CN106549411A - 分布式电源并网装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式电源并网装置，包括：电能质量监测与计量模块，包括采样单元和测量处理器，所述采样单元用于获取分布式电源逆变器输出的电流信号、电压信号，所述电流信号包括交流电流分量和直流电流分量；所述测量处理器用于根据所述采样单元获取的电流信号、电压信号进行实时电能质量分析，并输出电能质量分析结果；主处理器，用于根据所述测量处理器输出的电能质量分析结果输出相应的控制信号；执行模块，用于根据所述控制信号进行相应的动作以将分布式电源与公共电网连接、或分断分布式电源与公共电网的连接。该装置可以实时监测并网分布式电源逆变器输出的电能，发现电能质量不合格就及时切除，以保障用户用电安全和用电质量。

Description

分布式电源并网装置

技术领域

本发明涉及并网技术领域，具体涉及一种分布式电源并网装置。

背景技术

2012年12月，国内首例居民自建分布式光伏发电系统(低压分布式电源)在青岛市并网运行，开启了我国分布式电源发展的新篇章，随着国家一系列鼓励政策的出台和可再生能源新型发电技术的发展，分布式电源日渐成为即可解决负荷增长需求又符合国家提倡绿色环保理念的理想方案。分布式电源与公共电网相联,使得电力系统尤其是配电系统变得更加分散,用户对大型发电厂和输电线路的依赖将减少,大大提高了电力系统的稳定性和灵活性。

但分布式电源也存在污染电能质量、影响原有配电网电力系统运行的安全性和可靠性，即分布式电源接入会对配电网继电保护产生不利影响。目前国内逆变器类低压分布式电源并网一般通过用户逆变器的保护、控制功能实现与公共电网的连接，电能质量监测分析与计量在电网侧进行，且电能质量监测分析基本为线下分析或定期监测分析。因此，在分布式电源输出电流电压影响公共电源质量时，不能及时切除以保障公共电网电能质量，而在分布式电源输出电能合格时不能及时将该分布式电源与公共电网接通以充分利用分布式电源的电能。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于现有分布式电源并网不能在其输出电能质量不合格时断开与公共电网的连接，因此容易导致公共电网电能质量下降。

为此，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种分布式电源并网装置，包括：

电能质量监测与计量模块，包括采样单元和测量处理器，所述采样单元用于获取分布式电源逆变器输出的电流信号、电压信号，所述电流信号包括交流电流分量和直流电流分量；所述测量处理器用于根据所述采样单元获取的电流信号、电压信号进行实时电能质量分析，并输出电能质量分析结果；

主处理器，用于根据所述测量处理器输出的电能质量分析结果输出相应的控制信号；

执行模块，用于根据所述控制信号进行相应的动作以将分布式电源与公共电网连接、或分断分布式电源与公共电网的连接。

可选地，所述采样单元包括采样电路、模拟信号调理电路和AD转换电路，所述采样电路用于采集三相电流信号和三相电压信号，所述模拟信号调理电路用于对所述采样电路采集到的模拟电信号进行滤波和放大处理，所述AD转换电路用于将经调理后的电流信号和电压信号转换为数字信号，并输入所述测量处理器。

可选地，还包括通信模块，所述通信模块包括RS485通讯接口，用于从所述采样单元获取所述分布式电源逆变器输出的电压信号和电流信号、并上传至所述主处理器；所述通信模块还包括无线通讯单元，用于与上级主站连接以上传所述分布式电源并网装置采集到的数据、计算得到的数据以及当前状态数据；所述通信模块还包括通过USB扩展出的以太网接口，用于将数据传输到本地后台存储。

可选地，还包括数据存储模块，用于当电能质量分析结果不合格时存储电能质量统计数据和电能质量分析结果。

可选地，还包括录波模块，用于捕捉各电能质量指标超越预设限值时的波形并形成波形文件，所述波形文件由所述测量处理器来进行本地存储，或通过以太网传输到本地后台进行存储。

可选地，还包括供电电源，所述供电电源的输入端与交流电网连接，输出两路直流，其中一路电压为5V，另一路电压为15V；

还包括模块电源，所述模块电源的输入端与所述供电电源的输出端连接，所述模块电源包括DC-DC变换电路，用于将所述供电电源输出的15V电压变换到5.2V以给所述电能质量监测与计量模块供电；

