CN113533857B - 基于扰动谐波注入法的新能源发电设备阻抗测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扰动谐波注入法的新能源发电设备阻抗测量系统，包括底层硬件层、中间软件层以及人机交互层，系统具备以安全可靠为原则、以精确性、灵活性和开放性为特点的频率扰动信号，可实现新能源发电设备阻抗的准确测量与分析。本发明弥补了现有测量设备的扰动注入信号单一等问题，拓展了数据采集和信息提取的途径，能够满足新能源发电装置阻抗测量领域实验实践与工程应用的实际需求，并最大化保证设备的使用寿命和系统在实际运行中的安全。本发明为高校科研人员在新能源发电系统及电网系统稳定性控制等研究应用提供平台基础，有利于开展新能源发电设备在各种场景下的阻抗建模及稳定性控制实验。

Description

基于扰动谐波注入法的新能源发电设备阻抗测量系统

技术领域

本发明属于电力设备阻抗测量技术领域，具体涉及一种基于扰动谐波注入法的新能源发电设备阻抗测量系统。

背景技术

伴随着新能源发电装机容量的大幅增长，使得新能源发电并网逆变器在电力系统中的渗透率越来越高。新能源发电的容量越大，交流电网也就相对变弱，电力系统呈现出的电力电子化特征越来越强烈，各类新能源发电设备接入电网后，将与电网以及其它新能源发电设备相互作用，并可能导致电网出现宽频带范围内的复杂振荡现象，影响新能源发电系统及电网的稳定运行。为了保障电网的安全稳定运行以及提升新能源消纳比例，研究分析新能源发电设备的阻抗特性，基于阻抗特性研究新能源接入电网的系统稳定性与控制技术十分关键。

新能源设备阻抗模型可以通过理论建模和实验测量两种途径获得，考虑到新能源发电设备种类繁多，控制各异，推导并建立各类新能源发电设备的解析阻抗模型耗时并容易出现错误，且系统内部参数多不可知，近年来通过外部测量设备得到测试对象较为精确的实测阻抗特性成为研究的热点。公开号为CN112748288A的中国专利提供了一种正弦波注入的UPS输入阻抗测量方法，其将不同频率的交流小信号扰动电压以串联方式依次注入到被测电源设备输入端口，分别提取注入前后输入端口电压和电流信号进行采样分析，计算扰动注入前后的扰动频率的差值电压和差值电流，该电压和电流的比值为这个扰动频率下的输入阻抗，从而得到被测电源设备输入阻抗特性；该专利技术可以剔除激励电压和响应电流之外的背景谐波电压电流，保证阻抗测量准确。

但是目前阻抗测量设备大多造价昂贵，开放性低，只能产生单一固定的单相扰动信号，无法灵活配置、匹配被测对象特征的频率扰动信号，要求测量系统的电源或电网三相电路完全对称，不具备各类复杂环境下阻抗数据测量功能；另外现有设备只能采集三路电压信号，数据采集和信息提取单一，难以适用于特征各异的新能源发电设备的阻抗测量工作。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于扰动谐波注入法的新能源发电设备阻抗测量系统，能够使用户灵活配置扰动信号，满足新能源发电装置阻抗测量领域实验实践与工程应用的实际需求。

一种基于扰动谐波注入法的新能源发电设备阻抗测量系统，包括底层硬件层、中间软件层以及人机交互层，中间软件层包括扰动信号发生模块、数据采集模块以及数据处理模块；系统利用扰动信号发生模块生成三路幅值、频率和相位可调的独立正弦波，利用该正弦波通过底层硬件层对待测设备注入扰动电压，利用数据采集模块使数据采集卡的物理通道与上位机的虚拟通道进行斜接，将采集数据通过数据处理模块进行信号波形还原及FFT运算，得到待测设备的阻抗；同时通过人机交互层以窗口可视化的形式接受用户下达的指令实现对扰动信号自由配置以及数据波形的显示。

进一步地，所述底层硬件层包括：

中央控制单元，其由单片机和上位机组成，其中上位机用于对采集数据进行运算处理，并为用户提供操作指令下达窗口和数据可视的图形化界面；单片机作为主控芯片，其一方面通过串口与上位机通信，方便用户在上位机软件界面对主控芯片下达指令实现对扰动信号的灵活配置，从而驱动产生三路可编程的扰动信号以提供给扰动注入单元，另一方面承担反馈保护任务，在设备工作异常或监测到电网电压大幅波动时及时撤离扰动注入，保障实验平台的安全性；

