CN103187735A - 一种用于分布式新能源并网的双向智能网关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于分布式新能源并网的双向智能网关装置，分布式新能源发电装置发电富余量或不足量，如果达到设定的阈值时，则发送并网请求；然后电力调度***根据上传电能质量参数、发电富余量以及电网运行情况作出的并网应答，如果同意接入电网，则通过执行机构将分布式新能源发电装置逆变器与电网并网，并网后电能双向计费装置对电网输送电能或消耗电网电能进行计量，从而解决分布式新能源发电装置并网问题。同时，并网后，电能质量参数达不到并网要求时，断开电网接入或分布式新能源发电装置逆变器输出，从而降低并网对电网质量、电网稳定性的负面影响，有效保障电网的安全。

Description

一种用于分布式新能源并网的双向智能网关装置

技术领域

本发明属于智能电网技术领域，更为具体地讲，涉及一种用于分布式新能源并网的双向智能网关装置。

背景技术

智能电网是现代电网技术发展的新产物，其是将先进的传感测量技术、信息通信技术、分析决策技术、自动控制技术和能源电力技术相结合，并与电网基础设备高度集成而形成的新型现代化电网。其目的是将电网中信息流、电能流和业务流进行统一，从而动态的控制电能的供需平衡，以实现整个电力***稳定、可靠、环保、经济、高效的运行。近年来，随着各种先进技术在电网中的广泛应用，智能化已成为电网发展的必然趋势，发展智能电网已在世界范围内形成共识。

与此同时，随着新能源技术的发展，新能源发电装置也得到一定的推广。分布式新能源发电装置是指将光伏组件或风力组件、逆变器、蓄电池等组成的分布式发电装置，用以将太阳能或风能转化成电能来满足家庭用电或小需求。新能源发电主要分为独立发电***和并网发电***，在智能电网技术发展的大趋势下，作为独立发电***的分布式新能源发电装置进行并网显得尤为重要，以实现多余电能输送给电网以及在发电电能不足或质量不高的情况下切换到电网供电。

现如今，分布式新能源发电装置的并网仍是该领域的瓶颈问题，也是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于分布式新能源并网的双向智能网关装置，以解决分布式新能源发电装置并网问题，实现多余电能输送给电网以及在发电电能不足或质量不高的情况下切换到电网供电的功能。

为实现以上目的，本发明用于分布式新能源并网的双向智能网关装置，其特征在于，包括：

一电能质量实时监测分析模块，用于对分布式新能源发电装置逆变器输出的电能质量以及发电功率进行监测，实时获得电能质量参数以及发电功率，同时对负载的电能消耗情况进行监测，获得负载电能消耗量，根据发电功率以及负载电能消耗量，得到分布式新能源发电装置发电富余量或不足量，如果达到设定的阈值时，则发送并网请求；

在并网后，电能质量参数达不到并网要求时，如波形畸变、与电网频率相位不同步等会造成电网污染，电能质量实时监测分析模块根据负载对电能质量的要求以及负载的电能消耗量，输出断开控制信号断开电网接入或分布式新能源发电装置逆变器输出；

一通信模块，用于通过电力通信网络与电力监管部门的电力调度***进行通信，上传电能质量参数、发电富余量或不足量以及并网请求，接收电力调度***根据上传电能质量参数、发电富余量或不足量以及电网运行情况作出的并网应答；

一执行机构，如果并网应答是同意接入电网，则执行机构将分布式新能源发电装置逆变器输出以及负载接入电网，如果不同意接入电网，则将电网与分布式新能源发电装置逆变器输出以及负载维持在断开状态；同时，在并网后，如果执行机构接收到电能质量实时监测分析模块输出的断开控制信号，立即断开电网或分布式新能源发电装置逆变器输出；

