CN112865300A - 一种基于ZigBee的电能质量监控系统及方法 - Google Patents

一种基于ZigBee的电能质量监控系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及并网光伏电站电能质量检测技术领域，更具体地说，涉及一种基于ZigBee的电能质量监控系统及方法，电能质量监控系统包括：数据采集终端、路由设备、ZigBee协调器和上位机，数据采集终端、路由设备和ZigBee协调器构成网状拓扑结构；数据采集终端采集、处理光伏阵列的电能质量信号并将其通过路由设备发送给ZigBee协调器；ZigBee协调器将电能质量信号发送给上位机；上位机根据电能质量信号计算得到分析结果，实现对电能质量的监测。本发明提供了的基于ZigBee的电能质量监控系统及方法，能够实现对光伏并网电能质量的实时监控，能够提供高效、准确、可靠的监测数据，有助于光伏并网系统的稳定工作，对保障电网和电力设备的安全运行有着重要的意义。

Description

一种基于ZigBee的电能质量监控系统及方法
技术领域
本发明涉及并网光伏电站电能质量检测技术领域，更具体地说，涉及一种基于ZigBee的电能质量监控系统及方法。
背景技术
随着能源危机及环境污染等问题日益严重，光伏发电已成为我国能源优化战略的重要发展方向。光伏发电在电网中的渗透率不断增加，大型光伏电站可能因光资源的不确定性或变流器运行品质引发严重电能质量问题，影响公用电网的正常运行。因此，如何对并网光伏电站的电能质量进行实时、准确的在线监测，对保证电网及电力设备的安全、稳定运行具有非常重要的意义。而传统光伏电站电能质量的监测，多采用有线方式来进行数据传输，工程量大、成本高、可靠性低、运行维护困难，急需对传统电能质量监控通信方式进行改变。
现有的无线传感器网络在应用于并网光伏电站电能质量检测中均存在一些不足，如：wifi存在安全性低、稳定性差的问题；蓝牙存在传输距离短，覆盖范围小的问题；红外存在容易受各种热源光源干扰，穿透力差的问题，均不适用于中大规模并网光伏电站。
因此，如何有效解决光伏电能质量监控现场布线困难、通信可靠性低等问题是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于ZigBee的电能质量监控系统及方法，相较于蓝牙、wifi、红外等无线数据传输网络，具有低成本、低功耗、高可靠、高容量、短延时等优点。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于ZigBee的电能质量监控方法，包括：
S1，数据采集终端采集光伏阵列的电能质量信号，并通过路由设备将所述电能质量信号发送至ZigBee协调器；
S2，所述ZigBee协调器检测所述电能质量信号是否正确，如果是，则执行步骤S3，如果否，则控制所述数据采集终端重新发送所述电能质量信号；
S3，所述ZigBee协调器将所述电能质量信号发送至上位机，所述上位机基于所述电能质量信号计算得到分析结果，对电能质量进行监测。
优选地，S1具体为：所述数据采集终端在公用电网与并网光伏电站公共连接点处采集所述电能质量信号，并对所述电能质量信号依次进行信号调理及滤波处理。
优选地，S3中分析结果包括：电压偏差分析、频率偏差分析、谐波检测分析、电压波动分析和电压闪变分析。
优选地，所述数据采集终端的采样频率大于或等于12.8kHz，所述谐波检测分析中的谐波检测次数小于或等于7次。
优选地，所述谐波检测分析包括：采用Harming窗对所述电能质量信号进行截断，再利用双谱线插值算法求出所述电能质量信号的频谱信息。
一种基于ZigBee的电能质量监控系统，包括：数据采集终端、路由设备、ZigBee协调器和上位机，所述数据采集终端、路由设备和ZigBee协调器构成网状拓扑结构；所述数据采集终端用于采集、处理光伏阵列的电能质量信号并将所述电能质量信号通过所述路由设备发送给所述ZigBee协调器；所述ZigBee协调器用于检测所述电能质量信号是否正确以及控制所述数据采集终端采集所述电能质量信号，并将所述电能质量信号发送给所述上位机；所述上位机用于根据所述电能质量信号计算得到分析结果，实现对电能质量的监测。
