CN202041593U

CN202041593U - 一种新能源并网发电站运行状态评估装置

Info

Publication number: CN202041593U
Application number: CN2011200203582U
Authority: CN
Inventors: 童钧; 徐国钧; 刘永胜; 李题印; 华靓; 包拯民
Original assignee: YUHANG POWER SUPPLY BUREAU
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; Hangzhou Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2021-01-21

Abstract

本实用新型公开了一种新能源并网发电站运行状态评估装置，包括电量采集单元、开入单元、开出单元、温度测量单元、照度测量单元、ARM9数据管理及监测单元和CPLD/FPGA转换接口；温度测量单元和照度测量单元通过传感器将环境信号转换成电压信号，由A/D采集模块和DSP处理模块转化为数字信号，并输入ARM9数据管理及监测单元。本实用新型采用全嵌入式结构，由ARM9处理器、ARM7处理器和DSP处理器组成多CPU系统，除监测并网新能源电站各项运行参数外，还根据分布式新能源发电的监测指标体系，采用基于概率统计与矢量代数的方法对其运行状态进行了分级评估。

Description

一种新能源并网发电站运行状态评估装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于嵌入式操作系统构建的电站运行状态评估系统，尤其涉及一种新能源并网发电站监测、分析、评估装置。

背景技术

新能源发电监测技术随着我国新能源发电技术的发展而逐渐深入开展。通过对分布式新能源并网发电系统的监测，研究其并网发电系统接入配电网产生的电压偏差、电压波动和闪变、谐波和频率变化，能够为运行控制策略提供指导建议，还可为日后分布式新能源并网发电系统并网设计规划提供可靠的数据以及合理的解决方案，为分析实际运行中出现的问题提供充分的依据。

新能源发电站的电能质量是否满足配电网运行要求是其能否介入电网的关键因素，在进行评价时首先要对新能源发电的电能质量进行监测分析，然后再对新能源发电系统自身的发电效率等指标进行评估。分布式新能源并网发电系统电能质量监测，主要实现实时地监视系统的电压或电流变化，记录和保存电能质量发生变化时各相电压或电流的幅值、频率、电压波动，同时采用层次分析的评估算法，对其多个电能质量的指标进行综合分析。电能质量监测是评估新能源发电站电能质量水平和发现其电能质量问题的主要手段，也是改善电能质量的前提。因此对电能质量做出精确的检测与分析，才能够对分布式新能源发电站造成各种电能质量问题的原因做出分析与判断。

国内外针对光伏发电系统监测的研究，主要针对于新能源发电系统的控制和运行操作、逆变器状态、多个电站间监测数据的通信传输，以及新能源电站局部的数据进行采集。国内外还没有针对分布式新能源发电站的电能质量监测和运行状态综合评估的量测平台，亦还未建立分布式新能源并网发电站运行状态综合评估的指标体系和评估方法。

鉴于分布式新能源发电站的监测和评价指标较多，多个指标共同作用在一个系统中时，其不同的组合结果对配电网运行的不利影响和对发电站性能的降低、甚至损坏都是十分复杂的问题。此外，由于是多指标的有机综合，单个指标的评价不能全面、真实地反映电能的质量，不同评价指标（包括基本电量、环境变量和电能质量等）之间的耦合关系复杂，不能简单明了地对分布式新能源并网发电系统的运行状态进行评估。

目前国内光伏等新能源并网发电站监控系统一般采用的是8位的MCS-51单片机或16位的MSP430系列超低功耗单片机作为核心控制器，这些控制器在光伏发电系统中对于完成蓄电池充放电控制、数据采集与处理起到了一定的作用。但是，与新型微处理器相比，这类控制器的缺点日趋明显，如芯片硬件功能简单、性能低、实时性和扩展性较差，致使系统升级困难，对于智能系统理论的应用也有一定的局限性、并且难以适应实时谐波、间谐波计算。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本实用新型的目的是提供一种准确性更高、实用性更强、成本低的并网光伏发电监测以及运行状态综合评估系统。

