风光互补微电网智能测控终端的设计

吕继伟，向 驰，付永长，周振华，宋春亮

（国网电力科学研究院，北京 102200）

坚强智能电网的提出，使得新能源发电领域的研究达到了空前的高度，而供电可靠性的极大提升，在一定程度上也依赖于可逆变的新能源电源，其中风、光能源以其清洁和高效的优势，占据了配电网分布式供电电源的重要地位。但是风、光单独供电模式运行有其弊端，最终反映在供电上就是电量供应不稳定，受风、光资源影响很大。因此，考虑采用风光互补的形式来提高资源的利用率，并且通过蓄电池来存储电能，从而达到稳定供电。由于每天的发电量受天气的影响较大，导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，降低了蓄电池组的使用寿命。目前，整个微网系统各单元运行相对分散，缺乏集中采集控制终端对系统运行进行监测和控制。因此，考虑设计一种测控终端能够协调控制整个微网的运行状态，对蓄电池进行状态监测和充放电管理，同时又能够实时监测微网系统各单元运行情况以及客户负荷。测控终端可以将集中采集的数据，通过通信网络远传至监控中心，供主站调度和控制之用，同时配置保护模块后，可以完成微网内部故障诊断与切除［1－3］。

1 小型风光互补微网系统

智能微网主要由可逆变型分布式电源、并网逆变器、储能系统、智能测控终端以及客户负荷等组成，其系统集成框图如图1所示。

图1 智能微网典型系统集成框图

测控终端是整个微网的集中控制中枢和数据中心，是微网与主站系统、系统电网相联的关键通道。测控终端实时监测微网系统各部分运行状态，集中采集分布式电源、逆变器、储能系统以及客户负荷的实时数据，并能够将数据及时由通信网络发送至监控中心，作为调度控制的依据。

测控终端能有效对蓄电池进行充放电管理。设计采用的储能控制策略是基于短期负荷预测的微网储能系统主动控制策略，并采用恒功率充电控制方式对蓄电池进行充放电管理。测控终端根据采集到的历史运行数据，对负荷曲线以及对风机和光伏的出力进行预测，将这些随机性较强的分布式电源的功率波动和传统负荷的功率波动综合在一起考虑。根据预测情况生成储能系统充放电指令，由测控终端根据蓄电池特性，在确定的充放电区间内完成相应的能量管理［4］。

2 微网智能测控终端硬件设计

测控终端的硬件电路，主要由DSP核心、ADC数据采集模数转换电路、开入开出控制电路、通信电路以及LCD显示电路等组成。

2.1 主控芯片电路设计

基于微网多单元数据采集和保护控制的需求，采用高精度Blackfin32位处理器ADSP－BF518芯片作为测控终端的控制核心。该芯片具有强大的数据处理能力，片内集成两个16位的乘法器、两个40位的累加器，运算频率为400MHz。另外，该芯片具有丰富的外设接口，包括32位定时器，全双工异步串行端口，UART通信接口，CAN通信接口，SPI接口等。

2.2 数据采集电路设计［5］

测控终端要对大电网和微网各单元运行状况实时监测，并将采集到的数据上传到监控中心。监控数据主要包括系统电网的电压、电流、功率和频率；逆变器的输出电压、电流和功率，并记录每日电网交流输入电量、直流侧逆变电量、客户每日耗电量、每日电池放电量，以及逆变器辅助触点状态；光伏板输出的电压、电流、功率以及记录每日的总发电量；风机输出的电压、电流、功率以及记录每日的总发电量；蓄电池的电压、电流、功率、温度以及记录其运行时间、每日的充放电量和总的充放电安时数。另外，采集的数据还包括重要负荷的电压、电流、功率以及每日消耗的电量。

工频交流数据采集通过电压、电流互感器将一次侧的电压、电流信号变换成芯片可接受的二次信号，经过信号调整电路输入采样芯片ADC进行模数转换，转换后给DSP处理判断。对于风机和光伏板输出的电压、电流数据的采集，使用霍尔电流、电压传感器实现，霍尔传感器可以对后端采集电路起到隔离和保护的作用。

