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专利名称：光伏并网发电在线监测与状态评估系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于多CPU全嵌入式设计的分布式新能源并网发电在线综合性监测平台，尤其涉及一种光伏并网发电在线监测与状态评估系统。
背景技术：
光伏发电具有污染少，可再生，技术成熟，安装方便等特点，已成为最重要的分布式电源之一。国内外的专家学者对光伏发电做了大量研究，光伏电站的输出功率随光照强度变化存在较大随机波动，对并网和独立光伏系统都会造成不利影响。具体来说，当大电网具有足够的备用容量和调节能力，一般不必考虑新能源发电站功率波动引起的频率偏差， 而主要考虑功率波动引起的电压波动和闪变。而发电机组的偏远地区电网并入光伏发电、 风电等新能源发电系统时，孤立运行时新能源发电站功率波动带来的电网频率偏移以及频率稳定问题是不容忽视的。此外，由于光伏发电系统需要利用电力电子装置实现并网，由其产生的电压、电流谐波也不可避免。因此，有必要建立光伏并网发电系统量测技术平台，研究光伏发电站引起的电能质量问题，有针对性地提出相应改进策略以保证并网光伏发电系统的可靠和稳定运行。此外，能够为运行控制策略提供指导建议，还可为日后分布式光伏并网发电系统并网设计规划提供可靠的数据以及合理的解决方案，为分析实际运行中出现的问题提供充分的依据。 光伏发电监测技术随着我国新能源发电技术的发展而逐渐深入开展。对光伏并网发电系统的监测涉及对各种参数分析计算以及对各种干扰源和电力系统的数学描述，需要开发相应的分析软件和工程方法来，针对光伏并网发电系统自身特点，在线实时对各种电能质量问题进行系统的分析。现今国内外尚没有专门针对光伏并网发电系统的量测运行状态综合评估的量测平台，也还未建立光伏并网发电站运行状态综合评估的指标体系和评估方法。光伏并网发电站的监测和评价指标较多，多个指标共同作用在一个系统中时，其不同的组合结果对配电网运行的不利影响和对发电站性能的降低等，都是十分复杂的问题。此外，由于是多指标的有机综合，单个指标的评价不能全面、真实地反映电能的质量，不同评价指标 (包括基本电量、环境变量和电能质量等)之间的耦合关系复杂，不能简单明了地对光伏并网发电系统的运行状态进行客观、全面地评估。而采用基于概率统计与矢量代数或类似方法进行分级评估，则存在由于是单一方式定权，容易受赋权方法的影响而缺少客观性。而对于现存的光伏等新能源并网发电站监控系统，一般采用的是8位或16位单片机作为核心控制器对光伏电站的各电能质量指标进行测量。与新型微处理器相比，这类控制器的缺点日趋明显，如芯片硬件功能简单、性能低、实时性和扩展性较差，致使系统升级困难，对于智能系统理论的应用也有一定的局限性、并且难以适应在线谐波、间谐波计算。 同时，现存光伏并网发电站监控系统未集成综合评估功能，也未建立针对光伏的评估指标体系，难以对光伏并网发电站运行状态做出全面监测与客观的评估
发明内容
针对光伏并网发电在线监测装置的上述不足之处，本发明的目的是提供一种准确性更高、实时性更强、成本低的、并能对光伏并网发电系统进行全面、客观综合评估的光伏并网发电在线监测与状态评估系统。本发明的目的是这样实现的一种光伏并网发电在线监测与状态评估系统，包括电量采集单元、CPLD/FPGA接口转换单元、开入单元、开出单元、ARM9数据管理及监测单元、 双口 RAM模块、温度与照度测量单元以及电源单元；所述电量采集单元由依次串联的信号调理�？�、A/D采集模块、ARM7采样控制及频率测量�？橐约癉SP处理�？楣钩桑坏缌坎杉�单元依次通过双口 RAM�？楹虲PLD/FPGA接口转换单元与ARM9数据管理及监测单元连接； 其中，ARM7采样控制及频率测量模块将采样控制信号输入A/D采集�？椋籄RM7采样控制及频率测量�？楹虳SP处理�？槭涑龅氖�字信号输入双口 RAM传输�？椋豢�入单元由信号调理电路、光耦隔离和开入DSP处理器组成，所述信号调理电路用于接收和调整开入信号，并将开入信号经光耦隔离传输到开入DSP处理器，开入DSP处理器根据等间隔同步采样脉冲信号，对接收到的开入信号进行处理后传输到ARM9数据管理单元；开出单元由开出DSP处理器、继电器、防火花保护电路组成，开出DSP处理器接收并处理所述上位机通过ARM9数据管理单元、双口 RAM传输�？