分布式光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)中電力噪聲分析

姜 芮，李 琴，鐘建偉*

(1.湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000；2.國網(wǎng)恩施供電公司，湖北 恩施 445000)

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分布式光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)中電力噪聲分析

姜 芮1，李 琴2，鐘建偉1*

(1.湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000；2.國網(wǎng)恩施供電公司，湖北 恩施 445000)

在低壓電力線信道中傳輸電信號時，會受到電力噪聲干擾，從而影響分布式光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性.為了解決該問題，提出了一種基于FPGA的提高分布式光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)可靠性方案.電力線噪聲分布與時間、地點及負載等密切相關(guān)，各噪聲間相互獨立.根據(jù)對低壓信道噪聲中時域和頻域的數(shù)據(jù)進行分析，這里把電力線上的噪聲中的背景噪聲和脈沖噪聲進行建模.在電信號傳輸時，為防止電力噪聲干擾電信號，通過一個IIR數(shù)字濾波器將瞬間的干擾噪聲進行濾除，再進行數(shù)據(jù)傳輸.結(jié)果表明：干擾噪聲被抑制，光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)可靠性得到提高，且保證了監(jiān)控信號基本特征.

分布式光伏電站；監(jiān)測；電力噪聲；IIR濾波器

隨著科技的前進發(fā)展、能源結(jié)構(gòu)的格局變化，可再生清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)一次能源的方式將潛移默化的融入到新的發(fā)電形式之中.在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分，并不斷得到發(fā)展.太陽能資源有取之不盡、用之不竭、綠色環(huán)保、使用壽命長、維護簡單等優(yōu)點.在可持續(xù)的能源戰(zhàn)略中具有重要地位，分布式光伏的發(fā)電形式具有很大的發(fā)展空間.

大型光伏電站建設已初見規(guī)模，傳統(tǒng)的集中式大型光伏電站輸出功率近乎兆瓦級且離負荷中心較遠，需要通過長距離輸電線路送電入網(wǎng)，同時自身也會給電網(wǎng)造成一定的擾動.在長距離傳輸中會導致線路產(chǎn)生一定的功率損耗、電壓降落、無功補償?shù)葐栴}.如今，分布式光伏系統(tǒng)裝機容量小且可以在靠近負荷的地方或者負荷端接入，可以有效減少對電網(wǎng)供電的依賴，減少線路損耗.在現(xiàn)有的建筑上加裝分布式光伏裝置，不僅可以更好的接受光照，還能減少光伏電站的占地面積.隨著光伏發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)也逐步深入開展起來.

1 分布式光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)[1-2]會受太陽光照強度、溫度、風速等的影響較大，其發(fā)電情況具有隨機、間歇等特性.分布式光伏并網(wǎng)運行時，會對傳統(tǒng)大電網(wǎng)的安全可靠運行產(chǎn)生不良影響.分布式光伏電站較為分散，其分布式光伏數(shù)據(jù)難以集中采集并分析，導致電網(wǎng)的監(jiān)控終端出現(xiàn)調(diào)控困難的問題. 所以電網(wǎng)需要一個合理的分布式光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)對其運行狀況及并網(wǎng)點的電能質(zhì)量的參數(shù)進行監(jiān)測.通過對監(jiān)測系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)進行分析處理，把控分布式光伏電站的運行情況，對電站的不良運行情況進行及時的應對方案.

圖1 小型分布式光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Fig.1 Grid structure of small distributed photovoltaic power plant monitoring system

小型分布式光伏電站與傳統(tǒng)的集中、大規(guī)模光伏發(fā)電站相比較，接入容量較小且接入位置分散，采取現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián).分布式光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)有三層，分別為底層設備層、數(shù)據(jù)傳輸層、站級控制層.低層設備層主要完成小型分布式光伏電站的實時監(jiān)測，對小型分布式光伏電站的各項參數(shù)進行收集并向數(shù)據(jù)傳輸層傳遞數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)采集器使用Modbus協(xié)議[3]，其有兩種通信傳輸方式，分別為ASCII模式和RTU模式.傳輸模式通過RS485/Ethernet，將采集太陽輻照度、風向、風速、環(huán)境溫度、電池板溫度等數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸層傳遞到站級控制層,其監(jiān)測網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示.

