基于ZigBee的分布式能源諧波電流監(jiān)測系統(tǒng)

李 瑤，徐 雁,肖 霞，王保帥

(強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074)

基于ZigBee的分布式能源諧波電流監(jiān)測系統(tǒng)

李 瑤，徐 雁,肖 霞，王保帥

(強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074)

分布式能源發(fā)電及并入傳統(tǒng)電網(wǎng)的過程中，大量電力電子設(shè)備的應(yīng)用會產(chǎn)生諧波，影響電力系統(tǒng)供能質(zhì)量，為此設(shè)計了一種諧波在線監(jiān)測系統(tǒng)。采用自行研制的基于羅氏線圈原理的諧波電流傳感器，結(jié)合A/D及快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)算法可準(zhǔn)確獲取各次諧波電流幅值，然后通過ZigBee無線組網(wǎng)實現(xiàn)多節(jié)點諧波電流的實時監(jiān)控與顯示。諧波電流采集模塊和ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊試驗結(jié)果驗證了該監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可實現(xiàn)多點諧波電流的無線監(jiān)控與顯示，適于分布式能源發(fā)電系統(tǒng)等應(yīng)用場合。

ZigBee；諧波電流；組網(wǎng)；電流傳感器；監(jiān)測

0 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)中，能量可在電能、化學(xué)能、熱能等多種形式間相互轉(zhuǎn)化，而能量流與信息流的實時流動依賴于開放式信息網(wǎng)絡(luò)。近幾年，隨著可再生能源的發(fā)展應(yīng)用，多種能源供應(yīng)已漸成現(xiàn)實。按照國家可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃，預(yù)計到2020年，我國可再生能源發(fā)電(含水電)并網(wǎng)容量可達到7.2億 kW，并網(wǎng)容量比重可達到36%，上網(wǎng)電量比重可達到27%[1]。

分布式新能源發(fā)電本身具有隨機性、間歇性和波動性，換流及并入電網(wǎng)的過程中依賴于大量的電力電子設(shè)備，產(chǎn)生復(fù)雜多變的諧波，影響傳統(tǒng)電網(wǎng)供能質(zhì)量及系統(tǒng)安全。利用開放式信息網(wǎng)絡(luò)對分布式可再生能源系統(tǒng)進行諧波電流監(jiān)測，及時采取諧波治理措施，具有重要的實際應(yīng)用意義[2-7]。

考慮分布式能源諧波電流監(jiān)測的要求[8]，本文設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的諧波電流在線監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)諧波電流的測量要求，自行研制了空心線圈作為諧波電流傳感器，通過A/D轉(zhuǎn)換及基于三譜線插值快速傅里葉變換(fast fourier transform，F(xiàn)FT)的電力諧波分析算法獲取各次諧波電流幅值，最終通過無線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至主站實現(xiàn)實時監(jiān)控。該監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)分布式能源發(fā)電多點諧波電流的無線監(jiān)控與顯示，適于分布式能源發(fā)電系統(tǒng)等其他應(yīng)用場合，相對傳統(tǒng)電能監(jiān)測系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。

1 分布式諧波電流監(jiān)測系統(tǒng)組成

分布式能源發(fā)電系統(tǒng)多處于人煙稀少地帶，具有分散、多節(jié)點、占地面積大等特點，諧波電流傳感器也因此分散分布，例如光伏發(fā)電場，每10 kW的光伏發(fā)電功率占地約100 m2。本文擬設(shè)計可覆蓋20 MW光伏電站(占地面積0.2 km2)，諧波電流不大于100 A，電流頻率范圍0.05～10 kHz的分布式監(jiān)測系統(tǒng)。因此，頻帶寬、體積小、成本低的諧波電流傳感器以及可接入節(jié)點多、距離合適、傳輸速率適中、布置簡單的無線傳輸方式適用于本系統(tǒng)。

圖1 諧波電流監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of harmonic current monitoring system

1.1 諧波電流傳感器

電流傳感器作為信息流的起始點，承擔(dān)著信息采集的任務(wù)，是影響監(jiān)測系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。按傳感原理不同，常用的電流傳感器可分為鐵芯線圈、空心線圈、霍爾電流傳感器以及光學(xué)電流傳感器。

在分布式測量中，空心線圈具有廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)鐵芯式電流互感器相比，能夠測量數(shù)Hz至數(shù)MHz的電流信號，尤其是不含鐵芯，無鐵芯飽和現(xiàn)象，測量范圍寬，對于含有直流量的分布式諧波電流監(jiān)測極為有利；與霍爾電流傳感器及光學(xué)電流傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、維護較簡單等優(yōu)點，能夠適應(yīng)監(jiān)測環(huán)境變化，便于分布式系統(tǒng)中的大規(guī)模化使用。