扰动注入单元，通过SPI协议与单片机通信，根据其提供的扰动信号来配置用户所需求的正弦波信号；

功率放大和隔离单元，用于对来自扰动注入单元的正弦波信号进行功率放大后生成扰动电压，同时保证控制部分与强电部分的隔离，并按照1:1的比例将扰动电压串联注入至待测设备输出侧；

数据采集单元，其由电压电流互感器和数据采集卡组成，用于对待测设备的输出电压及电流信息进行实时采样，并通过USB接口与上位机进行通信传输。

进一步地，所述扰动注入单元选用基于数字频率合成技术的AD9959芯片，所述单片机选用STM32F103RCT6芯片。

进一步地，所述单片机与上位机之间采用CH340芯片实现串口异步通信，上位机在Labview平台上利用VISA配置串口。

进一步地，所述扰动信号发生模块集成于单片机中，其具体工作流程为：首先通过单片机对扰动注入单元的芯片管角进行初始化配置，包括对管角的时钟使能和悬空输入模式设置；然后在芯片配置完成的SDIO管角写入包含扰动信号配置信息的二进制数据，并将UPDATE管角设置为上升沿触发，使SDIO管角写入的数据被芯片的寄存器读取；芯片根据读取的数据对正弦波信号进行配置，然后利用单片机的时钟中断程序进行频率写入，即在每个中断程序中按照需求更改SDIO管角写入的频率设置，以实现扰动信号扫频功能。

进一步地，所述数据采集模块集成于上位机中，其具体工作流程为：首先在Labview中创建USB-3106A数据采集任务，在任务中对采集虚拟通道的属性进行配置，包括采样频率、采样点数和采样方式；然后通过配置通道窗口将虚拟通道与由数据采集卡构成的物理通道连接，并将设置的虚拟通道属性配置到物理通道上；进而开始采集任务实现物理通道对数据的采集，并将采集数据通过虚拟通道返回上位机数据窗口，当采集任务完成后，通过结束任务释放虚拟通道，为下次数据采集任务做准备。

进一步地，所述数据处理模块集成于上位机中，其用于将来自数据采集模块获得的数据以表格形式存储到Excel中，然后在MATLAB中加载该表格并通过描点法还原信号波形，再对得到的波形数据进行傅里叶分析和对称分量处理，将某一扰动频率下的电压与电流响应作比即得到待测设备在该频率处的阻抗响应，进而通过改变扰动频率，重复以上步骤进行扫频测量，即可得到一定频率范围内待测设备的阻抗特性。

进一步地，所述人机交互层集成于上位机中，包括：

指令控制单元，其首先通过上位机打开串口，并设置串口的波特率、数据位和停止位，使其与单片机的串口进行匹配；然后在单片机中设置时钟中断程序，使其不断监测串口是否有数据接收，如果有的话则对接收到的数据进行处理即针对不同的指令控制单片机配置扰动信号，处理完成后清除中断标志位以便接收下一次指令；

系统监控单元，用于搭建基于Labview的前面板图形化界面，供用户灵活选择数据采集的采样频率、采样点数以及采样方式，使采集到的波形显示在用户界面虚拟示波器中，使波形数据以表格的形式储存在内存中，方便用户后续提取。

本发明阻抗测量系统具备以安全可靠为原则、以精确性、灵活性和开放性为特点的频率扰动信号，并配备安全稳定的功率放大器和隔离变压器以接入电网，采用USB-3106A数据采集卡采样精度高，可实现新能源发电设备阻抗的准确测量与分析。本发明弥补了现有测量设备的扰动注入信号单一等问题，拓展了数据采集和信息提取的途径，能够满足新能源发电装置阻抗测量领域实验实践与工程应用的实际需求，并最大化保证设备的使用寿命和系统在实际运行中的安全。本发明阻抗测量系统为高校科研人员在新能源发电系统及电网系统稳定性控制等研究应用提供平台基础，有利于开展新能源发电设备在各种场景下的阻抗建模及稳定性控制实验。

附图说明

图1为本发明新能源发电设备阻抗测量系统的拓扑结构示意图。

图2为扰动信号发生模块的具体执行流程示意图。

图3为数据采集模块的具体执行流程示意图。

图4为上位机通过串口给单片机发送指令的具体流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明新能源发电设备阻抗测量系统主要分为底层硬件层、中间软件层、人机交互层；其中底层硬件层主要包括中央控制单元、扰动注入单元、功率放大和隔离单元、数据采集单元；中间软件层主要包括扰动信号发生模块、数据采集模块、数据处理模块；人机交互层主要包括指令控制单元、系统监控单元。

