网的潮流方式与普通电网潮流方式不同，它是存在双向流动的。分布式电源发电补贴、余电上网、用电电价不同、家庭用电方式不同。传统的电能计量装置显然已经不能满足如此多样化的需求了。这就要求有一种可以双向计量且具有监控功能的设备来替代。

3 硬件方案

双向计量与监控一体化设备同时具备对电网的质量监测、可双向计量电能费用、可计量分布式电源的发电补贴、可体现用电能效等功能。设备采用MCU+计量芯片方案，主要组成部分为：双向计量、CAN总线、信息网络及RS-485模块。

3.1 双向计量模块

依照《 国家电网智能电表技术规范 》要求，双向计量应当实现的功能有：“组合/正向/反向有功总电能、组合/正向/反向各费率有功电能、正向/反向分相有功电能、正向/反向有功最大需量、 瞬时冻结功能、整点冻结功能、电压过压欠压事件记录、电流失流过流事件记录、瞬时电压电流功率的检测等功能。”经过综合考虑，采用ADE7878/7593 计量芯片为宜。

3.2 通信功能模块

为满足实际应用中不同的通信接口需求，设备集成信息网络、电力线载波、RS-485、CAN、红外借口等通信模块。例如：后期与其他能效管理设备通讯可使用CAN；远程抄表功能的实现可依靠红外通讯；信息网络可用于与其他分布式单元通讯，获得更多讯息。

4 软件设计及任务组成

设备要实现电能质量监测、双向独立计量电能电费、计量补贴、双向通信等功能。整个系统对实时性要求非常高，任务繁重，操作系统选取轻量级的，比如FreeRTOS。基于操作系统支持，可将设备的软件流程在不影响功能的情况下分解成几块主要任务。

4.1 总体任务设计

双向计量与监控一体化设备的任务涉及电网的电能质量监测、数据存储、双向电能计量、人机交互等方面。为保证电网质量监测的准确性，电网参数采集处理任务设置成最高优先级；双向计量任务也较为重要，设置为次优先级；通信任务在不同时段不同场合需要根据实际情况来设置级别；数据存储时间要求很短，设置为较低的优先级；能效管理任务对实时性要求不高，可设置级别为0。

4.2 电能双向计量任务

电能双向计量任务由线周期电能累计模式实现。在电能计量模式下，对计量芯片进行配置。设置为：LINECYC 寄存器中所设整数个半波周期的积分每次处理完毕，就会向主控芯片发出中断请求。主控芯片收到请求即读取电能寄存器的值及获取寄存器状态，及时判断有功的正反向；利用获取的信息进一步进行处理，为用户能效管理任务及微电网中央控制器提供有效数据。

4.3 电能质量监测任务

分布式电源不同于传统的集中能源，它所产生的电能质量不佳。分布式能源产生的电能稳定性差、会产生电压波动和闪变、还会出现谐波、电压偏差、频率波动等问题。双向计量与监控一体化设备虽然不能把上述问题全部解决，但对于谐波还是有一定作用的。对谐波进行计量，则需采集定时电压、瞬时电流值。利用操作系统设置一个周

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期采集100或200个样本，设置每隔0.1或0.2ms进行一次采样工作。此采样程序设置为最优先级，以使电网得到最快响应，来保护大电网的运行。

4.4 数据存储任务

双向计量与监控一体化设备还包括数据存储功能。数据存储模块实现设备的数据存储及读取操作。其中包括基本参数、电能质量信息以及用户用电信息等。同时，数据存储任务还可对设备的运行状态进行监控。通过记录设备设备的运行状态，能效管理状态信息，停送电事件发生时处理申请；信息网络连接时，管理设备连接状态，将不用的链接关闭以释放资源来使设备更加顺畅地运行等。另外，数据存储任务还可以对分布式电源进行监控，并反馈给上级电网。

5 结束语

随着分布式电源大量接入电网，家庭微电网潮流存在双向性，分布式电源电费补贴，分布式电源接入电网后电能质量不稳定等因素导致传统的电能计量装置不再适用。双向计量与监控一体化设备可以较好地解决上述问题。进一步配合FreeRTOS 嵌入式操作系统对设备进行软件设计，弥补传统电能表的缺憾，实现双向电能独立计量、补贴电费计算、微电网电能质量监测及信息通讯等功能。为分布式电源的推广应用做了一个良好的助推，也为大电网的安全稳定运行提供了有效保障。

参考文献：

[1]史哲.分布式电源接入双向计量与监控一体化终端设计[D].浙江大学，2015.

[2]陈继煌，陈明军.电子式电流互感器数据采集系统的研究[J]. 机电工程，2010，27（08）：81-83.

[3]国家电网公司.Q/GDW1354-2013 智能电表功能规范[S].北京：中国电力出版社，2013.