分布式光伏发电并网电能质量监测装置的制作方法

1.本发明涉及分布式光伏并网监测技术领域，尤其是一种分布式光伏发电并网电能质量监测装置。


背景技术：

2.随着分布式光伏发站建设增速快、容量越来越大，随之并网问题主要体现在：1、并网时的谐波增量对主网干扰；2、主网断电形成孤岛效应；3、一个台区多个光伏发电站的并网容量对调度中心负荷调控带来难度；4、停电作业时带来倒送电的巨大安全风险。目前光伏发电并网控制点主要是用带失压脱扣的断路器作为并网开关，很多光伏并网箱安装的并网断路器只具有失压脱扣、重合闸功能，还不能解决上述问题和不满足标准要求。这种并网开关功能单一，需依托逆变器本身的孤岛保护，一旦逆变器的孤岛保护发生故障，就存在安全隐患。
3.在中国专利文献上公开的“分布式光伏并网的配电网电能质量综合监控和调度系统”，其公开号为cn113346625a，本发明涉及一种分布式光伏并网的配电网电能质量综合监控和调度系统，包括多个并网分支线路，每一并网分支线路下具有多个分布式光伏并网端及多个用户端，并网设备，设置在每一分布式光伏并网端，配电装置，设置在每一并网分支线路端，用于并网分支线路之间的连接和电能输送，调度平台，与并网设备、用户端及配电装置分别连接，所述调度平台包括采集模块、配置模块、调度模块及质量监测模块；本发明还可以通过对并网分支线路的电能质量监测以及对并网分支线路下的用户端的电能消耗监测，可以提供实施电能调配。但是其并未提出具体的装置结构以及电路。


技术实现要素：

4.本发明解决了上述的问题，提出一种分布式光伏发电并网电能质量监测装置，以重合闸智能断路器作为主体，集光伏专用的防孤岛保护功能、电能质量监控功能、精确计量功能以及多模组通信功能，本发明的装置能够使分布式光伏电站并网情况可视、可测、可控，解决了分布式光伏电站并网后产生的电站数据采集和电站控制难的问题，并解决配网检修的安全问题，监测准确，实现分布式光伏电站与配网的同步安全、经济、低碳运行。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种分布式光伏发电并网电能质量监测装置，包括计量采样电路，所述计量采样电路分别与电压采样电路和电流采样电路连接，所述电压采样电路和电流采样电路均与主控系统连接，所述主控系统与计量采样电路连接，所述主控系统还分别与剩余电流采样电路、脱扣器驱动电路、温度采样电路、电流调理电路以及按键显示电路连接，所述计量采样电路包括有计量芯片，所述计量芯片分别与计量电压采样电路和计量电流采样电路连接。本发明中，主控系统内的主控芯片通过各个功能引脚与各个电路连接，其中，电压采样电路、电流采样电路、温度采样电路和剩余电流采样电路将采样得到的信号经过处理后传输至主控系统中，在主控系统中进行下一步的操作；为了对电压或者电流采样电路采样得到的信号进行电量信息的计算，连接上计量采
集电路，并测量出电能的各项数据；本发明的装置能够实时监测相关数据，解决分布式光伏电站并网后产生的电站数据采集和电站控制难的问题，能够做到信息的实时监测和计算。
6.作为优选，所述电压采样电路包括参考输入电路，所述参考输入电路分别与a相电压采样电路、b相电压采样电路和c相电压采样电路连接，所述a相电压采样电路、b相电压采样电路和c相电压采样电路内均包含有电压降压部分、电压运放部分以及电压滤波部分。本发明中，电压降压部分通过电阻的分压来实现，又通过运算放大器进行信号放大，通过电容来实现滤波作用。
7.作为优选，所述电流采样电路包括a相电流采样电路、b相电流采样电路和c相电流采样电路，所述a相电流采样电路、b相电流采样电路和c相电流采样电路内均包含有电流降压部分、电流运放部分以及电流滤波部分。在本发明中，电流运放部分所使用的运算放大器与电压运放部分型号相同，电流采样电路接收到的是电流互感器输出的电流感应信号。
