風電機組電能質量遠程在線監測系統設計

李恩旻

（湛江市供電局變電管理所，廣東 湛江524000）

0 引言

由于風資源的不穩定性及風力發電系統本身的特性，風力機易于產生具有變化的頻率和電壓的功率，并且風力機在運行時，功率波動容易對電網產生沖擊，直接影響電能質量[1-2]。國外長期高度重視電能質量，具有整體技術優勢。在電能質量監測裝置領域的開發技術層次較高，產品種類相對較多[3-4]。國內的大多數測量儀器仍然處于每個電能質量指標的特殊測量或不規則測量階段。系統通過遠程測控技術運行，可實現現場設備的數據實時采集、處理，并且能夠實現測試資源的共享[5]。基于以上原因，基于ARM與虛擬儀器開發技術，設計遠程電能質量在線監測系統。利用WiFi無線通信技術分別對信號無線通信網絡進行設計，結合動態域名解析技術，穩定連接遠程客戶端與現場服務器，實現電能質量的遠程動態監測。

1 監測系統硬件結構

設計框圖如圖1所示，在線監測系統主要包含：A/D采樣電路，三相電壓、電流互感器測量電路組成的電壓電流取樣模塊；雙口RAM電路、可編程控制器電路和嵌入式ARM9組成的中央單元控制器結構模塊；通訊接口及存儲顯示模塊。ARM9用于數據存貯及多種通訊方式處理等，數據存儲通過圖型漢字液晶顯示。與遠方管理中心交互數據，配置Internet網絡通訊技術，實現適時數據采集、在線處理、顯示和保存功能，對電能質量的暫態擾動進行監測和記錄。在搭建監測網絡無線通信技術的信號傳輸設計時，根據WiFi模塊選型時考量的因素，選用的模塊為一種透明傳輸的設備，可完成RS485串口信號與WiFi無線信號的轉換，從而實現雙向透明傳輸。選用WiFi模塊和無線路由器搭建無線通信網絡，在無線網絡測試中應用到了2個WiFi模塊，將模塊的工作模式設置成STA模式，網絡模式為Sever，在該模式下模塊會主動連接至無線路由器，等待和偵聽網絡消息，從而建立無線網絡通信通道。

圖1 電能質量遠程在線監測系統

2 監測系統軟件

軟件設計包括PC機應用軟件和ARM控制器程序。控制器程序設置參數，實現數據通信處理、采集存儲等功能，上位機軟件基于虛擬儀器LabVIEW，進一步處理數據，實現實時數據顯示、監測，還可以進一步完成報表打印、數據歷史查詢等功能。由于LabVIEW本身與數據庫連接的接口不能直接實現，訪問數據庫的方法，可利用NI公司的附加工具包SQL Toolkit進行。還可以利用Microsoft的DAO功能訪問、ActiveX控件訪問等方法。本文將復雜的底層ADO及SQL操作封裝成子VI，為了方便使用者直接調用，采用LabVIEW用戶開發的數據庫訪問工具包LabSQL實現與數據庫的通信。程序調用子VI，數據庫訪問的邏輯流程如圖2所示。

圖2 LabVIEW調用子VI訪問數據庫流程圖

在進行WiFi通信程序設時，需要進行串口通信協議與網絡通信協議的轉換，虛擬串口軟件將TCP/IP連接映射。利用虛擬串口，通過間接訪問，應用程序實現系統遠程數據傳輸、控制等功能。設置遠程端口和遠程通信地址參數，建立TCP/IP連接，并在遠程客戶端輸入這兩個參數，便可成功與客戶端計算機建立連接。LabVIEW中提供了相應的TCP協議，基于TCP的網絡通信在LabVIEW中是采用服務器和客戶端的方式進行的。TCP通信的程序框圖如圖3所示，分別為本地服務器程序框圖和遠程客戶端程序框圖。其整個過程如下：首先，作為遠端，通過主機名或IP地址與端口號，服務器建立監聽等待客戶端連接；然后，根據端口號和IP地址條件，客戶端主機發送連接請求；最后，在端口建立連接后，可以通過讀寫功能進行TCP數據通信。在通信過程中，服務器端將波形數據通過TCP方式傳給客戶端，客戶端顯示波形圖。

圖3 TCP通信程序設計圖

用戶使用動態域名解析技術，動態IP地址被映射到固定域名解析服務。動態域名解析軟件由花生殼服務提供商提供，用于獲取當前本地網絡的IP地址，相關的IP地址和域名在DNS服務器端進行。將計算機綁定至固定的域，用域名尋址來代替IP尋址。同時，針對經過NAT技術轉發的虛擬域名，使用花生殼軟件的內網映射功能可以穿透內網，實現內網服務器與外網通信的功能。具體方法如下：1）登錄花生殼網站，注冊賬號；2）安裝花生殼軟件，使用注冊好的賬號登錄；3）進入路由器，通過DHCP服務查看當前計算機在內網的IP地址，之后使用虛擬服務器功能，進行端口映射；4）在花生殼軟件中進行端口映射設置；5）設置完成后，進行域名診斷，測試成功說明已建立連接。

3 監測系統試驗分析

在線電能質量監測現場裝置如圖4所示。系統持續運行并監測風電場的風力發電機組電力參數，并記錄電壓和電流功率，諧波和其他數據。具有測試環境的網絡為4 M寬帶，記錄和顯示間隔為1 s，PT比為1 100，電壓等級為110 kV。報表可以分析三相不平衡，電壓波動，總諧波電壓和2-15次諧波數據，以及電能質量綜合統計和諧波分析表，如表1。基波電壓、電流測量精度分別為0.2%和0.2級。

圖4 電能質量在線監測系統

表1 電能質量綜合統計

圖5（a）為三相電網電壓無諧波的實時頻譜圖，從圖可看出，系統測量電網諧波的準確性高，各次諧波的三相電壓諧波含有率均小于0.03%。圖5（b）為A、B、C三相電網電壓實時頻譜圖，其諧波為5次；從圖可看出諧波含量分別為10.97%、10.83%和11.01%，而其他三相電壓的諧波含量幾乎為零，電壓僅受5次諧波的污染。因此，電網中諧波的測量具有很強的實時性。

圖5 三相電壓實時頻譜圖

4 結束語

針對現有電能質量檢測裝置的缺點和風電場的電能質量特性，設計了風電場電能質量監測系統。基于ARM和虛擬儀器LabVIEW，利用WiFi無線通信技術和Internet技術，實現電能質量監測數據的遠程傳輸；利用強大的數據分析、信號處理能力和虛擬儀器友好的人機界面，實時在線測量分析，并根據需要進行歷史數據管理和異常報警。在線電能質量監測系統試驗表明，系統數據穩定、運行可靠。