RTU在并網風力發電主控系統中的應用

摘要：風力發電系統中，對并網發電的電壓、相位角、頻率等參數有嚴格的要求，電流、功率及電能質量等電力參數對于評估和控制發電質量具有重要的意義。RTU具備這些功能，可以非常方便的應用于風力發電系統當中。
關鍵詞：GPRS RTU ARM 失量涌動、諧波、相位角、并網頻率
1、引言
在當前全國節能減排的大趨勢下，降低排放、創建節約型社會的呼聲越來越高，各種替代能源快速涌現。我國的風力資源非常充足，內蒙古、桂林、青海、東三省、山東等都有規模比較大的風場，都配備了容量比較大的風力發電機，風力發電無污染、零排放，不消耗其它資源，有非常良好的發展前景。
大容量發電需要并網，必須對發出的電進行監測，電流、電壓、功率、頻率、相位角、電量等都是必須了解掌握的指標。而采用GPRS RTU一個綜合電力監控模塊便可滿足監控要求，減少了控制柜的體積、接線的復雜程度、它帶有數據接口，可以方便地實現與PLC等控制器的數據傳輸。

2、GPRS RTU概述
GPRS RTU綜合電力監控模塊是上海詹佛斯數傳系列電參數測量模塊的升級換代產品，以32位ARM處理器為核心，采用6通道16位A/D以4K的數據率同步交流采樣、數字濾波與校準，集電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率、正／反向有功電能、感／容性無功電能、零序電流、電壓不平衡度、電壓/電流K值、電壓/電流0～31次諧波分量等40多種交流電力參數測量、綜合顯示、需量統計、諧波分析、越限控制、開關量輸入、繼電器輸出、模擬量輸出、網絡通訊等于一體，真正實現“四遙”功能。所有接口電氣隔離，保證了產品的可靠性；產品適用于工頻單相、3相3線、3相4線制交流電路，在電力監測、監控儀器、裝置與系統中有廣泛應用。

3、產品主要功能
◆標準電壓電流輸入或經PT、CT輸入，適用于各種電壓等級及接線方式。
◆2路開關量輸入（遙信），用于監測斷路器運行狀態、繼電保護動作等狀態量信號；
◆2路繼電器輸出（遙控），可編程電量越限控制，可預防/避免事故發生；
◆1路4～20mA模擬量輸出（遙調），可配置為遙調輸出或實時測量的1～40種電量的瞬時值控制輸出；
◆2路可配置的有功／無功電能脈沖輸出；
◆需量統計，設定時間周期內各種三相/單相電量最大/最小/平均值的統計與記錄；
◆諧波分析，測量相電壓、電流的31次諧波分量及相位，實時顯示諧波失真度（THD）和K值因數，及時分析電網供電質量，預告諧波等對配電線路及設備的危害程度；
◆零序電流及電壓不平衡度測量，監測三相線路異常狀況；
◆可編程電量越限控制功能，實現過負荷、單相接地、諧波分量過高、相序錯誤及電壓不平衡等預告報警或故障控制（斷路器跳閘，控制聲、光報警設備，控制外部設備，作為報警信號輸出），避免事故發生；
◆電能記錄，自動累計、存儲正／反向有功/無功電能，具備掉電自動存儲電能表底值功能；
◆頻率測量
◆相角測量
◆測量失量涌動并形成報警事件

4、主要技術指標
◆測量精度:電壓/電流精度：±(RD*0.1%+FS*0.1%)；其它電量精度：±(RD*0.3%+FS*0.2%)；
◆電壓量程（相電壓）：100V、250V、500V；
過載能力：1.2倍量程/正確測量；1.5倍量程/連續；3倍量程/1S；
輸入負荷： <0.1va(100v) ；<0.4va(500v)；輸入阻抗：>1kΩ/V；
◆電流量程：1A、5A、10A；
過載能力：1.2倍量程/正確測量；2倍量程/連續；10倍量程/1S；
輸入負荷：<0.1va；輸入阻抗：<10mω；
◆頻率范圍：45～75Hz；
◆通訊協議：Modbus－RTU；波特率：1200～38400bps，可設定；
◆數據更新：0.1秒～1秒可設置（以0.1s為單位）；真有效值測量，6通道16位同步采樣，4000次/秒；
◆絕緣強度：1500V/AC,50/60Hz；絕緣電阻：≥100MΩ；所有輸入輸出端子(通訊接口、供電電源、電壓輸入、三相電流輸入、開關量輸入、繼電器輸出、電能脈沖輸出、模擬量輸出)；
◆電源與功耗：DC+10～30V，<3w；dc+5v±5%，<2w；
◆平均無故障工作時間：≥50000h；
◆工作環境：工作溫度：-20～70℃；存儲溫度：-40～85℃；相對濕度≤90%，86～106kPa，無腐蝕氣體場所；

