分布式光伏电站监测系统中电力噪声分析

姜 芮，李 琴，钟建伟*

(1.湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000；2.国网恩施供电公司，湖北 恩施 445000)



分布式光伏电站监测系统中电力噪声分析

姜 芮1，李 琴2，钟建伟1*

(1.湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000；2.国网恩施供电公司，湖北 恩施 445000)

在低压电力线信道中传输电信号时，会受到电力噪声干扰，从而影响分布式光伏电站监测系统的可靠性.为了解决该问题，提出了一种基于FPGA的提高分布式光伏电站监控系统可靠性方案.电力线噪声分布与时间、地点及负载等密切相关，各噪声间相互独立.根据对低压信道噪声中时域和频域的数据进行分析，这里把电力线上的噪声中的背景噪声和脉冲噪声进行建模.在电信号传输时，为防止电力噪声干扰电信号，通过一个IIR数字滤波器将瞬间的干扰噪声进行滤除，再进行数据传输.结果表明：干扰噪声被抑制，光伏电站监控系统可靠性得到提高，且保证了监控信号基本特征.

分布式光伏电站；监测；电力噪声；IIR滤波器

随着科技的前进发展、能源结构的格局变化，可再生清洁能源代替传统一次能源的方式将潜移默化的融入到新的发电形式之中.在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展.太阳能资源有取之不尽、用之不竭、绿色环保、使用寿命长、维护简单等优点.在可持续的能源战略中具有重要地位，分布式光伏的发电形式具有很大的发展空间.

大型光伏电站建设已初见规模，传统的集中式大型光伏电站输出功率近乎兆瓦级且离负荷中心较远，需要通过长距离输电线路送电入网，同时自身也会给电网造成一定的扰动.在长距离传输中会导致线路产生一定的功率损耗、电压降落、无功补偿等问题.如今，分布式光伏系统装机容量小且可以在靠近负荷的地方或者负荷端接入，可以有效减少对电网供电的依赖，减少线路损耗.在现有的建筑上加装分布式光伏装置，不仅可以更好的接受光照，还能减少光伏电站的占地面积.随着光伏发电技术的迅猛发展，分布式光伏发电系统监测技术也逐步深入开展起来.

1 分布式光伏电站监控系统

分布式光伏发电系统[1-2]会受太阳光照强度、温度、风速等的影响较大，其发电情况具有随机、间歇等特性.分布式光伏并网运行时，会对传统大电网的安全可靠运行产生不良影响.分布式光伏电站较为分散，其分布式光伏数据难以集中采集并分析，导致电网的监控终端出现调控困难的问题. 所以电网需要一个合理的分布式光伏电站监控系统对其运行状况及并网点的电能质量的参数进行监测.通过对监测系统收集的数据进行分析处理，把控分布式光伏电站的运行情况，对电站的不良运行情况进行及时的应对方案.

图1 小型分布式光伏电站监测系统的网架结构Fig.1 Grid structure of small distributed photovoltaic power plant monitoring system

小型分布式光伏电站与传统的集中、大规模光伏发电站相比较，接入容量较小且接入位置分散，采取现场总线或工业以太网网络实现互联.分布式光伏电站监测系统有三层，分别为底层设备层、数据传输层、站级控制层.低层设备层主要完成小型分布式光伏电站的实时监测，对小型分布式光伏电站的各项参数进行收集并向数据传输层传递数据.数据采集器使用Modbus协议[3]，其有两种通信传输方式，分别为ASCII模式和RTU模式.传输模式通过RS485/Ethernet，将采集太阳辐照度、风向、风速、环境温度、电池板温度等数据经过数据传输层传递到站级控制层,其监测网架结构如图1所示.