2 低壓電力信道中噪聲建模

分布式光伏電源并網(wǎng)到10kv以下的低壓配網(wǎng)測，在分布式光伏電信號傳輸過程中，低壓電力信道中會無法避免噪聲干擾.分布式光伏電信號將由低壓電力信道進行數(shù)據(jù)傳輸，產(chǎn)生的電力噪聲將會對分布式光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)的實時性和可靠性造成不良影響.電力噪聲[4]主要包含有背景噪聲和脈沖噪聲，現(xiàn)在對低壓電力線通信信道中的噪聲進行噪聲建模，模擬電信號在低壓電力信道中的產(chǎn)生電力噪聲.

圖2 背景噪聲ARMA模型

Fig.2 The ARMA model of background noise

2.1 背景噪聲建模

背景噪聲[4-7]通常使用一種自回歸滑動平均(auto-regressive moving average,ARMA)模型對其進行建模.背景噪聲是隨時間無規(guī)律的變化，并且幅值不會出現(xiàn)大幅振動.其模型如圖2所示.

模型中傳遞函數(shù)為：

(1)

任意一個具有有限方差的ARMA或MA過程都可以表示成一個AR過程，當自相關(guān)函數(shù)H(Z)中，b0=1,br=0(r=1,2,…,Q)時，該模型為AR模型.P階AR模型有P+1個參數(shù)待定：a1,a2,…,ap以及u(n)中白噪聲的方差σ2.因此P+1個(Yule-Walker,YW)方程，用矩陣表示為：

2.2 脈沖噪聲建模

低壓電力線中的脈沖噪聲[8]會導致信號傳輸錯誤率升高，并且可能會使接收設備內(nèi)部產(chǎn)生自干擾，影響整個系統(tǒng)的正常運作.脈沖噪聲通常情況下使用馬爾科夫鏈模型(Markov Chain Model)對脈沖噪聲進行建模與仿真，但由于傳統(tǒng)馬爾科夫模型并不能完全的模擬出脈沖噪聲的幅頻特性.本文引入文獻中改進的馬爾科夫鏈，利用峰式馬爾科夫[9]來建立低壓電力線信道中的脈沖噪聲幅值模型.

若狀態(tài)值和時間參量都是離散的隨機過程X(n)，在k時刻狀態(tài)X(k)條件下，其后k+1時刻的狀態(tài)不僅與k時刻的狀態(tài)有關(guān)，也與k、k-1時刻有關(guān).峰式馬爾科夫模型要同時考慮到X(k+1)與X(k)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系和X(k-1)與X(k)之間的大小關(guān)系，會產(chǎn)生兩個不同的轉(zhuǎn)移矩陣.當X(k)>X(k-1)時，則P[X(k+1)>X(k)]的可能性會比較高，此時矩陣中幅值處于上升狀態(tài)；當X(k)

上升轉(zhuǎn)移概率Pij(k+1,k,k-1)=P{X(k+1)=aj|X(k)=ai|X(k)>X(k-1)}

下降轉(zhuǎn)移概率Pij(k+1,k,k-1)=P{X(k+1)=aj|X(k)=ai|X(k)

3 IIR濾波器設計

3.1 IIR濾波器[11]基本原理

IIR濾波器數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路.常見的有直接型、正準型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式.下式為IIR濾波器的傳遞函數(shù)：

(2)

通常IIR濾波器選取級聯(lián)形式，下面將IIR濾波器的傳遞函數(shù)進行分解成二階子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其分解形式如下表達式：

(3)

圖3 直接II型IIR濾波器結(jié)構(gòu)Fig.3 Direct from II IIR filter structure

本文采用的四階的IIR濾波器通過兩個二階子系統(tǒng)網(wǎng)絡級聯(lián)構(gòu)成.對于每一個二階子系統(tǒng)，可以選擇多種方式實現(xiàn)，其中直接Ⅱ型結(jié)構(gòu)的IIR濾波器，其基本組成單元如圖3所示

3.2 基于DSP Builder的IIR濾波器設計

本文所使用的四階IIR濾波器采用的是DSP Builder中根據(jù)IIR濾波器的特性設計，在Matalab軟件中，然后在Signal Compiler中進行RTL級轉(zhuǎn)換，最后通過Quartus II設計出DSP硬件系統(tǒng),其設計流程如圖4所示.

圖4 DSP Builder設計流程Fig.4 DSP Builder design process

設計的4階的IIR低通濾波器，先是確定低通濾波器的參數(shù)，采樣頻率:1 650 Hz,截止頻率800 Hz，設計方法采用窗函數(shù)法.首先打開Matlab的FDATool進行濾波器設計，進入濾波器設計界面之后配置相應的參數(shù)：濾波器類型(Filter Type)為Lowpass、設計方法(Design Method)為IIR，采用窗口法(Window)、濾波器階數(shù)(Filter Order)定制為4、Fs為1 650 Hz，F(xiàn)pass為600 Hz，F(xiàn)stop為800 Hz.

