智能微網電能質量監控系統研究*

劉　丹，王根平*，王雅慧（.湘潭大學 信息工程學院，湖南 湘潭 405；.深圳職業技術學院 機電工程學院， 廣東 深圳 58055；.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 4008）

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智能微網電能質量監控系統研究*

劉丹1，王根平2*，王雅慧3
（1.湘潭大學 信息工程學院，湖南 湘潭 411105；2.深圳職業技術學院 機電工程學院， 廣東 深圳 518055；3.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082）

摘 要：通過對微網內各分布式電源電信號進行采樣檢測，檢測信號經小波變換后提取電能質量參數，實現在線檢測分布式電源電能的質量監控.利用現代網絡通信技術，搭建實時電能質量監測和控制系統，實時地將電能質量信息輸送到控制中心或相關責任人，控制中心和相關責任人通過實時監測電能質量參數，出現異常時可迅速作出反應，使得相關電能質量參數控制在合符要求的范圍內.

關鍵詞：智能微網；電信號采樣檢測；小波變換；電能質量監控系統

1　智能微網電能質量問題研究現狀

1.1電網電能的質量分析研究

電能質量問題越來越受到關注，已成為電力系統的研究熱點之一.一方面，隨著科學技術的發展，各種精密復雜用電設備的廣泛應用，這些設備很大一部分對電能質量非常敏感；另一方面，電力系統規模的不斷擴大和用電需求的快速增加，導致電能質量變的非常不穩定.對電能質量分析的主要目的是確定電能信號擾動的類型和范圍，并對相應的擾動源進行有效的調節和補償.因此，改善和提高電能質量的關鍵在于及時、準確地獲取各種擾動信號源的信息.而對電能信號質量參數數據的采集、壓縮、儲存、傳遞、檢測及識別是獲取各種擾動信號信息的手段和前提.在電能質量分析研究領域，國內外學者的關注點主要包括對電能質量擾動信號的采樣方法、電能質量擾動信號的檢測和定位、信號數據的壓縮、電能質量信號擾動的識別、信號擾動參數的估計.此外，電能質量擾動信號噪聲的濾波、暫態擾動信號建模和分析也是電能質量研究的熱點議題[1，2].

1.2智能微網面臨的電能質量問題

智能微網是智能電網的重要發展方向.智能微網的一個重要特征是，它能為各種分布式新能源，如太陽能發電、風力發電等提供接入接口，并將這些新能源電能直接提供給各種電力用戶.由于新能源發電受各種自然條件因素影響，各分布式新能源發電系統都存在一定的間歇性和波動性，這勢必會嚴重影響其所供應的電能質量，這些都是智能電網在電能質量方面面臨的特殊性問題.另外，在智能微網內，各種不同的電力用戶基本上和發電系統位于同一區域，即發電系統發出的電能幾乎直接輸給各種不同的用戶.這樣，電能質量如不能得到及時和有效的處理，勢必會對用戶的生產和設備帶來嚴重的干擾和沖擊.

鑒于智能微網干擾源的特殊，以及用戶與發電系統處于同一區域的特殊情況，構建高效實時的智能微網電能質量監控系統是保證智能微網正常工作必不可少的工作，也成為電能質量研究領域越來越重要的.

2　智能微網電能質量監控系統

智能微網電能質量監控系統的構建，主要從3方面考慮：（1）電能質量分析方法的選取分析；（2）采用小波變換對電能質量分析處理的過程；（3）電能質量監控平臺的構建.

2.1電能質量分析方法的選取

對于電能質量分析，當然要能判斷出電能質量的干擾類型、發生的時間和強度等.常用的電能質量分析方法是對擾動信號進行特征量提取，通過特征量來反應電能質量[3].一般電信號的特征量提取分析主要考慮以下幾個問題：

1）擾動存在的判斷.通過信號檢測和相應的分析，提取的信號特征量能反應擾動信號的奇異性（信號的奇異性指的是在某個時間點電信號存在間斷或某階導數存在不連續性）.

2）電力信號噪聲的消除.智能微網內存在各種分布式電源，也包含各種電力用戶，多種隨機干擾必能參雜在樣信號中.在電力信號特征量提取時，必須消除噪聲對電力信號擾動奇異性的影響.

3）電擾動類型判斷.通過對電信號的采樣和分析，可以通過特征量來直接、反應電信號擾動的類型，使得系統對擾動的判斷準確無誤；

在考慮滿足上述3點要求的基礎上，可以通過常用的信號分析方法及數學工具的對比分析找到合適的處理方法.常用的電力信號處理方法有傅里葉變換、d-q變換法、數字信號濾波、小波變換等[4].傅里葉變換比較適合于平穩信號的分析，而對于短暫的擾動信號分析，具有明顯的不足.d-q變換法和數字信號濾波在簡化運算方面有其優越性，但對于短暫擾動信號的奇異性分析也并不太適用.小波變換由于對局部信號的放大分析處理能力，具備優越的時域和頻域局部化特性，可以對電能信號發生擾動的時刻，擾動信號的幅度以及擾動信號的持續時間進行有效的分析提取.因此，我們選用小波變換應作為一種主要信號分析工具，用于智能微網的電能質量特征參數的在線分析提取.

