光伏電站電能質量監測系統的開發與應用

［摘 要］文章開發了一套光伏電站電能質量監測系統，以確保光伏電站的穩定性和供電質量。系統架構包含數據采集、處理、分析及展示模塊，并通過軟件實現了實時監測和報警功能。試驗環境采用實際光伏電站和模擬平臺進行測試，收集和分析了多種電能質量指標，包括電壓、電流、頻率及諧波等。結果表明，該系統能夠準確、實時地監測電能質量，識別并處理異常情況。通過數據分析與可視化，驗證了系統的可靠性和實用性。

［關鍵詞］光伏電站；電能；質量監測；模擬

［中圖分類號］TM615 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0026–03

隨著能源需求的不斷增長和環保意識的增強，光伏發電作為一種清潔、可再生的能源，得到了廣泛應用。然而，光伏發電的間歇性和不穩定性對電能質量及電網的穩定運行提出了嚴峻挑戰。

電能質量是指電能在生產、傳輸、分配及使用過程中所表現出的品質特性。高質量的電能能夠確保電力系統和電力設備的正常、安全、經濟運行，避免由于電能質量問題引起的設備故障、能源浪費及經濟損失。電能質量指標包括電壓偏差、頻率偏差、電壓波動與閃變、諧波、電壓不平衡、瞬態過電壓、暫降與瞬時中斷及功率因數等。

通過電能質量監測，可以及時發現并調節電能輸出波動，確保電網供電的可靠性和穩定性。光伏電站電能質量監測系統能夠實時采集和分析電能質量數據，提供詳細的報告和診斷，從而為電站的維護和優化提供科學依據。

1 系統設計與開發

1.1 系統需求分析

（1）系統應能夠實時采集光伏電站中的電能質量數據，包括電壓、電流、頻率、諧波等。實時采集是確保系統能夠及時反映電能質量變化的基礎。

（2）為了實現數據的高效、可靠傳輸，系統需支持將數據傳輸至中央處理系統或數據庫，并且具備遠程監控和數據傳輸功能。

（3）在數據處理方面，系統應具備強大的處理和分析能力，包括數據過濾、特征提取及異常檢測。

（4）系統應提供實時監控功能，顯示電能質量指標的實時狀態，并能夠進行報警和告警處理。

（5）系統應具備用戶權限管理功能，支持多用戶訪問和不同級別的權限設置，以確保系統的安全性和數據的保密性。

1.2 系統架構設計

1.2.1 系統組成

光伏電站電能質量檢測系統如圖1 所示。

1.2.2 軟件設計

光伏電站電能質量監測系統的軟件設計是其核心，負責數據的處理、分析、展示及管理。

（1）數據采集與接口軟件，包括驅動程序和數據采集模塊。驅動程序負責與硬件組件（如傳感器和數據采集單元）進行接口，確保數據能夠準確采集和傳輸。數據采集模塊則實現數據的實時采集，包括從傳感器讀取數據、進行初步處理并存儲。

（2）在數據處理與分析方面，系統需具備強大的數據處理算法和電能質量分析算法。數據處理算法負責數據的初步處理，包括濾波、去噪聲及平滑處理，以提高數據質量。電能質量分析算法則包括電壓波動分析、諧波分析及頻率穩定性分析，能夠提供詳細的電能質量報告和診斷。此外，異常檢測與報警系統能夠識別數據中的異常情況，生成警報并觸發相應的處理措施，確保系統能夠及時響應和處理電能質量問題。

（3）數據存儲與管理部分，采用數據庫系統用于存儲采集的數據、歷史記錄及分析結果，支持高效的數據存儲和檢索。可選擇關系型數據庫（如MySQL、PostgreSQL）或非關系型數據庫（如MongoDB）以滿足不同需求。系統還應實現數據備份與恢復機制，以防止數據丟失，并提供恢復功能以應對系統故障。

（4）報告生成與導出功能，包括報告生成模塊和圖表與數據可視化。報告生成模塊能夠自動生成電能質量分析報告，包括統計數據、趨勢分析及故障診斷等，支持多種格式導出，如PDF 和Excel。圖表和數據可視化功能可提供豐富的圖表，幫助用戶更好地理解和分析數據，提升用戶體驗和數據分析能力。

（5）通信與集成方面，系統需要支持與其他系統和設備的通信，常見協議包括Modbus、DNP3 及MQTT 等。此外，提供開放的API 接口，以便于與第三方系統的集成和數據交換，實現系統的互聯互通。

（6）用戶管理與安全設計方面，系統應支持多用戶管理，設置不同權限級別，以保護系統數據和功能的安全。安全措施包括數據加密、用戶身份驗證及訪問控制，確保系統的安全性和數據的保密性，防止未經授權的訪問和操作。

（7）系統提供維護工具和日志記錄功能，方便故障排查和系統維護。支持軟件的遠程更新和升級，確保系統功能的持續改進和漏洞修復，提高系統的可靠性和安全性。

（8）環境適應性設計考慮到軟件的跨平臺兼容性。軟件應支持多種操作系統和平臺，如Windows、Linux 及Android，適應不同的運行環境，確保系統在各種環境下均能穩定運行。

1.3 數據處理與分析

數據處理與分析是電能質量監測系統的核心功能之一，負責對采集的數據進行深入處理和分析，以提供有價值的電能質量信息。

（1）數據預處理是數據處理與分析的基礎，包括去噪聲、缺失值處理及異常值檢測。去噪聲使用濾波算法（如低通濾波器）去除信號中的噪聲，確保數據的準確性。缺失值處理則采用插值或數據填補技術修復不完整數據。異常值檢測用于識別并處理數據中的異常值或離群點，防止其對后續分析產生不良影響。

