（微电子学与固体电子学专业论文）分布式电源电能智能计量与管理系统的设计.pdf

摘要 当前，随着世界性化石能源枯竭和全球性气候变暖加剧，各国均争相大力 发展太阳能、风能等替代性绿色新能源。而新能源中分布式电源近年来发展迅 猛，其合理、有序地接入将支持智能电网的深入发展。目前在分布式电源中， 基于光伏屋顶的分布式光伏并网发电因其占用额外空间少、节能、环保、不受 地域、气候影响等优点，在国内、外新型住宅中应用逐渐增多。然而由于国内 新能源并网及相关政策不配套，分布式光伏并网发电在国内尚未普及应用，致 使其配套的电能智能计量和管理系统的研究与国外尚存在一定差距。 本文基于5 k w 分布式光伏并网发电实验平台，在电能智能计量原理的基础 上，通过搭建硬件电路和f p g a 编程实现了电能的智能计量功能，采用a r m l l 和a n d r o i d 系统设计了人机交互的电能管理终端软件，同时设计了配套实验的电 力企业模拟服务器，最后通过实验验证了电能智能计量功能和电能管理功能。 本文主要工作内容如下： 1 基于5 k w 分布式光伏并网发电实验平台，以电能智能计量原理为基础， 通过搭建硬件电路和f p g a 编程实现了电能的智能计量功能。 2 定义了f p g a 与a r m 串行通信的数据协议，实现了相互实时通信功能。 使用s o c k e t 编程实现了与模拟服务器的以太网通信功能。 3 搭建了a n d r o i d 系统的s d k 和n d k 开发环境，设计并配置了基于开发板 的专用模拟器。使用a r m l1 和a n d r o i d 系统，基于a c t i v i t y 、s e r v i c e 和t h r e a d 三级通信管理结构设计了电能管理终端软件，设计了配套实验的电力企业模拟 服务器端，实现了管理分布式光伏并网发电系统、购销电能等功能。最后通过 测试验证了整个系统的可行性。 关键词：分布式电源，光伏并网发电，电能双向计量，a n d r o i d ，电能管理 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w i t ht h ew o r l d w i d ef o s s i le n e r g yd e p l e t i o na n dg l o b a lw a r m i n g i n t e n s i f i e d 。c o u n t r i e s a r ec o m p e t i n gv i g o r o u s l yd e v e l o ps o l a r , w i n d a n do t h e r a l t e r n a t i v eg r e e nn e we n e r g y d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，an e we n e r g y , i nr e c e n ty e a r s m a k e sar a p i dd e v e l o p m e n to fi t sr e a s o n a b l ea n do r d e r l ya c c e s st os u p p o r ti n - d e p t h d e v e l o p m e n to ft h es m a r tg d d d i s t r i b u t e dp o w e r , d i s t r i b u t e dp vg r i d 。c o n n e c t e d e l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nb a s e do np h o t o v o l t a i cr o o fb e c a u s eo ft h e i rt a k i n gu pe x t r a s p a c ef o rs m a l l ，e n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，f r o mt h eg e o g r a p h i c a l ， c l i m a t i ci n f l u e n c e ，i n c r e a s i n g l yb e i n gu s e di nt h ec o u n t r y , o u t s i d et h en e wh o u s e h o w e v e r , d u et ot h en e we n e r g y 鲥da n dr e l a t e dp o l i c i e si sn o tc o m p l e t e ，n o ty e t u n i v e r s a la p p l i c a t i o no fd i s t r i b u t e dp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ni nt h ec o u n t r y , r