一电能双向计费模块，用于根据电网接入电能电流和电压相位夹角

大小，实时判断电网接入功率方向，进而确定是消耗电网电能还是向电网输送电能；并对消耗电网电能或向电网输送电能的大小进行计量，实现双向电能计量功能。

本发明的目的是这样实现的：

本发明用于分布式新能源并网的双向智能网关装置，通过电能质量实时监测分析模块实时获得分布式新能源发电装置电能质量参数、发电功率以及负载电能消耗量，根据发电功率以及负载电能消耗量，得到分布式新能源发电装置发电富余量或不足量，如果达到设定的阈值时，则发送并网请求；然后电力调度***根据上传电能质量参数、发电富余量以及电网运行情况作出的并网应答，如果同意接入电网，则通过执行机构将分布式新能源发电装置逆变器与电网并网，并网后电能双向计费装置对电网输送电能或消耗电网电能进行计量，从而解决分布式新能源发电装置并网问题。同时，并网后，电能质量参数达不到并网要求时，如波形畸变、与电网频率相位不同步造成电网污染，电能质量实时监测分析模块根据负载对电能质量的要求，输出断开控制信号断开电网接入或分布式新能源发电装置逆变器输出，从而降低并网对电网质量、电网稳定性的负面影响，有效保障电网的安全。

此外，并网后，电能质量实时监测分析模块将获取的电能质量参数、发电富余量或不足量通过通信模块实时发送给电力调度***，对分布式新能源发电装置进行远程监控，如果达不到电力调度***对电能质量的要求以及电力调度要求，则通过通信模块发送命令给电能质量实时监测分析模块，由电能质量实时监测分析模块根据负载对电能质量的要求以及负载的电能消耗量，输出断开控制信号断开电网接入或分布式新能源发电装置逆变器输出。

本发明的优点及效果：

本发明用于分布式新能源并网的双向智能网关装置，解决了分布式新能源发电装置有效并网的技术问题。该双向智能网关实现分布式新能源发电装置电能质量的实时监测分析，获取分布式新能源发电装置的电能质量参数和发电富余量或不足量，并通过通信模块将参数上传至电力监管部门的电力调度***，既可以对电能质量进行实时监测，同时也可以根据具体发电用电情况完成电网的调度调峰。此外，用于分布式新能源并网的双向智能网关装置实现了双向电能计费功能，实现将分布式新能源发电装置富余电力反“卖”给电网，可提高用户对分布式新能源发电装置推广的积极性，也使得分布式新能源发电装置电力的应用更为经济、高效、环保。同时，对于智能电网的发展也具有重要意义。

附图说明

图1是本发明用于分布式新能源并网的双向智能网关装置一具体实施方式的原理图；

图2是图1所示的用于分布式新能源并网的双向智能网关装置在光伏发电中的应用示意图；

图3是图1所示的用于分布式新能源并网的双向智能网关装置电路结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明用于分布式新能源并网的双向智能网关装置一具体实施方式的原理图，其中虚线部分为电力线。

在本实施例中，如图1所示，本发明用于分布式新能源并网的双向智能网关装置包括电能质量实时监测分析模块1、通信模块2、执行机构3、电能双向计费模块4、数据存储模块5以及日志模块6。

电能质量实时监测分析模块1对分布式新能源发电装置逆变器输出的电能质量以及发电功率进行监测，实时获得电能质量参数以及发电功率，同时对负载的电能消耗情况进行监测，获得负载电能消耗量，根据发电功率以及负载电能消耗量，得到分布式新能源发电装置发电富余量或不足量，如果达到设定的阈值时，则发送并网请求。

在本实施例中，电能质量实时监测分析模块1包括逆变器接口、数据采集接口、数据实时处理分析模块，完成对逆变器输出电压电流的转换、采集和实时处理处理分析，实现电能质量参数以及发电功率参数监测与处理。

通信模块2通过电力通信网络与电力监管部门的电力调度***进行通信，上传电能质量参数、发电富余量或不足量以及并网请求，接收电力调度***根据上传电能质量参数、发电富余量或不足量以及电网运行情况作出的并网应答

执行机构3如果并网应答是同意接入电网，则执行机构将分布式新能源发电装置逆变器输出以及负载接入电网，如果不同意接入电网，则将电网与分布式新能源发电装置逆变器输出以及负载维持在断开状态。

