基于ZigBee組網(wǎng)的分布式電能質(zhì)量智能感知與優(yōu)化管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于ZigBee組網(wǎng)的分布式電能質(zhì)量智能感知與優(yōu)化管理系統(tǒng)，包括多個與電網(wǎng)連接的電能智能感知節(jié)點、ZigBee匯聚節(jié)點、以太網(wǎng)和監(jiān)控終端；所述電能智能感知節(jié)點包括電壓采樣電路、電流采樣電路、電能芯片、CPU主控單元、ZigBee通信模塊和諧波抑制單元；所述ZigBee通信模塊和諧波抑制單元分別與CPU主控單元連接；所述ZigBee通信模塊與所述ZigBee匯聚節(jié)點通過Zigbee無線通信連接；所述ZigBee匯聚節(jié)點通過串口與所述以太網(wǎng)連接；所述監(jiān)控終端連接在以太網(wǎng)上。該系統(tǒng)能夠利用電能智能感知節(jié)點感知電能信息，從而提供參數(shù)給系統(tǒng)處理設(shè)備進行信息分析，系統(tǒng)利用分析的結(jié)果進行相關(guān)的諧波處理，同時系統(tǒng)還能夠提供電能的雙向計量功能。
【專利說明】基于ZigBee組網(wǎng)的分布式電能質(zhì)量智能感知與優(yōu)化管理系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電網(wǎng)電能質(zhì)量管理系統(tǒng)，具體地指一種基于ZigBee組網(wǎng)的分布式電能質(zhì)量智能感知與優(yōu)化管理系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力市場化改革的推進、全球氣候變暖的加劇、環(huán)境監(jiān)管要求日趨嚴格及國家能源政策的最新部署，電力網(wǎng)絡(luò)跟電力市場、用戶之間的協(xié)調(diào)和交涉越來越緊密，電能質(zhì)量已成為一個電力供應(yīng)商和客戶的重大問題。
[0003]目前主要存在以下兩個與電能質(zhì)量有密切關(guān)系的因素:首先，用戶端負載特性變得相當復(fù)雜，電力線的電壓和電流的與這些負載連接很容易被扭曲；其次，用戶終端設(shè)備對電能質(zhì)量更加敏感。為了滿足現(xiàn)今電力市場以及用戶的需求，越來越多的電能質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)開始誕生，這引起了電力提供商的極大關(guān)注。電能質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)作為當前階段智能電網(wǎng)的一個高級優(yōu)化手段，因而引起了國際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注，是目前全世界范圍內(nèi)電力領(lǐng)域部分的一個主要研究點。電能質(zhì)量優(yōu)化的手段各不相同，電能質(zhì)量優(yōu)化的主要核心思想仍是通過監(jiān)測電能質(zhì)量，提取分析電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，得到電能質(zhì)量參數(shù)，從而進行相應(yīng)的操作控制來優(yōu)化電能質(zhì)量。因此，電能質(zhì)量監(jiān)測成為電能質(zhì)量優(yōu)化的基礎(chǔ)。從目前電力行業(yè)發(fā)展來看，電能質(zhì)量的處理仍然主要是針對電能中的諧波進行處理，諧波造成電能污染和電氣危害，不僅給經(jīng)濟發(fā)展造成負面影響，也給人民生活安全帶來嚴重影響。
[0004]對電能質(zhì)量進行監(jiān)測是獲得電能質(zhì)量信息的直接途徑，傳統(tǒng)的基于有效值理論的監(jiān)測技術(shù)由于時間窗太長，僅測有效值已不能精確描述實際的電能質(zhì)量問題，因此需發(fā)展?jié)M足以下要求的新監(jiān)測技術(shù):①能捕捉快速瞬時干擾的波形。因為許多瞬間擾動很難用個別參量(如有效值)來完整描述，同時隨機性強，如幅值、波形畸變、幅值上升率等。②需要測量各次諧波以及間諧波的幅值、相位；需要有足夠高的采樣速率，以便能測得相當高次諧波的信息。電能質(zhì)量的監(jiān)測成為電能質(zhì)量優(yōu)化的一個重點，也關(guān)系到電能質(zhì)量優(yōu)化效果的一個重要技術(shù)。
[0005]由于電網(wǎng)中電能因數(shù)的多項性，如幅值、波形畸變、幅值上升率等，電能質(zhì)量監(jiān)測主要是通過對當前環(huán)境的電能因數(shù)進行記憶對比分析，得到代表性信息，剔除冗余信息，以提高系統(tǒng)的工作效率。電能質(zhì)量監(jiān)測仍是通過提取電能因數(shù)，如電能有效值、幅值、無功功率、視在功率、有功功率等多項電能因數(shù)，通過存儲，記憶對比電能因數(shù)，去除電能質(zhì)量無關(guān)量，將有關(guān)量利用電能質(zhì)量分析方法進行分析，從而得到電能質(zhì)量因數(shù)。
