CN104375005A - 一种网络化风电场谐波监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种网络化风电场谐波监测系统和方法，所述系统包括：一个主站和至少一个子站；所述子站，用于采集监测点电压数据和电流数据，并根据采集的电压数据和电流数据进行谐波计算，将计算出的谐波数据传送至所述主站；所述主站，用于负责谐波数据的存储、数据统计和分析，执行谐波越限告警。本发明实施例的风电场谐波监测系统包括一个主站和至少一个子站，子站完成数据采集、谐波计算和谐波数据上传，主站完成谐波数据的存储、数据统计和分析，执行谐波越限告警，通过这种方式可将风电场中的各子站监测站点连成整体,实现了谐波在线监测的网络化，达到实现全天候，全方位监视风电场的谐波情况，有利于系统化分析谐波的形成及故障机理。

Description

一种网络化风电场谐波监测系统和方法

技术领域

本发明涉及电力系统自动化、新能源接入与控制领域，具体涉及一种网络化风电场谐波监测系统和方法。

背景技术

随着风电在国内的快速发展，我国风电年新增装机容量及总装机容量已跃居世界前列。由于风电并网大量采用电力电子器件，在运行中会引入大量谐波，对系统电能质量造成影响，严重情况下导致风电场无法运行甚至设备损坏。因此，有必要加强对风电场的谐波检测。

我国风电场普遍装机容量较大，覆盖地域较广，实际运行中，风电场内部各个地方的谐波状况也存在较大差异，电能质量需要综合监测风电场各个部分的谐波状况，包括主变高压侧、35kV馈线、风电机组、无功补偿装置，测点较多，且分散；同时分散式风电的开发造成谐波污染源头靠近风电场，易受外界影响。谐波分布及谐振分散，往往存在局部的谐振(串联谐振、并联谐振)，但是对设备的安全稳定运行影响非常大，会造成设备的过压、过流损坏，需要全局的监测。

现有的谐波测试装置的测试主要集中在风电场并网点处，一般使用专门测试谐波用的谐波分析仪和频谱分析仪，属于针对性的测试，即发现风电场并网点的谐波值超标，出现问题，再用谐波测试装置进行测试，但谐波的情况与电网的运行方式有很大关系，有可能是在特定情况下会出现谐波超标，而在真正去测量时，很难复现这种工况。当风电场规模较大时，风电场内部的风机，集电线路，无功补偿装置等设备之前可能形成谐振而放大谐波，造成某些设备损坏，但风电场并网点的谐波并不会超标。因此传统的谐波监测手段无法全天候，全方位监视风电场的谐波情况，不利于系统化分析谐波的形成及故障机理，迫切需要一种在线的网络化风电场谐波监测系统。

发明内容

本发明实施例提供一种网络化风电场谐波监测系统和方法，以实现全天候，全方位监视风电场的谐波情况，有利于系统化分析谐波的形成及故障机理。

为达上述目的，本发明提供了一种网络化风电场谐波监测系统，所述系统包括：一个主站和至少一个子站；

所述子站，用于采集监测点电压数据和电流数据，并根据采集的电压数据和电流数据进行谐波计算，将计算出的谐波数据传送至所述主站；

所述主站，用于负责谐波数据的存储、数据统计和分析，执行谐波越限告警。

较佳地，所述主站包括：电源；通讯设备，用于负责与谐波监测系统的子站进行通讯；数据统计、分析和存储设备，用于将子站采集的谐波数据按测量位置、时间、类型进行存储，根据用户指令实现数据的分析统计和查询功能，进行谐波越限告警，生成越限报告；以及人机交互接口，用于实现人机接口。

较佳地，所述数据统计、分析和存储设备可包括：大容量存储单元和处理器。

较佳地，所述子站可以包括：电源；数据采集器，用于实时采集监测点的三相电压数据、三相电流数据并进行储存；数据处理器，用于根据所述数据采集器采集的三相电流数据、三相电压数据进行谐波计算；以及通讯设备，用于负责与主站通讯，进行谐波数据上传。

