CN103983845A - 分布式电源接入用户双向计量与监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电能的双向计量及监测技术，旨在提供一种分布式电源接入用户双向计量与监测系统及方法。本发明包括用户供电母线、公共电网、用户用电负荷、分布式发电系统和用户双向计量与监测系统，所述用户双向计量与监测系统包括处理器模块、AD转换模块、2路电压采集模块、2路电流采集模块、显示模块、存储模块、按键模块、通讯模块、电源模块、电压采集传感器和电流采集传感器。本发明的有益效果有：本发明解决了分布式电源接入用户的分布式电源发电计量和家庭与电网之间的双向电能计量问题，对分布式电源的电能计量数据可作为用户获得政府财政补贴的依据，对用户和电网之间双向电能的计量作为用户和电网之间购电和售电的结算依据。

Description

分布式电源接入用户双向计量与监测系统及方法

技术领域

本发明涉及电能的双向计量及监测技术，具体涉及一种分布式电源接入用户双向计量与监测系统及方法。

背景技术

随着新能源分布式发电技术及扶植政策的成熟，大量的分布式电源接入用户即将出现。由于用户的分布式发电系统的接入并网，用户的分布式发电可以上网，使得原来电源有电网到用户的单向流动变成了电网和用户的双向流动，原有的计量系统及技术不能满足新能源接入的要求，需要研究相关适合分布式能源接入的双向计量与监测系统。

现有户用计量系统只能进行电网到用户的单向计量。随后出现了智能电表，可以实现单点的双向计量，一定程度上满足的分布式电源接入用户双向计量的需求，可以适应分布式电源接入用户自发自用、余电上网模式的用户双向计量与用电费用结算的需求。

但是随着2013年国家新能的扶植新能源发电的相关政策出台，用户的分布式新能源发电、尤其是光伏发电除了售电给电网部分可以实现经济效益外，不管是自用还是销售给电网，整个新能源发电都可以获得国家的能源补贴，这样除了计量整个用户的用电量以外及向电网销售的剩余电量外，还需要单独计量新能源的总发电量。

由于用户新能源接入使得存在用户向电网售电的情况，在新能源发电不足时用户仍然需要从电网购电满足家庭用电需求，因此目前的普通分布式家庭接入国家电网的计量安装方案大部分为对分布式发电和用户家庭单独两块电能表的方式进行计量，一块电表计量新能源发电，一块计量用户家庭整体用电量。但是这个方案需要安装两块电能表，用户使用不够方便，数据不够直接，而且两块表的计量数据时存在一定关联关系的，无法利用这个关联关系实现一些新的高级功能。

中国发明专利申请介绍了一种适用于智能电网的居民用户智能电表系统(CN102591276)，其基本原理是利用一块智能电表配合每个用电设备处安装的控制终端，实现用电信息的采集和用电设备的控制，达到降低用电成本的目的。中国发明专利申请介绍了一种双向计量的智能电表的总电量累加方法(CN102200544)，其基本原理是利用智能电表的能量寄存器的“读复位”模式，实现用户正向和反向总电量。这两个发明专利都没有考虑到分布式新能源的单独计量问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种分布式电源接入用户双向计量与监测系统及方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种分布式电源接入用户双向计量与监测系统，包括用户供电母线、公共电网、用户用电负荷、分布式发电系统和用户双向计量与监测系统，所述用户双向计量与监测系统包括处理器模块、AD转换模块、2路电压采集模块、2路电流采集模块、显示模块、存储模块、按键模块、通讯模块、电源模块、电压采集传感器和电流采集传感器。

所述电压采集传感器输出端、电流采集传感器输出端分别连接到2路电压采集模块输入端、2路电流采集模块输入端，实现对电流、电压的信息采集；所述2路电压采集模块输出端、2路电流采集模块输出端通过AD转换模块连接到处理器模块；所述处理器模块与存储模块、通讯模块双向连接，其中存储模块用于实现计量的发电功率、发电量信息的存储；所述处理器模块与显示模块输入端、按键模块输出端、电源模块输出端相连，其中显示模块用于显示采集到的电压、电流信息及计算的电能、功率信息；按键模块用于显示页面的切换及参数的设置；电源模块用于提供处理器模块、显示模块、AD转换模块、通讯模块、2路电压采集模块、2路电流采集模块和按键模块的工作电源。

