智能停電抄表系統(tǒng)應(yīng)用研究

蔡靜薇 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠(yuǎn)供電局

一、光伏發(fā)電原理與并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

從技術(shù)層面來(lái)看，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的原理主要是利用光生符打效應(yīng)，通過(guò)太陽(yáng)能組件部分實(shí)現(xiàn)直流電的發(fā)出，若是并網(wǎng)系統(tǒng)就是利用并網(wǎng)逆變器來(lái)把這些電能并入到電網(wǎng)中。若是離網(wǎng)系統(tǒng)則是利用太陽(yáng)能控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)為蓄電池與負(fù)載進(jìn)行充電。值得注意的是，在構(gòu)成并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要是通過(guò)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)和普通的電網(wǎng)進(jìn)行相連，兩者一起進(jìn)行供電工作。在出現(xiàn)陽(yáng)光的過(guò)程中，逆變器就會(huì)把光伏系統(tǒng)中所發(fā)出的直流電逆變?yōu)檎医涣麟姡渲兴纬傻慕涣麟娔軌驗(yàn)榻涣髫?fù)載進(jìn)行供給，并將這些剩余下來(lái)的電能輸入至電網(wǎng)系統(tǒng)中，或者把所有的電能全部并入到電網(wǎng)中。在無(wú)太陽(yáng)光的條件下，負(fù)載部分的用電均由電網(wǎng)負(fù)責(zé)供給。而安裝用戶(hù)和國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)之后，就可以直接獲得國(guó)政策性的相關(guān)補(bǔ)貼，現(xiàn)在國(guó)家很多貧困地區(qū)都在研發(fā)光伏扶貧的路徑，也正是基于這種政策的大力支持與大面積推廣。并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)流程如圖1所見(jiàn)。

二、光伏發(fā)電原理何離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成概述

如上述，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的原理主要是利用光生符打效應(yīng)，通過(guò)太陽(yáng)能組件部分實(shí)現(xiàn)直流電的發(fā)出，若是離網(wǎng)系統(tǒng)就是利用太陽(yáng)能控制器為蓄電池與負(fù)載部分來(lái)實(shí)現(xiàn)充電的。在現(xiàn)階段，離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)在構(gòu)成時(shí)，離網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)則是通過(guò)利用太陽(yáng)能組件、太陽(yáng)能控制器、蓄電池所組織構(gòu)成的。在這種情況下，若輸出電源是220V，就要加入逆變器的配置。其主要是通過(guò)電子元器件來(lái)組成的，不需要應(yīng)用到任何的機(jī)械部件。因此，從技術(shù)層面來(lái)看，目前的光伏發(fā)電設(shè)備具有極度精煉、壽命長(zhǎng)、可靠、安裝維護(hù)相對(duì)方便等特征。該設(shè)備主要在太陽(yáng)能建筑、電臺(tái)、高速公路、微波通訊、基站等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也可以應(yīng)用在村莊、無(wú)電山區(qū)或者海島等領(lǐng)域。離網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的具體流程如圖2所見(jiàn)。

三、智能停電抄表裝置方案的概述

研發(fā)的智能停電抄表裝置采用離網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，主要包含以下三個(gè)部分，太陽(yáng)能電池，集控制器、蓄電池、逆變器為一體的太陽(yáng)能控制系統(tǒng)和停電檢測(cè)切換控制器。

（一）太陽(yáng)能電池

在目前的技術(shù)階段，太陽(yáng)電池作為能夠?qū)⒛芰窟M(jìn)行轉(zhuǎn)換的光電元件，主要是通過(guò)P型、N型半導(dǎo)體接合等組織而構(gòu)成的。半導(dǎo)體的基礎(chǔ)材料通常都是“硅”這種非導(dǎo)電材料，但值得注意的是，若這種半導(dǎo)體材料中摻入了雜質(zhì)，就能夠制作P型和N型半導(dǎo)體，同時(shí)通過(guò)充分利用P型半導(dǎo)體中的空穴（P型半導(dǎo)體中少了1個(gè)帶負(fù)電荷的電子則視為增多1個(gè)正電荷），和N型半導(dǎo)體增加1個(gè)自由電子的電位差來(lái)促進(jìn)電流的產(chǎn)生，因此，在得到太陽(yáng)光照射的過(guò)程中，光能能夠把硅原子中的電子充分激發(fā)出來(lái)，從而形成電子與空穴的對(duì)流現(xiàn)象，電子與空穴兩者同時(shí)由于內(nèi)建電位的具體影響，因此分別被N型、P型半導(dǎo)體吸引，最終聚集在兩端的位置中。在這種情況下，若外部用電極進(jìn)行連接，則呈現(xiàn)出一個(gè)回路，即為太陽(yáng)電池發(fā)電的技術(shù)原理。本方案采取晶體硅太陽(yáng)能板，目前該領(lǐng)域的技術(shù)成熟、單位面積轉(zhuǎn)換效率高達(dá)（15%—18%）。