较佳地，所述数据处理器，可用于根据所述数据采集器采集的三相电流数据、三相电压数据采用傅里叶变换算法进行谐波计算。

较佳地，所述数据采集器可包括：电压互感器，用于对采集到的监测点的三相电压信号进行放大；电流互感器，用于对采集到的监测点的三相电流信号进行放大；前置滤波器，用于对放大后的三相电压信号、三相电流信号中超出频率范围的信号进行滤波；模数转换器，用于对滤波后的三相电压信号、三相电流信号进行模数转换，得到三相电压数据、三相电流数据；缓冲存储器，用于缓存三相电压数据、三相电流数据。

较佳地，当采用多个子站时，所述多个子站的位置是在主变高压侧、35kV馈线、风电机组、无功补偿装置所处的位置。

较佳地，当采用多个子站时，所述主站和所述至少一个子站都布置在监控室内。

较佳地，所述主站和所述至少一个子站之间采用控制器局域网CAN总线进行通讯。

较佳地，所述人机交互接口，具体用于实时显示分析结果，并根据用户需求展示多种数据分析结果，包括监控图、柱形图、曲线、报警指示和报表；其中：所述监控图用于实时显示各监测点谐波情况；所述柱形图用于对比任一个监测点的各次谐波含量、总畸变率；所述曲线图用于以曲线方式展示一个或多个监测点的谐波数据在一段时间内的变化趋势；所述报表是将原始数据或二次处理数据以合适的格式导出后而生成的报表；所述报警指示是用于表征谐波数据越限情况的监测结果，包含谐波越限记录。

另一方面，本发明提供一种网络化风电场谐波监测方法，所述方法包括：

至少一个子站采集监测点电压数据和电流数据，并根据采集的电压数据和电流数据进行谐波计算，将计算出的谐波数据传送至主站；

所述主站进行谐波数据的存储、数据统计和分析，并执行谐波越限告警。

上述技术方案具有如下有益效果：

本发明实施例的风电场谐波监测系统包括一个主站和至少一个子站，子站完成数据采集、谐波计算和谐波数据上传，主站完成谐波数据的存储、数据统计和分析，执行谐波越限告警，通过这种方式可将风电场中的各子站监测站点连成整体,实现了谐波在线监测的网络化，达到实现全天候，全方位监视风电场的谐波情况，有利于系统化分析谐波的形成及故障机理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的网络化风电场谐波监测系统结构图；

图2是本发明实施例的谐波监测系统主站构成示意图；

图3是本发明实施例的谐波监测系统子站构成示意图；

图4是本发明实施例的子站数据采集器结构示意图；

图5是本发明实施例的谐波监测系统数据采集，上传与存储流程图；

图6是本发明实施例的CAN通讯软件逻辑示意图；

图7a是本发明实施例的网络化风电场谐波监测系统典型布置图(分布式)；

图7b是本发明实施例的网络化风电场谐波监测系统典型布置图(集中式)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例的风电场谐波监测系统通过将风电场中的各监测站点连成整体,实现了谐波在线监测的网络化，监测系统可以监测主变高压侧、35kV馈线、风电机组、无功补偿装置等运行人员所关心的各种设备，并通过通信网络将谐波监测结果发送至监测主站，监测主站将数据存入数据库并进行本地展示，也可根据需要将数据向上级报送。该系统可以提供给风电场运行人员和调度人员大量实时、精确的谐波质量数据信息,为电力部门的安全生产提供了保证。

1.1谐波监测系统构成

图1是本发明实施例的网络化风电场谐波监测系统结构图。如图1所示，本实施例的风电场谐波监测系统由主站和子站构成，可以根据需要同时监测主变高压侧、35kV馈线、风电机组、无功补偿装置等不同设备的谐波情况，实现多点谐波数据的采集、存储、结果显示和越限告警等功能，便于后期对风电场内部不同位置的谐波情况进行分析和比较。

