TW201506831A - 微型電網的電力品質事件偵測與收集系統 - Google Patents

Abstract

一種微型電網的電力品質事件偵測與收集系統，應用於有至少一交流匯流排的微型電網，通訊網路分布於該微型電網中，複數個偵測器則個別偵測交流匯流排上任一處的一電力波形訊號，進行初步電力品質事件判斷。通訊閘道器則通過該通訊網路接收該些包括發生時間點的電力波形訊號，其中通訊閘道器包括一資料儲存模組以儲存該些電力波形訊號。此通訊閘道器可迅速將收集到的電力波形訊號傳送至外界的電子裝置辨識電力品質事件種類與發生原因。

Description

微型電網的電力品質事件偵測與收集系統

本案是關於微型電網的技術領域，特別是關於微型電網中的電力品質事件收集的技術領域。

為了提升電力能源的使用效率以及降低能源流失，近年來微型電網(Micro-Grid)的概念被提出，在電網中加入分散型電源的比例也隨之提高。其次，為使能源消耗更具效益，各國政府正積極推展智慧電網(Smart Gird)佈建之相關計畫，其乃結合信號量測分析、控制與資通訊等相關技術，以利電網之狀態監測與穩定度控制。

微型電網或微型網是由一群分散型能源所構成的單一且可控制的小型電力系統，其主要採用在地能源，可以就近當成在市電網路中一個可控制的單元，提供當地用戶所需電力，降低長距離傳輸所造成的能源損耗。此外，微型網可有效調節尖離峰的用電需求，若遇到大規模停電，可緊急調度電力分配，再者，由於再生能源的間歇發電特性，對於再生能源的利用，很難採取傳統電網集中式輸電，因此，運用微型電網的地產地銷概念，以電力電子技術可將再生 能源產生的能量轉換為電能，並配有儲能裝置，可儲存多餘電能，以滿足供電品質和安全。微型電網可廣泛應用於住宅、辦公大樓、醫院、學校，甚至社區或鄉鎮，建構電力自給自足的生活型態。除可就地使用、獨立區域供電之外，也可與大型電力系統併網供電。

智慧型電網與微型電網之建構與相關研究為近年來 新興之研究議題，目前有關智慧型電網、微型電網與電力品質的IEEE期刊論文仍非常有限，大部分皆集中於2009至2012年的國際會議論文，茲列舉若干如下。

探討分散型發電、整流器、充電式電動混合車(PHEV) 對智慧型電網中電力品質的影響有：M.Olofsson發表標題為“Power quality and EMC in smart grid,”；Z.Tatai,E.Paal發表標題為“Grid connected inverters influence on power quality of smart grid,”；Y.Liu,Y.Duan,J.Li，發表標題為“Research on distribution reliability and power quality of smart grid,”；P.Moses,S.Deilami,A.Masoum,M.Masoum發表標題為“Power quality of smart grids with plug-in electric vehicles considering battery charging profile,”；D.Forner,T.Erseghe,S.Tomasin,P.Tenti發表標題為“On efficient use of local sources in smart grids with power quality constraints,”；B.Howe發表標題為“PQ benchmarking in the age of the smart grid,”。

C.Noce,S.Sartore發表標題為“The new Enel Distribuzione power quality data warehouse and its applications for smart grids”者則針對智慧型電網中，電力品質資料倉儲(Data warehouse)系統提出相關應用。

針對微型電網中，如何提昇電力品質的設備控制技 術，提供用戶所需不同的供電品質，提出其相關作法的則有：P.Tenti,A.Costabeber,P.Mattavelli發表標題為“Improving power quality and distribution efficiency in micro-grids by cooperative control of switching power interfaces,”；A.K.Basu,S.Chowdhury,S.P.Chowdhury發表標題為“Distributed energy resource capacity adequacy assessment for PQR enhancement of CHP micro-grid,”；X.Li,Z.Wang,G.Li,M.Zhou,K.L.Lo發表標題為“The generating mechanism and optimal control of power quality in micro-grids,”。

