基于无线传输的电能质量监控系统设计

周 杰，孙 瑞，孙瑞东，孙 瑜

(1.国网江苏省电力公司经济技术研究院，南京 210008；2. 咸阳职业技术学院，陕西 咸阳 712000；3.国网宁夏电力公司石嘴山供电公司，宁夏 石嘴山 753009； 4. 国网陕西电力公司西安供电公司，西安 710048)

基于无线传输的电能质量监控系统设计

周 杰1，孙 瑞2，孙瑞东3，孙 瑜4

(1.国网江苏省电力公司经济技术研究院，南京 210008；2. 咸阳职业技术学院，陕西 咸阳 712000；3.国网宁夏电力公司石嘴山供电公司，宁夏 石嘴山 753009； 4. 国网陕西电力公司西安供电公司，西安 710048)

对基于无线传输的电能质量监控系统进行分析研究，给出了系统的整体功能框图，设计了配变电监控主站操作平台。通过仿真比较分析了信号去噪算法和谐波检测算法，选取最适合本系统的算法。通过试验验证了基于无线传输的电能质量监控系统设计的正确性和可实现性。

电能质量；无线传输；信号去噪；谐波检测

电能质量实时监控设备对评估电能质量的优劣程度，对实时分析和反映电网的运行有着重要的作用[1-2]。本文使用智能电能表作为电能质量监控设备的数据采集仪器，下位机和上位机通过使用无线数据传输模块进行数据之间的传递，将测量采集得到的数据通过监控界面来实时显示，可实现数据存储、调用以及打印操作。

1 系统总体方案设计

基于无线传输的电能质量监控系统硬件结构总体设计方案框图如图1所示。

图1给出了基于无线传输的电能质量监控系统的基本设计结构框图，远距离监测点的数据通过配电监测终端采集数据，利用无线数据传输模块将采集的数据传输到监控主站。监控主站对采集的数据进行处理和评估。近距离监测点直接通过电缆线传输所需数据，无需借助无线数据传输模块，为有线监测。无线传输模块和工控机之间需要接口转换电路，使数据顺利传输。UPS为系统在正常工作时突然停电的备用电源。

2 基于无线传输的电能质量监控系统论证

2.1 信号去噪算法论证

由于采集到的信号常有噪声混入，如果不进行有效去除噪声，信号分析时会出现不同程度的误差，采用小波去噪算法对采集到的信号做去噪处理[3]。电网信号的基波频率为50 Hz，而最常出现的谐波信号为3、5、7次谐波，选取含有常见的谐波的电网信号为例进行仿真分析。

2.1.1分解层数对去噪效果影响

图1 电能质量监控系统的基本设计结构框图

小波函数选取sym6，阈值函数为软阈值函数，当分解层数N=2,3,4,5时，去噪效果见图2。

图2 不同分解层数对去噪效果的影响

从图2可以看出，当确定了小波函数和阈值函数，变化分解层数时，当分解层数太小时，去噪效果不明显；当分解层数较大时，噪声消除明显，但是部分波形出现失真的现象。通过仿真，总结发现分解层数N=3时去噪效果较好。

2.1.2阈值函数对去噪效果的影响

当分解层数N=3，小波函数选取sym6，阈值函数值和阈值类型不同时，仿真情况见图3。

图3 不同阈值函数对去噪效果的影响

由图3可以看出，当小波函数和分解层数的确定时，如阈值选取不当，噪声消除效果不明显，波形畸变严重。这种仿真情况下可以看到，相同的阈值下，软阈值的消噪效果比硬阈值的消噪效果好得多。通过仿真分析得出，含有谐波信号进行去噪时要选取适当的小波函数采用软阈值进行三层分解，去噪效果最好。

2.2 谐波检测算法论证

2.2.1FFT算法对平稳信号检测

电网输出的信号中多含有为3、5、7次谐波，选取信号为例进行仿真，可以看到基波和谐波的幅值分别为1.00、0.20、0.10和0.05，一个周期采样1024个点，谐波检测仿真图见图4。

图4 平稳信号FFT仿真图

由图4可以看出，在不同频率谐波下，FFT算法快速准确地得到信号中不同频率的幅值，可知FFT对平稳信号可以准确地进行信号检测。

2.2.2小波变换检测非平稳信号

电网中经常出现电力设备开关合上或断开的情况，电压会瞬间发生变化，这就导致在时域中具有间断点，但在一阶微分的情况下存在突变不连续点的第二类间断点。用以下信号为例进行小波变换，对信号检测。

(1)

图5为原始基频信号和小波重构信号，图6为原始谐波信号和小波重构后的波形图。

图5 基频原始信号与小波重构信号

图6 原谐波信号与小波重构信号

从图5和图6可得，小波变换对含有第二类间断点的谐波信号可以精准地检测出它的基频信息和谐波信息，也可以分析到信号的突变点，小波变换对突变的不平稳信号可以准确完成检测。

3 实验结果测试与分析

监控主界面采集处理完成的数据如图7所示，显示了对数据接收和监控的情况，包括高压侧和低压侧的详细参数值。如图8所示为高压配电进线室监控界面采集处理的数据，显示了对数据接收和监控的情况，包括电压值、谐波情况、功率因数、有功功率、无功功率、供电情况等[3]。

图7 监控主界面

图8 高压配电进线室监控界面

如图9是基于无线传输的电能质量监控系统对采集到数据进行的谐波分析图。

图9 谐波含量检测图

4 结语

对基于无线传输的电能质量监测系统相关理论进行了研究，通过仿真分析表明对含有谐波的信号进行分析要采用适当的小波函数采用软阈值进行三层分解完成信号去噪处理。采用快速傅立叶变换对平稳信号进行快速准确检测、采用小波变换对非平稳信号进行检测。最后通过实验验证得到基于无线传输电能质量监控系统设计的正确性和可实现性，具有广泛的应用价值。

[1] 李建.电能质量在线监测系统分析与研究[D].广州：华南理工大学, 2014.

[2]李栋.电能质量远程在线监测系统开发[D].郑州：郑州大学,2015.

[3]范荣强. Visual Basic程序设计基础[M].北京：高等教育出版社, 2012.

DesignofPowerQualityMontoringSystermBasedOnWirelessTransmission

ZHOU Jie1, SUN Rui2, SUN Ruidong3, SUN Yu4

(1. Economic and Technological Research Institute, State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210008;2. Xianyang Vocational and Technical College, Xianyang 712000;3. Shizuishan Power Supply Company, State Grid Ningxia Electric Power Company, Shizuishan 753009;4. Xi ′an Electric Power Supply Company, Shaanxi Electric Power Company, Xi ′an 710048)

The power quality monitoring system based on wireless transmission is analyzed and studied. The whole function block diagram of the system is given. The operation platform of substation master station is designed. Through the simulation and comparison of the signal denoising algorithm and harmonic detection algorithm,it selects the most suitable algorithm for the system. The correctness and feasibility of the design of power quality monitoring system based on wireless transmission are verified by experiments.

power quality; wireless transmission; signal denoise; harmonic detection

10.11973/dlyny201705002

TM76

A

2095-1256(2017)05-0501-03

2017-08-16

(本文编辑：赵艳粉)