[0006]目前電能質(zhì)量分析方法主要分為三大類:①時域分析方法:該方法在電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用最為廣泛，該方法主要對對電能質(zhì)量問題中的各暫哲態(tài)現(xiàn)象進行研究。②頻域分析方法:該方法主要用于諧波問題的分析計算，包括頻率掃描，諧波潮流計算等。③基于變換的方法:主要指Fourier變換方法、短時Fourier變換方法和小波變換方法。作為經(jīng)典的信號分析方法Fourier變換具有正交、完備等許多優(yōu)點，而且有像FFT這樣的快速Fourier算法，因此已在電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。但在運用FFT時，必須滿足以下條件:①滿足采樣定理的要求，即采樣頻率必須是最高信號頻率的兩倍以上被分析的波形必須是穩(wěn)態(tài)的、隨時間周期變化的[9]。
[0007]目前在電能質(zhì)量監(jiān)測方面有出色成績的有以色列的Elspec公司。Elspec公司的EG4000電能質(zhì)量監(jiān)測黑匣子能夠準確發(fā)現(xiàn)并隔絕電能質(zhì)量的問題，從而采取預(yù)防性的措施。EG4000黑匣子對采集后的波形進行處理，可以計算出有效值、諧波和其他所有數(shù)據(jù)，而所能記錄參數(shù)的總數(shù)在實際應(yīng)用中是沒有限制的。獨特的時間同步算法保證了多個EG4K設(shè)備的數(shù)據(jù)，被準確地同步并以典型的0.1ms的精度在同一時間軸上顯示。結(jié)果是，每個事件都被準確地分析、從而精確查找出事故發(fā)生的原因。雖然該產(chǎn)品功能相當齊全，但是在智能電網(wǎng)的模式下，無法完成計量用戶向電網(wǎng)輸電以及諧波處理等功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實用新型目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種基于ZigBee組網(wǎng)的分布式電能質(zhì)量智能感知與優(yōu)化管理系統(tǒng)。
[0009]實現(xiàn)本實用新型目的采用的技術(shù)方案是:一種基于ZigBee組網(wǎng)的分布式電能質(zhì)量智能感知與優(yōu)化管理系統(tǒng)，包括多個與電網(wǎng)連接的電能智能感知節(jié)點、ZigBee匯聚節(jié)點、以太網(wǎng)和監(jiān)控終端；
[0010]所述電能智能感知節(jié)點包括電壓采樣電路、電流采樣電路、電能芯片ADE7878、CPU主控單元、ZigBee通信模塊和諧波抑制單元；所述電壓采樣電路、電流采樣電路分別與所述電能芯片ADE7878輸入端連接，所述電能芯片ADE7878與CPU主控單元連接，所述ZigBee通信模塊和諧波抑制單元分別與CPU主控單元連接；
[0011]所述ZigBee通信模塊與所述ZigBee匯聚節(jié)點通過Zigbee無線通信連接；
[0012]所述ZigBee匯聚節(jié)點通過串口與所述以太網(wǎng)連接；
[0013]所述監(jiān)控終端連接在以太網(wǎng)上。
[0014]在上述技術(shù)方案中，所述電壓采樣電路包括:
[0015]耦合變壓器，與所述電網(wǎng)連接；
[0016]電流互感器，其輸入端與所述耦合變壓器的輸出連接，輸出端與電能芯片ADE7878連接。
[0017]進一步地，所述電壓采樣電路還包括:
[0018]采樣電阻，連接在所述電流互感器和電能芯片ADE7878之間，所述采樣電阻將待測電流轉(zhuǎn)換為電壓輸入電能芯片ADE7878。
[0019]在上述技術(shù)方案中，所述諧波抑制單元為單相并聯(lián)混合有源電力濾波器。
[0020]該系統(tǒng)能夠利用電能智能感知節(jié)點感知電能信息，從而提供參數(shù)給系統(tǒng)處理設(shè)備進行信息分析，系統(tǒng)利用分析的結(jié)果進行相關(guān)的諧波處理，同時系統(tǒng)還能夠提供電能的雙向計量功能(計量用戶用電和用戶向電網(wǎng)輸電)，能夠兼容為下一代智能電網(wǎng)基本要求的一套設(shè)備。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型基于ZigBee組網(wǎng)的分布式電能質(zhì)量智能感知與優(yōu)化管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0022]圖2為電能智能感知節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖。
[0023]圖3為單相并聯(lián)混合有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)框圖。