2 低压电力信道中噪声建模

分布式光伏电源并网到10kv以下的低压配网测，在分布式光伏电信号传输过程中，低压电力信道中会无法避免噪声干扰.分布式光伏电信号将由低压电力信道进行数据传输，产生的电力噪声将会对分布式光伏电站监测系统的实时性和可靠性造成不良影响.电力噪声[4]主要包含有背景噪声和脉冲噪声，现在对低压电力线通信信道中的噪声进行噪声建模，模拟电信号在低压电力信道中的产生电力噪声.

图2 背景噪声ARMA模型

Fig.2 The ARMA model of background noise

2.1 背景噪声建模

背景噪声[4-7]通常使用一种自回归滑动平均(auto-regressive moving average,ARMA)模型对其进行建模.背景噪声是随时间无规律的变化，并且幅值不会出现大幅振动.其模型如图2所示.

模型中传递函数为：

(1)

任意一个具有有限方差的ARMA或MA过程都可以表示成一个AR过程，当自相关函数H(Z)中，b0=1,br=0(r=1,2,…,Q)时，该模型为AR模型.P阶AR模型有P+1个参数待定：a1,a2,…,ap以及u(n)中白噪声的方差σ2.因此P+1个(Yule-Walker,YW)方程，用矩阵表示为：

2.2 脉冲噪声建模

低压电力线中的脉冲噪声[8]会导致信号传输错误率升高，并且可能会使接收设备内部产生自干扰，影响整个系统的正常运作.脉冲噪声通常情况下使用马尔科夫链模型(Markov Chain Model)对脉冲噪声进行建模与仿真，但由于传统马尔科夫模型并不能完全的模拟出脉冲噪声的幅频特性.本文引入文献中改进的马尔科夫链，利用峰式马尔科夫[9]来建立低压电力线信道中的脉冲噪声幅值模型.

若状态值和时间参量都是离散的随机过程X(n)，在k时刻状态X(k)条件下，其后k+1时刻的状态不仅与k时刻的状态有关，也与k、k-1时刻有关.峰式马尔科夫模型要同时考虑到X(k+1)与X(k)之间的转移关系和X(k-1)与X(k)之间的大小关系，会产生两个不同的转移矩阵.当X(k)>X(k-1)时，则P[X(k+1)>X(k)]的可能性会比较高，此时矩阵中幅值处于上升状态；当X(k)

上升转移概率Pij(k+1,k,k-1)=P{X(k+1)=aj|X(k)=ai|X(k)>X(k-1)}

下降转移概率Pij(k+1,k,k-1)=P{X(k+1)=aj|X(k)=ai|X(k)

3 IIR滤波器设计

3.1 IIR滤波器[11]基本原理

IIR滤波器数字滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈环路.常见的有直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式.下式为IIR滤波器的传递函数：

(2)

通常IIR滤波器选取级联形式，下面将IIR滤波器的传递函数进行分解成二阶子系统结构，其分解形式如下表达式：

(3)

图3 直接II型IIR滤波器结构Fig.3 Direct from II IIR filter structure

本文采用的四阶的IIR滤波器通过两个二阶子系统网络级联构成.对于每一个二阶子系统，可以选择多种方式实现，其中直接Ⅱ型结构的IIR滤波器，其基本组成单元如图3所示

3.2 基于DSP Builder的IIR滤波器设计

本文所使用的四阶IIR滤波器采用的是DSP Builder中根据IIR滤波器的特性设计，在Matalab软件中，然后在Signal Compiler中进行RTL级转换，最后通过Quartus II设计出DSP硬件系统,其设计流程如图4所示.

图4 DSP Builder设计流程Fig.4 DSP Builder design process

设计的4阶的IIR低通滤波器，先是确定低通滤波器的参数，采样频率:1 650 Hz,截止频率800 Hz，设计方法采用窗函数法.首先打开Matlab的FDATool进行滤波器设计，进入滤波器设计界面之后配置相应的参数：滤波器类型(Filter Type)为Lowpass、设计方法(Design Method)为IIR，采用窗口法(Window)、滤波器阶数(Filter Order)定制为4、Fs为1 650 Hz，Fpass为600 Hz，Fstop为800 Hz.

