CN113765050A - 智能微电网在线检测及故障分析系统 - Google Patents

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CN113765050A CN202111049036.5A CN202111049036A CN113765050A CN 113765050 A CN113765050 A CN 113765050A CN 202111049036 A CN202111049036 A CN 202111049036A CN 113765050 A CN113765050 A CN 113765050A
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Sanjiang University
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Abstract

本发明涉及微电网智能控制领域，尤其涉及一种智能微电网在线检测及故障分析系统，其特征在于：其包括第一数据采集装置、第二数据采集装置、控制系统和触摸屏；第一数据采集装置连接于光伏发电阵列输出端；第二数据采集装置包括连接于逆变器直流侧的直流变送器和连接于逆变器交流侧的交流变送器；控制系统包括控制器和开关控制电路；控制器用于根据采集的数据输出开关控制电路的控制信号；开关控制电路用于控制光伏发电阵列和逆变器直流侧通断，用于控制逆变器交流侧和用户侧负荷的通断；触摸屏连接于控制器用于显示检测的数据及人机交互。本发明实时检测在线电量数据，在系统故障时，实现故障点切除。

Description

智能微电网在线检测及故障分析系统
技术领域
本发明涉及微电网智能控制领域，尤其涉及一种智能微电网在线检测及故障分析系统。
背景技术
智能电网将通信技术、计算机技术、传感检测技术、控制技术等诸多先进技术和原有的电网设施进行高度融合与集成，形成新型电网。微电网能够稳定运行的前提是对其发生故障时能够很好地控制，传统的配电网检测及故障方法已经不再适用于微电网，因此研究智能微电网的在线检测与故障分析策略是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种智能微电网在线检测及故障分析系统，实时检测在线电量数据，在系统故障时，实现故障点切除。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：智能微电网在线检测及故障分析系统，包括：
第一数据采集装置、第二数据采集装置、控制系统和触摸屏；
第一数据采集装置连接于光伏发电阵列输出端用于采集光伏发电阵列输出的电流和电压值；
第二数据采集装置，包括连接于逆变器直流侧的直流变送器和连接于逆变器交流侧的交流变送器；直流变送器用于采集逆变器直流侧电量，交流变送器用于采集逆变器交流侧电量；
控制系统包括控制器和开关控制电路；控制器的输入端连接于第一数据采集装置和第二数据采集装置，输出端连接于开关控制电路；控制器用于根据采集的数据输出开关控制电路的控制信号；开关控制电路包括直流继电器和交流继电器，直流继电器用于控制光伏发电阵列和逆变器直流侧通断，交流继电器用于控制逆变器交流侧和用户侧负荷的通断，直流继电器线圈端连接于控制器，直流继电器负载端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧；交流继电器线圈端连接于控制器，交流继电器负载端连接于逆变器交流侧和用户侧；
触摸屏连接于控制器用于显示检测的数据及人机交互。
按以上方案，第一数据采集装置包括依次连接的多路复用器、电力计量芯片、单片机和通信模块；多路复用器连接于光伏发电阵列中各设备的信号端，单片机还连接于多路复用器用于进行多路通道切换，通信模块输出端连接于控制器用于将光伏发电阵列输出信号出发送至控制器；单片机将电力计量芯片寄存器中的电力参数读出。
按以上方案，第一数据采集装置还包括光电隔离器，光电隔离器连接于单片机和多路复用器之间，光电隔离器减小外部干扰所带来的各种误差，更好的实现弱电控制强电。
