基于無線傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)設計

周 杰，孫 瑞，孫瑞東，孫 瑜

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟技術研究院，南京 210008；2. 咸陽職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712000；3.國網(wǎng)寧夏電力公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753009； 4. 國網(wǎng)陜西電力公司西安供電公司，西安 710048)

基于無線傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)設計

周 杰1，孫 瑞2，孫瑞東3，孫 瑜4

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟技術研究院，南京 210008；2. 咸陽職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712000；3.國網(wǎng)寧夏電力公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753009； 4. 國網(wǎng)陜西電力公司西安供電公司，西安 710048)

對基于無線傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)進行分析研究，給出了系統(tǒng)的整體功能框圖，設計了配變電監(jiān)控主站操作平臺。通過仿真比較分析了信號去噪算法和諧波檢測算法，選取最適合本系統(tǒng)的算法。通過試驗驗證了基于無線傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)設計的正確性和可實現(xiàn)性。

電能質(zhì)量；無線傳輸；信號去噪；諧波檢測

電能質(zhì)量實時監(jiān)控設備對評估電能質(zhì)量的優(yōu)劣程度，對實時分析和反映電網(wǎng)的運行有著重要的作用[1-2]。本文使用智能電能表作為電能質(zhì)量監(jiān)控設備的數(shù)據(jù)采集儀器，下位機和上位機通過使用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進行數(shù)據(jù)之間的傳遞，將測量采集得到的數(shù)據(jù)通過監(jiān)控界面來實時顯示，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、調(diào)用以及打印操作。

1 系統(tǒng)總體方案設計

基于無線傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總體設計方案框圖如圖1所示。

圖1給出了基于無線傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的基本設計結(jié)構(gòu)框圖，遠距離監(jiān)測點的數(shù)據(jù)通過配電監(jiān)測終端采集數(shù)據(jù)，利用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控主站。監(jiān)控主站對采集的數(shù)據(jù)進行處理和評估。近距離監(jiān)測點直接通過電纜線傳輸所需數(shù)據(jù)，無需借助無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，為有線監(jiān)測。無線傳輸模塊和工控機之間需要接口轉(zhuǎn)換電路，使數(shù)據(jù)順利傳輸。UPS為系統(tǒng)在正常工作時突然停電的備用電源。

2 基于無線傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)論證

2.1 信號去噪算法論證

由于采集到的信號常有噪聲混入，如果不進行有效去除噪聲，信號分析時會出現(xiàn)不同程度的誤差，采用小波去噪算法對采集到的信號做去噪處理[3]。電網(wǎng)信號的基波頻率為50 Hz，而最常出現(xiàn)的諧波信號為3、5、7次諧波，選取含有常見的諧波的電網(wǎng)信號為例進行仿真分析。

2.1.1分解層數(shù)對去噪效果影響

圖1 電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的基本設計結(jié)構(gòu)框圖

小波函數(shù)選取sym6，閾值函數(shù)為軟閾值函數(shù)，當分解層數(shù)N=2,3,4,5時，去噪效果見圖2。

圖2 不同分解層數(shù)對去噪效果的影響

從圖2可以看出，當確定了小波函數(shù)和閾值函數(shù)，變化分解層數(shù)時，當分解層數(shù)太小時，去噪效果不明顯；當分解層數(shù)較大時，噪聲消除明顯，但是部分波形出現(xiàn)失真的現(xiàn)象。通過仿真，總結(jié)發(fā)現(xiàn)分解層數(shù)N=3時去噪效果較好。

2.1.2閾值函數(shù)對去噪效果的影響

當分解層數(shù)N=3，小波函數(shù)選取sym6，閾值函數(shù)值和閾值類型不同時，仿真情況見圖3。

圖3 不同閾值函數(shù)對去噪效果的影響

由圖3可以看出，當小波函數(shù)和分解層數(shù)的確定時，如閾值選取不當，噪聲消除效果不明顯，波形畸變嚴重。這種仿真情況下可以看到，相同的閾值下，軟閾值的消噪效果比硬閾值的消噪效果好得多。通過仿真分析得出，含有諧波信號進行去噪時要選取適當?shù)男〔ê瘮?shù)采用軟閾值進行三層分解，去噪效果最好。