在并网后，电能质量参数达不到并网要求时，如波形畸变、与电网频率相位不同步等会造成电网污染，此时，电能质量实时监测分析模块1根据负载对电能质量的要求以及负载的电能消耗量，输出断开控制信号断开电网接入或分布式新能源发电装置逆变器输出。在本实施例中，如果电能质量满足负载的要求且发电功率能够负载的电能消耗量，则断开电网接入，否则，断开分布式新能源发电装置逆变器输出。

此外，在负载的电能消耗量比较大的情况下，如果直接接入电网，会直接造成电网造成不稳定，因此，如果分布式新能源发电装置的电能质量不能满足负载的要求时，电能质量实时监测分析模块1输出断开控制信号断开分布式新能源发电装置逆变器输出，切换为电网供电时，需要通过通信模块2向电力调度***发送接入请求以及所需电能消耗量，如果电网满足要求，则执行机构3电网接入，如果不满足，则执行机构3电网与负载断开。

如果执行机构接收到电能质量实时监测分析模块输出的断开控制信号，立即断开电网或分布式新能源发电装置逆变器输出。如图1所示，在本发明中，断开分布式新能源发电装置逆变器输出由执行机构执行即执行机构输出断开控制信号给分布式新能源发电装置逆变器，断开其输出。在具体实施中，也可以由电能质量实时监测分析模块1直接输出断开控制信号给分布式新能源发电装置逆变器，断开其输出。

电能双向计费模块4根据电网接入电能电流和电压相位夹角

大小，实时判断电网接入功率方向，进而确定是消耗电网电能还是向电网输送电能；并对消耗电网电能或向电网输送电能的大小进行计量，实现双向电能计量功能。

在本实施例中，电能双向计费模块4对电网接入电能电流和电压进行监测，电网接入电能电流和电压相位夹角

大小，实时判断电网接入功率方向，进而确定是消耗电网电能还是向电网输送电能。

在本实施例中，接入功率指有功率，有功功率是指交流电能的瞬时功率在一个周期内的平均值，即交流电压u(t)和交流电流i(t)瞬时值之积在一个周期内的平均值。在正弦交流信号情况下，输入电能电压和电流信号为：

$u\left(t\right)=\sqrt{2}{U}_m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(1\right)$

式中U_m、I_m分别为电能电压、电流有效值

ω为角频率

为电压和电流相位差

根据功率定义***瞬时功率p为：

由此计算有功功率P：

将测量所得电压和电流值经相应运算处理后得出相位夹角

结合上述有功功率计算公式可判断电能方向，从而确实电能计量模式：a）当相位夹角

满足

或

即功率因数

时，表明用户消耗电网电能，此时为正向电能计量模式，正向电能加法器不断累加并结合实时费率实现正向电能计费；b）当相位夹角

满足

即功率因数

时，表明用户向电网输送电能，此时为反向电能计量模式，反向电能加法器不断累加同时结合实时费率实现反向电能计费。

数据存储模块5用于电能质量基本参数、谐波参数以及电能事件统计结果数据的记录，日志模块6用于将并网有影响的操作及任务的执行等记录在日志中，用以回放用户的操作行为及任务的执行情况，为装置出现的操作及执行问题提供分析依据。

图2是图1所示的用于分布式新能源并网的双向智能网关装置在光伏发电中的应用示意图。

在本实施例中，如图2所示，分布式新能源发电装置包括光伏组件、蓄电池以及逆变器。在新能源发电装置大规模应用时，各个发电装置通过通信模块实现与电力监管部门的监管调度***的信息交互，通过电力监管部门的调度来实现电力的供需平衡。此外，该双向智能网关装置实现了流入与流出电能的双向计量，因而可实现双向计费的功能。

用于分布式新能源并网的双向智能网关装置接入的主要考虑的原则：

(1)、应用的主要对象是分布式新能源发电装置，如光伏发电、风力发电。

(2)、应用的电压等级主要是家用市电等级。

(3)、通过电力主管部门的认可，接入电力通信网络。

图3是图1所示的用于分布式新能源并网的双向智能网关装置电路结构框图。

在本实施例中，如图3所示，将电能质量实时监测分析模块1的高电压部分即逆变器接口、数据采集接口以及执行机构3与将电能质量实时监测分析模块1即数据实时处理分析模块、数据存储模块5以及日志模块6采用双电源隔离方式供电。数据实时处理分析模块、数据存储模块5以及日志模块6由ARM和DSP双核处理器构成的主控电路模块实现。