1.2 無線通信方式

無線通信技術(shù)不但使得電子設(shè)備擺脫了通訊線纜的束縛，同時使得電子設(shè)備擁有了低能耗，組網(wǎng)靈活等特點，當(dāng)前常用的無線通訊技術(shù)主要有：WiFi、藍牙、ZigBee、通用分組無線服務(wù)技術(shù)(general packet radio service，GPRS)等。表1簡要對比了4種無線通信技術(shù)的各項指標(biāo)。

表1 無線通信技術(shù)對比Table 1 Comparison of wireless communication technology

與WiFi和藍牙相比，ZigBee支持的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)多，可接入節(jié)點容量大，組網(wǎng)靈活，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的傳輸距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的80 m擴展到數(shù)km，適于分布式發(fā)電中的多節(jié)點監(jiān)測；與GPRS相比，具有使用方便、不依賴于基站的特點。此外，ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可與現(xiàn)有的其他通信網(wǎng)絡(luò)進行通信，具有雙向傳輸、靈活性高的特性，在各領(lǐng)域中逐步得到應(yīng)用[9-11]?？紤]到實際監(jiān)測環(huán)境，選擇ZigBee技術(shù)作為本系統(tǒng)無線通信方式。

1.3 系統(tǒng)組成

基于ZigBee技術(shù)的諧波電流監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)主要由諧波電流采集模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和主站這3部分組成。對于本監(jiān)測系統(tǒng)，最終目的是將各監(jiān)測節(jié)點的諧波幅值上傳至主站，由主站對各監(jiān)測點的諧波量進行監(jiān)視，并根據(jù)結(jié)果對諧波電流實施控制。

圖1中的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個無線網(wǎng)絡(luò)的信息集中器，ZigBee終端節(jié)點分布于能源系統(tǒng)的發(fā)電端、變流部分及并網(wǎng)處等諧波監(jiān)測處，采集的電流數(shù)據(jù)經(jīng)信號處理、A/D轉(zhuǎn)換以及諧波計算后，發(fā)送至主站顯示；同時，對于當(dāng)傳輸距離較大的節(jié)點，在合適位置冗余安裝1組ZigBee路由器，可提高傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2 分布式諧波電流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電流采集模塊

空心線圈是1個均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈，設(shè)i(t)為一次側(cè)被測電流。由電磁感應(yīng)原理，輸出電壓與一次電流存在微分關(guān)系，即

(1)

式中：總磁鏈ψ=NΦ=NBS，N為空心線圈的總匝數(shù)，S為空心線圈橫截面積；M是空心線圈與載流導(dǎo)體之間的互感系數(shù),是僅與空心線圈結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)；μ0=4π·10-7H/m為真空磁導(dǎo)率。

通過對空心線圈輸出電壓信號進行積分還原可得到一次側(cè)被測電流為

(2)

由式(1)，空心線圈所交鏈的磁鏈僅與線圈所包圍區(qū)間流過的電流存在線性關(guān)系，與一次側(cè)無電接觸，頻帶寬，不存在磁飽和問題。

作者自行設(shè)計制作了1個額定電流In=100 A，靈敏度為16 mV/A的0.5級空心線圈作為諧波電流傳感器，設(shè)計頻帶0.005～30 kHz。

使用低功耗型單片機MSP430F449及其自帶A/D對諧波電流傳感器輸出信號進行采集，電力系統(tǒng)中對諧波參數(shù)的檢測和分析大多采用FFT及其改進算法，本文采用基于三譜線插值FFT 的電力諧波分析算法獲取各次諧波電流幅值[12]，可滿足電力系統(tǒng)諧波測量誤差的要求。

2.2 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

結(jié)合諧波監(jiān)測系統(tǒng)特點，綜合考慮各項指標(biāo)，本文選用增強型DTK-1605 ZigBee模塊作為無線組網(wǎng)設(shè)備，工作環(huán)境溫度-40～85 ℃，理論傳輸距離1 600 m。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有星形,簇狀型和網(wǎng)狀型(Mesh)這3種組網(wǎng)方式，其中，Mesh型非常適用于點到點的遠距離應(yīng)用，是1種可自由設(shè)計的拓撲，具有較強環(huán)境適應(yīng)能力，本文設(shè)計的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，任一終端節(jié)點與路由節(jié)點距離不超過2個節(jié)點間的最大傳輸距離。