还包括电源控制电路，设置在所述主处理器与所述模块电源之间，用于根据所述主处理器输出的控制信号关断或导通所述模块电源向所述电能质量监测与计量模块的供电回路；

还包括电源分配电路，所述电源分配电路的输入端与所述模块电源的输出端连接，用于将所述模块电源输出的5.2V电压通过电源转换芯片分别生成+1.2V、+3.3V、+2.5V、+5V、-5V；

该装置还包括储能电池或由法拉电容组成的储能电路，用于在交流电网断电期间为该装置供电，以保证装置内部信息的存储。

可选地，还包括继电保护模块，接收所述主处理器输出的控制信号，用于在过流、短路、欠压时断开所述分布式电源与电网的连接。

可选地，还包括独立式电能计量模块，用于获取并网点的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因素和电度量。

可选地，还包括人机模块，所述人机模块包括汉显单元和键盘，所述汉显单元用于进行本地数据显示和告警显示，所述汉显单元包括液晶显示屏、二极管背光和背光控制电路；所述键盘包括7个按键，用于参数设置。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明实施例提供的分布式电源并网装置，可以实时监测并网分布式电源逆变器的电能输出，及时发现电能质量不合格指标，并根据定值设置对造成电能污染的分布式电源及时切除，保障周边用户用电安全和用电质量。

2.本发明实施例提供的分布式电源并网装置，采用双处理器(CPU)，其中测量处理器(DSP)用于电能质量监测与计量，主处理器(ARM)用于数据管理与通讯。测量处理器(DSP)会将数据和事件由串口传给主处理器(ARM)，由主处理器(ARM)进行进一步的统计和处理，并做出告警、并网离网开关控制等处理。功能分工合理，充分发挥各平台的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中分布式电源并网装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中分布式电源并网装置与并网开关之间的关系示意图；

图3为本发明实施例中逻辑判断示意图；

图4为本发明实施例中双处理器结构示意图；

图5为本发明实施例中主处理器及其周边电路示意图；

图6为本发明实施例中测量处理器与主处理器之间的部分信号交互示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供了一种分布式电源并网装置，如图1-6所示，包括：

电能质量监测与计量模块，包括采样单元11和测量处理器12，采样单元11用于获取分布式电源逆变器输出的电流信号、电压信号，电流信号包括交流电流分量和直流电流分量。大多数分布式电源，例如光伏电源并网时会向电网馈送逆变出来的直流分量，因此直流分量是并网的一个重要性能指标，必须进行检测，以保证电网可以正常运行。测量处理器(DSP)用于根据采样单元获取的电流信号、电压信号进行实时电能质量分析，并输出电能质量分析结果。测量处理器(DSP)还可以用于上网电量计量以及基于电能质量分析进行故障判断，并将数据和事件通过串口传给主处理器2(ARM)，由主处理器2(ARM)进行进一步的统计和处理，并做出告警、并网离网开关控制等处理。测量处理器12(DSP)采用TI的TMS320C6747，主频可达300MHz。

具体地，上述采样单元11包括采样电路、模拟信号调理电路和AD转换电路，采样电路用于采集ABC三相电流信号和ABC三相电压信号，模拟信号调理电路用于对采样电路采集到的模拟电信号进行滤波和大小调整等，AD转换电路用于将经信号调理后的电流信号和电压信号转换为数字信号，并输入测量处理器12。其中，交流电流分量利用电流互感器采集(CT)，直流电流分量可利用霍尔传感器或者锰铜分流器采集，电压信号采样利用电压互感器(PT)，并根据需要选择不同阻值的采样电阻。该采样模块还包括数字量采集，用于采集外部开关接点等数字量，如图2所示，具体采集的开关量包括并网开关位置和并网开关脱扣信号。

上述电能质量分析所分析的内容是根据国家规范(电能质量监测装置国家标准GB19862)内所要求的指标，包括电流电压基波、电压电流谐波、零序电流、负序电流、电流直流分量、无功平衡度、电压电流不平衡度、电压波动、电压闪变、电压偏差、频率偏差和电压暂升、暂降和短时中断检测等。指标是否合格由相应指标每分钟的平均值与限值比较，超出限值范围时判为不合格，各指标限值根据需要设置。

