CN102082464B - 用于智能电网的电能质量信号发生系统及综合测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了用于智能电网的电能质量信号发生系统及综合测试方法，属于智能电网电能质量领域。该系统包括电能质量信号发生模块、电能质量监测模块、网络通信模块、GPS模块、综合测试系统模块；电能质量信号发生模块包括信号发生器、功率放大模块，用于生成指定电能质量信号激励被测节点。本发明的技术方案基于最新IEC标准中各类复杂的稳态和暂态电能质量，利用数字信号处理器生成指令信号；利用线性功率放大器输出功率信号，提高了电能质量信号发生模块的性能。本发明的电能质量综合测试系统，具有测试信号种类丰富、响应速度快等特点，能够满足智能电网测试对电能质量信号发生的各种需求。

Description

用于智能电网的电能质量信号发生系统及综合测试方法

技术领域

本发明涉及智能电网电能质量领域，具体提出了用于智能电网的电能质量信号发生系统及综合测试方法。 

背景技术

随着信息时代的发展，人们更加关注数字化电网和分布式能源，正在努力将信息革命和新能源革命在电力行业整合起来形成新一代的智能电网。一方面，各种新能源电力引入传统电网的规模越来越大，使智能电网具有分布式能源的特点，例如各地的风能、太阳能等新能源通过柔性接入实现电力并网；另一方面，随着现代电力电子技术的引入和大功率电力电子器件的广泛应用，越来越复杂的电网用户端负载对象产生高次谐波并出现使电网电压波形产生严重畸变等现象。由于以上两方面的原因，使得目前智能电网的电能质量问题日益严重。 

为了能系统地了解、熟悉和研究电能质量问题，并能在工作中对电能质量反映的问题或测量结果进行分析和判断，从而找出引起电能质量问题的根本原因和采取针对性的解决办法，将电能质量现象进行科学、合理的分类是非常重要的。 

针对电能质量现象，传统的国家标准主要以电压偏差、频率偏差、电压三相不平衡、谐波和间谐波、电压波动和闪变等参数刻画了电能质量现象中的稳态信号，而对复杂的动态信号没有相应的规定；该标准适用于传统的电力网和普通的用电设备。 

国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)从电磁兼容及相互干扰的角度考虑，对引起电磁干扰的基本现象进行了分类，包括传导型低频现象、辐射型低频现象、传导型高频现象、辐射型高频现象等。相比传统的国家标准，增加了对暂态电能质量的 分类，例如电压暂时中断、电压骤降、电压骤升等，因而能够更好的描述各种对电能质量敏感的现代用电设备的正常工作需求。 

电网中的电能质量指标如果不达标，将会危及电网及其供电设备的安全稳定运行，严重的影响电力企业及广大用户的经济效益。在风电和光伏等新能源领域内，大规模新能源电力接入电网后可能会出现电网电压水平下降、线路传输功率超出热极限、系统短路容量增加和系统暂态稳定性改变等一系列问题。采用大功率电力电子器件的电力负荷，会引起的较大谐波和负序分量、线路压降和电压波动等问题，对电力系统电能质量产生的严重不良影响。 

智能电网是一个安全可靠的强健电网，它通过其先进的控制方法监测电网的基本元件，从而快速准确的诊断电力系统的电能质量问题，并采用先进的技术手段和相应的电能质量治理设备提高供电可靠性和电能质量。 

对于分布式新能源，智能电网采用变流器等电能质量治理设备满足了电网暂态稳定性及低电压穿越能力的要求，使各种不同类型发电和储能系统能够无缝的接入供用电网，包括分布式电源如光伏发电、风电、先进的电池系统、即插式混合动力汽车和燃料电池。 

对于各种复杂的非线性用户负荷，智能电网采用分布在各个电网节点的高性能无功补偿装置、谐波防治装置等电能质量治理设备来改善电能质量，以加强用电管理和计量管理，提高用户用电功率因数和工效。 

