智能微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)研究*

劉　丹，王根平*，王雅慧（.湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 405；.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 深圳 58055；.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 4008）

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智能微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)研究*

劉丹1，王根平2*，王雅慧3
（1.湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 深圳 518055；3.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

摘 要：通過(guò)對(duì)微網(wǎng)內(nèi)各分布式電源電信號(hào)進(jìn)行采樣檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)小波變換后提取電能質(zhì)量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)分布式電源電能的質(zhì)量監(jiān)控.利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，搭建實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地將電能質(zhì)量信息輸送到控制中心或相關(guān)責(zé)任人，控制中心和相關(guān)責(zé)任人通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量參數(shù)，出現(xiàn)異常時(shí)可迅速作出反應(yīng)，使得相關(guān)電能質(zhì)量參數(shù)控制在合符要求的范圍內(nèi).

關(guān)鍵詞：智能微網(wǎng)；電信號(hào)采樣檢測(cè)；小波變換；電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

1　智能微網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題研究現(xiàn)狀

1.1電網(wǎng)電能的質(zhì)量分析研究

電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，已成為電力系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一.一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種精密復(fù)雜用電設(shè)備的廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備很大一部分對(duì)電能質(zhì)量非常敏感；另一方面，電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和用電需求的快速增加，導(dǎo)致電能質(zhì)量變的非常不穩(wěn)定.對(duì)電能質(zhì)量分析的主要目的是確定電能信號(hào)擾動(dòng)的類型和范圍，并對(duì)相應(yīng)的擾動(dòng)源進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)和補(bǔ)償.因此，改善和提高電能質(zhì)量的關(guān)鍵在于及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取各種擾動(dòng)信號(hào)源的信息.而對(duì)電能信號(hào)質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、壓縮、儲(chǔ)存、傳遞、檢測(cè)及識(shí)別是獲取各種擾動(dòng)信號(hào)信息的手段和前提.在電能質(zhì)量分析研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)主要包括對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)的采樣方法、電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)和定位、信號(hào)數(shù)據(jù)的壓縮、電能質(zhì)量信號(hào)擾動(dòng)的識(shí)別、信號(hào)擾動(dòng)參數(shù)的估計(jì).此外，電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)噪聲的濾波、暫態(tài)擾動(dòng)信號(hào)建模和分析也是電能質(zhì)量研究的熱點(diǎn)議題[1，2].

1.2智能微網(wǎng)面臨的電能質(zhì)量問(wèn)題

智能微網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要發(fā)展方向.智能微網(wǎng)的一個(gè)重要特征是，它能為各種分布式新能源，如太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等提供接入接口，并將這些新能源電能直接提供給各種電力用戶.由于新能源發(fā)電受各種自然條件因素影響，各分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)都存在一定的間歇性和波動(dòng)性，這勢(shì)必會(huì)嚴(yán)重影響其所供應(yīng)的電能質(zhì)量，這些都是智能電網(wǎng)在電能質(zhì)量方面面臨的特殊性問(wèn)題.另外，在智能微網(wǎng)內(nèi)，各種不同的電力用戶基本上和發(fā)電系統(tǒng)位于同一區(qū)域，即發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能幾乎直接輸給各種不同的用戶.這樣，電能質(zhì)量如不能得到及時(shí)和有效的處理，勢(shì)必會(huì)對(duì)用戶的生產(chǎn)和設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重的干擾和沖擊.

鑒于智能微網(wǎng)干擾源的特殊，以及用戶與發(fā)電系統(tǒng)處于同一區(qū)域的特殊情況，構(gòu)建高效實(shí)時(shí)的智能微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)是保證智能微網(wǎng)正常工作必不可少的工作，也成為電能質(zhì)量研究領(lǐng)域越來(lái)越重要的.

2　智能微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

智能微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建，主要從3方面考慮：（1）電能質(zhì)量分析方法的選取分析；（2）采用小波變換對(duì)電能質(zhì)量分析處理的過(guò)程；（3）電能質(zhì)量監(jiān)控平臺(tái)的構(gòu)建.