e s u l t i n gi ne l e c t r i c i t ys m a r tm e t e r i n ga n dm a n a g e m e n to f r e s e a r c ha n da b r o a d ，t h e r e a r es t i l lac e r t a i ng a p t h i sa r t i c l ei sb a s e dt h e5 k wd i s t r i b u t e dp v 醣de x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，o nt h e b a s i so ft h ep r i n c i p l eo fe l e c t r i c i t ys m a r tm e t e r i n g ，a c h i e v e dt h r o u g hb u i l d i n gt h e h a r d w a r ec i r c u i ta n df p g ap r o g r a m m i n gs m a r tm e t e r i n go fe l e c t r i c i t yu s i n gt h e a r m11a n da n d r o i ds y s t e md e s i g nh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ne n e r g ym a n a g e m e n t t e r m i n a ls o f t w a r ed e s i g n e dp o w e re n t e r p r i s e so fs u p p o r t i n ge x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o n s e r v e re n e r g ys m a r tm e t e r i n gf u n c t i o n a l i t ya n dp o w e rm a n a g e m e n tf u n c t i o n s ，a n d f i n a l l yv e r i f i e db ye x p e r i m e n t t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mb a s e d5 k wd i s t r i b u t e dg r i d - c o n n e c t e dp ve l e c t r i c i t y s m a r tm e t e r i n gp r i n c i p l ei sb a s e do ns m a r tm e t e r i n go fe l e c t r i c i t yt ob u i l dt h e h a r d w a r ec i r c u i ta n df p g ap r o g r a m m i n g 2 d e f i n e st h ef p g aa n dt h ea r ms e r i a lc o m m u n i c a t i o nd a t ap r o t o c o lt oa c h i e v e am u t u a lr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t i e s t h eu s eo fs o c k e tp r o g r a m m i n ga n d s i m u l a t i o ns e r v e re t h e m e tc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n 3 t ob u i l dt h ea n d r o i ds d ka n dn d kd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，d e s i g na n d c o n f i g u r ead e d i c a t e ds i m u l a t o rb a s e do nt h ed e v e l o p m e n tb o a r d a r m11a n d a n d r o i ds y s t e m ，e n e r g ym a n a g e m e n tt e r m i n a ls o f t w a r ew a sd e s i g n e db a s e do nt h e i i a b s 仃a c t a c t i v i t y , s e r v i c et h r e a dt h r e ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n ts t r u c t u r e ，t h ed e s i