基于铁塔基站的微电网系统控制器设计

周 亮，周国平

(南京林业大学信息科学技术学院，江苏南京 210037)

0 引言

随着新能源在国内的大规模开发和利用，分布式发电及其微电网技术已经成为解决偏远地区供电问题的重要技术手段[1]。铁塔基站遍布各地，电力供应的安全可靠性、经济性、能耗的精细化管理以及随之而来的运维问题等将是铁塔基站面临的紧迫任务。大部分铁塔基站处于供电的末端且具备建设光伏发电和小型风力发电的条件，其内部的供电、输电、用电存在于一个相对独立的区域，为基站微电网的构建创造了条件。

以基站微电网为代表的小型微电网具有规模小、发用电设备种类多的特点。若微电网控制系统中使用单独的计量表，各路负载开关由人工控制或分散到各个单独的控制器中控制，将导致微电网测控效率低，使用成本高，安全性稳定性较低。

鉴于上述问题，本文为铁塔基站构建了一个智能微电网系统，并研制了满足该小型微电网源、网、荷协调控制要求的微电网系统控制器，将控制集成到一起，实现电量的实时采集，源、网、荷的接入与切除的自动运行及远程调度。

1 基站微电网的构建

基站微电网系统包括风机、光伏和柴油机等微电源，交直流负载，储能装置，控制系统以及监控和保护装置等。微电网公共母线通过重合闸开关在PCC点与配电网进行连接。

1.1 基站微电网系统的结构与组成

基站微电网系统拓扑图如图1所示。风机和光伏组件经过逆变器和可控开关接入交流母线。柴油发电机和储能系统的输出端通过可控开关接到交流母线中。交流母线通过自动重合闸开关与电网连接。储能系统充电时作为负载使用，所以储能系统的输入端应接到负载侧。负载侧接三大通讯运营商的基站，以及基站的监控设备与照明路灯，提供广告、插座的电力供应，并为将来基站可能扩展的功能提供电能供应。

图1 基站微电网系统拓扑图

1.2 微电网系统控制策略

基站微电网灵活的运行和高质量的供电服务离不开完善稳定的控制系统[2-4]。控制系统要实现的主要功能为电能计量与电能调度。电能计量分为交流计量与直流计量，由电能计量芯片完成；电能调度涉及源、网、荷以及存储等各发电用电单元协调调度控制，调度过程与控制方法较复杂。

根据微电网与电网的连接状态，将微电网运行分为两种模式：基站微电网与电网连接，称为并网状态。电网供电中断或发生故障时，自动隔离市电，称为离网状态。

当外部电网正常运行时，基站微电网接入大电网，微电网系统运行于并网模式。并网运行时，微电源、储能以及电网的实时调度策略如图2所示。

图2 并网控制策略

(1)微电源输出有功功率大于等于负载所需时，若储能系统满电，则储能系统不充不放，微电网向负载供电，余电送入电网；若储能系统不满，则余电优先给储能系统充电。

(2)微电源输出有功功率小于负载所需时，设置储能系统最低电量和平衡电量，若储能系统电量少于最低电量，则电网向储能系统充电，并向微电网中送电；当储能系统电量超过平衡电量时，储能系统放电，电网向微电网中送电。

当外部电网发生故障或停电时，基站微电网系统由并网模式转入离网模式。离网运行时，微电源、储能以及电网的实时调度策略如图3所示。

图3 离网控制策略

(1)微电源输出有功功率大于等于负载所需时，若储能系统满电，则储能系统不充不放，微电网切除多余微电源且不允许新的微电源接入微电网；若储能系统不满，则余电优先给储能系统充电。

(2)微电源输出有功功率小于负载所需时，设置储能系统最低电量，若储能系统电量少于最低电量，则启动柴油机发电机向微电网中送电。

(3)当出现柴油储备不足且储能余量不足时，由微电网控制系统快速切除部分优先级低的负载，从而保障微电网系统对于优先级高的重要负载的持续、可靠的电力供给。

当微电网系统由并网模式转换为离网模式时，由于光伏、风机有功输出的不确定性，所以选择储能系统作为切换时的主电源。微电网控制系统发出断开重合闸开关的指令。此时储能系统作为微电网系统主电源，支撑微电网系统电压、频率稳定。

2 基站微电网控制器设计

本控制器以MK64FN1M0VLQ12控制器为核心，ATT7022E和ATT7053C分别作为交、直流计量芯片，用于计量光伏、风力发电量和交直流负载用电量。开入电路利用控制器感应辅助触点的位置状况，从而确定断路器的开关状态；开出电路通过控制断路器的电操，实现控制微电网中负载的接入和切除；RS485用于与光伏逆变器、重合闸开关及其他微电网控制器通讯，实现对微电源和重合闸开关的控制。上位机通过RS485或以太网获取微电网系统运行状态，并下达控制指令。控制器设计框图如图4所示。