主处理器2，用于根据测量处理器12输出的电能质量分析结果输出相应的控制信号。主处理器以电能质量分析结果为基础进行逻辑判断，并根据逻辑判断结果输出相应的控制信号。主处理器2(ARM)采用Atmel公司的AT91SAM9260芯片，接口丰富、管理功能强大。

如图3所示，具体的判断逻辑可以是：当分布式电源处于并网运行状态时，若并网点的电能质量指标出现不合格且超过告警值并持续预设的时间(t1)后，输出控制告警控制信号；当电能质量指标继续恶化后超过动作值或电能质量继续不合格(动作值＝告警值)且持续预设的时间(t2，t2>t1)后，则发出强制断开控制信号。之后，继续电能质量分析，当电能质量恢复正常且持续预设的时间(t3)后，输出并网控制信号以及告警取消控制信号。

执行模块，用于根据控制信号进行相应的动作以将分布式电源与公共电网连接、或分断分布式电源与公共电网的连接。具体地，是根据强制断开控制信号分断分布式电源与电网的连接，根据并网控制信号导通分布式电源与电网的连接。即，该执行模块至少包括两组控制输出接点，一路用于合闸输出、另一路用于分闸输出。

另外，执行模块还包括告警单元，该告警单元可以根据主处理器输出的告警控制信号发出告警信息。告警方式为指示灯告警，并产生内部告警遥信。需要告警的有：装置异常总告警、通讯异常、存储异常、各类保护动作、继电保护模块告警、装置交流失电。

如图4所示，该装置采用双处理器(CPU)，其中测量处理器(DSP)用于电能质量监测与计量，主处理器(ARM)用于数据管理与通讯。测量处理器(DSP)会将数据和事件由串口传给主处理器(ARM)，由主处理器(ARM)进行进一步的统计和处理，并做出告警、并网离网开关控制等处理。功能分工合理，充分发挥各平台的优势。

本实施例提供的分布式电源并网装置，可以实时监测并网分布式电源逆变器的电能输出，及时发现电能质量不合格指标，并根据定值设置对造成电能污染的分布式电源及时切除，保障周边用户用电安全和用电质量。

作为具体的实施方式，如图5所示，该分布式电源并网装置还包括通信模块，通信模块包括至少三路RS485通讯接口，为有线通信，其中一路用于获取分布式电源逆变器输出的电压信号和电流信号、并上传至主处理器，采用MODBUS协议；其中另一路与独立式电能计量模块(多功能电能表)连接，用于采集电能表数据，采用DL/T645-2007通讯协议；第三路RS485通讯接口与外接的控制显示屏连接用于传输各种数据和参数，或与直流箱连接，用于抄直流检测表数据。

通信模块还包括GPRS无线通讯单元，使用内置SIM卡经无线网络与上级主站相连。支持TCP与UDP两种通信方式，通信方式由主站设定，默认为TCP方式；在TCP通信方式下，终端初始化后和到心跳周期(无信号监测通道正常)时，主动与主站心跳3次，如不成功则在下一个心跳周期之前不再主动心跳；心跳周期由主站设置。该无线通讯单元用于上传分布式电源并网装置采集到的数据、计算得到的数据以及当前状态数据，具体包括：低压分布式电源并网状态(开关位置)、逆变器状态；并网点电压、电流、功率、功率因数等遥测量，低压分布式电源有功和无功输出，发电量；装置保护动作、各模块告警信号、电能质量指标统计量(24小时为单位)等遥信量，以及公共连接点、并网点断路器的开关状态等遥信量。另外，该通信模块的无线通信单元还可以是CDMA无线通信模块或GSM无线通信模块或3G通信模块。

通信模块还包括以太网通信单元，测量处理器(DSP)可采用USB扩展出以太网接口，然后通过该以太网接口将录波文件传输到本地后台进行重现与存储。另外，通信模块还包括RS232维护串口。