g no f t h ep o w e re n t e r p r i s e so fs u p p o r t i n ge x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o ns e r v e r - s i d em a n a g e m e n t o fd i s t r i b u t e dp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r n i o ns y s t e m ，p u r c h a s ea n ds a l eo fe l e c t r i c i t y f u n c t i o n v e r i f i e db yt e s t i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h ee n t i r es y s t e m k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，g r i d - c o n n e c t e dp v , p o w e rb i d i r e c t i o n a lm e t e r i n g ，a n d r o i d ，p o w e rm a n a g e m e n t i i i 一 箜二童堕笙一 一一 第一章绪论 自人类社会有史以来，人类的任何生存和发展活动都与能源密切相关，能 源是支持人类社会存在和发展的重要物质基础 1 1 。能源具有极其重要的战略意 义，谁拥有充足的能源，谁将控制整个经济发展的命脉。在人类使用能源的结 构中，化石能源是最主要的能源使用形式，其在所有能源中所占比例高达8 8 。 在当今，高速发展的现代社会对能源的需求十分庞大，全世界每年消耗约1 1 0 亿吨石油当量。 然而随着化石能源的大量消耗，全球化石能源储量日益减少【2 j 。表1 1 是世 界主要非可再生能源的数据统计【3 ，截止2 0 1 0 年底世界主要化石能源煤、石油 和天然气剩余储量为8 6 0 9 3 8 亿吨、18 8 8 亿吨和18 7 1 万亿立方米，按目前年消 耗量只能使用1 1 8 年、4 6 2 年和5 8 6 年。 表1 1 世界主要非可再生能源数据统计( 截止2 0 1 0 年底) 能源种类 储量剩余使用年限 煤 8 6 0 9 3 8 亿吨118 笠 石油 18 8 8 亿吨4 6 2 年 天然气1 8 7 1 万亿立方米5 8 6 年 表1 2 中国主要非可再生能源数据统计( 截止2 0 1 0 年底) 能源种类储量剩余使用年限占世界百分比 煤1 1 4 5 亿吨3 5 年1 3 - 3 0 石油2 0 亿吨9 9 在 1 0 6 天然气2 8 万亿立方米2 9 年1 5 0 对于我国情况更糟，表1 2 是中国主要非可再生能源的数据统计，全国主要 化石能源煤、石油和天然气储量为1 1 4 5 亿吨、2 0 亿吨和2 8 万亿立方米 4 1 ，按 目前年消耗量只能使用3 5 年、9 9 年和2 9 年，同时我国相关化石能源储量只占 世界总量的1 3 3 0 、1 0 6 和1 5 0 5 1 。全球化石能源的大量消耗一方面导致能 第一章绪论 一一 源枯竭，另一方面使环境严重污染、全球气候变暖，甚至有些地区因能源分配 不均而引发冲突。为了缓解紧迫的能源形势，世界各国均积极发展清洁的、可 再生的绿色新能源。 第一节课题背景及意义 当今，发展新能源和建设智能电网已成为世界的潮流j 。 新能源也称为非常规能源，是指在新技术和新材料基础上研究、开发和利 用的取之不尽、周而复始的可再生能源，以太阳能、风能、生物质能等形式为 主。目前新能源的主要利用形式是发电，分离网运行和并网运行两种方式，而 近些年并网运行渐成主流，受到了人们的极大关注。 智能电网最早是由美国提出并开始研究，到目前为止，因各国对其看法和 需求不一而未对其有统一定义。我国国家电网于2 0 0 9 年提出“坚强智能电网” 概念 7 1 。根据该定义，智能电网是以物理电网为基础，将先进的传感测量技术、 通讯技术、信息处理技术和控制技术与传统电网相融合形成的新型智能型电力 网络 8 】，其目的是充分满足用户对电力的各项需求，优化各种新型能源的配置， 同时保障电网电力的安全性、经济性和可靠性【9 j ，达到环保、节能规划，保障电 能质量，并适应电力市场新形势下的发展。智能电网的主要特征是坚强、自愈、 互动、兼容、经济和协调【l 。 新能源与智能电网的发展是相辅相成的。从利用方式来看，新能源主要是 转化为电能且并入电网来实现利用的。电网是电力输送的载体，而智能电网则 代表了未来电网的发展方向，它的一个重要组成部分就是新能源，它是实现新 能源发展的平台和重要保障儿1 2 】。通过新能源的大规模接入，一方面减少化石 能源使用带来的污染，保护环境，另一方面可全面提升电网的资源优化配置能 力，大幅提高电力系统运行的安全和效率【13 1 。新能源与智能电网的协调发展， 将转变我国的能源和电力发展方式， 新能源发电分为集中式和分布式两种。