8.作为优选，所述剩余电流采样电路包含电平转换电路、运算放大电路以及滤波电路，所述电平转换电路与运算放大电路连接，所述运算放大电路与滤波电路连接。本发明中，通过将开关内零序电流互感器的输出信号经电平转换、运算放大及滤波后传输给主控芯片进一步处理应用。
9.作为优选，所述计量采样电路包括有计量芯片，所述计量芯片分别与计量电压采样电路和计量电流采样电路连接，所述计量电压采样电路与电压采样电路连接，所述计量电流采样电路与电流采样电路连接。本发明中，计量芯片采用的是ht7036多功能高精度三相电能专用计量芯片，将采样电路得到的信号进行处理后计算电量信息，具体通过测量各相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量，以及各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率这些参数。
10.作为优选，所述电流调理电路包括有若干个整流桥，所述电流调理电路将不稳定的电流转换成恒压信号。在本发明中，该电路变成稳定的信号后起到为主控系统供电的作用。
11.作为优选，所述脱扣器驱动电路包含有三极管，所述三极管的基极分别连接于电阻r104的一端和电阻r105的一端，所述电阻r104的另一端连接于主控系统，所述电阻r105的另一端连接于三极管的发射极，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极连接于二极管的正极，所述二极管的正极连接于插座的第一端口，所述二极管的负极连接于插座的第二端口。本发明中，脱扣器驱动电路在接收到主控系统的触发分闸信号后驱动脱扣器进行动作。
12.作为优选，所述主控系统包括主控芯片，所述主控芯片具体采用hc32f460kcta型号。在本发明中，主控芯片能够实现单精度浮点算术运算，支持所有arm单精度数据处理指令和数据类型，支持完整dsp指令集，内核集成了mpu单元，同时叠加dmac专用mpu单元，保障整个装置运行的安全性。
13.作为优选，所述按键显示电路包括有lcd液晶显示屏和若干个开关，lcd液晶显示屏通过若干个引脚与主控芯片连接。在本发明中，按键显示电路用于接收主控系统的控制信号以及控制显示和按键输入检测。
14.作为优选，所述温度采样电路用于将采集的电信号经电平调整后传输至主控系统。本发明中，采集的电信号由温度探头采集得到。
15.本发明的有益效果是：本发明的监测装置实现了分布式光伏电站并网情况可视、可测、可控；能够实现分布式光伏电站运行状态的在线监测、智能分析与控制，并与光伏并网系统交互信息，上报故障、异常等分析结果，接收上级发布的处理策略；且能实时监测相关数据，解决分布式光伏电站并网后产生的电站数据采集和电站控制难的问题，解决配网检修安全的问题，实现分布式光伏电站与配网的同步安全、经济、低碳运行。
附图说明
16.图1是本发明的结构示意图；图2是本发明计量采样电路的示意图；图3是本发明电压采样电路的电路图；图4是本发明电流采样电路的电路图；图5是本发明剩余电流采样电路的电路图；图6是本发明电流调理电路的电路图；图7是本发明计量电压采样电路的电路图；图8是本发明计量电流采样电路的电路图；图9是本发明计量芯片的电路图；图10是本发明温度采样电路的电路图；图11是本发明脱扣器驱动电路的电路图；图12是本发明按键显示电路的电路图；图13是本发明主控芯片的电路图；1、参考输入电路
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2、a相电压采样电路
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3、b相电压采样电路
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4、c相采样电压电路
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5、a相电流采样电路