（2）歸一化。將數據縮放到相同的范圍，以便于比較和分析。需要通過轉換統一數據的單位，以確保數據的一致性和可比性。

（3）在數據分析階段，系統需計算多種電能質量指標。電壓質量分析包括計算電壓的平均值、波動范圍、峰值及有效值等指標，評估電壓的穩定性。電流質量分析則關注電流的平均值、波動范圍及諧波含量等，評估電流質量。頻率分析監測電網頻率的穩定性，計算頻率的偏差和波動。諧波分析利用傅里葉變換等技術評估電網的諧波污染程度。

（4）趨勢分析是數據分析的重要組成部分。時間序列分析用于識別電能質量指標的長期趨勢和周期性變化，而趨勢預測則利用預測算法（如ARIMA 模型）預測未來電能質量指標的變化趨勢。

（5）故障診斷通過故障模式識別和異常模式檢測實現。故障模式識別基于數據特征識別電能質量問題的可能原因，如電壓跌落和電流過載等。

（6）數據可視化是數據處理與分析的結果呈現。實時監控界面，通過儀表盤和圖表展示電壓、電流、頻率等關鍵指標的實時值和歷史趨勢，提供直觀的監控界面。報告生成模塊自動生成電能質量分析報告，包括統計報告、故障報告及趨勢分析報告，幫助用戶全面了解電能質量狀況，進行系統維護和優化。

2 試驗與測試

2.1 試驗環境和條件

試驗環境和條件的設置對于電能質量監測系統的測試和驗證至關重要，可確保試驗結果的準確性和可靠性。

2.1.1 試驗環境

在實際光伏電站或模擬測試平臺進行現場測試。現場應符合光伏電站設計標準，確保試驗數據的真實性。

環境條件如下：試驗室溫度控制在20±2℃，模擬光伏電站的實際環境溫度變化（如–10～50℃）；相對濕度控制在40%～60%，以保證設備的正常運行；盡量減少電磁干擾，使用屏蔽技術和濾波器，符合電磁兼容性標準；在實驗室中使用模擬光源，光照強度應接近實際光照條件。

2.1.2 試驗設備

光伏電站模擬器為模擬光伏電站的電氣特性和輸出，提供穩定的電壓（如DC 0～1 000 V）和電流（ 如DC 0～100 A） 輸入。模擬器應能模擬不同的光照條件和負荷狀態，支持調整光照強度（如從500 W/m2 到1 000 W/m2）。

2.2 試驗數據收集和處理

2.2.1 數據收集

數據采集設置中，每秒采集一次數據（1 Hz），以捕捉瞬態變化。長期分析為每分鐘采集一次數據（1/60 Hz），用于趨勢分析。

采集周期中，短期測試為進行5 min 的數據采集，中期測試為進行30 min 的數據采集，長期測試為進行24 h 或更長時間的數據采集，以便觀察系統在不同時間段的表現。

數據記錄為記錄每次試驗的數據采集過程，包括開始時間、結束時間、采集頻率及數據量。

2.2.2 數據可視化

通過直接生產圖表形勢（如功率趨勢圖），繪制周期內的功率變化趨勢，并形成統計報告，包括故障報告、趨勢分析報告等。

3 結果與分析

3.1 監測結果展示

試驗監測結果展示旨在清晰呈現電能質量監測系統的測試數據和試驗成果，便于評估系統性能和電能質量狀況。電站總覽可視化圖如圖2 所示。

3.2 監測結果分析

通過對光伏電站電能質量監測系統的試驗監測數據進行分析，可以更深入地理解系統的性能和電能質量狀況，并識別出潛在的問題和改進點。

在線采集器的正常運行是電站高效運行的基礎。從試驗數據中可以看出，所有在線的采集器均正常運行，日發電量為101 kW · h，等效小時數為3.37。這表明，采集器在數據采集和傳輸方面表現出色，能夠準確反映電站的實際運行情況。

整體來看，試驗監測結果展示了光伏電站電能質量監測系統在實時數據采集、處理及分析方面的有效性和可靠性。通過深入分析這些監測數據，不僅能夠評估系統的當前性能，還能為系統的優化和改進提供數據支持。這些分析結果將有助于提升光伏電站的電能質量管理水平，確保其高效、穩定運行。

4 結束語

文章開發了一套光伏電站電能質量監測系統，對光伏電站的電能質量進行實時監測、數據處理及分析，從而提升電站運行的可靠性和穩定性。試驗結果表明，電能質量監測系統在實際應用中表現出色，能夠穩定、可靠地運行。系統對電站的發電能力、采集器運行狀況及逆變器的告警事件進行了全面的監測和分析，提供了詳細的電能質量狀況報告。這些數據和報告不僅驗證了系統的有效性，還為進一步的系統優化提供了寶貴參考。

參考文獻

[1] 張芹，夏水斌，許健. 電能計量設備運行狀態控制研究[J].自動化儀表，2022 ，43（12）：76-80.

[2] 孫華東，徐式蘊，許濤，等. 電力系統安全穩定性的定義與分類探析[J]. 中國電機工程學報，2022 ，42（21）：7796-7809.

[3] 高翔. 光伏電站用儲能電池的發展現狀及應用前景綜述[J]. 太陽能，2022（9）：15-21.