一种基于态势感知的主动配电网的谐波算法及其控制系统

1.本发明涉及主动配电技术领域，具体涉及一种基于态势感知的主动配电网的谐波算法及其控制系统。


背景技术：

2.主动配电网是智能电网的一种表现形式，主动配电网技术的采用有助于充分利用各地的清洁能源和可再生能源，主动配电网的态势感知是在电网大规模系统环境中获取、处理、挖掘和分析引起电网运行态势发生变化的数据，并将结果以可视化方式进行呈现的一种技术。通过态势感知可实现对主动配电网运行态势的全面准确掌控，为在态势感知基础上进行智能管控，以提高复杂主动配电网的调度控制水平提供了有力支撑。
3.随着分布式电源(distributed generation，dg)、储能装置(energy storage system，ess)、分组投切电容器(capacitors banks，cb)等设备的渗透率在配电网层级上的不断提高，同时引起了电压波动以及双向潮流等问题。
4.目前，依靠大数据技术提供的训练样本，以遗传算法和人工神经网络算法为代表的智能算法在主动配电系统领域已得到了广泛的应用。
5.然而，随着国民经济的发展，大量的非线性和冲击性负载接入电网，在运行时产生谐波、电压波动和闪变，造成电网电压波形产生畸变，三相不平衡，供电质量下降，影响电网及用户设备安全和经济运行。主动配电系统本质上是一个非线性动态系统，很难建立精确的数学模型进行快速求解，不能及时准确地的测量配电系统中谐波的变化，从而不能有效解决配电网中的管理评估，预测规划，运行控制和故障诊断问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于态势感知的主动配电网的谐波算法及其控制系统，以解决不能及时准确地的测量配电网中谐波的变化，造成配电网中的波形产生畸变，不能有效解决配电网中的管理评估，预测规划，运行控制和故障诊断的问题。
7.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于态势感知的主动配电网的谐波算法，包括以下步骤：
8.通过从配电网中进行交流采样，获取电流的采样值和电压的采样值；
9.将所述电流的采样值和电压的采样值分别构造为复序列；
10.将所述复序列进行离散傅里叶变换，并根据离散傅里叶变换的复共轭性质，得到电参数公式、电压的频谱公式和电流的频谱公式；
11.通过电压的频谱公式和电流的频谱公式分别计算出电压的谐波含量和电流的谐波含量；
12.通过电参数公式计算出配电网中的基本电参数。
13.采用上述技术方案时，通过从配电网中获取电流的采样值和电压的采样值，通过获取电流的采样值和电压的采样值构造为复序列，然后进行离散傅里叶变换并根据其复共
轭性质，从而通过频谱公式得到电压和电流中的基波及谐波含量，同时，根据电参数公式能够计算出配电网中的设备运行的电压、电流、有功和无功功率等基本电参数，从而能够快速和准确地的测量配电网中谐波的变化。
14.优选的，所述基本电参数公式、电压的频谱公式和电流的频谱公式的计算均采用计算机进行运算。
15.优选的，所述电压的频谱公式和电流的频谱公式为：
[0016][0017][0018]
其中，k＝0,1,2,
…
,n-1为采样次数；n为每周波采样数。
[0019]
优选的，所述电参数公式为：
[0020][0021][0022]
优选的，所述离散傅里叶变换的具体推导步骤为：
[0023]
配电网中采集具有周期信号的电压和电流可表示为如下公式：
[0024][0025][0026]
根据傅里叶级数对式(1)和式(2)进行分解：
[0027][0028]
或
[0029]
其中，a0为直流分量，是周期函数f(t)一个周期内的平均值，an和bn为傅里叶级数的系数，是n次谐波的直角坐标分量。
[0030]
得出：n次谐波矢量为：
[0031]cn
∠φn＝an jbn；
[0032][0033]
离散后，得以下公式：
[0034][0035][0036]
式中，n＝0,1,2,
…
,n-1为谐波次数，k＝0,1,2,
…
,n-1为采样次数；
[0037]fk
为第k次采样值，n为每周波采样数；
[0038]
根据数字信号处理公式：
[0039][0040]
由式(5)、(6)和(7)可得，离散傅里叶变换(dft)表示为：
[0041][0042]