本实用新型的目的是这样实现的：一种新能源并网发电站运行状态评估装置，包括电量采集单元、开入单元、开出单元、温度测量单元、照度测量单元、ARM9数据管理及监测单元、CPLD/FPGA转换接口和双口RAM传输模块；所述电量采集单元由依次串联的信号调理模块、A/D采集模块、ARM7采样控制及频率测量模块以及DSP处理模块构成；温度测量单元和照度测量单元通过传感器将环境信号转换成电压信号，由A/D采集模块和DSP处理模块转化为数字信号；ARM7采样控制及频率测量模块将采样控制信号输入A/D采集模块；ARM7采样控制及频率测量模块和DSP处理模块的数字信号输入双口RAM传输模块；双口RAM传输模块通过CPLD/FPGA转换接口与ARM9数据管理及监测单元连接。

进一步，所述A/D采集模块采用MAX1320数模转换芯片或者AD7606数模转换芯片。

进一步，所述ARM7采样控制及频率测量模块采用LPC2132芯片。

进一步，所述ARM9数据管理及检测单元采用S3C2440A芯片。

再进一步，所述DSP处理模块采用TMS320C6747芯片的DSP处理器。

本实用新型的有益效果：本实用新型利用电量采集单元实时在线采集光伏电站以及公共耦合节点的电压、电流信号，以及新能源电站处的自然环境（光照强度和温度）。计算光伏电站各项电能指标，并根据测量流程中的各项指标实时计算结果，再由统计分析得到监测时间段内的监测指标，再与规定的限值进行比较并发出相应报警信号。同时，根据评估时间间隔内分布式新能源并网发电系统的各项监测指标对其进行综合评价。通过采集到的并网电站运行数据，记录当地的如：太阳能资源情况等情况，以及电站实际发电情况、当地的实际用电情况并结合可能出现的告警信息，可以及时了解现场运行情况，进而分析出新能源的利用率和新能源并网电站的运行性能和运行效率，实现对并网电站的后评估，并在此基础上对其进行优化设计，为今后建设大容量新能源并网电站提供依据，推广新能源并网发电技术在我国的应用。

新能源并网发电站运行状态评估装置与现有技术相比，还具有以下优点：

1、为了便于运行工作人员发现分布式新能源并网发电站运行中存在的问题，提高其运行状况的透明度，提出了发电站运行状态综合评估的指标体系，采用基于概率统计与矢量代数的方法对分布式新能源并网发电站运行状态进行分级评估。建立了一种客观的综合评估方法，将分布式新能源发电站的各项监测指标综合评定，得出一个量化的描述以作为全面考核分布式新能源发电站运行状态的依据。

2、ARM7采样控制及频率测量模块通过捕获测得单周波周期，然后等间隔划分信号周期值作为定时器时间，在定时中断中保持前端待测信号以及实现同步采样，采用16位同步A/D采集模块以10kHz的速率转换数据，使得该装置的测量精度可达到0.5%；开关量分辨率为0.1ms；频率的测量分辨率达到0.005Hz。

3、采用了基于嵌入式实时操作系统和图形用户界面的ARM9硬件平台的新型微处理器，具有处理能力强、实时性高、易于升级等特点，为新能源并网电站监控系统的实现提供了一条新途径。

4、系统采用全嵌入式设计方法，其中评估软件采用源码开放的Linux嵌入式实时操作系统，量测平台采用ARM9处理器、ARM7处理器和DSP处理器组成多CPU系统，极大提高了测量控制单元的可靠性，具有较强的可靠性、网络通信能力和可扩充性。

5、以嵌入式人机交互处理模块为系统中心，DSP处理模块与ARM9数据管理及检测单元的接口采用双口RAM传输模块，并使用CPLD/FPGA转换接口将DSP处理模块的EMIF、IIC、SPI、HPI中的1种总线接口转化为其他总线接口，从而实现ARM9、ARM7和DSP多CPU间的数据传输。CPLD/FPGA转换接口与DSP处理模块组合优势互补结构灵活、通用性强，不仅能够提高数据处理和传输效率，还可便于后期系统的维护和扩展。