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6、a相电流采样电路
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7、c相电流采样电路。
具体实施方式
17.实施例：本实施例提出一种分布式光伏发电并网电能质量监测装置，参考图1，包括计量采样电路、电压采样电路、电流采样电路、主控系统、剩余电流采样电路、按键显示电路、温度采样电路、脱扣器驱动电路和电流调理电路，计量采样电路分别连接于电压采样电路和电流采样电路，电压采样电路和电流采样电路均连接于主控系统，主控系统连接于计量采样电路，主控系统还分别连接于剩余电流采样电路、脱扣器驱动电路、温度采样电路、电流调理电路和按键显示电路。
18.参考图3，电压采样电路中，主要包括参考输入电路1，参考输入电路1分别连接于a相电压采样电路2、b相电压采样电路3和c相电压采样电路4，a相电压采样电路2、b相电压采样电路3和c相采样电压电路4之中均包括电压降压部分、电压运放部分和电压滤波部分三个部分。
19.参考图3，在电压采样电路中，参考输入电路1主要包括运算放大器u3a，运算放大器u3a的同相输入端连接于电阻r28的一端，电阻r28的一端还连接于电阻r21的一端，电阻r21的另一端连接于电源端，电阻r28的另一端接地，电阻r28与电容c19并联，运算放大器u3a的反相输入端连接于参考电压端，运算放大器u3a的输出端连接于参考电压端vref_v。
在本实施例中，运算放大器u3a具体采用mcp6004。
20.a相电压采样电路2包括运算放大器u3b，运算放大器u3b的反相输入端连接于电阻r11的一端，电阻r11的另一端连接a相电压输入端，电阻r11的一端连接于电阻r12的一端，电阻r12的另一端设置有7036_ua测压端，电阻r12的另一端连接于电阻r22的一端，运算放大器u3b的输出端也连接于电阻r22的一端，电阻r22的另一端连接于电容c15的一端，电容c15的另一端接地，电阻r22的另一端与主控芯片连接，运算放大器u3b的同相输入端与电阻r29的一端连接，电阻r29的另一端与参考输入电路1的参考电压端vref_v连接。在本实施例中，运算放大器u3b也采用mcp6004。b相电压采样电路2和c相电压采样电路4的电路图结构与a相电压采样电路2相同，具体可参考图3。
21.参考图4，电流采样电路包括a相电流采样电路5、b相电流采样电路6以及c相电流采样电路7，a相电流采样电路5、b相电流采样电路6和c相电流采样电路7之中均包含有电流降压部分、电流运放部分和电流滤波部分。
22.电流采样电路中，a相电流采样电路5包括运算放大器u4d，运算放大器u4d的同相输入端接地，运算放大器器u4d的反相输入端连接于电阻r38的一端，电阻r38的另一端连接a相电流输入端，电阻r38的一端连接于电阻r39的一端，电阻r39的另一端连接于电阻r74的一端，运算放大器u4d的输出端连接于电阻r74的一端，电阻r74的另一端连接主控芯片，电阻r74的另一端还连接于电容c14的一端，电容c14的另一端接地。b相电流采样电路6和c相电流采样电路7的电路图结构与a相电流采样电路2相同，具体参考图4；a相电流输入端、b相电流输入端和c相电流输入端接收的电流均为电流互感器输出的电流。
23.参考图5，剩余电流采样电路包含电平转换电路、运算放大电路和滤波电路，电平转换电路连接于运算放大电路，运算放大电路连接于滤波电路。
