本發(fā)明涉及微電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地說，涉及一種微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置及其電量計量方法。

背景技術(shù)：

微電網(wǎng)是相對傳統(tǒng)大電網(wǎng)的一個概念，是指多個分布式電源及其相關(guān)負載按照一定的拓撲結(jié)構(gòu)組成的網(wǎng)絡(luò)，并通過靜態(tài)開關(guān)關(guān)聯(lián)至常規(guī)電網(wǎng)，是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負荷、監(jiān)控和保護裝置等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。微電網(wǎng)中的電源多為容量較小的分布式電源，即含有電力電子接口的小型機組，包括微型燃氣輪機、燃料電池、光伏電池、小型風(fēng)力發(fā)電機組以及超級電容、飛輪及蓄電池等儲能裝置。它們接在用戶側(cè)，具有成本低、電壓低以及污染小等特點。

隨著能源匱乏和環(huán)境污染問題日益嚴重，擁有豐富可再生能源的海洋與海島的開發(fā)利用得到了廣泛重視。建設(shè)可靠的海島電網(wǎng)是開發(fā)海洋可再生能源的基礎(chǔ)，具有重要的意義。新興的微電網(wǎng)技術(shù)以其在新能源利用效率、控制可靠性和環(huán)境友好等方面的優(yōu)勢，逐漸成為了海島電網(wǎng)建設(shè)的重要途徑。

微電網(wǎng)融合多種分布式發(fā)電形式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布式可再生發(fā)電單元通過電力電子裝置接入，具有出力波動大、控制慣性小等問題。因此為實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠控制，必須對微電網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備以及線路節(jié)點的電氣狀態(tài)進行在線監(jiān)控，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置及其電量計量方法，以方便微電網(wǎng)在線監(jiān)測，提高微電網(wǎng)在線監(jiān)測的準確性。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供的一種微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置，包括信號采集器、中央控制器和通信傳輸器；其中：

所述中央控制器包括計量MCU和控制MCU，所述計量MCU通信連接所述控制MCU；

所述信號采集器連接所述計量MCU，所述通信傳輸器連接所述控制MCU；

所述信號采集器包括電流電壓傳感器，用于采集微電網(wǎng)電流或電壓信號，并將微電網(wǎng)電流或電壓信號發(fā)送至所述計量MCU；所述通信傳輸器用于傳輸微電網(wǎng)監(jiān)測狀態(tài)信息。

優(yōu)選的，上述微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置中，所述信號采集器還包括調(diào)理放大電路和高精度AD采樣芯片，所述電流電壓傳感器連接所述調(diào)理放大電路，所述調(diào)理放大電路連接所述高精度AD采樣芯片，所述高精度AD采樣芯片連接所述計量MCU。

優(yōu)選的，上述微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置中，所述微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置還包括動作控制器，所述動作控制器連接所述控制MCU。

優(yōu)選的，上述微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置中，所述動作控制器包括繼電器。

本發(fā)明提供的微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置，采用信號采集器進行微電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集，中央控制器進行數(shù)據(jù)的分析和管理，獲得監(jiān)測點狀態(tài)信息，并通過通信傳輸器將處理后的狀態(tài)信息進行傳輸。中央控制器采用計量MCU和控制MCU的雙MCU結(jié)構(gòu)，其中計量MCU專門負責(zé)采樣數(shù)據(jù)處理及電量計算，控制MCU負責(zé)對計量MCU和其他功能單元進行綜合管理，計量MCU通信連接所述控制MCU，能夠同時滿足數(shù)據(jù)傳輸和動作控制的實時性，以及電能計量結(jié)果的精確快速獲得。實現(xiàn)對微電網(wǎng)監(jiān)測點電氣信號的采集，根據(jù)計量算法得到所需電能參數(shù)；實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠快速傳輸；實現(xiàn)對微電網(wǎng)電力設(shè)備的快速控制和故障保護。

基于本發(fā)明提供的微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置，本發(fā)明還提供了一種微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置電量計量方法，一種微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置電量計量方法，用于上述所述的計量MCU，所述方法包括：

建立微電網(wǎng)電壓信號頻率和相位的三相鎖相環(huán)，對三相電壓進行標幺化處理，獲得閉環(huán)傳遞函數(shù)k_i表示積分系數(shù)，k_p表示比例系數(shù)，s在拉普拉斯變換里面表示一個復(fù)數(shù)，T_s表示周期；

