智能停电抄表系统应用研究

蔡静薇 广东电网有限责任公司清远供电局

一、光伏发电原理与并网型发电系统构成

从技术层面来看，太阳能发电技术的原理主要是利用光生符打效应，通过太阳能组件部分实现直流电的发出，若是并网系统就是利用并网逆变器来把这些电能并入到电网中。若是离网系统则是利用太阳能控制器来实现为蓄电池与负载进行充电。值得注意的是，在构成并网型发电系统时，光伏并网发电系统主要是通过太阳能光伏发电系统和普通的电网进行相连，两者一起进行供电工作。在出现阳光的过程中，逆变器就会把光伏系统中所发出的直流电逆变为正弦交流电，其中所形成的交流电能够为交流负载进行供给，并将这些剩余下来的电能输入至电网系统中，或者把所有的电能全部并入到电网中。在无太阳光的条件下，负载部分的用电均由电网负责供给。而安装用户和国家电网系统实现并网之后，就可以直接获得国政策性的相关补贴，现在国家很多贫困地区都在研发光伏扶贫的路径，也正是基于这种政策的大力支持与大面积推广。并网型太阳能光伏发电系统流程如图1所见。

二、光伏发电原理何离网型发电系统的构成概述

如上述，太阳能发电技术的原理主要是利用光生符打效应，通过太阳能组件部分实现直流电的发出，若是离网系统就是利用太阳能控制器为蓄电池与负载部分来实现充电的。在现阶段，离网型发电系统在构成时，离网型太阳能发电系统则是通过利用太阳能组件、太阳能控制器、蓄电池所组织构成的。在这种情况下，若输出电源是220V，就要加入逆变器的配置。其主要是通过电子元器件来组成的，不需要应用到任何的机械部件。因此，从技术层面来看，目前的光伏发电设备具有极度精炼、寿命长、可靠、安装维护相对方便等特征。该设备主要在太阳能建筑、电台、高速公路、微波通讯、基站等领域中得到广泛的应用，同时也可以应用在村庄、无电山区或者海岛等领域。离网型太阳能光伏发电系统的具体流程如图2所见。

三、智能停电抄表装置方案的概述

研发的智能停电抄表装置采用离网型太阳能发电系统，主要包含以下三个部分，太阳能电池，集控制器、蓄电池、逆变器为一体的太阳能控制系统和停电检测切换控制器。

（一）太阳能电池

在目前的技术阶段，太阳电池作为能够将能量进行转换的光电元件，主要是通过P型、N型半导体接合等组织而构成的。半导体的基础材料通常都是“硅”这种非导电材料，但值得注意的是，若这种半导体材料中掺入了杂质，就能够制作P型和N型半导体，同时通过充分利用P型半导体中的空穴（P型半导体中少了1个带负电荷的电子则视为增多1个正电荷），和N型半导体增加1个自由电子的电位差来促进电流的产生，因此，在得到太阳光照射的过程中，光能能够把硅原子中的电子充分激发出来，从而形成电子与空穴的对流现象，电子与空穴两者同时由于内建电位的具体影响，因此分别被N型、P型半导体吸引，最终聚集在两端的位置中。在这种情况下，若外部用电极进行连接，则呈现出一个回路，即为太阳电池发电的技术原理。本方案采取晶体硅太阳能板，目前该领域的技术成熟、单位面积转换效率高达（15%—18%）。

（二）太阳能控制系统

太阳能控制系统主要包含控制器、逆变器、蓄电池和各种开关，指示灯等。控制器是光伏发电系统中不可或缺的部分。主要作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过冲、过放保护。但不同的配置控制器的种类和参数也不相同。通常按电压电流型号或者是控制类型分类。控制器按控制类型分为PWM类型和MPPT类型，不管什么类型都可以设计成大功率或小功率。控制器按电压电流分类等级如表1所见。本方案选择PWM型12V/20A控制器。

图1 并网型太阳能光伏发电系统示意图

图2 离网型太阳能光伏发电系统示意图

表1 控制器按电压电流分类示意表

蓄电池是离网型发电系统的重要部件。蓄电池将光伏发电方阵发出的直流电贮存起来供负载使用。在新能源的供电系统中，蓄电池处于浮充状态。白天太阳能板给蓄电池充电，晚上或者阴雨天负载用电由蓄电池供给。本方案采样的蓄电池为胶体电池，高低温特性好，充放电次数在300-500次。逆变器主要就是将蓄电池提供的直流电转换成供终端、电表使用的交流电。办方案采用的300W的逆变器。

（三）停电检测切换控制器

检测停电切换装置主要包含了实时时钟单元、MCU单元、停电检测单元、切换单元。在设定的时间内去检测市电，当市电停电时，由mcu控制切换开关切换到由太阳能供电。时间结束后，断开太阳能供电，以节省蓄电池电量。本方案研发的停电抄表装置只提供单相电输出，默认情况下，开关接市电最终到终端。在设定的时间内，如果检测到市电掉电，将控制开关切换到由逆变器转换的交流电上。市电与太阳能供电是完全隔离的，这样保证在由太阳能供电时候不会向电网反向供电。考虑到太阳能板的面积，电池容量对于成本要求，施工难度，所以选择在指定的时间段内供电，可以节省蓄电池电量。首先计算每天消耗的瓦时数（包括逆变器的损耗）。另一方面，该方案充分地将终端和三相电能表和我们的停电切换装置以及一些损耗最大功耗约为20W等方面的因素考虑了进去。在一般情况下，通常当逆变器的效率为90%的状态下，代表着实际需求的输出功率20w/0.9=23W；若每天运行时间为4小时的范围中，则需要消耗电量为23W*4h=92Wh的幅度。本方案选用的是12V/50AH的电池，在充满电的情况下能持续工作27小时。每天工作4小时能工作6天，可以应对连续阴雨天气的持续性影响。按照计算充满电时间的情况下，根据广东省地区平均每天有效日照4小时来进行计算，在考虑到充电效率和充电过程中的损耗，本方案选用的100W的太阳能板，需要600Wh/100*0.7=8.5h（其中70%是充电过程中，太阳能电池板的实际使用功率），取得了良好的成效。

四、结束语

综上所述，利用研发的智能停电抄表装置采用太阳能光伏发电系统将太阳能转换成电能，存储在蓄电池中。在设定的时间点去检测市电220V，当检测到停电后，将蓄电池电能转换成220V提供给终端，使终端能正常抄读并上报数据。等设定的时间结束后，关断太阳能供电。这种技术途径不但有效地降低了人力与物力等方面的成本，同时也进一步提升了运行效率，能够保障供电企业抄表结算的实时实际需求，具备良好的市场经济价值。