优选地，所述数据采集终端包括依次电连接的信号调理电路、滤波电路和A/D转换模块；所述信号调理电路包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，分别用于将采集的高电压、大电流信号转换为量程范围允许的电压、电流信号。
优选地，所述滤波电路用于滤除高于500Hz的谐波信号。
优选地，所述上位机包括电压/电流有效值计算模块、电压偏差分析模块、电压波动及闪变模块、谐波检测模块和频率偏差分析模块；所述电压/电流有效值计算模块分别与所述电压偏差分析模块和所述电压波动及闪变模块电连接；所述谐波检测模块与所述频率偏差分析模块电连接。
优选地，还包括监测中心和/或手持设备，所述监测中心和/或所述手持设备与所述上位机通信连接，用于接收所述分析结果及发送控制指令。
本发明提供了一种基于ZigBee的电能质量监控系统及方法，电能质量监控系统包括：数据采集终端、路由设备、ZigBee协调器和上位机，所述数据采集终端、路由设备和ZigBee协调器构成网状拓扑结构；所述数据采集终端用于采集、处理光伏阵列的电能质量信号并将所述电能质量信号通过所述路由设备发送给所述ZigBee协调器；所述ZigBee协调器用于检测所述电能质量信号是否正确以及控制所述数据采集终端采集所述电能质量信号，并将所述电能质量信号发送给所述上位机；所述上位机用于根据所述电能质量信号计算得到分析结果，实现对电能质量的监测。本发明提供了的基于ZigBee的电能质量监控系统及方法，能够实现对光伏并网电能质量的实时监控，能够提供高效、准确、可靠的监测数据，有助于光伏并网系统的稳定工作，对保障电网和电力设备的安全运行有着重要的意义。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例中一种基于ZigBee的电能质量监控系统的网络构架图；
图2为本发明一个实施例中ZigBee网状网络拓扑结构图；
图3为本发明一个实施例中数据采集终端的示意图；
图4为本发明一个实施例中霍尔电压传感器电路示意图；
图5为本发明一个实施例中霍尔电流传感器电路示意图；
图6为本发明一个实施例中滤波电路原理示意图；
图7为本发明一个实施例中A/D转换模块电路原理示意图；
图8为本发明一个实施例中上位机的示意图。
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。
请参阅图1～8，图1为本发明一个实施例中一种基于ZigBee的电能质量监控系统的网络构架图；图2为本发明一个实施例中ZigBee网状网络拓扑结构图；图3为本发明一个实施例中数据采集终端的示意图；图4为本发明一个实施例中霍尔电压传感器电路示意图；图5为本发明一个实施例中霍尔电流传感器电路示意图；图6为本发明一个实施例中滤波电路原理示意图；图7为本发明一个实施例中A/D转换模块电路原理示意图；图8为本发明一个实施例中上位机的示意图。
如图1所示，一种基于ZigBee的电能质量监控系统，包括：数据采集终端、路由设备、ZigBee协调器和上位机。
网络拓扑结构一般包括星形网络、树形网络和网状网络拓扑结构。一般大型光伏电站方圆数公里，一个光伏阵列发电单元的长度也都会超过200m，而数据采集终端一般随逆变器安装，因此两个数据采集终端之间需要通过路由器来中继无线信号的传输，显然星形网络拓扑结构不适用于大型光伏电站。树形网络拓扑结构虽然能够满足传输要求，但由于每个数据采集终端信号传输路径是唯一的，对于现场地理环境恶劣、且传输距离很远的大型光伏电站来说，采用树形网络拓扑结构来传输电能质量监测信号，其可靠性无法得到保证，任意节点传输异常，都会影响后面串联的数据采集终端信号传输。因此，如图2所示，本实施例中，数据采集终端、路由设备和ZigBee协调器构成网状网络拓扑结构，满足大型光伏电站的电能质量信号传输需求。
数据采集终端用于采集、处理光伏阵列的电能质量信号，并将电能质量信号通过路由设备发送给ZigBee协调器。
ZigBee协调器除了具有将电能质量信号发送给上位机的功能外，还具有检测电能质量信号是否正确的功能，如果电能质量信号不正确，则可以控制数据采集终端重新采集所述电能质量信号。
上位机接收到电能质量信号后，根据电能质量信号计算得到分析结果，实现对电能质量的监测，如果分析结果出现异常，则可发出报警信号。上位机还可以实现分析结果的显示，实现良好的人机交互，并且操作人员可以根据需求对相应参数进行设置。本实施例中，分析结果包括：电压偏差分析、频率偏差分析、谐波检测分析、电压波动分析和电压闪变分析。
