Необходимость применения контроллеров присоединения объектов микрогенерации
В период с 2019 по 2020 г. под моим руководством шла работа по разработке контроллера присоединения объектов микрогенерации (на основе солнечных панелей) к распределительной сети 0,4 кВ.
В настоящее время значительное внимание в России уделяется развитию возобновляемой энергетики, в основном использованию энергии ветра и солнца, в том числе в частном секторе. В результате в стране появится большое количество объектов микрогенерации мощностью до 15 кВт, которые представляют собой, например, совокупность солнечных панелей и инвертор. До недавнего времени объекты микрогенерации (далее - ОМГ), в основном, использовались в частном и мелко-моторном секторе, например, обеспечивали автономное питание домохозяйства и при этом не подключались к распределительной сети. При этом излишки вырабатываемой электроэнергии не могли выдаваться в сеть. В 2019 году Госдума РФ приняла поправки к закону «О микрогенерации». Казалось бы теперь можно подключить свое домовладение к распределительной сети и продавать излишки электроэнергии в сеть, но не все так просто. Зачастую, качество электроэнергии, генерируемой в таком домовладении оставляет желать лучшего. Так же необходимо учесть, что с увеличением количества подключенных к общей сети объектов микрогенерации возрастает риск "раскачивания" сети, когда частота и напряжение в сети могут начинать "плавать".
Дополнительно нужно учесть и безопасность проведения ремонтных работ на линии, когда обеспечивается "видимый разрыв" в цепи подключения объекта микрогенерации к общей сети.
Разработанный в рамках НИОКР цифровой контроллер присоединения объектов микрогенерации к распределительной сети (далее КПМГ), позволяет выполнять приведённые выше требования электросетевых компаний и технически обеспечить применение закона «О микрогенерации» на практике, то есть начать активно подключать домохозяйства и предприятия к сетям электроснабжения, обеспечивая при этом двунаправленный учёт электроэнергии.
Предусмотрено, что при подключении ОМГ к распределительной сети контроллеры присоединения будут предотвращать развитие аварийных ситуаций, могущих возникнуть на данных объектах, обеспечивать безопасность персонала электросетевых компаний в случае проведения работ на линиях, а также вести учет объема потребленной и выданной в сеть (сгенерированной) электроэнергии.
Для выполнения данных функций контроллер присоединения ОМГ должен подавать команду внешнему размыкателю на гарантированное отключение в различных режимах работы ОМГ и распределительной сети, а также содержать в себе двунаправленный интеллектуальный прибор учета, включаемый в систему АСКУЭ сетевой компании.
В настоящий момент в РФ отсутствуют контроллеры, обеспечивающие выполнение вышеуказанных функций в распределенных сетях, а также не сформулированы требования к подобным контроллерам.
КПМГ разрабатывался для бытовых и мелко-моторных потребителей\генераторов, частных домовладений, объектов торговли, объектов общественного питания, ферм и аналогичных им объектов, где может применяться альтернативная энергетика и поставляться «излишки» электроэнергии в общую сеть. Структурная схема включения КПМГ в общую распределительную сеть приведена на Рис.1.
Аппаратная часть разрабатывалась с использованием современных технологий приборостроения (AutoCAD, Pcad, Altium Designer) и современных электронных компонентов (семейство микроконтроллеров STM32 основанных на 32 битных ядрах процессоров ARM). Разработка внутреннего программное обеспечение контроллера осуществляется на С++ (основной язык разработки) и С# (дополнительный язык разработки). В 2019г. еще не было жестких требований МИНПРОМТОРГА РФ к составу счетчиков электрической энергии.
Архитектура контроллера присоединения объектов микрогенерации
По своему функционалу разрабатываемый КПМГ будет состоять из нескольких функциональных компонентов, а именно:
- Трёхфазного двунаправленного прибора учета электроэнергии прямого включения;
- Измеритель показателей качества электроэнергии;
- Встроенных размыкателей нагрузки (3 шт.) для отключения потребителя;
- Модуля телесигнализации и управления внешним размыкателем (ТСУ);
- Модуля связи GPRS (LTE), позволяющего подключаться прибору учета к автоматизированным системам коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) и системам телемеханики (ТМ);
- Модуля связи RS-485 для проведения настройки и калибровки КПМГ.
Структурная схема контроллера приведена на Рис.2
Функции контроллера присоединения
Контроллер присоединения предназначен для учета электроэнергии, контроля параметров работы ОМГ, его отключения от распределительной сети и исключения несанкционированной подачи напряжения от ОМГ на элементы распределительной сети при выполнении плановых, ремонтных и аварийно-восстановительных работ на сетевом оборудовании.