【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。
[0025]如圖1所示，基于ZigBee組網(wǎng)的分布式電能質(zhì)量智能感知與優(yōu)化管理系統(tǒng)包括多個與電網(wǎng)連接的電能智能感知節(jié)點、ZigBee匯聚節(jié)點、以太網(wǎng)和監(jiān)控終端。
[0026]每個樓層用戶的電網(wǎng)均連接一個電能智能感知節(jié)點，如圖2所示，電能智能感知節(jié)點包括電壓采樣電路、電流采樣電路、電能芯片ADE7878、CPU主控單元、ZigBee通信模塊和諧波抑制單元，電壓采樣電路、電流采樣電路分別與電能芯片ADE7878輸入端連接，電能芯片與CPU主控單元連接，ZigBee通信模塊和諧波抑制單元分別與CPU主控單元連接；
[0027]ZigBee通信模塊與ZigBee匯聚節(jié)點通過ZigBee無線通信連接，ZigBee匯聚節(jié)點通過串口與用戶樓棟中的以太網(wǎng)連接，以太網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)與骨干網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))連接，監(jiān)控終端連接在骨干網(wǎng)上。目前，低功耗、低成本的ZigBee技術(shù)成為家庭網(wǎng)絡(luò)通信用戶較為接受的標準，ZigBee聯(lián)盟還特別制定SmartEnergy (智能能源)應(yīng)用子集，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以獲取電網(wǎng)運行狀態(tài)、參數(shù)等物理信息，為電網(wǎng)運行和管理人員提供更為全面、完整的電網(wǎng)運營數(shù)據(jù)，有利于決策系統(tǒng)控制實施方案和應(yīng)對預(yù)案，必將成為智能電網(wǎng)的有效組成部分。本系統(tǒng)主要包括電能智能感知節(jié)點(智能電表無線測量節(jié)點)、ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)以及數(shù)據(jù)服務(wù)器。短距離的信息傳輸，即ZigBee無線網(wǎng)關(guān)與電能智能感知節(jié)點的信息傳輸采用ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)；而無線網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的長距離信息傳輸采用基于TCP/IP協(xié)議的骨干網(wǎng)絡(luò)，保證了整個系統(tǒng)的高效性和實用性。
[0028]本實施例對基于ZigBee通信模塊CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行測試之后，系統(tǒng)在每層樓中部設(shè)計一個ZigBee匯聚節(jié)點。由于考慮到小區(qū)的規(guī)模面積不等，為保障數(shù)據(jù)的可靠采集和遠程傳輸，系統(tǒng)采用ZigBee結(jié)合以太網(wǎng)的傳輸方案,實現(xiàn)ZigBee智能電表無線測量節(jié)點與電能管理中心數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和可靠交換。網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計適應(yīng)了系統(tǒng)無線化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢。