按以上方案，通信模块采用的是RS485通讯模块；通信模块和控制器均与另设的上位机通信，控制器采用以太网与另设的上位机通信。实现现场人机交互与远程监控，更为安全地监控和控制微电网，釆用以RS485为底层通信和以工业以太网为上层通信的双层通信方式，有效地提高了通信系统的抗干扰能力，同时也解决了通信距离长带来的通信问题。
按以上方案，第一数据采集装置还包括连接于单片机用于对光伏发电阵列的信号进行显示的显示屏。
按以上方案，直流变送器包括直流电流变送器和直流电压变送器，交流变送器包括交流电流变送器和交流电压变送器；
直流电流变送器的穿孔围设于光伏发电阵列和逆变器直流侧之间正电源线，交流电流变送器的穿孔围设于逆变器交流侧和用户侧之间正电源线；
直流电压变送器信号采集端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧之间，交流电压变送器信号采集端连接于逆变器交流侧和用户侧之间。
按以上方案，控制器包括PLC和AD模块，直流变送器和交流变送器的输出端均连接于AD模块输入端，AD模块输出端连接于PLC；PLC采用的是FX5U型PLC，AD模块采用的是三菱FX5U-4AD-ADP模块。
按以上方案，直流继电器包括高压直流继电器和低压直流继电器，低压直流继电器线圈端连接于控制器，低压直流继电器负载端连接于高压直流继电器线圈端，高压直流继电器负载端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧；在高压直流继电器前用低压直流继电器控制高压直流继电器的通断，既可以保护PLC设备的安全，也可以保护操作人员的人身安全。
按以上方案，控制系统还包括用于将交流220V转换为24V直流电的直流整流器，直流整流器输入端连接于逆变器交流侧，直流整流器连接于直流变送器、交流变送器、直流继电器、交流继电器的电源端用于提供工作电压。
按以上方案，控制系统的故障分析方法为：
步骤1、采集数据：第一数据采集装置采集光伏发电阵列输出的电流和电压值；第二数据采集装置的直流变送器采集逆变器直流侧电量，交流变送器采集逆变器交流侧电量；
步骤2、判断数据是否正常，检测到异常电流电压后，驱动故障点继电器动作，切除故障电路：
步骤2.1：在控制器中预设工作电流电压、故障电流电压和速断保护电流的阈值；
步骤2.2：将采集的数据与阈值对比，判断数据是否正常；若正常，则继电器接通；若异常，继电器断开后再重合，跳转至步骤3；
步骤3、若数据正常，则是瞬时故障，跳转至步骤2.2；若数据依然不正常，则为永久故障，继电器再次断开。
本发明具有如下有益效果：
一、实时采集发电侧、电网逆变器直流侧和交流侧数据状态，实现电网电能质量的在线监测。数据采集使用两种采集方式同时采集，一是电力专用芯片CS5460A为主构成的多路采集；二是直流电压、电流变送器采集逆变器直流侧电量，交流电压、电流变送器采集逆变器交流侧电量，保证数据采集的可靠性；
二、本发明能够同时实现微电网在线检测与系统故障分析，在系统故障时，实时提取各个点的电压与电流瞬时值，通过控制器的实时运算与比较，采用PLC控制继电器动作实现自动重合闸功能及自动切除故障功能，切除故障点；本发明简单实用，具有效率高、安全可靠的优点，为微电网设备的稳定运行提供安全的保障。
附图说明
图1为本发明实施例整体结构示意图；
图2为本实施例中第一数据采集装置的电路原理图；
图3为本实施例中第二数据采集装置的电路原理图；
图4为本实施例中第二数据采集装置与控制器连接的电路原理图；
图5为本实施例中控制器与开关控制电路连接的电路原理图；
图6为本实施例中故障分析的流程图。
其中，1、第一数据采集装置；2、第二数据采集装置；3、控制器；4、开关控制电路；5、触摸屏。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参考图1至图6，本发明为一种智能微电网在线检测及故障分析系统，设于微电网中，微电网中的光伏发电阵列发出电能并通过逆变器将直流电转换成交流电后给用户侧负荷使用；本发明系统包括第一数据采集装置1、第二数据采集装置2、控制系统和触摸屏5。
控制系统根据第一数据采集装置1和第二数据采集装置2采集的数据，运算分析，检测到异常电流电压后，驱动故障点继电器动作，切除故障部分，保证整个系统的可靠性；系统主保护为速断保护。
