基于ZigBee组网的分布式电能质量智能感知与优化管理系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于ZigBee组网的分布式电能质量智能感知与优化管理系统，包括多个与电网连接的电能智能感知节点、ZigBee汇聚节点、以太网和监控终端；所述电能智能感知节点包括电压采样电路、电流采样电路、电能芯片、CPU主控单元、ZigBee通信模块和谐波抑制单元；所述ZigBee通信模块和谐波抑制单元分别与CPU主控单元连接；所述ZigBee通信模块与所述ZigBee汇聚节点通过Zigbee无线通信连接；所述ZigBee汇聚节点通过串口与所述以太网连接；所述监控终端连接在以太网上。该系统能够利用电能智能感知节点感知电能信息，从而提供参数给系统处理设备进行信息分析，系统利用分析的结果进行相关的谐波处理，同时系统还能够提供电能的双向计量功能。
【专利说明】基于ZigBee组网的分布式电能质量智能感知与优化管理系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电网电能质量管理系统，具体地指一种基于ZigBee组网的分布式电能质量智能感知与优化管理系统。
【背景技术】
[0002]随着电力市场化改革的推进、全球气候变暖的加剧、环境监管要求日趋严格及国家能源政策的最新部署，电力网络跟电力市场、用户之间的协调和交涉越来越紧密，电能质量已成为一个电力供应商和客户的重大问题。
[0003]目前主要存在以下两个与电能质量有密切关系的因素:首先，用户端负载特性变得相当复杂，电力线的电压和电流的与这些负载连接很容易被扭曲；其次，用户终端设备对电能质量更加敏感。为了满足现今电力市场以及用户的需求，越来越多的电能质量优化技术开始诞生，这引起了电力提供商的极大关注。电能质量优化技术作为当前阶段智能电网的一个高级优化手段，因而引起了国际学术界和企业界的广泛关注，是目前全世界范围内电力领域部分的一个主要研究点。电能质量优化的手段各不相同，电能质量优化的主要核心思想仍是通过监测电能质量，提取分析电能质量数据，得到电能质量参数，从而进行相应的操作控制来优化电能质量。因此，电能质量监测成为电能质量优化的基础。从目前电力行业发展来看，电能质量的处理仍然主要是针对电能中的谐波进行处理，谐波造成电能污染和电气危害，不仅给经济发展造成负面影响，也给人民生活安全带来严重影响。
[0004]对电能质量进行监测是获得电能质量信息的直接途径，传统的基于有效值理论的监测技术由于时间窗太长，仅测有效值已不能精确描述实际的电能质量问题，因此需发展满足以下要求的新监测技术:①能捕捉快速瞬时干扰的波形。因为许多瞬间扰动很难用个别参量(如有效值)来完整描述，同时随机性强，如幅值、波形畸变、幅值上升率等。②需要测量各次谐波以及间谐波的幅值、相位；需要有足够高的采样速率，以便能测得相当高次谐波的信息。电能质量的监测成为电能质量优化的一个重点，也关系到电能质量优化效果的一个重要技术。
[0005]由于电网中电能因数的多项性，如幅值、波形畸变、幅值上升率等，电能质量监测主要是通过对当前环境的电能因数进行记忆对比分析，得到代表性信息，剔除冗余信息，以提高系统的工作效率。电能质量监测仍是通过提取电能因数，如电能有效值、幅值、无功功率、视在功率、有功功率等多项电能因数，通过存储，记忆对比电能因数，去除电能质量无关量，将有关量利用电能质量分析方法进行分析，从而得到电能质量因数。
[0006]目前电能质量分析方法主要分为三大类:①时域分析方法:该方法在电能质量分析中的应用最为广泛，该方法主要对对电能质量问题中的各暂哲态现象进行研究。②频域分析方法:该方法主要用于谐波问题的分析计算，包括频率扫描，谐波潮流计算等。③基于变换的方法:主要指Fourier变换方法、短时Fourier变换方法和小波变换方法。作为经典的信号分析方法Fourier变换具有正交、完备等许多优点，而且有像FFT这样的快速Fourier算法，因此已在电能质量分析领域中得到广泛应用。但在运用FFT时，必须满足以下条件:①满足采样定理的要求，即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的[9]。