在电能质量治理设备投入智能电网前，需要基于电能质量信号发生装置来对其性能进行检定和测试，检验电能质量控制装置减小扰动的能力；在电能质量治理设备投入智能电网后，需要用电能质量信号发生装置对整个或局部智能电网的运行情况进行检定和测试，确定电力系统中电能质量扰动的大小和类型；针对给定的智能电网用户设备，需要用电能质量信号发生装置测试电气设备在受到电能质量扰动 时的工作情况。 

传统的电能质量信号发生装置无法满足智能电网的要求，主要表现为以下几个方面： 

1、功能单一，同一设备只能生成一种类型的电能质量信号； 

2、其多采用开关放大器来实现，基于目前的国家标准，适合生成传统的稳态电能质量信号，包括电压偏差、谐波、闪变等给定类型的稳态指标；无法生成IEC标准中复杂快变的暂态电能质量信号。该开关放大器一般采用PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)输出，因此在输出回路需要有一定的电感、电容滤波环节，这样就造成了开关功率放大器响应速度慢的特点。此外，开关放大器存在很大的开关噪声，会对数字仿真系统及保护设备造成很大的电磁干扰，严重的会损坏仿真系统及保护设备。 

而且基于传统电能质量信号发生装置的电能质量检测系统通常只是局限于在电网的某个节点。但电力系统是一个分布面广、设备量大、信息参数多的系统，仅对其中的某个节点进行测试，只能反映本地孤立节点的电力特性，而无法对整个电网分布式系统特性进行全面有效的测试。 

在目前所公开的电能质量信号生成技术中都仅针对某些电能质量干扰信号进行模拟和生成，用于测试某个节点的负载特性或者节点本地的电网控制器的抗扰动特性；而且这些装置也没有同电能质量监测系统有机地结合在一起，不能实现对智能电网的分布式电能质量综合测试。 

发明内容

为弥补现有技术的不足，本发明提供一种用于智能电网的电能质量信号发生系统及综合测试方法，实现智能电网的电能质量综合测试，满足目前越来越丰富的电能质量综合测试需求。 

为实现上述目的，本发明提供了一种用于智能电网的电能质量信 号发生系统，所述发生系统包括电能质量信号发生模块、电能质量监测模块、网络通信模块、GPS模块、综合测试系统模块，其特征在于， 