为确保电流电压的实时性，控制器3的数据采集接收两个数据采集装置的输入，第一数据采集装置1通过RS485通信传输数据，采集太阳能光伏发电阵列中各光伏设备输出的电压电流，第二数据采集装置2通过电缆电路直接输入，主要采集逆变器输入输出侧电流及电压。本实施例中，逆变器输入侧为直流侧，逆变器输出侧为交流侧。
结合图1和图2，第一数据采集装置1连接于光伏发电阵列输出端用于采集光伏发电阵列输出的电流和电压值；第一数据采集装置1包括依次连接的多路复用器、电力计量芯片、单片机和通信模块；本实施例中，多路复用器采用ADG707B芯片，电力计量芯片为CS5460A芯片，单片机为STM32芯片。
多路复用器ADG707B连接于光伏发电阵列中各设备的信号端采集测16路电流INA1-INA16与一路电压V，经过多路复用器ADG707B进行筛选其中一组数据，将数据传输至电力计量芯片CS5460A中，再将电力计量芯片CS5460A中的测量的电气参数传输至单片机STM32中；单片机STM32将电力计量芯片CS5460A寄存器中的电力参数读出；
单片机STM32还通过光电隔离器连接于多路复用器ADG707B用于进行多路通道切换，光电隔离器采用的是6N137芯片，有电压隔离作用，可以选择16路电流中的其他电流数据；
通信模块输出端连接于控制器3用于将光伏发电阵列输出信号出发送至控制器3，在另一种实施例中，通信模块还用于与另设的上位机通信连接；
通信模块为RS485通讯模块，采用的是ISO3082芯片，通过RS485接口与PLC和上位机配合，将数据传输至PLC和上位机中。
第一数据采集装置1还包括连接于单片机用于对所测光伏发电阵列的信号进行显示的显示屏，本实施例中，显示屏采用的是320*240cm的大彩屏。
结合图1、图3和图4，第二数据采集装置2包括连接于逆变器直流侧的直流变送器和连接于逆变器交流侧的交流变送器；直流变送器用于采集逆变器直流侧电量，交流变送器用于采集逆变器交流侧电量；直流变送器包括直流电流变送器和直流电压变送器，交流变送器包括交流电流变送器和交流电压变送器；
图3中圆圈Idc和Iac对应的位置为直流电流变送器和交流电流变送器的穿孔，Idc对应直流电流变送器，Iac对应交流电流变送器；
正电源线V+分别穿过直流电流变送器和交流电流变送器的穿孔；直流电流变送器的穿孔围设于光伏发电阵列和逆变器直流侧之间正电源线，交流电流变送器的穿孔围设于逆变器交流侧和用户侧之间正电源线；直流电流变送器和交流电流变送器的穿孔用于电流数据采集；
直流电压变送器信号采集端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧之间，交流电压变送器信号采集端连接于逆变器交流侧和用户侧之间；参阅图3，直流电压变送器和交流电压变送器的引脚“1”、“3”端用于电压数据采集；
直流变送器和交流变送器的“10”、“11”端是电源端，连接于24V直流电源，获取工作电压。直流电压变送器和交流电压变送器的“8”、“12”端用于数据采集的输出。直流电流变送器和交流电流变送器的“8”、“12”端用于数据采集的输出。
结合图1、图4和图5，控制系统包括控制器3和开关控制电路4；控制器3的输入端连接于第一数据采集装置1和第二数据采集装置2，输出端连接于开关控制电路4；
控制器3用于根据采集的数据输出开关控制电路4的控制信号；控制器3包括PLC和AD模块，直流变送器和交流变送器的输出端均连接于AD模块输入端，AD模块输出端连接于PLC；PLC采用的是FX5U型PLC，AD模块采用的是三菱FX5U-4AD-ADP模块。
开关控制电路4切断故障电路，包括直流继电器和交流继电器，直流继电器用于控制光伏发电阵列和逆变器直流侧通断，交流继电器用于控制逆变器交流侧和用户侧负荷的通断，直流继电器线圈端连接于控制器3，直流继电器负载端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧；交流继电器线圈端连接于控制器3，交流继电器负载端连接于逆变器交流侧和用户侧；
本实施例中，在发电侧的直流继电器为高压直流继电器，为了保障安全，在高压直流继电器前用低压直流继电器控制高压直流继电器的通断，既可以保护PLC等设备的安全，也可以保护操作人员的人身安全。低压直流继电器线圈端连接于控制器3，低压直流继电器负载端连接于高压直流继电器线圈端，高压直流继电器负载端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧；
