浅谈基于微电网的分布式光伏发电技术研究与产品应用浏览次数：781次 更新时间：2024-12-12 16:26:29
孟新元18721502664
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：人类社会飞速发展的现阶段，能源紧缺问题越来越突出，因此开发新能源是现如今环境污染与能源紧缺的必然选择。对此，介绍微电网的结构，对微电网的优势进行分析，总结了微电网的推广问题，探讨了基于微电网的分布式光伏发电技术，阐述了分布式系统的结构与工作模式、分布式光伏发电系统并网运行中存在的控制问题，提出了基于微电网的分布式光伏发电技术要点，以期能够实现光伏发电结构的合理调整，促进我国可再生能源的可持续发展。
关键词：微电网；光伏发电；新能源
1微电网概述
近年来，社会经济发展的速度逐渐加快，石油化工能源被过度开发利用，随之引发能源危机问题。基于该背景，新能源技术应运而生，更多企业开始关注与应用新能源发电技术，如光伏太阳能发电、风力发电等。新能源发电虽可有效解决能源危机问题，然而因为该技术本身存在发电间歇性问题，尤其是并网过程中*易导致电网形成电力波动现象，影响电能质量和发电量。因此，提出微电网的概念，其核心在于多微电源同时供电，相互补充电源，可满足小范围的电力供应目标。分布式光伏发电的微电网结构如图1所示。
1.1微电网结构
微电网即微网，是电压等级为400V或10kV的一种现代化网络结构，也是负载与保护装置、能源转换装置、分布式电源以及储能装置等构成的发电、配电系统。从根本上说，微电网对于形式烦琐、数量较多的分布式电源并网问题解决力度较大，达到分布式电源*效应用的目标。
1.2微电网元件
静态开关、分布式电源、功率电子设备以及储能设备等要素共同组成微电网，其中分布式电源指的是负载周边分布的一种电力，主要将其分成2种，即非再生能源、可再生能源。储能设备主要为飞轮储存、*级电容量和蓄电池等。在电网有效功率*于负载要求的情况下，就会存储剩余电量，以维持电力供需平衡。微电网孤网运行时，可调节储能设备频率，从而为微网运行提供保障。
图1分布式光伏发电微电网的结构
基于该情况，微电网的能源利用率可超过80%。由此可以看出，世界能源互联网下的微电网存在*大的发展优势。然而，与传统电网相比，微电网起步比较晚，也有很多不利因素，其发展受到很多制约因素的影响，如分布式电源具有较*成本，有待进一步提升运行和保护技术标准；电能存储和生产*须依照负载需求调整，且微电网市场监管制度也不完善，有待从立法层面进一步优化。
2分布式光伏发电技术
作为用途*为广泛的分布式光伏发电系统，其结构包括独立发电与并网发电2类。分布式光伏发电系统产生之初多是用于微波中继站、太空飞船、电视差转台以及通信系统等区域。近年来，越来越多的领域开始推广应用太阳能光伏并网发电，主要为家庭屋顶光伏发电、城市交通或照明等。
2.1独立光伏发电系统
独立光伏发电系统也被叫作离网光伏发电系统，为太阳能电池的能量转化系统，由热辐射与光产生能量。通常来说，单独太阳能发电一定要配备能量存储设备，电池是应用*多的设备。同时，需要配备控制器，主要作用是避免蓄电池过度放电，或者过度充电。在直流电源中，应用的独立广电系统核心部件主要为蓄电池组、防反充二*管、电池方阵以及控制器等。
2.2并网光伏发电系统
太阳能光伏系统的主要特点在于，通过并网逆变器转化直流电成*流电，进而保证交流电能够与公共电网实现有效连接，向广大住户提供更多电力，多余电量直接输送至电网。在太阳能电池低电量的情况下，有必要做好电力网补充工作。并网光伏系统的示意如图2所示。
2.3分布式光伏发电的工作模式
光伏发电系统的工作机理在于，通过太阳能电池所具有的光生伏打效应，太阳能电池板将太阳光中的光能转换为电能供应给客户。太阳能电池板、配电室、防雷系统、汇流箱以及逆变器等是太阳能电池板的重要组成部分。此外，因为太阳的能量密度较低，所以要求有较大的光电转换效率，并且要使用汇流箱来降低光电转换效率。由于光伏太阳能电池所产生的电属于直流电，因此还*须要有一个逆变器来将直流电变成*流电。同时，为了确保在雷暴天气下对发电系统中的关键部件，如电池面板、逆变器等进行防护，也*须进行初步的防雷设计。具有低压负载的室内配电场所统称为配电室，能够为低压用户分发电能。由于分布式光伏发电系统通常在10kV之下，因此只需要设置一个低压配电室即可。除此之外，还*须在电力供应上安装一些能量存储单元，或是将整个系统接入电力网络，才能确保电力供应的稳定，如此便构成一个完备的发电和用电体系。光伏发电原理如图3所示
3基于微电网的分布式光伏发电技术要点
3.1并网控制
若分布式光伏发电系统没有配备相应的蓄电池，则需将其并入电网，以确保该光伏发电系统的供电可靠性。分布式光伏发电有多能量来源、多并网逆变器等特性，所以应充分考虑影响并网控制的相关因素。此外，因分布式光伏发电系统能源产生多借助并网逆变器，且并网运行期间需要*点注意耦合机理，所以涉及控制并网协调性能问题，应注重在运行过程中协调控制逆变器的电压和频率，以合理地动态分配其运行负荷。 图3光伏发电原理
3.2优化系统电能质量
通常情况下，分布式光伏发电的电能输出主要为直流电，然而用户端负载多用交流电。若要使用光伏发电所输出的电能，则需要转化直流电为特定频率的交流电，由此就需要应用逆变器。但是，并网运行过程中，正常运行时的逆变器会产生直流分量与谐波，会污染到电网，影响电网得电能质量。特别是电网直接连接用户侧负载时，就算直流分量与谐波非常小，也会严重影响到用户的用电端口负载，造成设备不能顺利或正常运行，导致设备遭到损坏。除此之外，在用户负载中有大量感性负载的情况下，接入分布式光伏发电系统会大大降低功率因数cosϑ，导致电机等感性负载无法正常运行，甚至会加大发热量。以上情况产生的主要原因在于，分布式光伏发电系统大多只输出有功功率，还有可能是电网无功功率补偿装置不匹配光伏发电系统。因此，若想有效控制光伏发电系统的电能质量，借助可调节功率因数cosϑ，可以对三电平组串逆变器进行输出，也可通过并联电容器实现动态无功补偿的配置，有效改善并网连接中出现的光伏发电电能输出质量问题。
3.3电网结构和配置优化
由于分布式光伏发电系统的发电能源为太阳能，而太阳能会因为各地气候、地理位置等外部因素而存在一定随机性，而且光伏发电的核心部件即太阳能电池板的能量密度相对较低，相比传统电网，太阳能电池板的网络结构存在一定不同。基于以上因素，在电力系统规划过程中，应*准预估本地可再生能源的分布情况，同时评估负载的可用性、随机性和合理性。对要进行光伏发电的地区进行现场调查，详细调查和研究当地的电网、客户的用电负荷，进而决定在当地的地区设置相应的分布式光伏发电装置，防止负载过或某一个电网单元负载过大，有效提升地方电网运行的安全性、可靠性。
4Acrel-2000MG微电网能量管理系统
4.1平台概述
Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的*进经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提*电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提*电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。
微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
4.2平台适用场合
系统可应用于城市、*速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。
4.3系统架构
本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：
图1典型微电网能量管理系统组网方式
5充电站微电网能量管理系统解决方案
5.1实时监测
微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。
系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。
系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。
微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。
图1系统主界面
子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。
5.1.1光伏界面
图2光伏系统界面
本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
5.1.2储能界面
图3储能系统界面
本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。
