CN108459238B - 一种分布式储能用电网状态感知装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式储能用电网状态感知装置，包括：电能获取单元、电能转换单元、模数转换单元、微处理器、通信单元、状态显示单元、调试单元、电源单元。微处理器通过内置定时器控制模数转换单元完成电压A相、电压B相、电压C相、电流A相、电流B相和电流C相共计6路模拟输入量的同步采样，通过并行接口接收模数转换单元的转换结果，并对转换结果进行组包操作，组包后的数据包通过通信单元发送至服务器主站。本发明的有益效果是：高频率实时采集并上传电网三相原始电压信息和三相原始电流信息，数据采集频率在线或离线可调，为分布式储能装置控制策略的制定提供数据源。

Description

一种分布式储能用电网状态感知装置

技术领域

本发明涉及一种分布式储能用电网状态感知装置。

背景技术

进入新世纪以来，为应对能源危机和日益严峻的环境问题，世界各国将目光投向了开发和利用清洁环保的可再生能源，可再生能源发电逐步成为继火电、水电之后的第三大电源。然而，可再生能源固有的波动性和间歇性会影响电网安全、偏重于高压输电网，中低压电网投资建设规模相对偏低，尤其是许多农村供电设施经常出现满载、超载现象。随着分布式能源开发利用规模的进一步增加，分布式能源发电能力与电网接纳能力间的矛盾将愈加突出。亟待通过合理规划电网、采取必要支撑措施等方法，提高电网对分布式能源的接纳能力。

在众多可行方案中，储能技术是支撑电网灵活高效运行，辅助可再生能源接纳的重要手段。通过平抑功率和能量，储能系统可有效应对可再生能源的波动性和随机性，特别适合用于支撑电网消纳可再生能源。与分布式能源分散接入电网相似，分布式储能系统通过协调控制分散安装于配电网多处的储能装置，实现配电网各发电电源和用电负荷之间的最优匹配，显著改善电网电能质量，提高供电可靠性和电网运行经济性。同时，分布式储能系统可减小配电网局部输电阻塞对储能作用能力发挥的限制，尽可能发掘储能系统功能，实现多点多项盈利，加速储能设备投资回收。

然而，储能系统需要根据电力系统状态实时调整其充放电功率，进而实现储能装置的设计目标，任何储能应用场景下的各种储能系统控制方式的实施都必须建立在准确而实时的电力系统状态监测数据基础之上。通常，为完成储能系统调度控制，需要监控的电力系统实时运行状态信息包括：频率、电压有效值及相位、电流有效值及相位、有功功率、无功功率、功率因数值等。此外，为分析电网动态行为，还需要对电网电磁暂态或机电暂态过程中的电压电流及功率变化曲线进行录波，进而为后续分析提供依据。传统电力系统的状态监测技术已经发展的十分成熟，SCADA系统及EMS系统通常以秒级速率采集电网状态，广域测量系统能够以毫秒级的速率采集电网的相量信息，故障录波器还可以在故障情况下以微妙级的速率记录故障波形，但上述监测手段或是因为时间分辨率不够，或是面向电力系统高压输电线路，与分布式储能系统控制所需要的电网状态监测需求有较大偏差。

目前尚无一种切合分式储能系统调控需要的专用电网状态感知装置，满足其高精度及高时间分辨率的电网状态监测及动态过程电气量波形录制等功能需求，设计一种分布式储能用电网状态感知装置是十分必要的。

发明内容

本发明的目的就是解决上述问题，提供了一种分布式储能用电网状态感知装置，它具有测量精度高、实时性好、采样速率可调、传输稳定、与服务器应用程序无缝集成的优点。该装置是分布式储能系统获取电网实时运行状态的重要组件，进而为分布式储能系统调度控制提供基础，实现了电网三相电压和三相电流的实时监测，监测频率在线或离线可调，能与服务器主站进行信息双向通信。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案，包括：