控制系统还包括用于将交流220V转换为24V直流电的直流整流器，直流整流器输入端连接于逆变器交流侧，直流整流器连接于直流变送器、交流变送器、直流继电器、交流继电器的电源端用于提供工作电压。PLC上设有熔断器和开关，参阅图5，PLC的引脚X0接启停开关，引脚X1接急停开关，引脚X2接熔断器，进一步保护PLC设备安全。另设有上位机时，控制器PLC采用以太网与另设的上位机通信，上位机远程监控使用力控这一组态软件实时显示单片机中的测量数据，上位机与STM32单片机使用RS485通信，上位机与PLC之间使用以太网通信监控控制系统的控制情况。
控制器PLC控制继电器动作的工作原理为：PLC驱动继电器动作实现保护，强电中的高压直流继电器经低压直流继电器被PLC控制，按照自动重合闸原理设计继电器动作保护，电流保护采用电流速断保护作为主保护。
当逆变器直流一侧数据正常时，PLC输出高电平给低压直流继电器，低压直流继电器的线圈端导通，线圈通电，低压直流继电器的负载端闭合；低压直流继电器的负载端连接24V电源后连接于高压直流继电器的线圈端，低压直流继电器负载端闭合时相当于高压直流继电器线圈端导通，高压直流继电器线圈通电，高压直流继电器的负载端闭合，高压直流继电器负载两端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧，高压直流继电器的负载端闭合相当于导通光伏发电阵列和逆变器直流侧；即PLC输出高电平给低压直流继电器时，高压直流继电器接通，光伏发电阵列和逆变器直流侧导通；
当逆变器直流一侧数据异常时，PLC输出低电平给低压直流继电器，低压直流继电器的线圈端不导通，线圈不通电，低压直流继电器的负载端不闭合，从而高压直流继电器线圈不通电，高压直流继电器的负载端不闭合，光伏发电阵列和逆变器直流侧断开；即PLC输出低电平给低压直流继电器时，高压直流继电器断开，光伏发电阵列和逆变器直流侧断开；
当逆变器交流一侧数据正常时，PLC输出高电平给交流继电器，交流继电器的线圈端导通，线圈通电，交流继电器的负载端闭合，交流继电器负载两端连接于逆变器交流侧和用户侧，交流继电器的负载端闭合相当于导通逆变器交流侧和用户侧；即PLC输出高电平给交流继电器时，交流继电器接通，逆变器交流侧和用户侧导通；
同理，当逆变器交流一侧数据异常时，PLC输出低电平给交流继电器，交流继电器断开，逆变器交流侧和用户侧断开。
本实施例中，触摸屏5连接于控制器3用于显示检测的数据及人机交互，实时查看数据是否正常，设备是否正常运行，显示时间、故障类型、恢复时间等，方便管理人员进行数据查阅；可以重启系统，也可以强制停止系统运行；触摸屏5采用的是GOT触摸屏5。
参阅图6，控制器3判断故障点，输出驱动继电器控制故障点的分断与恢复，故障分析方法为：
步骤1、采集数据：系统启动后，第一数据采集装置1采集光伏发电阵列输出的电流和电压值；第二数据采集装置2的直流变送器采集逆变器直流侧电量，交流变送器采集逆变器交流侧电量；
将采集后的数据采用现有的最小二乘法进行修正并存储到PLC的软寄存器；
步骤2、判断数据是否正常，检测到异常电流电压后，驱动故障点继电器动作，切除故障电路：
步骤2.1：在控制器中预设工作电流电压、故障电流电压和速断保护电流的阈值；本实施例采用的是速断保护为主保护，具体为，预设正常工作电流、速断保护电流和故障电流；
步骤2.2、将实时采集的电流数据与阈值对比，判断数据是否正常；若正常，则继电器接通；若异常，继电器断开后再重合闸，跳转至步骤3；
步骤3、判断数据是否正常，若数据正常即一次重合闸后电流恢复正常，则为瞬时故障，跳转至步骤2.2；若一次重合闸后电流数据仍然不正常，则为永久故障，继电器再次断开，切除故障电路；记录下瞬时故障与永久故障，发生故障出触摸屏5报警。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.智能微电网在线检测及故障分析系统，设于微电网中，微电网中的光伏发电阵列发出电能并通过逆变器将直流电转换成交流电后给用户侧负荷使用；其特征在于，包括：
第一数据采集装置、第二数据采集装置、控制系统和触摸屏；
