基于双CPU的风电机组电能质量在线监测系统

朱杰斌, 黄灿英, 廖高华(.南昌工程学院, 江西 南昌 330099;.南昌大学 科技学院, 江西 南昌 33009)

基于双CPU的风电机组电能质量在线监测系统

朱杰斌1, 黄灿英2, 廖高华1
(1.南昌工程学院, 江西 南昌 330099;2.南昌大学 科技学院, 江西 南昌 330029)

为了满足电能质量监测高速、高精度、实时性和连续性等性能指标,设计了基于双CPU结构的风力机组电能质量监测系统。介绍了电能质量监测系统的组成,分析了电力参数测量算法,并进行了软件设计。试验结果表明,电能质量监测系统运行可靠,满足电能质量在线监测的实际需求。

电能质量; 在线监测系统; 电力参数; 频谱

0 引 言

近年来,风力发电技术有了很大的发展,并在内蒙古、新疆、青海、甘肃等无电缺电农、牧区和东南海等渔区岛屿建立了多个风力发电场。随着越来越多风电机组的并网运行,风力发电对电网质量产生的影响越来越大。但风力发电机的频率、电压易产生变化,使输出功率呈波动性,直接影响电网的电能质量[1-2]。国外研制的电能质量监测装置水平较高,产品也较丰富,如日立3193系列电能质量分析仪、Fluke43手持式电能质量分析仪等,但价格昂贵,不适合在国内推广[3]。国内大多数测量仪器对电能质量各项指标的测量还处于专门测量或不定期测量阶段,不能满足电能质量长期、稳定的测量要求,如PQ116便携式分析仪器、KEW631O电能质量分析仪、LECOM手持式三相电能质量分析仪3PQC。这些仪器适用于公共电网电能质量的连续监测和多点监测组成的区域电能质量监测网,具有谐波分析、功率分析和故障滤波等功能,但只能进行固定监测点测量,现场分析无法把握长期运行的情况[4-5]。

本文利用DSP控制器及ARM9双CPU技术,设计嵌入式电能质量在线监测系统,实现对电能质量的连续采样、长期动态监测等电能质量分析。

1 电能质量在线监测系统

电能质量在线监测系统具有适时数据采集、在线处理、掉电保护、超限报警、显示和保存等功能。电能质量在线监测系统如图1所示,电路主要包含四大模块。

(1) 电源模块:模块具备上电保护、掉电保护、过压过流保护、欠压欠流保护等保护功能,电源输入电压AC 220 V(±10%),输出电压为DC 12 V、-12 V、5 V。

图1 电能质量在线监测系统框图

(2) 电压/电流取样模块:三相电压、电流互感器取样电路,16位A/D采样电路。三相输入电压为57.7 V,通过电压互感器转换为AC 3 V,三相输入电流为1 A,通过电流互感器转换为AC 3 V,供三路16位A/D通道采集数据。

(3) CPU结构模块:TMS320F28335DSP、嵌入式ARM9、可编程控制器FPGA电路和双口RAM电路。FPGA实现控制采集A/D通道的数据,送双口RAM、DSP进行计算分析及处理,通过双口RAM与ARM9与接。ARM9用于数据存储及多种通信方式处理等,与远方管理中心交互数据。

(4) 存储显示及通信接口模块:数据存储时间可以设定,一般可存储12个月,含有32 GB存储空间,并通过图型汉字液晶显示。通信接口配置了100 Mb/s工业以太网及 RS-232C/485通信接口,可与管理中心交互数据,不仅实现对电网的频率、电压、电流有效值、总有功/无功功率、功率因数、谐波含量值监测外,还对电能质量的暂态扰动(主要是电压的骤升、骤降)进行监测和记录。

2 电力参数测量算法

2.1 电压、电流有效值及偏差

电压、电流在一个周期内的均方根值分别定义为[6]

(1)

(2)

电流、电压信号经过采样保持器、A/D转换器,均匀地转化为离散的数字信号。式(1)、(2)可离散化为

(3)

(4)