本实施例根据分布式电源的特点，从设备兼容、保密设置、成本控制等方面入手，为分布式电源并网装置配置实用合理、并符合发展趋势的通讯系统，为低压分布式电源并网装置与调度自动化系统对接做好准备。

作为具体的实施方式，如图5所示，该装置还包括数据存储模块，用于当电能质量分析结果不合格时存储电能质量统计数据和电能质量分析结果。另外，该数据存储模块还用于存储继电保护模块的保护事件，至少存储50条；还用于存储独立式电能计量模块的相关数据，例如各相失、断相压次数，失压断相等发生时刻、结束时刻及对应的电能量数据等信息；并应支持失压、断相、开表盖、开端钮盖等重要事件记录主动上报。以及对电能质量日统计数据进行存储，包括电能质量数据和直流分量的最大、最小、平均值的日统计数据。

上述存储的数据，尤其是保护事件记录与电能质量分析结果等可通过USB接口取出或通过以太网上传(主站)，导出文件采用CSV格式,电能质量数据采用PQDIF格式，便于用户在PC机上进行查看。

另外，为了很好的反应分布式电源并网的一些现场情况，需要将发生越限事件的波形捕捉到并进行存储，以便后台进行问题分析和研究。因此，该装置还具有录波模块，用于捕捉各电能质量指标超越预设限值时的波形并形成波形文件。暂态故障时间一般持续几秒或者几十秒，对应的录波文件就有几百K或M字节，不适合由主处理器(ARM)远传到电力局，数据传输费用较高。虽然主处理器(ARM)是管理单元，但是波形文件交由测量处理器(DSP)来进行本地存储，并通过以太网或者WIFI本地传输到本地后台保存比较合适。

作为具体的实施方式，该装置还包括供电电源，供电电源的输入端与交流电网连接，输出两路直流，其中一路电压为5V，另一路电压为15V；供电电源包括过压保护电路和EMC滤波电路。该供电电源可采用三相400V供电，任意相掉电均不影响装置供电。另外，继电器盒保护装置的直流工作电压应保证在外部电源为80％～115％额定电压条件下可靠工作，电压纹波系数不大于2％，装置断电时应发出告警信息。

还包括模块电源，模块电源的输入端与供电电源的输出端连接，模块电源包括DC-DC变换电路，用于将供电电源输出的15V电压变换到5.2V以给电能质量监测与计量模块供电。

还包括电源控制电路，设置在主处理器与模块电源之间，用于根据主处理器输出的控制信号关断或导通模块电源向电能质量监测与计量模块的供电回路。当电能质量监测与计量模块出现故障死机的时候，主处理器能够通过将模块电源关断再打开的方式来复位电能质量监测与计量模块，使电能质量监测与计量模块能恢复正常工作。如图6所示，模块电源的通断由主处理器通过控制电子开关的导通或截止状态来实现。

还包括电源分配电路，电源分配电路的输入端与模块电源的输出端连接，用于将模块电源输出的5.2V电压通过电源转换芯片分别生成+1.2V、+3.3V、+2.5V、+5V、-5V，其中，+3.3V、+2.5V、+5V、-5V给模拟信号调理电路及AD转换电路供电，+3.3V和+1.2V给测量处理器及其他周边电路供电。

该装置还包括储能电池或由法拉电容组成的储能电路，用于在交流电网断电期间为该装置供电，以保证装置内部信息的存储。

虽然分布式电源逆变器一般都具有较为完整的保护体系，但为了保证在逆变器保护失灵或意外脱出运行时能够及时切除系统故障，保障公共电网安全稳定运行，本实施例提供的分布式电源并网装置还包括继电保护模块，接收主处理器输出的控制信号，用于在过流、短路、欠压时断开分布式电源与电网的连接。具体地，本实施例从成本控制与提高可靠性两方面出发，使用施耐德NSX100F开关实现继电保护功能，简单可靠，整定方便。

分布式电源并网装置，还包括独立式计量模块，用于获取并网点的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因素和电度量，这些数据可以通过RS485通讯接口传输给测量处理器或主处理器。这些数据电能质量监测与计量模块也进行了计算，所以可以通过配置选取数据源。具体地，独立式计量模块可以是内置电能表。

