一種新型電能質(zhì)量在線檢測裝置

莊駿, 陳蘇聲

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200072)

一種新型電能質(zhì)量在線檢測裝置

莊駿, 陳蘇聲

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200072)

根據(jù)國際標(biāo)準規(guī)定的各項電能質(zhì)量參數(shù)計算方法，結(jié)合風(fēng)電電能質(zhì)量的特點，設(shè)計了適用于風(fēng)力發(fā)電機組電能質(zhì)量的在線檢測裝置，從而可以幫助風(fēng)電企業(yè)和用戶檢測風(fēng)電設(shè)備，保障風(fēng)電機組的電能質(zhì)量性能。最后將檢測結(jié)果與國外高精度儀器同步比較，效果良好。

風(fēng)電；電能質(zhì)量；在線檢測；電壓；頻率；諧波

0 引 言

電能質(zhì)量測試是風(fēng)電機組并網(wǎng)試驗的重要組成部分。國際電工委員會頒布了標(biāo)準IEC 61400-21“風(fēng)力發(fā)電機組 第21部分：并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組電能質(zhì)量特性的測量和評估”，該標(biāo)準[1]提供了統(tǒng)一的方法，保證了并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組電能質(zhì)量測試和評估的一致性和準確性。

本文針對風(fēng)力發(fā)電機組的特性[2]介紹了一套在線檢測裝置，該裝置整合多種傳感器于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓、電流、相位、頻率等多種數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和分析，從而進一步得到風(fēng)力發(fā)電機組的諧波、閃變、電壓波動等狀態(tài)。

1 硬件系統(tǒng)

風(fēng)電機組電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)的硬件部分由傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和計算機構(gòu)成[3]。

其中，傳感器模塊由三個電壓傳感器和三個電流傳感器組成，該模塊將三相電壓、電流轉(zhuǎn)化為低電壓信號；信號調(diào)理模塊的作用主要是將由傳感器測得的電壓信號進行濾波、放大、隔離以及交流耦合；經(jīng)過調(diào)理的信號由數(shù)據(jù)采集模塊采集；而其后的計算機模塊由工業(yè)計算機構(gòu)成，以執(zhí)行測量程序并與用戶進行交互。

1.1 傳感器選擇

本裝置選擇VSM025A系列霍爾電壓傳感器和CS600B系列霍爾電流傳感器作為檢測風(fēng)電機組的電壓和電流傳感器，在使用VSM025 A系列霍爾電壓傳感器時，應(yīng)串聯(lián)接入一個電阻Ri(功率應(yīng)在10 W以上)使在待測電壓范圍內(nèi)的電流盡量在額定電流輸入(5 mA或10m A)，假定待測電壓為220 V交流電壓，設(shè)置電壓測量量程為0～490 V，此時Ri應(yīng)取70 kΩ。而輸出電流(額定輸出25 mA，最大輸出為35 mA)也應(yīng)串接一個測量電阻RM使輸出電壓在數(shù)據(jù)采集板卡采集范圍內(nèi)，此處選擇其阻值為200 Ω，此時額定電壓輸出為5 V，電壓輸出范圍為-7 V～+7 V。在使用CS600B系列霍爾電流傳感器時，其額定輸入電流為600 A，額定輸出為4 V電壓，最大測量電流為900 A，此時電壓輸出為6 V。

1.2 信號調(diào)理模塊

傳感器的輸出信號為較大信號，無需前置放大電路，本裝置中信號調(diào)理模塊主要用于濾波、隔離放大以及交流耦合，本信號調(diào)理模塊主要包括高通濾波器、低通濾波器和隔離放大器以及交流耦合電容。

圖1 低通濾波器方案

圖2 高通濾波器方案

風(fēng)電機組電能質(zhì)量基波頻率為50 Hz，要求測50次諧波，即2.5 kHz，為了保證2.5 kHz以內(nèi)的波形不會衰減，將低通濾波器的截止頻率設(shè)計為5 kHz。因風(fēng)電機組的電壓波動和閃變中包含有3p(約為1～3 Hz)和p(約為0.3～1 Hz)頻率分量，將高通濾波器的截止頻率設(shè)置為0.1 Hz。本裝置所需的低通濾波器和高通濾波器[4-5]如圖1和圖2所示。

傳感器輸出的信號經(jīng)過濾波器后，要進入放大環(huán)節(jié)，電壓傳感器和電流傳感器輸出最大分別為7 V和6 V，而濾波器的通帶增益設(shè)計為1，因此需要將輸出分別放大10/7倍和10/6倍。為方便調(diào)試，本裝置使用放大倍數(shù)為1～2的同向比例放大器。在信號經(jīng)過放大之后，為隔斷前后級的負載效應(yīng)，增加電壓跟隨器。此外，在輸出端增加交流耦合電容，以隔離直流電壓、電流分量。

