并网型光伏微网系统的3G智能监控终端设计

并网型光伏微网系统的3G智能监控终端设计

仵俊刚 ,王楠 ,常恒

特变电工西安电气科技有限公司  陕西 西安  710100

摘要:基于3G智能监控终端，本文提出一种并网型光伏微网系统的监控设计方案，涵盖了测量控制单元、3G无线通信模块以及主站系统等4个核心部分。测控单元可以采集光伏微网发电系统在不同时段的环境、系统参数，进行存储，依托3G通信网络将其传送到主站，由主站负责智能分析，将最终决策传递给测控单元。Internet用户支持异地监控，提高电能质量和电网运行的可靠性。

关键词：并网型光伏微网系统；3G智能监控终端；设计

引言

伴随可再生能源接入电网技术的创新，太阳能光伏微网系统日益成为电网配网中的核心组成。受气象、地理条件的影响，铺设通信链路的难度较大，成本偏高，运行参数波动性大，对动态监测、操作也提出了严格的要求。如何对这些能源系统进行调度管理，促进大电网调峰、计量和持续使用，这是眼下要解决的问题。本文提出利用3G智能监控终端来对整个光伏微网系统实施监控的思路，集合了不同地域、分散状态的太阳能光伏并网系统，旨在构建一个安全系数高、智能化的绿色能源调度管理系统。

1 3G智能监控终端总体架构

太阳能光伏系统，借助本地或是远程监控技术均可完成动态监控。在国内、外，光伏系统有两种不同的远程监控模式，一是有线，二是无线。前者涵盖了如下内容：①利用工业、~H485以及CAN总线，于下位机（如DSP、工控机）、监控主PC机二者建立一种通讯；②调制解调器（Modem），利用公用电话网予以达成；③将互联网（Internet）联合前述2种方式进行设计。它的范围更开阔、距离相对也更长。无线远程监控技术，是以微波站或是中继传输技术为依托，如借助移动通讯基站上一种专门的通讯信号频段来达到传输之目的。在我国西部，不少建成的太阳能光伏电站均是利用该方式来促进远程监控。基于GSM/GPRS无线网络构建而来的远程监控系统，可以向GSM/GPRS数据通讯或是SMS（shortmessageservice）短信息业务等发起申请，以做到远程监控。如今，基于3G智能配电控制系统在国内外均已投入使用，缓解了传输效率低、系统反应延迟、传输信息相对单一等十分突出的问题，利用监控系统来对电力负荷、设备运行参数进行监控，适应能源管理或是电力抢修方面的现实需求。另外对于供电设备，该系统同样也支持远程操控，可以对设备参数、资料进行优化配置，精准定位或是排查故障元件，从而增加系统供电的科学性，避免配电网遭受外力的损伤，提高对灾害的抵御能力。

为了以远程方式对整个并网型光伏微网系统实施动态地监控，本文提出了基于3G网络设计和构建的一种智能监控终端系统。从构成上看，该系统涵盖了4个主要部分：①测量控制单元、②3G无线通信模块、③主站系统、④3G无线通信网络。

图1 整体框架图

1）测控单元设计。本单元能够将采集传感器、电压采集模块、计量表数据采集器、电流采集模块还有光伏列阵倾角以及储能元件发电，包括光伏发电计量单元等相关信息传送至DSP处理器中（也可以是单片机），由DSP负责处理，以保证数据的精准、可靠性。

2）利用3G模块+测控单元，遵从通信供应商的网络协议，即可提高接入的可靠性。借助外置3G接口模块，利用UART互相通信即可成功地接入3G网络，不需要额外敷设其他的通信链路。利用3G网络可以将电网数据（如图像、声音等）及时地传送至主站，也可以将主站下达的指令传递给其他目标测控单元。

3）根据本地用电情形和用户在用电方面的需求，后台结合运行经验提供了一套终端策略智能算法，支持智能设定或是修改。该智能终端可以对电能质量进行监测、对谐波进行分析。一旦故障或是电能质量不达标，系统也会立即命令发电系统从整个配网中退出。同时，对测量参数、负荷以及微网发电量对应的计算值进行科学匹配，实现最优组合，确保光伏微网发电系统的安全运行。监控后台可以对终端采集的各类数据进行接收、分析，进行分类存储。交由专家智能系统来作出决策，最后利用web后台将这些数据发布至Internet上。利用B/S架构，用户可以对浏览器进行管理、浏览或是分析操作。