进一步地，监控系统还可包括监测中心和/或手持设备。监测中心和/或所述手持设备与上位机通信连接，上位机可以将分析结果发送至远程的监测中心和/或手持设备，手持设备或监测中心也可以发送命令控制现场终端检测设备，从而实现工作人员对电能质量实时监测和控制。
如图3所示，本实施例中，数据采集终端包括依次电连接的信号调理电路、滤波电路和A/D转换模块。
信号调理电路的作用是将高电压、大电流信号通过处理转换为量程范围允许的电压、电流信号，传感器是本模块的核心器件。考虑到被测信号要求的带宽和谐波特性，选用具有磁补偿功能的闭环霍尔传感器，闭环霍尔传感器具有频率范围宽、精度高、响应快速、且线性度好等优点。
霍尔电压传感器的接线如图4所示，原边侧U+为输入电压正极，U一为输入电压负极，副边侧+为供电电源正极，一为供电电源负极，M为输出端，土为公共接地端。
霍尔电流传感器的接线如图5所示，原边侧I+为输入电流正极，I一为输入电流负极，副边侧+为供电电源正极，一为供电电源负极，M为输出端，Rm为测量电阻。
本实施例中，电能质量监控系统的谐波检测次数最高设为7次，一方面由于7次以内谐波含量较高，而超过7次的谐波含量较小，对电网影响较小；另一方面可以减少计算量，提高系统快速性。鉴于需要测量7次以内的谐波，根据采样定理，系统采样频率应不小于1kHz，为保证计算精度，本系统每周期最少采集256个点，即需要12.8kHz以上的采样频率。
考虑到谐波检测分析次数最高为7次，即需要保留的最高谐波频率为500Hz。为防止频谱混叠现象发生从而影响分析结果，需要将高于500Hz的谐波信号滤除。滤波电路如图6所示，截止频率为400Hz。
A/D转换模块的A/D转换精度及可靠性关系到电能质量监控系统的性能。根据设计需求，采样频率需大于12.8kHz。为保证系统精度，选用至少14位以上分辨率的A/D转换模块，A/D转换模块电路原理图如图7所示，该模块具有16路输入通道，16位测量精度，每个通道提供±10V的电压测量范围。可执行同步差分模拟输入，每通道均带有独立信号通路和模数转换器，信号经调理后可由ADC进行模数转换，最高采样速率可达100kS/s，能够满足本系统数据采集需求。
如图8所示，本实施例中，上位机包括电压/电流有效值计算模块、电压偏差分析模块、电压波动及闪变模块、谐波检测模块和频率偏差分析模块，电压/电流有效值计算模块分别与电压偏差分析模块和电压波动及闪变模块电连接，谐波检测模块与频率偏差分析模块电连接。
电压/电流有效值计算模块采用双层For循环结构，内层循环对单个周期内所有采样点的值求均方根值，循环次数为单个周期的采样点数。外层循环功能为求本次采样所有周期均方根值的平均值，即为电压/电流有效值。为保证测量的准确性，该模块单个周期采样点数设为256，每次计算5个整周期平均值以求得有效值。
电压偏差分析模块利用电压/电流有效值计算模块的计算结果，将测量所得电压有效值减去标称值后除以标称电压，得到电压偏差。根据监测需求和监测对象的不同，本模块可以自行设定电压偏差国标限定值进行比对，同时本模块设定了越限警报，一旦测量结果超过限定值，系统将发出报警提示相关操作人员进行处理，以保证系统的稳定运行。
电压波动及闪变模块用于分析电压波动及电压闪变是否有异常。电压波动会导致许多电力设备无法正常运行，但是一般电力设备受到电压波动影响时表现并不明显，因此，引入电压闪变作为评价指标，以此衡量电压波动危害程度。
谐波检测模块采用加窗插值FFT算法进行谐波分析。加窗插值FFT算法是目前较为成熟且应用较为广泛的谐波分析算法，能够保证测量结果的准确性。该算法通过对信号加余弦窗进行截断，并对截断信号进行双谱线插值校正，最终得出信号的频谱信息。本实施例中，谐波检测模块采用旁瓣性能较好Harming窗对信号进行截断，再利用双谱线插值算法求出信号的频谱信息。
频率偏差分析模块利用谐波检测模块分析得到的信号频率进行计算，得到频率偏差，并将测量结果与标称频率进行比对，计算出频率偏差。根据国家标准设定频率偏差限值并与测量结果进行比对，一旦超过国标限定值则发出报警提示。
一种基于ZigBee的电能质量监控方法，包括以下步骤：
S1，数据采集终端采集光伏阵列的电能质量信号，并通过路由设备将电能质量信号发送至ZigBee协调器。本实施例中，电能质量信号包括电流、电压。