榇�来的控制信号，开出DSP处理器输出处理后的控制信号到继电器，继电器通过防火花保护电路投切电力负载；ARM9数据管理及监测单元通过CPLD/ FPGA转换接口与双口 RAM传输�？榱�接；温度测量单元和照度测量单元通过传感器将环境信号转换成电压信号，由A/D采集�？楹虳SP处理模块转化为数字信号。光伏并网发电在线监测与状态评估系统与现有产品的光伏并网发电监测设备相比，具有以下优点1、提出了光伏发电站运行状态综合评估的指标体系，采用基于灰色系统理论的灰色关联分析方法对光伏并网发电站运行状态进行分级评估。在测量、计算各项电能质量指标的基础上，结合电站当地环境参数，定量分析各指标间的关联度。采用改进的AHP主观赋权和客观熵值法赋权相结合的方法，得出客观、准确的权重系数。便于运行工作人员发现光伏并网发电站运行中存在的问题，提高其运行状况的透明度。2、利用高速高精度的DSP芯片采用基于四阶累积量多信号分类(MUSIC)法对光伏并网发电站公共连接点的间谐波频率进行检测，利用Prony方法计算幅值，能够揭示在不同的谐波源、不同的扰动方式下间谐波的特性，为光伏并网发电站的谐波治理提供必要支持。3、ARM7通过捕获测得单周波周期，然后等间隔划分信号周期值作为定时器时间， 在定时中断中保持前端待测信号以及实现同步采样，采用16位同步A/D以IOkHz的速率转换数据，使得装置的测量精度可达到0. 5% ；开关量分辨率为0. Ims ；频率的测量分辨率达到 0. 005Hz ο4、采用了基于嵌入式实时操作系统和图形用户界面的ARM9硬件平台的新型微处理器，具有处理能力强、实时性高、易于升级等特点，为光伏并网电站在线监测系统的实现提供了一条新途径。5、采用全嵌入式设计方法，光伏并网发电综合评估软件采用源码开放的Linux嵌入式实时操作系统，量测平台采用ARM9、ARM7和DSP组成多CPU系统，极大提高了测量控制单元的可靠性，可扩充性强。
6、以嵌入式人机交互处理�？槲�系统中心，DSP与嵌入式处理器的接口采用双口 RAM，并使用CPLD/FPGA转换接口将DSP的EMIF、IIC、SPI、HPI中的1种总线接口转化为其他总线接口，从而实现ARM9、ARM7和DSP多CPU间的数据传输。CPLD/FPGA与DSP组合优势互补结构灵活、通用性强，不仅能够提高数据处理和传输效率，还可便于后期系统的维护和扩展。7、装置的强弱电布置完全分开，可大大减少外部电磁干扰在弱电侧的耦合增强装置的抗干扰能力，保证系统连续运行稳定性和记录数据的安全可靠性。8、能够实时显示数据并有存储功能，方便数据查询和管理；在发生故障时，可根据详细的故障前后各参数波形进行深入分析；根据月统计数据、年统计数据，可以进一步统计研究设备老化问题以及当地天气情况对电站运行的中长期影响。


图1为本发明的硬件设计结构框图；图2为本发明的软件设计结构框图；图3为本发明提出的间谐波测量流程图；图4为本发明提出的光伏并网发电站运行状态综合评估的指标体系图；图5为本发明提出的光伏并网发电站运行状态综合评估流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。参见图1，一种光伏并网发电在线监测与状态评估系统的硬件结构图，包括电气量采集单元、开入单元、开出单元、ARM9数据管理单元、CPLD/FPGA接口转换单元、温度与照度测量单元以及电源单元；其中，电量采集单元由串联的信号调理模块、A/D采集�？�、ARM7采样控制及频率测量�？橐约癉SP处理�？楣钩�。电量采集单元通过采集4路电压(三相及中性点电压)和4 路电流(三相及中性点电流)模拟量，经ARM7频率测量�？榧扑闳�相电压和电流基波相位和三相电压频率，并由DSP计算光伏电站各项监测指标；其中3路电压通道频率，测量范围 47 63Hz，测量精度士 0. 005Hz ；3路电压3路电流相角，测量精度士 0. 1度；每相和3相有功、无功和视在功率和功率因数，精度分别为士0. 5%和士0. 