式中:u(n)——电压离散采样的序列值;i(n)——电流离散采样的序列值。

电压/电流偏差是指允许偏差,即电力系统中电压/电流缓慢变化(电压/电流变化率小于0.01/s)时,实际电压/电流与系统标准值之差,其中额定电压为100 V或220 V。

2.2 频率及频率偏差的测量

根据国家标准的规程规定,电力系统工频50 Hz允许偏差为±(0.2～0.5) Hz。电网频率的测量主要通过测量周期的方式来实现的,硬件的外部接口检测到外部信号,从而控制计数器来实现。通过读取A/D转换器的值,在检测出第一个正向过零点后开始计数,累计记录N+1个正向过零点内A/D转换的总次数为NN+1。A/D转换器的采样间隔t由分频系数和晶振决定,其大小固定。频率f、频率偏差Δf分别为

f=N/(NN·Δt)

(5)

Δf=fs-fe

(6)

式中:fs——频率实测值;fe——频率额定值。

2.3 有功、无功功率及功率因数

对电压、电流乘积的周期性积分获取有功功率。三相有功功率离散化公式为

ub(n)ib(n)+uc(n)ic(n)]

(7)

对电流进行数字式移相90°,再对其与电压乘积的周期性积分获取无功功率。对三相无功功率累加,即得三相无功功率。单相无功功率的离散化公式为

(8)

因此,功率因数为

(9)

式中:i(n+N/4)——u(n)滞后90°的电流值。

2.4 电压、电流不平衡度及波动测量

三相电压、电流的不平衡程度,用正序分量与负序分量的均方根值百分比表示:

(10)

(11)

式中:U1、U2——三相电压的正序、负序分量均方根值;

I1、I2——三相电流的正序、负序分量均方根值。

电压波动ΔU为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。电压波动值为电压均方根值的两个相邻的极值之差,常以额定电压UN的百分数表示其相对百分值,即

ΔU=(Umax-Umin)/UN×100%

(12)

国家标准要求每10 min保存一个电压波动记录。取10 min内电压波动的最大值,连同该10 min时间段结束的时刻,构成一条完整的电压波动记录。

2.5 电压闪变

电压闪变作为衡量电压波动危害程度的一项评价指标,分为短时间的闪变严重度Pst和长时间的闪变严重度Plt。

(13)

(14)

式中:Pk——瞬时闪变视感度在整个检测时间段内的占比;

P0.1、P1——瞬时闪变视感度超过0.1%、1%时间比的Pk值;

P3、P10、P50——瞬时闪变视感度超过3%、10%、50%时间比的Pk值;Pst,k——第k次所测量的Pst值;

N——每隔10 min所测的Pst值数量。 对于电弧炉等随变化负荷电压波动的负载,不仅仅要检查它的最大电压波动,还要能在足够长时间观察电压波动的统计特性。按国际标准的要求,短时间闪变的一个记录周期为15 min,而长时间闪变的一个记录周期为2 h。对于电压波动和闪变的监测,可根据需要启动或停止。

2.6 谐波

由于风电的特殊性,装机容量增加到一定程度时,尤其是当风力机采取变速运行方式和使用大量功率电力电子器件时,电力谐波不容忽视。对采样得到的数字离散序列进行基2、128点的离散傅里叶变换,可得各次谐波的幅值、相位等信息,对各次谐波的幅值计算得各次谐波的有效值。由于实际信号在进行数据采集时,不可能实现严格同步采样,产生的泄漏效应及栅栏效应必将影响所测电气参数(频率、幅值和相位)的准确度,这需要利用加窗算法进行修正。为提高系统的测量精度、稳定度和抗干扰能力,在测量算法中还使用了去极值滤波、滑动平均滤波等数字滤波手段。

3 软件设计

软件包括DSP、ARM应用程序和PC机应用软件。软件流程图如图2所示。

图2 软件流程图

DSP、ARM应用程序实现数据采集、数字信号处理、存储、显示、通信处理等;PC机应用软件对数据进一步处理,实现实时监测、动态显示、历史数据查询、曲线绘制、报表显示以及打印输出等。软件流程图包括A/D采样程序、液晶显示程序、键盘扫描程序、闪变程序、参数设置程序等子程序。其中,A/D测量数据采集采用16位的并行ADS7805设计,6个通道完全同步采样,精度更高,速度更快,且任何一路A/D损坏都不影响其他通道数据的正常采集。

