CN106443173A - 一种微电网在线监测装置及其电量计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种微电网在线监测装置，包括信号采集器、中央控制器和通信传输器；其中：所述中央控制器包括计量MCU和控制MCU，所述计量MCU通信连接所述控制MCU；所述信号采集器连接所述计量MCU，所述通信传输器连接所述控制MCU；所述信号采集器包括电流电压传感器，用于采集微电网电流或电压信号，并将微电网电流或电压信号发送至所述计量MCU；所述通信传输器用于传输微电网监测状态信息。基于本发明提供的微电网在线监测装置，本发明还提供了一种微电网在线监测装置电量计量方法，以方便微电网在线监测，提高微电网在线监测的准确性。

Description

一种微电网在线监测装置及其电量计量方法

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，更为具体地说，涉及一种微电网在线监测装置及其电量计量方法。

背景技术

微电网是相对传统大电网的一个概念，是指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络，并通过静态开关关联至常规电网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网中的电源多为容量较小的分布式电源，即含有电力电子接口的小型机组，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、小型风力发电机组以及超级电容、飞轮及蓄电池等储能装置。它们接在用户侧，具有成本低、电压低以及污染小等特点。

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。

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。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。

发明内容

本发明的目的是提供一种微电网在线监测装置及其电量计量方法，以方便微电网在线监测，提高微电网在线监测的准确性。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的一种微电网在线监测装置，包括信号采集器、中央控制器和通信传输器；其中：

所述中央控制器包括计量MCU和控制MCU，所述计量MCU通信连接所述控制MCU；

所述信号采集器连接所述计量MCU，所述通信传输器连接所述控制MCU；

所述信号采集器包括电流电压传感器，用于采集微电网电流或电压信号，并将微电网电流或电压信号发送至所述计量MCU；所述通信传输器用于传输微电网监测状态信息。

优选的，上述微电网在线监测装置中，所述信号采集器还包括调理放大电路和高精度AD采样芯片，所述电流电压传感器连接所述调理放大电路，所述调理放大电路连接所述高精度AD采样芯片，所述高精度AD采样芯片连接所述计量MCU。

优选的，上述微电网在线监测装置中，所述微电网在线监测装置还包括动作控制器，所述动作控制器连接所述控制MCU。

优选的，上述微电网在线监测装置中，所述动作控制器包括继电器。

本发明提供的微电网在线监测装置，采用信号采集器进行微电网数据的采集，中央控制器进行数据的分析和管理，获得监测点状态信息，并通过通信传输器将处理后的状态信息进行传输。中央控制器采用计量MCU和控制MCU的双MCU结构，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，计量MCU通信连接所述控制MCU，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。实现对微电网监测点电气信号的采集，根据计量算法得到所需电能参数；实现监测数据的可靠快速传输；实现对微电网电力设备的快速控制和故障保护。

基于本发明提供的微电网在线监测装置，本发明还提供了一种微电网在线监测装置电量计量方法，一种微电网在线监测装置电量计量方法，用于上述所述的计量MCU，所述方法包括：

建立微电网电压信号频率和相位的三相锁相环，对三相电压进行标幺化处理，获得闭环传递函数k_i表示积分系数，k_p表示比例系数，s在拉普拉斯变换里面表示一个复数，T_s表示周期；

根据控制理论PI参数选择得到k_p＝200,k_i＝60；

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，当存在负序分量时，静止坐标系下电压合成矢量可表示为其中，分别为正负序分量幅值，为负序分量起始相角，j为虚数，ω为角频率，t为时间变量；

根据三角函数半波特性，0.5(e^jωt+je^j(ωt-T/4))＝e^jωt，结合U_αβ(t)与U_αβ(t-T/4)，得到将正序分量从输入电压信号中剥离。

优选的，上述微电网在线监测装置电量计量方法中，所述方法还包括：

计算基波电压、电流模值和监测点流过的有功功率和监测点流过的无功功率，

P＝U_d*I_d+U_q*I_q

Q＝U_q*I_d-U_d*I_q

U_mod为基波电压，I_mod为电流模值，P为有功功率，Q为无功功率，Ud为电压有功分量,Uq为电压无功分量,Id为电流有功分量,Iq为电流无功分量。

本发明提供的微电网在线监测装置电量计量方法，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。且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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的微电网在线监测装置；