[0029]如圖2所示，本實用新型的電壓采樣電路包括耦合變壓器和電流互感器，耦合變壓器與電網(wǎng)連接，電流互感器的輸入端與所述耦合變壓器的輸出連接，輸出端與電能芯片ADE7878連接。電流互感器及電阻網(wǎng)絡(luò)完成對電壓電流的等比例縮放，然后通過采樣電路進行電壓電流的采樣。智能感知終端利用精密電流互感器及電阻網(wǎng)絡(luò)對電壓電流進行等比縮放，利用精密采樣電阻將待測電流轉(zhuǎn)換為電壓，此時得到的縮放電壓和電流轉(zhuǎn)變成的電壓均為電能芯片ADE7878的輸入值。通過上述電壓采樣電路將電網(wǎng)中的電壓電流轉(zhuǎn)換為電能芯片ADE7878輸入允許值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，該電路芯片的輸入值范圍穩(wěn)定在幅值之內(nèi)，這樣保證了芯片能夠安全工作。電能芯片ADE7878利用本身獨立的控制器時鐘信號進行工作，外部主控制只需要對相應(yīng)功能進行配置即可，通信方式兼容RS232串口及SPI等多種通信方式。
[0030]本實用新型的電能質(zhì)量優(yōu)化控制器為單相并聯(lián)混合有源電力濾波器，單相并聯(lián)混合有源電力濾波器(HAPF)的原理如圖3所示，有源濾波器(APF)通過耦合變壓器T與無源濾波器(PPF)串聯(lián)再并入電網(wǎng)。L0、CO構(gòu)成逆變器的低通輸出濾波器，以濾除逆變器的開關(guān)頻率分量，進而防止APF對電網(wǎng)造成新的污染；無源濾波器由3次、5次、7次單調(diào)諧濾波器及高通濾波器組成，可以濾除3、5、7等次諧波及高次諧波。諧波和無功主要由無源濾波器PPF補償。而APF的作用是改善無源濾波器的濾波特性，抑制電網(wǎng)阻抗對無源濾波器的影響，以及抑制電網(wǎng)與無源濾波器之間可能發(fā)生的諧振，較好地改善無源濾波器的性能。
[0031]本實用新型的終端節(jié)點將無源濾波器和有源濾波器結(jié)合在一起設(shè)計出混合有源濾波器，它一方面克服了單獨使用無源或有源濾波器的不足，另一方面可以降低有源濾波器的容量，從而有效降低成本。
[0032]本實用新型的工作過程如下:
[0033]第一步:電能智能感知節(jié)點的性能設(shè)置:利用額定輸入法對電能質(zhì)量智能終端進行校正及初始化設(shè)置，額定輸入法與高精度精密基準儀相比方便簡單，此途徑普及性與實用性較廣。利用ADE7878的數(shù)字信號處理特性，可以使系統(tǒng)的配置更加簡單。上電配置:復(fù)位計量芯片后，首先往0xE7FE寄存器寫0xAD、0xE72E寄存器寫0x01、再次往0xE7FE寄存器寫0x00。LCYCM0DE線周期累加寄存器配置為0x78，電能以正常模式累加并讀后自動清零。HSDC_CFG寄存器配置為OxOF，即4M傳輸速度，每8位傳輸間隔停留7個時鐘周期，傳遞電能數(shù)據(jù)瞬時值。
[0034]CFDEN 參數(shù)計算:根據(jù)脈沖常數(shù) MC = 10000, η = _3 計算得=CFxDEN = (10~3)/(MC*10~n) = (10~3)/(10000*0.001)
[0035]CFMODE配置:CFM0DE = 0x08C8, CFl總有功，CF2總無功，CF3禁能。在初始化程序中，往寄存器CFlDEN和CF2DEN寫入式計算出來的值，往寄存器CFMODE寫入0x08C8值。按照完成上述配置，即可完成初始化ADE7878對電能數(shù)據(jù)采集性能配置，接下來即可利用前文所述的校準方法，對終端數(shù)據(jù)的可靠性及準確性進行校準。
[0036]ADE7878簡化了校表方式，給智能終端加上PF = I的額定電壓，額定電流；校準電壓電流增益IGAIN，VGAIN ;校準PHCAL。
[0037]電壓采樣電路信號幅度:
[0038]輸入芯片電壓采樣端的信號電壓有效值:VInEMS = dvXVMS，其中Vems為電能互感器輸入端的電壓有效值，d為互感器的縮放比例，