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

本裝置采用數(shù)據(jù)采集板卡，其集成度高，精度高，抗干擾性好，使用的是NI公司生產(chǎn)的PCMCIA接口數(shù)據(jù)采集卡PCI6024E，其AD轉(zhuǎn)換精度為12 bit，能夠滿足標(biāo)準的要求。

1.4 計算機

裝置選擇高性能的主機配置，采用2.8 GHz Intel Pentium CPU，2 G內(nèi)存和250 G硬盤，保證可以實時處理高速采集的數(shù)據(jù)，并有足夠的存儲空間進行數(shù)據(jù)儲存。

2 軟件系統(tǒng)

圖3 軟件系統(tǒng)模塊簡圖

本裝置采用LabVIEW和MATLAB聯(lián)合編程的方式，將軟件系統(tǒng)分為以下幾個模塊：用戶管理程序、數(shù)據(jù)采集主程序、傳統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)檢測程序、電壓波動檢測程序、電壓閃變檢測程序和電壓暫降檢測程序[6]。圖3為軟件系統(tǒng)模塊簡圖。

2.1 子程序設(shè)計

2.1.1 傳統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)的LabVIEW子程序設(shè)計

傳統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)采用完全的MATLAB計算，即數(shù)據(jù)通過LabVIEW采集，然后通過MathScript節(jié)點，使用MATLAB腳本進行計算。將此部分功能設(shè)計為LabVIEW的子VI程序，從主程序中獲取三相波形數(shù)據(jù)，通過MathScript節(jié)點進行計算有效值、基波頻率、諧波分量和三相不平衡度，計算后再由LabVIEW計算諧波畸變，之后所有參數(shù)通過簇輸出。

2.1.2 電壓波動和閃變的LabVIEW子程序設(shè)計[7]

因為電壓波動為每5 s計算一次并更新，而電壓閃變?yōu)?0 min計算一次并進行一次更新，因此電壓波動和閃變分為兩個子程序設(shè)計。這個兩個子程序分別采用LabVIEW和MATLAB聯(lián)合編程的方式進行編程計算[8]。將此部分功能設(shè)計為LabVIEW的子VI程序，從主程序中獲取電壓波形數(shù)據(jù)。

2.1.3 電壓暫降的LabVIEW子程序設(shè)計

由數(shù)據(jù)采集得到的某相電壓波形數(shù)據(jù)先通過LabVIEW中的離散小波包函數(shù)[9]，得到輸出信號，該信號能夠有效地檢測到信號奇異點，當(dāng)信號為平穩(wěn)信號時，輸出信號的值較小，一旦信號發(fā)生突變，輸出信號將顯著增大，從而使信號突變點能夠被檢測出來，軟件通過閾值來判斷是否出現(xiàn)信號奇異點。通過所測得的各時間點以及奇異點前后的電壓有效值和相位信息，計算電壓暫降的時間、電壓暫降深度和電壓暫降時發(fā)生的相位跳變信息[10]。

2.2 主程序設(shè)計

本裝置所需檢測六個電能質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)，分別為電壓偏差、頻率偏差、諧波分量、三相不平衡度、電壓波動和閃變以及電壓暫降[11]。

首先，裝置應(yīng)能夠完成數(shù)據(jù)采集功能，將由傳感器獲得的電壓信號通過信號調(diào)理電路后接入數(shù)據(jù)采集板卡，此時由LabVIEW完成數(shù)據(jù)采集功能。系統(tǒng)采樣率設(shè)計為10.0 kHz，每次采樣點數(shù)為1 000，時間長度為0.1 s。

在需要檢測的六個參數(shù)指標(biāo)中，傳統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)有四個，包括電壓偏差、頻率偏差、諧波分量和三相不平衡度，這四個參數(shù)是基礎(chǔ)參數(shù)，本裝置設(shè)定每隔0.1 s進行一次計算，以保證檢測裝置所需的實時性和其它參數(shù)測量的精度要求，因此要求主程序每0.1 s調(diào)用傳統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)子VI。

統(tǒng)計性參數(shù)電壓波動設(shè)計為每隔5 s計算一次，電壓閃變?yōu)?0 min中內(nèi)的統(tǒng)計評定，因此需要在主程序中分別存儲5 s內(nèi)和10 min內(nèi)的電壓數(shù)據(jù)，另外，由于本裝置采樣率設(shè)定為10.0 kHz，10 min數(shù)據(jù)量將達到六百萬，為了減少內(nèi)存占用并縮短計算時間，需要對該數(shù)據(jù)進行降采樣，使最終采樣率在100 Hz，降采樣倍數(shù)為100倍，使數(shù)據(jù)量減少100倍，大大減小了內(nèi)存的占用和計算時間，提高了系統(tǒng)的實時性。