该装置采用双核微处理器，DSP核主要用于数据采集及处理运算，ARM核主要作为嵌入式Linux操作***的硬件平台，***附加有时钟电路、复位电路、JTAG接口电路以及RAM和FLASH存储器电路，构成双核微处理器的基本工作电路。

主控电路模块的DSP端主要完成电能参数采样、电能参数运算处理以及电能事件运算处理，为ARM端业务实现提供数据源，其主要业务包括：

1、电能质量监测分析

该业务主要完成各种电能质量参数的监测分析及其显示，主要有基本的参数监测分析：频率、电压电流偏差、有效值、有功功率、无功功率、功率因素、不平衡度；谐波参数的监测分析：电压电流各次谐波幅值与相位、间谐波、各次谐波有功功率、功率因素、谐波总失真；电能事件监测分析：瞬态过电压、电压暂升、暂降、闪变；显示：各电能参数监测数据显示、电压/电流波形数据的图形化显示、各次谐波的柱状图显示。

2、数据存储

该业务主要完成对电能质量基本参数、谐波参数以及电能事件统计结果数据的记录，存储至SD卡或硬盘等外接存储设备中，用以保证长时间的数据记录。

3、数据处理

该业务主要是将电力参数数据处理成标准模型数据，实现电能质量实时监测分析模块1与电力调度***的双向信息交互，以完成并网电能调度。当分布式新能源发电装置供应电能满足负载需求同时还有富余电能时，可向电力调度***发送并网申请，将电能质量参数、发电富余量以及并网请求等信息发送到电力调度***，电力调度***根据实时本地并网情况对比及计算，从而做出判决。若满足并网要求则电力调度***发送并网应答，执行机构3收到该并网应答后，如果并网应答是同意接入电网，则执行机构将分布式新能源发电装置逆变器输出以及负载接入电网，如果不同意接入电网，则将电网与分布式新能源发电装置逆变器输出以及负载维持在断开状态，同时控制储能装置接入实现富余电能存储。

当分布式新能源发电装置未能完全满足负载需求即分布式新能源发电装置发电不足时，此时电能质量实时监测分析模块1通过通信模块2向电力调度***提出接入电网申请，调度***收到接入申请后，经过判决，如果同意，向执行机构3发送接入允许的并网应答，执行机构3收到该并网应答后将分布式新能源发电装置逆变器输出以及负载接入电网控制将接入电网。

4、参数设置

该业务主要完成对采集、存储、通信方面的装置参数的设置，设置内容包括用户参数设置、常规参数设置以及功能参数设置。用户参数设置主要实现存储器配置、相位标记等内容；常规参数设置主要实现接线配置方式、语言选择等内容；功能参数设置主要实现电能双向计费费率、谐波监测显示（如谐波次数、各次谐波失真等）设置等内容，用以满足不同的需求。

5、GPS时钟同步

该业务主要是完成对装置内部时间按照世界标准时间的修正，为装置提供高精度的同步时间参考基准，用以保证装置电能参数监测分析的同步性。

6、日志记录与查询

日志模块6主要是完成将并网有影响的操作及任务的执行等记录在日志中，用以回放用户的操作行为及任务的执行情况，为装置出现的操作及执行问题提供分析依据，

7、附加业务

该业务主要是附加的业务接口，以实现后期对装置的维护、功能更新以及业务扩展。

通信模块采用TI公司生产10M/100M自适应以太网接口芯片DP83640，该芯片具有基于IEEE1588精密时间协议，用以确保以太网连接的精密时间同步。因而能够很好的数据的网络访问，为电力参数的网络通信交互提供硬件支撑。