根據(jù)控制理論PI參數(shù)選擇得到k_p＝200,k_i＝60；

基于延時信號消除的正負序分離方法對三相鎖相環(huán)進行優(yōu)化，當(dāng)存在負序分量時，靜止坐標系下電壓合成矢量可表示為其中，分別為正負序分量幅值，為負序分量起始相角，j為虛數(shù)，ω為角頻率，t為時間變量；

根據(jù)三角函數(shù)半波特性，0.5(e^jωt+je^j(ωt-T/4))＝e^jωt，結(jié)合U_αβ(t)與U_αβ(t-T/4)，得到將正序分量從輸入電壓信號中剝離。

優(yōu)選的，上述微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置電量計量方法中，所述方法還包括：

計算基波電壓、電流模值和監(jiān)測點流過的有功功率和監(jiān)測點流過的無功功率，

P＝U_d*I_d+U_q*I_q

Q＝U_q*I_d-U_d*I_q

U_mod為基波電壓，I_mod為電流模值，P為有功功率，Q為無功功率，Ud為電壓有功分量,Uq為電壓無功分量,Id為電流有功分量,Iq為電流無功分量。

本發(fā)明提供的微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置電量計量方法，采用三相鎖相環(huán)方法，實現(xiàn)了干擾情況下的頻率相位精確測量，并通過正負序分離方法對算法在三相不對稱情況下的性能進行了優(yōu)化。以此為基準，計算得到其他所需電能參數(shù)。且電壓信號頻率和相位的獲得對微電網(wǎng)內(nèi)功率器件的通斷控制、孤島到并網(wǎng)模式切換等過程的實現(xiàn)有著至關(guān)重要的作用，同時還可以為其他電能參數(shù)的計算提供基準。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例提供的微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置；

圖2是本發(fā)明實施例提供的微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置中信號采集器；

圖3是本發(fā)明實施例提供的微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置電量計量方法的流程圖；

圖4是dq旋轉(zhuǎn)坐標系下三相電壓矢量相位圖；

圖5是三相鎖相環(huán)系統(tǒng)控制框圖。

具體實施方式

本發(fā)明實施例一種微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置及其電量計量方法，以方便微電網(wǎng)在線監(jiān)測，提高微電網(wǎng)在線監(jiān)測的準確性。

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，并使本發(fā)明實施例的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案作進一步詳細的說明。

參考附圖1，該圖示出了本發(fā)明實施例提供的微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置的基本結(jié)構(gòu)，其主要包括信號采集器1、中央控制器2和通信傳輸器3，其中，中央控制器2包括計量MCU201和控制MCU202，計量MCU201通信連接控制MCU202，信號采集器1連接計量MCU201，通信傳輸器3連接控制MCU202，信號采集器1包括電流電壓傳感器101，結(jié)合附圖2，用于采集微電網(wǎng)電流或電壓信號并將微電網(wǎng)電流或電壓信號發(fā)送至計量MCU201，通信傳輸器3用于傳輸微電網(wǎng)監(jiān)測狀態(tài)信息，將微電網(wǎng)監(jiān)測狀態(tài)信息發(fā)送至監(jiān)控中心，所述監(jiān)控中心一般是指微電網(wǎng)的決策、監(jiān)控中心。

為滿足微電網(wǎng)監(jiān)測的準確性以及時效性，中央控制器2要滿足信號采集器1和通信傳輸器3的對響應(yīng)速度有較高要求，同時又對信號數(shù)據(jù)進行準確的運算，保證信號采集器所采樣數(shù)據(jù)通過運算得到準確的運行狀態(tài)參數(shù)。中央控制器2采用計量MCU201和控制MCU202采用雙MCU結(jié)構(gòu)，其中計量MCU201專門負責(zé)采樣數(shù)據(jù)處理及電量計算，控制MCU202負責(zé)對計量MCU201和其他功能單元進行綜合管理，計量MCU201通信連接所述控制MCU202，能夠同時滿足數(shù)據(jù)傳輸和動作控制的實時性，以及電能計量結(jié)果的精確快速獲得。優(yōu)選的，計量MCU201與控制MCU202間通過高速USART口進行通信，能夠同時滿足數(shù)據(jù)傳輸和動作控制的實時性，以及電能計量結(jié)果的精確快速獲得。

通信傳輸器3為滿足其獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性，采用光纖以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速可靠傳輸。光纖以太網(wǎng)具備高效性、高安全性和傳輸距離長等特點，能很好的解決遠距離監(jiān)測結(jié)果實時傳輸?shù)膯栴}。同時其“即插即用”的特性能夠滿足微電網(wǎng)在任意時刻對任意節(jié)點實施監(jiān)測的要求。