本发明公开了一种分布式储能用电网状态感知装置，包括：电能获取单元、电能转换单元、模数转换单元、微处理器、通信单元、状态显示单元、调试单元和电源单元；

所述电能获取单元、电能转换单元和模数转换单元依次串联连接，所述微处理器与模数转换单元、状态显示单元、通信单元、调试单元和电源单元分别连接，所述电源单元还与模数转换单元、微处理器和通信单元分别连接；

所述微处理器通过内置定时器控制模数转换单元完成电压A相、电压B相、电压C相、电流A相、电流B相和电流C相共计6路模拟输入量的同步采样，通过并行接口接收模数转换单元的转换结果，并对转换结果进行组包操作，组包后的数据包通过通信单元发送至服务器主站。

进一步地，所述微处理器根据服务器主站发送的采样频率配置码在线更改信息采样频率。

进一步地，所述微处理器对转换结果进行组包操作具体为：当接收到模数转换单元的转换结果后对其进行数据校验，判断是否为有效的三相电压原始数据和三相电流原始数据，如果是，在接收到的原始数据前添加起始码和地址码，在原始数据后添加奇偶校验码和结束码，对数据进行校验后由微处理器控制通信单元发出；否则，继续等待新的原始数据。

进一步地，所述起始码标志着数据包的开始，地址码标志着数据包的目标地址，奇偶校验码为原始数据逐次按位异或所得计算结果，结束码标志着数据包的结束。

进一步地，所述数据包总长度为12字节，字节1为起始码，标志着数据包的开始，字节2为地址码，标志着数据包的目标地址，字节3表示A相电压值高8位、字节4表示A相电压值低八位，字节5表示B相电压值高八位、字节6表示B相电压值低八位，字节7表示C相电压值高八位、字节8表示C相电压值低八位，字节9表示A相电流值高八位、字节10表示A相电流值低八位，字节11表示B相电流值高八位、字节12表示B相电流值低八位，字节13为C相电流值高八位、字节14表示C相电流值低八位，字节15表示数据奇偶校验值，字节16表示数据结束码。

进一步地，所述电能转换单元包含微型电压互感器和微型电流互感器；所述微型电压互感器输入端连接于用电现场高压电压互感器的二次侧，高压电压互感器将用电现场的高压电线性转化为设定的交流电压信号；微型电流互感器的输入端连接用电现场高压电流互感器的二次侧，高压电流互感器将用电现场的大电流线性转化为设定的交流电流信号。

进一步地，所述微处理器主程序分为三个独立线程，分别为定时采样控制线程、信息通信线程、状态显示线程；定时采样控制线程保证微处理器按照设定的采样频率精确控制模数转换单元完成数据采集，信息通信线程实现微处理器和服务器之间的信息双向通信，状态显示程序是在调试状态和监测状态下完成状态显示功能。

进一步地，所述状态显示单元包括：调试用电源指示灯，调试用运行指示灯，监测用电源指示灯，监测用运行指示灯。

本发明有益效果：

本发明集电能获取单元，电能转换单元、模数转换单元、微处理器、通信单元、状态显示单元、调试单元、电源单元于一体；实现了电网运行状态的实时监测，监测数据为三相原始电压数据和电流数据；通信单元实现了装置和服务器主站间监测信息和控制命令的双向传输，数据采样频率在线或离线可调；原始电压和电流信息可供服务器完成波形录制功能、功率信息计算功能。

附图说明

图1为系统总体结构图；

图2为装置前面板图；

图3为装置后面板图；

图4为系统软件架构图；

图5为电能获取单元结构图；

图6为电能转换单元结构图；

图7为电能转换单元低压侧滤波保护电路；

图8为模数转换单元接线图；

图9为模数转换单元采样时序图；

图10为微处理器程序执行流程图；

图11为数据组包程序流程图；

图12为通信单元接线图；

图13为JTAG接口接线图；

图14为USB-TTL转换芯片接线图；

图15为状态显示单元结构图；

图16为电源单元接线图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种分布式储能用电网状态感知装置，如图1所示，包括：电能获取单元、电能转换单元、模数转换单元、微处理器、通信单元、状态显示单元、调试单元、电源单元。

