CN105182135A - 一种基于cdma网络远程可控的电能质量在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置，它包括电网1、数据采集子模块2、ARM控制子模块3、CDMA通信子模块4、电能质量管理平台5，ARM控制子模块3将采集的电网数据实时地传输到电能质量管理平台5，电能质量管理平台5主要完成对谐波和间谐波、电压波动和闪变、幅频偏差、暂态扰动等指标的检测。本发明能够对电能质量状况进行实时、全面的监测分析，特别是简谐波和闪变监控，提高准确性和实时性，改善频率分辨率。

Description

一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置

技术领域

本发明涉及电能质量在线监测技术领域，特别是涉及一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置。

背景技术

随着智能电网技术的发展与推广应用，用户侧分布式电源(如风能发电、光伏发电、生物质发电等)具有数量多、范围广、容量小、随机性和间歇性强的特点，其大规模应用给电网供电可靠性和配电系统电能质量带来很大影响。分布式电源的间歇性和随机性会引起配电网电压波动和闪变，导致一些符合节点的电压质量超标；分布式电源中不适当的逆变器控制策略会产生不平衡电压和谐波污染，对用户侧用电设备产生不良影响；分布式电源并网运行，会因安装地点、容量和介入方式不合理等因素，导致电网供电可靠性降低。电能质量在线监测装置是掌握电网供电质量的实际情况、改善电能质量的必不可少的工具。目前，市场上的电能质量在线监测装置主要存在以下不足：电能质量在线监测的准确性和实时性不足；数字通信能力有限，不能实现远程数据交换和共享等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置，它能够对电能质量状况进行实时、全面的监测分析，特别是简谐波和闪变监控，提高准确性和实时性，改善频率分辨率。

为了达到上目的，本发明的技术方案是这样的：一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置，它包括电网1、数据采集子模块2、ARM控制子模块3、CDMA通信子模块4、电能质量管理平台5，其特征在于：数据采集子模块2的输入端连接电网1，数据采集子模块2的输出端连接ARM控制子模块3的输入端，ARM控制子模块3将采集的数据打包整理，通过CDMA通信子模块4将数据实时地传输到电能质量管理平台5；电能质量管理平台5主要完成对谐波和间谐波、电压波动和闪变、幅频偏差、暂态扰动等指标的检测；

其中间谐波的检测方法包括以下步骤：

A.用窄带带通滤波器从采样电压信号中获得基波信号T₀，计算出实际的基波周期为：

$T_0=\frac{1}{M-1}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}(t_{m+1}-t_m)$

其中，M≥2，为穿越阈值k₁的次数；

B.根据计算出得基波周期T₀和频率f₀，得到同步采样下的采样频率f_s′＝n₁f₀和采样序列长度T′＝n₂T₀，按时间间隔t_s′＝1/f_s′对采样时刻进行调整，调整之后每个采样时刻对应的信号幅值由四阶牛顿插值法得出；

C.使用基于切比雪夫多项式的等波纹方法设计梳状滤波器，滤除基本和谐波成分，得到间谐波；

其中闪变检测方法包括以下步骤：

A.对输入的采样电压信号进行同步提取，得到电压闪变信号为u(t)＝A[1+mcosΩt]cos(ωt+θ)，其中，A是电网电压的幅值；ω为电网基波电压的角频率；θ为基波电压的初相角；m为调制波的电压幅值与基波电压幅值之比，Ω为调制波的角频率；

B.根据角频率ω、幅值A、初相角θ，通过信号发生器发出一反向信号q(t)＝Acos(ωt+θ)；

C.电压闪变信号u(t)与反向信号q(t)相减，得到信号p(t)＝mAcosΩtcos(ωt+θ)；

D.将反向信号q(t)与信号p(t)相乘，得到信号 $y\left(t\right)=p\left(t\right)q\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{mA}}^{2}cos\mathrm{\Ω}t+\frac{1}{4}{\mathrm{mA}}^{2}cos\[(2\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+2\mathrm{\θ}\]+\frac{1}{4}{\mathrm{mA}}^{2}cos\[(2\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t+2\mathrm{\θ}\];$

E.对信号y(t)进行低通滤波处理后，得到瞬时闪变视感度S(t)；

F.闪变评价常用的一个指标是短时间闪变值P_st，根据累计概率曲线CPF作出统计评价，实际中，通常采用5个规定值或百分值来计算P_st：

P_st＝(0.0314P_0.1+0.0525P₁+0.0657P₃+0.28P₁₀+0.08P₅₀)