所述用户双向计量与监测系统通过电压采集传感器、电流采集传感器分别采集公共电网、分布式发电系统所连接用户供电母线上的电流、电压信号，实现分布式发电系统的发电功率、电量和用户与公共电网之间连接线路上双向功率、电能的计量，同时通过采集的电压、电流信号实现对分布式发电系统中分布式电源的监测；所述用户双向计量与监测系统通过通讯模块连接到用电信息采集设备，将计量的电能数据传送到用电信息采集设备，同时接收用电信息采集设备发送的电价信息；所述公共电网通过供电线路连接到用户供电母线，所述若干用户用电负荷连接到用户供电母线获取电能进行工作；所述公共电网与用户供电母线之间的连接线路和分布式发电系统与用户供电母线之间的连接线路通过电压传感器、电流传感器，并分别连接到用户双向计量与监测系统的2路电压采集模块、2路电流采集模块，同时对应将线路上流过的电压、电流传送到AD转换模块。

本发明中，所述分布式发电系统为光伏发电系统、风机发电系统、燃料电池系统、光伏域储能组合发电系统、风机与储能的组合发电系统或者光伏、风机及储能组合发电系统。

本发明中，所述通讯模块为电力线载波通讯模块、RS485通讯模块、RS232通讯模块、红外通讯模块、WIFI无线通讯模块、以太网通讯模块中的一种或者多种。

本发明中，所述2路电压采集模块、2路电流采集模块用于分别采集两路单相电压、两路单相电流，为分布式电源接入用户的分布式发电计量及家庭总用电计量所需电流、电压采集提供通道。

本发明中，还提供一种基于所述分布式电源接入用户双向计量与监测系统的方法，所述方法包括分布式电源接入用户双向计量方法和分布式电源接入用户电能监测方法。

所述分布式电源接入用户双向计量方法，如下：

所述处理器模块通过AD转换模块将2路电压采集模块、2路电流采集模块采集的分布式发电系统中分布式电源的电流I₁、电压U₁和用户与公共电网之间连接线路上电流I₂、电压U₂，计算分布式发电功率P₁、电能W₁和用户与公共电网之间连接线路功率P₂、电能W₂，用户用电负荷电能为W_L、用户用电负荷功率为P_L，其相互之间的关系式为：

P₁＝U₁×I₁  (1)

P₂＝U₂×I₂  (2)

W₁＝P₁×Δt  (3)

W₂＝P₂×Δt  (4)

W₁+W₂＝W_L  (5)

P₁+P₂＝P_L  (6)

其中Δt为电能计量采样计算时间，单位为s；各个电流、电压、功率、电能的单位分别为A、V、W、J；当分布式发电功率P₁大于用户用电负荷功率P_L时，用户向公共电网售电，此时P₂＝P_L－P₁为负值，计算功率P₁－P_L为用户售电的功率，计量电能W₁－W_L为用户向公共电网售电的电能。

所述分布式电源接入用户电能监测方法，如下：

通过采集的分布式电源电压数据的过零信息计算出分布式发电系统的发电频率f₁；

所述处理器模块根据分布式电源的电压U₁和发电频率f₁判断分布式发电系统的状态，当电压U₁和发电频率f₁超出并网要求时进行报警提示和处理：

其判断条件为

│U₁－U_电网│>15％×U_电网  (7)

或者

f₁>50.5Hz或者f₁<49.5Hz(8)

其中U_电网为公共电网供电电压额定值，单位为V。

本发明中，所述方法还包括分布式电源发电量防篡改方法，具体如下：

分布式发电电能W₁、发电功率P₁和用户与公共电网之间的双向计量电能W₂、功率P₂，用户用电负荷电能为W_L、用户用电负荷功率为P_L，用户用电负荷电能为W_L、用户用电负荷功率为P_L，则三者之间关系满足关系式：

W₁+W₂＝W_L，P₁+P₂＝P_L，则W₂＝W_L-W₁，P₂＝P_L-P₁；

当分布式发电功率P₁大于用户用电负荷功率P_L时，P₂为负值，表示用户向公共电网售电，对应计量售电功率，由于P_L>＝0，且W_L>＝0，所以当P₂为负值，即用户向公共电网售电时，如果处理器模块计算得到的用户与公共电网之间连接线路功率和电能满足│P₂│>P₁或者│W₂│>W₁时，则不满足能量平衡原理，表示存在计量错误或者窃电行为，进行报警提示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用该分布式电源接入用户双向计量与监测系统一体化的解决了分布式电源接入用户的分布式电源发电计量以及家庭和电网之间的双向电能计量问题，对分布式电源的电能计量数据可作为用户获得政府财政补贴的依据，对用户和电网之间双向电能的计量可以作为用户和电网之间购电和售电的结算依据。而且采用一体化的计量解决方案可以利用同时计量的两个电能和功率数据对数据的可靠性进行保护。同时采用AD转换模块的方式可以获得电流和电压数据再进行电能和功率的计算，可以直接有效的获得分布式发电系统的实时电流、电压和频率数据，可以实现对分布式发电系统的监测功能。