集中式发电主要在沙漠、荒滩、沿 海等人烟相对稀少地区，而分布式发电则作为一种使用方便的电源靠近人们的 居住区，可以合理、有序地就近接入智能电网，应用潜力巨大。分布式发电是 指发电功率在几千瓦至5 0 m w 的小型模块化电源，其一般分散地分布在配电网 或用户端周围，是经济、高效、可靠的能源综合利用发电系统 1 4 】，如太阳能发 2 第一章绪论 电、风力发电和生物质能发电等。 目前在智能电网的发展中，基于光伏屋顶的分布式光伏并网发电是分布式 电源的一个重要实现形式，各国均争相鼓励其发展。德国于2 0 0 0 年4 月推出了 可再生能源法，对分布式光伏并网发电等新能源并网发电提供多项优惠和补 贴【1 5 。日本也于2 0 0 3 年4 月实施了新能源特别措施法，鼓励和推动光伏并 网发电等相关可再生能源应用 1 6 。我国也于2 0 0 6 年1 月实施了可再生能源法， 将分布式光伏并网发电等可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域【l 8 1 。 2 0 1 1 年9 月，中国首个智能电网综合示范工程在中新天津生态城投入运营，涉 及发电、输电、变电、配电、用电、调度6 大环节1 2 个子项目 1 8 】，而分布式光 伏并网发电等分布式电源接入是其中的一个发展重点【l 圳。 基于光伏屋顶的分布式光伏并网发电系统应用潜力十分巨大，而目前由于 国内相关电价政策不配套，且与分布式光伏并网发电配套的电能智能计量与管 理系统的发展不尽完善，因此对其的研究将具有重要的理论价值和实际应用意 义。 第二节课题发展现状 目前在国外，与光伏屋顶并网发电系统相配套的电能智能计量与管理系统 发展比较迅速且完善。飞思卡尔、t i 等国际主流芯片设计厂商早已推出了相关 的电能智能计量芯片。美国谷歌公司曾推出一款“谷歌电表”的免费网络服务， 使用户监控家庭或公司的电能消耗情况。美国埃施朗公司( e c h e l o n ) 已研发出 l o n w o r k s 控制网络技术和相关芯片，并以此为基础设计了被广泛接受的电能管 理服务方案。该公司还在2 0 1 1 年推出的边缘控制节点( e c n ) 可进行远程智能 停电恢复和家庭光伏逆变管理等操作，为智能电网的应用提供了很好的智能节 电控制器。目前，国外早己使用平板电脑等智能设备对家用电器等设备进行远 程操控 2 0 1 。 目前，国内对光伏并网发电系统相配套的电能智能计量与管理还处于研究 和发展阶段。于2 0 11 年9 月投入运营的中新天津生态城综合示范项目，为分布 式电源的电能智能计量与管理作出了新的探索 2 1 1 。通过其电能智能计量和能量 管理系统，可实现分布式电源优化控制 2 2 、能量经济调度 2 3 】、可再生能源出力 预测、无功优化和电压控制、需求侧响应等应用功能。不仅能够实现不同电源 3 第一章绪论 一 之间的转换，还可以通过智能终端为用户提供风光储、周分类电量、分类累计 电量以及累计碳减排效益等统计数据。用户可很好地通过智能用电管理系统对 家庭用电进行合理规划。 第三节本文主要工作 本文以5 k w 分布式光伏并网发电实验平台为基础，依据电能智能计量原理， 搭建相关硬件电路并通过f p g a 编程实现了电能智能计量的功能。接着设计了 基于a r m l l 和a n d r o i d 操作系统的电能管理终端软件，该软件与5 k w 分布式 光伏并网发电实验平台配套，具有良好的人机交互界面。然后设计了配套实验 的电力企业模拟服务器，最后通过实验验证了电能智能计量功能和电能管理功 能。本文主要工作内容如下： 1 基于5 k w 分布式光伏并网发电实验平台，以电能智能计量原理为基础， 通过搭建硬件电路和f p g a 编程实现了电能的智能计量功能。 2 定义了f p g a 与a r m 串行通信的数据协议，实现其相互串行通信功能。 使用s o c k e t 编程实现了与模拟服务器的以太网通信功能。 3 搭建了a n d r o i d 系统的s d k 和n d k 开发环境，设计并配置了基于开发板 的专用模拟器。使用a r m l l 和a n d r o i d 系统，基于a c t i v i t y 、s e r v i c e 和t h r e a d 三级通信管理结构设计了电能管理终端软件，设计了配套实验的电力企业模拟 服务器端，实现了管理分布式光伏并网发电系统、购销电能等功能。最后通过 测试验证了整个系统的可行性。 本论文的创新点如下： 1 基于电能智能计量原理，设计了分布式光伏并网发电系统的电能智能计量 模块，该模块与光伏控制系统高度集成，增强了计量功能的专用性，并且它们 可共用数据采样和处理模块，提高了资源利用效率，为进一步设计光伏控制系 统专用集成电路奠定基础。 2 基于a r m 与a n d r o i d 系统设计了电能管理终端软件，其与电力企业服务 器模拟端配合，实现了分布式光伏并网发电系统配套的电能购销功能，为将来 大规模分布式发电入网应用作了有益探索。 4 笙三兰坌塑茎堂垡茎堕垄皇墨笙 第二章分布式光伏并网发电系统 分布式电源中电能智能计量与管理系统进行相关设计将基于分布式光伏并 网发电系统，本章首先对分布式光伏并网发电系统的原理进行了说明，然后对 实验中使用的5 k w 分布式光伏并网发电平台的整体框架和控制策略进行了介 绍。 