子站负责监测点电压数据、电流数据的采集，并就地进行谐波计算，将计算出的谐波数据(包含谐波值)传送至主站。主站负责谐波数据的存储，数据分析，查询，结果打印，谐波越限告警等功能。

1.2谐波监测系统主站硬件构成

图2是本发明实施例的谐波监测系统主站构成示意图。如图2所示，主站负责汇总子站的谐波测量值，进行数据存储和统计分析等高级应用。主站包括电源模块，通讯模块，数据统计、分析和存储模块，人机交互模块等硬件结构。

通讯模块负责与谐波监测系统子站进行通讯，通过设置合理的通讯规约，实现配置指令的下发，谐波测量值的传输等功能，并设计容错机制保证数据传输的准确性。

数据统计、分析和存储模块是谐波检测系统主站的主要功能模块，包括大容量存储单元及处理器，负责将子站采集的谐波值按测量位置，时间，类型进行存储，数据存储时间至少应为1年。可以根据用户指令实现数据的分析统计和查询功能，能根据要求实现谐波越限告警，生成越限报告。

人机交互模块(人机交互界面)实现人机接口，包括显示器，鼠标键盘等交互设备，用户可以调阅查询历史某一时段的的谐波值，观察某一测量位置谐波数值的大小，还可将某一时段不同位置的谐波值进行比较，观察对比不同测量位置的谐波值。通过调阅风电场SCADA系统与能量管理系统，还可以实现风电场谐波与风电场运行方式、风电场出力等运行数据的联合对比，便于更加全面得分析和查找谐波的形成和故障机理。

1.3谐波监测系统子站硬件构成

图3是本发明实施例的谐波监测系统子站构成示意图。如图3所示，子站应具备采集、计算和远程通讯功能，主要包括电源模块、数据采集模块、数据处理模块和通讯模块，根据需要可以有多个，分别布置在主变高压侧、35kV馈线、风电机组、无功补偿装置等位置。

图4是本发明实施例的子站数据采集模块结构示意图。如图4所示，数据采集模块应具备实时采集三相电压、三相电流的能力，数据采集所用的电压、电流变换器及AD模块的准确度和频率响应范围应满足谐波测量的要求，三相电压、三相电流通道采样频率不低于5kHz，分辨率不低于12bit，并能储存测试过程中的所有数据。采集到的电压、电流信号经过预处理，主要是针对超出频率范围的信号进行滤波，互感器输出电压进行放大，使其符合AD采样的电压范围，采集到的电压、电流数据经缓存后送入数据处理模块进行计算。

数据处理模块根据数据采集模块采集的电流、电压计算谐波。通常采用傅里叶变换(DFT)的算法进行谐波分析，计算各次谐波电压，间谐波电压，电压总谐波畸变率，谐波电流，电流总谐波畸变率等数据。计算完成的谐波值在子站临时存储，经过预先设定的时间间隔传送至主站或在主站进行数据召唤时上传至主站。

通讯模块负责与主站通讯，通过设置合理的通讯规约，实现主站指令的接收，测量值的上传等功能，并设计容错机制保证数据传输的准确性。正常情况下按预设的时间间隔自动进行谐波数据的上传，无需人工干预，需要时可以接受主站指令实时进行数据采集处理和上传。