24.参考图5，剩余电流采样电路的两端均与主控系统的主控芯片连接，电阻r48的一端连接于主控芯片的测试引脚，电阻r48的另一端连接于三极管q1的基极，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极连接于电阻r46的一端，电阻r46的另一端连接于三极管v1的基极，三极管v1的基极还连接于电阻r47的一端，电阻r47的另一端连接于三极管v1的发射极，三极管v1的集电极连接于电阻r45的一端，电阻r45的另一端连接于三组插座的第一端口，三组插座的第二端口接地，三组插座的第二端口连接于电阻r42的一端，电阻r42的另一端连接于二极管d1的正极，二极管d1的正极接地，二极管d1的负极连接于电阻r44的一端，电阻r44的一端连接于电阻r42的一端，电阻r44的另一端连接于电容c31的一端，电容c31的另一端接地，电阻r44的另一端还连接于电阻r40的一端，电阻r40的另一端连接于运算放大器u4c的反相输入端，运算放大器u4c的反相输入端还连接于电阻r41的一端，电阻r41的另一端连接于运算放大器u4c的输出端，运算放大器u4c的输出端连接于电阻r19的一端，电阻r19的另一端连接于主控芯片，电阻r19的另一端还连接于电容c9的一端，电容c9的另一端接地，运算放大器u4c的同相输入端接地。
25.参考图2、图7、图8和图9，计量采样电路包括有计量芯片，计量芯片分别连接于计量电压采样电路和计量电流采样电路，计量电压采样电路连接于电压采样电路，计量电流采样电路连接于电流采样电路。
26.参考图7，计量电压采样电路包括有a相计量电压采样电路、b相计量电压采样电路和c相计量电压采样电路，三者内部电路结构相同，a相计量电压采样电路中的电容c20的一
端连接于a相电压采样电路2的7036_ua测压端，电容c20的另一端连接于计量芯片，电容c20的另一端连接于电阻r31的一端，电阻r31的另一端接地，电阻r31的另一端连接于电容c22的一端，电容c22的另一端连接于计量芯片，电容c22的另一端连接于电阻r32的一端，电阻r32接地。
27.参考图8，计量电流采样电路包括有a相计量电流采样电路、b相计量电流采样电路和c相计量电流采样电路，以a相计量电流采样电路为例，a相计量电流采样电路中的电阻r2的一端连接于计量芯片，电阻r2的另一端连接于电流采样电路，电阻r2的另一端还连接于电阻r53一端，电阻r53的另一端接地，电阻r53的另一端连接于电阻r54，电阻r54的另一端连接于电流采样电路，电阻r54的另一端连接于电阻r7的一端，电阻r7的另一端连接于计量芯片，电阻r7的另一端还连接于电容c6的一端，电容c6的另一端接地，电容c6的另一端连接于电容c3的一端，电容c3的另一端连接于电阻r2的另一端。b相计量电流采样电路和c相计量电流采样电路的电路结构与有a相计量电流采样电路相同。
28.参考图9，计量芯片采用的是ht7036多功能高精度三相电能专用计量芯片，计量芯片的电流通道1的正模拟输入引脚和负模拟输入引脚分别连接于a相计量电流采样电路的两端，计量芯片的电流通道3的正模拟输入引脚和负模拟输入引脚分别连接于b相计量电流采样电路的两端，计量芯片的电流通道5的正模拟输入引脚和负模拟输入引脚分别连接于c相计量电流采样电路的两端，计量芯片的电压通道2的正模拟输入引脚和负模拟输入引脚分别连接于a相计量电压采样电路的两端，计量芯片的电压通道4的正模拟输入引脚和负模拟输入引脚分别连接于b相计量电压采样电路的两端，计量芯片的电压通道6的正模拟输入引脚和负模拟输入引脚分别连接于c相计量电压采样电路的两端，计量芯片的选择信号引脚、串行时钟引脚、串行接口的数据输入引脚和串行接口的数据输出引脚均与主控芯片连接，计量芯片的复位引脚连接于电阻r43的一端，电阻r43的另一端连接于主控芯片，电阻r43的一端还与电容c30的一端连接，电容c30的另一端接地。
29.参考图6，电流调理电路包括有多个整流桥，电流调理电路将不稳定的电流转换成恒压信号。电流调理电路中，三相电流输入端各设置有一个整流桥，起到整流的作用，又经过整流二极管以及滤波后转化为恒压信号为主控芯片供电。