[0007]目前在电能质量监测方面有出色成绩的有以色列的Elspec公司。Elspec公司的EG4000电能质量监测黑匣子能够准确发现并隔绝电能质量的问题，从而采取预防性的措施。EG4000黑匣子对采集后的波形进行处理，可以计算出有效值、谐波和其他所有数据，而所能记录参数的总数在实际应用中是没有限制的。独特的时间同步算法保证了多个EG4K设备的数据，被准确地同步并以典型的0.1ms的精度在同一时间轴上显示。结果是，每个事件都被准确地分析、从而精确查找出事故发生的原因。虽然该产品功能相当齐全，但是在智能电网的模式下，无法完成计量用户向电网输电以及谐波处理等功能。
【发明内容】
[0008]本实用新型目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种基于ZigBee组网的分布式电能质量智能感知与优化管理系统。
[0009]实现本实用新型目的采用的技术方案是:一种基于ZigBee组网的分布式电能质量智能感知与优化管理系统，包括多个与电网连接的电能智能感知节点、ZigBee汇聚节点、以太网和监控终端；
[0010]所述电能智能感知节点包括电压采样电路、电流采样电路、电能芯片ADE7878、CPU主控单元、ZigBee通信模块和谐波抑制单元；所述电压采样电路、电流采样电路分别与所述电能芯片ADE7878输入端连接，所述电能芯片ADE7878与CPU主控单元连接，所述ZigBee通信模块和谐波抑制单元分别与CPU主控单元连接；
[0011]所述ZigBee通信模块与所述ZigBee汇聚节点通过Zigbee无线通信连接；
[0012]所述ZigBee汇聚节点通过串口与所述以太网连接；
[0013]所述监控终端连接在以太网上。
[0014]在上述技术方案中，所述电压采样电路包括:
[0015]耦合变压器，与所述电网连接；
[0016]电流互感器，其输入端与所述耦合变压器的输出连接，输出端与电能芯片ADE7878连接。
[0017]进一步地，所述电压采样电路还包括:
[0018]采样电阻，连接在所述电流互感器和电能芯片ADE7878之间，所述采样电阻将待测电流转换为电压输入电能芯片ADE7878。
[0019]在上述技术方案中，所述谐波抑制单元为单相并联混合有源电力滤波器。
[0020]该系统能够利用电能智能感知节点感知电能信息，从而提供参数给系统处理设备进行信息分析，系统利用分析的结果进行相关的谐波处理，同时系统还能够提供电能的双向计量功能(计量用户用电和用户向电网输电)，能够兼容为下一代智能电网基本要求的一套设备。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本实用新型基于ZigBee组网的分布式电能质量智能感知与优化管理系统的结构框图。
[0022]图2为电能智能感知节点的结构框图。
[0023]图3为单相并联混合有源电力滤波器的结构框图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
[0025]如图1所示，基于ZigBee组网的分布式电能质量智能感知与优化管理系统包括多个与电网连接的电能智能感知节点、ZigBee汇聚节点、以太网和监控终端。
[0026]每个楼层用户的电网均连接一个电能智能感知节点，如图2所示，电能智能感知节点包括电压采样电路、电流采样电路、电能芯片ADE7878、CPU主控单元、ZigBee通信模块和谐波抑制单元，电压采样电路、电流采样电路分别与电能芯片ADE7878输入端连接，电能芯片与CPU主控单元连接，ZigBee通信模块和谐波抑制单元分别与CPU主控单元连接；
[0027]ZigBee通信模块与ZigBee汇聚节点通过ZigBee无线通信连接，ZigBee汇聚节点通过串口与用户楼栋中的以太网连接，以太网通过网关与骨干网(互联网)连接，监控终端连接在骨干网上。目前，低功耗、低成本的ZigBee技术成为家庭网络通信用户较为接受的标准，ZigBee联盟还特别制定SmartEnergy (智能能源)应用子集，无线传感器网络可以获取电网运行状态、参数等物理信息，为电网运行和管理人员提供更为全面、完整的电网运营数据，有利于决策系统控制实施方案和应对预案，必将成为智能电网的有效组成部分。本系统主要包括电能智能感知节点(智能电表无线测量节点)、ZigBee无线通信网络、无线网关、以太网以及数据服务器。短距离的信息传输，即ZigBee无线网关与电能智能感知节点的信息传输采用ZigBee无线通信网络；而无线网关与数据服务器之间的长距离信息传输采用基于TCP/IP协议的骨干网络，保证了整个系统的高效性和实用性。
