分布式電源接入下雙向地磅計量與監控一體化設計構想

為保護地球資源，現在大力開發無污染可再生的新能源。在此背景下，大量分布式新能源電源接入電網。分布式電源接入電網后，家庭微電網潮流存在雙向性，又有分布式電源發電補貼、余電上網、用電價格不同等因素，傳統的電能計量裝置已不能滿足發展的需求。雙向計量與監控一體化設備使用“單片機 + 計量芯片”以及其他通信接口等設備，搭載適合的操作系統對總體任務進行優化設置，較好地彌補了傳統電能表的不足，實現雙向計量、計算補貼、電網電能質量采集等任務。

0.引言

化石能源等傳統能源，具有不可再生性，它們的日漸枯竭使得人們尋找新能源替代。在這種背景下，大量可再生新能源的開發利用提上日程，甚至已經開始應用。與傳統能源不同，太陽能生物能、風能、小水電資源等可再生資源都是分布式存在的。國家大力推行新能源，倡導新能源發電。一方面，隨著城鎮化建設，電力客戶的用電需求也在增加；另一方面，城鎮化的建設實施同時也為分布式能源的大量、成規模地加入提供了有利的大環境。

1.分布式電源發展概況

1.1分布式電源技術定義及分類

分布式發電 ( Distributed Generation，DG) 技術一般主要包括發電容量為幾十到幾百 kW 的燃料電池、微型燃氣輪機、風力發電技術、太陽能光伏發電技術等。這些技術依靠可再生新能源為主的小型發電設備實現，這些小型設備都就近分布在負荷附近。

1.2 分布式電源優缺點

分布式電源具有投資小、占地少及節能環保等諸多優點。但跟傳統的集中能源相比，還是有弊端存在。人們將現代電能質量通常理解為 “ 導致用戶電力設備不能正常工作的電壓 、電流或頻率偏差，造成用電設備故障或錯誤動作的任何電力問題都是電能質量問題 ”。穩態電能質量問題包括諧波、頻率偏差、電壓波動與閃變等；暫態電能質量問題主要包括電壓凹陷、電壓凸起、暫態震蕩等，是電力系統發生故障機投切操作等伴隨的暫時性現象。分布式電源接入電網，其輸出功率具有隨機性和波動性特征，并網后容易引起變壓波形畸變、電壓波動與閃變、三項不平衡、諧波等一系列問題，會嚴重影響電網的電能質量。

2.雙向地磅計量與監控一體化設備的需求

2.1 家庭微電網應用分析

對家庭微電網進行應用分析，本文是基于高級計量架構（AMI）的。高級計量架構包含以下幾個部分：測數據管理系統 ( MDMS) 、雙向通信網絡、智能電表和用戶戶內網絡。

高級計量架構中的計量和智能監控功能由雙向計量與監控一體化設備承擔。設備包括：主站、智能設備、分布式電源、智能負載。一方面，從上級主站或微電網獲得電價、調度信息等；另一方面通過 RS-485、信息網絡等方式對分布式電源及用電設備來進行監控。

2.2 家庭用戶功能需求

家庭微電網的潮流方式與普通電網潮流方式不同，它是存在雙向流動的。分布式電源發電補貼、余電上網、用電電價不同、家庭用電方式不同。傳統的電能計量裝置顯然已經不能滿足如此多樣化的需求了。這就要求有一種可以雙向計量且具有監控功能的設備來替代。

3.硬件方案

雙向計量與監控一體化設備同時具備對電網的質量監測、可雙向計量電能費用、可計量分布式電源的發電補貼、可體現用電能效等功能。設備采用 MCU+ 計量芯片方案，主要組成部分為：雙向計量、 CAN 總線、信息網絡及 RS-485 模塊。