2 1 1 基本原理 第一节分布式光伏并网发电系统原理 分布式光伏并网发电系统的基本组成如图2 1 所示，由b o o s t 型d c d c 转 换器、电压源型逆变器( v s id c a c ) 和控制系统构成 2 4 1 。分布式光伏并网发 电系统在工作时，首先将太阳能光伏电池阵列输出的直流电能通过b o o s t 型升压 转换器升压到一定比例，使其输出电压符合逆变器的输入要求，然后控制系统 对功率开关管进行通、断控制，使电压源型逆变器输出交流电能并使其电流同 公共电网电压同频、同相。此时闭合并网开关，即可将逆变的交流电能并入公 共电网中，从而实现分布式光伏并网发电系统的并网发电功能。 网 i一 三； d 燮( 2 7 ) 2 v o f 从( 2 7 ) 式可以看出，在连续导通模式下电感的最小取值为形。d d 。r 2 v o f ， 且当输入电压圪越大、输出电压v o 越小、占空比吃越大、负载电阻r 越大和 开关频率厂越小时电感值越大。所以在选择电感时，应当将输入电压圪，、输出 电压v o 耐、占空比d o 。、负载电阻r 和开关频率厂五个参数综合考虑在内。 综上所述，只要按照连续导通模式( c c m ) 来调整b o o s t 升压转换器，就 可以为d c a c 逆变器提供参数稳定、良好的电压输入。 2 1 3 电压源型逆变器 逆变器 3 0 也称为d c a c 转换器，其作用是将直流电转换为符合应用要求的 交流电。用于并网的逆变器，按其电路拓扑划分为电压源型逆变器( v o l t a g e s o u r c ei n v e r t e r - v s i ) 和电流源型逆变器( c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r - c s i ) 两种类型。 分布式光伏发电系统就是要将d c d c 转换器调整后的直流电转换为符合公共用 电网标准的交流电【3 1 1 ，以供用户消耗或者并入公用电网，故并网逆变器是分布 式光伏发电系统中一个非常重要的组成部分。 如图2 3 所示，为单相电压源型逆变器( v s i ) 电路拓扑的结构图，其主要 特征是输入的直流端采用大电容进行储能，从而使得直流端呈现低阻态的电压 源特性。图中k ，为直流输入源，一般为光伏电池、燃料电池、蓄电池等分布式 直流源。c 为大容量的电解电容，其在电路拓扑中起储能和稳压的作用。s 为功率m o s 管、i g b t 等各种类型的电力电子开关。通过在s 上施加p w m 策略控制4 个开关的导通和关断，进而在输出端得到相应的交流电压杉。，通过 低通滤波电路将高频分量滤除后即可得到具有一定频率的正弦交流电压。 8 箜三主坌塑茎堂堡茎塑垄皇墨笙 一 图2 3 单相电压源型逆变器电路拓扑结构图 电压源型逆变器因其电路拓扑结构简单，相应控制策略较为成熟，已成为 现在应用广泛的并网逆变器。其主要应用在太阳能、风能等分布式电源并网发 电，电器传动( e d ) 和不间断电源供给( u p s ) 等领域。 由于电压源型逆变器其自身的电路拓扑结构存在一定缺陷，故其使用受到 一定的局限。一方面，从电路拓扑结构上说，v s i 是在b u c k 降压转换器拓扑上 发展而来，因而其输出交流电压的有效值总是小于输入端的直流电压有效值。 若需要电压源型逆变器输出高电压，则需要在其输入端加入b o o s t 升压转换器或 者在逆变器输出端连接升压变压器。而b o o s t 升压转换器或升压变压器的加入使 得系统变为两级，系统的稳定性受到了一定影响，波形产生一定畸变，输出效 率被降低，同时控制的复杂度也相应地提高，成本也被迫增加，因此设计时不 得不考虑更多的影响因素。另一方面，由于输入直流端呈现低阻态的电压源特 性，所以应当避免逆变器工作在同一桥臂的两个开关管同时导通( 例如s 、s 或 者& 、& 同时导通) ，否则输入将被短路，引起开关管的过流而烧毁。为避免此 类情况的发生，同时考虑到驱动电路的延迟，v s i 的p w m 控制策略中必须加入 死区时间。但是死区时间的加入使得输出的正弦电压波形发生一定畸变 3 2 】。 第二节5 k w 分布式光伏并网发电实验平台简介 2 2 1 整体框架 如图2 4 所示，为5 k w 分布式光伏并网发电系统整体框图，其由太阳能光 伏电池阵列、b o o s t 型d c d c 转换器、电压源型逆变器、采样电路、控制系统、 9 第二章分布式光伏并网发电系统 智能计量模块、通信接口和电能管理终端构成。控制电路、智能计量模块和通 信接口使用f p g a 编程实现，电能管理终端使用外扩的a r m 实验板。 图2 45 k w 分布式光伏并网发电系统整体框图 分布式光伏并网发电系统的主要功能，是将太阳能光伏电池阵列输出的直 流电能转换为可并入公共电网的交流电能，并且要达到随时保持并网电流与公 共电网电压同频、同相和输出谐波成分较少的要求，同时还需为电能管理提供 相关的支持。