1.4谐波监测系统的软件设计

图5是本发明实施例的谐波监测系统数据采集，上传与存储流程图。如图5所示，主站系统软件包括通讯协议，数据库软件及人机交互界面。通讯协议负责与多个子站系统建立网络连接，进行数据交互，接受各子站的数据上传，保证数据传输的完整性。数据库软件将获取的子站数据按格式存储到大容量硬盘，数据分析软件对数据库的数据进行进一步的分析处理。人机交互软件应具有良好的交互界面，简介易用，可以实时显示分析结果，并能根据用户需求展示各种数据分析结果，包括监控图、柱形图、曲线、报警和报表等各种软件模块。监控图可以实时显示各测量点谐波情况，柱形图用于对比某个测量点的各次谐波含量、总畸变率等参数，曲线图用于以曲线方式展示一个或多个测量点谐波数据在某段时间内的变化趋势。报表模块能根据需要将原始数据或二次处理数据以合适的格式导出后生成报表并打印，如统计线路的谐波畸变率最大值、最小值及其发生时间，对时段谐波情况进行统计分析、合格率计算等等，报警模块负责监视谐波数据越限情况生成并保存的各种谐波越限记录并提供打印服务。此外，现场运行人员还可通过该交互界面配置系统的运行参数。

子站系统软件包括数据采集，数据处理功能。能完成被测信号的采样、保持、AD转换，通过采集到的电压、电流数据按照GB/T17626.7标准计算出谐波和间谐波，经通讯网络将计算结果上传至主站服务器。子站系统软件应包括数据采样程序，谐波分析程序和通讯服务程序三部分。数据采样程序通过高速单片机或DSP的A/D中断服务程序进行，对电流和电压6个通道的信号进行高速采样，将采样数据保存至采样缓冲区中。谐波分析子程序将接收缓冲区中的采样数据拷贝到处理缓冲区进行分析，这样在谐波分析程序对采样数据进行谐波分析的时候，A/D中断服务程序可以继续对输入信号进行采样。等到谐波分析程序处理完上一周期的采样数据后，再将下一周期的数据拷贝到处理缓冲区进行分析。谐波分析程序采用快速傅里叶变换FFT计算基波到50次谐波的幅值和相角，进而计算出各次谐波含有率，总谐波畸变率等参数，并将计算结果写入缓存。通讯服务程序可在固定的时间启动，也可响应主站的数据召唤，与主站通讯，将缓存内的计算结果通过通信网络发送给主站，传送无误后清除本地的缓存数据。

1.5主站与子站间通讯

目前通讯方式多种多样，有基于有线方式的RS232,485通讯方式，CAN总线通讯方式，以太网通讯方式等，还有目前发展较快的无线局域网通讯方式。基于风电场现场环境和该系统的实际情况，选取CAN总线作为主站和子站的通讯方式。

图6是本发明实施例的CAN通讯软件逻辑示意图。如图6所示，控制器局域网CAN(Controller Area Network)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。CAN总线采用差分信号传输，有很强的错误检测能力，通信距离远，当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。由于其高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到人们的重视，被广泛应用于汽车业、航空业、工业控制、安全防护等领域。

主站与子站通过CAN总线连接，通过设计合理的数据交换方式，保证通讯的实时，完整和畅通。CAN通讯包括物理接口层、数据链路层，应用接口层及数据应用层。其中物理接口层与数据链路层通过硬件实现，应用接口层和应用层需要通过软件实现。

具体实施方式：

2.1谐波监测系统配置方案

图7a是本发明实施例的网络化风电场谐波监测系统典型布置图(分布式)；图7b是本发明实施例的网络化风电场谐波监测系统典型布置图(集中式)如图7a与图7b所示，谐波监测装置配置可分为集中式和分布式两种，对现场已将所有电压、电流信号引入监控室的情况，可以采用集中式布置方式，即将子站和主站都布置在监控室内，这种方式布线简单，设备集中，便于管理。对现场某些监测点的电压电流信号未引入监控室的情况，则采用分布式布置方式，即在信号未引入监控室的监测点就地布置监测子站，其它子站及主站仍布置在监控室。

利用CAN总线将风电场不同位置的子站与主站连接，主站和子站的硬件设备均具备通过CAN收发数据的功能。子站每隔固定时间向主站发送谐波数据，主站也可随时召唤各子站的数据。

