分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析系統(tǒng)裝置及分析方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析系統(tǒng)裝置，主要包括數(shù)據(jù)實時采集與智能分析的下位機、當前與歷史數(shù)據(jù)可查詢的上位機以及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苣K。其中，下位機包含用于電源節(jié)點參數(shù)采集的傳感器裝置、用于對傳感信號進行放大的信號調(diào)理裝置、用于經(jīng)信號調(diào)理裝置放大后的數(shù)據(jù)進行處理分析的嵌入式裝置。對附加Hamming窗的快速傅立葉計算方法進行改進，自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)長度，解決傳統(tǒng)FFT算法多路數(shù)據(jù)信號分析與處理速度之間的矛盾，在確保精度的基礎(chǔ)上降低硬件資源消耗，提高信號處理的效率。不僅實現(xiàn)下位機操作的簡易性與便攜性，結(jié)合相應(yīng)的無線通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)上位機對多電源節(jié)點參數(shù)監(jiān)測的綜合管理。
【專利說明】分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析系統(tǒng)裝置及分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明設(shè)計了一種分布式電源節(jié)點參數(shù)實時監(jiān)測與智能分析方法，特別是開發(fā)并實現(xiàn)了分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析系統(tǒng)裝置及分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于化石能源特別是煤炭的大規(guī)模開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響，各國積極推進清潔能源發(fā)電。在我國，到“十二.五”末，非化石能源消費占一次能源消費比重將達到11.4 %，非化石能源發(fā)電裝機比重達到30 %，在可再生能源資源豐富和具備多元化利用條件的地區(qū)，利用集中開發(fā)與分布式發(fā)電相結(jié)合，推動清潔能源多元化格局發(fā)展，對保護生態(tài)環(huán)境、應(yīng)對氣候變化、確保國家能源安全，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。清潔能源分布式發(fā)電以微電網(wǎng)形式接入低壓配電網(wǎng)，可充分利用能源結(jié)構(gòu)多樣性與便利性，以減少電力生產(chǎn)對環(huán)境的負面影響。
[0003]微電網(wǎng)是指由分布式電源、儲能裝置、能量變換裝置、相關(guān)負荷和監(jiān)控系統(tǒng)、保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以獨立運行。一方面，充分利用可再生能源發(fā)電對于中國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保護環(huán)境、開發(fā)西部、解決農(nóng)村用能及邊遠地區(qū)用電、進行生態(tài)建設(shè)等均具有重要意義；另一方面，中國可再生能源的發(fā)展?jié)摿κ志薮?。然而微電網(wǎng)中各分布式電源節(jié)點構(gòu)成差異較大且具有間歇性。例如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電等易受季節(jié)氣候的影響，微電網(wǎng)電源頻繁切入和退出大電網(wǎng)，故障發(fā)生的可能性與系統(tǒng)的穩(wěn)定必定會受到影響，而人們對電力供應(yīng)的穩(wěn)定性要求越來越高，保證電能質(zhì)量的要求也更加突出。因此,如何對微電網(wǎng)中各分布式電源節(jié)點參數(shù)進行實時監(jiān)測，并對其運行狀況進行智能分析與評估，為后續(xù)的優(yōu)化調(diào)度與繼電保護決策提供信息具有重要的研究意義。
[0004]為了適應(yīng)越來越大規(guī)模的清潔能源發(fā)電應(yīng)用和分布式電源的接入，方便電網(wǎng)管理工作人員對接入電網(wǎng)的用電設(shè)備與各節(jié)點電源的健康狀況進行評估，各種便攜式的電能監(jiān)測分析儀隨之產(chǎn)生，發(fā)展也越來越成熟。其中，F(xiàn)luke公司是世界電子測試工具生產(chǎn)、分銷和服務(wù)的領(lǐng)導(dǎo)者，它的高質(zhì)量產(chǎn)品得到了廣泛使用，其生產(chǎn)的Fluke 435 II三相電能分析儀是一款優(yōu)秀的電能質(zhì)量分析儀。Fluke 435 II分析儀可以單相三相交替使用，最大電壓測量有效值(交流+直流)為1000V，最大電流測量有效值(交流+直流)為6000A，可以測量有效值、頻率、相位、功率因數(shù)、功率，也可以測量電壓暫將、電壓驟升、三相不平衡率、電壓閃變等數(shù)值。測量功能齊全、精度高、安全性強。其自帶有SD卡用于保存現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)，供工作人員統(tǒng)計分析。