2.1電能質(zhì)量分析方法的選取

對(duì)于電能質(zhì)量分析，當(dāng)然要能判斷出電能質(zhì)量的干擾類型、發(fā)生的時(shí)間和強(qiáng)度等.常用的電能質(zhì)量分析方法是對(duì)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行特征量提取，通過(guò)特征量來(lái)反應(yīng)電能質(zhì)量[3].一般電信號(hào)的特征量提取分析主要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

1）擾動(dòng)存在的判斷.通過(guò)信號(hào)檢測(cè)和相應(yīng)的分析，提取的信號(hào)特征量能反應(yīng)擾動(dòng)信號(hào)的奇異性（信號(hào)的奇異性指的是在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)電信號(hào)存在間斷或某階導(dǎo)數(shù)存在不連續(xù)性）.

2）電力信號(hào)噪聲的消除.智能微網(wǎng)內(nèi)存在各種分布式電源，也包含各種電力用戶，多種隨機(jī)干擾必能參雜在樣信號(hào)中.在電力信號(hào)特征量提取時(shí)，必須消除噪聲對(duì)電力信號(hào)擾動(dòng)奇異性的影響.

3）電擾動(dòng)類型判斷.通過(guò)對(duì)電信號(hào)的采樣和分析，可以通過(guò)特征量來(lái)直接、反應(yīng)電信號(hào)擾動(dòng)的類型，使得系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的判斷準(zhǔn)確無(wú)誤；

在考慮滿足上述3點(diǎn)要求的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)常用的信號(hào)分析方法及數(shù)學(xué)工具的對(duì)比分析找到合適的處理方法.常用的電力信號(hào)處理方法有傅里葉變換、d-q變換法、數(shù)字信號(hào)濾波、小波變換等[4].傅里葉變換比較適合于平穩(wěn)信號(hào)的分析，而對(duì)于短暫的擾動(dòng)信號(hào)分析，具有明顯的不足.d-q變換法和數(shù)字信號(hào)濾波在簡(jiǎn)化運(yùn)算方面有其優(yōu)越性，但對(duì)于短暫擾動(dòng)信號(hào)的奇異性分析也并不太適用.小波變換由于對(duì)局部信號(hào)的放大分析處理能力，具備優(yōu)越的時(shí)域和頻域局部化特性，可以對(duì)電能信號(hào)發(fā)生擾動(dòng)的時(shí)刻，擾動(dòng)信號(hào)的幅度以及擾動(dòng)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行有效的分析提取.因此，我們選用小波變換應(yīng)作為一種主要信號(hào)分析工具，用于智能微網(wǎng)的電能質(zhì)量特征參數(shù)的在線分析提取.

2.2電能質(zhì)量分析的小波變換處理

在對(duì)所采樣的電力信號(hào)進(jìn)行小波變換處理前，先要選擇小波基.選擇平滑函作為一個(gè)基，以使得該函數(shù)與所采樣的電力信號(hào)進(jìn)行卷積結(jié)果平滑化，分別對(duì)該函數(shù)進(jìn)行一次求導(dǎo)和二次求導(dǎo)，所得到的導(dǎo)函數(shù)和原函數(shù)可以構(gòu)成我們小波變化的變換基：

假設(shè)我們所采樣的電力信號(hào)為f(t)，則該電力信號(hào)分別與小波基進(jìn)行卷積運(yùn)算（即小波變換運(yùn)算）：

設(shè)f(t)為一帶有突變的電力擾動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)小波計(jì)算并將結(jié)果繪圖，可見(jiàn)小波變換可以將擾動(dòng)信號(hào)的起始時(shí)間、擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間、擾動(dòng)幅度等信息充分地挖掘出來(lái)，如圖1所示.

從圖1可以看出，電力信號(hào)的突變點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)W(1)f(t)的極大值點(diǎn)和W(2)f(t)的過(guò)零點(diǎn)，因而可以很容易找到該擾動(dòng)變換的起始點(diǎn)、持續(xù)時(shí)間及其幅度值.有了這些檢測(cè)值，便能提取出擾動(dòng)信號(hào)的特征值.在獲得擾動(dòng)信號(hào)特征量的基礎(chǔ)上，可以判斷出擾動(dòng)的類型、幅度和時(shí)間頻率等特性，并能據(jù)此推斷出干擾源的類型和存在的位置.

