基于雙CPU的風(fēng)電機(jī)組電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

朱杰斌, 黃燦英, 廖高華(.南昌工程學(xué)院, 江西 南昌 330099;.南昌大學(xué) 科技學(xué)院, 江西 南昌 33009)

基于雙CPU的風(fēng)電機(jī)組電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

朱杰斌1, 黃燦英2, 廖高華1
(1.南昌工程學(xué)院, 江西 南昌 330099;2.南昌大學(xué) 科技學(xué)院, 江西 南昌 330029)

為了滿足電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)高速、高精度、實(shí)時(shí)性和連續(xù)性等性能指標(biāo),設(shè)計(jì)了基于雙CPU結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)組電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。介紹了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成,分析了電力參數(shù)測(cè)量算法,并進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明,電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠,滿足電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。

電能質(zhì)量; 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng); 電力參數(shù); 頻譜

0 引 言

近年來(lái),風(fēng)力發(fā)電技術(shù)有了很大的發(fā)展,并在內(nèi)蒙古、新疆、青海、甘肅等無(wú)電缺電農(nóng)、牧區(qū)和東南海等漁區(qū)島嶼建立了多個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。隨著越來(lái)越多風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行,風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量產(chǎn)生的影響越來(lái)越大。但風(fēng)力發(fā)電機(jī)的頻率、電壓易產(chǎn)生變化,使輸出功率呈波動(dòng)性,直接影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量[1-2]。國(guó)外研制的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置水平較高,產(chǎn)品也較豐富,如日立3193系列電能質(zhì)量分析儀、Fluke43手持式電能質(zhì)量分析儀等,但價(jià)格昂貴,不適合在國(guó)內(nèi)推廣[3]。國(guó)內(nèi)大多數(shù)測(cè)量?jī)x器對(duì)電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量還處于專門測(cè)量或不定期測(cè)量階段,不能滿足電能質(zhì)量長(zhǎng)期、穩(wěn)定的測(cè)量要求,如PQ116便攜式分析儀器、KEW631O電能質(zhì)量分析儀、LECOM手持式三相電能質(zhì)量分析儀3PQC。這些儀器適用于公共電網(wǎng)電能質(zhì)量的連續(xù)監(jiān)測(cè)和多點(diǎn)監(jiān)測(cè)組成的區(qū)域電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng),具有諧波分析、功率分析和故障濾波等功能,但只能進(jìn)行固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量,現(xiàn)場(chǎng)分析無(wú)法把握長(zhǎng)期運(yùn)行的情況[4-5]。

本文利用DSP控制器及ARM9雙CPU技術(shù),設(shè)計(jì)嵌入式電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的連續(xù)采樣、長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等電能質(zhì)量分析。

1 電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有適時(shí)數(shù)據(jù)采集、在線處理、掉電保護(hù)、超限報(bào)警、顯示和保存等功能。電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示,電路主要包含四大模塊。

(1) 電源模塊:模塊具備上電保護(hù)、掉電保護(hù)、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、欠壓欠流保護(hù)等保護(hù)功能,電源輸入電壓AC 220 V(±10%),輸出電壓為DC 12 V、-12 V、5 V。

圖1 電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

(2) 電壓/電流取樣模塊:三相電壓、電流互感器取樣電路,16位A/D采樣電路。三相輸入電壓為57.7 V,通過(guò)電壓互感器轉(zhuǎn)換為AC 3 V,三相輸入電流為1 A,通過(guò)電流互感器轉(zhuǎn)換為AC 3 V,供三路16位A/D通道采集數(shù)據(jù)。

(3) CPU結(jié)構(gòu)模塊:TMS320F28335DSP、嵌入式ARM9、可編程控制器FPGA電路和雙口RAM電路。FPGA實(shí)現(xiàn)控制采集A/D通道的數(shù)據(jù),送雙口RAM、DSP進(jìn)行計(jì)算分析及處理,通過(guò)雙口RAM與ARM9與接。ARM9用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及多種通信方式處理等,與遠(yuǎn)方管理中心交互數(shù)據(jù)。

(4) 存儲(chǔ)顯示及通信接口模塊:數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間可以設(shè)定,一般可存儲(chǔ)12個(gè)月,含有32 GB存儲(chǔ)空間,并通過(guò)圖型漢字液晶顯示。通信接口配置了100 Mb/s工業(yè)以太網(wǎng)及 RS-232C/485通信接口,可與管理中心交互數(shù)據(jù),不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的頻率、電壓、電流有效值、總有功/無(wú)功功率、功率因數(shù)、諧波含量值監(jiān)測(cè)外,還對(duì)電能質(zhì)量的暫態(tài)擾動(dòng)(主要是電壓的驟升、驟降)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄。

2 電力參數(shù)測(cè)量算法

2.1 電壓、電流有效值及偏差

電壓、電流在一個(gè)周期內(nèi)的均方根值分別定義為[6]