分布式储能用电网状态感知装置的主要功能是采集电网的实时运行数据，为分布式储能装置控制策略的制定提供数据源。电能获取单元从电网监测点引入电能，高电压、大电流电能经过电能转换单元被线性转化为低电压、小电流的测量信号，测量信号包含三相电压信号和三相电流信号。

微处理器通过定时器精准控制模数转换单元进行六路模拟测量信号的同步采样，默认采样频率为1000Hz，采样频率在装置运行中在线或离线可调。模拟测量信号由模数转换单元转化为16位精度的数字信号，微处理器通过模数转换单元的BUSY通道状态来判断模数转换是否完成，若转换完成，数字信号通过并行接口发送给微处理器，否则，继续等待直至转换完成。

通信单元的功能是实现微处理器和服务器主站间的数据双向通信，数据通信采用RS485方式。微处理器将模数转换单元转化后的数字信号进行组包操作，组包协议自定义，包含起始码字节、地址码字节、数据字节、奇偶校验字节和结束码字节，组包后的数据由通信单元发送至服务器主站。装置的默认采样频率为1000Hz，单个完整的数据包长度为12字节，因此1s内由通信单元发送至服务器主站的数据量为12000字节，即通信单元的最小通信速率为120kbps，考虑到数据裕度和数据通信的可靠性，通信单元的波特率设定为256kbps，无校验位，8位数据位，1位停止位格式，满足实际通信要求；

调试单元包括USB转TTL调试模块和JTAG调试模块，USB转TTL模块由CH340芯片及其外围电路实现，利用该模块实验人员可以利用一根USB调试线由计算机向微处理器内部烧录程序，烧录过程支持一键下载，也可以由微处理器向计算机发送串行数据；JTAG模块的主要用途是调试程序，利用JTAG模块实验人员可以给装置的程序设置断点，并控制程序进行单步执行、单步进入、单步跳出程序操作，各个变量的数值变化都可以实时输出，微程序调试提供方便，同时JTAG模块也可以完成程序烧录过程。

状态显示单元包含4个LED指示灯，LED1和LED2为调试用，LED3和LED4为监测用，LED1和LED3的功能均为电源指示灯，电源模块工作正常即亮，电源模块工作异常则灭，LED2和LED4为运行指示灯，装置采样电网信息是保持闪烁状态，闪烁频率为2Hz，停止采样时灯灭。电源模块为整个装置提供稳定的直流5V电能输出，是模数转换单元、微处理器、通信单元、状态显示单元、调试单元正常运行的保障。

如图2所示，装置前面板包含电源插座、电源开关、运行指示灯、电源指示灯以及装置名称。电源插座支持220V交流市电直接引入，内含接地线和保险丝，当通过电流大于5A时，保险丝自动熔断，能够有效防止短路事故发生。电源部分包含电源插座和电源开关，具有切断/闭合供电回路和指示电源工作的功能。电源指示灯和运行指示灯即LED3和LED4，用于监测时使用，电源指示灯在装置上电后保持常亮，运行指示灯在装置正常运行时闪烁，闪烁频率为2Hz。装置名称为整个系统的名称，即分布式储能用电网状态感知装置。

如图3所示，装置后面板包含JTAG调试接口、USB-TTL调试接口以及电能获取单元接口。JTAG调试接口为双排10插针公头插座，该插座的主要用途是调试程序，利用JTAG模块实验人员可以给装置的程序设置断点，并控制程序进行单步执行、单步进入、单步跳出程序操作，另外，JTAG模块也可以完成程序烧录过程。USB-TTL调试接口为单排4插座公头插座，利用该接口，实验人员仅需要一根USB连接线即可实现分布式储能用电网状态感知装置和计算机之间的双向通信。