2.2谐波监测系统应用分析

该系统布置在风电场，可以使风电场运行人员实时了解风电场内主要设备的谐波情况及风电场运行注入电网的谐波大小，防止谐波问题造成的设备损坏及电网电能质量不合格。

未来，随着电网规模的扩大和对电能质量的日益重视，电力部门将在更大范围内建设电能质量监测中心，该系统可以作为一个节点通过现有的电力生产专网(MIS系统或SCADA系统)或因特网接入电力部门的调度中心或监控中心，将数据上传至上级电能质量管理系统，实现更高层次的应用。

本发明实施例上述技术方案的优点在于：

(1)系统对风电场不同区域的谐波进行监测，避免了常规监测装置监测位置单一，更能反映风电场内部不同区域的谐波状况，便于分析和查找谐波源。

(2)系统利用CAN总线通讯，具有高性能和高可靠性，适用于风电场恶劣的环境。

(3)系统可根据风场规模、接线方式等情况配置不同数量的监测子站，具备灵活的扩展性。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrativelogical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrativecomponents)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种网络化风电场谐波监测系统，其特征在于，所述系统包括：一个主站和至少一个子站；

所述子站，用于采集监测点电压数据和电流数据，并根据采集的电压数据和电流数据进行谐波计算，将计算出的谐波数据传送至所述主站；

所述主站，用于负责谐波数据的存储、数据统计和分析，执行谐波越限告警。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主站包括：

电源；

通讯设备，用于负责与谐波监测系统的子站进行通讯；

数据统计、分析和存储设备，用于将子站采集的谐波数据按测量位置、时间、类型进行存储，根据用户指令实现数据的分析统计和查询功能，进行谐波越限告警，生成越限报告；

人机交互接口，用于实现人机接口。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数据统计、分析和存储设备包括：大容量存储器和处理器。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述子站包括：

电源；

数据采集器，用于实时采集监测点的三相电压数据、三相电流数据并进行储存；

数据处理器，用于根据所述数据采集器采集的三相电流数据、三相电压数据进行谐波计算；

通讯设备，用于负责与主站通讯，进行谐波数据上传。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述数据处理器，用于根据所述数据采集器采集的三相电流数据、三相电压数据采用傅里叶变换算法进行谐波计算。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数据采集器包括：

电压互感器，用于对采集到的监测点的三相电压信号进行放大；

电流互感器，用于对采集到的监测点的三相电流信号进行放大；

前置滤波器，用于对放大后的三相电压信号、三相电流信号中超出频率范围的信号进行滤波；

模数转换器，用于对滤波后的三相电压信号、三相电流信号进行模数转换，得到三相电压数据、三相电流数据；

缓冲存储器，用于缓存三相电压数据、三相电流数据。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当采用多个子站时，所述多个子站的位置是在主变高压侧、35kV馈线、风电机组、无功补偿装置所处的位置；或者，

当采用多个子站时，所述主站和所述至少一个子站都布置在监控室内。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主站和所述至少一个子站之间采用控制器局域网CAN总线进行通讯。

9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述人机交互接口，具体用于

实时显示分析结果，并根据用户需求展示多种数据分析结果，包括监控图、柱形图、曲线、报警指示和报表；其中：

所述监控图用于实时显示各监测点谐波情况；

所述柱形图用于对比任一个监测点的各次谐波含量、总畸变率；

所述曲线图用于以曲线方式展示一个或多个监测点的谐波数据在一段时间内的变化趋势；

所述报表是将原始数据或二次处理数据以合适的格式导出后而生成的报表；

所述报警指示是用于表征谐波数据越限情况的监测结果，包含谐波越限记录。

10.一种网络化风电场谐波监测方法，其特征在于，所述方法包括：

至少一个子站采集监测点电压数据和电流数据，并根据采集的电压数据和电流数据进行谐波计算，将计算出的谐波数据传送至主站；

所述主站进行谐波数据的存储、数据统计和分析，并执行谐波越限告警。