Контроллер присоединения разрабатывался в закрытом корпусе, со встроенными размыкателями и с возможностью подключения для управления внешним трехфазным размыкателем.
На основной плате устройства расположились главные функциональные компоненты: центральный процессор с памятью, аналого-цифровой преобразователь и ЖК-экран. За основную функциональность отвечает центральный процессор STM32 фирмы STMicroelectronics, а за измерительную часть отвечает АЦП марки ADE9000 фирмы Analog Devices.
Отображение информации осуществляется на встроенном многострочном ЖК-экране.
За ввод сигналов телесигнализации отвечает модуль телесигнализации, расположенный на плате расширения №1. Так же на данной плате находится модем GPRS производства фирмы Quectel, который предназначен для связи КПМГ с сервером верхнего уровня.
Для отключения объекта микрогенерации в случае проведения работ на линии или из-за выдачи некачественной электроэнергии в общую распределительную сеть предусмотрена возможность подачи сигнала на отключение от модуля телеуправления (расположенному на плате расширения №2) внешнему размыкателю.
Контроллер присоединения имеет несколько интерфейсов для конфигурирования и считывания событий, показаний и состояния контроллера. Для конфигурирования можно использовать порт RS-485, оптический порт или связь GPRS. Так же можно считывать показания и события со встроенного ЖК-экрана. Управление страницами на ЖК-экране происходит с помощью кнопки меню, расположенной на фронтальной панели контроллера присоединения. Так же контроллер присоединения имеет индикацию потребления или отдачи активной и реактивной энергии в виде двух красных светодиодов, расположенных рядом с ЖК-экраном.
Для работы с автоматизированными системами учета электроэнергии и системами телемеханики контроллер поддерживает следующие открытые протоколы передачи данных:
- Для работы в составе АСКУЭ: СПОДЭС;
- Для работы в составе ССПИ: МЭК 60870-5-104.
Программное обеспечение контроллера присоединения
Программное обеспечение контроллера присоединения разработано с целью выполнения контроллером следующих функций: учет электроэнергии, работа с размыкателями, определение качества электроэнергии (гармонический анализ), работа модуля телесигнализации и телеуправления, работа с портами связи и GPRS модемом, передача данных по различным протоколам.
Программное обеспечение разработано для 32 битного микроконтроллера STM32 производства STMicroelectronics, на ядре АРМ CORTEХ-М3 с помощью языка программирования Си++. Среда разработки Keil Vision.
Внутреннее программное обеспечение контроллера присоединения состоит из следующих основных программных блоков:
- Ядро CORTEХ-М3 внутренней программы процессора STM32;
- Библиотека периферийных устройств и интерфейсов;
- Алгоритмы для обеспечения учета электроэнергии в двух направлениях;
- Алгоритмы анализа гармоник в электросети;
- Алгоритмы управления встроенными размыкателями;
- Алгоритмы работы модема GPRS;
- Алгоритмы работы модуля телесигнализации;
- Алгоритмы работы модуля телеуправления;
- Протоколы связи СПОДЭС, ФОТОН и МЭК-60870-5-104.
Структура внутреннего программного обеспечения контроллера присоеднения изображена на Рис.3.
Испытания контроллера присоединения
Испытания контроллера присоединения проводились в краснодарском крае на специальной тестовой площадке - экспериментальной модели микрогенерации на солнечных батареях.
В составе тестовой площадки входили инвертор с солнечными панелями и тестовый 3х-фазный потребитель электроэнергии общей нагрузкой около 2 кВт.
Для испытаний были разработаны специальные алгоритмы управления как встроенными так и внешними размыкателями.
Заключение
В результате выполнения работ по НИОКР – разработан и создан опытный образец контроллера присоединения микрогенерации к распределительной сети. По данным из протоколов испытаний, можно сделать вывод, что разработанное устройство осуществляет контроль параметров работы объектов микрогенерации (ОМГ) и отключение их от распределительной сети для исключения несанкционированной подачи напряжения от ОМГ в сеть сбытовой организации при выполнении плановых, ремонтных и аварийно-восстановительных работ на линии. КПМГ производит гармонический анализ качества принятой или отданной электроэнергии в сеть до 20-й гармоники.
Дополнительно КПМГ используется для учета потребленной электроэнергии из сети и выданной электроэнергии в сеть.
Результаты работы будут использованы для запуска контроллера в серийное производство.
Права интеллектуальной собственности
Права интеллектуальной собственности на данную статью принадлежат А.Н. Тихонову. Перепечатывание целиком или части материала из данной статьи без разрешения не допускается.