附图说明

图1为分布式电源接入用户双向计量与监测系统连接框图；

图2为用户双向计量与监测系统内部功能框图。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

首先需要说明的是，本发明涉及电能计量及监测技术。在本发明的实现过程中，会涉及到多个电路功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的技能实现本发明。前述用户双向计量与监测系统各功能模块包括但不限于：处理器模块、AD转换模块、2路电压采集模块、2路电流采集模块、显示模块、存储模块、按键模块、通讯模块和电源模块等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。

本发明的具体思路如下：分布式电源接入用户双向计量与监测系统如图1所示。公共电网供电母线通过供电线路连接到用户供电母线，所述若干用户用电负荷连接到用户供电母线获取电能工作，用户分布式电源连接到用户供电母线提供电能满足负荷的需求，当分布式电源发电量小于用户用电负荷需求时，不足部分从公共电网购电提供，当用户分布式电源发电大于用户负荷需求时，多余电量通过和公共电网的连接线路输送到大电网实现售电。

用户双向计量与监测系统通过传感器同时采集公共电网和分布式发电连接到用户供电母线的线路上的电流、电压信息，实现分布式发电系统的发电功率、电量以及用户与电网连接线路的双向功率、电能，同时通过采集的电压、电流信息还可以实现对分布式电源的监测。同时用户双向计量与监测系统通过通讯模块连接到电网的用电信息采集系统和设备模块，将计量的电能数据传送到到用电信息采集设备，同时接收用电信息采集设备发送的电价等信息。

如图1所示，用户双向计量与监测系统的2路电压采集模块、2路电流采集模块分别通过电压传感器、电流传感器连接到分布式电源以及公共电网与用户供电母线连接线路上采集分布式电源及供电电网线路上的电流、电压信号，通过采集的电压、电流分别计量分布式发电系统的发电功率、电量以及用户与电网连接线路的双向功率、电能，计量的分布式发电量可以用来作为发电补贴的依据，计量的用户与电网之间的双向电量作为用户和电网公司电费结算的依据。

如图2所示用户双向计量与监测系统功能框图，包括处理器模块、AD转换模块、2路电压采集模块、2路电流采集模块、显示模块、存储模块、按键模块、通讯模块和电源模块，以及电流传感器和电压传感器，分布式电能计量及用户与电网连接双向电能计量算法在处理器模块内部实现。

公共电网供电母线连接到用户供电母线的连接线路和分布式发电系统连接到用户供电母线的连接线路通过电压传感器连接到用户双向计量与监测系统的2路电压采集模块，将线路上流过的电压传送到AD转换模块；公共电网供电母线连接到用户供电母线的连接线路和分布式发电连接到用户供电母线的连接线路通过电流传感器连接到用户双向计量与监测系统的2路电流采集模块，将线路上流过的电流传送到AD转换模块；AD转换模块将接收到的2条线路上的电压和电流信号转换为数字量的电流和电压信息，并传送到用户双向计量与监测系统的处理器模块，处理器模块由数字量的电压和电流信号计算分布式电源发电功率和发电量以及用户与电网之间的双向功率及电能，计量的分布式发电量可以用来作为发电补贴的依据，计量的用户与电网之间的双向电量作为用户和电网公司电费结算的依据。处理器模块将计量的发电功率、发电量等信息存储在存储器模块中，需要时刻可以从存储器模块读取这些信息。处理器模块同时将采集的电压、电流信息及计算的电能、功率信息通过显示模块显示给用户查看，用户可以通过按键模块进行显示页面的切换及参数的设置等功能。处理器模块通过通讯模块电源模块为所有上述处理器模块、显示模块、AD转换模块、通讯模块、2路电压采集模块、2路电流采集模块、按键模块提供工作电源。

所述分布式发电系统为光伏发电系统、风机发电系统、燃料电池系统、光伏域储能组合发电系统、风机与储能的组合发电系统或者光伏、风机及储能组合发电系统。

所述通讯模块为电力线载波通讯模块、RS485通讯模块、RS232通讯模块、红外通讯模块、WIFI无线通讯模块、以太网通讯模块中的一种或者多种。

所述电流传感器、电压传感器将需要采集的电流、电压转化为可进行数字转换的电流、电压信号，所述2路电压采集模块、2路电流采集模块将电流传感器、电压传感器传送过来的电流、电压信号转换到AD转换模块的测量范围。