6、该装置的强弱电布置完全分开，可大大减少外部电磁干扰在弱电侧的耦合增强装置的抗干扰能力，保证系统连续运行稳定性和记录数据的安全可靠性。

7、能够实时显示数据并有存储功能，方便数据查询和管理；根据月统计数据、年统计数据，可以进一步统计研究老化问题以及当地天气情况对电站运行的中长期影响。

附图说明

图1为本实用新型的原理方框图；

图2为电量采集单元的结构框图；

图3为开入单元的结构框图；

图4为开出单元的结构框图；

图5为ARM9数据管理及监测单元的结构框图；

图6为本实用新型的监测评估流程图；

图7为新能源并网电站运行状态综合评估的指标体系图。

图8为新能源并网发电系统综合评估流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地描述。

图1为本实用新型的原理方框图，如图所示：新能源并网发电站运行状态评估装置包括电量采集单元、开入单元、开出单元、温度测量单元、照度测量单元、ARM9数据管理及监测单元、CPLD/FPGA转换接口和双口RAM传输模块。电量采集单元由依次串联的信号调理模块、A/D采集模块、ARM7采样控制及频率测量模块以及DSP处理模块构成。温度测量单元和照度测量单元通过传感器将环境信号转换成电压信号，由A/D采集模块和DSP处理模块转化为数字信号；ARM7采样控制及频率测量模块将采样控制信号输入A/D采集模块；ARM7采样控制及频率测量模块和DSP处理模块输出的数字信号输入双口RAM传输模块；双口RAM传输模块通过CPLD/FPGA转换接口与ARM9数据管理及监测单元连接。ARM9数据管理及监测单元对双口RAM传输模块上的相量和开入量数据读取、数据统一管理、以太网数据发送，把测量的数据、CRC校验码和时间信息封装成数据帧，经过以太网把数据传送到上位机进行网页显示，同时ARM9数据管理及监测单元还完成电站的实时监测评估算法。A/D采集模块采用MAX1320数模转换芯片或者AD7606数模转换芯片。ARM7采样控制及频率测量模块采用LPC2132芯片。ARM9数据管理及检测单元采用S3C2440A芯片。DSP处理模块采用TMS320C6747芯片的DSP处理器。

图2为电量采集单元的结构框图，如图所示：采集单元依次由前置的信号调理模块、A/D采集模块、DSP处理模块构成。电量采集单元主要完成对采集点的电压、电流信号信息的采集，以及对电压电流的频率和相位的硬件测量。电量采集单元的输入接连来自互感器二次侧的电压，电流输入量，再通过带通滤波(45-55HZ)等信号调理模块将信号输入到A/D采集模块和DSP处理模块的频率捕捉专用输入端口，最后由DSP处理模块进行数据的运算，并将数据传送到双口RAM传输模块，通过双口RAM传输模块发送至ARM9数据管理及监测单元。根据量测平台功能的需要，采样脉冲必须根据电网信号频率的变化实时变化，因此增加ARM7采样控制及频率测量模块进行采用触发控制，保证A/D采集模块采样精度要求。本实施例中，该装置需要采样4路电压和4路电流，为满足8路同时采样，采用高速8路或以上通道A/D采集模块，配合8路采样保持器进行电压电流采样。

图3为开入单元的结构框图，如图所示：开入单元主要完成开关量的输入采集，其前段的信号调理模块，主要实现信号转换、保护、滤波和消除触电抖动的功能。与开入单元相关联单元有DSP处理模块、双口RAM传输模块和ARM9数据管理及监测单元。开入单元内部包括信号调理模块和光耦隔离。其中，信号调理模块包括开关量采集模块和数据传输模块。为防止本装置外部触点输入回路引入的电磁干扰，开入信号需经光耦器件进行隔离。本装置的开入单元为可选单元，开入单元由后级的DSP处理模块通过双口RAM传输模块将数据传至ARM9数据管理及监测单元。

图4为开出单元的结构框图，如图所示：开出单元的功能是在接收到ARM9数据管理及监测单元传达的跳闸、合闸信号后，通过高可靠性的正反逻辑输出继电器的动作信号。与开出单元相关联单元有ARM9数据管理及监测单元。开出单元内部包括继电器及防火花保护电路、正反逻辑组合电路和DSP处理模块。开出单元用于执行ARM9数据管理及监测单元发出的动作指令，通过上级的DSP处理模块接收ARM9数据管理及监测单元传送的开出信号。本实施例中，该装置的开出单元设计也为可选单元，采用继电器实现开关量输出，后端经防火花保护电路。