" 500厥 m
[0039]芯片滿幅輸入的電壓有效值:V?=—^=353.553 mv，
[0040]電壓輸入信號占滿幅輸入的百分比:





1 λΟ)?
[0041]①電流采樣電路信號幅度:
[0042]輸入芯片電流采樣端在Iln的電流信號下電壓有效值:Ilnffls = RXdiXIln0

τ 500/57—m
[0043]芯片滿幅輸入的電壓有效值:1 ■ = —^—=353.553 mv,
[0044]電壓輸入信號占滿幅輸入的百分比:Α=#^χ100%。



1NOM
[0045]ADE7878電能采樣是在定時器中斷中完成的，系統(tǒng)配置電能數(shù)據(jù)采集任務(wù)進入中斷的時間間隔，當電能芯片配置寄存器使高通濾波器使能濾波器輸出時，芯片的電壓、電流通道的波形采樣發(fā)生，依次完成電壓電流瞬時值、有效值、視在功率、無功功率、有功功率，已用電量等電能數(shù)據(jù)的采集，其計量電壓和電流瞬時表達式如下:
[0046]



K=OQ


ν{?) - Vk 4?%\n(kcoi + φ}.)




IC=I

K=GO
[0047]i{t) = γ.1k λ/2 + Vi)

K=I
[0048]其中，Vk，Ik是電壓電流信號各次諧波有效值 '隊，Yk是各次諧波相移。那么該交流系統(tǒng)的瞬時功率為:
[0049]
OQCO
P(/) = v(t) X /(/) = [ Vk/,.cos(% - Vi) - Yj Vi Ik cos(2kcoi + φ,: +;/,) +
k=l k=l
[0050]

CO
ZdicosKQ -爪)欣 + % -/?)]-cosK^ +m)(0t + 9k+Ym\}
ksm=l

k竽m
[0051 ] Iffl為電流的m次諧波有效值，Y m為電流m次諧波相移，經(jīng)過η個周期的積分得到平均功率為:
[0052]
η Ik^i
[0053]智能終端處理器通過SPI數(shù)據(jù)讀取方式來訪問波形采樣寄存器，數(shù)據(jù)采集完成之后將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換存儲在芯片RAM中，等待ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)將電能數(shù)據(jù)通過其結(jié)合以太網(wǎng)的模式傳送至上位機(監(jiān)控終端)；
[0054]第二步:電能數(shù)據(jù)分析。
[0055]監(jiān)控終端對獲得的電能數(shù)據(jù)進行處理分析，F(xiàn)FT算法被用來計算電壓和電流的諧波分量，假設(shè)連續(xù)信號f(t)的一個周期T為N點，采樣每個T/N秒。然后離散信號可以是與離散時間點得到t = kT/N，采樣矩陣模型可以如下表示:

參
Fo 「I 1 1 1 ; I ?Γ/0
flI,1*1:ffrlMX-1)^
? i i w2*1 w2*2 r2*3 ;f2
[0056]Pi =—、.N I f,3*1 f,3*2 /f/3
? ■ * * *.F\ IIυ I 嚴-ff \ L):^ I
[0057]Fh中包含每次諧波的值、基波分量和直流分量，其中f是直流分量，&是基波分量，h是二次諧波分量。
[0058]在計算諧波中，N作為信號采樣的點數(shù)，fs = N*f作為采樣頻率，滿足采樣定理要求。利用A/D采集完電壓電流值，可以利用FFT計算那么可以得到如下結(jié)果:





11 O
[0059]謝波電壓比:
[0060]HRUh = 100(%)


L I
[0061]諧波電流比:
[0062]HRlll = γ- X 100(%)
[0063]電壓總諧波失真是:

1 V Ul
[0064]\ Ti/ 、
THU 二 ~ X 100(%)


U \
[0065]電流總諧波失真是:
,V I；
[0066],、
THDi = ~ X 100(%)
Λ
[0067]第三步:電能控制策略。
[0068]電能指令控制器采用特定消諧優(yōu)化PWM技術(shù)，以特定消諧PWM技術(shù)解出的解為初值，以諧波畸變率為優(yōu)化目標，優(yōu)化PWM波形的開關(guān)角，可以實現(xiàn)既消除PWM波形的固定次數(shù)諧波，同時，又能有效地減小特定消諧PWM波形剩余諧波含量及其改善剩余諧波的頻譜分布。
[0069]本實用新型提出一種綜合電能數(shù)據(jù)感知、諧波分析、諧波處理和雙向計量功能的電能質(zhì)量智能感知終端。與以往的相關(guān)功能產(chǎn)品相比，該產(chǎn)品將多種功能完美的結(jié)合，在智能性上有明顯的表現(xiàn)，符合下一代電能終端的要求。由于發(fā)面中用到的FFT分析技術(shù)，提高了系統(tǒng)的分析速度，并且提高了準確性，利用該技術(shù)完成了對智能終端感知的數(shù)據(jù)的分析，利用分析數(shù)據(jù)對相應(yīng)的電能進行了優(yōu)化，提高了電能質(zhì)量，同時做到了電能雙向計量的功能。這是本實用新型的創(chuàng)新之處。本實用新型主要是針對當前相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的不完善以及功能不齊全，提出的一種新技術(shù)產(chǎn)品，去向人們普及對電能質(zhì)量智能感知終端的理解。
【權(quán)利要求】
1.一種基于ZigBee組網(wǎng)的分布式電能質(zhì)量智能感知與優(yōu)化管理系統(tǒng)，其特征在于:包括多個與電網(wǎng)連接的電能智能感知節(jié)點、ZigBee匯聚節(jié)點、以太網(wǎng)和監(jiān)控終端； 所述電能智能感知節(jié)點包括電壓采樣電路、電流采樣電路、電能芯片ADE7878、CPU主控單元、ZigBee通信模塊和諧波抑制單元；所述電壓采樣電路、電流采樣電路分別與所述電能芯片ADE7878輸入端連接，所述電能芯片ADE7878與CPU主控單元連接，所述ZigBee通信模塊和諧波抑制單元分別與CPU主控單元連接； 所述ZigBee通信模塊與所述ZigBee匯聚節(jié)點通過Zigbee無線通信連接； 所述ZigBee匯聚節(jié)點通過串口與所述以太網(wǎng)連接； 所述監(jiān)控終端連接在以太網(wǎng)上；所述電壓采樣電路包括: 耦合變壓器，與所述電網(wǎng)連接； 電流互感器，其輸入端與所述耦合變壓器的輸出連接，輸出端與電能芯片ADE7878連接; 采樣電阻，連接在所述電流互感器和電能芯片ADE7878之間，所述采樣電阻將待測電流轉(zhuǎn)換為電壓輸入電能芯片ADE7878 ； 所述諧波抑制單元為單相并聯(lián)混合有源電力濾波器。
【文檔編號】H02J3/01GK203942332SQ201320889599
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】鐘毅, 李園明, 曹云, 吳文華, 陳承, 徐文君 申請人:武漢理工大學(xué)