此設(shè)備也可連接到PC機，與PC機保持實時通訊，實時數(shù)據(jù)也可保存至PC機上。其還配備有分析軟件，方便工作人員分析數(shù)據(jù)。圖像化操作界面，集成示波器、曲線圖、報表等多種個性化的圖形顯示功能。而法國CA公司生產(chǎn)的CA8335能質(zhì)量分析儀也是一款優(yōu)秀的電能質(zhì)量分析儀。最大測量線電壓(交流+直流)960V，最大測量電流(交流+直流)6500A ；4路電壓及4路電流輸入；可同時捕捉及記錄所有的電量參數(shù)，暫態(tài)波形和告警；配超大容量2GSD存儲卡，可同時連續(xù)記錄所有的電量參數(shù)達I個月；CA8335菜單含21種語言包括簡/繁體中文，操作簡便而精確；實時顯示電壓電流波形；可測諧波至50次，可進行閃變計算；備份和儲存截屏(圖像和數(shù)據(jù))；趨勢圖可輸出到PC，PC軟件支持數(shù)據(jù)恢復(fù)讀取、可實時與儀器保持通訊。后來，國內(nèi)市場上還出現(xiàn)許多自主研發(fā)的產(chǎn)品，如國電華泰DT3561便攜式三相電能質(zhì)量分析儀、華電高盛的HVB-Q手持式電能質(zhì)量分析儀等。這些產(chǎn)品實現(xiàn)了現(xiàn)場測量的便攜化、簡單化大，但是上述產(chǎn)品與上位機的通訊基本上是一對一，無法對便攜設(shè)備數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理的操作平臺，更無法將各分布式電源節(jié)點進行統(tǒng)一監(jiān)測并完成相關(guān)數(shù)據(jù)的智能分析。
[0005]綜上所述，實現(xiàn)分布式電源節(jié)點參數(shù)的綜合監(jiān)測，不僅需要充分考慮監(jiān)測終端測試設(shè)備的簡易性、便攜性，還需要考慮分布式節(jié)點數(shù)據(jù)的實時傳輸與統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。然而，現(xiàn)有技術(shù)的功能大部分集成在便攜式設(shè)備上，節(jié)點數(shù)目的增加不僅使得設(shè)備投資增大，而且沒有遠動功能，不能實現(xiàn)在線測量的功能轉(zhuǎn)換和設(shè)備運行管理。
[0006]分布式電源節(jié)點參數(shù)實時監(jiān)測與分析的參數(shù)較多、多路FFT (快速傅里葉變換)計算量較大，隨著數(shù)據(jù)的精度和采樣頻率的提高，設(shè)備的數(shù)據(jù)計算量呈幾何倍數(shù)地上升。傳統(tǒng)FFT算法無法解決多路數(shù)據(jù)信號分析誤差與處理速度之間的矛盾。為了獲得高精度的實時數(shù)據(jù)，需要使用成本較高的硬件進行支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于為分布式電源節(jié)點參數(shù)實時監(jiān)測與分析提供更為有效的方法與系統(tǒng)裝置，在充分考慮建設(shè)成本與硬件開銷的情況下，快速獲得更為準確、數(shù)據(jù)量更大的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)FFT算法在多路數(shù)據(jù)信號分析誤差與處理速度之間的矛盾，提高了系統(tǒng)裝置監(jiān)測的實時性。并且實現(xiàn)多電源節(jié)點參數(shù)監(jiān)測的無線通訊組網(wǎng)，大大減少了布線上所帶來的困難，便于裝調(diào)測試，具有靈活的適應(yīng)性與擴展性。
[0008]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)上述目的:針對現(xiàn)有分布式電源節(jié)點參數(shù)檢測、分析系統(tǒng)的缺點，設(shè)計分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析系統(tǒng)裝置，該系統(tǒng)裝置包括一臺或多臺以上用于收集數(shù)據(jù)的下位機和與下位機進行通訊連接并收集匯總下位機數(shù)據(jù)的上位機。所述的下位機包含用于對電源節(jié)點進行實時檢測的傳感器裝置，用于對傳感器裝置所獲得的數(shù)據(jù)信號進行放大的信號調(diào)理裝置，用于對經(jīng)調(diào)理放大的信號進行計算與智能分析的數(shù)字信號處理裝置，以及用于將下位機與上位機之間建立通信連接的無線數(shù)據(jù)傳輸裝置。
[0009]下位機的傳感器裝置對電網(wǎng)的一個或多個節(jié)點進行數(shù)據(jù)信號采樣，獲得實時的電網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)信號。通過電壓、電流互感器獲取的傳感信號較為微弱，不適合進行處理，所以將其通過信號調(diào)理裝置進行信號放大。放大信號經(jīng)A/D采樣后在數(shù)字信號處理與智能分析裝置進行計算，獲得合成波形和分析所需要的電壓、電流、相位、頻率、幅值和相位數(shù)據(jù)，并將檢測結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機。各電源節(jié)點的幅值、相位以及諧波分量均通過對附加Hamming窗的快速傅立葉變換改進算法獲得,所述的Hamming窗函數(shù)為
【權(quán)利要求】
