基于5G传输的低电压分布式电源调控采集装置的制作方法

基于5g传输的低电压分布式电源调控采集装置
技术领域
1.本发明涉及电力系统分布式电源管控领域，具体涉及基于5g传输的低电压分布式电源调控采集装置。


背景技术：

2.随着分布式光伏发电的推广应用，其监测(监控)装置也应运而生。采用10kv接入的较大容量的电源点监控装置基本由厂家集成或者提供，其功能主要包括光伏发电功率预测、太阳能板迎面控制、发电及工作状态监测等。380v接入的小容量的电源点，配置的监控模块设计的出发点主要侧重于本身工作状态监管，也有不少单位提供的基于云平台数据服务的简单功能的监测装置。对于电网而言，随着分布式总的发电功率的越来越大，分布式发电对电网的影响也逐渐增大，对于分布式光伏发电的指标要求不能仅仅局限于电压、电流、功率因数等参数，还必须关心孤岛、谐波、闪变、短路能力等，并将分布式光伏发电装置纳入整体电网的潮流中来考察和管理。
3.我国具有优质的风能和太阳能自然资源，目前全国建设了数量众多的小容量分布式电站，这些电站通过380v(220v)配网并入电网，并且规模还在日益扩大，这些电站的装机容量在全国总装机的占比越来越高。而这些分布式电站在运行时存在着以下问题：
4.1、小容量分布式电源地域分布广，绝大多数电源的数据未接入电网调度部门，调度机构无法对这些电源进行监视、控制，这些电源属于失控状态。部分分布式电源占比大的电网受这些电源出力波动的影响较大，电网电压、电网频率、电网谐波以及电网保护安全受到威胁。
5.2、小容量分布式电源的输出功率随机波动直接导致接入低压配电网系统有功功率与负荷有功功率之间的不平衡，从而引起整个电力系统的频率变化。
6.3、逆变器作为小容量分布式电源并网系统中的核心器件，其中逆变器就会产生谐波。谐波不仅会对电气设备带来附加损耗，还会引起设备局部过热、噪声和谐波过电压等，给电气设备的正常运行带来了安全隐患。谐波还会对通信设备造成干扰，在一定程度上影响通信设备和人员的安全。另外对继电保护装置也一定干扰，引起装置误动和拒动。
7.4、小容量分布式电源并入配网后，配网一旦发生故障，不仅原有配网系统会对故障点提供短路电流，电源也会对故障点提供短路电流，由于目前分布式电源的数据尚未接入调度部门，后者提供的短路电流继电保护装置无法感知，无疑是加大了电网继电保护的难度。
8.5、小容量分布式电源并入配网后，改变了配网结构，使其结构更为复杂，潮流方向的改变可能会引起保护装置的误动和拒动，从而使得电网故障进一步扩大。
9.6、当前的小容量分布式光伏发电的监测手段对于电能质量、调控接入需求、网络安全、运维管理、建设成本等的考虑不足，难以满足国网公司关于分布式光伏发电并网服务工作的需要。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提供基于5g传输的低电压分布式电源调控采集装置，解决现有的分布式电站在电能质量、调控接入需求、网络安全、运维管理等方便缺乏有效的监测手段的问题。
11.基于5g传输的低电压分布式电源调控采集装置，包括采集模块、信号变换模块、通信模块、gps/bds接收模块，所述信号变换模块、通信模块和gps/bds接收模块均与采集模块连接；
12.所述信号变换模块用于将电源信号隔离转换成低电压信号输出至采集模块；
13.所述gps/bds接收模块用于获取gps或bds卫星的精确时间和分布式电源的位置信息，并将该信息发送至采集模块。
14.所述通信模块用于分布式电源与不少于两个主站(如地调和省调)或站端调度系统的信息交互。
15.优选地，所述电源信号包括电压信号、电流信号和温度信号。
16.优选地，还包括开入模块、开出模块、人机接口模块和存储模块，开入模块、开出模块、人机接口模块和存储模块均与采集模块连接。
17.优选地，所述采集模块包括采集单元、ad转换单元、光耦隔离单元、电平隔离单元、驱动隔离单元，所述ad转换单元的输入端与信号变换模块输出端连接，输出端与采集单元连接；所述光耦隔离单元的输入端与开入模块的输出端连接，输出端与采集单元连接；所述电平隔离单元的输入端与接收模块的输出端连接，输出端与采集单元连接；所述驱动隔离单元的输入端与采集单元连接，输出端与开出模块的输入端连接。
18.优选地，还包括与采集单元相连的内存单元和程序存储单元。
19.优选地，还包括电源模块，所述电源模块为调控采集装置提供工作电源。
20.优选地，所述gps/bds接收模块采用atgm332d
‑