所述网络通信模块包括无线网络模块和有线网络模块，所述网络通信模块用于负责所述电能质量信号发生系统的组网通信工作； 

所述综合测试系统模块，管理各个测试节点，对分布式网络系统进行配置和协同综合测试，并且对相关的电能质量测试数据进行汇总、分析和报表统计； 

所述电能质量信号发生模块包括信号发生器和功率放大模块，所述功率放大模块用于将所述信号发生器发出的模拟命令信号转化为电能质量信号对应的功率输出信号。 

所述信号发生器包括数字信号处理器和存储器，所述信号发生器用于生成各种电能质量信号对应的模拟命令信号； 

所述数字信号处理器用于生成电能质量信号和对所生成的电能质量信号进行数模转换，所述数字存储器用于存储信号处理方式和数据。 

所述功率放大模块，包括滤波器和线性功率放大器。 

所述电能质量监测模块用于对智能电网被测节点的电能质量信号进行分布式协同监测，并将监测信息通过所述网络通信模块传送到所述综合测试系统模块。 

所述有线网络模块包括以太网模块，所述有线网络模块用于将各分布式节点通过电力标准通信协议转换器与整体以太网相连； 

所述无线网络模块，用于实现分布式电能质量信号发生模块间的无线通讯和控制功能，以及与所述综合测试系统之间的数据和信息交互功能。 

所述GPS模块包括GPS时标和定位模块，所述GPS模块用于对电能质量信号发生模块进行时间上的精确同步和空间上的精确定位。 

此外，本发明还提供了一种面向智能电网的电能质量综合测试方 法，其特征在于，所述综合测试方法包括如下步骤： 

步骤1：通过综合测试系统模块对各电能质量信号发生模块进行管理和初始化配置； 

步骤2：电能质量信号发生模块在GPS时标和定位模块的统一协调下，发出给定电能质量信号，激励本地待测对象，实现电能质量的协同综合测试； 

步骤3：各电能质量监测模块采集被测对象的实时电能质量信息，并将监测数据通过网络通信模块传送到其他网络节点实现节点间的互动，或者传送到所述综合测试系统模块； 

步骤4：所述综合测试系统模块向各个分布式节点发送协同综合测试命令，使并接受各节点的监测数据，并进行汇总、分析和报表统计。 

所述步骤3中，所述网络通信模块采用有线网络将各分布式节点通过电力标准通信协议转换器与整体以太网相连； 

所述网络通信模块采用无线网络进行所述电能质量信号发生模块间的无线通讯和控制操作，以及与所述综合测试系统之间的数据和信息交互。 

所述步骤4中，所述综合测试系统模块按照电能质量测试的需求，通过分布式通信网络对各节点进行动态的功能配置； 

各测试节点通过所述GPS模块获得统一的时间信息和空间信息，按照配置信息协同动作，并且在测试过程中通过分布式通信网络进行信息和数据的交互，实现对智能电网的电能质量综合测试。 

本发明的技术方案基于最新IEC标准中各类复杂的稳态和暂态电能质量，利用数字信号处理器生成指令信号；利用线性功率放大器输出功率信号，提高了电能质量信号发生模块的性能；分布式网络各节点的电能质量信号发生模块，通过GPS时标和定位模块来校准同步时间和定位空间位置，以及通过网络通信模块进行信息交互，实现用于智能电网的电能质量信号协同测试。本发明的电能质量综合测试系统，具有测试信号种类丰富、响应速度快等特点，能够满足智能电网测试对电能质量信号发生的各种需求；本发明的电能质量综合测试方法，通过有线网络和无线网络将分布式测试节点有机的结合起来，能够实现智能电网电能质量的分布式协同测试。

附图说明

图1是本发明技术方案中电能质量信号发生系统的结构示意图； 

图2是本发明实施例的电能质量信号发生方法的流程图； 

图3是本发明实施例的系统结构示意图； 

图4是本发明实施例的电能质量监测方法的消息处理流程图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。 

实施例1 

如图1及图3所示，本实施例具体描述本发明所提出的一种用于智能电网的电能质量信号发生系统，包括电能质量信号发生模块、电能质量监测模块、网络通信模块、GPS模块、综合测试系统模块； 

所述电能质量信号发生模块包括信号发生器、功率放大模块，用于生成指定电能质量信号激励被测节点。 

所述信号发生器包括数字信号处理器和存储器，采用数字信号处理器进行各种电能质量信号的生成和数模转换，采用数字存储器存储各种信号处理方式和数据，用于生成各种电能质量信号对应的模拟命令信号。 

所述功率放大模块，包括滤波器和线性功率放大器，用于将信号发生器发出的模拟命令信号转化为电能质量信号对应的输出功率信 号。 

如图2所示，所述数字信号处理器，基于最新的IEC标准，用于产生不同类型的电能质量信号，包括各种暂态和稳态信号，以及将所述电能质量信号转换为模拟命令信号并输出；滤波器，用于滤除模拟命令信号中的高频干扰；线性功率放大器，用于将模拟命令信号进行放大，输出期望的功率信号驱动负载。 

上述电能质量信号发生模块，用于生成各种类型的电能质量信号，电能质量信号生成节点1～n分布于各被测节点处(n为节点的个数)，用于根据来自所述综合测试系统模块的动态配置信息、来自所述GPS时标和定位模块的系统同步时钟和空间位置信息向各被测节点同步地生成电能质量信号，以激励各被测节点。 

所述电能质量监测模块，分布于各被测节点处，用于实时监测各被测节点的电能质量信号响应，根据所述动态配置信息将所述电能质量信号响应作为监测结果通过网络通信模块发送给所述综合测试系统模块。 

