智能微电网监控系统

黄业川 龙有炼 李培锋 黄 辉

（五邑大学信息工程学院，广东 江门 529020）

随着电网规模不断扩大，传统的配电网络格局开始显现出它的弊端，人们开始提出配电网的网格化布局。于此同时，新能源技术以及分布式发电技术的发展使得他们的结合产物：微电网技术开始进入人们的视线。微电网技术是一项十分契合配电网网格化布局的技术，它拥有独立的电能来源，能够供应用户在大电网出现故障时的孤岛运行需求，也能在发电盈余时向大电网送电，减轻大电网供电压力[1-2]。

本文设计了一种智能微电网控制系统，可以对用户身边的清洁能源如风能、太阳能进行收集，产出电能供用户使用，并可在发电盈余时对大电网进行送电。同时，对系统内各个关键节点电压、电流、有功、无功数据进行收集，反馈给用户电能质量信息，并在用户端提供了三相负载功率自平衡功能，可以更好地为用户提升电能质量。

1 微电网控制系统整体实现布局

本控制系统整体实现布局如图 1所示，风力发电机与光伏太阳能板发出的电能输送至配电柜中，汇集至12V直流母线，一端连接蓄电池与直流负载，另一端经逆变器升压逆变后，可实现与大电网的并网连接，向大电网输送电能；当大电网故障时，系统可依靠微电源（蓄电池、风机和光伏板）发电支持系统脱离主网孤岛运行；系统在用户端根据优先级不同设置有一、二、三级负载，根据对电池剩余电量的检测，智能切除次要负载，保证重要负载的供电；另外，系统在用户端各个相线均设置有电流电压监测点，可根据计算出的三相负载功率不平衡度进行智能调度，提升电能质量[3]。

图1 微电网控制系统整体实现布局

2 系统控制功能的设计与实现

根据系统设计的需求，可以将系统整体分为电量测量部分、核心控制器，现场指示和上位机监控四部分。由电量测量部分检测系统各路电源输入的电压电流数据，然后将所获得的数据传送到核心控制器，控制器将获得的数据进行处理和比较后对相应的部分进行动作，并通过现场的指示灯作为状态指示，上位机读取核心控制的数据作为监控所用，同时上位机配置输入设备能对系统的各部分进行实时的控制。其具体模型结构如图2所示，下面对各个功能模块的设计进行说明。

图2 系统模型结构图

2.1 电压电流采样与处理模块

在本系统中，对电压和电流的测量，选用了美国Cirrus Logic公司最新推出的CS5460A芯片。该芯片包含两个累加式 AD转换器用于测量电量数据；具有高速电能计算功能；还有一个串行接口用于数据读写。是一款高度集成的电能有效值转换芯片。本次设计该芯片用测量电流和电压的有效值（IRMS和VRMS），并用单片机通过串口功能读出数据，其测量电路图如图3所示。

图3 CS5460A电压电流测量模块

2.2 无线通信功能的实现

在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

基于485通信的良好性能，系统芯片与上位机之间的通信采用485通信，系统芯片将采集回来的数据进行处理，通过485总线将电能数据传输到上位机上，在远方对线路断路器执行相应的开合控制并实现实时数据监控，将电能数据反馈给用户。另外，利用手机搭建 Android系统手持移动终端，实现并网发电数据和负载用电数据的随时查看，实现框图如图4所示。

图4 微电网信息体系与通信

2.3 风力发电机和光伏板并网运行模块

风力发电机和太阳能电池优先给蓄电池充电，当蓄电池充满后，断开发电机与电池的连接，发电机可以逆变并网。而当主网发生故障断开时，先由发电机继续逆变供电，当无风无阳光是断开发电机与微电网的连接，由蓄电池逆变供电。在重负荷的时候还可以同时逆变供电，如图5所示。

图5 风机与太阳能电池并网结构图

另外，并网逆变器是并网发电系统的核心部分，并网逆变器系统由功率主电路、控制器、驱动电路、检测电路等组成。其中，功率主电路采用DC/DC，DC/AC两级结构，其中 DC/DC电路采用 Boost升压变换器，DC/AC电路采用 SPWM驱动的单相全桥电路。控制环节一方面控制DC/DC环节，以实现光伏电池的最大功率点跟踪，另一方面控制DC/AC环节，以使直流母线电压稳定，并将电能转化为220V/50Hz正弦交流电。系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频同相。逆变器并网时．要求其输出电流与电网电压同频同相。控制框图如图6所示。

图6 并网逆变器控制电路框图

2.4 三相负载功率自平衡模块

低压电网的三相平衡一直就是困扰供电单位的主要问题之一，低压电网大多是经10/0.4kV变压器降压后，以三相四线制向用户供电，是三相生产用电与单相负载混合用电的供电网络[4]。