(1)

(2)

電流、電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器,均勻地轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號(hào)。式(1)、(2)可離散化為

(3)

(4)

式中:u(n)——電壓離散采樣的序列值;i(n)——電流離散采樣的序列值。

電壓/電流偏差是指允許偏差,即電力系統(tǒng)中電壓/電流緩慢變化(電壓/電流變化率小于0.01/s)時(shí),實(shí)際電壓/電流與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)值之差,其中額定電壓為100 V或220 V。

2.2 頻率及頻率偏差的測(cè)量

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)程規(guī)定,電力系統(tǒng)工頻50 Hz允許偏差為±(0.2～0.5) Hz。電網(wǎng)頻率的測(cè)量主要通過(guò)測(cè)量周期的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的,硬件的外部接口檢測(cè)到外部信號(hào),從而控制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)讀取A/D轉(zhuǎn)換器的值,在檢測(cè)出第一個(gè)正向過(guò)零點(diǎn)后開始計(jì)數(shù),累計(jì)記錄N+1個(gè)正向過(guò)零點(diǎn)內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換的總次數(shù)為NN+1。A/D轉(zhuǎn)換器的采樣間隔t由分頻系數(shù)和晶振決定,其大小固定。頻率f、頻率偏差Δf分別為

f=N/(NN·Δt)

(5)

Δf=fs-fe

(6)

式中:fs——頻率實(shí)測(cè)值;fe——頻率額定值。

2.3 有功、無(wú)功功率及功率因數(shù)

對(duì)電壓、電流乘積的周期性積分獲取有功功率。三相有功功率離散化公式為

ub(n)ib(n)+uc(n)ic(n)]

(7)

對(duì)電流進(jìn)行數(shù)字式移相90°,再對(duì)其與電壓乘積的周期性積分獲取無(wú)功功率。對(duì)三相無(wú)功功率累加,即得三相無(wú)功功率。單相無(wú)功功率的離散化公式為

(8)

因此,功率因數(shù)為

(9)

式中:i(n+N/4)——u(n)滯后90°的電流值。

2.4 電壓、電流不平衡度及波動(dòng)測(cè)量

三相電壓、電流的不平衡程度,用正序分量與負(fù)序分量的均方根值百分比表示:

(10)

(11)

式中:U1、U2——三相電壓的正序、負(fù)序分量均方根值;

I1、I2——三相電流的正序、負(fù)序分量均方根值。

電壓波動(dòng)ΔU為一系列電壓變動(dòng)或工頻電壓包絡(luò)線的周期性變化。電壓波動(dòng)值為電壓均方根值的兩個(gè)相鄰的極值之差,常以額定電壓UN的百分?jǐn)?shù)表示其相對(duì)百分值,即

ΔU=(Umax-Umin)/UN×100%

(12)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求每10 min保存一個(gè)電壓波動(dòng)記錄。取10 min內(nèi)電壓波動(dòng)的最大值,連同該10 min時(shí)間段結(jié)束的時(shí)刻,構(gòu)成一條完整的電壓波動(dòng)記錄。

2.5 電壓閃變

電壓閃變作為衡量電壓波動(dòng)危害程度的一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),分為短時(shí)間的閃變嚴(yán)重度Pst和長(zhǎng)時(shí)間的閃變嚴(yán)重度Plt。

(13)

(14)

式中:Pk——瞬時(shí)閃變視感度在整個(gè)檢測(cè)時(shí)間段內(nèi)的占比;

P0.1、P1——瞬時(shí)閃變視感度超過(guò)0.1%、1%時(shí)間比的Pk值;

P3、P10、P50——瞬時(shí)閃變視感度超過(guò)3%、10%、50%時(shí)間比的Pk值;Pst,k——第k次所測(cè)量的Pst值;

N——每隔10 min所測(cè)的Pst值數(shù)量。 對(duì)于電弧爐等隨變化負(fù)荷電壓波動(dòng)的負(fù)載,不僅僅要檢查它的最大電壓波動(dòng),還要能在足夠長(zhǎng)時(shí)間觀察電壓波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性。按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求,短時(shí)間閃變的一個(gè)記錄周期為15 min,而長(zhǎng)時(shí)間閃變的一個(gè)記錄周期為2 h。對(duì)于電壓波動(dòng)和閃變的監(jiān)測(cè),可根據(jù)需要啟動(dòng)或停止。