图4储能系统PCS参数设置界面
本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。
图5储能系统BMS参数设置界面
本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。
图6储能系统PCS电网侧数据界面
本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。
图7储能系统PCS交流侧数据界面
本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。
图8储能系统PCS直流侧数据界面
本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。
图9储能系统PCS状态界面
本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。
图10储能电池状态界面
本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。
图11储能电池簇运行数据界面
本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。
5.1.3风电界面
图12风电系统界面
本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
5.1.4充电站界面
图13充电站界面
本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。
5.1.5视频监控界面
图14微电网视频监控界面
本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。
5.1.6发电预测
系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。
图15光伏预测界面
5.1.7策略配置
系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。
具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。
 
图16策略配置界面
5.1.8运行报表
应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。
图17运行报表
5.1.9实时报警
应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。
图18实时告警
5.1.10历史事件查询
应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
图19历史事件查询
5.1.11电能质量监测
应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。
1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值；
2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；
3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；
4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；
5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。
6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。
7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。
图20微电网系统电能质量界面
4.1.12遥控功能
应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。
图21遥控功能
5.1.13曲线查询
应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。
图22曲线查询
5.1.14统计报表
具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。
图23统计报表
5.1.15网络拓扑图
系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。
图24微电网系统拓扑界面
本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。
5.1.16通信管理
可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
图25通信管理
5.1.17用户权限管理
应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
图26用户权限
5.1.18故障录波
应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提*电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。
图27故障录波
5.1.19事故追忆
可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。
用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。
5.2硬件及其配套产品
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序号
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设备
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型号
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图片
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说明
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1
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能量管理系统
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Acrel-2000MG
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内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。
数据采集、上传及转发至服务器及协同控制装置
策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等
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2
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显示器
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25.1英寸液晶显示器
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系统软件显示载体
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3
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UPS电源
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UPS2000-A-2-KTTS
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为监控主机提供后备电源
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4
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打印机
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HP108AA4