005 ；ARM7采样控制及频率测量�？榻�采样控制信号输入A/D采集�？椋籄RM7采样控制及频率测量�？楹虳SP处理�？槭涑龅氖�字信号输入双口 RAM传输�？椤？�入单元由信号调理电路、光耦隔离和开入DSP处理器组成，所述信号调理电路用于接收和调整开入信号，并将开入信号经光耦隔离传输到开入DSP处理器，开入DSP处理器根据等间隔同步采样脉冲信号，对接收到的开入信号进行处理后传输到数据管理单元; 开出单元由开出DSP处理器、继电器、防火花保护电路组成，开出DSP处理器接收并处理所述上位机通过ARM9数据管理单元、双口 RAM传输�？榇�来的控制信号，开出DSP处理器输出处理后的控制信号到继电器，实现开出单元的继电器输出控制。CPLD/FPGA接口转换单元考虑DSP与ARM9嵌入式平台通讯接口的不兼容问题， 利用CPLD/FPGA作为接口转换，提高了算法效率，更适合于实时信号处理。
ARM9数据管理及监测单元通过CPLD/FPGA转换接口与双口 RAM传输�？榱�接； 温度测量单元和照度测量单元通过传感器将环境信号转换成电压信号，由A/D采集�？楹� DSP处理�？樽�化为数字信号。ARM9数据管理及监测单元提供光伏电站监测数据读取、数据统一管理，实现光伏电站实时监测评估算法，完成装置的人机交互、数据通讯功能。温度测量单元温度传感器将温度信号转换成电压信号，由A/D采集和数据处理后得到温度数据，再经485/232串口将数据发送至ARM9数据管理及监测单元；光照强度测量单元测试光伏电站辐照度，测量范围0-1400W/m2，测量精度士 2% ；照度测量单元与温度测量单元类似，照度测量单元测得光照强度数据后也利用 485/232串口将数据发送至ARM9 ；温度测量单元测量光伏电站环境温度，测量范围_30°C +120°C，测量精度士0.5%。如图2所示，本发明的软件分析系统包括采集单元DSP软件系统、采样控制及频率测量�？榈腁RM7软件系统和数据管理及监测单元的ARM9软件系统3个部分。其中，DSP软件系统结构图如图4右下部分所示，其初始化一方面是将软件中涉及到的�？楣δ苁鼓芷舳�，另一方面对关键数据进行初值处理，例如读取掉电存储器中的数据、记录开机信息等。A/D采样包括采样点控制、A/D转换、A/D校准3部分功能。A/D转换分为 A/D驱动、�？榱�接层代码两部分内容。其中驱动分为A/D初始化、A/D启动、A/D转换结果读�。荒？榱�接层代码包括A/D采样模块中其他辅助电路控制(如采样保持器等)、A/D转换结果的数据转换等。A/D校准是为降低A/D以及采样电路上的比例偏差和固定偏差。数据处理程序是通过A/D采样数据，运用光伏电站各项监测指标涉及到的各种公式以及运算方法，计算、分析出各种监测变量参数。数据存储及传输程序涉及到DSP的EMIF、IIC、SPI、 HPI等接口中的部分，需要根据设计情况写出各接口�？榈那�动代码，以及配合外设完成连接层代码。ARM7软件系统结构图如图4左下部分所示，由采样脉冲触发程序、频率相位测量程序和数据传输程序组成。A/D采样控制须由ARM7提供捕获功能接口，ARM7通过捕获测得单周波周期，从而等间隔划分信号周期值作为定时器时间，在定时中断中保持前端待测信号以及启动A/D采样。此外，3相电压、电流相位和电压频率采集，由ARM7处理器LPC2132 完成。如图2上部分所示，ARM9数据管理及监测单元的软件系统结构如图4所示，包括数据传输程序、数据处理及管理程序、串口通讯程序(接收照度和温度测量数据以及串口发送监测数据)、以太网通讯程序、及各驱动程序。ARM9软件系统的主要功能是对采集得到的基本电量数据、开关量状态、环境数据和电能质量数据等信息进行统一的管理，利用光伏电站各个信息量对并网光伏电站运行状态进行综合的评估，并实时刷新显示光伏电站测量数据。同时，通过以太网通信将光伏电站的监测评估结果传输到上位机按网页浏览的方式显示。为了给光伏并网发电测量装置提供远程B/S模式服务，以太网通讯底层采用TCP/IP 协议。以太网通讯程序就是基于TCP/IP包的数据传输�？椋�通过该模块可以连接远程设备 (或与另一台光伏并网发电测量装置相连)和客户端软件，把需要传输的数据封装在TCP/ IP包里借助交换机和网线传输数据。