數(shù)據(jù)在執(zhí)行單元內(nèi)進行處理.執(zhí)行單元中包含算術(shù)單元與邏輯單元和部分寄存器.寄存器包括隨機存取存儲器RAM和只讀存儲器ROM，RAM中儲存計算的中間結(jié)果；ROM中儲存濾波器的相關(guān)系數(shù)；控制模塊包括程序ROM和程序控制單元，在程序ROM中存放有濾波算法的程序，程序控制單元用于解釋指令并為數(shù)據(jù)處理模塊產(chǎn)生控制信號.

為了進一步實現(xiàn)相應功能，將Matlab中的模塊轉(zhuǎn)換為VHDL語言，進行仿真.首先Altera DSP Builder工具箱中找到Signal Compiler模塊和Test Bench模塊加到Simulink文件中，啟動Signal Compiler模塊生成為Quartus II工程，有FPGA平臺搭建頂層原理圖，如圖5所示，再通過生成test bench文件，用于在ModelSim進行仿真實驗.

圖5 IIR數(shù)字濾波器模塊圖Fig.5 Digital filter module diagram

4 仿真比較分析

由DSP BUILDER建立的四階IIR濾波器模型圖如圖6所示;使用四階IIR濾波器的對分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)信號在傳輸中所受電力噪聲影響進行建模仿真，得出圖7.

由圖7可以看出，經(jīng)過IIR數(shù)字濾波器之后的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)信號的噪聲紋波有了明顯的抑制作用，信噪比由原有的13.4263 db提升到24.5421 db，由信噪比的公式：

(4)

圖8 Modelsim仿真波形Fig.8 Modelsim simulation waveforms

式中signal指的是原始信號，signal是濾波后信號，Signal power表示信號功率，Noise power表示噪聲功率，SNR表示信噪比.由公式可知，當信噪比越大時，電力噪聲越小.經(jīng)過四階IIR濾波后得，信噪比提高，其光伏系統(tǒng)的可靠性得到相應提升.

為了進一步直觀的觀察，Modelsim仿真波形圖如圖8所示.

5 結(jié)語

本文介紹了光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)基本網(wǎng)絡架構(gòu)，為減少在低壓電力信道中分布式光伏電站的電信號的電力噪聲，使用四階IIR濾波器對電力噪聲進行處理.根據(jù)IIR濾波器的設計要求，通過DSP Builder搭建模型，利用Matlab+ModelSim進行相關(guān)仿真，結(jié)果表明：四階IIR數(shù)字濾波器可以很好地完成對光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)信號中的干擾噪聲進行濾波，且很好地保持原信號的基本特征，為之后的傳輸信號的準確性得到了大大的提高，也間接的提高了光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)可靠性.

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責任編輯：時 凌

Analysis of Power Noise in Distributed Photovoltaic Power Plant Monitoring System

JIANG Rui1,LI Qin2,ZHONG Jianwei1*

(1.School of Information Engineering,Hubei University for Nationalities, Enshi 445000, China 2. State Grid Enshi Power Supply Company, Enshi 445000, China)

When electrical signals are transmitted in the low-voltage power line channel,they will be interfered by power noise,which affects the reliability of distributed photovoltaic power plant monitoring system.In order to solve this problem,a scheme is proposed to improve the reliability of PV power plant monitoring system based on FPGA.The power line noise distribution is closely related to such factors as time,place and load,and the noise is independent of each other.Based on the analysis of the time-domain and frequency-domain data of the low-voltage channel noise,the background noise and impulse noise are modeled in power line noise.When the electrical signal is transmitted,in order to protect the electrical signal interfered by noise,the transient noise is filtered by IIR digital filter,and then the date is transmitted.The results show that the interference noise is suppressed,the reliability of the monitoring system of the photovoltaic power plant is improved,and the basic characteristics of the monitoring signal are ensured.

distributed photovoltaic power plant;monitoring;power noise;digital IIR filter

2017-03-24.

國家自然科學基金項目(61263030；61463014)

姜芮(1994-)，女，碩士生，主要從事配電自動化與分布式發(fā)電的研究；*

鐘建偉(1972-)，男(土家族)，碩士，教授，主要從事配電自動化與分布式發(fā)電的研究.

1008-8423(2017)02-0219-05

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.06.025

TP311

A