[0028]本实施例对基于ZigBee通信模块CC2430的无线传感器网络进行测试之后，系统在每层楼中部设计一个ZigBee汇聚节点。由于考虑到小区的规模面积不等，为保障数据的可靠采集和远程传输，系统采用ZigBee结合以太网的传输方案,实现ZigBee智能电表无线测量节点与电能管理中心数据的稳定和可靠交换。网络的设计适应了系统无线化、智能化和网络化的发展趋势。
[0029]如图2所示，本实用新型的电压采样电路包括耦合变压器和电流互感器，耦合变压器与电网连接，电流互感器的输入端与所述耦合变压器的输出连接，输出端与电能芯片ADE7878连接。电流互感器及电阻网络完成对电压电流的等比例缩放，然后通过采样电路进行电压电流的采样。智能感知终端利用精密电流互感器及电阻网络对电压电流进行等比缩放，利用精密采样电阻将待测电流转换为电压，此时得到的缩放电压和电流转变成的电压均为电能芯片ADE7878的输入值。通过上述电压采样电路将电网中的电压电流转换为电能芯片ADE7878输入允许值范围内的数据，该电路芯片的输入值范围稳定在幅值之内，这样保证了芯片能够安全工作。电能芯片ADE7878利用本身独立的控制器时钟信号进行工作，外部主控制只需要对相应功能进行配置即可，通信方式兼容RS232串口及SPI等多种通信方式。
[0030]本实用新型的电能质量优化控制器为单相并联混合有源电力滤波器，单相并联混合有源电力滤波器(HAPF)的原理如图3所示，有源滤波器(APF)通过耦合变压器T与无源滤波器(PPF)串联再并入电网。L0、CO构成逆变器的低通输出滤波器，以滤除逆变器的开关频率分量，进而防止APF对电网造成新的污染；无源滤波器由3次、5次、7次单调谐滤波器及高通滤波器组成，可以滤除3、5、7等次谐波及高次谐波。谐波和无功主要由无源滤波器PPF补偿。而APF的作用是改善无源滤波器的滤波特性，抑制电网阻抗对无源滤波器的影响，以及抑制电网与无源滤波器之间可能发生的谐振，较好地改善无源滤波器的性能。
[0031]本实用新型的终端节点将无源滤波器和有源滤波器结合在一起设计出混合有源滤波器，它一方面克服了单独使用无源或有源滤波器的不足，另一方面可以降低有源滤波器的容量，从而有效降低成本。
[0032]本实用新型的工作过程如下:
[0033]第一步:电能智能感知节点的性能设置:利用额定输入法对电能质量智能终端进行校正及初始化设置，额定输入法与高精度精密基准仪相比方便简单，此途径普及性与实用性较广。利用ADE7878的数字信号处理特性，可以使系统的配置更加简单。上电配置:复位计量芯片后，首先往0xE7FE寄存器写0xAD、0xE72E寄存器写0x01、再次往0xE7FE寄存器写0x00。LCYCM0DE线周期累加寄存器配置为0x78，电能以正常模式累加并读后自动清零。HSDC_CFG寄存器配置为OxOF，即4M传输速度，每8位传输间隔停留7个时钟周期，传递电能数据瞬时值。
[0034]CFDEN 参数计算:根据脉冲常数 MC = 10000, η = _3 计算得=CFxDEN = (10~3)/(MC*10~n) = (10~3)/(10000*0.001)
[0035]CFMODE配置:CFM0DE = 0x08C8, CFl总有功，CF2总无功，CF3禁能。在初始化程序中，往寄存器CFlDEN和CF2DEN写入式计算出来的值，往寄存器CFMODE写入0x08C8值。按照完成上述配置，即可完成初始化ADE7878对电能数据采集性能配置，接下来即可利用前文所述的校准方法，对终端数据的可靠性及准确性进行校准。
[0036]ADE7878简化了校表方式，给智能终端加上PF = I的额定电压，额定电流；校准电压电流增益IGAIN，VGAIN ;校准PHCAL。
[0037]电压采样电路信号幅度:
[0038]输入芯片电压采样端的信号电压有效值:VInEMS = dvXVMS，其中Vems为电能互感器输入端的电压有效值，d为互感器的缩放比例，
" 500厥 m
[0039]芯片满幅输入的电压有效值:V?=—^=353.553 mv，
[0040]电压输入信号占满幅输入的百分比:
1 λΟ)?
