一、簡介

1．概述

隨著能源危機和環(huán)境污染的日益嚴重，開發(fā)和利用清潔的可再生能源勢在必行。太陽能是當前清潔、有大規(guī)模開發(fā)前景的可再生能源之一。太陽能的利用因此受到世界各國的普遍關注。在我國，光伏發(fā)電在電能生產(chǎn)中所占比重也正在不斷上升。同時，光伏發(fā)電的廣泛應用也對傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響，包括配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、潮流、繼電保護等方面。因此，通過研究光伏發(fā)電對配網(wǎng)電能質(zhì)量的影響將更好地指導我們?nèi)绾胃映浞值匕l(fā)揮光伏發(fā)電的優(yōu)勢，并對其進一步發(fā)展和應用有重大的幫助。

配電網(wǎng)是整個電力傳輸?shù)闹匾M成部分，其從輸電網(wǎng)或地區(qū)發(fā)電廠接受電能，通過配電設施就地分配或按電壓逐級分配給各類用戶的電力網(wǎng)，配電網(wǎng)是與用戶關系最密切的部分，是向用戶提供優(yōu)質(zhì)電力的直接保證。隨著人們對于新能源發(fā)電的關注，大量的分布式發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)。分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運行中會向配電網(wǎng)注入諧波和直流分量，對配電網(wǎng)的安全運行和用電設備的正常工作造成的危害與影響不斷增加，造成配電網(wǎng)質(zhì)量問題日益突出。與此同時，電力用戶對于電能質(zhì)量要求不斷提高，促進電力及相關部門采取積極有效的措施來保證配電網(wǎng)高質(zhì)量電能的供應。因此，對光伏并網(wǎng)發(fā)電接入配電網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測顯得尤為重要。

為此，我司在消化吸收國內(nèi)外同類產(chǎn)品經(jīng)驗的基礎上研制的基于32位ARM Cortex-M4技術的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置可為光伏發(fā)電提供全面的電能監(jiān)測。

2．引用標準

GB /T17626.2        《靜電放電抗擾度試驗》

GB /T17626.3        《射頻電磁場輻射抗擾度試驗》

GB/T17626.4         《電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》

GB/T17626.5         《浪涌沖擊抗擾度試驗》

GB /T17626.6        《射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗》

GB/T17626.8         《工頻磁場抗擾度試驗》

GB /T17626-1998     《電磁兼容試驗和測量技術》

GB/T14549－1993     《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》

GB12326－2000       《電能質(zhì)量 電壓波動和閃變》

GB/T15543－1995     《電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度》

GB/T12325－2003     《電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差》

GB/T15945－1995     《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》

GB/T18481-200       《暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》

3．裝置特點

1) 采用全漢化2.8寸320*240分辨率65K彩色液晶顯示（4.3寸為480*272），人機界面清晰         易懂，操作整定極為方便

2) 采用32位ARM Cortex-M4內(nèi)核，配備高精度的A/D芯片，使得裝置性能穩(wěn)定、運算速快、     精度高；

3) 完整的異常記錄、事件記錄、操作記錄，所有信息掉電保持；

4) 完善的自診斷和監(jiān)視功能，對故障可具體定位，方便調(diào)試；

5) 完善的軟硬件看門狗，保證裝置可靠運行；

6) 完善的在線運行狀態(tài)監(jiān)視功能；

7) 高精度的時鐘芯片；

8) 配備高速以太網(wǎng)通信接口(支持2路，標配1路)；

9) 標配1路RS485通信接口；

10) 高等級、高的元器件選用，采用多層板技術和SMT工藝；

4．裝置結構

4.1 結構：

采用5U 、19/3英寸標準機箱，整面板、背插式結構，嵌入式、后接線安裝方式，強弱電隔離，大大加強了其產(chǎn)品的電氣性能。

4.2 交流及電源插件：

外部電流經(jīng)隔離互感器隔離變換后，由低通濾波器輸入至A/D芯片，CPU經(jīng)采樣數(shù)字處理后，構成各種數(shù)字式保護繼電器，并實時計算各種測量值。