圖2 Mesh型組網(wǎng)方式Fig.2 Mesh networking

若假設(shè)x=200 m，y=300 m，當(dāng)接入節(jié)點：N=4時，S=0.09 km2；N=9時，S=0.2 km2；N=18時，S=0.4 km2；N=36時，S=0.8 km2；……。

因此，設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有覆蓋范圍大且可靈活擴展的優(yōu)點，當(dāng)某一路由器工作異常時，終端節(jié)點可自動尋找最優(yōu)路徑下的替代路由節(jié)點；需要消除微弱傳輸信號和死區(qū)現(xiàn)象時，可通過簡單的增加路由器節(jié)點實現(xiàn)，傳輸網(wǎng)絡(luò)使用和維護簡單方便。

設(shè)定協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點的參數(shù)一致后，ZigBee模塊將自動加入同一網(wǎng)絡(luò)，每個從節(jié)點會生成固定的短地址。設(shè)定終端節(jié)點傳輸模式為基于透明傳輸?shù)目煽總鬏?08)時可進行傳輸數(shù)據(jù)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及信號強度的測試。設(shè)定ZigBee各終端節(jié)點傳輸模式為透明傳輸(00)時，節(jié)點進入休眠狀態(tài)，等待協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送采集指令。主站通過協(xié)調(diào)器節(jié)點廣播發(fā)送含有指定終端節(jié)點短地址的指令，所有從節(jié)點將收到指令，若判斷為本機短地址，即開始數(shù)據(jù)采集及諧波分析，并將諧波分析結(jié)果回傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點及主站實時顯示。如圖3、4為ZigBee終端節(jié)點及協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程圖。路由節(jié)點上電后自動接收轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，充當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^點。

2.3 主站顯示及控制

主站中央處理器(central processing unit，CPU)通過無線網(wǎng)絡(luò)廣播發(fā)送指定節(jié)點的采集指令，終端節(jié)點的諧波采集數(shù)據(jù)經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)回傳至主站后，可實時監(jiān)測顯示各終端數(shù)據(jù)并實現(xiàn)相應(yīng)的控制。

3 試驗及分析

為了驗證電流傳感器性能以及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕M行了性能測試。

圖3 終端節(jié)點程序流程圖Fig.3 Program flow chart of terminal node

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程圖Fig.4 Program flow chart of coordinator node

3.1 諧波電流傳感器性能測試

3.1.1 工頻下的誤差測試

在實驗室進行諧波電流傳感器在工頻下的誤差測試[13]：由大電流發(fā)生器輸出頻率50 Hz，幅值變化為10%In～120%In的基波電流；一次側(cè)以額定電流100 A的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器為基準(zhǔn)，其準(zhǔn)確度為0.05級；被測線圈及標(biāo)準(zhǔn)互感器輸出接入準(zhǔn)確度0.5%的校驗儀，得到測試結(jié)果如圖5。

圖5 工頻下的誤差測試Fig.5 Error test under power frequency

在測量范圍內(nèi)，該諧波電流傳感器的比差變化在±0.5%以內(nèi)，相差小于5′，兩者均滿足0.5級電流傳感器要求，且線性度好。

3.1.2 諧波下的誤差測試

在實驗室進行諧波電流傳感器在諧波下的誤差測試[14]：由頻率可調(diào)的諧波源輸出電流幅值為10 A，頻率變化50～650 Hz的單次諧波；一次側(cè)以Pearson101型寬頻電流傳感器為基準(zhǔn)，其靈敏度為10 mV/A，頻帶4 MHz，測量范圍內(nèi)比值誤差小于±1%，相差小于1°；被測線圈及Pearson線圈輸出接入帶寬200 MHz、采樣率2 G/s的示波器，得到測試結(jié)果如圖6，其中虛線為0.5級電流傳感器諧波測量準(zhǔn)確度限值。

圖6 諧波下的誤差測試Fig.6 Error test under harmonic wave

由圖6，該諧波電流傳感器滿足0.5級電流傳感器各次諧波測量比差及相差要求。

3.1.3 頻帶實驗

實驗原理同諧波下的誤差測試，被測線圈及Pearson線圈輸出接入示波器，得到諧波電流傳感器的頻帶測試結(jié)果如圖7。

圖7 諧波電流傳感器的頻帶測試Fig.7 Frequency band test of harmonic current sensor

由圖7可知，該諧波電流傳感器的-3 dB帶寬為30 kHz左右，滿足本分布式監(jiān)測系統(tǒng)中電流頻率范圍0.05～10 kHz的設(shè)計要求。