本发明还提供一种根据以上的基于态势感知的主动配电网的谐波算法的智能管控系统，包括模数电路、数模电路、光电隔离电路、dsp芯片和fpga芯片；
[0043]
所述模数电路用于将采集的电压或电流的模拟信号转换成数字信号，所述数模电路将所述dsp芯片输出的数字信号转换成模拟信号；
[0044]
所述光电隔离电路用于将接收的信号进行光电隔离；
[0045]
所述数模电路的输出端与所述dsp芯片的输入端电连接，dsp芯片内设有基于态势感知的主动配电网的谐波算法，用于交流采样和电力参数的计算和处理、且对负荷设备的检测、控制和通信；
[0046]
所述fpga芯片的输出端与所述dsp芯片的输入端电连接，fpga芯片的输入端与所述光电隔离电路的输出端电连接，fpga芯片用于对接受的若干信号进行融合处理。
[0047]
采用上述技术方案时，配电网中的电力线输入信号，通过模数电路进行采样，转换后的数字信号送入dsp芯片中，通过主动配电网的谐波算法实现计算，得到配电网中设备运行的电压、电流、有功和无功功率及电度量等数据。同时，原点信号、限位信号及开关信号灯开关量信号经光电隔离电路的光电耦离，送fpga芯片进行融合处理后，送入到dsp芯片中，从而使得dsp芯片得到配电网的遥信状态、变位记录、脉冲电度量等，并通过dsp芯片遥控自动或手动实现故障段隔离和网络重构，从而实现能缩小停电范围，提高供电可靠性。从而提高配电网调控的可靠性和抗干扰能力。
[0048]
优选的，还包括ram、flash、加密电路和稳压电路，所述ram、flash、加密电路和稳压电路均与所述dsp芯片电连接，所述dsp芯片还设有通信接口，所述通信接口包括以太网接口、can总线接口、rs-232串口、人机界面接口和pci接口。
[0049]
优选的，还包括电平转换电路和脉宽调制电路，所述电平转换电路和脉宽调制电
路均与所述dsp芯片电连接，电平转换电路用于脉冲信号的电平转换，脉宽调制电路用于pwm信号的调制。
[0050]
优选的，所述光电隔离电路的输入端电连接有i/o设备，光电隔离电路的输出端通过放大电路与所述i/o设备的输入端连接。
[0051]
与现有技术相比，本方案产生的有益效果是：
[0052]
通过dsp芯片和fpga芯片的设置，fpga芯片通过对多种信号进行融合处理，从而减轻了dsp芯片的处理负担；从而实现dsp芯片通过基于态势感知的主动配电网的谐波算法对配电网中的电力线输入信号进行快速处理，使用dsp芯片通过实现故障段隔离和网络重构，从而实现能缩小停电范围，提高供电可靠性，从而有效解决配电网中的管理评估，预测规划，运行控制和故障诊断。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0054]
图1为本发明一种基于态势感知的主动配电网的控制系统的流程框图；
[0055]
图2为本发明一种基于态势感知的主动配电网的控制系统中dsp芯片的流程框图。
具体实施方式
[0056]
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0057]
一种基于态势感知的主动配电网的谐波算法，包括以下步骤：
[0058]
步骤一、通过从配电网中进行交流采样，获取电流的采样值和电压的采样值。
[0059]
步骤二、将电流的采样值和电压的采样值分别构造为复序列。
[0060]
本实施例中，从配电网中进行交流采样采集到的32点电流{i(n)}的采样值和32点电压{u(n)}的采样值分别构造一个复序列。
[0061]
步骤三、将复序列进行离散傅里叶变换，并根据离散傅里叶变换的复共轭性质，得到基本电参数公式、电压的频谱公式和电流的频谱公式。
[0062]
通过电压的频谱公式和电流的频谱公式分别计算出电压的谐波和电流的谐波。
[0063]
通过基本电参数公式计算出配电网中的基本电参数。
[0064]
本实施例中，离散傅里叶变换(dft)的具体推导步骤为：
[0065]
配电网中采集具有周期信号的电压和电流可表示为如下公式：
[0066][0067][0068]
根据傅里叶级数对式(1)和式(2)进行分解：
[0069][0070]
或
[0071]
其中，a0为直流分量，是周期函数f(t)一个周期内的平均值，an和bn为傅里叶级数的系数，是n次谐波的直角坐标分量。
[0072]
得出：n次谐波矢量为：
[0073]cn
∠φn＝an jbn；