本设计所选用的ADC芯片为亚德诺半导体技术公司的AD7606。AD7606为16位同步采样模数转换数据采集芯片，采用单电源5V供电，支持±10V或±5V的双极性信号输入。所有的通道均以200kbps的速率进行采样，同时输入端箝位保护电路可以承受±16.5V的电压。AD7606可以直接接收二次互感器输出的信号，无需再经过运放缓冲。AD7606具有8路采样通道，便于实现智能化电力设备中的多路电流和电压的采集测量和监控，对于测控终端的多数据监测，可以配置多片AD7606来实现，本设计采用两片AD7606。为了提高绝对精度，设计采用高初始精度和低温度系数的外部基准，来消除不同器件内置基准之间的差异而带来的误差。本设计选用初始精度为0.04%，温度系数为3×10－6／℃的ADR421B。

2.3 开关状态信息输入电路

测控终端通过开入量电路可以监测多路外部开关的状态，包括开关位置信息、故障告警等状态量。设计采用IC－TLP181高速光耦芯片，用以对DSP芯片进行隔离，防止外部冲击电流对芯片造成损害。当开关位置信息发生变化或出现故障时，触点的电位变化会导致开入电路向控制器发送变位脉冲，即开入量“输入”电平状态从高变到低，使光耦中的发光二极管导通，产生的光信号会导通光电三极管，“三极管”输出电平由高变低，产生一次遥信变位，通过DSP控制芯片外部捕获中断，判断是哪个管脚对应的信息量发生了变化，同时通过通信电路向主站发送相应报文。

2.4 保护控制输出电路

保护控制输出电路，即开出电路是实现测控终端对蓄电池充放电管理，保护控制、逆变器运行方式控制以及远程遥控功能的基础。数据采样信息通过DSP进行分析判断后，根据预测日负荷情况，对蓄电池下达充放电指令，由开出电路控制开关完成相应操作；检测微网内部各单元运行是否正常，若出现故障，则立即向开关发出分闸脉冲，切掉相应的运行单元；若是电网侧发生故障，开出电路应根据控制中心下发的命令，改变逆变器的运行方式，并对负荷运行的情况进行控制调整。

本设计采用以继电器接点输出的开关量控制回路。DSP输出的控制信号和继电器控制回路同样采用光耦隔离，保证其安全性。DSP发出低电平脉冲，点亮发光二极管，从而使三极管导通，接通继电器动作线圈，继电器动作，完成相应分合闸操作。

2.5 CAN总线电路

测控终端与微网内其他运行单元通过CAN总线组网并连接，可以对风光互补控制器、蓄电池、逆变器控制器进行协调控制和保护。由CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，容易构成冗余结构，可以有效提高系统的可靠性和灵活性。CAN总线采用双线串行通信方式，传输距离较远，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作，传输速度可以达到1M／s。由CAN总线组成的网络，没有主从之分，各节点之间可以实现任意通信，而且网络内的节点个数在理论上不受限制。CAN总线组网中采用CTM8251T芯片，主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC2.5kV的隔离功能，还具有TVS管防总线过压。

2.6 通信电路

本设计为测控终端配置RS－232通信口，具备应答数据召唤及遥信变位后的数据主动上传功能。传输规约采用IEC 870－5－101《基本远动任务的配套标准》（1995年）。另外，考虑到现场情况复杂性以及传输距离、速度等要求，本设计还增加了RS－485通信口，通信协议采用 MODBUS协议。 其 中，RS－232 通 信 电 路 采 用 了 ICSP3232EEN芯片，内部数据收发端通过高速光耦进行电气隔离；RS－485通信电路采用了ICSP485EEN芯片。通过 RS－232或 RS－485配置GPRS模块，对采集数据进行远传以及组网。另外，结合具体模块配置相应的电平转换电路。

3 软件功能设计和总体程序流程

3.1 主要软件功能

1）微网数据采集功能 智能测控终端能够采集微网各单元运行数据，包括风机、光伏板、逆变器、蓄电池以及负荷的运行数据，这些数据作为监控中心对微网进行系统调节控制的依据。

2）蓄电池充放电管理功能 终端通过采集历史数据形成负荷预测，并在日负荷曲线和日平均负荷的基础之上，根据蓄电池组容量和负荷的峰谷时间段，结合蓄电池充放电特性曲线，确定1个或多个充放电区间，测控终端进行有效控制蓄电池的状态，避免蓄电池频繁充放电或过度充放电，以延长蓄电池使用寿命，起到保护蓄电池的作用。同时，在峰谷时间段充放电，可以有效起到削峰填谷的作用。