5、測量方式的實現
本產品安裝于風電系統的控制柜當中，將A、B、C三相電壓電流相序對應關系接到配電控制柜當中，接好工作電源，將數據口連接到相應的控制器上，上電以后便可進行數據的采集與傳輸，其接線圖如下：

以上接法在相電壓小于250V，電流小于5A時可以直接接到設備上，無需外接互感器；如果測量高電壓及大電流，需要外接互感器將信號轉換為適合測量的量程范圍。
本產品帶有開關量輸出及輸入端子，可以檢測設備的狀態及控制部分設備的輸出，取代部分工控模塊的輸入檢測及輸出控制功能，可編程實現連動互鎖及保護控制、遙控、關聯于某一檢測參數控制輸出。
本產品具有失量涌動檢測功能并可以生成報警信號或關聯繼電器輸出。所謂失量涌動是波形發生了突變，波形的上半周及下半周構不成一個完整的正弦波。

5.1、失量涌動
風力發電設備發出的交流電一但波形發生了岐變，特別是周期發生了變化，會造成和電網的頻率不一致，產生失步現象，造成電網的波動或使用電設備損失。
在風力發電系統當中，通過檢測失量涌動這一變量，可以及時發現發電設備故障，如變頻器異常等等。可以將這一變量關聯到產品的輸出端，產生一個輸出信號，將發電設備從電網系統當中切除，或運行停機指令，并發出報警信號，傳送到控制中心，及時對設備進行檢修。

5.2、發電及倒送電
綜合電力監控模塊除常規的檢測電流、電壓外，還具有檢測有功功率、無功功率的、正反向有無功電能量的功能，根據檢測的功率方向，可以判定風力發電系統所處的狀態，是發電狀態還是返供電狀態。
如果檢測到的功率為負，則表明此時風力發電系統處于倒送電狀態，不僅不輸出電能，而且從電網消耗能量；表明此時風力不足，或是有其它故障，再對其它的測控數據進行分析，例如風速、其它設備的運行狀況等，可得到準確的信息。是風力不足還是設備故障，用戶可以得到第一手的資料。
如果檢測的功率有正值，則風力發電系統處于正常的輸出電能狀態，再參照其它的檢測參數，可知道此時發發電功率、電流等數據。
5.3、電能計量
GFS產品綜合電力監控模塊具有電能累加的功能，能夠累加正向有功電能、反向有功電能、正向無功電能、反向無功電能等能量數據，能夠累計出風力發電系統在運行以來向電網輸出了多少電能，在風力不足或故障不能發電但由于仍要維持部分設備運行從電網吸收多少能量。
5.4、頻率及相角

在電網運行過程當中，電網的頻率要求、三相電的相位角是一個非常嚴格的指標，不允許有過大的波動，因此必須對發電設備提供的電能的的頻率、相角進行嚴格的控制，并要對輸出頻率進行監測，使其在規定的范圍內。
GFS產品綜合電力監控模塊適時監測頻率及相角，檢測速率可達到60mS，即每秒種可向控制中心及人機界面設備輸出超過13次的數據，刷新頻率可達13次/秒，保證監測要求。
5.5、開關量輸入、輸出
GFS產品綜合電力監控集成有兩路開關量輸入、兩路開關量輸出功能，能夠檢測并網開關的狀態、或其它控制器的狀態，如潤滑電機的工作狀態、加熱設備的狀態、主軸超速開關、齒輪箱超速開關等的狀態等信息。在不增加任何投入的情況下，檢測兩路開關量，在開關量需求不多的時候，可以節省一個專用的I/O輸入量模塊。
6、總結
GFS產品綜合電力監控模塊功能全，檢測精度高，體積小，安裝簡單，具有很高的性價比；并且頻率、相角具有很高的刷新頻率，非常適合于對頻率、相角要求比較高的場所，對于風力發電等需要并網的系統當中應用非常合適，并且帶有數據接口，可方便實現數據的遠程監控。