为实现上述要求，控制系统使用了直流母线电压外环和并网交流 电流内环，扩展功能增加了智能计量模块和通信接口，数据交换功能用a r m 实 验板与通信接口连接通信实现。 直流母线电压外环主要实现控制直流母线电压，防止其过高或过低影响逆 变电路和并网输出。并网交流电流内环主要实现对电网电压的快速跟踪、单位 功率因素的运行和并网电流的正弦化，并且将直流母线电压外环的幅值信号作 为参考，可进一步改善并网电流波形和抑制直流母线电压谐波影响。智能计量 模块主要实现了接入智能电网的分布式光伏并网发电系统的双向电能流动分开 计量的功能，该功能在实际应用中有着重要的意义。通信接口主要实现了与电 能管理终端的双向通信，通过双向通信可进一步增加人机交互性。 图2 5 为5 k w 分布式光伏并网发电系统的硬件实物图。 1 0 第二章分布式光伏并网发电系统 图2 55 k w 分布式光伏并网发电系统硬件实物图 2 2 2 控制策略 如图2 6 所示，为分布式光伏并网发电系统控制策略的框图。 p w m u p k 最大 ， 生成 ，r 功率 il s p w m 印y 。 跟踪 、。 a 清零信号。 生成 d 数 迥 生成 r 采 据 l 二 过零 1 龋卜 矢 s p w m 样 处 方波 里 ， 生成 控 理计 制算 。l s p w m 调制 7 l 生成 l a c k因子 阪 计算 s p w m 生成 图2 6 控制策略框图 整个控制系统包括a d 采样控制、数据处理、数字锁相环和p w m 生成等 第二章分布式光伏并网发电系统 模块。在a d 采样控制模块控制a d 转换器对数据采样，并通过数据处理获得 光伏电池阵列输出电压啡，、电流，、直流母线电压、模拟电网电压u 删、 逆变器输出电流。等关键系统参数。根据，、矿采样值进行最大功率跟踪运 算，然后根据结果控制并调整d c d c 开关管足。的p w m 波形生成占空比d o 一 以使太阳能光伏电池阵列直流输出功率最大。u 删通过生成过零方波，一方面 生成了清零信号，另一方面经过数字锁相环对其频率和相位的跟踪与锁定；、 屯。、u 删经过计算得到s p w m 调制因子m 。根据四方面的输出信号进行矢量运 算，获得四路s p w m 控制信号来控制开关管s 、是、s 和墨的导通与关断， 从而保证光伏并网发电系统并网发电的正常运行。 1 2 第三章电能智能计量与管理 第三章电能智能计量与管理 当分布式发电系统接入配电网后，若所有负荷节点处负荷量大于该节点处 分布式电源的输出量时，分布式发电的引入则不会改变潮流的方向；若负荷节 点处负荷量小于该节点处分布式电源的输出量时，则分布式发电的引入会使线 路产生逆潮流。因此，引入分布式发电会改变线路潮流的方向与大小，可能增 大或减小系统损耗。此外，纵使由太阳能光伏发电或风力发电系统组成的分布 式电源容量足够大，因其输出受天气及自然环境影响较大，且具有随机变化的 特性，故潮流变化在配电网中可能反复出现，具有一定的随机性。因分布式发 电装置接入配电网后改变了配电系统单向潮流的结构，故电能双向的流动就必 须对分布式电源电能采用智能计量。同时，为实现智能电网中的电力资源在需 求侧的合理配置，还需要对双向流动的电能进行相应的管理。 本章将在上一章分布式光伏并网发电系统的基础上对电能智能计量的原理 进行阐述，然后介绍电能管理的相关内容。 第一节电能智能计量原理 本节中依次介绍了电能的基本电参数计算、功率流向判别和智能计量的原 理。 电能智能计量的整个过程是，使用传感器采集网侧m 点电压、电流值，一 方面将其低通滤波并进行乘运算而获得瞬时功率值，另一方面计算电压、电流 相位差余弦值，之后将瞬时功率与相位差余弦值相乘可获得有功功率值，然后 判别方向并依时间累加。 3 1 1 基本电参数计算 电能的基本电参数包括电压有效值、电流有效值、周期、相位角和功率。 基本电参数的计算是电能智能计量的基础。 1 电压、电流有效值 对于理想公共电网的交流供电系统，其三相交流电压是平衡的，电网频率 第三章电能智能计量与管理 恒定在5 0 h z ，且电压和电流是正弦波。设交流电压为u ( t ) 、交流电流为讹) ，其 交流电压有效值为u 、交流电流有效值为i ，电网频率为厂且厂= 1 t ，角频率 为w 且w = 2 衫，电流超前电压的相角为汐，电压峰值为，电流峰值为， 则瞬时电压、电流值表达式为 “( f ) = u ps i n ( w t ) ( 3 1 ) = ls i n ( w t 一妒) ( 3 2 ) 电压、电流的有效值定义为一个周期内瞬时值的均方根值，即 ( 3 4 ) 将电压、电流在一个周期r 内分别划分为均等的n 段，每段时间间隔是互， 即z = 丁，然后使用数字化的采样方法对两个模拟信号进行离散化采样。当 足够大时，乃变得足够小，每个z 内的电压、电流变化量很小。用离散值来近 似表示连续值，则( 3 3 ) 和( 3 4 ) 式可表示为 u i 甄；n - i = v 1 笏n - i ，厮= 、万1 争n - i ( 3 5 ) ( 3 6 ) 式中“i 表示在第i 个z 时的瞬时电压采样值，f i 表示在第i 个z 时的瞬时电 流采样值。 2 周期和相位角 对于交流电的周期丁，可采用对正弦波进行整形的办法来获得过零方波信 号，然后通过高频率对其计数得到其频率厂，而周期丁是频率厂的倒数，即 t = 1 厂。