4 试验与分析

利用电能质量在线监控系统,对风电场的单台风机进行持续监测。记录电压和电流数据、电压和电流谐波、功率等单项数据时,显示和记录间隔为1 s,电压等级为110 kV,电压互感器变比为1 100。

4.1 三相电压实时波形与频谱图

三相电网电压正常时电压波形及频谱如图3所示。

图3 三相电网电压正常时电压波形及频谱

由图3(a)可见,电压波形均为光滑正弦曲线,各相电压幅值均为57.7 V。从图3(b)可看出,第3次谐波的A、B、C三相电压谐波含有率分别为0.089%、0.087%、0.089%,而其他各次谐波的三相电压谐波含有率均小于0.030%,符合GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》的规定:电网标称电压380 V及以下,奇次电压谐波含有率低于4.0%,偶次电压谐波含有率低于2.0%。说明该装置对电网谐波的测量具有很高的准确性。 三相电压含5次谐波时电压波形及频谱如图4所示。

图4 三相电压含5次谐波时电压波形及频谱

由图4(a)可见,三相电压波形受第5次谐波的影响,均为非正弦曲线。从图4(b)可看出,A、B、C三相电压谐波含有率分别为11.01%、10.83%、10.97%,而其他各次谐波的三相电压谐波含有率几乎为0。因此,总的谐波电压畸变率必然超出国家标准要求的指标(4%)。

4.2 电能质量综合统计报表

报表可以分析三相不平衡度、电压波动及总谐波电压等相关数据。电能质量综合统计如表1所示。

表1 电能质量综合统计

5 结 语

针对风电场的电能质量特性,设计了基于双CPU结构的风电机组电能质量监测系统。电能质量在线监测系统能实现谐波分析、波形采样与电压闪变、电压不平衡度测量、故障录波、事件记录、测量、控制等,具有一定的推广使用价值。

[1] 王辉艳.风电质量DSP监测系统研究与设计[D].成都:西南交通大学,2010.

[2] 彭明智,刘永强,赵富强.风电电能质量监测系统的设计与应用[J].低压电器,2010(7):45-49.

[3] 牛胜锁,郭经,梁志瑞.基于ARM和DSP的嵌入式电能质量监测仪的设计[J].电测与仪表,2011,48(551):72-76.

[4] 陈晓燕,庞涛,许丽佳.基于嵌入式平台的实验室电能质量监测系统设计[J].计算机测量与控制,2013,21(6):1501-1504.

[5] 葛化敏,胡元海,郁波.基于TMS320F2812的电力系统参数测试仪的设计[J].仪表技术与传感器,2008(12):21-23.

[6] 毛晓波,黄云峰,黄俊杰.高精度电能表现场校验仪设计[J].电力自动化设备,2007,27(7):69-74.

Wind Power Quality Online Monitoring System Based on Double CPU

ZHU Jiebin1, HUANG Canying2, LIAO Gaohua1

(1.Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China;2.College of Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330029, China)

To meet the high speed,high precision,instantaneity and continuity of power quality monitoring,this paper designed a power quality monitoring system of wind turbine generator based on the double CPU structure.The components of power quality monitoring system were introduced,and the measuring algorithms of electric parameters were analyzed.The software was designed.The test results show that the power quality monitoring system installed in the power plant has a reliable operation to meet the practical requirements.

power quality; online monitoring system; electric parameter; frequency spectrum

朱杰斌(1962—),男,副教授,高级工程师,研究方向为自动检测装置和智能仪器仪表。

江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ14758)

TU 852

A

1674-8417(2015)04-0005-05

2014-11-28

黄灿英(1975—),女,讲师,研究方向为电力系统自动化。

廖高华(1978—),男,副教授,研究方向为机电控制技术。