图4 控制器设计框图

2.1 控制器硬件设计

2.1.1 交直流计量电路

交流电能计量采用专用计量芯片ATT7022E，通过交流调理电路将220 V交流电转换为小电压和小电流接入到ATT7022E中。交流电压调理电路见图5，电路采用了电阻分压采样的方法，电流和电压经过电阻分压电路，变换成小电流，再通过精密电流互感器，实现电压采样与计量芯片的电气隔离。

图5 交流电压调理电路

由于直流电压与直流电流中往往也存在着较多的交流与谐波分量，因此直流计量与交流计量一样，必须要考虑多种多样复杂的电网情况[5]。

直流电能计量采用单相计量芯片ATT7053C，本设计是用于调理直流电压和电流的兼容电路，如图6所示。当采样电路用于电流计量时，焊接R1，R1两端的电压再通过R2、R3、R4分压，最终R4两端的电压作为采样信号送入计量芯片中；当调理电路用于直流电压计量时，不用焊接R1。R2、R3和R4用于电压分压，R4两端的电压作为采样信号送入计量芯片中。R7和R8采用小电阻，用于在计量芯片前端，起保护和隔离的作用。

图6 直流电压和电流兼容调理电路

2.1.2 相频检测电路

目前，微电网控制领域的研究中，较多集中在并网逆变器的控制[1]。大型并网逆变器成本高昂，控制复杂且运行维护要求高，而基站微电网规模小、数量多。因此在基站微电网实际项目应用中，使用的逆变器均为小型逆变器。小型逆变器生产设计成熟，对电网冲击小且控制简单，使用RS485即可对逆变器进行输出功率及相位的控制。

当微电网系统由离网模式转换为并网模式时，采用检同期合闸模式。由微电网系统实时监测逆变器与电网之间的相位差达到同相位的时刻，下达闭合重合闸开关的指令，从而实现微电网系统由离网模式向并网模式的平滑转换。

图7为相频检测电路，将调理后的电压V1电平移位后得到一个直流正弦波，再接入到比较电路后得到直流方波，将方波接入到单稳态触发器中，通过记录不同电源的相位时间，即可计算出相位差，从而判断合闸时机。

图7 相频检测电路

2.2 控制器软件设计

MQX是由Freescale维护的嵌入式实时操作系统，具有实时性高、内核精简、架构清晰、应用范围广等特点[6]。将MQX实时操作系统植入到K64芯片内，实现多任务的自由调度，提高了系统实时性[7]。

控制器软件设计采用“多任务+中断”编程设计思路[8]，根据基站微电网控制策略，将复杂的调度过程拆分为多个任务。具体任务主要分为ATT7022E交流计量任务、ATT7053C直流计量任务、指示灯任务、RS485轮询发送信息任务、开入检测任务、开出控制任务、储能系统控制任务等，每个任务分别对应不同的事件位，当相应的事件位被置位时，任务启动执行。其中指示灯任务一直执行，通过小灯的闪烁情况，可以判断出整个系统是否在运行，确保程序没有跑飞[8]。

中断主要用于响应上位机发送的控制指令。串口接收到上位机发送的控制指令信息，根据通讯协议进行解帧，提取相关指令和数据分别赋值全局变量，根据控制指令置相应的任务事件位。任务流程图如图8所示。

图8 任务流程图

3 运行分析

该项目已在某铁塔基站成功实施。风力发电机装机容量根据风资源实际情况配置600 W风机。光伏是在通信基站设备上搭建光伏电站，根据负载及占地面积估算，配置4.9 kW光伏。根据基站运行现状，将基站中的电信、移动和联通的通讯基站作为一级负载，优先级最高；照明、插座等作为二级负载，优先级次之；其余负载作为三级负载，优先级最低。实际运行中当出现紧急情况，将按控制策略依次切除相应负载。

上位机将数据上传给手机APP，用户可以随时随地了解铁塔基站微电网系统信息。本控制器在实际基站微电网中应用效果如图9所示。通过基站拓扑图，可以实时了解各负载及微电源的运行状况；通过切换到微电网实时功率页面，通过微电源发电量饼状图和负载用电量饼状图，微电网运行状况可得到直观了解。在实际项目运行中，本控制器运行状况稳定，控制效果良好，达到设计要求。

图9 基站微电网中应用效果图

4 结束语

本文以实际基站微电网项目为例，从微电网搭建到控制器设计上详细介绍了基站微电网控制器的研发流程。经过实验，该控制系统在整体成本低的情况下，实现了对所有电源、负荷以及其他对象的实时监测、调度和控制，降低了基站运行与维护成本，提高工作效率。