3.2 無線傳輸功能測試

為了對ZigBee通信模塊進行調(diào)試及測試，硬件設(shè)備主要包括：

1) 4個ZigBee無線通信模塊。

2) PC機3臺，波特率設(shè)置為38 400 bit/s。

3.2.1 組網(wǎng)測試

同時連接3個無線模塊并通過配置軟件設(shè)置參數(shù)，將三者組網(wǎng)。進行主節(jié)點對從節(jié)點廣播發(fā)送以及從對主點對點發(fā)送實驗。主節(jié)點廣播發(fā)送數(shù)據(jù)時，2個從節(jié)點均收到數(shù)據(jù)；其中一個從節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，僅主節(jié)點接收到數(shù)據(jù)。

3.2.2 無障礙傳輸測試

為測試實際環(huán)境中ZigBee模塊的點對點通信距離，選擇無明顯障礙物的某操場(240 m×190 m)，進行節(jié)點通信距離測試，主節(jié)點連續(xù)發(fā)送1 000個數(shù)據(jù)包，從節(jié)點位于不同位置接收數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如表2。

表2 無障礙傳輸測試結(jié)果Table 2 Accessibility test results

通過以上測試結(jié)果表明，ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的速率可達250 kb/s，在較開闊環(huán)境中能實時傳輸300 m范圍的數(shù)據(jù)，接收延遲時間<0.5 s，接收誤差較小，通信成功率在98%及以上。

3.2.3 有障礙傳輸測試

DTK-1605 ZigBee模塊的在可視、開闊、無干擾的環(huán)境下的最大理論傳輸距離為1 600 m。但是在實際環(huán)境中，節(jié)點之間存在外來電磁輻射等干擾，實際傳輸距離可能會受到較大影響。為模擬實際條件，主節(jié)點連續(xù)發(fā)送1 000個數(shù)據(jù)包，從節(jié)點擺放于存在墻面障礙的不同位置接收數(shù)據(jù)，測試如圖8所示。

圖8 有障礙傳輸測試Fig.8 Obstacle transmission test

測試結(jié)果如表3。測試中發(fā)現(xiàn)，在存在障礙的2點(如主節(jié)點及C點)之間增加適當(dāng)?shù)穆酚晒?jié)點(A、B節(jié)點)時通信成功率明顯提高。

表3 有障礙傳輸測試結(jié)果Table 3 Obstacle transmission test results

在障礙較多時，在ZigBee信號不易全面覆蓋的范圍內(nèi)，選擇最優(yōu)路徑安裝多個路由節(jié)點，能解決ZigBee傳輸丟包、誤差大的問題，達到增強節(jié)點傳輸距離、信號強度及繞開障礙物的目的,且增加的路由節(jié)點不會對整體系統(tǒng)實時傳輸性造成影響。

4 結(jié)論

(1) 基于空心線圈的諧波電流傳感器可滿足分布式能源系統(tǒng)諧波測量要求。

(2) 采用ZigBee的自組網(wǎng)無線傳輸，在節(jié)點間距離小于300 m的無障礙條件下，通信成功率可保證98%以上；存在少量障礙時，成功率仍為94%以上；存在多個較難繞行的障礙時，成功率較低。

(3) 通過選擇最優(yōu)路徑安裝路由節(jié)點可提高通信成功率，達到增強節(jié)點傳輸距離、信號強度及繞開障礙物的目的。

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DistributedEnergyHarmonicCurrentMonitoringSystemBasedonZigBee

LI Yao, XU Yan, XIAO Xia, WANG Baoshuai

(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China)

In the process of distributed energy power generation and integration into the traditional power grid, a large number of applications of power electronic equipment will produce harmonics, affecting the power system power supply quality; therefore this paper designs a harmonic online monitoring system. The amplitude of each harmonic current can be obtained by combining the A/D and FFT (fast Fourier transform) algorithm with the self-developed harmonic current sensor based on Rogowski coil principle. Then, the real-time monitoring and display of multi-node harmonic current are realized through ZigBee wireless network. The test results of harmonic current acquisition module and ZigBee data transmission module verify the feasibility of the monitoring system. Compared with the traditional monitoring system, this system can achieve the wireless monitoring and display of multi-point harmonic current, which is suitable for distributed energy generation system and other applications.

ZigBee; harmonic current; networking; current sensor; monitoring

TK 01; TM 93

A

2096-2185(2017)06-0066-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.011

李 瑤

李 瑤(1993—)，女，碩士研究生，從事諧波電流傳感器技術(shù)研究，342707210@qq.com；

徐 雁(1963—)，女，博士，副教授，研究方向為電子式互感器及新型測量儀器；

肖 霞(1976—)，女，博士，副教授，研究方向為電子式互感器；

王保帥(1994—)，男，碩士研究生，從事諧波電流算法研究。

2017-09-15

(編輯 蔣毅恒)