一种新型电能质量在线检测装置

庄骏, 陈苏声

(上海市质量监督检验技术研究院，上海 200072)

一种新型电能质量在线检测装置

庄骏, 陈苏声

(上海市质量监督检验技术研究院，上海 200072)

根据国际标准规定的各项电能质量参数计算方法，结合风电电能质量的特点，设计了适用于风力发电机组电能质量的在线检测装置，从而可以帮助风电企业和用户检测风电设备，保障风电机组的电能质量性能。最后将检测结果与国外高精度仪器同步比较，效果良好。

风电；电能质量；在线检测；电压；频率；谐波

0 引 言

电能质量测试是风电机组并网试验的重要组成部分。国际电工委员会颁布了标准IEC 61400-21“风力发电机组 第21部分：并网风力发电机组电能质量特性的测量和评估”，该标准[1]提供了统一的方法，保证了并网风力发电机组电能质量测试和评估的一致性和准确性。

本文针对风力发电机组的特性[2]介绍了一套在线检测装置，该装置整合多种传感器于一体，能够实现电压、电流、相位、频率等多种数据的采集、传输、存储和分析，从而进一步得到风力发电机组的谐波、闪变、电压波动等状态。

1 硬件系统

风电机组电能质量检测系统的硬件部分由传感器模块、信号调理模块、数据采集模块和计算机构成[3]。

其中，传感器模块由三个电压传感器和三个电流传感器组成，该模块将三相电压、电流转化为低电压信号；信号调理模块的作用主要是将由传感器测得的电压信号进行滤波、放大、隔离以及交流耦合；经过调理的信号由数据采集模块采集；而其后的计算机模块由工业计算机构成，以执行测量程序并与用户进行交互。

1.1 传感器选择

本装置选择VSM025A系列霍尔电压传感器和CS600B系列霍尔电流传感器作为检测风电机组的电压和电流传感器，在使用VSM025 A系列霍尔电压传感器时，应串联接入一个电阻Ri(功率应在10 W以上)使在待测电压范围内的电流尽量在额定电流输入(5 mA或10m A)，假定待测电压为220 V交流电压，设置电压测量量程为0～490 V，此时Ri应取70 kΩ。而输出电流(额定输出25 mA，最大输出为35 mA)也应串接一个测量电阻RM使输出电压在数据采集板卡采集范围内，此处选择其阻值为200 Ω，此时额定电压输出为5 V，电压输出范围为-7 V～+7 V。在使用CS600B系列霍尔电流传感器时，其额定输入电流为600 A，额定输出为4 V电压，最大测量电流为900 A，此时电压输出为6 V。

1.2 信号调理模块

传感器的输出信号为较大信号，无需前置放大电路，本装置中信号调理模块主要用于滤波、隔离放大以及交流耦合，本信号调理模块主要包括高通滤波器、低通滤波器和隔离放大器以及交流耦合电容。

图1 低通滤波器方案

图2 高通滤波器方案

风电机组电能质量基波频率为50 Hz，要求测50次谐波，即2.5 kHz，为了保证2.5 kHz以内的波形不会衰减，将低通滤波器的截止频率设计为5 kHz。因风电机组的电压波动和闪变中包含有3p(约为1～3 Hz)和p(约为0.3～1 Hz)频率分量，将高通滤波器的截止频率设置为0.1 Hz。本装置所需的低通滤波器和高通滤波器[4-5]如图1和图2所示。

传感器输出的信号经过滤波器后，要进入放大环节，电压传感器和电流传感器输出最大分别为7 V和6 V，而滤波器的通带增益设计为1，因此需要将输出分别放大10/7倍和10/6倍。为方便调试，本装置使用放大倍数为1～2的同向比例放大器。在信号经过放大之后，为隔断前后级的负载效应，增加电压跟随器。此外，在输出端增加交流耦合电容，以隔离直流电压、电流分量。

1.3 数据采集模块

本装置采用数据采集板卡，其集成度高，精度高，抗干扰性好，使用的是NI公司生产的PCMCIA接口数据采集卡PCI6024E，其AD转换精度为12 bit，能够满足标准的要求。