在智慧型電網或微型電網中，有關能源管理與資料擷 取系統的建置文獻有：利用無線技術的方式來處理智慧型電網中電力訊號的資料傳輸與管理機制者：M.Erol-Kantarci,H.T.Mouftah發表標題為“TOU-aware energy management and wireless sensor networks for reducing peak load in smart grids,”；M.Erol-Kantarci,H.T.Mouftah發表標題為“Wireless sensor networks for domestic energy management in smart grids,”。

提出如何使用最佳化的方式來控制智慧型電網中的 能源管理系統，以增進能源管理的效益有：A.Molderink,V.Bakker,M.G.C.Bosman,J.L.Hurink,G.J.M.Smit發表標題為“Domestic energy management methodology for optimizing efficiency in smart grids,”；A.Mohd,E.Ortjohann,W.Sinsukthavorn,M.Lingemann,N.Hamsic,D.Morton發表標題為“Supervisory control and energy management of an inverter-based modular smart grid,”。

依據上述可以得知，近幾年中，有關智慧型電網、微 型電網與電力品質、資料管理與擷取系統相關議題的論文有相當數量的提升。雖然，針對智慧電網或微型電網中之電力品質問題的研究亦受到重視，然對智慧電網中電力品質事件偵測與辨識方法卻屈指可數，僅H.Xingze,O.P.Manun,C.-C.J.Kuo,Z.Ye發表標題為“A change-point detection approach to power quality monitoring in smart grids,”，其中揭露利用Change-point detection的方式來偵測電力品質事件的發生，但此偵測演算法並無用硬體實現，缺乏實際驗證。

因此，找出可由硬體/軟體實現的電力品質事件偵測與 辨識方法，是發展微型電網時需重視的課題之一。

依據上述，本案提出一種微型電網的電力品質事件偵 測與收集系統，其包括可接收即時、線上偵測電力品質事件發生與結 束點之高準確度硬體偵測器所傳送的電力品質事件的一通訊閘道器。

依據上述，本案提出一種微型電網的電力品質事件偵 測與收集系統，包括與至少一偵測器通訊的一通訊閘道器，一旦偵測器發現到電力品質事件後，立即將該偵測點之異常電力波形資料與發生時間，傳送至通訊閘道器。

依據上述，本案提出一種微型電網的電力品質事件偵 測與收集系統，其包括以進階精簡指令集機器(Advanced RISC Machine,ARM)嵌入式系統為主體的一通訊閘道器，其可與不同的電腦或通信裝置連接，藉以將收集彙整的異常電力波形資料與發生時間點，再傳送至電腦或通信裝置辨識電力品質事件種類、發生時間點以及找出電力品質事件的發生原因。

依據上述，一種微型電網的電力品質事件偵測與收集 系統，微型電網包括至少一交流匯流排，該微型電網的電力品質事件偵測與收集系統包括：一通訊網路，其分布於該微型電網中；複數個偵測器，其個別偵測該交流匯流排上任一處的一電力波形訊號；以及一通訊閘道器，其通過該通訊網路接收該些電力波形訊號，以及傳送該些電力波形訊號至一電子裝置，其中，該通訊閘道器包括一資料儲存模組以儲存該些電力品質事件的電力波形訊號與發生時間點。

較佳地，任一該電力波形訊號包括具暫態脈衝、震 盪、驟降、陡升、閃爍、諧波或斷電的突變波形訊號以及一發生時間點。

較佳地，該通訊閘道器更包括一網路通訊模組以及分 別連接該網路通訊模組與該資料儲存模組的一中央處理模組，該網路通訊模組以有線或無線的方式連接該通訊網路外界的一電子裝置。

較佳地，該通訊閘道器更包括連接該中央處理單元的 一末端監控網路模組，該末端監控網路模組包括一或多個有線或無線的通訊連接區塊連接至該些偵測器。

較佳地，該些無線的通訊連接區塊包括ZigBee,WiFi, Internet,RS232以及RS485之至少一者的連接埠區塊，以及該些有線的通訊連接區塊包括電力線通訊。