30.电流调理电路包括有第一整流电路、第二整流电路和第三整流电路，第一整流电路中，a相电流输入端连接于电阻r51的一端，电阻r51的另一端与整流桥d3的直流正输出引脚连接，电阻r51的一端还连接于电容c80的一端，电容c80的另一端接地，电容c80的另一端连接于电阻r61的一端，电阻r61的另一端连接于整流桥d3的直流负输出引脚，电阻r61与电阻r60并联，整流桥d3的第一交流输入端连接于六组插座的第六端口，整流桥d3的第二交流输入端连接于六组插座的第五端口；参考图6，第二整流电路和第三整流电路的电路结构与第一整流电路相同，三者并联后连接于整流二极管d8的正极，整流二极管d8的正极还连接于tvs二极管d14的一端，tvs二极管d14的另一端接地，整流二极管d8的正极还连接于mos管，mos管的一端接地，mos管的栅极连接于电阻r63的一端，电阻r63的另一端连接于监控和复位芯片d13的电压输出引脚，监控和复位芯片d13的电压输入引脚连接于电容c41的一端，电容c41的另一端接地，监控和复位芯片d13的接地引脚接地，电容c41的一端还连接于电阻r62的一端，电阻r62的另一端接地，电阻r62的一端连接于二极管d12的正极，二极管d12的负极连接于整流二极管d8的负极，整流二极管d8的负极连接于电容c39的一端，电容c39的
一端连接于稳压器d11的电压输入引脚，稳压器d11的接地引脚接地，电容c39的另一端接地，稳压器d11的电压输出引脚连接于电源端，电源端连接于电容c40的一端，电容c40的另一端接地，电容c40的一端连接于x电容cx2的一端，x电容cx2的另一端接地，整流二极管d8的负极还连接于x电容cx1的一端，x电容cx1的另一端接地，x电容cx1的一端连接于电容c38的一端，电容c38的另一端接地，x电容cx1的一端连接于整流二极管d5的负极，整流二极管d5的正极连接于第一12v电压输入端，整流二极管d5的正极还连接于开关k1，开关k1连接于第二12v电压输入端。
31.参考图11，脱扣器驱动电路包含有三极管v10，三极管的基极分别与电阻r104的一端和电阻r105的一端连接，电阻r104的另一端与主控系统连接，电阻r105的另一端与三极管的发射极连接，三极管的发射极接地，三极管的集电极与二极管的正极连接，二极管的正极与插座p5的第一端口连接，二极管的负极与插座p5的第二端口连接。
32.参考图13，主控系统包括主控芯片，主控芯片具体采用的是hc32f460kcta型号。主控芯片的选择信号引脚、串行时钟引脚、串行接口的数据输入引脚和串行接口的数据输出引脚与计量芯片的对应引脚连接，主控芯片的复位引脚7036rst与计量芯片的电阻r43的另一端连接；主控芯片的ia电流数模转换引脚、ib电流数模转换引脚和ic电流数模转换引脚与电流采样电路连接，主控芯片的ua电压数模转换引脚、ub电压数模转换引脚和uc电压数模转换引脚连接于电压采样电路，主控芯片的il电流数模转换引脚和测试引脚连接于剩余电流采样电路，主控芯片的三个数字输入引脚s1、s2和s3与温度采样电路连接，主控芯片的驱动引脚与脱扣器驱动电路的电阻r104连接，主控芯片的串行时钟输入引脚、串行数据输入引脚和输出引脚a0连接于按键显示电路。
33.参考图12，按键显示电路包括有lcd液晶显示屏以及若干个开关，lcd液晶显示屏通过若干个引脚连接于主控芯片。在本实施例中设置有9个开关，采用128*64的lcd液晶显示屏。
34.参考图10，温度采样电路用于将采集的电信号经电平调整后传输至主控系统。温度采样电路包括有模拟开关芯片u10，其中，模拟开关芯片u10的第一数字选择输入引脚s1、第二数字选择输入引脚s2、第三数字选择输入引脚s3分别与主控芯片的三个数字输入引脚s1、s2和s3连接，在模拟开关芯片u10的八个独立输入/输出引脚中，每个独立输入/输出引脚均与一个电阻串联。
35.本发明的实施例中，主控系统内的主控芯片通过各个功能引脚与各个电路连接，其中，电压采样电路、电流采样电路、温度采样电路和剩余电流采样电路将采样得到的信号经过处理后传输至主控系统中，在主控系统中进行下一步的操作；为了对电压或者电流采样电路采样得到的信号进行电量信息的计算，连接上计量采集电路，并测量出电能的各项数据；本发明的装置能够实时监测相关数据，解决分布式光伏电站并网后产生的电站数据采集和电站控制难的问题，能够做到信息的实时监测和计算。