所述网络通信模块包括无线网络模块和有线网络模块，负责所述电能质量信号发生系统的组网通信工作，用于将所述动态配置信息、系统同步时钟和空间位置信息、电能质量信号响应在各被测节点之间传输； 

所述有线网络模块包括以太网模块，用于将各分布式节点通过电力标准通信协议转换器与整体以太网相连； 

所述无线网络模块，用于实现分布式电能质量信号发生模块间的无线通讯和控制功能，以及与综合测试系统之间的数据和信息交互功能。 

所述GPS模块包括GPS时标和定位模块，用于对各电能质量信号发生模块进行时间上的精确同步和空间上的精确定位； 

所述GPS时标和定位模块，用于设定分布式网络中的系统同步 时钟和空间位置信息，并将系统同步时钟和空间位置信息发送到各被测节点，以实现分布式网络中各被测节点的时间同步和位置定位； 

所述综合测试系统模块，用于使用户了解整个分布式网络中各电能质量信号发生模块的配置情况，给用户运行电能质量监测系统提供一个控制平台。具体来说，管理各个测试节点，将动态配置信息发送到分布式网络中的各被测节点，所述动态配置信息用于设定各被测节点处的电能质量生成信号；对分布式网络系统进行配置和协同综合测试，并且对相关的电能质量测试数据进行汇总、分析和报表统计。 

实施例2 

如图2所示，本实施例具体描述本发明所提出的一种基于实施例1的用于智能电网的电能质量信号发生方法，包括以下步骤： 

步骤1，利用数字信号处理器生成不同类型的电能质量信号； 

步骤2：将所述电能质量信号转换为模拟命令信号，并滤波； 

步骤3，利用线性功率放大器，将模拟命令信号进行放大，输出期望的功率信号驱动负载。 

实施例3 

如图4所示，本实施例具体描述本发明所提出的一种基于实施例1的用于智能电网的电能质量综合测试方法，包括如下步骤： 

步骤1：通过综合测试系统模块将动态配置信息发送到分布式网络中的各被测节点；所述动态配置信息用于设定各被测节点处的电能质量生成信号，该信号包括各种暂态和稳态信号，例如干扰信号； 

设定分布式网络中的系统同步时钟和空间位置信息，并将系统同步时钟和空间位置信息发送到各被测节点； 

步骤2：根据所述动态配置信息，电能质量信号发生模块在GPS时标和定位模块的统一协调下，向各被测节点同步地发出给定电能质量信号，激励本地待测对象，实现电能质量的协同综合测试； 

步骤3：各电能质量监测节点采集被测对象的实时电能质量信息， 并将监测数据通过网络通信模块传送到其他网络节点实现节点间的互动，或者传送到综合测试系统模块； 

所述网络通信模块采用有线网络将各分布式节点通过电力标准通信协议转换器与整体以太网相连；采用无线网络实现分布式电能质量信号发生模块间的无线通讯和控制功能，以及与综合测试系统之间的数据和信息交互功能。通过无线网络和有线网络的有机结合，实现分布式通信网络。 

步骤4：综合测试系统模块向各个分布式节点发送协同综合测试命令，使并接受各节点的监测数据，并进行汇总、分析和报表统计； 

所述综合测试系统模块按照电能质量测试的需求，通过分布式通信网络对各节点进行动态的功能配置；各测试节点通过GPS模块获得统一的时间信息和空间信息，按照配置信息协同动作，并且在测试过程中通过分布式通信网络进行信息和数据的交互，实现对智能电网的电能质量综合测试。 