2.3智能微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建

智能微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建，最核心的工作是要解決擾動(dòng)信號(hào)的計(jì)算分析問(wèn)題，以獲取擾動(dòng)信號(hào)的類型及干擾源的位置；其次就是要利用現(xiàn)代通信技術(shù)將相關(guān)信號(hào)計(jì)算分析的結(jié)果反饋到控制中心，由控制中心去控制干擾源的改善或通過(guò)通知相關(guān)責(zé)任人迅速采取應(yīng)對(duì)措施.因而，在構(gòu)建監(jiān)控平臺(tái)之前，先要設(shè)計(jì)完成信號(hào)采樣及小波信號(hào)處理的分布式電源檢測(cè)裝置.該裝置可以采樣各分布式電源的電壓和電流的擾動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的小波變換，在線提取獲得該分布式發(fā)電電源電力信號(hào)擾動(dòng)的特征量，進(jìn)而判斷其發(fā)電質(zhì)量，并給出干擾源的信息.同時(shí)該裝置也可接受控制中心的指令，對(duì)分布式發(fā)電電源進(jìn)行調(diào)節(jié).裝置的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示.

將分布式電源檢測(cè)裝置安裝于每個(gè)分布式電源供電輸出口，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)分布式電源的電能信號(hào)采樣以及電能質(zhì)量分析工作，相關(guān)結(jié)果可以通過(guò)裝置的通信口傳輸?shù)娇刂浦行模拥娇刂浦行牡闹噶詈螅部蓪?duì)分布式電源進(jìn)行調(diào)節(jié).由分布式電源檢測(cè)裝置及控制中心等組成的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)示意圖如圖3所示.

圖3中，控制中心通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)保持與分布式電源檢測(cè)裝置的通信，獲取各分布式電源的質(zhì)量參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)對(duì)分布式電源進(jìn)行控制.同時(shí)控制中心可以通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)信息發(fā)送到相關(guān)責(zé)任人的手機(jī)上，使得智能微網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題可以得到及時(shí)處理.

圖1　電力擾動(dòng)信號(hào)突變點(diǎn)及幅度值的檢測(cè)

圖2　具備采樣及信號(hào)分析功能的分布式電源檢測(cè)裝置示意圖

圖3　智能微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)示意圖

這種智能微網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)每一個(gè)分布式電源的電能質(zhì)量檢測(cè)和控制，可以保證微網(wǎng)內(nèi)的電能質(zhì)量滿足相關(guān)規(guī)定，避免因電能質(zhì)量問(wèn)題給電力用戶帶來(lái)的困擾.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 馮寧，唐秩.電能質(zhì)量分析與參數(shù)估計(jì)的研究方法綜述［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010，22（3）：78-82.

［2］ 陳景霞，劉琨，肖琳.電能質(zhì)量分析概述［J］.信息通信，2015，2（3）：17-18.

［3］ 肖湘寧，徐永海.電能質(zhì)量問(wèn)題剖析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2OO1，25（3）：66-69.

［4］ 王根平，王雅慧.微網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題分析及調(diào)節(jié)［J］.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，13（3）：3-5.

*項(xiàng)目來(lái)源：深圳市科技研發(fā)資金資助項(xiàng)目（JCYJ20140508155916430）

The Monitoring System of Electricity Quality of Intelligent Power Micro-Grid

LIU Dan1, WANG Genping2, WANG Yahui3
（1. School of Electrical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan, Hunan 411105, China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China；3. School of Electrical Engineering and Automation, Hunan University, Changsha, Hunan 410082,China）

Abstract:The electricity quality of the distributed power source in the micro-grid can be measured online with its electricity signal samples transformed with wavelet transform. A monitoring system was established by using modern communication technologies so that electricity quality information can be sent to the control center, where relevant personnel will take prompt actions accordingly. Thus the system can effectively guarantee the power quality of micro-grid.

Key words:smart micro-grid; electricity signal sampling; wavelet transform; monitoring system of electricity quality

*通訊作者：王根平（1966-），男，江西南昌人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向：新能源技術(shù)、自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù).

作者簡(jiǎn)介：劉丹（1989-），男，湖南瀏陽(yáng)人，碩士，研究方向：智能控制技術(shù)及應(yīng)用.

收稿日期：2016-01-16

DOI:10.13899/j.cnki.szptxb.2016.03.003

中圖分類號(hào)：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-0318（2016）03-0016-03