基于ZigBee的分布式能源谐波电流监测系统

李 瑶，徐 雁,肖 霞，王保帅

(强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，湖北 武汉 430074)

基于ZigBee的分布式能源谐波电流监测系统

李 瑶，徐 雁,肖 霞，王保帅

(强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，湖北 武汉 430074)

分布式能源发电及并入传统电网的过程中，大量电力电子设备的应用会产生谐波，影响电力系统供能质量，为此设计了一种谐波在线监测系统。采用自行研制的基于罗氏线圈原理的谐波电流传感器，结合A/D及快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)算法可准确获取各次谐波电流幅值，然后通过ZigBee无线组网实现多节点谐波电流的实时监控与显示。谐波电流采集模块和ZigBee数据传输模块试验结果验证了该监测系统的可行性，与传统监测系统相比，该系统可实现多点谐波电流的无线监控与显示，适于分布式能源发电系统等应用场合。

ZigBee；谐波电流；组网；电流传感器；监测

0 引言

能源互联网中，能量可在电能、化学能、热能等多种形式间相互转化，而能量流与信息流的实时流动依赖于开放式信息网络。近几年，随着可再生能源的发展应用，多种能源供应已渐成现实。按照国家可再生能源发展“十三五”规划，预计到2020年，我国可再生能源发电(含水电)并网容量可达到7.2亿 kW，并网容量比重可达到36%，上网电量比重可达到27%[1]。

分布式新能源发电本身具有随机性、间歇性和波动性，换流及并入电网的过程中依赖于大量的电力电子设备，产生复杂多变的谐波，影响传统电网供能质量及系统安全。利用开放式信息网络对分布式可再生能源系统进行谐波电流监测，及时采取谐波治理措施，具有重要的实际应用意义[2-7]。

考虑分布式能源谐波电流监测的要求[8]，本文设计了一种基于ZigBee技术的谐波电流在线监测系统。根据谐波电流的测量要求，自行研制了空心线圈作为谐波电流传感器，通过A/D转换及基于三谱线插值快速傅里叶变换(fast fourier transform，FFT)的电力谐波分析算法获取各次谐波电流幅值，最终通过无线网络将监测数据发送至主站实现实时监控。该监测系统可实现分布式能源发电多点谐波电流的无线监控与显示，适于分布式能源发电系统等其他应用场合，相对传统电能监测系统具有明显优势。

1 分布式谐波电流监测系统组成

分布式能源发电系统多处于人烟稀少地带，具有分散、多节点、占地面积大等特点，谐波电流传感器也因此分散分布，例如光伏发电场，每10 kW的光伏发电功率占地约100 m2。本文拟设计可覆盖20 MW光伏电站(占地面积0.2 km2)，谐波电流不大于100 A，电流频率范围0.05～10 kHz的分布式监测系统。因此，频带宽、体积小、成本低的谐波电流传感器以及可接入节点多、距离合适、传输速率适中、布置简单的无线传输方式适用于本系统。

图1 谐波电流监测系统整体结构Fig.1 Structure of harmonic current monitoring system

1.1 谐波电流传感器

电流传感器作为信息流的起始点，承担着信息采集的任务，是影响监测系统性能的关键环节。按传感原理不同，常用的电流传感器可分为铁芯线圈、空心线圈、霍尔电流传感器以及光学电流传感器。

在分布式测量中，空心线圈具有广阔的应用前景。与传统铁芯式电流互感器相比，能够测量数Hz至数MHz的电流信号，尤其是不含铁芯，无铁芯饱和现象，测量范围宽，对于含有直流量的分布式谐波电流监测极为有利；与霍尔电流传感器及光学电流传感器相比，具有结构简单、成本较低、维护较简单等优点，能够适应监测环境变化，便于分布式系统中的大规模化使用。

1.2 无线通信方式

无线通信技术不但使得电子设备摆脱了通讯线缆的束缚，同时使得电子设备拥有了低能耗，组网灵活等特点，当前常用的无线通讯技术主要有：WiFi、蓝牙、ZigBee、通用分组无线服务技术(general packet radio service，GPRS)等。表1简要对比了4种无线通信技术的各项指标。

表1 无线通信技术对比Table 1 Comparison of wireless communication technology

与WiFi和蓝牙相比，ZigBee支持的网络拓扑结构多，可接入节点容量大，组网灵活，每个网络节点间的传输距离可以从标准的80 m扩展到数km，适于分布式发电中的多节点监测；与GPRS相比，具有使用方便、不依赖于基站的特点。此外，ZigBee网络还可与现有的其他通信网络进行通信，具有双向传输、灵活性高的特性，在各领域中逐步得到应用[9-11]。考虑到实际监测环境，选择ZigBee技术作为本系统无线通信方式。

1.3 系统组成

基于ZigBee技术的谐波电流监测系统整体结构如图1所示。整个系统主要由谐波电流采集模块、无线数据传输网络和主站这3部分组成。对于本监测系统，最终目的是将各监测节点的谐波幅值上传至主站，由主站对各监测点的谐波量进行监视，并根据结果对谐波电流实施控制。