較佳地，該通訊網路包括一或多個RF,WiFi以及 ZigBee三者至少之一基地台。

較佳地，該些偵測器至少之一包括一小波轉換部分接 收以及小波轉換該電力波形訊號後，該電力波形訊號再通過該通訊網路。

依據上述，一種微型電網的電力品質事件偵測與收集 系統，包括一通訊閘道器收集一交流匯流排的複數電力波形訊號，其中該通訊閘道器包括：一末端監控網路模組，其接收該些電力波形訊 號；一資料儲存模組，其儲存該些電力波形訊號；以及一中央處理模組，其連接該末端監控網路模組與該資料儲存模組，以及協調該末端監控網路模組與該資料儲存模組。

較佳地，該末端監控網路模組包括ZigBee,WiFi, Internet,RS232以及RS485之至少一者的連接埠區塊，以及該資料儲存模組包括一或多個動態隨機存取記憶體、固態式磁碟機或SD等記憶卡。

較佳地，該些電力波形訊號包括通過一小波轉換後 的、具暫態脈衝、震盪、驟降、陡升、閃爍、諧波或斷電的突變波形訊號以及一發生時間點。

為了能進一步了解本發明為達成預定目的所採取之 技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明的詳細說明及附圖。本發明的目的、特徵或特點，當可由此得到一深入且具體的瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用以對本發明加以限制者。

10‧‧‧微型電網

12‧‧‧發電系統

14‧‧‧儲能系統

16‧‧‧電力連接與切換系統

18‧‧‧受控負載系統

20‧‧‧電力品質事件偵測與收集系統

122‧‧‧太陽能板

124‧‧‧風力發電機

126‧‧‧柴油發電機

142‧‧‧儲能電池組

162‧‧‧直流匯流排

164‧‧‧交流匯流排

166‧‧‧變壓設備或變頻設備

167‧‧‧乙太網路

168‧‧‧電子設備

169‧‧‧静態切換開關

182‧‧‧馬達

184‧‧‧照明設備

186‧‧‧電動車

188‧‧‧空調

202‧‧‧通訊閘道器

204‧‧‧偵測器

206‧‧‧通訊網路

212‧‧‧無線通訊設備

214‧‧‧電力線

50‧‧‧通訊閘道器

52‧‧‧中央處理模組

54‧‧‧網路通訊模組

56‧‧‧資料儲存模組

58‧‧‧末端監控網路模組

59‧‧‧顯示模組

30‧‧‧偵測器

32‧‧‧暫態干擾事件分析模組

301‧‧‧電力波形輸入信號

323‧‧‧電力波形訊號

322‧‧‧小波轉換部分

324‧‧‧抑制雜訊部分

328‧‧‧特徵粹取部分

326‧‧‧輸入波形處理部分

圖1為一微型電網系統的結構方塊示意圖。

圖2為一方塊示意圖，說明本案的一通訊閘道器的硬體結構。

圖3為本案之一偵測器實施例的部分方塊示意圖。

圖1為一微型電網系統的結構方塊示意圖。參照圖1，本案的一微型電網10包括發電系統12、儲能系統14、電力連接與切換系統16、受控負載系統18以及電力品質事件偵測與收集系統20。於一實施例中，發電系統12可以是一分散式發電系統，包括不同型式的發電設備，例如太陽能板122、風力發電機124以及柴油發電機126與其各自的控制設備，其可以設置於微型電網10中的不同位置，其各自使用不同的能源型式轉換成電能，再由電力連接與切換系統16傳送或儲存於本地或他處。

儲能系統14，其可以包括不同型式的儲能設備，例如儲能電池組142，通過電力連接與切換系統16連接發電系統12，藉以從發電系統12接收電能儲存，或是將儲存的電能通過電力連接與切換系統16傳送至受控負載系統18。