但在实际运行中，由于单相用户的不可控增容、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时性等都造成了三相负载的不平衡。低压电网若在三相负荷不平衡度较大情况下运行，将会极大影响电能质量，给低压电网与电气设备造成不良影响。因此，用户端的三相功率自平衡功能也是智能微电网最希望解决的关键问题。系统根据对各相点电流电压的监控，得到从CS5460A电压电流检测模块送回来的的数据，计算三相负载的不平衡度，对功率调节进行计算，得出最优调度方案，再对部分负载进行相间转移，实现三相功率的自平衡。

3 软件系统设计

本设备的软件系统主要包括上位机及手持移动终端机两部分。采用模块化的设计方法，以减少软件设计的工作量，缩短系统开发周期。

上位机的在线监控功能设计

图7 系统上位机PC端界面图

本系统的上位机系统采用 Qt软件进行监控界面的设计，如图7所示。该软件由于可在Windows内核与Linux内核中运行，可支持我们将编写好的软件安装到 PC端和手持嵌入式移动设备。同时，对控制面板元素进行了相关设计，支持系统远程对微电网各部分进行接入和切除。另外，上位机终端将会实时接收下位机中发送过来的电压、电流、有功无功等数据进行曲线描绘，同步显示实时曲线，方便用户进行电能质量的查询。

4 综合调试及运行效果

4.1 软件测试情况

实际运行中，通过电压互感器和电流互感器测量主网输入的电压，在供电稳定的情况下微电网的电能由主网提供，因为充电后的蓄电池是一个有稳定输出的电源，这时候风力发电机和太阳能光伏发电输出的电能给蓄电池充电。当主网电压发生偏差或供电出现异常时系统能马上将主网接入线路切断，在切断的同时风力发电和太阳能光伏发电的逆变供电接入微电网中，而逆变电源均由蓄电池提供，微电网形成孤岛独立运行，由风力发电和太阳能光伏发电提供电能。

实时曲线能够形象反映出测量数据在一定时间能的变化趋势，让监控人员在及时掌控系统的运行情况。而历史数据的翻阅查询功能则能够为后期的控制优化（如负荷的分配、设备的容量升级等）提供相应的数据参考。在本次的设计中，实时数据检测显示和历史数据查询方面，本系统都表现出了很好的效果。对于主网输入的电压电流有效值能够实时地显示并通过上位机的运算绘制曲线，在实时的曲线中我们能够明显地看出电压的波动情况。其中系统的实时曲线如图8所示[5]。

图8 系统数据实时曲线

4.2 实际运行结果分析

如图1所示的整个系统架设完毕后，对系统运行进行了相关测试及数据记录，通过上位机软件生成了历史数据报表，从表中可以看出，系统输入电压在国家标准范围内稳定浮动，电压质量良好。在日常用电负荷中，负荷种类繁多，如果所带负荷属于工业中电压敏感设备，那么当电压出现波动时将对设备的正常稳定运行造成很大的影响甚至损害设备，造成大量不合格产品。另外，本系统的实时曲线能够给该类设备的安全正常运行提供实时的参考，通过输入电压曲线和实际负荷经过稳压设备稳压后的电压曲线的实时对比，根据两根曲线的偏离程度就能掌握该类电压敏感负荷设备当前的安全运行情况，这对实际的使用都有非常大的帮助。

5 结论

本设计无论是从单个模块还是整体功能都能比较好地实现，针对目前微电网技术发展当中的几个问题如三相负载功率平衡、微电网并网及孤岛运行等问题都能得出比较好的解决方法。利用基于STM32F103C8T6芯片的单片机，自主设计程序，成功取代成本高昂的PLC控制设备，更加有利于产品的推广；利用Qt设计的上位机界面嵌入到PC计算机或者手持移动设备极大地方便使用人员对微电网系统的查询和管理。

[1] 张峰, 曾鸣. 我国集中供电和分布式供电技术及其整体协调规划问题研究[J]. 中国电力教育, 2005(S2):94-97.

[2] Lasseter B. Microgrids [distributed power generation]:Power Engineering Society Winter Meeting, 2001.IEEE, 2001[C].

[3] 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.

[4] 郑漳华, 艾芊. 微电网的研究现状及在我国的应用前景[J]. 电网技术, 2008, 32(16): 27-31, 58.

[5] Stevens J. Development of sources and a testbed for CERTS microgrid testing[C]//Power Engineering Society General Meeting, 2004. IEEE. NJ, USA, 2004:2032-2033 Vol.2.