5n模块。
21.优选地，所述通信模块包括2g、3g、4g、5g、rs485或lora模块中的一种或多种。
22.优选地，所述信号变换模块包括互感器、滤波电路、取样电路、一阶有源低通滤波放大电路，所述互感器用于将高电压、大电流信号隔离转换成小电流信号输出，所述互感器的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与取样电路、一阶有源低通滤波放大电路的输入端连接，所述一阶有源低通滤波放大电路的输出端均与采集模块连接。
23.优选的所述滤波电路由三端滤波器l6构成，所述取样电路由取样电阻r131和双向瞬变二极管d25构成，所述一阶有源低通滤波放大电路由电阻r130、r333、r334、电容c93和运算放大器u11a构成。
24.所述三端滤波器l6的一脚为滤波电路的输入端，l6输出端三脚分别与取样电阻r131的一脚、双向瞬变二极管d25的一脚、电阻r130的一脚连接，所述电阻r130的二脚分别与电容c93的一脚、运算放大器u11a的同相输入端连接，所述运算放大器u11a的反相输入端分别与电阻r333的一脚、电阻r334的一脚连接，所述运算放大器u11a的输出端与电阻r334的二脚相连，所述运算放大器u11a的输出端为一阶有源低通滤波放大电路的输出端；
25.所述三端滤波器l6的二脚、电阻r131的二脚、二极管d25的二脚、电容c93的二脚、电阻r333的二脚均接地。
26.本发明的有益效果集中体现在：
27.1、本发明的调控采集装置能采集小容量分布式电源的380v接入点的频率、电流矢量、电压矢量、有功功率、无功功率、功率因素、发电量、上网电量、开关位置、电缆温度、电源地理位置等基本信息。
28.2、本发明的调控采集装置实现了连续稳态数据及暂态触发波形记录功能。能够及时准确的了解电源工作状态，实现对电源的在线监测和预警
29.3、本发明的调控采集装置作为泛在电力物联网感知层的采集终端，全面感知小容量分布式电源的实时数据，运行状态，为国家建设泛在电力物联网为电网运行更安全、管理更精益、投资更精准、服务更优质奠定了基础。
30.4、本发明的调控采集装置提高电力调度对这些电源的消纳和管控能力，有利于提升电网的管控水平，促进电网以更加安全、经济的方式运行，为电网的安全稳定运行提供可靠保障。
附图说明
31.图1是本发明调控采集装置模块框图；
32.图2是本发明调控采集装置的详细模块框图；
33.图3是本发明一路滤波放大电路的原理图。
具体实施方式
34.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
35.如图1
‑
2所示，基于5g传输的低电压分布式电源调控采集装置，包括采集模块、信号变换模块、通信模块、gps/bds接收模块，以及还包括开入模块、开出模块、人机接口模块和存储模块，所述信号变换模块、通信模块、gps/bds接收模块、开入模块、开出模块、人机接口模块和存储模块均与采集模块连接；
36.所述信号变换模块用于电源信号隔离转换成低电压信号输出至采集模块，所述信号变换模块具有三种模拟量采集，即电压信号、电流信号以及电缆的温度信号。对于采集模块，具体包括采集单元、ad转换单元、光耦隔离单元、电平隔离单元、驱动隔离单元；
37.其中：所述光耦隔离单元的输入端与开入模块的输出端连接，输出端与采集单元连接；开入模块用于获取负控断路器的开关量信号，可将直流220v/110v的4路开关量信号，通过光耦隔离变换后，转换为24v的低电平的数字量信号输出给光耦隔离单元。
38.在本实施例中光耦隔离单元可将24v开入信号通过光耦隔离电路转换成5v的数字信号输出，完成输入和输出高低电平转换和信号隔离；该5v数字信号输出至采集单元中进行处理。
39.所述驱动隔离单元的输入端与采集单元连接，输出端与开出模块的输入端连接；在本实施例中驱动隔离单元优选采用磁隔离芯片完成采集单元控制开出信号的隔离输出；开出模块用于提供四路继电器空节点告警信号的对外输出，包括录波启动(常开)、控制开关(常开)、失电告警(常闭)、装置异常(常开)；节点容量250vac/5a或30vdc/5a。
40.所述电平隔离单元的输入端与gps/bds接收模块的输出端连接，输出端与采集单元连接，所述gps/bds接收模块用于获取gps或bds卫星的精确时间和分布式电源的地理位
置信息，并将该信息发送至采集模块即采集单元；在本实施例中电平隔离单元优选采用磁隔离芯片完成bds/gps接收模块输出信号(秒脉冲、串口信号)的隔离，供采集单元读取；接收模块优选采用atgm332d