[0074][0075]
离散后，得以下公式：
[0076][0077][0078]
式中，n＝0,1,2,
…
,n-1为谐波次数，k＝0,1,2,
…
,n-1为采样次数；
[0079]fk
为第k次采样值，n为每周波采样数；
[0080]
根据数字信号处理公式：
[0081][0082]
由式(5)、(6)和(7)可得，离散傅里叶变换(dft)表示为：
[0083][0084]
本步骤中，电压的频谱公式和电流的频谱公式为：
[0085][0086][0087]
电参数公式为：
[0088]
[0089][0090]
通过电参数公式完成各项电力参数的计算，得出各项的有效值和功率因数。
[0091]
以上的技术方案，通过从配电网中获取电流的采样值和电压的采样值，通过获取电流的采样值和电压的采样值构造为复序列，然后进行离散傅里叶变换并根据其复共轭性质，从而通过频谱公式得到电压和电流中的基波及谐波含量，同时，根据电参数公式能够计算出配电网中的设备运行的电压、电流、有功和无功功率等基本电参数，从而能够快速和准确地的测量配电网中谐波的变化。
[0092]
本发明还提供以上基于态势感知的主动配电网的谐波算法的智能管控系统，包括模数电路、数模电路、光电隔离电路、dsp芯片、fpga芯片、ram、flash、加密电路、稳压电路、电平转换电路和脉宽调制电路。
[0093]
本实施例中，dsp芯片采用ti公司的tms320f2812。
[0094]
具体的，模数电路用于将采集的电压或电流的模拟信号转换成数字信号，数模电路将dsp芯片输出的数字信号转换成模拟信号。
[0095]
光电隔离电路用于将接收的信号进行光电隔离。
[0096]
数模电路的输出端与dsp芯片的输入端电连接，dsp芯片内设有基于态势感知的主动配电网的谐波算法，用于交流采样和电力参数的计算和处理、且对负荷设备的检测、控制和通信。
[0097]
fpga芯片的输出端与dsp芯片的输入端电连接，fpga芯片的输入端与光电隔离电路的输出端电连接，fpga芯片用于对接受的若干信号进行融合处理。本实施例中，fpga芯片用于融合配电网中获取的开关信号、原点信号和限位信号。fpga芯片提供实时时钟和通过存储器用于保存系统的重要信息，减轻了dsp芯片的负担。
[0098]
其中，ram、flash、加密电路和稳压电路均与dsp芯片电连接，dsp芯片通信连接有通信接口、人机界面接口和pci接口，通信接口包括以太网接口、can总线接口、rs-232串口。以便于通过稳压电路与电源进行电连接，向dsp芯片提供稳定的电源。通过人机界面接口进行人机界面的交互，通过pci接口与pc机进行通信连接。
[0099]
同时，电平转换电路和脉宽调制电路均与dsp芯片电连接，电平转换电路用于脉冲信号的电平转换，脉宽调制电路用于pwm信号的调制。
[0100]
光电隔离电路的输入端电连接有i/o设备，光电隔离电路的输出端通过放大电路与所述i/o设备的输入端连接。
[0101]
工作原理为：通过配电网中的电力线输入信号，通过电压互感器pt，电流互感器ct变成较低的电压信号，经滤波、信号调理，送入dsp芯片的模数电路进行ad采样，dsp芯片获取采样后的数字信号后使用同步相量测量(pmu)算法和主动配电网的谐波算法进行计算，得到设备运行的电压、电流、有功和无功功率及电度量等数据。
[0102]
开关状态或电子式电度表通过位置传感器产生的原点信号或限位信号的脉冲输出，经光电隔离电路进入到fpga芯片中，再送dsp芯片采集(遥信输入)，dsp芯片得到遥信状态、变位记录、脉冲电度量等。
[0103]
通过人机界面接口投影键盘和led显示器和发光二极管等进行人机交互。通过人机交互后的指令可经光电隔离电路，驱动输出继电器控制开关的分合闸操作，同时执行遥
控或就地保护控制。
[0104]
本发明通过dsp芯片和fpga芯片的设置，具有强大的快速信号处理能力，能提高可靠性和抗干扰能力，能实现复杂的各种快速算法。能够实现能及时准确地测量谐波变化以便监控电网质量。同时，使用dsp芯片通过实现故障段隔离和网络重构，从而实现能缩小停电范围，提高供电可靠性，从而有效解决配电网中的管理评估，预测规划，运行控制和故障诊断。
[0105]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。