受控負載系統18，舉例但不限的，例如馬達182、照明設備184、電動車186以及空調188等任何需要消耗電能的負載，各自通過電力連接與切換系統16，接收來自發電系統12以及儲能系統14兩者至少之一的電能。其次，受控負載系統18亦可與電力品質事件偵測與收集系統20通訊，傳送電力資訊給電力品質事件偵測與收集系統20，或是接收電力品質事件偵測與收集系統20的控制指令。

電力連接與切換系統16，其包括但不限的，例如靜態切換開關169、直流匯流排162、交流匯流排164等有線電力線等等。要說明的是，各種直流匯流排162或是交流匯流排164上可傳遞不同電壓的電力，不同電壓或不同電流的匯流排間可以設置變壓設備或變頻設備166來進行轉換等。

本案的電力品質事件偵測與收集系統20，包括一通訊閘道器202、一或多個偵測器204以及通訊網路206，其中，通訊網路206包括一或多個無線通訊設備212(例如WiFi,ZigBee基地台)以及電力線214等等。於一實施例中，一或多個偵測器204設置於不同的交流匯流排164附近，其偵測交流匯流排164上任一處的電力波形訊號，並將偵測所得的訊號通過無線通訊設備212或是電力線214傳送至通訊閘道器202中；又，除了電力品質偵測，偵測器204也可以進行初步的電力品質辨識。是以，在所在的交流匯流排164線上，偵測器204可以即時監控具暫態突變波形，或是也可包括穩態波形信號警示。

要說明的是，由於微型電網10中包括各種不同的設備，導致電力品質不良或異常的原因複雜，例如非線性負載造成的諧波污染、雷擊、靜電放電、傳輸線切換或負載切換造成的脈衝現象、負載啟動或故障造成的電壓陡降或是電壓陡升等都會影響電力品 質。此些原因導致電力訊號波形(包括電壓與電流)的異常，一旦設置於交流匯流排164上任一點的偵測器204偵測到異常的電力波形訊號，一方面可立即將異常的電力波形訊號、發生時間點以及該偵測器204的位置等資訊傳送至通訊閘道器202中收集或進一步進行初步的分析。是以，偵測器204偵測或監控的電力波形訊號包括具暫態脈衝、震盪、驟降、陡升、斷電、閃爍、諧波等突變波形訊號以及其發生時間點，或是更包括穩態電力閃爍與諧波的波形訊號。另一方面，通訊閘道器202則收集各偵測器204傳來不同時間、不同地點、不同原因的異常的電力波形訊號，並且將此些電力波形訊號以及發生的時間點通過其他網路系統，例如乙太網路167傳送至具有微處理器的電子設備168中，例如電腦、或手機等進行辨識。電子設備168接收由通訊閘道器202傳來的一或多個電力波形訊號以及其發生時間點後，可藉以辨識以及找出電力品質事件種類以及發生原因和時間等訊息。

本案中的通訊閘道器202，可以是以進階精簡指令集 機器(Advanced RISC Machine,ARM)嵌入式系統為主體，可與不同的電腦或通信裝置連接，藉以將收集彙整的異常電力波形資料以及對應的電力品質事件發生的時間點，再將上述資料傳送至電腦或通信裝置辨識屬於電力品質事件的原因。本案中的通訊閘道器202的設置，其 優點在於迅速地先將不同測量點的異常電力波形訊號以及其發生的時間點資訊收集起來，再以有線或無線的方式傳送至具有辨識能力的電子裝置168，通訊閘道器202本身並不進行複雜的電力品質事件辨識工作，如此可縮短電力品質事件的整個處理過程。