暫態(tài)性參數(shù)電壓暫降則是對每0.1 s內(nèi)的數(shù)據(jù)進行小波變換，實時檢測信號有無奇異點，是否發(fā)生突變，并依據(jù)是否產(chǎn)生電壓暫降等信息，判斷并記錄奇異點前后的電壓有效值、相位變化以及奇異點發(fā)生的時間點。

綜上所述，電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)需要完成以下幾個任務(wù)：(1)進行數(shù)據(jù)采集；(2)每次采集的數(shù)據(jù)由傳統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)檢測子VI得到一組基本參數(shù)數(shù)據(jù)；(3)記錄5 s內(nèi)的電壓數(shù)據(jù)，調(diào)用電壓波動子程序，求得電壓波動并解調(diào)出電壓中的調(diào)幅波波形；(4)記錄降采樣后的10 min電壓數(shù)據(jù)，調(diào)用電壓閃變子程序，求得瞬時閃變視感度S(t)曲線，并求得短時間閃變值Pst；(5)實時分析每次采集到的電壓數(shù)據(jù)，調(diào)用電壓暫降程序，檢測信號突變點；(6)顯示所有參數(shù)檢測結(jié)果，并與檢測人員進行交互。

3 電能質(zhì)量檢測試驗驗證

為驗證該裝置的可靠性和測量準確度，本文設(shè)計了驗證試驗，使用本裝置對低電能質(zhì)量進行測試分析的同時，使用奧地利德維創(chuàng)公司的電能質(zhì)量設(shè)備同步采集，以驗證本裝置的可行性和測量精度。由于奧地利德維創(chuàng)公司是世界知名的電能質(zhì)量采集設(shè)備公司，其設(shè)備和軟件具有極高的精度，因此本試驗將其測量結(jié)果作為近似真值，進行對比分析。

截取時間為1秒的時間段，同時分別采用德維創(chuàng)系統(tǒng)和本裝置就電壓有效值、頻率、諧波等幾項指標(biāo)進行測試，結(jié)果見表1～表4所示。

由對比數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：電壓有效值相對誤差小于0.05%；頻率絕對誤差小于0.001 Hz，相對誤差約為0.001%；諧波相對誤差小于0.4%；總諧波畸變和奇次諧波畸變，相對誤差不超過3%，然而對偶次諧波畸變的測量相對誤差較大，考慮到系統(tǒng)中諧波分量主要為奇次諧波分量，偶次諧波含量非常少，占比應(yīng)在0.5%以下，測量精度要求不高，此裝置結(jié)果尚可接受，滿足設(shè)計要求。

表1 電壓有效值測量結(jié)果對比

表2 頻率測量結(jié)果對比

表3 諧波測量結(jié)果對比

表4 諧波畸變測量結(jié)果對比

4 結(jié)束語

風(fēng)電機組的電能質(zhì)量檢測裝置選用高性能的測量儀器作為硬件平臺，采用LabVIEW和MATLAB聯(lián)合編程的方式完成了電能質(zhì)量的參數(shù)計算。

通過對風(fēng)電機組進行電能質(zhì)量測試驗證，證明該系統(tǒng)可以滿足標(biāo)準要求，為風(fēng)電機組的電能質(zhì)量測試提供了有效手段。

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[10] 劉琨.電壓暫降及其檢測算法仿真[D].天津：天津大學(xué),2011.

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A Novel Online Power Quality Measuring Device

Zhuang Jun, Chen Susheng

(Shanghai Quality Supervision and Inspection Technology Reserch Institute, Shanghai 200072, China)

Based on computing methods of power quality parameters specified in international standards, this article designs an online device for measuring power quality of wind power generation sets under consideration of the characteristics of wind power quality, so as to help wind power enterprises and users in their inspection of wind power equipment and guarantee the power quality of wind power generator set. Finally, comparison between the measurement result and that of foreign high-precision instruments proves that the result is good.

wind power；power quality；online inspection；voltage；frequency；harmonic

本課題為上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局資助項目，項目名稱：動態(tài)電網(wǎng)環(huán)境下分布式電源產(chǎn)品并網(wǎng)性能測試研究，項目編號：2016-46

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.035

TM614

A

1000-3886(2017)01-0116-03

莊駿(1983-)，男，上海人，工程師，碩士，主要從事風(fēng)電機組檢測技術(shù)研究。 陳蘇聲(1984-)，男，上海人，工程師，碩士，主要從事風(fēng)電光伏檢測技術(shù)研究。

定稿日期: 2016-09-02