微电网在线监控智能终端设计
南方电网科学研究院 喻磊 田兵 于力 雷金勇 许爱东 郭晓斌
智能终端在硬件设计上采用基于双MCU的嵌入式解决方案,实现了对监测点电气信号的精确采集和快速上传微电网决策单元。在电量参数计量上,采用基于三相软件锁相环的方法,同时,针对电压波形畸变采用正负序分离的方法进行了优化。经实验验证,智能终端功能能够满足微电网的实时监控要求。
微电网;嵌入式系统;在线监测;电量计量; 三相锁相环
随着能源匮乏和环境污染问题日益严重,拥有丰富可再生能源的海洋与海岛的开发利用得到了广泛重视。建设可靠的海岛电网是开发海洋可再生能源的基础,具有重要的意义。新兴的微电网技术以其在新能源利用效率、控制可靠性和环境友好等方面的优势,逐渐成为了海岛电网建设的重要途径[1]。
微电网融合多种分布式发电形式,系统结构复杂,分布式可再生发电单元通过电力电子装置接入,具有出力波动大、控制惯性小等问题[2][3]。因此,为实现微电网系统的可靠控制,必须对微电网内各设备以及线路节点的电气状态进行在线监控,从而实现系统的快速调节。
文献[4]和文献[5]提出了SCADA/EMS监控系统的解决方案。但该系统采用基于稳态信息的监测和调节方式,中央决策单元从RTU获得微电网运行数据,经计算发出调节指令,时间尺度在分钟级,无法满足微电网根据可再生能源的随机波动对运行状态进行动态调节的要求。文献[6]提出将分布式前置采集终端应用于SCADA/EMS系统以降低其采样和通信响应速度瓶颈,但仍然没有在根本上解决SCADA/EMS用于微电网状态快速监测及调节的问题。
为了满足微电网在线监控的快速、实时、高精度等要求,本文设计了一种微电网在线监控智能终端。智能终端实现了对微电网电气信号的精确采集,并采用基于正负序分量分离的三相锁相环算法,从采样数据中精确快速的获取监测点运行状态信息,通过光纤以太网通信技术实现监测数据可靠实时地传输至中央决策单元。
微电网在线监控一般需要考虑以下3个方面:
(1) 实现对监测点电气信号的采集,根据计量算法得到所需电能参数;
(2) 实现监测数据到决策单元的可靠快速传输;
(3) 实现对电力设备的快速控制和故障保护。
根据上述分析,本文提出的智能监控终端分为中央控制单元、通信传输单元、信号采集单元和动作控制单元四个模块,整体框架结构如图1所示。
中央控制单元作为系统控制和运算核心,完成模块管理和数据处理任务。
在模块管理上,通信传输单元、动作控制单元对响应速度有较高要求,但一般不涉及复杂数据运算,对处理器资源消耗低;而信号采集单元所得采样数据需通过复杂运算得到运行状态参数,消耗大量处理器资源。基于以上考虑,中央控制单元采用双MCU结构设计,其中计量MCU专门负责采样数据处理及电量计算,控制MCU负责对计量MCU和其他功能单元进行综合管理,两个MCU间通过高速USART口进行通信。该方案能够同时满足数据传输和动作控制的实时性,以及电能计量结果的精确快速获得。
图1 智能终端功能模块框图
图2 通信传输单元实现框图
图3 信号采集单元实现框图
通信传输单元实现将监测点状态信息快速上传至决策单元。由于微电网决策单元一般远离发电现场,为满足其获得的监测数据的实时性,采用光纤以太网实现数据的高速可靠传输。光纤以太网具备高效性、高安全性和传输距离长等特点,能很好的解决远距离监测结果实时传输的问题。同时,其“即插即用”的特性能够满足微电网在任意时刻对任意节点实施监测的要求。通信传输单元的实现如图2所示。控制MCU管理通信过程,通过移植轻量TCP/IP协议LWIP实现以太网数据高效快速收发。
信号采集单元完成对监测点电气信号的采样,设计时同时考虑采样精度和响应速度的提高。采用低时延、高精度的电压电流传感器实现强电到弱电信号的变换,经过调理放大电路作用后,由16位高精度AD芯片实现同步快速采样。计量MCU通过并口读取采样结果,结构如图3所示。
动作控制单元由快速响应的继电器及I/0接口构成,能够辅助决策单元远程控制电力设备,实现故障单元切除、设备运行模式选择、静态开关控制等功能。
通过信号采集单元获得采样数据后,需要在计量MCU中实现电能计量,快速获得监测点的运行参数,一般包括电压电流模值、有功及无功功率、电压频率和相位信息等。其中电压信号频率和相位的获得对微电网内功率器件的通断控制、孤岛到并网模式切换等过程的实现有着至关重要的作用,同时还可以为其他电能参数的计算提供基准。
传统过零检测获取频率相位的方法实现简单[7],但由于一个工频周期内仅存在两个过零点,动态性能差,同时算法精度也易受谐波、直流偏移的干扰。本文采用三相锁相环方法,实现了干扰情况下的频率相位精确测量,并通过正负序分离方法对算法在三相不对称情况下的性能进行了优化。以此为基准,计算得到其他所需电能参数。本文还针对算法在微处理器上的软件实现进行了执行速度上的优化处理。