底层硬件层：

其中中央控制单元由STM32F103RCT6和PC上位机组成，PC上位机对采集数据进行运算处理，并为用户提供操作指令下达窗口和数据可视的图形化界面，STM32F103RCT6作为主控芯片，主要分为以下功能：(1)通过SPI协议与扰动注入单元进行通信，驱动产生三路可编程扰动信号；(2)通过CH340与PC上位机通信，方便用户在上位机软件界面对主控芯片下达指令实现对扰动信号的灵活配置，CH340使用USB转USTART功能；(3)承担反馈保护任务，在设备工作异常或监测到电网电压大幅波动时及时撤离扰动注入信号，保障实验平台的安全性。

扰动注入单元选用数字频率合成技术(DDS)AD9959芯片，支持SPI协议与主控机通信，通过STM32F103RCT6给AD9959下达指令来配置用户所需求的正弦波；功率放大和隔离单元对来自扰动注入单元的正弦波信号进行功率放大，同时保证控制部分与强电回路的隔离，按照1:1的比例将扰动电压信号串联注入待测设备输出侧；数据采集单元由电压电流互感器和数据采集卡组成，对待测设备的输出电压电流信息进行实时采样，并通过USB接口与PC上位机进行通信传输。

中间软件层：

如图2所示，其中扰动信号发生模块的执行步骤包括：单片机开机初始化、IO口初始化函数、AD9959初始化配置函数、正弦波参数配置函数、扫频模式下扫频参数设置函数；在设备启动后，STM32首先对AD9959进行初始化操作，配置管口IO操作模式以及内核时钟频率，随后将AD9959的寄存器地址进行映射，实现通过IO口对寄存器的读写；最后根据时钟时序将上层指令通过IO口写入地址和数据，实现用户需求的信号频率、幅度、相位输出。

如图3所示，数据采集模块的执行步骤包括：初始化AI采集任务、使用相同参数读取AI数据并处理、使用不同参数读取AI数据并处理、释放设备对象，具体过程如下：

1.调用LabVIEW中的“ArtDAQ创建采集任务”子VI创建一个当前数据采集任务。

2.调用LabVIEW中的“ArtDAQ创建采集虚拟通道”子VI，并将其与“创建任务”VI连接。

3.使用设备上的Dev1/ai0作为模拟输入信号的物理通道。

4.根据测量的输入信号幅值选择相应的电压范围，ArtDAQ自动把这些属性配置至虚拟通道端口。

5.调用LabVIEW中“ArtDAQ定时”VI的采样时钟实例，指定数据采集采样率为1000Hz，采样模式为有限采样，采样点数为10,010。

6.调用“ArtDAQ开始采集任务”子VI命令USB-3106A开始一个采集任务。

7.调用“ArtDAQ读取通道采集数据”子VI对USB-3106A的采集通道进行数据读取，指定每通道采样数为10,010。

8.当采集完所需的样本数据后，调用“ArtDAQ停止采集任务”子VI停止当前数据采集任务。

9.调用“ArtDAQ清除采集任务”子VI将目前任务释放，方便下次创建采集任务。

数据处理模块将来自数据采集模块获得的数据以表格形式存储到Excel，其中第一列数据为离散时间点，第二列数据为采样信号幅值，在MATLAB中加载该表格并通过描点法还原信号波形，再对得到的波形数据进行傅里叶分析和对称分量处理，将某一扰动频率下的电压响应与电流响应作比即得到系统在该频率处的阻抗响应；进而通过改变扰动频率，重复以上步骤进行扫频测量，即可得到一定频率范围内的待测设备的阻抗特性。

人机交互层：

为提高人机交互性，实现用户在上位机界面发送命令配置扰动信号的频率、幅值和相位信息，本发明测量系统中STM32F103RCT6与PC上位机采用串口异步通信，在KEIL平台和Labview平台中分别对STM32和PC上位机进行串口配置。其中，在KEIL平台的单片机串口配置步骤为：初始化IO管角-配置串口协议规则，包括波特率和奇偶校验位、数据位和停止位-发送和接受命令；如图4所示，上位机在Labview平台利用VISA配置串口，上位机通过串口给STM32F103RCT6发送指令的步骤包括：单片机和PC串口初始化、单片机使能USTART接受串口中断、PC用户界面写入指令、单片机按指令控制AD9959配置扰动信号、清除中断标志位并等待下次接收指令；系统监控单元搭建了基于Labview的前面板图形化界面，可供用户灵活选择数据采集的采样频率、采样点数以及采样通道，采集到的波形会显示在用户界面虚拟示波器中，波形数据也以表格的形式储存在内存中，方便用户后续提取。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于扰动谐波注入法的新能源发电设备阻抗测量系统，其特征在于：包括底层硬件层、中间软件层以及人机交互层，中间软件层包括扰动信号发生模块、数据采集模块以及数据处理模块；系统利用扰动信号发生模块生成三路幅值、频率和相位可调的独立正弦波，利用该正弦波通过底层硬件层对待测设备注入扰动电压，利用数据采集模块使数据采集卡的物理通道与上位机的虚拟通道进行斜接，将采集数据通过数据处理模块进行信号波形还原及FFT运算，得到待测设备的阻抗；同时通过人机交互层以窗口可视化的形式接受用户下达的指令实现对扰动信号自由配置以及数据波形的显示；