圖2為一方塊示意圖，說明本案的一通訊閘道器的硬 體結構。通訊閘道器是一通訊協定轉換裝置，可連接完全不同的網路，即可連接OSI七層完全不同的網路架構，參考圖2，本案的一通訊閘道器50包括一中央處理模組52、一網路通訊模組54、一資料儲存模組56、一末端監控網路模組58以及一顯示模組59。於一實施例中，中央處理模組52，例如由工業級單板電腦的中央處理單元，其可以分別與網路通訊模組54、資料儲存模組56、末端監控網路模組58以及顯示模組59連接，其監督上述各模組是否正常運作、協調上述模組之間的運作與安排上述模組之間的工作順序。中央處理模組52負責，舉例但不限的，安排工作項目、計時動作、計數器的計數、發出指令以令各模組完成用戶服務或需求面管理的工作內容、分解資訊封包及分析封包內容、協調各模組對於資料的取得等等。

其次，網路通訊模組54，例如包括一或多網路卡，其 以有線或無線的方式連接至一或多個可具有微處理器的電子裝置，例如電腦、或手機等，藉以通過有線(例如乙太網路)或無線網路與電子 裝置通訊。要說明的，除了中央處理模組52可進行分解資訊封包及分析封包內容外，本案中的網路通訊模組54亦可以依據需求而具有分解資訊封包及分析封包內容的功能，而不限於中央處理模組52。 又，資料儲存模組56，例如由動態隨機存取記憶體與固態式磁碟機兩者至少之一、SD等記憶卡構成，其處理並收集回傳資料、建置回傳封包、儲存指令、封包資料等等，以及儲存受控負載(圖上未示)的若干資訊，例如電力信號值。可以選擇的，資料儲存模組56亦可負責協調各模組對於資料的取得，使得各模組更有效、更方便以及更快速地處理各項資料的查詢及變更。

再者，末端監控網路模組58包括一或多個有線或無 線的通訊連接區塊，例如ZigBee,WiFi,RS232,RS485,PLC的通訊埠區塊，其與微型電網電力品質偵測系統中的一或多個電力品質事件偵測器連接，藉以傳遞電力品質等資訊。顯示模組59，例如包括顯示卡，其可顯示通訊閘道器50的各項參數設定、結果等。

圖3為本案之一偵測器實施例的部分方塊示意圖。參 考圖3，偵測器30包括一暫態干擾事件分析模組32接收交流匯流排上一處的電力波形輸入信號301並處理電力波形輸入信號301後產生一包括暫態干擾事件信號的電力波形訊號323，並將電力波形訊號323通過通訊網路傳送至通訊閘道器儲存。於一實施例中，暫態干擾 事件分析模組32至少包括一小波轉換部分322、特徵粹取部分328以及一抑制雜訊部分324。小波轉換部分322執行離散小波轉換步驟，數位信號饋入如同帶通濾波器的離散小波轉換而被觀察不同頻率波形信號的振幅大小，在經由小波轉換後，只觀察較高頻的尺度視窗，以決定是否有暫態現象發生，並作為是否觸發故障記錄器的依據。另一方面，小波轉換部分322執行不同尺度小波轉換係數值(尺度函數)後的結果進入特徵粹取部分328中粹取出包括一暫態干擾事件特徵的一信號。配合特徵粹取部分328，暫態干擾事件分析模組32進行包括計算相鄰尺度的相關函數值、新相關函數值、從周圍環境中的雜訊擷取出將經小波轉換後所產生的重要突波、以及將所有的尺度建立新的小波轉換係數值等步驟。暫態干擾事件分析模組32可以更包括一輸入波形處理部分326，其係將電力波形輸入信號301經事先設定採樣頻率的類比/數位轉換器轉換成數位信號，其中數位信號包括電壓波形與電流波形。又，暫態干擾事件分析模組32可以更包括一抑制雜訊部分324來抑制具有暫態干擾事件特徵的信號上的雜訊，抑制雜訊部分324利用將所有的尺度建立新的小波轉換係數值的運算後，若所有的新的小波轉換係數值皆小於預先設置給予尺度的門檻值後，則停止演算。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並非用以限定本 發明的權利要求範圍，因此凡其他未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含于本發明的範圍內。