如图4所示，系统软件架构图分为采样控制程序、采样检测程序、采样读取程序以及数据通信程序，四部分程序均运行于微处理器中，由μC/OS-II操作系统自动分配任务。采样控制程序基于微处理器的精准定时器，根据系统设定为模数转换单元提供采样控制信号，支持在线/离线修改定时器的预设值，分布式储能用电网状态感知装置的采样频率可以离线/在线修改。采样检测程序，由微处理器实时监测模数转换单元的采样忙碌位，当采样忙碌位产生下降沿(由高电平转化为低电平)时，说明一次有效采样完毕。采样读取程序控制微处理器通过16位并行通信接口读取模数转换单元的输出结果。数据处理程序将模数转换单元生成的原始数据、包头以及包尾进行整合，生成可供发送的完整数据包。数据通信程序控制微处器将完整数据包通过RS485通信接口发送至服务器主站，并能接收服务器主站下达的控制命令。

如图5所示，电能获取单元结构图，包含A相电压采集端子Ua，B相电压采集端子Ub，C相电压采集端子Uc，A相电流采集端子Ia，B相电流采集端子Ib，C相电流采集端子Ic，RS485通信端子D+/A和D-/B，低压供电端子+5V和GND为外部设备提供便携式低压电源接口。电能获取单元采用双排8PJP13C型继电保护装置电流端子，最大支持10A输入电流，隔离电压为1000V。

如图6所示，电能转换单元结构图，包含三相电压传感器、三相电流传感器以及保护单元。未经电压互感器或电流互感器转换的电路称为一次侧，经过电压互感器和电流互感器转换的电路称为二次侧，电压互感器和电流互感器起到了强弱电隔离的作用。保护单元为相互反向串联的二极管并联于互感器的输出端，当互感器工作异常，输出值大于其额定值时，保护单元的二极管被击穿从而形成短路回路，防止互感器的异常工作影响到分布式储能用电网状态感知装置的内部电路，有效保护了装置内部元器件。

如图7所示，电能转换单元低压侧滤波保护电路，U2为电压互感器或电流互感器，DZ3和DZ4构成电能转换单元保护电路，R2、AR2、C2、L3、L4构成电能转换单元滤波电路。电压互感器或电流互感器正常工作时，U2的输出端电压小于或等于额定值，DZ3和DZ4通道断开，电压互感器或电流互感器工作异常时，U2的输出电压大于额定值，DZ3和DZ4被击穿形成短路通道，因此U2的故障无法影响到后续电路，有效保护了分布式储能用电网状态感知装置的内部电路。电能转换单元滤波电路为典型的电阻、电容、电感滤波电路，可以有效削减直流分量以及噪声干扰的影响。

如图8所示，模数转换单元接线图，电源模块为模数转换单元提供稳定的5V直流电源，三相电压互感器和三相电流互感器通过通道1至通道6连接模数转换单元，模数转换单元支持6个通道的同步采样。模数转换单元通过16路并口连接微处理器上传转换后的数据。微处理器的基于内部精准定时器，根据系统设定为模数转换单元提供时序控制采样信号，通过在线/离线修改定时器的预设值，分布式储能用电网状态感知装置的采样频率可以被离线/在线修改。微处理器实时监测模数转换单元的采样忙碌位，当采样忙碌位产生下降沿(由高电平转化为低电平)时，说明一次有效采样完毕。