所述底层硬件层包括：

中央控制单元，其由单片机和上位机组成，其中上位机用于对采集数据进行运算处理，并为用户提供操作指令下达窗口和数据可视的图形化界面；单片机作为主控芯片，其一方面通过串口与上位机通信，方便用户在上位机软件界面对主控芯片下达指令实现对扰动信号的灵活配置，从而驱动产生三路可编程的扰动信号以提供给扰动注入单元，另一方面承担反馈保护任务，在设备工作异常或监测到电网电压大幅波动时及时撤离扰动注入，保障实验平台的安全性；

扰动注入单元，通过SPI协议与单片机通信，根据其提供的扰动信号来配置用户所需求的正弦波信号；

功率放大和隔离单元，用于对来自扰动注入单元的正弦波信号进行功率放大后生成扰动电压，同时保证控制部分与强电部分的隔离，并按照1:1的比例将扰动电压串联注入至待测设备输出侧；

数据采集单元，其由电压电流互感器和数据采集卡组成，用于对待测设备的输出电压及电流信息进行实时采样，并通过USB接口与上位机进行通信传输；

所述扰动信号发生模块集成于单片机中，其具体工作流程为：首先通过单片机对扰动注入单元的芯片管角进行初始化配置，包括对管角的时钟使能和悬空输入模式设置；然后在芯片配置完成的SDIO管角写入包含扰动信号配置信息的二进制数据，并将UPDATE管角设置为上升沿触发，使SDIO管角写入的数据被芯片的寄存器读取；芯片根据读取的数据对正弦波信号进行配置，然后利用单片机的时钟中断程序进行频率写入，即在每个中断程序中按照需求更改SDIO管角写入的频率设置，以实现扰动信号扫频功能；

所述数据采集模块集成于上位机中，其具体工作流程为：首先在Labview中创建USB-3106A数据采集任务，在任务中对采集虚拟通道的属性进行配置，包括采样频率、采样点数和采样方式；然后通过配置通道窗口将虚拟通道与由数据采集卡构成的物理通道连接，并将设置的虚拟通道属性配置到物理通道上；进而开始采集任务实现物理通道对数据的采集，并将采集数据通过虚拟通道返回上位机数据窗口，当采集任务完成后，通过结束任务释放虚拟通道，为下次数据采集任务做准备；

所述数据处理模块集成于上位机中，其用于将来自数据采集模块获得的数据以表格形式存储到Excel中，然后在MATLAB中加载该表格并通过描点法还原信号波形，再对得到的波形数据进行傅里叶分析和对称分量处理，将某一扰动频率下的电压与电流响应作比即得到待测设备在该频率处的阻抗响应，进而通过改变扰动频率，重复以上步骤进行扫频测量，即可得到一定频率范围内待测设备的阻抗特性；

所述人机交互层集成于上位机中，包括：

指令控制单元，其首先通过上位机打开串口，并设置串口的波特率、数据位和停止位，使其与单片机的串口进行匹配；然后在单片机中设置时钟中断程序，使其不断监测串口是否有数据接收，如果有的话则对接收到的数据进行处理即针对不同的指令控制单片机配置扰动信号，处理完成后清除中断标志位以便接收下一次指令；

系统监控单元，用于搭建基于Labview的前面板图形化界面，供用户灵活选择数据采集的采样频率、采样点数以及采样方式，使采集到的波形显示在用户界面虚拟示波器中，使波形数据以表格的形式储存在内存中，方便用户后续提取。

2.根据权利要求1所述的新能源发电设备阻抗测量系统，其特征在于：所述扰动注入单元选用基于数字频率合成技术的AD9959芯片，所述单片机选用STM32F103RCT6芯片。

3.根据权利要求1所述的新能源发电设备阻抗测量系统，其特征在于：所述单片机与上位机之间采用CH340芯片实现串口异步通信，上位机在Labview平台上利用VISA配置串口。

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