優(yōu)選的，信號采集器1還包括調(diào)理放大電路102和高精度AD采樣芯片103，參見附圖2，電流電壓傳感器101連接所述調(diào)理放大電路102，調(diào)理放大電路102連接高精度AD采樣芯片103，高精度AD采樣芯片103連接計量MCU201。信號采集器1完成監(jiān)測點電氣信號的采樣，采用電流電壓傳感器101、調(diào)理放大電路102和高精度AD采樣芯片103，電流電壓傳感器101具有低時延、高精度的特性，實現(xiàn)強電到弱電信號的變換，經(jīng)過調(diào)理放大電路102作用后，高精度AD芯片103實現(xiàn)同步快速采樣，有效提高采樣精度和相應(yīng)速度，保證微電網(wǎng)在線監(jiān)測的準確性與時效性。優(yōu)選的，高精度AD芯片103采用16位高精度AD芯片。

進一步優(yōu)化技術(shù)方案，本發(fā)明實施例提供的微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置還包括動作控制器4，動作控制器4連接控制MCU202，動作控制器4能夠輔助遠程控制電力設(shè)備，實現(xiàn)故障單元切除、設(shè)備運行模式選擇、靜態(tài)開關(guān)控制等功能。優(yōu)選的，本發(fā)明實施例中動作控制器4包括繼電器，由繼電器控制故障單元切除、設(shè)備運行模式選擇、靜態(tài)開關(guān)。

本發(fā)明提供的微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置，采用信號采集器1進行微電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集，中央控制器2進行數(shù)據(jù)的分析和管理，獲得監(jiān)測點狀態(tài)信息，并通過通信傳輸器3將處理后的狀態(tài)信息進行傳輸。中央控制器采用計量MCU201和控制MCU202的雙MCU結(jié)構(gòu)，其中計量MCU201專門負責(zé)采樣數(shù)據(jù)處理及電量計算，控制MCU202負責(zé)對計量MCU201和其他功能單元進行綜合管理，計量MCU201通信連接所述控制MCU202，能夠同時滿足數(shù)據(jù)傳輸和動作控制的實時性，以及電能計量結(jié)果的精確快速獲得。實現(xiàn)對微電網(wǎng)監(jiān)測點電氣信號的采集，根據(jù)計量算法得到所需電能參數(shù)；實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠快速傳輸；實現(xiàn)對微電網(wǎng)電力設(shè)備的快速控制和故障保護。

通過信號采集器1獲得采樣數(shù)據(jù)后，需要在計量MCU201中實現(xiàn)電能計量，快速獲得監(jiān)測點的運行參數(shù)，一般包括電壓電流模值、有功及無功功率、電壓頻率和相位信息等。其中電壓信號頻率和相位的獲得對微電網(wǎng)內(nèi)功率器件的通斷控制、孤島到并網(wǎng)模式切換等過程的實現(xiàn)有著至關(guān)重要的作用，同時還可以為其他電能參數(shù)的計算提供基準。為保證計量MCU201中計算的準確性，本發(fā)明實施例還提供了一種微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置電量計量方法。

本發(fā)明實施例提供的微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置電量計量方法，參見附圖3，主要包括一下步驟：

S101：建立微電網(wǎng)電壓信號頻率和相位的三相鎖相環(huán)，對三相電壓進行標幺化處理，獲得閉環(huán)傳遞函數(shù)k_i表示積分系數(shù)，k_p表示比例系數(shù)，s在拉普拉斯變換里面表示一個復(fù)數(shù)，T_s表示周期。

三相鎖相環(huán)綜合利用三相電壓相位信息，將電壓合成矢量us在dq旋轉(zhuǎn)坐標系下進行矢量分解，如圖4所示。在us幅值不變情況下，q軸電壓分量大小反映了旋轉(zhuǎn)坐標系和合成矢量us間的相位關(guān)系。當(dāng)usq<0時d軸超前于us，當(dāng)usq>0時d軸滯后us，在usq＝0時d軸與us實現(xiàn)相位同步。因此三相鎖相環(huán)通過控制電壓矢量q軸分量usq為0，可以實現(xiàn)對輸入電壓信號的相位和頻率跟蹤。通過帶PI控制器的閉環(huán)實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)下usq無差跟蹤給定值0。PI控制器的輸出為頻率誤差△ω，與理論頻率相加后經(jīng)過積分環(huán)節(jié)得到實際三相電壓相位信息。結(jié)合三相鎖相環(huán)系統(tǒng)控制框圖，如附圖5，對三相電壓進行標幺化處理，獲得閉環(huán)傳遞函數(shù)k_i表示積分系數(shù)，k_p表示比例系數(shù)，s在拉普拉斯變換里面表示一個復(fù)數(shù)，Ts表示周期。