2.2電能質量分析的小波變換處理

在對所采樣的電力信號進行小波變換處理前，先要選擇小波基.選擇平滑函作為一個基，以使得該函數與所采樣的電力信號進行卷積結果平滑化，分別對該函數進行一次求導和二次求導，所得到的導函數和原函數可以構成我們小波變化的變換基：

假設我們所采樣的電力信號為f(t)，則該電力信號分別與小波基進行卷積運算（即小波變換運算）：

設f(t)為一帶有突變的電力擾動信號，經過小波計算并將結果繪圖，可見小波變換可以將擾動信號的起始時間、擾動持續時間、擾動幅度等信息充分地挖掘出來，如圖1所示.

從圖1可以看出，電力信號的突變點分別對應W(1)f(t)的極大值點和W(2)f(t)的過零點，因而可以很容易找到該擾動變換的起始點、持續時間及其幅度值.有了這些檢測值，便能提取出擾動信號的特征值.在獲得擾動信號特征量的基礎上，可以判斷出擾動的類型、幅度和時間頻率等特性，并能據此推斷出干擾源的類型和存在的位置.

2.3智能微網電能質量監控系統平臺的構建

智能微網電能質量監控系統平臺的構建，最核心的工作是要解決擾動信號的計算分析問題，以獲取擾動信號的類型及干擾源的位置；其次就是要利用現代通信技術將相關信號計算分析的結果反饋到控制中心，由控制中心去控制干擾源的改善或通過通知相關責任人迅速采取應對措施.因而，在構建監控平臺之前，先要設計完成信號采樣及小波信號處理的分布式電源檢測裝置.該裝置可以采樣各分布式電源的電壓和電流的擾動信號，并進行相應的小波變換，在線提取獲得該分布式發電電源電力信號擾動的特征量，進而判斷其發電質量，并給出干擾源的信息.同時該裝置也可接受控制中心的指令，對分布式發電電源進行調節.裝置的系統實現框圖如圖2所示.

將分布式電源檢測裝置安裝于每個分布式電源供電輸出口，實現對每個分布式電源的電能信號采樣以及電能質量分析工作，相關結果可以通過裝置的通信口傳輸到控制中心，接到控制中心的指令后，也可對分布式電源進行調節.由分布式電源檢測裝置及控制中心等組成的電能質量監控系統平臺架構示意圖如圖3所示.

圖3中，控制中心通過有線或無線網絡保持與分布式電源檢測裝置的通信，獲取各分布式電源的質量參數，并根據這些參數對分布式電源進行控制.同時控制中心可以通過移動網絡將相關信息發送到相關責任人的手機上，使得智能微網的電能質量問題可以得到及時處理.

圖1　電力擾動信號突變點及幅度值的檢測

圖2　具備采樣及信號分析功能的分布式電源檢測裝置示意圖

圖3　智能微網電能質量監控系統平臺架構示意圖

這種智能微網的電能質量監控系統，通過對每一個分布式電源的電能質量檢測和控制，可以保證微網內的電能質量滿足相關規定，避免因電能質量問題給電力用戶帶來的困擾.

參考文獻：

［1］ 馮寧，唐秩.電能質量分析與參數估計的研究方法綜述［J］.電力系統及其自動化學報，2010，22（3）：78-82.

［2］ 陳景霞，劉琨，肖琳.電能質量分析概述［J］.信息通信，2015，2（3）：17-18.

［3］ 肖湘寧，徐永海.電能質量問題剖析［J］.電網技術，2OO1，25（3）：66-69.

［4］ 王根平，王雅慧.微網系統電能質量問題分析及調節［J］.深圳職業技術學院學報，2014，13（3）：3-5.

*項目來源：深圳市科技研發資金資助項目（JCYJ20140508155916430）

The Monitoring System of Electricity Quality of Intelligent Power Micro-Grid

LIU Dan1, WANG Genping2, WANG Yahui3
（1. School of Electrical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan, Hunan 411105, China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China；3. School of Electrical Engineering and Automation, Hunan University, Changsha, Hunan 410082,China）

Abstract:The electricity quality of the distributed power source in the micro-grid can be measured online with its electricity signal samples transformed with wavelet transform. A monitoring system was established by using modern communication technologies so that electricity quality information can be sent to the control center, where relevant personnel will take prompt actions accordingly. Thus the system can effectively guarantee the power quality of micro-grid.

Key words:smart micro-grid; electricity signal sampling; wavelet transform; monitoring system of electricity quality

*通訊作者：王根平（1966-），男，江西南昌人，博士，教授級高級工程師，主要研究方向：新能源技術、自動控制、網絡通信技術.

作者簡介：劉丹（1989-），男，湖南瀏陽人，碩士，研究方向：智能控制技術及應用.

收稿日期：2016-01-16

DOI:10.13899/j.cnki.szptxb.2016.03.003

中圖分類號：TM76

文獻標志碼：A

文章編號：1672-0318（2016）03-0016-03