S2，ZigBee协调器检测电能质量信号是否正确，如果是，则执行步骤S3，如果否，则控制数据采集终端重新发送电能质量信号。
S3，ZigBee协调器将电能质量信号发送至上位机，上位机基于电能质量信号计算得到分析结果，对电能质量进行监测。
进一步还可以包括：S4，上位机将分析结果发送给监控中心和/或手持设备，方便远程监控人员查看分析结果，并根据需要向上位机发送控制指令。
本实施例中，数据采集终端可以在公用电网与并网光伏电站公共连接点处采集所述电能质量信号，并对电能质量信号依次进行信号调理及滤波处理，再通过路由设备发送至ZigBee协调器。
本实施例中，上位机得到的分析结果包括：电压偏差分析、频率偏差分析、谐波检测分析、电压波动分析和电压闪变分析。一般，衡量光伏电站电能质量的传统评价指标包括电压偏差、频率偏差和可靠性等，由于可能引发其电能质量问题的因素较多，另外考虑到系统的特殊性和复杂性，仅靠上述三项指标并不能全面的评价其电能质量。大型光伏电站在设计之初往往会考虑其接入点的短路容量等，因此一般不会对电网产生如电压骤变、暂态或瞬态过电压、三相电压不平衡等影响。所以，本实施例中，除了上述三项指标外，还增加了对光伏电站的谐波、电压波动、电压闪变等电能质量指标进行测量分析。综合掌握上述这些指标的实时数据，才能了解光伏电站的运行状态，进而对影响其电能质量的因素进行分析并改善。
电压偏差分析
正常工作状态下，供电系统在某一节点的额定电压与实际电压之差相对于系统额定电压的百分数即为该节点的电压偏差，其计算公式为：
Figure BDA0002880265330000081
式中，ΔU为电压偏差；Ur为实际测量电压；UN为系统额定电压。
频率偏差分析
电工学理论将频率定义为正弦量在单位时间内交变的次数，单位为赫兹(Hz)。交变一次所需要的时间称为周期，单位为秒(s)。频率和周期互为倒数，即
Figure BDA0002880265330000082
正常条件下，电力用户所获得的正弦交流电频率是单一恒定的。当系统运行过程中出现实际频率与标称频率有偏差，称这种偏差为频率偏差，其计算公式为：
Δf＝fr-fN；
式中，Δf为频率偏差；fr为实际测量系统频率；fN为系统标称频率，我国规定系统标称频率为50Hz。
谐波检测分析
理想电力系统应具备单一波形、单一频率和若干电压等级。在现代电力系统中，电压、电流的波形通常为正弦波，当电流和电压的波形相同且同频同相时，其电能传输的效率最高。然而，随着技术的发展，非线性电力电子器件被广泛应用于电力系统中，因此不可避免的被注入了谐波。对周期性非正弦交流量进行傅立叶级数分解，其中大于基波频率整数倍的各次分量即为谐波。对于周期性的电压、电流波形，总谐波畸变率和各次谐波含量是对谐波进行量化分析的两个重要参量。
各次谐波有效值的平方和的平方根值与基波有效值的百分比定义为总谐波畸变率(THD)。电压量的总谐波畸变率THDU为：
Figure BDA0002880265330000083
式中，Un为第n次谐波电压的幅值，U1为基波电压幅值。
电流的总谐波畸变率THD；的表达式为：
Figure BDA0002880265330000084
式中，In为第n次谐波电流的均方根值，I1为基波电流的均方根值。
第n次谐波电压的有效值与基波电压有效值的百分比则定义为电压量的第n次谐波的谐波含量HRUn。
Figure BDA0002880265330000091
式中，Un为第n次谐波电压的幅值，U1为基波电压幅值。
电流量的第n次谐波的谐波含量HRIn的表达式为：
Figure BDA0002880265330000092
式中，In为第n次谐波电流的均方根值，I1为基波电流的均方根值。
由于输配电线路中的变压器、电容器、电缆等负载处于经常的变动之中，极易与电网中含有的大量谐波源构成串联或并联的谐振条件，引发谐波振荡，严重时可能会引发输配电事故的发生。另外，模拟式仪表如电压表、电流表、电能表等被广泛应用于电力系统中，这些仪表可能受到谐波影响从而产生测量误差，无法正确指示和计甲。
电压波动分析
电压波动是电压有效值发生的一系列连续改变或快速变动的现象，通常用在时间上相邻的最大与最小电压方均根值之差与标称电压的相对百分数来表示，即：
Figure BDA0002880265330000093