2.2 諧波檢測算法論證

2.2.1FFT算法對平穩(wěn)信號檢測

電網(wǎng)輸出的信號中多含有為3、5、7次諧波，選取信號為例進行仿真，可以看到基波和諧波的幅值分別為1.00、0.20、0.10和0.05，一個周期采樣1024個點，諧波檢測仿真圖見圖4。

圖4 平穩(wěn)信號FFT仿真圖

由圖4可以看出，在不同頻率諧波下，F(xiàn)FT算法快速準確地得到信號中不同頻率的幅值，可知FFT對平穩(wěn)信號可以準確地進行信號檢測。

2.2.2小波變換檢測非平穩(wěn)信號

電網(wǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)電力設備開關合上或斷開的情況，電壓會瞬間發(fā)生變化，這就導致在時域中具有間斷點，但在一階微分的情況下存在突變不連續(xù)點的第二類間斷點。用以下信號為例進行小波變換，對信號檢測。

(1)

圖5為原始基頻信號和小波重構(gòu)信號，圖6為原始諧波信號和小波重構(gòu)后的波形圖。

圖5 基頻原始信號與小波重構(gòu)信號

圖6 原諧波信號與小波重構(gòu)信號

從圖5和圖6可得，小波變換對含有第二類間斷點的諧波信號可以精準地檢測出它的基頻信息和諧波信息，也可以分析到信號的突變點，小波變換對突變的不平穩(wěn)信號可以準確完成檢測。

3 實驗結(jié)果測試與分析

監(jiān)控主界面采集處理完成的數(shù)據(jù)如圖7所示，顯示了對數(shù)據(jù)接收和監(jiān)控的情況，包括高壓側(cè)和低壓側(cè)的詳細參數(shù)值。如圖8所示為高壓配電進線室監(jiān)控界面采集處理的數(shù)據(jù)，顯示了對數(shù)據(jù)接收和監(jiān)控的情況，包括電壓值、諧波情況、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、供電情況等[3]。

圖7 監(jiān)控主界面

圖8 高壓配電進線室監(jiān)控界面

如圖9是基于無線傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)對采集到數(shù)據(jù)進行的諧波分析圖。

圖9 諧波含量檢測圖

4 結(jié)語

對基于無線傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)相關理論進行了研究，通過仿真分析表明對含有諧波的信號進行分析要采用適當?shù)男〔ê瘮?shù)采用軟閾值進行三層分解完成信號去噪處理。采用快速傅立葉變換對平穩(wěn)信號進行快速準確檢測、采用小波變換對非平穩(wěn)信號進行檢測。最后通過實驗驗證得到基于無線傳輸電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)設計的正確性和可實現(xiàn)性，具有廣泛的應用價值。

[1] 李建.電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)分析與研究[D].廣州：華南理工大學, 2014.

[2]李棟.電能質(zhì)量遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)[D].鄭州：鄭州大學,2015.

[3]范榮強. Visual Basic程序設計基礎[M].北京：高等教育出版社, 2012.

DesignofPowerQualityMontoringSystermBasedOnWirelessTransmission

ZHOU Jie1, SUN Rui2, SUN Ruidong3, SUN Yu4

(1. Economic and Technological Research Institute, State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210008;2. Xianyang Vocational and Technical College, Xianyang 712000;3. Shizuishan Power Supply Company, State Grid Ningxia Electric Power Company, Shizuishan 753009;4. Xi ′an Electric Power Supply Company, Shaanxi Electric Power Company, Xi ′an 710048)

The power quality monitoring system based on wireless transmission is analyzed and studied. The whole function block diagram of the system is given. The operation platform of substation master station is designed. Through the simulation and comparison of the signal denoising algorithm and harmonic detection algorithm,it selects the most suitable algorithm for the system. The correctness and feasibility of the design of power quality monitoring system based on wireless transmission are verified by experiments.

power quality; wireless transmission; signal denoise; harmonic detection

10.11973/dlyny201705002

TM76

A

2095-1256(2017)05-0501-03

2017-08-16

(本文編輯：趙艷粉)