淺談微電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃朵+洪海濤+賀健偉

摘 要：微網(wǎng)電能質(zhì)量的好壞直接影響到用戶對(duì)微電網(wǎng)接受程度，影響著微網(wǎng)的推廣應(yīng)用。文章分析了微網(wǎng)電能質(zhì)量的影響因素，并根據(jù)微網(wǎng)各影響因素的特點(diǎn)提出微網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并以一個(gè)小型并網(wǎng)型微網(wǎng)為對(duì)象設(shè)計(jì)了微電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架、功能模塊和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；電能質(zhì)量；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TM769 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）31-0124-02

引言

微電網(wǎng)是一種微型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，它由分布電源、儲(chǔ)能裝置、控制轉(zhuǎn)換裝置和負(fù)荷組成。在電網(wǎng)中微網(wǎng)可以看成是大電網(wǎng)中的細(xì)胞，未來(lái)電網(wǎng)可能由無(wú)數(shù)個(gè)微網(wǎng)細(xì)胞構(gòu)成。微電網(wǎng)可與中壓配電網(wǎng)連接，也可以與低壓配電網(wǎng)連接。微電網(wǎng)的供電可靠性和電能質(zhì)量問(wèn)題是決定微電網(wǎng)推廣應(yīng)用的一個(gè)重要因素。隨著近年來(lái)各領(lǐng)域智能化水平逐漸提高，易受干擾的敏感性負(fù)荷逐漸增加，對(duì)微網(wǎng)電能質(zhì)量提出了更高的要求。微網(wǎng)電能質(zhì)量的影響主要包括：（1）微網(wǎng)中電子元件產(chǎn)生的諧波干擾及配網(wǎng)的諧波傳遞干擾。（2）微網(wǎng)中非線性負(fù)荷產(chǎn)生諧波。（3）微網(wǎng)的運(yùn)行和控制方式不符合要求。（4）微網(wǎng)中電源啟停及電源出力不均勻。（5）配網(wǎng)各種暫態(tài)變化及其他擾動(dòng)（如雷電侵入）。（6）微網(wǎng)中存在多個(gè)并網(wǎng)逆變器，各自參數(shù)不同，使得輸出電壓差異形成環(huán)流。（7）微網(wǎng)的儲(chǔ)能設(shè)備配置。而微網(wǎng)電能質(zhì)量的檢測(cè)、分析和控制相對(duì)傳統(tǒng)大電網(wǎng)更加復(fù)雜和困難。為了更好地改善微網(wǎng)的電能質(zhì)量，讓微網(wǎng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用得到更好地推廣，通過(guò)電能質(zhì)量主動(dòng)控制策略和微電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電能質(zhì)量的綜合監(jiān)測(cè)和治理是目前廣泛認(rèn)可的手段。為此本文針對(duì)微網(wǎng)電能質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和研究。

1 微電網(wǎng)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

從上述微網(wǎng)電能質(zhì)量影響因素可以看出，其影響主要可以分為：內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要是非線性負(fù)載、內(nèi)部電子控制與轉(zhuǎn)換裝置、微電源、微網(wǎng)控制策略、儲(chǔ)能裝置配置情況及微網(wǎng)內(nèi)部故障等因素。外部因素主要是配網(wǎng)諧波傳遞干擾、配網(wǎng)故障暫態(tài)變化及配網(wǎng)雷電侵入等因素。為了實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)和綜合控制，需要同時(shí)考慮上述內(nèi)部和外部因素。

根據(jù)上述因素，監(jiān)測(cè)微網(wǎng)電能質(zhì)量需要設(shè)置各種電能質(zhì)量檢測(cè)模塊，以達(dá)到電能質(zhì)量擾動(dòng)因素和擾動(dòng)類型的自動(dòng)識(shí)別與分析。將這些模塊其集成到微網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)。

以一個(gè)包含5kW風(fēng)電和30kW光伏和500Ah鉛酸蓄電池組的并網(wǎng)型微電網(wǎng)為對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能包含電能質(zhì)量檢測(cè)與識(shí)別、干擾源定位和綜合評(píng)估三個(gè)部分。檢測(cè)與識(shí)別主要是對(duì)擬采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的微電網(wǎng)的電能質(zhì)量的擾動(dòng)因素進(jìn)行自動(dòng)快速的檢測(cè)和識(shí)別。在設(shè)計(jì)中既要考慮動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)也要考慮穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)。本次設(shè)計(jì)通過(guò)S變換原理對(duì)微電網(wǎng)的電能質(zhì)量擾動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)進(jìn)行識(shí)別。干擾源的定位主要是將檢測(cè)和識(shí)別到的干擾源進(jìn)行定位。本文設(shè)計(jì)的主要包括諧波源定位和電壓暫降源的定位。諧波源定位可以采用靈敏度法來(lái)實(shí)現(xiàn)，而電壓暫降源定位可以通過(guò)基于SVM分類算法或基于三點(diǎn)法來(lái)實(shí)現(xiàn)。綜合評(píng)估是通過(guò)電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建微電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合評(píng)估體系，體系中包含電壓偏差、諧波、電壓驟升與驟降、暫態(tài)振蕩等指標(biāo)，通過(guò)與這些指標(biāo)的對(duì)比分析來(lái)進(jìn)綜合評(píng)估。文獻(xiàn)[6]中提出一種基于熵權(quán)的模糊電能質(zhì)量綜合評(píng)估適合本次設(shè)計(jì)。