其中，Umax为最大电压均方根值，Umin为最小电压均方根值，UN为标称电压值。
电压闪变分析
电压闪变测量方法在实际工程中可以用模拟和数字两种方式实现。但是模拟式加权滤波器硬件电路较为设计复杂，可维护性差，且易受环境影响，而数字式加权滤波器法可以利用软件实现，设计灵活，且具有足够的精度和稳定性，因此，电压闪变采用数字化实现。
随着光伏产业的快速发展，光伏电站装机容量不断加大，光伏并网对电网电能质量的影响也将更加突出。如何对并网光伏发电系统的电能质量进行快速、准确的在线监测，对保证电网及电力设备的安全、稳定运行具有非常重要的意义。本发明提供的电能质量监控方法以监测光伏并网后电网质量的电压偏差、频率偏差、电力谐波、电压波动与闪变等指标为总体目标，相较于现有的监测方法，实现了对光伏并网电能质量更高效、准确、可靠地监测，解决了现有技术存在的诸多缺陷。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于ZigBee的电能质量监控方法，其特征在于，包括：
S1，数据采集终端采集光伏阵列的电能质量信号，并通过路由设备将所述电能质量信号发送至ZigBee协调器；
S2，所述ZigBee协调器检测所述电能质量信号是否正确，如果是，则执行步骤S3，如果否，则控制所述数据采集终端重新发送所述电能质量信号；
S3，所述ZigBee协调器将所述电能质量信号发送至上位机，所述上位机基于所述电能质量信号计算得到分析结果，对电能质量进行监测。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的电能质量监控方法，其特征在于，S1具体为：所述数据采集终端在公用电网与并网光伏电站公共连接点处采集所述电能质量信号，并对所述电能质量信号依次进行信号调理及滤波处理。
3.根据权利要求2所述的基于ZigBee的电能质量监控方法，其特征在于，S3中分析结果包括：电压偏差分析、频率偏差分析、谐波检测分析、电压波动分析和电压闪变分析。
4.根据权利要求3所述的基于ZigBee的电能质量监控方法，其特征在于，所述数据采集终端的采样频率大于或等于12.8kHz，所述谐波检测分析中的谐波检测次数小于或等于7次。
5.根据权利要求3所述的基于ZigBee的电能质量监控方法，其特征在于，所述谐波检测分析包括：采用Harming窗对所述电能质量信号进行截断，再利用双谱线插值算法求出所述电能质量信号的频谱信息。
6.一种基于ZigBee的电能质量监控系统，其特征在于，包括：数据采集终端、路由设备、ZigBee协调器和上位机，所述数据采集终端、路由设备和ZigBee协调器构成网状拓扑结构；所述数据采集终端用于采集、处理光伏阵列的电能质量信号并将所述电能质量信号通过所述路由设备发送给所述ZigBee协调器；所述ZigBee协调器用于检测所述电能质量信号是否正确以及控制所述数据采集终端采集所述电能质量信号，并将所述电能质量信号发送给所述上位机；所述上位机用于根据所述电能质量信号计算得到分析结果，实现对电能质量的监测。
7.根据权利要求6所述的基于ZigBee的电能质量监控系统，其特征在于，所述数据采集终端包括依次电连接的信号调理电路、滤波电路和A/D转换模块；所述信号调理电路包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，分别用于将采集的高电压、大电流信号转换为量程范围允许的电压、电流信号。
8.根据权利要求7所述的基于ZigBee的电能质量监控系统，其特征在于，所述滤波电路用于滤除高于500Hz的谐波信号。
9.根据权利要求8所述的基于ZigBee的电能质量监控系统，其特征在于，所述上位机包括电压/电流有效值计算模块、电压偏差分析模块、电压波动及闪变模块、谐波检测模块和频率偏差分析模块；所述电压/电流有效值计算模块分别与所述电压偏差分析模块和所述电压波动及闪变模块电连接；所述谐波检测模块与所述频率偏差分析模块电连接。
10.根据权利要求6～9任一项中所述的基于ZigBee的电能质量监控系统，其特征在于，还包括监测中心和/或手持设备，所述监测中心和/或所述手持设备与所述上位机通信连接，用于接收所述分析结果及发送控制指令。
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