如图9所示，模数转换单元采样时序图，CONVSTA AND CONVSTB为采样控制线，BUSY为忙碌检测线，CS为使能线，RD为读使能线，DATA:DB[15:0]为并行通信线。微处理器利用定时器准确控制采样控制线产生一个上升沿(低电平转化为高电平)，此时模数转换单元开始采样，经过至多4微妙的转化时间，采样值被模数转换单元转化完毕，此时忙碌检测线产生一个下降沿(高电平转化为低电平)，微处理器通过判断忙碌检测线的电平变化来判断模数转换单元是否转化完毕，当忙碌监测线产生一个下降沿时，微处理器通过并行通信线来读取模数转换单元的转化结果。由于微处理器只控制一个模数转换单元，因此设置使能线和读使能线可恒定设置为高电平。

如图10所示，微处理器程序执行流程图，微处理器上电后，首先执行初始化程序，具体包括内部时钟初始化、外部引脚初始化、中断初始化、中断优先级初始化、定时器初始化。微处理器的程序基于μC/OS-II操作系统，包含开始任务、状态显示任务、模数转换任务、通信任务，在开始任务中定义了余下的三个任务，每个任务为独立线程，由操作系统分配执行时序，确保任何一个任务提出请求到完成响应动作的时间不超过10微秒。任务创建完毕后进入循环等待过程，此时微处理器根据操作系统的命令，响应所需执行的任务。

如图11所示，数据组包程序流程图，程序开始后，当收到原始数据后对其进行数据校验，判断是否为有效的三相电压原始数据和三相电流原始数据，若无效则继续等待新的原始数据，若原始数据有效，在原始数据前添加起始码和地址码，在原始数据后添加奇偶校验码和结束码，组包后的数据经校验通过后由微处理器控制通信单元发出，若组包后的数据校验不通过校验，则重新等待原始数据。起始码标志着数据包的开始，地址码标志着数据包的目标地址，奇偶校验码为原始数据逐次按位异或所得计算结果，结束码标志着数据包的结束。

如图12所示，通信单元接线图，SP3485芯片的功能为微处理器RS232串行通信信息和RS484串行通信信息的相互转化。USART2-RX连接微处理器的串行总线接口输入端，USART2-TX连接微处理器的串行总线接口输出端，微处理器控制RS485_RE端口的电平，当RS485_RE为高电平时，SP3485芯片接收上位机下达的数据，当RS485_RE为低电平时，SP3485芯片发送数据至上位机。RS485A和RS485B分别连接通信单元的输出端子，进而与计算机进行连接。

如图13所示，JTAG接口接线图，JTAG(Joint Test Action Group；联合测试工作组)是一种国际标准测试协议(IEEE 1149.1兼容),主要用于芯片内部测试。基于JTAG接口，实验人员可以给装置的程序设置断点，并控制程序进行单步执行、单步进入、单步跳出程序操作，另外，JTAG模块也可以完成程序烧录过程。USB-TTL调试接口为单排4插座公头插座，实验人员仅需要一根USB连接线即可实现分布式储能用电网状态感知装置和计算机之间的双向通信。

如图14所示，USB-TTL转换芯片接线图，由于微处理器选用STM32F407芯片，该芯片的高电平为直流3.3V，而计算机的高电平为直流5V，因此计算机和微处理器无法直接相连进行数据通信。CH340芯片实现了3.3V直流电压和直流5V直流电压信号的相互转化。利用USB-TTL转换芯片，实验人员可以通过计算机给微处理器烧录程序，也可以利用计算机接收微处理器上传的串行通信数据。

如图15所示，状态显示单元结构图，状态显示单元分为调试用部分和监测用部分。调试用部分包含LED1和LED2，LED1为调试用电源指示灯，LED2位调试用运行指示灯。监测用部分包含LED3和LED4，LED3为监测用电源指示灯，LED4为监测用运行指示灯。LED1和LED2选用0805贴片式封装黄色指示灯，LED3选用5mm直径直插式红色指示灯，LED4选用5mm直径直插式绿色指示灯。