数据在执行单元内进行处理.执行单元中包含算术单元与逻辑单元和部分寄存器.寄存器包括随机存取存储器RAM和只读存储器ROM，RAM中储存计算的中间结果；ROM中储存滤波器的相关系数；控制模块包括程序ROM和程序控制单元，在程序ROM中存放有滤波算法的程序，程序控制单元用于解释指令并为数据处理模块产生控制信号.

为了进一步实现相应功能，将Matlab中的模块转换为VHDL语言，进行仿真.首先Altera DSP Builder工具箱中找到Signal Compiler模块和Test Bench模块加到Simulink文件中，启动Signal Compiler模块生成为Quartus II工程，有FPGA平台搭建顶层原理图，如图5所示，再通过生成test bench文件，用于在ModelSim进行仿真实验.

图5 IIR数字滤波器模块图Fig.5 Digital filter module diagram

4 仿真比较分析

由DSP BUILDER建立的四阶IIR滤波器模型图如图6所示;使用四阶IIR滤波器的对分布式光伏监控系统信号在传输中所受电力噪声影响进行建模仿真，得出图7.

由图7可以看出，经过IIR数字滤波器之后的光伏电站监控系统信号的噪声纹波有了明显的抑制作用，信噪比由原有的13.4263 db提升到24.5421 db，由信噪比的公式：

(4)

图8 Modelsim仿真波形Fig.8 Modelsim simulation waveforms

式中signal指的是原始信号，signal是滤波后信号，Signal power表示信号功率，Noise power表示噪声功率，SNR表示信噪比.由公式可知，当信噪比越大时，电力噪声越小.经过四阶IIR滤波后得，信噪比提高，其光伏系统的可靠性得到相应提升.

为了进一步直观的观察，Modelsim仿真波形图如图8所示.

5 结语

本文介绍了光伏电站监控系统基本网络架构，为减少在低压电力信道中分布式光伏电站的电信号的电力噪声，使用四阶IIR滤波器对电力噪声进行处理.根据IIR滤波器的设计要求，通过DSP Builder搭建模型，利用Matlab+ModelSim进行相关仿真，结果表明：四阶IIR数字滤波器可以很好地完成对光伏电站监控系统信号中的干扰噪声进行滤波，且很好地保持原信号的基本特征，为之后的传输信号的准确性得到了大大的提高，也间接的提高了光伏电站监控系统可靠性.

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责任编辑：时 凌

Analysis of Power Noise in Distributed Photovoltaic Power Plant Monitoring System

JIANG Rui1,LI Qin2,ZHONG Jianwei1*

(1.School of Information Engineering,Hubei University for Nationalities, Enshi 445000, China 2. State Grid Enshi Power Supply Company, Enshi 445000, China)

When electrical signals are transmitted in the low-voltage power line channel,they will be interfered by power noise,which affects the reliability of distributed photovoltaic power plant monitoring system.In order to solve this problem,a scheme is proposed to improve the reliability of PV power plant monitoring system based on FPGA.The power line noise distribution is closely related to such factors as time,place and load,and the noise is independent of each other.Based on the analysis of the time-domain and frequency-domain data of the low-voltage channel noise,the background noise and impulse noise are modeled in power line noise.When the electrical signal is transmitted,in order to protect the electrical signal interfered by noise,the transient noise is filtered by IIR digital filter,and then the date is transmitted.The results show that the interference noise is suppressed,the reliability of the monitoring system of the photovoltaic power plant is improved,and the basic characteristics of the monitoring signal are ensured.

distributed photovoltaic power plant;monitoring;power noise;digital IIR filter

2017-03-24.

国家自然科学基金项目(61263030；61463014)

姜芮(1994-)，女，硕士生，主要从事配电自动化与分布式发电的研究；*

钟建伟(1972-)，男(土家族)，硕士，教授，主要从事配电自动化与分布式发电的研究.

1008-8423(2017)02-0219-05

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.06.025

TP311

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