图1中的ZigBee协调器节点是整个无线网络的信息集中器，ZigBee终端节点分布于能源系统的发电端、变流部分及并网处等谐波监测处，采集的电流数据经信号处理、A/D转换以及谐波计算后，发送至主站显示；同时，对于当传输距离较大的节点，在合适位置冗余安装1组ZigBee路由器，可提高传输网络的可靠性。

2 分布式谐波电流监测系统设计

2.1 电流采集模块

空心线圈是1个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，设i(t)为一次侧被测电流。由电磁感应原理，输出电压与一次电流存在微分关系，即

(1)

式中：总磁链ψ=NΦ=NBS，N为空心线圈的总匝数，S为空心线圈横截面积；M是空心线圈与载流导体之间的互感系数,是仅与空心线圈结构相关的常数；μ0=4π·10-7H/m为真空磁导率。

通过对空心线圈输出电压信号进行积分还原可得到一次侧被测电流为

(2)

由式(1)，空心线圈所交链的磁链仅与线圈所包围区间流过的电流存在线性关系，与一次侧无电接触，频带宽，不存在磁饱和问题。

作者自行设计制作了1个额定电流In=100 A，灵敏度为16 mV/A的0.5级空心线圈作为谐波电流传感器，设计频带0.005～30 kHz。

使用低功耗型单片机MSP430F449及其自带A/D对谐波电流传感器输出信号进行采集，电力系统中对谐波参数的检测和分析大多采用FFT及其改进算法，本文采用基于三谱线插值FFT 的电力谐波分析算法获取各次谐波电流幅值[12]，可满足电力系统谐波测量误差的要求。

2.2 无线传输网络设计

结合谐波监测系统特点，综合考虑各项指标，本文选用增强型DTK-1605 ZigBee模块作为无线组网设备，工作环境温度-40～85 ℃，理论传输距离1 600 m。

ZigBee网络主要有星形,簇状型和网状型(Mesh)这3种组网方式，其中，Mesh型非常适用于点到点的远距离应用，是1种可自由设计的拓扑，具有较强环境适应能力，本文设计的拓扑结构如图2所示，其中，任一终端节点与路由节点距离不超过2个节点间的最大传输距离。

图2 Mesh型组网方式Fig.2 Mesh networking

若假设x=200 m，y=300 m，当接入节点：N=4时，S=0.09 km2；N=9时，S=0.2 km2；N=18时，S=0.4 km2；N=36时，S=0.8 km2；……。

因此，设计的无线网络结构具有覆盖范围大且可灵活扩展的优点，当某一路由器工作异常时，终端节点可自动寻找最优路径下的替代路由节点；需要消除微弱传输信号和死区现象时，可通过简单的增加路由器节点实现，传输网络使用和维护简单方便。

设定协调器节点和终端节点的参数一致后，ZigBee模块将自动加入同一网络，每个从节点会生成固定的短地址。设定终端节点传输模式为基于透明传输的可靠传输(08)时可进行传输数据前的网络状态及信号强度的测试。设定ZigBee各终端节点传输模式为透明传输(00)时，节点进入休眠状态，等待协调器节点发送采集指令。主站通过协调器节点广播发送含有指定终端节点短地址的指令，所有从节点将收到指令，若判断为本机短地址，即开始数据采集及谐波分析，并将谐波分析结果回传至协调器节点及主站实时显示。如图3、4为ZigBee终端节点及协调器节点程序流程图。路由节点上电后自动接收转发数据，充当数据传输的中继点。

2.3 主站显示及控制

主站中央处理器(central processing unit，CPU)通过无线网络广播发送指定节点的采集指令，终端节点的谐波采集数据经无线网络回传至主站后，可实时监测显示各终端数据并实现相应的控制。

3 试验及分析

为了验证电流传感器性能以及无线数据传输的可靠性，进行了性能测试。

图3 终端节点程序流程图Fig.3 Program flow chart of terminal node

图4 协调器节点程序流程图Fig.4 Program flow chart of coordinator node

3.1 谐波电流传感器性能测试

3.1.1 工频下的误差测试

在实验室进行谐波电流传感器在工频下的误差测试[13]：由大电流发生器输出频率50 Hz，幅值变化为10%In～120%In的基波电流；一次侧以额定电流100 A的标准电流互感器为基准，其准确度为0.05级；被测线圈及标准互感器输出接入准确度0.5%的校验仪，得到测试结果如图5。

图5 工频下的误差测试Fig.5 Error test under power frequency

在测量范围内，该谐波电流传感器的比差变化在±0.5%以内，相差小于5′，两者均满足0.5级电流传感器要求，且线性度好。

3.1.2 谐波下的误差测试

在实验室进行谐波电流传感器在谐波下的误差测试[14]：由频率可调的谐波源输出电流幅值为10 A，频率变化50～650 Hz的单次谐波；一次侧以Pearson101型宽频电流传感器为基准，其灵敏度为10 mV/A，频带4 MHz，测量范围内比值误差小于±1%，相差小于1°；被测线圈及Pearson线圈输出接入带宽200 MHz、采样率2 G/s的示波器，得到测试结果如图6，其中虚线为0.5级电流传感器谐波测量准确度限值。