1.分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析方法，其特征在于所述的方法包括以下步驟: S010:可設(shè)定采樣頻率、監(jiān)測的電源節(jié)點數(shù)； S020:通過電壓、電流傳感器可連續(xù)地對一個或多個電源節(jié)點的電參數(shù)進行監(jiān)測，獲得微弱的傳感信號； S030:將微弱的傳感信號進行隔離放大調(diào)理，形成適用于數(shù)字信號處理器A/D采樣端直接輸入的放大信號； S040:將放大信號進行A/D采樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行處理與分析，進而獲得各電源節(jié)點參數(shù)的實時情況，所述的實時情況至少包括電壓、電流、幅值、相位、頻率功率因素、三相不平衡率、電壓閃變以及諧波分量；各電源節(jié)點的幅值、相位以及諧波分量均通過對附加Hamming窗的快速傅立葉變換改進算法獲得,所述的Hamming窗函數(shù)為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析方法，其特征在于所述步驟S030信號放大的方法是將微弱的數(shù)據(jù)信號依次進行信號隔離放大、反向求和電壓抬升、反向放大調(diào)理運算后獲得可適用于微處理器A/D采樣端輸入的信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析方法，其特征在于所述步驟S040中將數(shù)據(jù)放大信號進行數(shù)據(jù)處理可實時獲得各電源節(jié)點的電壓電流的大小、電壓閃變；所述步驟S040中將數(shù)據(jù)放大信號進行智能計算分析得到各節(jié)點電流的相位、頻率以及各諧波分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3或4所述的分析方法，其特征在于還包括步驟S050:將步驟S040數(shù)據(jù)處理獲得節(jié)點電壓或電流的幅值、相位、頻率進行波形合成。
5.一種分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析系統(tǒng)裝置，包括一臺或一臺以上用于收集數(shù)據(jù)的下位機和與下位機進行通訊連接并收集匯總下位機數(shù)據(jù)的上位機，其特征在于所述的下位機包含用于對電源節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集的傳感器裝置、 用于對傳感器裝置所獲得的數(shù)據(jù)信號進行放大的信號調(diào)理裝置、 用于對經(jīng)過信號調(diào)理裝置放大的數(shù)據(jù)信號進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字信號處理與智能分析裝置 和用于將下位機與上位機之間建立數(shù)據(jù)通信連接的傳輸裝置； 所述的數(shù)字信號處理與智能分析裝置至少包含有加Hanning窗的諧波快速傅立葉計算的幅值、相位計算模塊； 所述的Hanning窗的窗函數(shù)為:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的傳感器裝置包括有一個或多個用于收集電源節(jié)點數(shù)據(jù)的鉗形互感器、用于匯集傳輸鉗形互感器數(shù)據(jù)的互感器傳輸模塊；所述的鉗形互感器分別與互感器傳輸模塊聯(lián)接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的信號調(diào)理裝置包括依次連接的信號隔離放大模塊、反向求和模塊和反向放大模塊；所述信號調(diào)理裝置完成傳感器裝置所監(jiān)測的電源節(jié)點數(shù)據(jù)的調(diào)理。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的數(shù)字信號處理與智能分析裝置包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、電壓和電流運算模塊，相位、頻率運算模塊和波形合成模塊，所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊將從信號調(diào)理裝置獲取的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并分別傳輸給電壓和電流運算模塊、相位、頻率運算模塊和幅值、相位計算模塊進行數(shù)據(jù)處理獲得電壓、電流、相位、頻率、幅值和相位數(shù)據(jù)，并傳輸給波形合成模塊進行波形合成。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的傳輸裝置為無線傳輸裝置；所述的上位機部分包括用于接受下位機的傳輸裝置所傳送數(shù)據(jù)的通信模塊和用于儲存、分析數(shù)據(jù)的管理終端。
10.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7或8或9所述的分布式電源節(jié)點實時監(jiān)測與分析系統(tǒng)裝置，其特征在于還包括有與數(shù)字信號處理與智能分析裝置聯(lián)接的小鍵盤輸入裝置和液晶顯示屏輸出 裝置。
【文檔編號】H02J13/00GK103795145SQ201410026826
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月21日
【發(fā)明者】盧泉, 胡立坤, 盧子廣, 呂智林, 陳秋華, 桂國勝 申請人:南寧市三華太陽能科技有限公司, 廣西大學(xué)