‑
5n模块，该模块是12*16尺寸的高性能bds/gnss全星座定位导航模块；支持多种卫星导航系统，包括中国的bds(北斗卫星导航系统)，美国的gps，俄罗斯的glonass，可以同时接收多个卫星导航系统的gnss信号，并且实现联合定位、导航与授时。输出标准秒脉冲和串口时间报文，用于自动同步装置时间及提供精确的位置信息；以降低受地球自转、天气等多种因素的影响，以及gps和北斗卫星信号可能会出现丢失，或者卫星接收oem板输出的时间精度不足、跳变，甚至错误。
41.对于通信模块，该模块用于分布式电源与不少于两个主站(如地调和省调)或站端调度系统的信息交互，例如可与地级市或县电力公司调度系统(地调)、省电力公司调度系统(省调)等之间进行信息交互，将电源接入点的频率、电流矢量、电压矢量、有功功率、无功功率、功率因素、发电量、上网电量、开关位置、电缆温度、电源地理位置等基本信息，以及谐波、间谐波、电压合格率等电能质量信息数据发给调度系统；同时接受调度系统(地调/省调)下发的并网发电/断网退出命令，通过控制开关控制负控断路器实现并网发电或断网退出；在本实施例中通信模块优选采用rm500q
‑
gl 5g通信模块，该模块是一款支持分集接收功能的5g nr/lte
‑
a/umts/hspa 无线通信模块，支持5g nrsa/nsa、lte
‑
fdd、lte
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tdd、dc
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hsdpa、hspa 、hsdpa、hsupa、wcdma等多种网络制式下的数据连接。
42.其次通信模块还具有lora模块，lora模块采用jc1278a无线串口透传模块,该模块采用最新lora扩频技术，集成lora射频芯片和高性能8位mcu，模块内部烧录lora基本程序及串口透传程序，收发一体无需切换，串口透明传输。可将将电源接入点的频率、电流矢量、电压矢量、有功功率、无功功率、功率因素、发电量、上网电量、开关位置、电缆温度、电源地理位置等基本信息，以及谐波、间谐波、电压合格率等电能质量信息数据发给站端调度系统，作为在电力物联网感知层的采集终端；同时还可接受站端调度系统下发的并网发电/断网退出命令，通过控制开关开出节点信号控制负控断路器实现分布式电源并网发电或断网退出。
43.对于数据存储模块，在本实施例中该模块优选采用工业级slc 64gb的tf卡来存储数据，为了避免数据相互混存干扰，按照分区存储策略，该卡分3个区，区1(16gb)、区2(16gb)和区3(32gb)，分区1存储暂态触发波形记录数据；分区2存储计算量信息，包括频率、电流矢量、电压矢量、有功功率、无功功率、功率因素、发电量、上网电量、开关位置、电缆温度、电源地理位置等基本信息，以及谐波、间谐波、电压合格率等电能质量信息数据；分区3存储连续稳态记录数据。
44.对于人机接口模块，该模块具有lcd显示屏、指示灯、按键等，完成人机信息交互、电压、电流、频率、有功功率、无功功率等电量参数查看及显示。
45.进一步地，采集单元采用tq335x corec核心模块，tq335x corec核心模块尺寸：66.5mm*10.1*7.5mm，结构紧凑，功耗低体积小；用于对电流矢量、电压矢量、频率、有功功率、无功功率、功率因素、发电量、上网电量的计算存储；以及完成谐波、间谐波、电压合格率等电能质量信息的计算存储。
46.并且采集模块还包括与采集单元相连的内存单元和程序存储单元，其中内存单元用于暂时存放所述采集单元中的运算数据和与外部存储器交换的数据，以及缓存所述采集
单元进行暂态录波及稳态记录的缓存数据；程序存储单元用于存储所述采集单元中的操作系统和应用程序。
47.采集模块主要由以下部件构成：
48.cpu处理器：ti am335x arm cortex a8，主频：1.0ghz；功耗1.5w tdp；
49.内存：ddr3 800m/ts，容量512mb；nandflash：1gb；
50.2路100/1000mb/s自适应网络接口，用于组网或对外通信；
51.2路can总线接口；
52.2路5线rs232接口，3路rs485接口；
53.4路usb接口；
54.1路液晶显示接口，用于与前面板的5吋液晶显示器相连。