1.4 计算机

装置选择高性能的主机配置，采用2.8 GHz Intel Pentium CPU，2 G内存和250 G硬盘，保证可以实时处理高速采集的数据，并有足够的存储空间进行数据储存。

2 软件系统

图3 软件系统模块简图

本装置采用LabVIEW和MATLAB联合编程的方式，将软件系统分为以下几个模块：用户管理程序、数据采集主程序、传统电能质量参数检测程序、电压波动检测程序、电压闪变检测程序和电压暂降检测程序[6]。图3为软件系统模块简图。

2.1 子程序设计

2.1.1 传统电能质量参数的LabVIEW子程序设计

传统电能质量参数采用完全的MATLAB计算，即数据通过LabVIEW采集，然后通过MathScript节点，使用MATLAB脚本进行计算。将此部分功能设计为LabVIEW的子VI程序，从主程序中获取三相波形数据，通过MathScript节点进行计算有效值、基波频率、谐波分量和三相不平衡度，计算后再由LabVIEW计算谐波畸变，之后所有参数通过簇输出。

2.1.2 电压波动和闪变的LabVIEW子程序设计[7]

因为电压波动为每5 s计算一次并更新，而电压闪变为10 min计算一次并进行一次更新，因此电压波动和闪变分为两个子程序设计。这个两个子程序分别采用LabVIEW和MATLAB联合编程的方式进行编程计算[8]。将此部分功能设计为LabVIEW的子VI程序，从主程序中获取电压波形数据。

2.1.3 电压暂降的LabVIEW子程序设计

由数据采集得到的某相电压波形数据先通过LabVIEW中的离散小波包函数[9]，得到输出信号，该信号能够有效地检测到信号奇异点，当信号为平稳信号时，输出信号的值较小，一旦信号发生突变，输出信号将显著增大，从而使信号突变点能够被检测出来，软件通过阈值来判断是否出现信号奇异点。通过所测得的各时间点以及奇异点前后的电压有效值和相位信息，计算电压暂降的时间、电压暂降深度和电压暂降时发生的相位跳变信息[10]。

2.2 主程序设计

本装置所需检测六个电能质量参数指标，分别为电压偏差、频率偏差、谐波分量、三相不平衡度、电压波动和闪变以及电压暂降[11]。

首先，装置应能够完成数据采集功能，将由传感器获得的电压信号通过信号调理电路后接入数据采集板卡，此时由LabVIEW完成数据采集功能。系统采样率设计为10.0 kHz，每次采样点数为1 000，时间长度为0.1 s。

在需要检测的六个参数指标中，传统电能质量参数有四个，包括电压偏差、频率偏差、谐波分量和三相不平衡度，这四个参数是基础参数，本装置设定每隔0.1 s进行一次计算，以保证检测装置所需的实时性和其它参数测量的精度要求，因此要求主程序每0.1 s调用传统电能质量参数子VI。

统计性参数电压波动设计为每隔5 s计算一次，电压闪变为10 min中内的统计评定，因此需要在主程序中分别存储5 s内和10 min内的电压数据，另外，由于本装置采样率设定为10.0 kHz，10 min数据量将达到六百万，为了减少内存占用并缩短计算时间，需要对该数据进行降采样，使最终采样率在100 Hz，降采样倍数为100倍，使数据量减少100倍，大大减小了内存的占用和计算时间，提高了系统的实时性。

暂态性参数电压暂降则是对每0.1 s内的数据进行小波变换，实时检测信号有无奇异点，是否发生突变，并依据是否产生电压暂降等信息，判断并记录奇异点前后的电压有效值、相位变化以及奇异点发生的时间点。

综上所述，电能质量检测系统需要完成以下几个任务：(1)进行数据采集；(2)每次采集的数据由传统电能质量参数检测子VI得到一组基本参数数据；(3)记录5 s内的电压数据，调用电压波动子程序，求得电压波动并解调出电压中的调幅波波形；(4)记录降采样后的10 min电压数据，调用电压闪变子程序，求得瞬时闪变视感度S(t)曲线，并求得短时间闪变值Pst；(5)实时分析每次采集到的电压数据，调用电压暂降程序，检测信号突变点；(6)显示所有参数检测结果，并与检测人员进行交互。

