朱杰斌, 黃燦英, 廖高華(.南昌工程學(xué)院, 江西 南昌 330099;.南昌大學(xué) 科技學(xué)院, 江西 南昌 33009)

基于雙CPU的風(fēng)電機(jī)組電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)

朱杰斌1, 黃燦英2, 廖高華1
(1.南昌工程學(xué)院, 江西 南昌 330099;2.南昌大學(xué) 科技學(xué)院, 江西 南昌 330029)

為了滿足電能質(zhì)量監(jiān)測高速、高精度、實時性和連續(xù)性等性能指標(biāo),設(shè)計了基于雙CPU結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)組電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的組成,分析了電力參數(shù)測量算法,并進(jìn)行了軟件設(shè)計。試驗結(jié)果表明,電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)運行可靠,滿足電能質(zhì)量在線監(jiān)測的實際需求。

電能質(zhì)量; 在線監(jiān)測系統(tǒng); 電力參數(shù); 頻譜

0 引 言

近年來,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)有了很大的發(fā)展,并在內(nèi)蒙古、新疆、青海、甘肅等無電缺電農(nóng)、牧區(qū)和東南海等漁區(qū)島嶼建立了多個風(fēng)力發(fā)電場。隨著越來越多風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)運行,風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)質(zhì)量產(chǎn)生的影響越來越大。但風(fēng)力發(fā)電機(jī)的頻率、電壓易產(chǎn)生變化,使輸出功率呈波動性,直接影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量[1-2]。國外研制的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置水平較高,產(chǎn)品也較豐富,如日立3193系列電能質(zhì)量分析儀、Fluke43手持式電能質(zhì)量分析儀等,但價格昂貴,不適合在國內(nèi)推廣[3]。國內(nèi)大多數(shù)測量儀器對電能質(zhì)量各項指標(biāo)的測量還處于專門測量或不定期測量階段,不能滿足電能質(zhì)量長期、穩(wěn)定的測量要求,如PQ116便攜式分析儀器、KEW631O電能質(zhì)量分析儀、LECOM手持式三相電能質(zhì)量分析儀3PQC。這些儀器適用于公共電網(wǎng)電能質(zhì)量的連續(xù)監(jiān)測和多點監(jiān)測組成的區(qū)域電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng),具有諧波分析、功率分析和故障濾波等功能,但只能進(jìn)行固定監(jiān)測點測量,現(xiàn)場分析無法把握長期運行的情況[4-5]。

本文利用DSP控制器及ARM9雙CPU技術(shù),設(shè)計嵌入式電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)對電能質(zhì)量的連續(xù)采樣、長期動態(tài)監(jiān)測等電能質(zhì)量分析。

1 電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)

電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)具有適時數(shù)據(jù)采集、在線處理、掉電保護(hù)、超限報警、顯示和保存等功能。電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示,電路主要包含四大模塊。

(1) 電源模塊:模塊具備上電保護(hù)、掉電保護(hù)、過壓過流保護(hù)、欠壓欠流保護(hù)等保護(hù)功能,電源輸入電壓AC 220 V(±10%),輸出電壓為DC 12 V、-12 V、5 V。

圖1 電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖

(2) 電壓/電流取樣模塊:三相電壓、電流互感器取樣電路,16位A/D采樣電路。三相輸入電壓為57.7 V,通過電壓互感器轉(zhuǎn)換為AC 3 V,三相輸入電流為1 A,通過電流互感器轉(zhuǎn)換為AC 3 V,供三路16位A/D通道采集數(shù)據(jù)。

(3) CPU結(jié)構(gòu)模塊:TMS320F28335DSP、嵌入式ARM9、可編程控制器FPGA電路和雙口RAM電路。FPGA實現(xiàn)控制采集A/D通道的數(shù)據(jù),送雙口RAM、DSP進(jìn)行計算分析及處理,通過雙口RAM與ARM9與接。ARM9用于數(shù)據(jù)存儲及多種通信方式處理等,與遠(yuǎn)方管理中心交互數(shù)據(jù)。

(4) 存儲顯示及通信接口模塊:數(shù)據(jù)存儲時間可以設(shè)定,一般可存儲12個月,含有32 GB存儲空間,并通過圖型漢字液晶顯示。通信接口配置了100 Mb/s工業(yè)以太網(wǎng)及 RS-232C/485通信接口,可與管理中心交互數(shù)據(jù),不僅實現(xiàn)對電網(wǎng)的頻率、電壓、電流有效值、總有功/無功功率、功率因數(shù)、諧波含量值監(jiān)測外,還對電能質(zhì)量的暫態(tài)擾動(主要是電壓的驟升、驟降)進(jìn)行監(jiān)測和記錄。