S102：根據(jù)控制理論PI參數(shù)選擇得到k_p＝200,k_i＝60。

依據(jù)采樣頻率為6400Hz，根據(jù)控制理論優(yōu)化PI參數(shù)選擇得到k_p＝200,k_i＝60。

S103：基于延時信號消除的正負序分離方法對三相鎖相環(huán)進行優(yōu)化，當(dāng)存在負序分量時，靜止坐標系下電壓合成矢量可表示為其中，分別為正負序分量幅值，為負序分量起始相角，j為虛數(shù)，ω為角頻率，t為時間變量。

三相鎖相環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，且具有低通特性，對高頻諧波干擾具有很好的抑制作用，但在三相電壓不對稱情況下，基波負序分量在dq坐標系下以-ω頻率反向旋轉(zhuǎn)，使鎖相環(huán)含有2次諧波，三相鎖相環(huán)系統(tǒng)對該頻率干擾沒有很好的抑制效果，如果增加低通濾波器，則會影響系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。如此采用基于延時信號消除的正負序分離方法對三相鎖相環(huán)進行優(yōu)化。

當(dāng)存在負序分量時，靜止坐標系下電壓合成矢量可表示為分別為正負序分量幅值，為負序分量起始相角，j為虛數(shù)，ω為角頻率，t為時間變量。

S104：根據(jù)三角函數(shù)半波特性，0.5(e^jωt+je^j(ωt-T/4))＝e^jωt，結(jié)合U_αβ(t)與U_αβ(t-T/4)，得到將正序分量從輸入電壓信號中剝離。

根據(jù)三角函數(shù)半波特性，0.5(e^jωt+je^j(ωt-T/4))＝e^jωt，結(jié)合U_αβ(t)與U_αβ(t-T/4)，得到將正序分量從輸入電壓信號中剝離。

使用該方法優(yōu)化后的鎖相環(huán)實現(xiàn)簡單，且具有良好的諧波抑制特性和抗三相不平衡能力，同時具備快速響應(yīng)速度。采用的優(yōu)化鎖相環(huán)算法在頻率和相位突變時具有快速跟蹤速度和高測量精度，產(chǎn)生三相不平衡情況，經(jīng)正負序分離法優(yōu)化后的鎖相環(huán)仍然能夠準確獲取輸入電壓信號的相位和頻率。

進一步優(yōu)化技術(shù)方案，本發(fā)明實施例提供的微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置電量計量方法，還包括計算基波電壓、電流模值和監(jiān)測點流過的有功功率和監(jiān)測點流過的無功功率。通過

計算基波電壓、電流模值和監(jiān)測點流過的有功功率和監(jiān)測點流過的無P＝U_d*I_d+U_q*I_q

Q＝U_q*I_d-U_d*I_q

功功率。U_mod為基波電壓，I_mod為電流模值，P為有功功率，Q為無功功率，Ud為電壓有功分量,Uq為電壓無功分量,Id為電流有功分量,Iq為電流無功分量。

計量MCU201中依照上述方法進行微電網(wǎng)監(jiān)測信號的處理，有效提高計量參數(shù)的準確性。據(jù)現(xiàn)有使用數(shù)據(jù)表明，采用本發(fā)明實施例提供的微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置電量計量方法，頻率測量誤差為0.1‰，電壓、電流模值測量誤差在0.2％以內(nèi)，功率測量誤差在0.5％以內(nèi)。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)难訒r保持在0.2ms以內(nèi)。

本發(fā)明實施例提供的微電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置及其電量計量方法，裝置實現(xiàn)了對微電網(wǎng)電氣信號的精確采集，并采用基于正負序分量分離的三相鎖相環(huán)算法，從采樣數(shù)據(jù)中精確快速的獲取監(jiān)測點運行狀態(tài)信息，通過光纖以太網(wǎng)通信技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠實時地傳輸至監(jiān)控中心，滿足微電網(wǎng)在線監(jiān)控的快速、實時、高精度等要求。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其它實施例的不同之處。

以上所述的本發(fā)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。