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用以打印操作记录，参数修改记录、参数越限、复限，系统事故，设备故障，保护运行等记录，以召唤打印为主要方式
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5
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音箱
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R19U
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播放报警事件信息
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6
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工业网络交换机
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D-LINKDES-1016A16
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提供16口百兆工业网络交换机解决了通信实时性、网络安全性、本质安全与安全防爆技术等技术问题
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7
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GPS时钟
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ATS1200GB
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利用gps同步卫星信号，接收1pps和串口时间信息，将本地的时钟和gps卫星上面的时间进行同步
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8
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交流计量电表
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AMC96L-E4/KC
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电力参数测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率,频率、功率因数等)、复费率电能计量、
四象限电能计量、谐波分析以及电能监测和考核管理。多种外围接口功能:带有RS485/MODBUS-RTU协议:带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的"遜信“和“遥控”的功能
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9
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直流计量电表
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PZ96L-DE
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可测量直流系统中的电压、电流、功率、正向与反向电能。可带RS485通讯接口、模拟量数据转换、开关量输入/输出等功能
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10
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电能质量监测
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APView500
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实时监测电压偏差、频率俯差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、诺波等电能质量，记录各类电能质量事件,定位扰动源。
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11
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防孤岛装置
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AM5SE-IS
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防孤岛保护装置，当外部电网停电后断开和电网连接
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12
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箱变测控装置
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AM6-PWC
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置针对光伏、风能、储能升压变不同要求研发的集保护，测控，通讯一体化装置，具备保护、通信管理机功能、环网交换机功能的测控装置
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13
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通信管理机
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ANet-2E851
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能够根据不同的采集规的进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据果集汇总:
提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能:实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多路上送平台据:
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14
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串口服务器
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Aport
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功能:转换“辅助系统"的状态数据，反馈到能量管理系统中。
1)空调的开关，调温，及完全断电(二次开关实现)
2)上传配电柜各个空开信号
3)上传UPS内部电量信息等
4)接入电表、BSMU等设备
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15
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遥信模块
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ARTU-K16
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1)反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器:
读消防VO信号，并转发给到上层(关机、事件上报等)
2)采集水浸传感器信息，并转发3)给到上层(水浸信号事件上报)
4)读取门禁程传感器信息，并转发
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6结束语
分布式光伏发电技术与微电网技术迅猛发展的现阶段，进一步扩大了分布式光伏设备的实际应用范围，且并网能力也随之得到提升。未来发展中，还会进一步扩充太阳能应用与发展的空间，为供电领域提供更多能源，*终推动社会经济的可持续发展。
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