图2是本发明实施例提供的微电网在线监测装置中信号采集器；

图3是本发明实施例提供的微电网在线监测装置电量计量方法的流程图；

图4是dq旋转坐标系下三相电压矢量相位图；

图5是三相锁相环系统控制框图。

具体实施方式

本发明实施例一种微电网在线监测装置及其电量计量方法，以方便微电网在线监测，提高微电网在线监测的准确性。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细的说明。

参考附图1，该图示出了本发明实施例提供的微电网在线监测装置的基本结构，其主要包括信号采集器1、中央控制器2和通信传输器3，其中，中央控制器2包括计量MCU201和控制MCU202，计量MCU201通信连接控制MCU202，信号采集器1连接计量MCU201，通信传输器3连接控制MCU202，信号采集器1包括电流电压传感器101，结合附图2，用于采集微电网电流或电压信号并将微电网电流或电压信号发送至计量MCU201，通信传输器3用于传输微电网监测状态信息，将微电网监测状态信息发送至监控中心，所述监控中心一般是指微电网的决策、监控中心。

为满足微电网监测的准确性以及时效性，中央控制器2要满足信号采集器1和通信传输器3的对响应速度有较高要求，同时又对信号数据进行准确的运算，保证信号采集器所采样数据通过运算得到准确的运行状态参数。中央控制器2采用计量MCU201和控制MCU202采用双MCU结构，其中计量MCU201专门负责采样数据处理及电量计算，控制MCU202负责对计量MCU201和其他功能单元进行综合管理，计量MCU201通信连接所述控制MCU202，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。优选的，计量MCU201与控制MCU202间通过高速USART口进行通信，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。

通信传输器3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。

优选的，信号采集器1还包括调理放大电路102和高精度AD采样芯片103，参见附图2，电流电压传感器101连接所述调理放大电路102，调理放大电路102连接高精度AD采样芯片103，高精度AD采样芯片103连接计量MCU201。信号采集器1完成监测点电气信号的采样，采用电流电压传感器101、调理放大电路102和高精度AD采样芯片103，电流电压传感器101具有低时延、高精度的特性，实现强电到弱电信号的变换，经过调理放大电路102作用后，高精度AD芯片103实现同步快速采样，有效提高采样精度和相应速度，保证微电网在线监测的准确性与时效性。优选的，高精度AD芯片103采用16位高精度AD芯片。

进一步优化技术方案，本发明实施例提供的微电网在线监测装置还包括动作控制器4，动作控制器4连接控制MCU202，动作控制器4能够辅助远程控制电力设备，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。优选的，本发明实施例中动作控制器4包括继电器，由继电器控制故障单元切除、设备运行模式选择、静态开关。

本发明提供的微电网在线监测装置，采用信号采集器1进行微电网数据的采集，中央控制器2进行数据的分析和管理，获得监测点状态信息，并通过通信传输器3将处理后的状态信息进行传输。中央控制器采用计量MCU201和控制MCU202的双MCU结构，其中计量MCU201专门负责采样数据处理及电量计算，控制MCU202负责对计量MCU201和其他功能单元进行综合管理，计量MCU201通信连接所述控制MCU202，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。实现对微电网监测点电气信号的采集，根据计量算法得到所需电能参数；实现监测数据的可靠快速传输；实现对微电网电力设备的快速控制和故障保护。

通过信号采集器1获得采样数据后，需要在计量MCU201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。为保证计量MCU201中计算的准确性，本发明实施例还提供了一种微电网在线监测装置电量计量方法。

本发明实施例提供的微电网在线监测装置电量计量方法，参见附图3，主要包括一下步骤：

S101：建立微电网电压信号频率和相位的三相锁相环，对三相电压进行标幺化处理，获得闭环传递函数k_i表示积分系数，k_p表示比例系数，s在拉普拉斯变换里面表示一个复数，T_s表示周期。

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。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△ω，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。结合三相锁相环系统控制框图，如附图5，对三相电压进行标幺化处理，获得闭环传递函数k_i表示积分系数，k_p表示比例系数，s在拉普拉斯变换里面表示一个复数，Ts表示周期。

S102：根据控制理论PI参数选择得到k_p＝200,k_i＝60。

依据采样频率为6400Hz，根据控制理论优化PI参数选择得到k_p＝200,k_i＝60。

S103：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，当存在负序分量时，静止坐标系下电压合成矢量可表示为其中，分别为正负序分量幅值，为负序分量起始相角，j为虚数，ω为角频率，t为时间变量。