本发明实施例中，所述分布式发电系统是单相光伏发电系统，所述用电信息采集设备是电网公司的用电信息集中采集终端，所述处理器模块采用ARM嵌入式处理器M3系列芯片STM32F205，所述AD转换模块为采用高精度的16位并行采集芯片AD7606；2路电压采集模块、2路电流采集模块分别为两路单相电压的采集转换电路、两路单相电流的采集转换电路；显示模块采用分辨率640×480液晶模块进行显示；存储模块为EEPROM存储芯片AT24C256；按键模块为2×4矩阵按键；通讯模块为RS485通讯、以太网通讯、红外通讯和电力线载波通信；电压采集传感器、电流采集传感器为电压互感器、电流互感器。

在此需要强调的是，上述各模块均为电路逻辑的集合，而非虚拟功能模块，其具体实现是本领域常见技术手段，本领域技术人员通过对本发明的阅读，根据其掌握的常规技术手段完全可以再现，即便在没有电路图的基础上本领域也是可以实施的。

本发明实施例同时提供了一种分布式电源接入用户双向计量方法，具体如下：

所述处理器模块通过AD转换模块将2路电压采集模块、2路电流采集模块连接的电压采集传感器、电流采集传感器采集分布式发电系统的发电线路上电流I₁、电压U₁信息以及用户与公共电网之间连接线路上的电流I₂、电压U₂信息，计算分布式发电功率实时P₁、电能W₁，用户与公共电网之间连接线路实时功率P₂、电能W₂，其相互之间的关系式为：

P₁＝U₁×I₁  (1)

P₂＝U₂×I₂  (2)

W₁＝P₁×Δt  (3)

W₂＝P₂×Δt  (4)

W₁+W₂＝W_L  (5)

P₁+P₂＝P_L  (6)

其中Δt为电能计量采样计算时间，单位为s；各个电流、电压、功率、电能的单位分别为A、V、W、J；当分布式发电功率P₁大于当前负荷用电功率P_L时，用户向公共电网售电，此时P₂＝P_L-P₁为负值，计算功率P₁-P_L为用户售电功率，计量电能W₁-W_L为用户向公共电网售电的电能；所述处理器模块通过通讯模块将计算的电能、功率数据发送到电网公司的用电信息采集设备，作为电网公司和用户电费结算的依据，也实现对用户用电信息的采集。

本发明实施例同时提供了一种分布式电源接入用户电能监测方法，如下：

所述处理器模块通过AD转换模块将2路电压采集模块、2路电流采集模块及其连接的电流采集传感器、电压采集传感器采集分布式电源的电流I₁、电压U₁信息以及用户与公共电网之间连接线路上的电流I₂、电压U₂信息。所述处理器模块根据采集的分布式电源的电流I₁、电压U₁对分布式发电系统的发电状况进行监测，同时通过电压数据的过零信息计算出分布式发电系统的发电频率f₁。所述处理器模块根据分布式发电系统的电压U₁和发电频率f₁初步判断分布式发电系统的发电状态，当电压U₁、发电频率f₁超出并网要求时进行报警提示和处理。

其判断条件为：

│U₁－U_电网│>15％×U_电网  (7)

或者

f₁>50.5Hz或者f₁<49.5Hz  (8)

其中U_电网为公共电网供电电压额定值，单位为V。

同时该设备具备分布式发电的远程监测功能，处理器模块通过AD转换模块采集获得的分布式发电系统中分布式电源的电流I₁、电压U₁信息通过通讯模块传送到电网的用电信息采集设备，使得电网公司的调度部门可以实时的了解用户分布式发电系统的状态，为合理的调度提供数据。

本发明实施例同时提供了一种分布式电源发电量防篡改方法，具体如下：

所述处理器模块通过计量的分布式发电电能W₁、发电功率P₁和用户与公共电网之间的双向计量电能W₂、P₂初步判断存在一定的窃电行为。

分布式发电电能W₁、发电功率P₁和用户与公共电网之间的双向计量电能W₂、功率P₂，用户用电负荷电能为W_L、用户用电负荷功率为P_L，则三者之间关系应为满足W₁+W₂＝W_L，P₁+P₂＝P_L，则W₂＝W_L-W₁，P₂＝P_L-P₂。当分布式发电功率P₁大于用户用电负荷功率P_L时，P₂为负值，表示用户向公共电网售电，对应计量售电功率，由于P_L>＝0，且W_L>＝0，所以当P₂为负值，即用户向公共电网售电时，如果处理器模块计算得到的用户与公共电网之间连接线路功率和电能满足│P₂│>P₁或者│W₂│>W₁时，则不满足能量平衡原理，表示存在计量错误或者窃电行为，进行报警提示。

因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。

Claims (5)