式中，5个规定值P_0.1、P₁、P₃、P₁₀、P₅₀分别表示10min内CPF曲线上等于0.1％、1％、3％、10％、50％时间的S(t)值。

优选地，所述数据采集子模块2包括电压电流互感器6和信号调理模块7。

优选地，所述ARM控制子模块3采用ARM处理器STM32F103控制芯片。

优选地，所述电能质量管理平台5采用PC机。

优选地，所述电能质量管理平台5还包括显示模块。

本发明的有益效果是：

1.结合CDMA通信技术、微处理器技术和计算机技术，可对电网电能质量状况进行实时、全面、准确的监控分析，提高了准确性和实时性；

2.该间谐波的检测方法可以高速地进行简谐波检测，在极短的时间内便可完成，具有很好的实时性，能有效地减小此类变化的影响，提高频率分辨率。

3.该闪变检测方法省去了高通滤波器，克服了现有补偿迭代检测法难收敛、计算量大的缺点，在多频幅时不产生干扰项，具有更好的优越性。

附图说明

图1为本发明的基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置结构示框图；

图2为本发明的间谐波检测方法的流程图。

图3为本发明的闪变检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置，其包括电网1、数据采集子模块2、ARM控制子模块3、CDMA通信子模块4、电能质量管理平台5，其中所述数据采集子模块2包括电压电流互感器6和信号调理模块7，ARM控制子模块3采用ARM处理器STM32F103控制芯片。电网一次侧的电压/电流信号分别经数据采集子模块2变换为二次信号，经信号调理转变为ARM控制子模块3可识别的信号，ARM控制子模块3对数据采集子模块2进行控制，负载将采集的数据打包整理，通过CDMA通信子模块4将数据实时地传输到电能质量管理平台5，电能质量管理平台5根据电能质量直指标的国家标准，对数据进行处理分析，计算电压和电流信号的各项电能质量指标，最后设计人机交互界面，管理在线电能质量分析与检测模块的工作，实时显示监控结果等。

所述电能质量管理平台5采用PC机。

优选地，所述电能质量管理平台5还包括显示模块。

所述电能质量在线监测装置主要完成对谐波和间谐波、电压波动和闪变、幅频偏差、暂态扰动等指标的检测，

现有谐波与间谐波检测方法常采用傅里叶分析法，算法原理简单，但非同步采样时，基波和谐波的频谱泄露和栅栏效应严重影响间谐波的检测效果。因此，需要将基波和谐波成分分离出去，降低对间谐波检测造成的干扰。参见附图2，本发明提出了一种间谐波检测方法，包括以下步骤：

A.用窄带带通滤波器从采样信号中获得基波信号T₀。对于连续的正弦信号，通过某一阈值k₁的正斜率的交叉点在一个周期内有且只有一个，因此相邻的交叉点的时间间隔则为该信号的周期。由于采样信号是离散的，信号穿越阈值k₁的时刻T_m可能无法直接获得，可采用牛顿插值法计算出交叉点的准确位置，计算出实际的基波周期为：

$T_0=\frac{1}{M-1}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}(t_{m+1}-t_m)$

其中，M≥2，为穿越阈值k₁的次数。

B.准同步化。根据计算出得基波周期T₀和频率f₀，得到同步采样下的采样频率f_s′＝n₁f₀和采样序列长度T′＝n₂T₀，按时间间隔t_s′＝1/f_s′对采样时刻进行调整，调整之后每个采样时刻对应的信号幅值由四阶牛顿插值法得出。

C.获得间谐波。使用基于切比雪夫多项式的等波纹方法设计梳状滤波器，滤除基本和谐波成分，得到间谐波。

该间谐波的检测方法可以高速地进行简谐波检测，在极短的时间内便可完成，具有很好的实时性，同时在信号检测的过程中，基波频率会经常发生微小、突然的跳变，该方法能有效地减小此类变化的影响，提高频率分辨率。

参见附图3，本发明还提出了一种闪变检测方法，包括以下步骤：

A.对输入的采样电压信号进行同步提取，得到电压闪变信号为u(t)＝A[1+mcosΩt]cos(ωt+θ)，其中，A是电网电压的幅值；ω为电网基波电压的角频率；θ为基波电压的初相角；m为调制波的电压幅值与基波电压幅值之比，Ω为调制波的角频率；

B.根据载波的频率频率ω、幅值A、相角θ，通过信号发生器发出一反向信号q(t)＝Acos(ωt+θ)；

C.电压闪变信号u(t)与反向信号q(t)相减，得到信号p(t)＝mAcosΩtcos(ωt+θ)；

D.将反向信号q(t)与信号p(t)相乘，得到信号 $y\left(t\right)=p\left(t\right)q\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{mA}}^{2}cos\mathrm{\Ω}t+\frac{1}{4}{\mathrm{mA}}^{2}cos\[(2\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+2\mathrm{\θ}\]+\frac{1}{4}{\mathrm{mA}}^{2}cos\[(2\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t+2\mathrm{\θ}\];$