電流采集保護和測量獨立，保證了保護電流的寬范圍采集及測量電流的精度要求。

電源采用交直流寬電壓輸入，輸出2組隔離的直流電壓為裝置供電。

4.3 CPU插件：

CPU插件主要由以下幾部分構成：

1） CPU系統(tǒng)

CPU系統(tǒng)由32位ARM Cortex-M4內(nèi)核微處理器、SRAM、EEPROM、Flash等構成。高性能的32位微處理器，大容量的SRAM、EEPROM及Flash，使得該CPU模件具有的數(shù)據(jù)處理及記錄能力，可以實現(xiàn)各種復雜的故障處理方案和記錄大量的故障數(shù)據(jù)。EEPROM及Flash用于存儲保護定值、故障錄波報告、事件等，這些信息在裝置掉電后均不會丟失。EEPROM支持不少于1,000,000 次擦寫操作，數(shù)據(jù)可支持保存100年，F(xiàn)lash支持不少于100,000 次擦寫操作，數(shù)據(jù)可至少保存20年。

2) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由前級高精度濾波阻容器件（電阻精度0.5%，溫漂系數(shù)50ppm/℃，電容精度1%，溫漂系數(shù)C0G），高精度的差分A/D轉(zhuǎn)換芯片組成，轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部包含了采樣保持及同步電路，具有轉(zhuǎn)換速度快、采樣偏差小、超小功耗及穩(wěn)定性好等特點，故本裝置的采樣回路無可調(diào)整元件，也不需要在現(xiàn)場作調(diào)整，具備高度的可靠性。

3）開關量輸入及輸出部分

開入量分為內(nèi)部開入和外部開入，內(nèi)部開入采用DC24V光耦隔離輸入，電源由裝置電源本身提供，外部開入采用穩(wěn)壓控制的光耦隔離，實現(xiàn)交直流220V（或直流110V）直接輸入電平。

開出經(jīng)過高CTR光耦驅(qū)動繼電器，開出部分I/O經(jīng)多重閉鎖，保證了繼電器的穩(wěn)定可靠。

4) 通信部分

本插件內(nèi)含通10M/100M以太網(wǎng)接口(標配1路，可擴展至2路)和RS485通訊接口，特殊情況下也可提供光纖接口。

5) 時鐘回路

插件內(nèi)設置了硬件時鐘回路,采用的時鐘芯片精度高,并配有電池以掉電保持。

另外，CPU插件采用了多層印制板及表面封裝工藝，外觀小巧，結構緊湊，大大提高了裝置的可靠性及抗電磁干擾能力。

4.4 開關量插件

開關量插件由開出和開入組成。開出由各種繼電器提供，其中包括了信號出口、備用出口等。開入采用穩(wěn)壓控制的光耦隔離，實現(xiàn)交直流220V（或直流110V）直接輸入電平。

4.5 人機對話插件（MMI）：

人機對話（MMI）插件采用2.8寸320*240分辨率65K彩色液晶顯示，可選配4.3寸480*272分辨率65K彩色液晶顯示，可顯示一次圖，人機界面清晰易懂，配置系列通用的鍵盤操作方式，使得人機對話操作方便、簡單。本插件上還配置了燈光指示信息，使本裝置的運行信息更為直觀。

5．主要技術指標

5.1 技術參數(shù)

1） 額定裝置電源                DC220V 、DC110V 、AC220V或AC127V(訂貨注明)