1.一种分布式电源接入用户双向计量与监测系统，包括用户供电母线、公共电网和用户用电负荷，其特征在于，还包括分布式发电系统和用户双向计量与监测系统，所述用户双向计量与监测系统包括处理器模块、AD转换模块、2路电压采集模块、2路电流采集模块、显示模块、存储模块、按键模块、通讯模块、电源模块、电压采集传感器和电流采集传感器；

所述电压采集传感器输出端、电流采集传感器输出端分别连接到2路电压采集模块输入端、2路电流采集模块输入端；所述2路电压采集模块输出端、2路电流采集模块输出端通过AD转换模块连接到处理器模块；所述处理器模块与存储模块、通讯模块双向连接；所述处理器模块与显示模块输入端、按键模块输出端、电源模块输出端相连；

所述用户双向计量与监测系统通过通讯模块连接到用电信息采集设备，所述公共电网通过供电线路连接到用户供电母线，所述若干用户用电负荷连接到用户供电母线；所述公共电网与用户供电母线之间的连接线路和分布式发电系统与用户供电母线之间的连接线路通过电压传感器、电流传感器，并分别连接到用户双向计量与监测系统的2路电压采集模块、2路电流采集模块。

2.根据权利要求1中所述的分布式电源接入用户双向计量与监测系统，其特征在于，所述分布式发电系统为光伏发电系统、风机发电系统、燃料电池系统、光伏域储能组合发电系统、风机与储能的组合发电系统或者光伏、风机及储能组合发电系统。

3.根据权利要求1中所述的分布式电源接入用户双向计量与监测系统，其特征在于，所述通讯模块为电力线载波通讯模块、RS485通讯模块、RS232通讯模块、红外通讯模块、WIFI无线通讯模块、以太网通讯模块中的一种或者多种。

4.一种基于权利要求1中所述分布式电源接入用户双向计量与监测系统的方法，其特征在于，所述方法包括分布式电源接入用户双向计量方法和分布式电源接入用户电能监测方法；

所述分布式电源接入用户双向计量方法，如下：

所述处理器模块通过AD转换模块将2路电压采集模块、2路电流采集模块采集的分布式发电系统中分布式电源的电流I₁、电压U₁和用户与公共电网之间连接线路上电流I₂、电压U₂，计算分布式发电功率P₁、电能W₁和用户与公共电网之间连接线路功率P₂、电能W₂，用户用电负荷电能为W_L、用户用电负荷功率为P_L，其相互之间的关系式为：

P₁＝U₁×I₁  (1)

P₂＝U₂×I₂  (2)

W₁＝P₁×Δt  (3)

W₂＝P₂×Δt  (4)

W₁+W₂＝W_L  (5)

P₁+P₂＝P_L  (6)

其中Δt为电能计量采样计算时间，单位为s；各个电流、电压、功率、电能的单位分别为A、V、W、J；

当分布式发电功率P₁大于用户用电负荷功率P_L时，用户向公共电网售电，此时P₂＝P_L－P₁为负值，计算功率P₁－P_L为用户售电的功率，计量电能W₁－W_L为用户向公共电网售电的电能；

所述分布式电源接入用户电能监测方法，如下：

通过采集的分布式电源电压数据的过零信息计算出分布式发电系统的发电频率f₁；

所述处理器模块根据分布式电源的电压U₁和发电频率f₁判断分布式发电系统的状态，当电压U₁和发电频率f₁超出并网要求时进行报警提示和处理：

其判断条件为：

│U₁－U_电网│>15％×U_电网  (7)

或者

f₁>50.5Hz或者f₁<49.5Hz  (8)

其中U_电网为公共电网供电电压额定值，单位为V。

5.根据权利要求4中所述的分布式电源接入用户双向计量与监测系统的方法，其特征在于，所述方法还包括分布式电源发电量防篡改方法，具体如下：

分布式发电电能W₁、发电功率P₁，用户与公共电网之间的双向计量电能W₂、功率P₂，用户用电负荷电能为W_L、用户用电负荷功率为P_L，其相互间关系满足：

W₁+W₂＝W_L，P₁+P₂＝P_L，则W₂＝W_L-W₁，P₂＝P_L-P₁；

当分布式发电功率P₁大于用户用电负荷功率P_L时，P₂为负值，表示用户向公共电网售电，对应计量售电功率，由于P_L>＝0，且W_L>＝0，所以当P₂为负值，即用户向公共电网售电时，如果处理器模块计算得到的用户与公共电网之间连接线路功率和电能满足│P₂│>P₁或者│W₂│>W₁时，则不满足能量平衡原理，表示存在计量错误或者窃电行为，进行报警提示。