2.6 諧波

由于風(fēng)電的特殊性,裝機(jī)容量增加到一定程度時(shí),尤其是當(dāng)風(fēng)力機(jī)采取變速運(yùn)行方式和使用大量功率電力電子器件時(shí),電力諧波不容忽視。對(duì)采樣得到的數(shù)字離散序列進(jìn)行基2、128點(diǎn)的離散傅里葉變換,可得各次諧波的幅值、相位等信息,對(duì)各次諧波的幅值計(jì)算得各次諧波的有效值。由于實(shí)際信號(hào)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),不可能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步采樣,產(chǎn)生的泄漏效應(yīng)及柵欄效應(yīng)必將影響所測(cè)電氣參數(shù)(頻率、幅值和相位)的準(zhǔn)確度,這需要利用加窗算法進(jìn)行修正。為提高系統(tǒng)的測(cè)量精度、穩(wěn)定度和抗干擾能力,在測(cè)量算法中還使用了去極值濾波、滑動(dòng)平均濾波等數(shù)字濾波手段。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括DSP、ARM應(yīng)用程序和PC機(jī)應(yīng)用軟件。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

DSP、ARM應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)處理、存儲(chǔ)、顯示、通信處理等;PC機(jī)應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、曲線繪制、報(bào)表顯示以及打印輸出等。軟件流程圖包括A/D采樣程序、液晶顯示程序、鍵盤掃描程序、閃變程序、參數(shù)設(shè)置程序等子程序。其中,A/D測(cè)量數(shù)據(jù)采集采用16位的并行ADS7805設(shè)計(jì),6個(gè)通道完全同步采樣,精度更高,速度更快,且任何一路A/D損壞都不影響其他通道數(shù)據(jù)的正常采集。

4 試驗(yàn)與分析

利用電能質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的單臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。記錄電壓和電流數(shù)據(jù)、電壓和電流諧波、功率等單項(xiàng)數(shù)據(jù)時(shí),顯示和記錄間隔為1 s,電壓等級(jí)為110 kV,電壓互感器變比為1 100。

4.1 三相電壓實(shí)時(shí)波形與頻譜圖

三相電網(wǎng)電壓正常時(shí)電壓波形及頻譜如圖3所示。

圖3 三相電網(wǎng)電壓正常時(shí)電壓波形及頻譜

由圖3(a)可見(jiàn),電壓波形均為光滑正弦曲線,各相電壓幅值均為57.7 V。從圖3(b)可看出,第3次諧波的A、B、C三相電壓諧波含有率分別為0.089%、0.087%、0.089%,而其他各次諧波的三相電壓諧波含有率均小于0.030%,符合GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定:電網(wǎng)標(biāo)稱電壓380 V及以下,奇次電壓諧波含有率低于4.0%,偶次電壓諧波含有率低于2.0%。說(shuō)明該裝置對(duì)電網(wǎng)諧波的測(cè)量具有很高的準(zhǔn)確性。 三相電壓含5次諧波時(shí)電壓波形及頻譜如圖4所示。

圖4 三相電壓含5次諧波時(shí)電壓波形及頻譜

由圖4(a)可見(jiàn),三相電壓波形受第5次諧波的影響,均為非正弦曲線。從圖4(b)可看出,A、B、C三相電壓諧波含有率分別為11.01%、10.83%、10.97%,而其他各次諧波的三相電壓諧波含有率幾乎為0。因此,總的諧波電壓畸變率必然超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的指標(biāo)(4%)。

4.2 電能質(zhì)量綜合統(tǒng)計(jì)報(bào)表

報(bào)表可以分析三相不平衡度、電壓波動(dòng)及總諧波電壓等相關(guān)數(shù)據(jù)。電能質(zhì)量綜合統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 電能質(zhì)量綜合統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量特性,設(shè)計(jì)了基于雙CPU結(jié)構(gòu)的風(fēng)電機(jī)組電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)諧波分析、波形采樣與電壓閃變、電壓不平衡度測(cè)量、故障錄波、事件記錄、測(cè)量、控制等,具有一定的推廣使用價(jià)值。

[1] 王輝艷.風(fēng)電質(zhì)量DSP監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].成都:西南交通大學(xué),2010.

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Wind Power Quality Online Monitoring System Based on Double CPU

ZHU Jiebin1, HUANG Canying2, LIAO Gaohua1

(1.Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China;2.College of Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330029, China)

To meet the high speed,high precision,instantaneity and continuity of power quality monitoring,this paper designed a power quality monitoring system of wind turbine generator based on the double CPU structure.The components of power quality monitoring system were introduced,and the measuring algorithms of electric parameters were analyzed.The software was designed.The test results show that the power quality monitoring system installed in the power plant has a reliable operation to meet the practical requirements.

power quality; online monitoring system; electric parameter; frequency spectrum

朱杰斌(1962—),男,副教授,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)樽詣?dòng)檢測(cè)裝置和智能儀器儀表。

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(GJJ14758)

TU 852

A

1674-8417(2015)04-0005-05

2014-11-28

黃燦英(1975—),女,講師,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。

廖高華(1978—),男,副教授,研究方向?yàn)闄C(jī)電控制技術(shù)。