3 电能质量检测试验验证

为验证该装置的可靠性和测量准确度，本文设计了验证试验，使用本装置对低电能质量进行测试分析的同时，使用奥地利德维创公司的电能质量设备同步采集，以验证本装置的可行性和测量精度。由于奥地利德维创公司是世界知名的电能质量采集设备公司，其设备和软件具有极高的精度，因此本试验将其测量结果作为近似真值，进行对比分析。

截取时间为1秒的时间段，同时分别采用德维创系统和本装置就电压有效值、频率、谐波等几项指标进行测试，结果见表1～表4所示。

由对比数据可以得到以下结论：电压有效值相对误差小于0.05%；频率绝对误差小于0.001 Hz，相对误差约为0.001%；谐波相对误差小于0.4%；总谐波畸变和奇次谐波畸变，相对误差不超过3%，然而对偶次谐波畸变的测量相对误差较大，考虑到系统中谐波分量主要为奇次谐波分量，偶次谐波含量非常少，占比应在0.5%以下，测量精度要求不高，此装置结果尚可接受，满足设计要求。

表1 电压有效值测量结果对比

表2 频率测量结果对比

表3 谐波测量结果对比

表4 谐波畸变测量结果对比

4 结束语

风电机组的电能质量检测装置选用高性能的测量仪器作为硬件平台，采用LabVIEW和MATLAB联合编程的方式完成了电能质量的参数计算。

通过对风电机组进行电能质量测试验证，证明该系统可以满足标准要求，为风电机组的电能质量测试提供了有效手段。

[1] IEC 61400-21 Wind turbines-Part 21: Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines[S],2008

[2] MULJADI E, BUTTERFIELD C P, CHAEON J. Power equality aspects in a wind Power Plant[C]//IEEE Power Engineering Society General Meeting, Montreal, Quebec, Canada, June 18-22, 2006:201-208

[3] 孙晓明.基于虚拟仪器的电能质量综合监测系统的设计与研究[D].山东：山东大学,2005.

[4] 欧立权.电力系统频率测量方法及应用的研究[D].湖南：湖南大学,2007.

[5] 邹园.风力发电系统谐波检测及抑制方法的研究[D].北京：华北电力大学,2012.

[6] 江亚群.电能质量参数检测算法的研究[D].湖南：湖南大学,2009.

[7] 赵海翔.风电引起的电压波动和闪变研究[D].北京：中国电力科学研究院,2004.

[8] LARSSON Å. Flicker emission of wind turbines during continuous operation[C]// IEEE Transactions on Energy Conversion,IEEE,Mar,2002, 17(1):114-118.

[9] 王明同.基于小波包分析法的电压暂降检测研究与LabVIEW实现[D].广州：华南理工大学，2013.

[10] 刘琨.电压暂降及其检测算法仿真[D].天津：天津大学,2011.

[11] 曹永镇.基于LabVIEW的风电场电能质量综合监测系统[D].山东：山东大学,2010.

A Novel Online Power Quality Measuring Device

Zhuang Jun, Chen Susheng

(Shanghai Quality Supervision and Inspection Technology Reserch Institute, Shanghai 200072, China)

Based on computing methods of power quality parameters specified in international standards, this article designs an online device for measuring power quality of wind power generation sets under consideration of the characteristics of wind power quality, so as to help wind power enterprises and users in their inspection of wind power equipment and guarantee the power quality of wind power generator set. Finally, comparison between the measurement result and that of foreign high-precision instruments proves that the result is good.

wind power；power quality；online inspection；voltage；frequency；harmonic

本课题为上海市质量技术监督局资助项目，项目名称：动态电网环境下分布式电源产品并网性能测试研究，项目编号：2016-46

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.035

TM614

A

1000-3886(2017)01-0116-03

庄骏(1983-)，男，上海人，工程师，硕士，主要从事风电机组检测技术研究。 陈苏声(1984-)，男，上海人，工程师，硕士，主要从事风电光伏检测技术研究。

定稿日期: 2016-09-02