2 電力參數(shù)測量算法

2.1 電壓、電流有效值及偏差

電壓、電流在一個周期內(nèi)的均方根值分別定義為[6]

(1)

(2)

電流、電壓信號經(jīng)過采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器,均勻地轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號。式(1)、(2)可離散化為

(3)

(4)

式中:u(n)——電壓離散采樣的序列值;i(n)——電流離散采樣的序列值。

電壓/電流偏差是指允許偏差,即電力系統(tǒng)中電壓/電流緩慢變化(電壓/電流變化率小于0.01/s)時,實際電壓/電流與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)值之差,其中額定電壓為100 V或220 V。

2.2 頻率及頻率偏差的測量

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)程規(guī)定,電力系統(tǒng)工頻50 Hz允許偏差為±(0.2～0.5) Hz。電網(wǎng)頻率的測量主要通過測量周期的方式來實現(xiàn)的,硬件的外部接口檢測到外部信號,從而控制計數(shù)器來實現(xiàn)。通過讀取A/D轉(zhuǎn)換器的值,在檢測出第一個正向過零點后開始計數(shù),累計記錄N+1個正向過零點內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換的總次數(shù)為NN+1。A/D轉(zhuǎn)換器的采樣間隔t由分頻系數(shù)和晶振決定,其大小固定。頻率f、頻率偏差Δf分別為

f=N/(NN·Δt)

(5)

Δf=fs-fe

(6)

式中:fs——頻率實測值;fe——頻率額定值。

2.3 有功、無功功率及功率因數(shù)

對電壓、電流乘積的周期性積分獲取有功功率。三相有功功率離散化公式為

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

(7)

對電流進(jìn)行數(shù)字式移相90°,再對其與電壓乘積的周期性積分獲取無功功率。對三相無功功率累加,即得三相無功功率。單相無功功率的離散化公式為

(8)

因此,功率因數(shù)為

(9)

式中:i(n+N/4)——u(n)滯后90°的電流值。

2.4 電壓、電流不平衡度及波動測量

三相電壓、電流的不平衡程度,用正序分量與負(fù)序分量的均方根值百分比表示:

(10)

(11)

式中:U1、U2——三相電壓的正序、負(fù)序分量均方根值;

I1、I2——三相電流的正序、負(fù)序分量均方根值。

電壓波動ΔU為一系列電壓變動或工頻電壓包絡(luò)線的周期性變化。電壓波動值為電壓均方根值的兩個相鄰的極值之差,常以額定電壓UN的百分?jǐn)?shù)表示其相對百分值,即

ΔU=(Umax-Umin)/UN×100%

(12)

國家標(biāo)準(zhǔn)要求每10 min保存一個電壓波動記錄。取10 min內(nèi)電壓波動的最大值,連同該10 min時間段結(jié)束的時刻,構(gòu)成一條完整的電壓波動記錄。

2.5 電壓閃變

電壓閃變作為衡量電壓波動危害程度的一項評價指標(biāo),分為短時間的閃變嚴(yán)重度Pst和長時間的閃變嚴(yán)重度Plt。

(13)

(14)

式中:Pk——瞬時閃變視感度在整個檢測時間段內(nèi)的占比;

P0.1、P1——瞬時閃變視感度超過0.1%、1%時間比的Pk值;

P3、P10、P50——瞬時閃變視感度超過3%、10%、50%時間比的Pk值;Pst,k——第k次所測量的Pst值;

N——每隔10 min所測的Pst值數(shù)量。 對于電弧爐等隨變化負(fù)荷電壓波動的負(fù)載,不僅僅要檢查它的最大電壓波動,還要能在足夠長時間觀察電壓波動的統(tǒng)計特性。按國際標(biāo)準(zhǔn)的要求,短時間閃變的一個記錄周期為15 min,而長時間閃變的一個記錄周期為2 h。對于電壓波動和閃變的監(jiān)測,可根據(jù)需要啟動或停止。

2.6 諧波

由于風(fēng)電的特殊性,裝機(jī)容量增加到一定程度時,尤其是當(dāng)風(fēng)力機(jī)采取變速運行方式和使用大量功率電力電子器件時,電力諧波不容忽視。對采樣得到的數(shù)字離散序列進(jìn)行基2、128點的離散傅里葉變換,可得各次諧波的幅值、相位等信息,對各次諧波的幅值計算得各次諧波的有效值。由于實際信號在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時,不可能實現(xiàn)嚴(yán)格同步采樣,產(chǎn)生的泄漏效應(yīng)及柵欄效應(yīng)必將影響所測電氣參數(shù)(頻率、幅值和相位)的準(zhǔn)確度,這需要利用加窗算法進(jìn)行修正。為提高系統(tǒng)的測量精度、穩(wěn)定度和抗干擾能力,在測量算法中還使用了去極值濾波、滑動平均濾波等數(shù)字濾波手段。