2） 額定技術數(shù)據(jù)

a) 交流電流：                  5A/1A自適應        (訂貨注明)；

b) 相電壓：                    57.7V 或100V，支持Y和VV接線  (訂貨注明)；

c) 頻率：                      50Hz或60Hz （訂貨注明）；

3） 功率消耗

直流工作電源：                 正常工作時,不大于10W；

保護動作時,不大于15W。

交流電流回路：                  < 1VA/相   (IN =5A)；

                                < 0.5VA/相 (IN =1A)；

交流電壓回路：                  < 0.5VA/相；

4） 精確工作范圍：

電流：                          0.04In～6In

電壓：                          0.5V～120V

頻率：                          0.9Fn～1.1Fn

時間：                          0～100s

5） 精度：

a) 交流量精度：                 ≤±0.2%；

b) 有功無功：                   ≤±0.5%；

c) 脈沖輸入量：允許脈沖寬度     ≥6ms；

d) 頻率分辨率：                 ≤0.01Hz；

6） 開關量輸入：

輸入類型：                      無源

工作電壓：                      AC、DC220V或DC110V

7） 開出接點容量：

觸點額定載流容量：              1250VA

動作壽命：                      100,000次

8） 通信接口：

類型：                          以太網(wǎng)（標配1路，可擴至2路）、RS485

協(xié)議：                          IEC870-5-103、Modbus-RTU

9）對時：

類型：                          網(wǎng)絡對時、IRIG_B（DC）即B碼對時（訂貨說明）

5.2 環(huán)境參數(shù)

5.2.1 電氣環(huán)境

a) 直流電源

電壓波動范圍：額定電壓80%～120%，

紋波系數(shù)：不大于5%

b) 絕緣電阻

在正常試驗大氣條件下,裝置的帶電電路部分和非帶電金屬及外殼之間,以及電氣無聯(lián)系的各電路之間,用開路電壓500V的兆歐表測量絕緣電阻值；正常試驗大氣條件下,各回路絕緣電阻應不小于100 MΩ。

c) 介質(zhì)強度

在正常試驗大氣條件下,裝置能承受試驗電壓值為2000V，頻率為50Hz,歷時1min的工頻耐壓試驗而無擊穿閃絡及元器件損壞現(xiàn)象。

d) 沖擊電壓

在正常試驗大氣條件下,裝置的直流輸入回路、交流輸入回路、信號輸出觸點諸回路對地以及回路之間，能承受(1.2/50)μs的標準雷電波的短時沖擊電壓試驗，開路試驗電壓5kV，無絕緣損壞。

e) 靜電放電抗干擾度

通過GB/T 17626.2－1998標準、靜電放電抗干擾4級試驗。

f) 射頻電磁場輻射抗干擾度

通過GB/T 17626.3－1998標準、射頻電磁場輻射抗干擾度3級試驗。

g) 電快速瞬變脈沖群抗擾度

通過GB/T 17626.4－1998標準、電快速瞬變脈沖群抗擾度4級試驗。

h) 浪涌（沖擊）抗擾度

通過GB/T 17626.5－1999標準、浪涌（沖擊）抗擾度4級試驗。

i) 射頻場感應的傳導騷擾度

通過GB/T 17626.6－1998標準、射頻場感應的傳導騷擾度3級試驗。

j) 工頻磁場抗擾度

通過GB/T 17626.8－1998標準、工頻磁場抗擾度5級試驗。

k) 脈沖磁場抗擾度

通過GB/T 17626.9－1998標準、脈沖磁場抗擾度5級試驗。

l) 阻尼振蕩磁場抗擾度

通過GB/T 17626.10－1998標準、阻尼振蕩磁場抗擾度5級試驗。

m) 振蕩波抗擾度

通過GB/T 17626.12－1998標準、振蕩波抗擾度4級試驗。

5.2.2 自然環(huán)境

a) 環(huán)境溫度：

工作：-10℃～+55℃。

貯存：-25℃～+80℃,在極限值下不施加激勵量,裝置不出現(xiàn)不可逆的化,溫度恢復后,裝置應能正常工作。

b) 相對濕度：5%～95%（不凝露）

c) 大氣壓力： 80kPa～110kPa。

5.2.3 機械環(huán)境

a) 工作條件：能承受嚴酷等級為Ⅰ級的振動響應、沖擊響應；

b) 運輸條件：能承受嚴酷等級為Ⅰ級的振動耐久、沖擊耐久、碰撞。