作为可选的实施方式，该分布式电源并网装置还包括人机模块，人机模块包括汉显单元，用于进行本地数据显示和告警显示，本地数据包括通讯参数、变比、接线方式、额定值和限值。

汉显显示单元包括160×160点阵单色液晶显示屏、二极管背光和背光控制电路；

人机模块还包括键盘，7个按键：上移、下移、左移、右移、取消、确认、编程。

该分布式电源并网装置设有汉显液晶屏，简洁明了，满足操作需求。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种分布式电源并网装置，其特征在于，包括：

电能质量监测与计量模块，包括采样单元和测量处理器，所述采样单元用于获取分布式电源逆变器输出的电流信号、电压信号，所述电流信号包括交流电流分量和直流电流分量；所述测量处理器用于根据所述采样单元获取的电流信号、电压信号进行实时电能质量分析，并输出电能质量分析结果；

主处理器，用于根据所述测量处理器输出的电能质量分析结果输出相应的控制信号；

执行模块，用于根据所述控制信号进行相应的动作以将分布式电源与公共电网连接、或分断分布式电源与公共电网的连接。

2.根据权利要求1所述的分布式电源并网装置，其特征在于，所述采样单元包括采样电路、模拟信号调理电路和AD转换电路，所述采样电路用于采集三相电流信号和三相电压信号，所述模拟信号调理电路用于对所述采样电路采集到的模拟电信号进行滤波和放大处理，所述AD转换电路用于将经调理后的电流信号和电压信号转换为数字信号，并输入所述测量处理器。

3.根据权利要求1所述的分布式电源并网装置，其特征在于，还包括通信模块，所述通信模块包括RS485通讯接口，用于从所述采样单元获取所述分布式电源逆变器输出的电压信号和电流信号、并上传至所述主处理器；所述通信模块还包括无线通讯单元，用于与上级主站连接以上传所述分布式电源并网装置采集到的数据、计算得到的数据以及当前状态数据；所述通信模块还包括通过USB扩展出的以太网接口，用于将数据传输到本地后台存储。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的分布式电源并网装置，其特征在于，还包括数据存储模块，用于当电能质量分析结果不合格时存储电能质量统计数据和电能质量分析结果。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的分布式电源并网装置，其特征在于，还包括录波模块，用于捕捉各电能质量指标超越预设限值时的波形并形成波形文件，所述波形文件由所述测量处理器来进行本地存储，或通过以太网传输到本地后台进行存储。

6.根据权利要求1所述的分布式电源并网装置，其特征在于，还包括供电电源，所述供电电源的输入端与交流电网连接，输出两路直流，其中一路电压为5V，另一路电压为15V；

还包括模块电源，所述模块电源的输入端与所述供电电源的输出端连接，所述模块电源包括DC-DC变换电路，用于将所述供电电源输出的15V电压变换到5.2V以给所述电能质量监测与计量模块供电；

还包括电源控制电路，设置在所述主处理器与所述模块电源之间，用于根据所述主处理器输出的控制信号关断或导通所述模块电源向所述电能质量监测与计量模块的供电回路；

还包括电源分配电路，所述电源分配电路的输入端与所述模块电源的输出端连接，用于将所述模块电源输出的5.2V电压通过电源转换芯片分别生成+1.2V、+3.3V、+2.5V、+5V、-5V；

该装置还包括储能电池或由法拉电容组成的储能电路，用于在交流电网断电期间为该装置供电，以保证装置内部信息的存储。

7.根据权利要求1所述的分布式电源并网装置，其特征在于，还包括继电保护模块，接收所述主处理器输出的控制信号，用于在过流、短路、欠压时断开所述分布式电源与电网的连接。

8.根据权利要求1所述的分布式电源并网装置，其特征在于，还包括独立式电能计量模块，用于获取并网点的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因素和电度量。

9.根据权利要求1所述的分布式电源并网装置，其特征在于，还包括人机模块，所述人机模块包括汉显单元和键盘，所述汉显单元用于进行本地数据显示和告警显示，所述汉显单元包括液晶显示屏、二极管背光和背光控制电路；所述键盘包括7个按键，用于参数设置。