55.进一步地，对于ad转换单元，所述ad转换单元的输入端与信号变换模块输出端连接，输出端与采集单元连接；ad转换芯片在采集单元的控制下将输入的模拟量信号转换成数字量信号供采集单元读取。
56.对于信号变换模块，具体包括互感器、滤波放大电路，所述互感器用于将高电压、大电流信号隔离转换成小电流信号输出，所述互感器的输出端与滤波放大电路的输入端连接，多路所述滤波放大电路的输出端均与采集模块连接。
57.在本实施例中互感器优选采用穿刺方式取电压的开合式电压/电流一体化传感器，该传感器取电压使用穿刺方式，取电流采用开口钳形夹方式，并带有热电阻温度传感器输出，可以用来检测电缆温度，传感器输出电压、电流、温度数据供多功能电参数采集模块读取，在最大程度上简化现场安装工作。
58.在本实施例中信号变换模块具有4路电压检测通道、8路电流检测通道，8路电缆温度检测通道，相对应的滤波放大电路具有20路；
59.在电压检测时，采用穿刺方式取电压的开合式电压/电流一体化传感器，该传感器内部集成2ma/2ma电压互感器隔离，将0
‑
360v的交流电压信号转换成0
‑
2ma小电流信号输出，该电流信号输出至信号变换模块，由信号变换模块处理后转换成0～
±
10v的交流电压信号输出至采集模块，ad转换单元将该模拟信息转换为数字信号并输入至采集单元进行计算处理。
60.在电流检测时采用穿刺方式取电压的开合式电压/电流一体化传感器，该传感器内部集成100a/10ma电流互感器隔离，将0
‑
100a的电流信号转换成0
‑
10ma小电流信号输出，该电流信号输出至信号变换模块，由信号变换模块处理后转换成0～
±
10v的交流电压信号输出至采集模块，ad转换单元将该模拟信息转换为数字信号并输出至采集单元进行计算处理。
61.在电缆温度检测时采用穿刺方式取电压的开合式电压/电流一体化传感器，该传感器内部集成热敏电阻mf52d103f3950，该热敏电阻温度测量范围
‑
55℃～125℃，该热电阻信号输出至信号变换模块，由信号变换模块处理后转换成0～10v的直流电压信号输出至采集模块，ad转换单元将该模拟信息转换为数字信号并输出至采集单元进行计算处理。
62.进一步地，如图3所示，由于受谐波/间谐波/干扰等影响的波形畸变，尤其是在信噪比较低(如小电流)的时候，会严重影响电参数的计算精度；
63.对此每路所述滤波电路、取样电路、一阶有源低通滤波放大电路包括三端滤波器
l6、取样电阻r131、双向瞬变二极管d25、电阻r130、电阻r333、电阻r334、电容c93和运算放大器u11a；
64.所述滤波电路由三端滤波器l6构成，所述取样电路由取样电阻r131和双向瞬变二极管d25构成，所述一阶有源低通滤波放大电路由电阻r130、r333、r334、电容c93和运算放大器u11a构成。
65.所述三端滤波器l6的一脚为滤波电路的输入端，三端滤波器l6输出端三脚分别与取样电阻r131的一脚、双向瞬变二极管d25的一脚、电阻r130的一脚连接，所述电阻r130的二脚分别与电容c93的一脚、运算放大器u11a的同相输入端连接，所述运算放大器u11a的反相输入端分别与电阻r333的一脚、电阻r334的一脚连接，所述运算放大器u11a的输出端与电阻r334的二脚相连，所述运算放大器u11a的输出端为一阶有源低通滤波放大电路的输出端；
66.所述三端滤波器l6的二脚、电阻r131的二脚、二极管d25的二脚、电容c93的二脚、电阻r333的二脚均接地。
67.该滤波电路、取样电路、一阶有源低通滤波放大电路完成两级低通滤波、取样信号及信号放大功能。滤波电路由三端滤波器l6组成，该电路是一个低通滤波器，完成信号的第一级滤波允许100khz以下的信号通过；取样电路完成电流到电压的转换；一阶有源低通滤波放大电路完成信号的放大、低通滤波作用，完成小电压信号到0～
±
10v的电压信号的放大，完成信号的第二级滤波可滤除高于50khz以上的干扰信号。采集单元可以按照51200点/秒的速率读取ad转换单元的值，然后将该值缓存在内存单元中，可高效率、高精度、高稳定性地计算频率、电流矢量、电压矢量、有功功率、无功功率、功率因素、发电量、上网电量等基本信息，以及谐波、间谐波、电压合格率等电能质量信息数据；该硬件电路具体体积小、性能稳定、干扰抑制效果强、成本低等优点。
68.需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本技术所必须的。