36.本发明中，电压降压部分通过电阻的分压来实现，又通过运算放大器进行信号放大，通过电容来实现滤波作用。
37.本发明中，电流运放部分所使用的运算放大器与电压运放部分型号相同，电流采样电路接收到的是电流互感器输出的电流感应信号。
38.本发明中，计量芯片采用的是ht7036多功能高精度三相电能专用计量芯片，将采
样电路得到的信号进行处理后计算电量信息，具体通过测量各相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量，以及各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率这些参数。
39.本发明中，主控芯片能够实现单精度浮点算术运算，支持所有arm单精度数据处理指令和数据类型，支持完整dsp指令集，内核集成了mpu单元，同时叠加dmac专用mpu单元，保障整个装置运行的安全性。
40.本发明中，温度采样电路中，采集的电信号由温度探头采集得到。
41.本发明的动态过程大致为：电压采样电路采集三相电压信息，电流采样电路采集得到电流互感器输出的电流感应信号，内部经过电阻的降压，运算放大器的作用后，最后经过电容的滤波作用将信号发送至主控系统的主控芯片中；剩余电流采样电路通过采集开关内零序电流互感器的输出信号，经过电平转换、运算放大以及滤波后传至主控系统中进行下一步处理；本发明中的计量采样电路中，计量电压采样电路连接于电压采样电路的一端，计量电流采样电路连接电流互感器，两者将处理的信号传至计量芯片进行计算，具体测量各相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量，以及各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率；温度采样电路能够将探头检测采集到的电信号处理后传至主控芯片，电流调理电路给主控系统供电；脱扣器驱动电路在接收到主控的触发分闸信号后驱动脱扣器进行动作；按键显示电路用于接收主控系统的控制信号以及控制显示和按键输入检测；主控芯片接收到信号后进行处理。
42.本发明的装置能实现的主要功能包括：1、孤岛保护：当电网停电时，不依托逆变器本身的孤岛保护，切断光伏发电系统与低压配电网的连接；通过检测逆变器输出端即公共点电压的幅值、频率、相位和谐波含量等来探测系统是否处于孤岛状态，主要包括过/欠压保护、过/欠频保护、相位突变检测、谐波检测；2、过载保护、短路保护：无论是光伏发电侧还是低压电网侧出线短路，过载时断路器切断并网连接，起到保护系统稳定的作用；3、电能质量监控与保护：对并网电压与电流谐波分析，电能质量评估，为考核发电质量提供数据依据，通过总电流畸变率阈值超标跳闸保护；4、测量功能：量测发电功率、电压、电流、频率，为全台区电力供应与负荷响应提供数据支撑；5、发电电流三相不平衡监测与保护：负序三相电流不平衡率阈值内正常并网，超过阈值延时切断并网点，并且上报；6、端子及触头过温度保护：正常运行，主动上报端子及触头过温度告警并且记录数据，端子及触头过温度依然超标，切断并网点，并且上报；7、通信功能：具有本地rs-485通信接口，具有多种通讯协议可供选择，能与智能配变终端、上位机建立通信功能，产品还可选择具备自带nb或4g等通信模块，实现远程参数的调整、信息查询及下载故障参数的功能；8、上行通信功能：采用模块化可插拔设计，断路器能在不停电情况下更换上行通信模块，上行通信模块与台区智能设备传输通道可实现选用hplc电力线载波、微功率无线、hplc电力线载波/微功率无线双模通信，以及nb-iot通信。
43.上述实施例是对本发明的进一步阐述和说明，以便于理解，并不是对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。