2 微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容及思路在本文中第1點(diǎn)已經(jīng)討論。依照微電網(wǎng)模型進(jìn)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)需要考慮如下問(wèn)題：（1）采用何種軟件開發(fā)。（2）如何采集電壓、電流信號(hào)，采集對(duì)象是微電網(wǎng)中哪些部分。（3）數(shù)據(jù)分析的方法和數(shù)據(jù)分析的內(nèi)容。（4）如何實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。

在本文中擬采用LabVIEW進(jìn)行微電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)。

通過(guò)電壓傳感器和電流傳感器采集微電網(wǎng)交流母線、光伏逆變器輸出、風(fēng)機(jī)控制器輸出及并網(wǎng)連接點(diǎn)的電壓和電流信號(hào)。

將采集到的電壓和電流信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換之后送入通過(guò)LabVIEW編寫的檢測(cè)、識(shí)別、定位和評(píng)估模塊進(jìn)行運(yùn)算與分析。然后通過(guò)基于LabVIEW的圖形用戶界面將相關(guān)信息動(dòng)態(tài)顯示在監(jiān)控畫面中，用戶即可通過(guò)監(jiān)控屏查看微電網(wǎng)的電能質(zhì)量狀態(tài)。

其總體框架圖可以設(shè)計(jì)為如圖1所示：

3 微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊

在本次設(shè)計(jì)中電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊主要包括以下幾個(gè)部分：（1）數(shù)據(jù)采集：指的是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，采集的數(shù)據(jù)主要包括：穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過(guò)程中的電壓、電流以及頻率等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型包含模擬量和數(shù)字量。（2）數(shù)據(jù)通信模塊：包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)與監(jiān)測(cè)終端之間的通信通過(guò)TCP/IP協(xié)議和光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)和監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)與WEB服務(wù)器之間通信（在需要通過(guò)WEB網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)設(shè)置），通過(guò)TCP/IP協(xié)議和光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。（3）軟件實(shí)時(shí)分析模塊，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件計(jì)算和分析，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)、電能質(zhì)量擾動(dòng)識(shí)別、電能質(zhì)量擾動(dòng)定位和電能質(zhì)量綜合評(píng)估。（4）參數(shù)設(shè)置模塊：包括電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置、評(píng)估指標(biāo)的修改和選擇以及報(bào)表和波形圖的存儲(chǔ)路徑的選擇等。（5）數(shù)據(jù)查詢模塊：包括電能質(zhì)量擾動(dòng)事件歷史記錄的查詢、波形數(shù)據(jù)的查詢以及終端歷史狀態(tài)的查詢。（6）數(shù)據(jù)顯示模塊：包括電能質(zhì)量擾動(dòng)信息的實(shí)時(shí)顯示和告警、電能質(zhì)量擾動(dòng)識(shí)別結(jié)果的顯示、電能質(zhì)量綜合評(píng)估信息的顯示、實(shí)時(shí)波形的顯示以及監(jiān)控終端實(shí)時(shí)狀態(tài)的顯示（在線、故障、離線等）。（7）權(quán)限管理模塊：實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全管理，一般設(shè)置管理員權(quán)限、維護(hù)人員權(quán)限和運(yùn)行人員權(quán)限。

4 微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述總體架構(gòu)和功能模塊的設(shè)計(jì)，依照微電網(wǎng)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

微電網(wǎng)一般是用戶管理，所以在電能質(zhì)量監(jiān)控方面通常強(qiáng)調(diào)友好性和易操作性。而以LabVIEW進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)能夠很好地實(shí)現(xiàn)可視化的圖形編程語(yǔ)言和平臺(tái)，以在監(jiān)控主機(jī)上建立圖形化的軟件面板，通過(guò)豐富的軟件面板的設(shè)計(jì)，可以使得監(jiān)控系統(tǒng)的界面更加友好，且界面內(nèi)容更加豐富。

在本文中電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)涉及的模塊和監(jiān)測(cè)要求，均可以通過(guò)LabVIEW編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以LabVIEW進(jìn)行微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足微電網(wǎng)的要求。

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