图6 谐波下的误差测试Fig.6 Error test under harmonic wave

由图6，该谐波电流传感器满足0.5级电流传感器各次谐波测量比差及相差要求。

3.1.3 频带实验

实验原理同谐波下的误差测试，被测线圈及Pearson线圈输出接入示波器，得到谐波电流传感器的频带测试结果如图7。

图7 谐波电流传感器的频带测试Fig.7 Frequency band test of harmonic current sensor

由图7可知，该谐波电流传感器的-3 dB带宽为30 kHz左右，满足本分布式监测系统中电流频率范围0.05～10 kHz的设计要求。

3.2 无线传输功能测试

为了对ZigBee通信模块进行调试及测试，硬件设备主要包括：

1) 4个ZigBee无线通信模块。

2) PC机3台，波特率设置为38 400 bit/s。

3.2.1 组网测试

同时连接3个无线模块并通过配置软件设置参数，将三者组网。进行主节点对从节点广播发送以及从对主点对点发送实验。主节点广播发送数据时，2个从节点均收到数据；其中一个从节点发送数据时，仅主节点接收到数据。

3.2.2 无障碍传输测试

为测试实际环境中ZigBee模块的点对点通信距离，选择无明显障碍物的某操场(240 m×190 m)，进行节点通信距离测试，主节点连续发送1 000个数据包，从节点位于不同位置接收数据，测试结果如表2。

表2 无障碍传输测试结果Table 2 Accessibility test results

通过以上测试结果表明，ZigBee网络传输数据的速率可达250 kb/s，在较开阔环境中能实时传输300 m范围的数据，接收延迟时间<0.5 s，接收误差较小，通信成功率在98%及以上。

3.2.3 有障碍传输测试

DTK-1605 ZigBee模块的在可视、开阔、无干扰的环境下的最大理论传输距离为1 600 m。但是在实际环境中，节点之间存在外来电磁辐射等干扰，实际传输距离可能会受到较大影响。为模拟实际条件，主节点连续发送1 000个数据包，从节点摆放于存在墙面障碍的不同位置接收数据，测试如图8所示。

图8 有障碍传输测试Fig.8 Obstacle transmission test

测试结果如表3。测试中发现，在存在障碍的2点(如主节点及C点)之间增加适当的路由节点(A、B节点)时通信成功率明显提高。

表3 有障碍传输测试结果Table 3 Obstacle transmission test results

在障碍较多时，在ZigBee信号不易全面覆盖的范围内，选择最优路径安装多个路由节点，能解决ZigBee传输丢包、误差大的问题，达到增强节点传输距离、信号强度及绕开障碍物的目的,且增加的路由节点不会对整体系统实时传输性造成影响。

4 结论

(1) 基于空心线圈的谐波电流传感器可满足分布式能源系统谐波测量要求。

(2) 采用ZigBee的自组网无线传输，在节点间距离小于300 m的无障碍条件下，通信成功率可保证98%以上；存在少量障碍时，成功率仍为94%以上；存在多个较难绕行的障碍时，成功率较低。

(3) 通过选择最优路径安装路由节点可提高通信成功率，达到增强节点传输距离、信号强度及绕开障碍物的目的。

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DistributedEnergyHarmonicCurrentMonitoringSystemBasedonZigBee

LI Yao, XU Yan, XIAO Xia, WANG Baoshuai

(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China)

In the process of distributed energy power generation and integration into the traditional power grid, a large number of applications of power electronic equipment will produce harmonics, affecting the power system power supply quality; therefore this paper designs a harmonic online monitoring system. The amplitude of each harmonic current can be obtained by combining the A/D and FFT (fast Fourier transform) algorithm with the self-developed harmonic current sensor based on Rogowski coil principle. Then, the real-time monitoring and display of multi-node harmonic current are realized through ZigBee wireless network. The test results of harmonic current acquisition module and ZigBee data transmission module verify the feasibility of the monitoring system. Compared with the traditional monitoring system, this system can achieve the wireless monitoring and display of multi-point harmonic current, which is suitable for distributed energy generation system and other applications.

ZigBee; harmonic current; networking; current sensor; monitoring

TK 01; TM 93

A

2096-2185(2017)06-0066-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.011

李 瑶

李 瑶(1993—)，女，硕士研究生，从事谐波电流传感器技术研究，342707210@qq.com；

徐 雁(1963—)，女，博士，副教授，研究方向为电子式互感器及新型测量仪器；

肖 霞(1976—)，女，博士，副教授，研究方向为电子式互感器；

王保帅(1994—)，男，硕士研究生，从事谐波电流算法研究。

2017-09-15

(编辑 蒋毅恒)