淺談微電網電能質量在線監測系統設計

黃朵+洪海濤+賀健偉

摘 要：微網電能質量的好壞直接影響到用戶對微電網接受程度，影響著微網的推廣應用。文章分析了微網電能質量的影響因素，并根據微網各影響因素的特點提出微網電能質量在線監測系統的設計思路，并以一個小型并網型微網為對象設計了微電網電能質量在線監測系統的總體框架、功能模塊和拓撲結構。

關鍵詞：微電網；電能質量；在線監測系統；拓撲結構

中圖分類號：TM769 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0124-02

引言

微電網是一種微型電網結構，它由分布電源、儲能裝置、控制轉換裝置和負荷組成。在電網中微網可以看成是大電網中的細胞，未來電網可能由無數個微網細胞構成。微電網可與中壓配電網連接，也可以與低壓配電網連接。微電網的供電可靠性和電能質量問題是決定微電網推廣應用的一個重要因素。隨著近年來各領域智能化水平逐漸提高，易受干擾的敏感性負荷逐漸增加，對微網電能質量提出了更高的要求。微網電能質量的影響主要包括：（1）微網中電子元件產生的諧波干擾及配網的諧波傳遞干擾。（2）微網中非線性負荷產生諧波。（3）微網的運行和控制方式不符合要求。（4）微網中電源啟停及電源出力不均勻。（5）配網各種暫態變化及其他擾動（如雷電侵入）。（6）微網中存在多個并網逆變器，各自參數不同，使得輸出電壓差異形成環流。（7）微網的儲能設備配置。而微網電能質量的檢測、分析和控制相對傳統大電網更加復雜和困難。為了更好地改善微網的電能質量，讓微網在電力系統的應用得到更好地推廣，通過電能質量主動控制策略和微電網在線監測系統實現微電網電能質量的綜合監測和治理是目前廣泛認可的手段。為此本文針對微網電能質量的在線監測系統的設計進行了分析和研究。

1 微電網的在線監測系統設計思路

從上述微網電能質量影響因素可以看出，其影響主要可以分為：內部因素和外部因素。內部因素主要是非線性負載、內部電子控制與轉換裝置、微電源、微網控制策略、儲能裝置配置情況及微網內部故障等因素。外部因素主要是配網諧波傳遞干擾、配網故障暫態變化及配網雷電侵入等因素。為了實現微網的電能質量在線監測和綜合控制，需要同時考慮上述內部和外部因素。

根據上述因素，監測微網電能質量需要設置各種電能質量檢測模塊，以達到電能質量擾動因素和擾動類型的自動識別與分析。將這些模塊其集成到微網實時監控系統，以實現電能質量的在線監測。

以一個包含5kW風電和30kW光伏和500Ah鉛酸蓄電池組的并網型微電網為對象進行設計。

在線監測系統主要功能包含電能質量檢測與識別、干擾源定位和綜合評估三個部分。檢測與識別主要是對擬采用監測系統的微電網的電能質量的擾動因素進行自動快速的檢測和識別。在設計中既要考慮動態電能質量擾動也要考慮穩態電能質量擾動。本次設計通過S變換原理對微電網的電能質量擾動進行檢測，然后通過基于BP神經網絡對電能質量擾動進行識別。干擾源的定位主要是將檢測和識別到的干擾源進行定位。本文設計的主要包括諧波源定位和電壓暫降源的定位。諧波源定位可以采用靈敏度法來實現，而電壓暫降源定位可以通過基于SVM分類算法或基于三點法來實現。綜合評估是通過電能質量國家標準構建微電網電能質量綜合評估體系，體系中包含電壓偏差、諧波、電壓驟升與驟降、暫態振蕩等指標，通過與這些指標的對比分析來進綜合評估。文獻[6]中提出一種基于熵權的模糊電能質量綜合評估適合本次設計。

2 微網電能質量監測系統總體框架

電能質量監測系統設計內容及思路在本文中第1點已經討論。依照微電網模型進線監測系統總體框架設計需要考慮如下問題：（1）采用何種軟件開發。（2）如何采集電壓、電流信號，采集對象是微電網中哪些部分。（3）數據分析的方法和數據分析的內容。（4）如何實現人機接口。

在本文中擬采用LabVIEW進行微電網電能質量在線監測系統的開發。

通過電壓傳感器和電流傳感器采集微電網交流母線、光伏逆變器輸出、風機控制器輸出及并網連接點的電壓和電流信號。

將采集到的電壓和電流信號通過A/D轉換之后送入通過LabVIEW編寫的檢測、識別、定位和評估模塊進行運算與分析。然后通過基于LabVIEW的圖形用戶界面將相關信息動態顯示在監控畫面中，用戶即可通過監控屏查看微電網的電能質量狀態。

其總體框架圖可以設計為如圖1所示：

3 微網電能質量監測系統功能模塊

在本次設計中電能質量監測系統功能模塊主要包括以下幾個部分：（1）數據采集：指的是實時數據的采集，采集的數據主要包括：穩態和暫態過程中的電壓、電流以及頻率等數據，數據類型包含模擬量和數字量。（2）數據通信模塊：包括監測系統主機與監測終端之間的通信通過TCP/IP協議和光纖網絡實現和監控系統主機與WEB服務器之間通信（在需要通過WEB網頁進行遠程監控時設置），通過TCP/IP協議和光纖網絡實現。（3）軟件實時分析模塊，采集到的數據通過軟件計算和分析，實現電能質量擾動檢測、電能質量擾動識別、電能質量擾動定位和電能質量綜合評估。（4）參數設置模塊：包括電能質量監測終端的參數遠程設置、評估指標的修改和選擇以及報表和波形圖的存儲路徑的選擇等。（5）數據查詢模塊：包括電能質量擾動事件歷史記錄的查詢、波形數據的查詢以及終端歷史狀態的查詢。（6）數據顯示模塊：包括電能質量擾動信息的實時顯示和告警、電能質量擾動識別結果的顯示、電能質量綜合評估信息的顯示、實時波形的顯示以及監控終端實時狀態的顯示（在線、故障、離線等）。（7）權限管理模塊：實現監測系統的安全管理，一般設置管理員權限、維護人員權限和運行人員權限。

4 微電網電能質量監測系統拓撲結構設計

根據上述總體架構和功能模塊的設計，依照微電網模型的結構特點設計微電網電能質量監測系統拓撲結構如圖2所示。

5 結束語

微電網一般是用戶管理，所以在電能質量監控方面通常強調友好性和易操作性。而以LabVIEW進行電能質量在線監測系統的開發能夠很好地實現可視化的圖形編程語言和平臺，以在監控主機上建立圖形化的軟件面板，通過豐富的軟件面板的設計，可以使得監控系統的界面更加友好，且界面內容更加豐富。

在本文中電能質量的監測涉及的模塊和監測要求，均可以通過LabVIEW編程來實現，所以LabVIEW進行微網電能質量監測系統的設計滿足微電網的要求。

參考文獻：

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