E.对信号y(t)进行低通滤波处理后，得到瞬时闪变视感度S(t)；

F.闪变评价常用的一个指标是短时间闪变值P_st，根据累计概率曲线CPF作出统计评价，实际中，通常采用5个规定值或百分值来计算P_st：

P_st＝(0.0314P_0.1+0.0525P₁+0.0657P₃+0.28P₁₀+0.08P₅₀)

式中，5个规定值P_0.1、P₁、P₃、P₁₀、P₅₀分别表示10min内CPF曲线上等于0.1％、1％、3％、10％、50％时间的S(t)值。

该闪变检测方法省去了高通滤波器，克服了现有补偿迭代检测法难收敛、计算量大的缺点，在多频幅时不产生干扰项，具有更好的优越性。

Claims (8)

1.一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置，它包括电网1、数据采集子模块2、ARM控制子模块3、CDMA通信子模块4、电能质量管理平台5，其特征在于：数据采集子模块2的输入端连接电网1，数据采集子模块2的输出端连接ARM控制子模块3的输入端，ARM控制子模块3将采集的数据打包整理，通过CDMA通信子模块4将数据实时地传输到电能质量管理平台5；电能质量管理平台5主要完成对谐波和间谐波、电压波动和闪变、幅频偏差、暂态扰动指标的检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置，其特征在于，所述数据采集子模块2包括电压电流互感器6和信号调理模块7。

3.根据权利要求2所述的一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置，其特征在于，间谐波的检测方法包括以下步骤：

A.用所述窄带带通滤波器从采样电压信号中获得基波信号T₀，计算出实际的基波周期为：

$T_0=\frac{1}{M-1}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}(t_{m+1}-t_m)$

其中，M≥2，为穿越阈值k₁的次数；

B.根据计算出得基波周期T₀和频率f₀，得到同步采样下的采样频率f_s′＝n₁f₀和采样序列长度T′＝n₂T₀，按时间间隔t_s′＝1/f_s′对采样时刻进行调整，调整之后每个采样时刻对应的信号幅值由四阶牛顿插值法得出；

C.使用基于切比雪夫多项式的等波纹方法设计梳状滤波器，滤除基本和谐波成分，得到间谐波。

4.根据权利要求3所述的一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置，其特征在于，闪变检测方法包括以下步骤：

A.对输入的采样电压信号进行同步提取，得到电压闪变信号为u(t)＝A[1+mcosΩt]cos(ωt+θ)，其中，A是电网电压的幅值；ω为电网基波电压的角频率；θ为基波电压的初相角；m为调制波的电压幅值与基波电压幅值之比，Ω为调制波的角频率；

B.根据角频率ω、幅值A、初相角θ，通过信号发生器发出一反向信号q(t)＝Acos(ωt+θ)；

C.电压闪变信号u(t)与反向信号q(t)相减，得到信号p(t)＝mAcosΩtcos(ωt+θ)；

D.将反向信号q(t)与信号p(t)相乘，得到信号

$y\left(t\right)=p\left(t\right)q\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{mA}}^{2}cos\mathrm{\Ω}t+\frac{1}{4}{\mathrm{mA}}^{2}cos\[(2\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+2\mathrm{\θ}\]+\frac{1}{4}{\mathrm{mA}}^{2}cos\[(2\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t+2\mathrm{\θ}\];$

E.对信号y(t)进行低通滤波处理后，得到瞬时闪变视感度S(t)；

F.闪变评价常用的一个指标是短时间闪变值P_st，根据累计概率曲线CPF作出统计评价，实际中，通常采用5个规定值或百分值来计算P_st：

P_st＝(0.0314P_0.1+0.0525P₁+0.0657P₃+0.28P₁₀+0.08P₅₀)

式中，5个规定值P_0.1、P₁、P₃、P₁₀、P₅₀分别表示10min内CPF曲线上等于0.1％、1％、3％、10％、50％时间的S(t)值。

5.根据权利要求4所述的一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置，其特征在于，所述ARM控制子模块3采用ARM处理器STM32F103控制芯片。

6.根据权利要求5所述的一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置，其特征在于，所述ARM控制子模块3还包括供电电源。

7.根据权利要求6所述的一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置，其特征在于，所述电能质量管理平台5采用PC机。

8.根据权利要求7所述的一种基于CDMA网络远程可控的电能质量在线监测装置，其特征在于，所述电能质量管理平台5包括显示模块。