（二）太陽(yáng)能控制系統(tǒng)

太陽(yáng)能控制系統(tǒng)主要包含控制器、逆變器、蓄電池和各種開(kāi)關(guān)，指示燈等。控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的部分。主要作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過(guò)沖、過(guò)放保護(hù)。但不同的配置控制器的種類(lèi)和參數(shù)也不相同。通常按電壓電流型號(hào)或者是控制類(lèi)型分類(lèi)。控制器按控制類(lèi)型分為PWM類(lèi)型和MPPT類(lèi)型，不管什么類(lèi)型都可以設(shè)計(jì)成大功率或小功率。控制器按電壓電流分類(lèi)等級(jí)如表1所見(jiàn)。本方案選擇PWM型12V/20A控制器。

圖1 并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖2 離網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

表1 控制器按電壓電流分類(lèi)示意表

蓄電池是離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)的重要部件。蓄電池將光伏發(fā)電方陣發(fā)出的直流電貯存起來(lái)供負(fù)載使用。在新能源的供電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充狀態(tài)。白天太陽(yáng)能板給蓄電池充電，晚上或者陰雨天負(fù)載用電由蓄電池供給。本方案采樣的蓄電池為膠體電池，高低溫特性好，充放電次數(shù)在300-500次。逆變器主要就是將蓄電池提供的直流電轉(zhuǎn)換成供終端、電表使用的交流電。辦方案采用的300W的逆變器。

（三）停電檢測(cè)切換控制器

檢測(cè)停電切換裝置主要包含了實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元、MCU單元、停電檢測(cè)單元、切換單元。在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)去檢測(cè)市電，當(dāng)市電停電時(shí)，由mcu控制切換開(kāi)關(guān)切換到由太陽(yáng)能供電。時(shí)間結(jié)束后，斷開(kāi)太陽(yáng)能供電，以節(jié)省蓄電池電量。本方案研發(fā)的停電抄表裝置只提供單相電輸出，默認(rèn)情況下，開(kāi)關(guān)接市電最終到終端。在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，如果檢測(cè)到市電掉電，將控制開(kāi)關(guān)切換到由逆變器轉(zhuǎn)換的交流電上。市電與太陽(yáng)能供電是完全隔離的，這樣保證在由太陽(yáng)能供電時(shí)候不會(huì)向電網(wǎng)反向供電。考慮到太陽(yáng)能板的面積，電池容量對(duì)于成本要求，施工難度，所以選擇在指定的時(shí)間段內(nèi)供電，可以節(jié)省蓄電池電量。首先計(jì)算每天消耗的瓦時(shí)數(shù)（包括逆變器的損耗）。另一方面，該方案充分地將終端和三相電能表和我們的停電切換裝置以及一些損耗最大功耗約為20W等方面的因素考慮了進(jìn)去。在一般情況下，通常當(dāng)逆變器的效率為90%的狀態(tài)下，代表著實(shí)際需求的輸出功率20w/0.9=23W；若每天運(yùn)行時(shí)間為4小時(shí)的范圍中，則需要消耗電量為23W*4h=92Wh的幅度。本方案選用的是12V/50AH的電池，在充滿(mǎn)電的情況下能持續(xù)工作27小時(shí)。每天工作4小時(shí)能工作6天，可以應(yīng)對(duì)連續(xù)陰雨天氣的持續(xù)性影響。按照計(jì)算充滿(mǎn)電時(shí)間的情況下，根據(jù)廣東省地區(qū)平均每天有效日照4小時(shí)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，在考慮到充電效率和充電過(guò)程中的損耗，本方案選用的100W的太陽(yáng)能板，需要600Wh/100*0.7=8.5h（其中70%是充電過(guò)程中，太陽(yáng)能電池板的實(shí)際使用功率），取得了良好的成效。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，利用研發(fā)的智能停電抄表裝置采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，存儲(chǔ)在蓄電池中。在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)去檢測(cè)市電220V，當(dāng)檢測(cè)到停電后，將蓄電池電能轉(zhuǎn)換成220V提供給終端，使終端能正常抄讀并上報(bào)數(shù)據(jù)。等設(shè)定的時(shí)間結(jié)束后，關(guān)斷太陽(yáng)能供電。這種技術(shù)途徑不但有效地降低了人力與物力等方面的成本，同時(shí)也進(jìn)一步提升了運(yùn)行效率，能夠保障供電企業(yè)抄表結(jié)算的實(shí)時(shí)實(shí)際需求，具備良好的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。