计数频率越高，周期丁的获得就越准确，因此合理地选择计数频率是 关键。 对于电压和电流的相位角，可采用其整形后的过零方波信号进行相与而获 得。设相与后的新方波信号周期为r o ，则相位角够的表达式为 1 4 堕拇 = ，v u = ， 第三章电能智能计量与管理 伊：1 8 0 掣立 ( 3 7 ) 将新方波信号与电压过零方波信号相比较，即可获得电压、电流相位的关 系。若新方波信号上升沿比电压过零方波信号上升沿滞后，则说明电流超前电 压f o ，反之则电压超前电流够。 3 功率 对于分布式光伏并网发电系统来说，因为其处于用户端，所以参数的计算 一般是在单相下进行的。 在理想正弦波情况下的一个电网周期t 内，单相的视在功率s ，、有功功率p 和无功功率q ，的表达式如下， s j = i j ( 3 8 ) e = s jc o s ( p = u j i jc o s q 9 ( 3 9 ) g = s js i n 0 9 = u j l js i n0 9 ( 3 1 0 ) 在非理想正弦波情况下，单项有功功率的定义是一个周期t 内瞬时功率的 平均值，即 p j ：u t d t i t 如 对其在周期t 内离散化采样n 次，则上式变为 3 1 2 功率流向判别 ( 3 1 1 ) e = 歹1 刍n - i “，i z = 万1 刍n - i “ ( 3 1 2 ) 电能的流向与功率的流向密切相关。功率流向的确定有两种方法：种是 通过电压和电流之间的相位差确定，即通过相位差判别流向；另一种是通过离 散采样算法计算的一个周期丁内有功功率的正负号确定，即通过有功功率符号判 别。 1 相位差判别法 如图3 1 所示，为有功和无功功率的几何示意图。图中参考矢量是电流矢量 第三章电能智能计量与管理 ，取向右为正向，电压矢量u 和电流矢量，之问的相角为缈，妒取逆时针方向 为正，电压矢量u 随相角够改变方向。坐标轴将平面分为四个象限，右上角为 第一象限，其它象限按顺时针方向依次命名。 抟f s j ： 耙、。- rj + 椁 、，tt t 一 “ 、 + 一卜- 一：a i q 。 、 、 l p | 、 一卜 、f 册 - 川n 、 一 j ii 。j- ：5 图3 1 有功和无功功率的j l n 示意图 根据图3 4 ，当相角0 训 9 0 。时输入有功功率，即电网向用户端输入电能； 当相角9 0 。 酬 0 时输入有功功率，即电网向用户端输入电能； 当pi 0 ，# 0 。 通过以上电能的双向累加和存储，即可实现分布式光伏并网发电系统中电 能智能计量的功能。第四章将以本原理为基础，以f p g a 为平台，使用v e r i l o g 语言实现电能智能计量模块。 第二节电能管理及a n d r o id 平台简介 智能电网分布式电源中的电能管理以电能智能计量为基础。所谓电能管理， 就是电力企业和用户根据自身的需求，遵循电力系统的标准规范而提出并实行 的一种有效的生产、分配和消费电能的能源管理方案。它的目的是合理调配负 荷、优化运行、有效节约电能和达到环境和效益相统一【3 引。 本节中介绍了电能管理的众多模式，阐述了智能电网中接入分布式发电系 统后的新型电能管理形式，并在此基础上说明了采用a n d r o i d 系统作为新型电能 管理的系统平台的优势，最后对a n d r o i d 系统平台作了简要介绍。 3 2 1 传统电能管理 传统的电能管理模式有两种，分别是人工电能管理和预付费电能管理。 1 人工电能管理 如图3 2 所示，为人工电能管理模式图。 第三章电能智能计量与管理 瓣 龟r 霞 担、媛爨 图3 2 传统电能管理模式图 在传统的电能管理模式中，电力企业需先向用户输电满足其日常电能需求， 然后按照一定的收费周期派遣收费人员根据电表用电量向用户收取相应的电 费。当获得用户用电量和相应电费后，电力企业将根据用电情况安排下一步的 发电计划。 在传统的电能管理模式中，无论是用户还是电力企业对电能的管理都有很 大的困难。对于用户来说，电能节约思想淡化和有效评估方法缺乏使得用户端 电能管理变得十分困难。对于电力企业来说，由于缺乏相应的技术管理手段， 只能被动地根据实时用电情况来调整发电功率，往往在用电高峰时即使满负荷 发电也未必能满足用户的巨大电能需求。况且近些年因能源枯竭等原因导致煤 炭价格一路攀升，这给大多数以煤电为主的电力企业正常生产造成了很大的影 响。同时由于电力企业采取后付费方式，常常遇到电费收费难、用户偷电等情 况，这也在一定程度上影响了企业的正常生产和维护运行。 2 预付费电能管理 如图3 3 所示，为预付费电能管理模式图。 1 8 誊缝 第三章电能智能计量与管理 啭凌 ! # 鬓 黩4 重 支 寸 键豁 图3 3 预付费电能管理模式图 在预付费电能管理模式中，用户须首先通过银行等代理机构向电力企业缴 纳一定的预付电费来购买一定数量的电能，购电信息将存入电费卡中。当用户 用电时将电卡插入预付费电表进行一次识别，即可马上使用相应电量的电能。 当用户剩余电量不足时，预付费电表将提示用户电量不足，此时用户须再次购 电和插卡识别才可继续用电。