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，三相锁相环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。如此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。

当存在负序分量时，静止坐标系下电压合成矢量可表示为 分别为正负序分量幅值，为负序分量起始相角，j为虚数，ω为角频率，t为时间变量。

S104：根据三角函数半波特性，0.5(e^jωt+je^j(ωt-T/4))＝e^jωt，结合U_αβ(t)与U_αβ(t-T/4)，得到将正序分量从输入电压信号中剥离。

根据三角函数半波特性，0.5(e^jωt+je^j(ωt-T/4))＝e^jωt，结合U_αβ(t)与U_αβ(t-T/4)，得到将正序分量从输入电压信号中剥离。

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。采用的优化锁相环算法在频率和相位突变时具有快速跟踪速度和高测量精度，产生三相不平衡情况，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。

进一步优化技术方案，本发明实施例提供的微电网在线监测装置电量计量方法，还包括计算基波电压、电流模值和监测点流过的有功功率和监测点流过的无功功率。通过

计算基波电压、电流模值和监测点流过的有功功率和监测点流过的无P＝U_d*I_d+U_q*I_q

Q＝U_q*I_d-U_d*I_q

功功率。U_mod为基波电压，I_mod为电流模值，P为有功功率，Q为无功功率，Ud为电压有功分量,Uq为电压无功分量,Id为电流有功分量,Iq为电流无功分量。

计量MCU201中依照上述方法进行微电网监测信号的处理，有效提高计量参数的准确性。据现有使用数据表明，采用本发明实施例提供的微电网在线监测装置电量计量方法，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0.2ms以内。

本发明实施例提供的微电网在线监测装置及其电量计量方法，装置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监控中心，满足微电网在线监控的快速、实时、高精度等要求。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微电网在线监测装置，其特征在于，包括信号采集器、中央控制器和通信传输器；其中：

所述中央控制器包括计量MCU和控制MCU，所述计量MCU通信连接所述控制MCU；

所述信号采集器连接所述计量MCU，所述通信传输器连接所述控制MCU；

所述信号采集器包括电流电压传感器，用于采集微电网电流或电压信号，并将微电网电流或电压信号发送至所述计量MCU；所述通信传输器用于传输微电网监测状态信息。

2.根据权利要求1所述的微电网在线监测装置，其特征在于，所述信号采集器还包括调理放大电路和高精度AD采样芯片，所述电流电压传感器连接所述调理放大电路，所述调理放大电路连接所述高精度AD采样芯片，所述高精度AD采样芯片连接所述计量MCU。

3.根据权利要求1或2所述的微电网在线监测装置，其特征在于，所述微电网在线监测装置还包括动作控制器，所述动作控制器连接所述控制MCU。

4.根据权利要求3所述的微电网在线监测装置，其特征在于，所述动作控制器包括继电器。

5.一种微电网在线监测装置电量计量方法，用于上述权利要求1-4任意一项所述的计量MCU，其特征在于，所述方法包括：

建立微电网电压信号频率和相位的三相锁相环，对三相电压进行标幺化处理，获得闭环传递函数k_i表示积分系数，k_p表示比例系数，s在拉普拉斯变换里面表示一个复数，T_s表示周期；

根据控制理论PI参数选择得到k_p＝200,k_i＝60；

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，当存在负序分量时，静止坐标系下电压合成矢量可表示为其中，分别为正负序分量幅值，为负序分量起始相角，j为虚数，ω为角频率，t为时间变量；

根据三角函数半波特性，0.5(e^jωt+je^j(ωt-T/4))＝e^jωt，结合U_αβ(t)与U_αβ(t-T/4)，得到将正序分量从输入电压信号中剥离。

6.根据权利要求5所述的微电网在线监测装置电量计量方法，其特征在于，所述方法还包括：

计算基波电压、电流模值和监测点流过的有功功率和监测点流过的无功功率，

$U_{\mathrm{mod}}=\sqrt{U_d^2+U_q^2}$

$I_{\mathrm{mod}}=\sqrt{I_d^2+I_q^2},$

P＝U_d*I_d+U_q*I_q

Q＝U_q*I_d-U_d*I_q

U_mod为基波电压，I_mod为电流模值，P为有功功率，Q为无功功率，Ud为电压有功分量,Uq为电压无功分量,Id为电流有功分量,Iq为电流无功分量。