3）通信联网功能 微网内部由CAN总线连成局域网，便于命令转发和协调控制。能够将接收到的主站命令通过CAN总线下发给相应的运行单元。可以根据主站总召唤命令读取相应数据，或者按照预先设定的时间，定时通过GPRS无线网络，将数据传输给监控中心，监控主站可以随时查看现场实时运行数据，实现“三遥”功能。

4）保护控制功能 对于微网系统内部发生故障，测控终端能够识别故障单元，并主动切除，同时上传告警信息。对于系统电网故障，及时上传数据信息，提供给监控中心作为决策依据。

5）负荷监测与控制功能 微网系统并网正常运行时，测控终端实时监测负荷情况，记录日负荷信息，预测日负荷情况。当微网系统转入孤岛运行状态时，测控终端能够根据负荷需要，切掉不重要负荷，专供重要负荷。

3.2 总体程序流程

测控终端需要采集和转发的数据较多，在初始化流程里配置了DSP芯片相应的数据端口和控制端口。为了便于测控终端程序的更新和调试，调高其系统的兼容性，整个软件主流程采用功能模块化设计，包括数据采集计算模块、数据转发通信模块、保护控制模块、储能管理控制模块等。各模块间设计相应的调用接口，从而进一步提高程序的扩展性。

为保证程序运行的稳定性，考虑了运行单元采集数据的有效性和顺序性，针对不同运行单元数据的特点，有效设置采样精度和间隔。在数据转发通信流程里，既可以根据主站召唤数据类，设定数据上传优先级；也可以按照既定规约，顺序上传，同时配合数据采样间隔，定时转发。保护控制模块中，对于监测单元的重要数据异常能够立即请求DSP中断响应，及时向主站告警故障信息。另外，为保证采集数据的安全性，需设定微电网内部数据通信规约并采用硬件加密方式来实现。

图2 主程序流程

微网智能测控终端主程序是整个软件设计的核心，其流程图如图2所示。

由图2可知，微网智能测控终端主程序有两部分组成。

1）初始化 系统上电后由主函数main进入初始化程序。初始化的内容包括：DSP端口属性及传输方向设置；芯片上外设Timer、UART、SPORTs、CAN等进行相应功能的设置；从外部EEPROM载入系统的控制参数以及对变量进行初始化；外部采样芯片AD7606初始化等。

2）主循环 实现测控终端的模块化功能，包括微电网运行数据采集模块，如图3所示。

图3 数据采集流程

测控终端按照程序设定顺序和采样间隔对各运行单元进行数据循环采集；蓄电池充放电管理模块，如图4所示的基于负荷预测的蓄电池充放电管理控制流程；故障检测与保护控制模块和通信转发模块等。

图4 蓄电池管控流程

4 结语

目前，微网智能测控终端主要应用于木兰围场微网示范工程与广西涠洲岛智能微网项目中，现场运行数据如表1所示。

表1 风光互补微电网储能管控汇总

测控终端在测试阶段运行良好，“三遥”功能正常，各单元数据能够准确采集并及时上传，通过智能测控终端可以对蓄电池进行合理的充放电管理。采用基于短期负荷预测的控制算法，可以根据需要合理控制充放电次数，延长蓄电池的使用寿命，提高经济性，对微网起到削峰填谷的作用，提高负荷利用率。采用恒功率充电方法，控制相对简单，较容易实现。若进一步提高负荷利用率，可以采用较为复杂的功率差控制方法［5］。

智能测控终端对于微网的数据采集管理和集中控制有着非常重要的作用，可以有效提高上网电能运行质量。因此，智能微网测控终端具有一定的工程实践价值。

［1］鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述［J］.电力系统自动化，2007，31（19）：100－107.

［2］苏玲，张建华，王利，等.微电网相关问题及技术研究［J］.电力系统保护与控制，2010，38（19）：235－238.

［3］刘文，杨慧霞，祝斌.微电网关键技术研究综述［J］.电力系统保护与控制，2012，40（14）：152－155.

［4］于克冰，孙建军.新一代16位8通道同步采样模数转换芯片AD7606在智能电网中的应用［J］.电子产品世界，2010（10）：63－65.

［5］陈益哲，张步涵，王江虹，等.基于短期负荷预测的微网储能系统主动控制策略［J］.电网技术，2011，35（8）：35－40.