3.1雙向計量模塊

依照《 國家電網智能電表技術規范 》要求，雙向計量應當實現的功能有：“組合 / 正向 / 反向有功總電能、組合 / 正向 / 反向各費率有功電能、正向 / 反向分相有功電能、正向 / 反向有功最大需量、瞬時凍結功能、整點凍結功能、電壓過壓欠壓事件記錄、電流失流過流事件記錄、瞬時電壓電流功率的檢測等功能。”經過綜合考慮，采用 ADE7878/7593 計量芯片為宜。

3.2 通信功能模塊

為滿足實際應用中不同的通信接口需求，設備集成信息網絡、電力線載波、RS-485、CAN、紅外借口等通信模塊。例如：后期與其他能效管理設備通訊可使用 CAN；遠程抄表功能的實現可依靠紅外通訊；信息網絡可用于與其他分布式單元通訊，獲得更多訊息。

4.軟件設計及任務組成

設備要實現電能質量監測、雙向獨立計量電能電費、計量補貼、雙向通信等功能。整個系統對實時性要求非常高，任務繁重，操作系統選取輕量級的，比如 FreeRTOS。基于操作系統支持，可將設備的軟件流程在不影響功能的情況下分解成幾塊主要任務。

4.1 總體任務設計

雙向計量與監控一體化設備的任務涉及電網的電能質量監測、數據存儲、雙向電能計量、人機交互等方面。為保證電網質量監測的準確性，電網參數采集處理任務設置成最高優先級；雙向計量任務也較為重要，設置為次優先級；通信任務在不同時段不同場合需要根據實際情況來設置級別；數據存儲時間要求很短，設置為較低的優先級；能效管理任務對實時性要求不高，可設置級別為 0。

4.2 電能雙向計量任務

電能雙向計量任務由線周期電能累計模式實現。在電能計量模式下，對計量芯片進行配置。設置為：LINECYC 寄存器中所設整數個半波周期的積分每次處理完畢，就會向主控芯片發出中斷請求。主控芯片收到請求即讀取電能寄存器的值及獲取寄存器狀態，及時判斷有功的正反向；利用獲取的信息進一步進行處理，為用戶能效管理任務及微電網中央控制器提供有效數據。

4.3 電能質量監測任務

分布式電源不同于傳統的集中能源，它所產生的電能質量不佳。分布式能源產生的電能穩定性差、會產生電壓波動和閃變、還會出現諧波、電壓偏差、頻率波動等問題。雙向計量與監控一體化設備雖然不能把上述問題全部解決，但對于諧波還是有一定作用的。對諧波進行計量，則需采集定時電壓、瞬時電流值。利用操作系統設置一個周

期采集 100 或 200 個樣本，設置每隔 0.1 或 0.2ms 進行一次采樣工作。此采樣程序設置為最優先級，以使電網得到最快響應，來保護大電網的運行。

4.4 數據存儲任務

雙向計量與監控一體化設備還包括數據存儲功能。數據存儲模塊實現設備的數據存儲及讀取操作。其中包括基本參數、電能質量信息以及用戶用電信息等。同時，數據存儲任務還可對設備的運行狀態進行監控。通過記錄設備設備的運行狀態，能效管理狀態信息，停送電事件發生時處理申請；信息網絡連接時，管理設備連接狀態，將不用的鏈接關閉以釋放資源來使設備更加順暢地運行等。另外，數據存儲任務還可以對分布式電源進行監控，并反饋給上級電網。

5.結束語

隨著分布式電源大量接入電網，家庭微電網潮流存在雙向性，分

布式電源電費補貼，分布式電源接入電網后電能質量不穩定等因素導致傳統的電能計量裝置不再適用。雙向計量與監控一體化設備可以較好地解決上述問題。進一步配合 Free Ｒ TOS 嵌入式操作系統對設備進行軟件設計，彌補傳統電能表的缺憾，實現雙向電能獨立計量、補貼電費計算、微電網電能質量監測及信息通訊等功能。為分布式電源的推廣應用做了一個良好的助推，也為大電網的安全穩定運行提供了有效保障。