由以上实施例可以看出，本发明基于最新的IEC标准，利用数字信号处理器实现了生成各类稳态和暂态电能质量信号；利用线性功率放大器实现了复杂的暂态和稳态电能质量信号的功率输出，此外，还利用线性放大器负载能力要求较高、小信号输出精度高、长时间连续工作、低失调及低漂移的特点，提高了电能质量信号发生装置的综合性能；将电能质量信号发生模块分布在智能电网的各个网络节点上，通过GPS时标和定位模块获得统一的系统同步时钟和空间位置信息，并按照分布式配置模块中的配置参数实现对智能电网在各节点同步地生成电能质量干扰信号；还通过分布式网络通信模块进行远程通信，实现了网络的动态分布式配置。本发明的系统性能高、响应速度快、能够实现对智能电网的分布式电能质量综合测试。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种用于智能电网的电能质量信号发生系统，所述发生系统包括电能质量信号发生模块、电能质量监测模块、网络通信模块、GPS模块、综合测试系统模块，其特征在于，

所述网络通信模块包括无线网络模块和有线网络模块，所述网络通信模块用于负责所述电能质量信号发生系统的组网通信工作；

所述综合测试系统模块，管理各个被测节点，对分布式网络系统进行配置和协同综合测试，并且对相关的电能质量测试数据进行汇总、分析和报表统计；

所述电能质量信号发生模块包括信号发生器和功率放大模块，所述功率放大模块用于将所述信号发生器发出的模拟命令信号转化为电能质量信号对应的功率输出信号。

2.如权利要求1所述的电能质量信号发生系统，其特征在于，所述信号发生器包括数字信号处理器和数字存储器，所述信号发生器用于生成各种电能质量信号对应的模拟命令信号；

所述数字信号处理器用于生成电能质量信号和对所生成的电能质量信号进行数模转换，所述数字存储器用于存储信号处理方式和数据。

3.如权利要求2所述的电能质量信号发生系统，其特征在于，所述功率放大模块，包括滤波器和线性功率放大器。

4.如权利要求1-3中任一项所述的电能质量信号发生系统，其特征在于，所述电能质量监测模块用于对智能电网被测节点的电能质量信号进行分布式协同监测，并将监测信息通过所述网络通信模块传送到所述综合测试系统模块。

5.如权利要求4所述的电能质量信号发生系统，其特征在于，

所述有线网络模块包括以太网模块，所述有线网络模块用于将各分布的被测节点通过电力标准通信协议转换器与整体以太网相连；

所述无线网络模块，用于实现分布式电能质量信号发生模块间的无线通讯和控制功能，以及与所述综合测试系统之间的数据和信息交互功能。

6.如权利要求5所述的电能质量信号发生系统，其特征在于，所述GPS模块包括GPS时标和定位模块，所述GPS模块用于对电能质量信号发生模块进行时间上的精确同步和空间上的精确定位。

7.一种面向智能电网的电能质量综合测试方法，其特征在于，所述综合测试方法包括如下步骤：

步骤1：通过综合测试系统模块对各电能质量信号发生模块进行管理和初始化配置；

步骤2：电能质量信号发生模块在GPS时标和定位模块的统一协调下，发出给定电能质量信号，激励本地待测对象，实现电能质量的协同综合测试；

步骤3：各电能质量监测模块采集所述待测对象的实时电能质量信息，并将监测数据通过网络通信模块传送到其他网络节点实现节点间的互动，或者传送到所述综合测试系统模块；

步骤4：所述综合测试系统模块向各个分布式节点发送协同综合测试命令，接受各节点的监测数据，并进行汇总、分析和报表统计。

8.如权利要求7所述的面向智能电网的电能质量综合测试方法，其特征在于，所述步骤3中，所述网络通信模块采用有线网络将各分布式节点通过电力标准通信协议转换器与整体以太网相连；

所述网络通信模块采用无线网络进行所述电能质量信号发生模块间的无线通讯和控制操作，以及与所述综合测试系统之间的数据和信息交互。

9.如权利要求8所述的面向智能电网的电能质量综合测试方法，其特征在于，所述步骤4中，所述综合测试系统模块按照电能质量测试的需求，通过分布式通信网络对各节点进行动态的功能配置；

各测试节点通过所述GPS模块获得统一的时间信息和空间信息，按照配置信息协同动作，并且在测试过程中通过分布式通信网络进行信息和数据的交互，实现对智能电网的电能质量综合测试。

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