在预付费的电能管理模式中，用户购电和电力企 业输电形成了一个良性的循环。 由于采取预付电费方式，电力企业有效地解决了电费收费难问题。而采用 新计量技术的预付费电能表，可智能地计量流入、流出两个方向的电能，有效 地防止用户窃电情况的发生。同时，采用银行等代理机构收取电费，大大减少 了电力企业的人力成本，简化了电能管理方式，并增加了企业效益。而作为用 户，可通过预付费电表比较直观地了解自身电能总体消耗情况，针对性地采取 一定节约电能措施，并且节约和管理电能的意识逐渐增强。 在这种电能管理模式下，电能的管理效率有了一定提高。然而，电力企业 的电能生产量仍然还是不能满足用户日益增长的电能消费需求，电力企业只能 被动地根据用户用电量增加电量生产。在发电量不足的夏季用电高峰，有时甚 至还得对非关键用户拉闸限电。对于用户，由于对用电负载的具体电能消耗情 况没有直观了解，其自身的电能管理还是存在一定的盲目性。 1 9 蓼 第三章电能智能计量与管理 3 2 2 新型电能管理 随着绿色能源革命的不断进行，大量分布式电源逐步接入智能电网，这将 极大地改变着电能管理的方式。 智能电网中新型电能管理如图3 4 所示。新型电能管理主要由电能管理终端 和电力企业服务器管理端构成，而电能管理终端是用户端的核心。电能管理终 端负责用户端的电能管理工作，它可兼容太阳能、风能等分布式电源，体现了 智能电网的兼容特性，通过无线通信方式对燃气表、水表、用户需求、自动照 明、温度调节、智能设备和电动汽车充电等进行智能化管理。电能管理终端将 根据不同负载的类型、功耗、用电需求程度将负载分为敏感不可控、敏感可控 和不敏感可控三种类型，通过先进的传感、测量、网络和控制等子系统对它们 进行分类管理，以达到能耗和花费最低的目的，充分体现了智能电网的经济性。 电力企业服务器管理端负责电网实时情况监控、电价优惠方案制定等工作，并 通过网络与电能管理终端进行有效、良好的交互【3 4 l 。 图3 4 新型电能管理示意图 由于接入分布式电源，用户可优先使用分布式电源的电能，这在一定程度 上节省了购买电能的费用；而电力企业则通过推出用电高峰时的入网优惠电价， 鼓励用户将分布式电源电能入网，达到缓解电网压力和降低发电成本的目的， 同时让用户也获得了经济上的实惠，最终将达到经济、环保、高效的目的【3 5 1 。 2 0 第三章电能智能计量与管理 用户的电能智能管理终端，可以与电力企业服务器管理端互动，以达到整 体电能管理效率的提高。用户通过电能智能管理终端的可视化人机交互晃面， 可获得家庭用电最优的服务，而电力企业同时也可以对用户的非必须用电器进 行统一管理，有效达到调节电力用电高峰的目的，这体现了智能电网良好的互 动性和协调性。 当公共电网遇到重大问题时，整个电能智能管理系统将自动切换并优先使 用分布式电源支撑电网，大大减少因故障对用户造成的影响，增加了电网运行 的稳定性，体现了智能电网的坚强性。 3 2 3 电能管理终端 本节中根据智能电网中电能管理的需求，以分布式光伏并网发电系统为基 础，规划了如图3 5 所示的电能管理系统。 分布式光伏 发电系统 舅签瞄圄 电能管理终端 电力服务器模拟端 电厂 图3 5 电能管理系统 电能管理系统主要由电能管理终端和电力服务器模拟端构成，而电能管理 终端是用户端的核心。它们主要的功能如下： 1 电能管理终端可通过串行通信手段，获得分布式光伏并网发电系统当前运 行状态，包括直流输入电压、电流，交流输出电压、电流，发电输出功率、网 侧输出功率、负载消耗功率、并网送电等信息，还可以进行运行与停止、并网 2 1 第三章电能智能计量与管理 与离网等管理操作。 2 用户可通过电能管理终端与电力服务器模拟端互动，将分布式光伏并网发 电系统多余的电能销售给电力企业，同时可以在剩余电量不足时向电力企业购 买电能。 3 用户可以利用电能管理终端实现对模拟家庭用电负载的管理。 4 电能管理终端还可通过网络接收来自电力服务器模拟端更新的电力资讯 数据。 目前，在嵌入式操作系统上设计电能管理终端软件是很好的选择。各嵌入 式操作系统的开放性、实用性以及性能等方面各有千秋，而a n d r o i d 平台以其源 码开放、可任意裁剪、人机交互界面良好等优点，在智能设备中的使用越来越 广泛。以a n d r o i d 为操作系统平台设计电能管理终端软件，将使整个软件在智能 化等方面优势更加突出。其优势如下： 开源，遵循a p a c h es o f t w a r el i c e n s e2 0 ( a s l 2 0 ) 许可证，可以随意使 用源码而不必开源。 以l i n u x 内核为基础，系统稳定性得到保障。 使用j a v a 、c 、c + + 等多种主流语言编程。 使用改进的j a v a 虚拟机( d a l v i k 虚拟机) 和硬件加速器加速代码执行。 u i 界面漂亮，操作灵敏便捷、执行效率高。 网络功能强大。 应用程序库和相关学习资源十分丰富。 基于以上优势，本文在设计电能智能管理终端软件时将采用a n d r o i d 平台。 3 2 4a n d r oid 平台简介 本节中介绍了a n d r o i d 的系统架构和设计中使用的硬件平台。 3 2 4 1 系统架构 a