2 测量控制单元的设计

测控单元处理器中，已内置一个3G接口模块。根据一定的规约和协议，即可成功地接入运行商3G网络。本章节阐明了测量控制单元的结构设计，其中硬件模块部分组图如图2。测量控制单元涵盖了传感采集模块、3G接口电路、PT、电能计量单元以及单片机等基本的构件。

图2 硬件电路

为实现核心控制至目标，处于功耗和经济性的考虑，本终端MCU最终明确了LPC2378。该32位单片机，主频72MHz，包括片内FLASH、SRAM存储器各1个，它们的内存为512kB、58kB。LPC2378设计了4个串口和3个独立的I2C总线接口，安装3个SPI/SSP接口，以及1个I2S接口，同时包括4个32位捕获定时器、PWM单元和低功耗实时时钟各1个，另外还设置了1个看门狗定时器，根据JTAG接口即可完成调试。传感采集模块可以对光伏阵列倾角、环境参数进行采集，传送给单片机。交由单片机处理后，再次存入到存储器中。而传感采集模块大致有如下几个部分：环境、光伏列阵状态、电压、电流以及图形声音采集器。这其中，环境数据采集传感器涵盖了光强检测、温湿度以及重力加速传感器这3个部分。光强检测传感器的功能，是对太阳辐射量进行检测；温湿度传感器的功能是对环境状况进行检测；重力加速传感器的功能是对矩阵倾角进行检测。结合上述数据量，我们能够计算和得到光伏矩阵具体的发电量。在整个测量控制单元中，PT和CT均能够对大电流、大电压进行转化，使其成为一种方便测量得电压、电流，由单片机来对这些并网电压、电流进行采集。利用芯片，电能计量单元可以计算出光伏发电量、储能元件发电量。而显示模块，其功能是显示系统的状态量（如并网电压、光伏列阵倾角或是环境参数）、电度、报告（如时间顺序、操作和动作报告）以及通信状态。按键模块，其功能是对监控状态进行全面地转换、对参数进行设置，以及修改系统的定值，支持对投切开关进行分合闸闭锁等基本操作，对输出接口、继电器二者的连接状态进行控制。正常来说，利用3G网络接口可以将处理后的数据传送给通信网络。一旦系统陷入故障，需立即开启保护功能。可见，本单元同样也支持就地投切、故障切除，允许就地操作。假如设备通道存在故障，手动分合闸也是可行的。

3 软件部分设计

单片机可以对发电量、太阳能辐射、环境参数、传统遥信等信息进行采集、计算，将其传送给显示模块。根据发电量、电流相关信息，终端可以判别电压、电流究竟有无越限，是否存在故障。而后，利用3G接口电路将该类信息上报给3G无线通信网，以就地或是远程的方式来对故障进行隔离，也可以对光伏微网发电系统进行完成投切。投切流程图，见图1。

图1 自动投切软件流程图

结束语

总之，在太阳能光伏发电系统中，基于3G网络构建接入配网的智能监控终端，能够很好地解决铺设通信链路的相关要求。同时，仅需对原3G智能配电终端作出适当的改进，增加传感器、硬件单元，用于采集光伏阵列倾角、环境参数，对电能质量实施动态监测、谐波分析。在故障状态或是电能质量不达标的情况下，系统也会立即命令发电系统从整个配网中退出。同时，本智能终端可以对测量参数、负荷以及微网发电量对应的计算值进行科学匹配，实现最优组合，确保光伏微网发电系统的安全、自动化运行。在提高输配电网整体的输电裕度，减轻过负荷压力的同时，改进和优化末端电压、系统的调压性能，真正减少线路损耗。

参考文献：

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[2]许丛.3G技术在电力终端的应用前景[J]．北京电力高等专科学校学报：社会科学版，2020(2)：143-144

[3]林逢春.基于3G技术的安全监察实时监控系统 [J]．吉林电力，2021(2)：51-53．