液晶及触摸屏采样800x480的TFT液晶，以及四线电阻触摸屏接口，能够保证丰富的显示效果。

执行机构主要通过继电器，在自主信息反馈或者调度信息反馈下实现逆变器的接入与断开。

数据采集接口信号调理电路以及AD采样电路来实现对电压电流等电力参数的采样。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种用于分布式新能源并网的双向智能网关装置，其特征在于，包括：

一电能质量实时监测分析模块，用于对分布式新能源发电装置逆变器输出的电能质量以及发电功率进行监测，实时获得电能质量参数以及发电功率，同时对负载的电能消耗情况进行监测，获得负载电能消耗量，根据发电功率以及负载电能消耗量，得到分布式新能源发电装置发电富余量或不足量，如果达到设定的阈值时，则发送并网请求；

在并网后，电能质量参数达不到并网要求时，如波形畸变、与电网频率相位不同步等会造成电网污染，电能质量实时监测分析模块根据负载对电能质量的要求以及负载的电能消耗量，输出断开控制信号断开电网接入或分布式新能源发电装置逆变器输出；

一通信模块，用于通过电力通信网络与电力监管部门的电力调度***进行通信，上传电能质量参数、发电富余量或不足量以及并网请求，接收电力调度***根据上传电能质量参数、发电富余量或不足量以及电网运行情况作出的并网应答；

一执行机构，如果并网应答是同意接入电网，则执行机构将分布式新能源发电装置逆变器输出以及负载接入电网，如果不同意接入电网，则将电网与分布式新能源发电装置逆变器输出以及负载维持在断开状态；同时，在并网后，如果执行机构接收到电能质量实时监测分析模块输出的断开控制信号，立即断开电网或分布式新能源发电装置逆变器输出；

一电能双向计费模块，用于根据电网接入电能电流和电压相位夹角

大小，实时判断电网接入功率方向，进而确定是消耗电网电能还是向电网输送电能；并对消耗电网电能或向电网输送电能的大小进行计量，实现双向电能计量功能。

2.根据权利要求1所述的双向智能网关装置，其特征在于，并网后，电能质量实时监测分析模块将获取的电能质量参数、发电富余量或不足量通过通信模块实时发送给电力调度***，对分布式新能源发电装置进行远程监控，如果达不到电力调度***对电能质量的要求以及电力调度要求，则通过通信模块发送命令给电能质量实时监测分析模块，由电能质量实时监测分析模块根据负载对电能质量的要求以及负载的电能消耗量，输出断开控制信号断开电网接入或分布式新能源发电装置逆变器输出。

3.根据权利要求1所述的双向智能网关装置，其特征在于，所述的电能质量实时监测分析模块根据负载对电能质量的要求以及负载的电能消耗量，输出断开控制信号断开电网接入或分布式新能源发电装置逆变器输出为：

如果电能质量满足负载的要求且发电功率能够负载的电能消耗量，则断开电网接入，否则，断开分布式新能源发电装置逆变器输出。

4.根据权利要求1或2所述的双向智能网关装置，其特征在于，在负载的电能消耗量比较大的情况下，如果直接接入电网，会直接造成电网造成不稳定，因此，如果分布式新能源发电装置的电能质量不能满足负载的要求时，电能质量实时监测分析模块输出断开控制信号断开分布式新能源发电装置逆变器输出，切换为电网供电时，需要通过通信模块向电力调度***发送接入请求以及所需电能消耗量，如果电网满足要求，则执行机构电网接入，如果不满足，则执行机构电网与负载断开。

5.根据权利要求1所述的双向智能网关装置，其特征在于，还包括数据存储模块以及日志模块；

数据存储模块用于电能质量基本参数、谐波参数以及电能事件统计结果数据的记录，日志模块用于将并网有影响的操作及任务的执行等记录在日志中，用以回放用户的操作行为及任务的执行情况，为装置出现的操作及执行问题提供分析依据；

所述的电能质量实时监测分析模块的高电压部分即逆变器接口、数据采集接口以及执行机构与将电能质量实时监测分析模块即数据实时处理分析模块、数据存储模块以及日志模块采用双电源隔离方式供电；

数据实时处理分析模块、数据存储模块以及日志模块由ARM和DSP双核处理器构成的主控电路模块实现。

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