如图16所示，电源单元接线图，电源单元选用明纬公司生产的RS-15-5型开关电源，该电源支持交流220V市电输入，输出为5V直流信号，总功率为15W。该电源具有三个进线端子，L代表市电220V交流火线进线端子，N代表市电220V交流零线进线端子，FG代表市电220V交流地线进线端子。该电源具有两个出线端子，+5V代表直流5V输出，GND代表直流地输出。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种分布式储能用电网状态感知装置，其特征在于，包括：电能获取单元、电能转换单元、模数转换单元、微处理器、通信单元、状态显示单元、调试单元和电源单元；

所述电能获取单元、电能转换单元和模数转换单元依次串联连接，所述微处理器与模数转换单元、状态显示单元、通信单元、调试单元和电源单元分别连接，所述电源单元还与模数转换单元、微处理器和通信单元分别连接；

所述电能转换单元包含三相电压传感器、三相电流传感器以及保护单元，未经电压互感器或电流互感器转换的电路称为一次侧，经过电压互感器和电流互感器转换的电路称为二次侧，电压互感器和电流互感器起到了强弱电隔离的作用；所述保护单元为相互反向串联的二极管并联于互感器的输出端，当互感器工作异常，输出值大于其额定值时，保护单元的二极管被击穿从而形成短路回路，防止互感器的异常工作影响到分布式储能用电网状态感知装置的内部电路，有效保护了装置内部元器件；

所述微处理器通过内置定时器控制模数转换单元完成电压A相、电压B相、电压C相、电流A相、电流B相和电流C相共计6路模拟输入量的同步采样，通过并行接口接收模数转换单元的转换结果，并对转换结果进行组包操作，组包后的数据包通过通信单元发送至服务器主站；

所述微处理器对转换结果进行组包操作具体为：当接收到模数转换单元的转换结果后对其进行数据校验，判断是否为有效的三相电压原始数据和三相电流原始数据，如果是，在接收到的原始数据前添加起始码和地址码，在原始数据后添加奇偶校验码和结束码，对数据进行校验后由微处理器控制通信单元发出；否则，继续等待新的原始数据；

所述微处理器的内置定时器，根据系统设定为模数转换单元提供时序控制采样信号，通过在线/离线修改定时器的预设值，分布式储能用电网状态感知装置的采样频率可以被离线/在线修改；

所述微处理器主程序分为三个独立线程，分别为定时采样控制线程、信息通信线程、状态显示线程；定时采样控制线程保证微处理器按照设定的采样频率精确控制模数转换单元完成数据采集，信息通信线程实现微处理器和服务器之间的信息双向通信，状态显示线程是在调试状态和监测状态下完成状态显示功能。

2.如权利要求1所述的一种分布式储能用电网状态感知装置，其特征在于，所述微处理器根据服务器主站发送的采样频率配置码在线更改信息采样频率。

3.如权利要求1所述的一种分布式储能用电网状态感知装置，其特征在于，所述起始码标志着数据包的开始，地址码标志着数据包的目标地址，奇偶校验码为原始数据逐次按位异或所得计算结果，结束码标志着数据包的结束。

4.如权利要求3所述的一种分布式储能用电网状态感知装置，其特征在于，所述数据包总长度为16字节，字节1为起始码，标志着数据包的开始，字节2为地址码，标志着数据包的目标地址，字节3表示A相电压值高8位、字节4表示A相电压值低八位，字节5表示B相电压值高八位、字节6表示B相电压值低八位，字节7表示C相电压值高八位、字节8表示C相电压值低八位，字节9表示A相电流值高八位、字节10表示A相电流值低八位，字节11表示B相电流值高八位、字节12表示B相电流值低八位，字节13为C相电流值高八位、字节14表示C相电流值低八位，字节15表示数据奇偶校验值，字节16表示数据结束码。

5.如权利要求1所述的一种分布式储能用电网状态感知装置，其特征在于，所述状态显示单元包括：调试用电源指示灯，调试用运行指示灯，监测用电源指示灯，监测用运行指示灯。