三相锁相环综合利用三相电压相位信息,将电压合成矢量us在dq旋转坐标系下进行矢量分解,如图4所示。在us幅值不变情况下,q轴电压分量大小反映了旋转坐标系和合成矢量us间的相位关系。当usq<0时d轴超前于us,当usq>0时d轴滞后us,在usq=0时d轴与us实现相位同步。因此三相锁相环通过控制电压矢量q轴分量usq为0,可以实现对输入电压信号的相位和频率跟踪。
图4 dq旋转坐标系下三相电压矢量相位图
三相锁相环的具体实现过程如图5所示,通过带PI控制器的闭环实现稳态下usq无差跟踪给定值0。PI控制器的输出为频率误差Δω,与理论频率相加后经过积分环节得到实际三相电压相位信息。
图5 三相锁相环实现原框图
为了对三相锁相环的性能进行分析,将图5转化为图6所示的系统控制框图。对三相电压进行标幺化处理,采样延时环节用一阶惯性环节近似。
图6 三相锁相环系统控制框图
可以得到系统的闭环传递函数为:
实际采样频率为6400Hz,根据控制理论优化PI参数选择得到kp=200,ki=60。系统波特图如图7所示。
图7 锁相环系统波特图
从图7可以看出三相锁相环系统稳定,且具有低通特性,对高频谐波干扰具有很好的抑制作用。但在三相电压不对称情况下,基波负序分量在dq坐标系下以-ω频率反向旋转,使锁相环含有2次谐波。上述系统对该频率干扰没有很好的抑制效果,如果增加低通滤波器,则会影响系统的动态性能和稳定性。为此本文采用基于延时信号消除的正负序分离方法对三相锁相环进行优化[8]。
根据图4的相位图,当存在负序分量时,静止坐标系下电压合成矢量可表示为:
使用该方法优化后的锁相环实现简单,且具有良好的谐波抑制特性和抗三相不平衡能力,同时具备快速响应速度。
(1) 相位和频率突变时锁相环相位跟踪性能
图8 优化后的锁相环在相位和频率突变时的相位跟踪性能
(2) 三相不平衡情况下锁相环优化算法的频率和相位测量性能
在t=1s时刻,C相电压发生跌落,产生三相不平衡情况,从图9可以看出经正负序分离法优化后的锁相环仍然能够准确获取输入电压信号的相位和频率。
图9 优化后的锁相环在三相不平衡时的频率相位测量性能
在三相锁相环实现相位跟踪后,可根据式(5)计算得到基波电压、电流模值和监测点流过的有功及无功功率:
将上述电能参数计算原理在计量MCU中通过软件实现。实现过程需要充分考虑算法的实时性,对算法执行时间进行优化。主要从以下几方面进行:
(1) 由于锁相环需要大量的三角函数运算,执行周期长,为此采用查表法配合中值插入法以快速得到三角函数运算结果。程序构建0~90度正弦函数表,计算三角函数时先变换到0~90度表区间,查表找到角度对应的表中位置,采用中值插入法完成最后计算。
(2) 对于开方运算采用牛顿-拉夫逊算法实现,并在迭代初值选择上进行优化,使初值逼近精确解,从而大大加快算法的迭代过程,快速得到精确计算结果。
在完成智能终端软硬件实现后,采用华立电表的专业校正实验台得到其电能参数计量误差:频率测量误差为0.1‰,电压、电流模值测量误差在0.2%以内,功率测量误差在0.5%以内。监测数据通过光纤传输的延时保持在0.2 ms以内。
将智能终端用于“多可再生能源发电和并网技术研发平台”,取代传统EMS进行微电网孤岛并网模式切换实验。智能终端监测PCC点两侧状态,并控制PCC点静态开关完成并网及离网切换操作。
主动孤网实验决策单元根据智能终端实时监测数据,将联络线功率控制为零,之后控制智能终端继电器动作单元断开PCC点开关。图10和图11分别是主动孤网过程中联络线有功无功变化曲线。可以看出,整个过程可在数秒内完成,产生冲击小、控制精度高。
图10 主动孤网时监测得到的联络线有功变化曲线
图11 主动孤网时监测得到的联络线无功变化曲线
主动并网实验中微电网先将电压指令从220 V变为跟踪主网电压,频率调至50.1 Hz,随后启动同期指令。根据智能终端监测数据,在微电网和主网电压实现同步时,控制智能终端继电器动作单元闭合PCC点开关,实现并网操作。图12和图13分别是并网过程中微电网频率和电压变化曲线,可以看到通过智能终端的监测和控制作用,能够实现微电网的快速并网操作。
图12 主动并网时监测得到的微电网频率变化曲线
图13 主动并网时监测得到的微电网电压变化曲线
本文设计了一种用于微电网实时在线监控的微电网智能终端,对其系统构成和电能计量算法进行了详细说明。实验证明,该智能终端具有优秀的在线监测性能,能够满足微电网实时快速控制的要求,具备广阔的应用前景,同时也具备应用到其他类型包含分布式发电的微电网系统监测与数据采集的潜力。
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