3 軟件設(shè)計

軟件包括DSP、ARM應(yīng)用程序和PC機(jī)應(yīng)用軟件。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

DSP、ARM應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號處理、存儲、顯示、通信處理等;PC機(jī)應(yīng)用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理,實現(xiàn)實時監(jiān)測、動態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、曲線繪制、報表顯示以及打印輸出等。軟件流程圖包括A/D采樣程序、液晶顯示程序、鍵盤掃描程序、閃變程序、參數(shù)設(shè)置程序等子程序。其中,A/D測量數(shù)據(jù)采集采用16位的并行ADS7805設(shè)計,6個通道完全同步采樣,精度更高,速度更快,且任何一路A/D損壞都不影響其他通道數(shù)據(jù)的正常采集。

4 試驗與分析

利用電能質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng),對風(fēng)電場的單臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。記錄電壓和電流數(shù)據(jù)、電壓和電流諧波、功率等單項數(shù)據(jù)時,顯示和記錄間隔為1 s,電壓等級為110 kV,電壓互感器變比為1 100。

4.1 三相電壓實時波形與頻譜圖

三相電網(wǎng)電壓正常時電壓波形及頻譜如圖3所示。

圖3 三相電網(wǎng)電壓正常時電壓波形及頻譜

由圖3(a)可見,電壓波形均為光滑正弦曲線,各相電壓幅值均為57.7 V。從圖3(b)可看出,第3次諧波的A、B、C三相電壓諧波含有率分別為0.089%、0.087%、0.089%,而其他各次諧波的三相電壓諧波含有率均小于0.030%,符合GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定:電網(wǎng)標(biāo)稱電壓380 V及以下,奇次電壓諧波含有率低于4.0%,偶次電壓諧波含有率低于2.0%。說明該裝置對電網(wǎng)諧波的測量具有很高的準(zhǔn)確性。 三相電壓含5次諧波時電壓波形及頻譜如圖4所示。

圖4 三相電壓含5次諧波時電壓波形及頻譜

由圖4(a)可見,三相電壓波形受第5次諧波的影響,均為非正弦曲線。從圖4(b)可看出,A、B、C三相電壓諧波含有率分別為11.01%、10.83%、10.97%,而其他各次諧波的三相電壓諧波含有率幾乎為0。因此,總的諧波電壓畸變率必然超出國家標(biāo)準(zhǔn)要求的指標(biāo)(4%)。

4.2 電能質(zhì)量綜合統(tǒng)計報表

報表可以分析三相不平衡度、電壓波動及總諧波電壓等相關(guān)數(shù)據(jù)。電能質(zhì)量綜合統(tǒng)計如表1所示。

表1 電能質(zhì)量綜合統(tǒng)計

5 結(jié) 語

針對風(fēng)電場的電能質(zhì)量特性,設(shè)計了基于雙CPU結(jié)構(gòu)的風(fēng)電機(jī)組電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)諧波分析、波形采樣與電壓閃變、電壓不平衡度測量、故障錄波、事件記錄、測量、控制等,具有一定的推廣使用價值。

[1] 王輝艷.風(fēng)電質(zhì)量DSP監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].成都:西南交通大學(xué),2010.

[2] 彭明智,劉永強(qiáng),趙富強(qiáng).風(fēng)電電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].低壓電器,2010(7):45-49.

[3] 牛勝鎖,郭經(jīng),梁志瑞.基于ARM和DSP的嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計[J].電測與儀表,2011,48(551):72-76.

[4] 陳曉燕,龐濤,許麗佳.基于嵌入式平臺的實驗室電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制,2013,21(6):1501-1504.

[5] 葛化敏,胡元海,郁波.基于TMS320F2812的電力系統(tǒng)參數(shù)測試儀的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008(12):21-23.

[6] 毛曉波,黃云峰,黃俊杰.高精度電能表現(xiàn)場校驗儀設(shè)計[J].電力自動化設(shè)備,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,高級工程師,研究方向為自動檢測裝置和智能儀器儀表。

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(GJJ14758)

TU 852

A

1674-8417(2015)04-0005-05

2014-11-28

黃燦英(1975—),女,講師,研究方向為電力系統(tǒng)自動化。

廖高華(1978—),男,副教授,研究方向為機(jī)電控制技術(shù)。