浅谈微电网电能质量在线监测系统设计

黄朵+洪海涛+贺健伟

摘 要：微网电能质量的好坏直接影响到用户对微电网接受程度，影响着微网的推广应用。文章分析了微网电能质量的影响因素，并根据微网各影响因素的特点提出微网电能质量在线监测系统的设计思路，并以一个小型并网型微网为对象设计了微电网电能质量在线监测系统的总体框架、功能模块和拓扑结构。

关键词：微电网；电能质量；在线监测系统；拓扑结构

中图分类号：TM769 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）31-0124-02

引言

微电网是一种微型电网结构，它由分布电源、储能装置、控制转换装置和负荷组成。在电网中微网可以看成是大电网中的细胞，未来电网可能由无数个微网细胞构成。微电网可与中压配电网连接，也可以与低压配电网连接。微电网的供电可靠性和电能质量问题是决定微电网推广应用的一个重要因素。随着近年来各领域智能化水平逐渐提高，易受干扰的敏感性负荷逐渐增加，对微网电能质量提出了更高的要求。微网电能质量的影响主要包括：（1）微网中电子元件产生的谐波干扰及配网的谐波传递干扰。（2）微网中非线性负荷产生谐波。（3）微网的运行和控制方式不符合要求。（4）微网中电源启停及电源出力不均匀。（5）配网各种暂态变化及其他扰动（如雷电侵入）。（6）微网中存在多个并网逆变器，各自参数不同，使得输出电压差异形成环流。（7）微网的储能设备配置。而微网电能质量的检测、分析和控制相对传统大电网更加复杂和困难。为了更好地改善微网的电能质量，让微网在电力系统的应用得到更好地推广，通过电能质量主动控制策略和微电网在线监测系统实现微电网电能质量的综合监测和治理是目前广泛认可的手段。为此本文针对微网电能质量的在线监测系统的设计进行了分析和研究。

1 微电网的在线监测系统设计思路

从上述微网电能质量影响因素可以看出，其影响主要可以分为：内部因素和外部因素。内部因素主要是非线性负载、内部电子控制与转换装置、微电源、微网控制策略、储能装置配置情况及微网内部故障等因素。外部因素主要是配网谐波传递干扰、配网故障暂态变化及配网雷电侵入等因素。为了实现微网的电能质量在线监测和综合控制，需要同时考虑上述内部和外部因素。

根据上述因素，监测微网电能质量需要设置各种电能质量检测模块，以达到电能质量扰动因素和扰动类型的自动识别与分析。将这些模块其集成到微网实时监控系统，以实现电能质量的在线监测。

以一个包含5kW风电和30kW光伏和500Ah铅酸蓄电池组的并网型微电网为对象进行设计。

在线监测系统主要功能包含电能质量检测与识别、干扰源定位和综合评估三个部分。检测与识别主要是对拟采用监测系统的微电网的电能质量的扰动因素进行自动快速的检测和识别。在设计中既要考虑动态电能质量扰动也要考虑稳态电能质量扰动。本次设计通过S变换原理对微电网的电能质量扰动进行检测，然后通过基于BP神经网络对电能质量扰动进行识别。干扰源的定位主要是将检测和识别到的干扰源进行定位。本文设计的主要包括谐波源定位和电压暂降源的定位。谐波源定位可以采用灵敏度法来实现，而电压暂降源定位可以通过基于SVM分类算法或基于三点法来实现。综合评估是通过电能质量国家标准构建微电网电能质量综合评估体系，体系中包含电压偏差、谐波、电压骤升与骤降、暂态振荡等指标，通过与这些指标的对比分析来进综合评估。文献[6]中提出一种基于熵权的模糊电能质量综合评估适合本次设计。

2 微网电能质量监测系统总体框架

电能质量监测系统设计内容及思路在本文中第1点已经讨论。依照微电网模型进线监测系统总体框架设计需要考虑如下问题：（1）采用何种软件开发。（2）如何采集电压、电流信号，采集对象是微电网中哪些部分。（3）数据分析的方法和数据分析的内容。（4）如何实现人机接口。

在本文中拟采用LabVIEW进行微电网电能质量在线监测系统的开发。

通过电压传感器和电流传感器采集微电网交流母线、光伏逆变器输出、风机控制器输出及并网连接点的电压和电流信号。

将采集到的电压和电流信号通过A/D转换之后送入通过LabVIEW编写的检测、识别、定位和评估模块进行运算与分析。然后通过基于LabVIEW的图形用户界面将相关信息动态显示在监控画面中，用户即可通过监控屏查看微电网的电能质量状态。

其总体框架图可以设计为如图1所示：

3 微网电能质量监测系统功能模块

在本次设计中电能质量监测系统功能模块主要包括以下几个部分：（1）数据采集：指的是实时数据的采集，采集的数据主要包括：稳态和暂态过程中的电压、电流以及频率等数据，数据类型包含模拟量和数字量。（2）数据通信模块：包括监测系统主机与监测终端之间的通信通过TCP/IP协议和光纤网络实现和监控系统主机与WEB服务器之间通信（在需要通过WEB网页进行远程监控时设置），通过TCP/IP协议和光纤网络实现。（3）软件实时分析模块，采集到的数据通过软件计算和分析，实现电能质量扰动检测、电能质量扰动识别、电能质量扰动定位和电能质量综合评估。（4）参数设置模块：包括电能质量监测终端的参数远程设置、评估指标的修改和选择以及报表和波形图的存储路径的选择等。（5）数据查询模块：包括电能质量扰动事件历史记录的查询、波形数据的查询以及终端历史状态的查询。（6）数据显示模块：包括电能质量扰动信息的实时显示和告警、电能质量扰动识别结果的显示、电能质量综合评估信息的显示、实时波形的显示以及监控终端实时状态的显示（在线、故障、离线等）。（7）权限管理模块：实现监测系统的安全管理，一般设置管理员权限、维护人员权限和运行人员权限。

4 微电网电能质量监测系统拓扑结构设计

根据上述总体架构和功能模块的设计，依照微电网模型的结构特点设计微电网电能质量监测系统拓扑结构如图2所示。

5 结束语

微电网一般是用户管理，所以在电能质量监控方面通常强调友好性和易操作性。而以LabVIEW进行电能质量在线监测系统的开发能够很好地实现可视化的图形编程语言和平台，以在监控主机上建立图形化的软件面板，通过丰富的软件面板的设计，可以使得监控系统的界面更加友好，且界面内容更加丰富。

在本文中电能质量的监测涉及的模块和监测要求，均可以通过LabVIEW编程来实现，所以LabVIEW进行微网电能质量监测系统的设计满足微电网的要求。

参考文献：

[1]雷之力，鲁希娟.微网电能质量特点及有源滤波补偿方式研究综述[J].湖南电力，2009，29（5）：59-62.

[2]潘爱强，时珊珊，董瑞安，等.微网电能质量特征及其监测分析[J].高压电器，2015（6）：133-138.

[3]周嵩.微网电能质量监测及控制方法研究[D].昆明理工大学，2015.

[4]黄旭，田立军，秦英林，等.基于LabVIEW的电能质量综合监测及故障录波系统[J].电力自动化设备，2009，29（1）：120-123.

[5]沈輝，谢志云，余子文，等.基于LabVIEW的微网电能质量监测评估系统[J].机电工程，2014，31（9）：1201-1205.

[6]程浩忠，吕干云，周荔丹.电能质量监测与分析[M].科学出版社，2012.endprint