图5为ARM9数据管理及监测单元的结构框图，如图所示：ARM9数据管理及监测单元由ARM9处理器构成，ARM9数据管理及监测单元和DSP处理模块直接利用双口RAM传输模块进行数据的传输。其对双口RAM传输模块上的相量和开入量数据读取、数据统一管理、以太网数据发送，把测量的数据、CRC校验码和时间信息封装成数据帧，经过以太网把数据传送到上位机进行网页显示，同时ARM9数据管理及监测单元还完成光伏电站的实时监测评估算法。ARM9数据管理及监测单元还包括RS485/232接口2个、以太网接口1个、USB接口1个、CF卡或电子硬盘接口1个、LCD接口1个，并板载RTC等功能电路。

图6为本实用新型的监测评估流程图，如图所示：以测量流程中的各项指标实时计算结果为基础，通过由统计分析得到监测时间段内的监测指标，再与规定的限值进行比较并发出相应报警信号，同时根据评估时间间隔内分布式新能源并网发电系统的各项监测指标对其进行综合评价。

图7为新能源并网电站运行状态综合评估的指标体系图，如图所示：将并网光伏电站的指标分为两大类，即电能质量指标和电能指标，并将各评价指标按等级量化。电能质量指标包括：供电电压偏差、电压波动和电压闪变、公用电网谐波、三相电压不平衡度以及电力系统频率允许偏差。针对经过逆变设备并网的新能源发电系统还包含了电站的注入直流分量即三相电流不平衡度，以及电能指标，包括功率变化率、功率因数和发电效率。

图8为新能源并网发电系统综合评估流程图。如图所示，流程如下：

①选定能够反映分布式新能源发电站运行特性的评估指标，对其进行分级处理，将图7所示的各单项指标在限值范围内（指标合格）平均划分为5个等级，不合格的监测指标划分为4个等级，跨度为合格时跨度的3倍，由此可得项目并网光伏发电站评价指标量化表。

②在状态评估时间间隔内，计算出发电站各指标在每1级的时长，则该指标处于第k级的概率分布Pk=该指标在第k级的时长/评估时间间隔。

③根据概率和数理统计原理采用概率分布Pk期望值E(k)和标准差σ(k)来反映该指标的特性，计算发电站各指标概率分布的期望和标准差，然后按实际要求确定期望和标准差的基准值EB(k)和σB(k)，对求得的期望值E(k)和标准差σ(k)进行标幺化。

④用矢量代数的方法将期望和标准差2个标幺值归一量化为1个指标Q'，将该指标标幺化得

，则Q就是表述该项指标特性的唯一量化指标。

⑤对归一量化指标Q进行分级，确定分布式新能源发电站运行状态的综合等级。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种新能源并网发电站运行状态评估装置，包括电量采集单元、开入单元、开出单元、温度测量单元、照度测量单元、ARM9数据管理及监测单元、CPLD/FPGA转换接口和双口RAM传输模块；所述电量采集单元由依次串联的信号调理模块、A/D采集模块、ARM7采样控制及频率测量模块以及DSP处理模块构成；温度测量单元和照度测量单元通过传感器将环境信号转换成电压信号，由A/D采集模块和DSP处理模块转化为数字信号；ARM7采样控制及频率测量模块将采样控制信号输入A/D采集模块；ARM7采样控制及频率测量模块和DSP处理模块输出的数字信号输入双口RAM传输模块；双口RAM传输模块通过CPLD/FPGA转换接口与ARM9数据管理及监测单元连接。

2.根据权利要求1所述的新能源并网发电站运行状态评估装置，其特征在于：所述A/D采集模块采用MAX1320数模转换芯片或者AD7606数模转换芯片。

3.根据权利要求1所述的新能源并网发电站运行状态评估装置，其特征在于：所述ARM7采样控制及频率测量模块采用LPC2132芯片。

4.根据权利要求1所述的新能源并网发电站运行状态评估装置，其特征在于：所述ARM9数据管理及检测单元采用S3C2440A芯片。

5.根据权利要求1所述的新能源并网发电站运行状态评估装置，其特征在于：所述DSP处理模块采用TMS320C6747芯片的DSP处理器。