由于以太网数据传输的优势，使光伏并网发电测量装置具备了真正在意义上的远程访问、控制，让多级组网成为可能。ARM9软件系统采用Linux 嵌入式实时操作系统，其内部带有完整的TCP/IP协议，功能主要是任务调度、文件管理以及网络通讯等，以太网通讯程序应用层采用MODBUS协议。如图3所示，对间谐波的测量按以下步骤进行1)对采样得到的电压、电流信号进行数/模转换；2)利用高阶累积量能够完全抑制高斯噪声的特点，采用四阶累积量定义的矩阵代 替传统ニ阶MUSIC算法中的自相关矩阵做特征值分解。3)将特征值对应的特征向量空间分为信号子空间和噪声子空间，利用空间正交 性，获得谐波源的功率谱和频率；4)利用Prony方法的最小二乗法计算这些间谐波分量的幅值和相位。其中，基于四阶累积量MUSIC法的间谐波參数计算方法如下所述电カ系统谐波及间谐波检测信号可表示为
权利要求
1.一种光伏并网发电在线监测与状态评估系统，包括电量采集单元、CPLD/FPGA接口转换单元、开入单元、开出单元、ARM9数据管理及监测单元、双口 RAM�？�、温度与照度测量单元以及电源单元；所述电量采集单元由依次串联的信号调理模块、A/D采集模块、ARM7 采样控制及频率测量�？橐约癉SP处理�？楣钩桑坏缌坎杉�单元依次通过双口 RAM�？楹� CPLD/FPGA接口转换单元与ARM9数据管理及监测单元连接；其中，ARM7采样控制及频率测量�？榻�采样控制信号输入A/D采集�？椋籄RM7采样控制及频率测量�？楹虳SP处理�？槭涑龅氖�字信号输入双口 RAM传输�？椋豢�入单元由信号调理电路、光耦隔离和开入DSP处理器组成，所述信号调理电路用于接收和调整开入信号，并将开入信号经光耦隔离传输到开入DSP处理器，开入DSP处理器根据等间隔同步采样脉冲信号，对接收到的开入信号进行处理后传输到ARM9数据管理单元；开出单元由开出DSP处理器、继电器、防火花保护电路组成，开出DSP处理器接收并处理所述上位机通过ARM9数据管理单元、双口 RAM传输�？榇�来的控制信号，开出DSP处理器输出处理后的控制信号到继电器，继电器通过防火花保护电路投切电力负载；ARM9数据管理及监测单元通过CPLD/FPGA转换接口与双口 RAM传输�？榱�接；温度测量单元和照度测量单元通过传感器将环境信号转换成电压信号，由A/D采集�？楹虳SP处理�？樽�化为数字信号。
2.根据权利要求1所述的光伏并网发电在线监测与状态评估系统，其特征在于所述 A/D转换�？椴捎肕AX1320数模转换芯片或者AD7606数模转换芯片。
3.根据权利要求1所述的光伏并网发电在线监测与状态评估系统，其特征在于所述 ARM7采样控制及频率测量�？椴捎肔PC2132芯片。
4.根据权利要求1所述的光伏并网发电在线监测与状态评估系统，其特征在于所述 ARM9数据管理及检测单元采用三星S3C2440A芯片。
5.根据权利要求1所述的光伏并网发电在线监测与状态评估系统，其特征在于所述 DSP处理�？椴捎肨MS320C6747芯片的DSP处理器。
全文摘要
本发明公开了一种光伏并网发电在线监测与状态评估系统，包括电气量采集单元、开入单元、开出单元、ARM9数据管理单元、CPLD/FPGA接口转换单元、温度与照度测量单元以及电源单元；采用ARM9、ARM7和DSP组成多CPU全嵌入式系统，极大提高了测量控制单元的可靠性，可扩充性强；以FFT作为基本电能质量测量算法，采用高精度采样和同步传输，结合对环境参数的实时测量，并提出了间谐波测量算法和谐波源定位与责任划分方法，实现对光伏并网发电站的电能质量、运行状态进行在线实时的全面监测，并记录各种稳态、暂态事件。便于运行工作人员直观地监测光伏并网发电站运行状态，为分析其运行中出现的扰动和故障原因提供了可靠数据和充分依据，是实现电网新能源接入的重要基础。
文档编号G01R31/00GK102279327SQ20111011713
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月6日 优先权日2011年5月6日
发明者何奎, 关锐, 周念成, 李刚, 池源, 王强钢, 董宇 申请人:重庆大学