风光动能互补系统中电能质量监测评价方案研究

摘要：为了快速高效地监测和分析风光动能互补系统中的电能质量，建立了电能质量监测、评价方案。该系统由数据监测子系统、通信子系统、数据评估子系统组成，运用FFT提取系统中的电压、电流波形中的基波和各次谐波信号，进而计算频率偏差、三相不平衡度、谐波、闪变与电压波动5项电能质量指标和功率参数。用少部分硬件实现数据采集，用虚拟仪器技术实现数据分析、处理、上传等功能，成本大幅降低。

关键词：风光动能互补系统；电能质量；虚拟仪器；FTT

DOIDOI：10.11907/rjdk.151197

中图分类号：TP302

文献标识码：A 文章编号：16727800（2015）006004403

作者简介作者简介：逯玉兰（1986—），女，甘肃武威人，硕士，甘肃农业大学信息科学技术学院助教，研究方向为电能质量。

0 引言

风能和太阳能是最具代表性的新能源，风力发电和太阳发电技术受到各国的高度重视。风力发电具有瞬时间歇性变化的特点，光电则随季节与天气变化，资源的不确定性导致了发电与用电负荷的不平衡，因而必须用动能作为第三种能源补偿前两种能源的不足。三种能源扬各自之长，补各自之短，相互配合，以发挥出最大效能。但是，这种发电系统存在一个核心问题——电能质量[1]。①目前大多数风力发电系统只能测量电压有效值、电流有效值等基本参数[2]，而实际工作中需要电能质量的动态数据来获得风机的运行特性和对电网的影响程度；②大部分风机都不提供电压、电流谐波、三相不平衡度、有功和无功的关系等数据分析功能[3]；③目前的电能质量监测系统只能评价单项指标，不能将所有指标综合起来进行电能质量评价[4]，因而也就不能全面准确地反映出电网的电能质量信息。

具有动态监测记录功能的电能质量监测、评价系统可以解决上述问题[5]。该系统对电网运行期间产生的数据进行处理、存储、管理，并按照电能质量标准进行分析，综合评价电能质量，将所得到的数据直观反映，为电网维护提供可靠的理论依据。

1 系统组成

系统由3部分组成：数据监测子系统、通信子系统和电能质量数据评估子系统，结构如图1所示。

1.1 数据监测子系统

数据监测子系统由硬件电路和虚拟仪器技术组成，负责现场数据的采集、分析计算并保存，还能完成数据查询、对超标的数据进行报警等功能，通过通信子系统将采集到的实时数据和历史数据发送到电能质量数据评估子系统，结构如图2所示。其中数据采集由硬件电路完成，其它功能用LabVIEW编程实现。

工作流程如下：①将监测点的电压电流通过电压电流互感器转换为电能质量监测评价系统能够处理的小信号，并将电能质量监测评价系统与电网隔离；②经信号调理板完成对信号的获取、滤波和隔离，经过滤波后的模拟电流、电压信号经数据采集卡完成信号采样和A/D转换，得到原始的采样数据；③转换后的数字信号送入下位机，用虚拟仪器完成数据的分析和处理。

1.1.1 数据保存

在数据监测子系统中应保存以下数据：设备、频率、采样时间、基波幅值、闪变值、功率参数。

1.1.2 数据分析

对数据进行分析、处理，并将分析结果用图形表示。分析结果主要包括：

（1）统计报表。电流量/电压量的最大值和最小值出现的时间、电压合格率报表、频率合格率报表、频率的最大值和最小值及出现的时间、奇次谐波越限率、偶次谐波越限率报表/总谐波畸变越限率。

（2） 曲线。绘制电压、电流有效值曲线；电压、电流最大值、最小值曲线；有功功率变化曲线；无功功率变化曲线；功率因数变化曲线；系统频率曲线；三相不平衡度变化曲线；谐波电压、电流含有率变化曲线；电压波动变化曲线。

1.1.3 数据处理

对采集的数据采用FFT提取电压、电流波形中的基波和各次谐波分量的幅值，进而完成电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、闪变和电压波动5项电能质量指标计算，数据处理流程如图3所示。

1.1.4 数据报警

对超限的指标发出报警或提示。

1.1.5 数据查询

对历史数据进行查询。

1.2 通信子系统

采用虚拟仪器技术进行通信子系统数据传输。

通信子系统一方面实时将下位机的监测数据上传到电能质量数据评估子系统的数据库服务器中；另一方面接收从电能质量数据评估子系统发布的信息，并对下位机进行设置。

1.3 数据评估子系统

电能质量数据评估子系统利用模糊数学的隶属函数实现电能质量分析，将电能质量的各项指标综合，以清晰反映供电质量。具体步骤为：①确定隶属度函数，求出各指标的隶属度；②根据综合隶属度函数求出系统某时刻的电能输出综合隶属度，根据现场应用，将综合隶属度结果划分为多个模糊集合样本，确定归类隶属函数，如综合隶属度为0.9以上，此时供电设备电能输出质量为优，0.8～0.9为良，0.6～0.7为一般，0.6以下为较差。

2 算法分析

2.1 三相不平衡度

三相平衡，是指系统中三相电压幅值相等，并且相位互差1200。由于系统中存在很多不平衡因素，三相交流电力系统是不平衡的[6]。通常用不平衡度ε来表示三相电力系统的不平衡程度，电压和电流不平衡度分别用εU和εI表示，计算公式如下：

3 结语

本文对电能质量监测、评价系统方案进行了探讨。系统集数据统计分析功能、综合查询功能于一体，提供精确的电能质量数据，为安全生产提供了保障。采用虚拟仪器技术实现数据的分析、处理、上传和存储，极大地降低了成本，可以进行二次开发，系统稳定性好。

参考文献：

[1]刘晓云.基于LabWindows/CVI的虚拟仪器设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2004.

[3]艾茂民.变电站电能质量的监测与分析[J].农村电气化，2005（7）：2123.

[4]张旭俊.电能质量分析的新概念及其测量仪器[J].电测与仪表，2005（2）：14.

[5]陈庆祺.基于虚拟仪器技术的分布式电能质量在线监测系统[J].供用电，2004（8）：2022.

[6]林海雪.电力系统的三相不平衡[M].北京：中国电力出版社，1998：3031.

[7]SU CL，CHEN C F，LU C N，et al.Communication network performance study of a hightech park power quality monitoring system[C].Proceedings of 2000 IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，Seattle，Washington，USA：IEEE，2007：456463.

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[9]方向东.基于LabVIEW的电能质量自动监测系统[J].计算机技术与自动化，2007，26（1）：3335.

[10]聂晶晶，许晓芳，夏安邦，等.电能质量监测及管理系统[J].电力自动化设备，2005，25（10）：7578.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）