10‧‧‧微型電網

12‧‧‧發電系統

14‧‧‧儲能系統

16‧‧‧電力連接與切換系統

18‧‧‧受控負載系統

20‧‧‧電力品質事件偵測與收集系統

122‧‧‧太陽能板

124‧‧‧風力發電機

126‧‧‧柴油發電機

142‧‧‧儲能電池組

162‧‧‧直流匯流排

164‧‧‧交流匯流排

166‧‧‧變壓設備或變頻設備

167‧‧‧乙太網路

168‧‧‧電子設備

169‧‧‧静態切換開關

182‧‧‧馬達

184‧‧‧照明設備

186‧‧‧電動車

188‧‧‧空調

202‧‧‧通訊閘道器

204‧‧‧偵測器

206‧‧‧通訊網路

212‧‧‧無線通訊設備

214‧‧‧電力線

Claims (10)

1. 一種微型電網的電力品質事件偵測與收集系統，微型電網包括至少一交流匯流排，該微型電網的電力品質事件偵測與收集系統包括：一通訊網路，其分布於該微型電網中；複數個偵測器，其個別偵測該交流匯流排上任一處的一電力波形訊號；一通訊閘道器，其通過該通訊網路接收該些電力波形訊號，以及傳送該些電力波形訊號至一電子裝置，其中，該通訊閘道器包括一資料儲存模組以儲存該些電力波形訊號。
2. 如請求項1所述之微型電網的電力品質事件偵測與收集系統，其中，任一該電力波形訊號包括具暫態脈衝、震盪、驟降、陡升、閃爍、諧波或斷電的突變波形訊號以及一發生時間點。
3. 如請求項1所述之微型電網的電力品質事件偵測與收集系統，其中，該通訊閘道器更包括一網路通訊模組以及分別連接該網路通訊模組與該資料儲存模組的一中央處理模組，該網路通訊模組以有線或無線的方式連接該通訊網路至該電子裝置。
4. 如請求項3所述之微型電網的電力品質事件偵測與收集系統，其中，該通訊閘道器更包括連接該中央處理單元的一末端監控網路 模組，該末端監控網路模組包括一或多個有線或無線的通訊連接區塊連接至該些偵測器，該些無線的通訊連接區塊包括ZigBee,WiFi,Internet,RS232以及RS485之至少一者的連接埠區塊，以及該些有線的通訊連接區塊包括電力線通訊。
5. 如請求項3所述之微型電網的電力品質事件偵測與收集系統，其中，該電子裝置接收由該通訊閘道器傳來的該些電力波形訊號，並基於該些電力波形訊號以辨識出至少一電力品質事件的原因以及發生時間點。
6. 如請求項1所述之微型電網的電力品質事件偵測與收集系統，其中，該通訊網路包括一或多個Internet,WiFi以及ZigBeen三者至少之一基地台。
7. 如請求項1所述之微型電網的電力品質事件偵測與收集系統，其中，該些偵測器至少之一包括一小波轉換部分接收以及小波轉換該電力波形訊號後，該電力波形訊號再通過該通訊網路。
8. 一種微型電網的電力品質事件偵測與收集系統，包括一通訊閘道器收集一交流匯流排的複數電力波形訊號，其中該通訊閘道器包括：一末端監控網路模組，其接收該些電力波形訊號；一資料儲存模組，其儲存該些電力波形訊號；以及 一中央處理模組，其連接該末端監控網路模組與該資料儲存模組，以及協調該末端監控網路模組與該資料儲存模組。
9. 如請求項8所述之微型電網的電力品質事件偵測與收集系統，其中，該末端監控網路模組包括ZigBee,WiFi,RS232以及RS485之至少一者的連接埠區塊，以及該資料儲存模組包括一或多個動態隨機存取記憶體、固態式磁碟機或SD等記憶卡。
10. 如請求項8所述之微型電網的電力品質事件偵測與收集系統，其中，該些電力波形訊號包括通過一小波轉換後的、具暫態脈衝、震盪、驟降、陡升、閃爍、諧波或斷電的突變波形訊號以及一發生時間點。