第一数据采集装置连接于光伏发电阵列输出端用于采集光伏发电阵列输出的电流和电压值；
第二数据采集装置，包括连接于逆变器直流侧的直流变送器和连接于逆变器交流侧的交流变送器；直流变送器用于采集逆变器直流侧电量，交流变送器用于采集逆变器交流侧电量；
控制系统包括控制器和开关控制电路；控制器的输入端连接于第一数据采集装置和第二数据采集装置，输出端连接于开关控制电路；控制器用于根据采集的数据输出开关控制电路的控制信号；开关控制电路包括直流继电器和交流继电器，直流继电器用于控制光伏发电阵列和逆变器直流侧通断，交流继电器用于控制逆变器交流侧和用户侧负荷的通断，直流继电器线圈端连接于控制器，直流继电器负载端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧；交流继电器线圈端连接于控制器，交流继电器负载端连接于逆变器交流侧和用户侧；
触摸屏连接于控制器用于显示检测的数据及人机交互。
2.根据权利要求1所述的智能微电网在线检测及故障分析系统，其特征在于：第一数据采集装置包括依次连接的多路复用器、电力计量芯片、单片机和通信模块；
多路复用器连接于光伏发电阵列中各设备的信号端，单片机还连接于多路复用器用于进行多路通道切换，通信模块输出端连接于控制器用于将光伏发电阵列输出信号出发送至控制器。
3.根据权利要求2所述的智能微电网在线检测及故障分析系统，其特征在于：第一数据采集装置还包括光电隔离器，光电隔离器连接于单片机和多路复用器之间。
4.根据权利要求2所述的智能微电网在线检测及故障分析系统，其特征在于：通信模块采用的是RS485通讯模块；通信模块和控制器均与另设的上位机通信，控制器采用以太网与另设的上位机通信。
5.根据权利要求2所述的智能微电网在线检测及故障分析系统，其特征在于：第一数据采集装置还包括连接于单片机用于对光伏发电阵列的信号进行显示的显示屏。
6.根据权利要求1所述的智能微电网在线检测及故障分析系统，其特征在于：直流变送器包括直流电流变送器和直流电压变送器，交流变送器包括交流电流变送器和交流电压变送器；
直流电流变送器的穿孔围设于光伏发电阵列和逆变器直流侧之间正电源线，交流电流变送器的穿孔围设于逆变器交流侧和用户侧之间正电源线；
直流电压变送器信号采集端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧之间，交流电压变送器信号采集端连接于逆变器交流侧和用户侧之间。
7.根据权利要求1所述的智能微电网在线检测及故障分析系统，其特征在于：控制器包括PLC和AD模块，直流变送器和交流变送器的输出端均连接于AD模块输入端，AD模块输出端连接于PLC；PLC采用的是FX5U型PLC，AD模块采用的是三菱FX5U-4AD-ADP模块。
8.根据权利要求1所述的智能微电网在线检测及故障分析系统，其特征在于：直流继电器包括高压直流继电器和低压直流继电器，低压直流继电器线圈端连接于控制器，低压直流继电器负载端连接于高压直流继电器线圈端，高压直流继电器负载端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧。
9.根据权利要求1所述的智能微电网在线检测及故障分析系统，其特征在于：控制系统还包括用于将交流220V转换为24V直流电的直流整流器，直流整流器输入端连接于逆变器交流侧，直流整流器连接于直流变送器、交流变送器、直流继电器、交流继电器的电源端用于提供工作电压。
10.根据权利要求1所述的智能微电网在线检测及故障分析系统，其特征在于：控制系统的故障分析方法为：
步骤1、采集数据：第一数据采集装置采集光伏发电阵列输出的电流和电压值；第二数据采集装置的直流变送器采集逆变器直流侧电量，交流变送器采集逆变器交流侧电量；
步骤2、判断数据是否正常，检测到异常电流电压后，驱动故障点继电器动作，切除故障电路：
步骤2.1：在控制器中预设工作电流电压、故障电流电压和速断保护电流的阈值；
步骤2.2：将采集的数据与阈值对比，判断数据是否正常；若正常，则继电器接通；若异常，继电器断开后再重合，跳转至步骤3；
步骤3、若数据正常，则是瞬时故障，跳转至步骤2.2；若数据依然不正常，则为永久故障，继电器再次断开。
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