[0041]①电流采样电路信号幅度:
[0042]输入芯片电流采样端在Iln的电流信号下电压有效值:Ilnffls = RXdiXIln0
τ 500/57—m
[0043]芯片满幅输入的电压有效值:1 ■ = —^—=353.553 mv,
[0044]电压输入信号占满幅输入的百分比:Α=#^χ100%。
1NOM
[0045]ADE7878电能采样是在定时器中断中完成的，系统配置电能数据采集任务进入中断的时间间隔，当电能芯片配置寄存器使高通滤波器使能滤波器输出时，芯片的电压、电流通道的波形采样发生，依次完成电压电流瞬时值、有效值、视在功率、无功功率、有功功率，已用电量等电能数据的采集，其计量电压和电流瞬时表达式如下:
[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是电压电流信号各次谐波有效值 '队，Yk是各次谐波相移。那么该交流系统的瞬时功率为:
[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为电流的m次谐波有效值，Y m为电流m次谐波相移，经过η个周期的积分得到平均功率为:
[0052]
η Ik^i
[0053]智能终端处理器通过SPI数据读取方式来访问波形采样寄存器，数据采集完成之后将数据进行转换存储在芯片RAM中，等待ZigBee传感网络将电能数据通过其结合以太网的模式传送至上位机(监控终端)；
[0054]第二步:电能数据分析。
[0055]监控终端对获得的电能数据进行处理分析，FFT算法被用来计算电压和电流的谐波分量，假设连续信号f(t)的一个周期T为N点，采样每个T/N秒。然后离散信号可以是与离散时间点得到t = kT/N，采样矩阵模型可以如下表示:
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 严-ff \ L):^ I
[0057]Fh中包含每次谐波的值、基波分量和直流分量，其中f是直流分量，&是基波分量，h是二次谐波分量。
[0058]在计算谐波中，N作为信号采样的点数，fs = N*f作为采样频率，满足采样定理要求。利用A/D采集完电压电流值，可以利用FFT计算那么可以得到如下结果:
11 O
[0059]谢波电压比:
[0060]HRUh = 100(%)
L I
[0061]谐波电流比:
[0062]HRlll = γ- X 100(%)
[0063]电压总谐波失真是:
1 V Ul
[0064]\ Ti/ 、
THU 二 ~ X 100(%)
U \
[0065]电流总谐波失真是:
,V I；
[0066],、
THDi = ~ X 100(%)
Λ
[0067]第三步:电能控制策略。
[0068]电能指令控制器采用特定消谐优化PWM技术，以特定消谐PWM技术解出的解为初值，以谐波畸变率为优化目标，优化PWM波形的开关角，可以实现既消除PWM波形的固定次数谐波，同时，又能有效地减小特定消谐PWM波形剩余谐波含量及其改善剩余谐波的频谱分布。
[0069]本实用新型提出一种综合电能数据感知、谐波分析、谐波处理和双向计量功能的电能质量智能感知终端。与以往的相关功能产品相比，该产品将多种功能完美的结合，在智能性上有明显的表现，符合下一代电能终端的要求。由于发面中用到的FFT分析技术，提高了系统的分析速度，并且提高了准确性，利用该技术完成了对智能终端感知的数据的分析，利用分析数据对相应的电能进行了优化，提高了电能质量，同时做到了电能双向计量的功能。这是本实用新型的创新之处。本实用新型主要是针对当前相关技术产品的不完善以及功能不齐全，提出的一种新技术产品，去向人们普及对电能质量智能感知终端的理解。
【权利要求】
1.一种基于ZigBee组网的分布式电能质量智能感知与优化管理系统，其特征在于:包括多个与电网连接的电能智能感知节点、ZigBee汇聚节点、以太网和监控终端； 所述电能智能感知节点包括电压采样电路、电流采样电路、电能芯片ADE7878、CPU主控单元、ZigBee通信模块和谐波抑制单元；所述电压采样电路、电流采样电路分别与所述电能芯片ADE7878输入端连接，所述电能芯片ADE7878与CPU主控单元连接，所述ZigBee通信模块和谐波抑制单元分别与CPU主控单元连接； 所述ZigBee通信模块与所述ZigBee汇聚节点通过Zigbee无线通信连接； 所述ZigBee汇聚节点通过串口与所述以太网连接； 所述监控终端连接在以太网上；所述电压采样电路包括: 耦合变压器，与所述电网连接； 电流互感器，其输入端与所述耦合变压器的输出连接，输出端与电能芯片ADE7878连接; 采样电阻，连接在所述电流互感器和电能芯片ADE7878之间，所述采样电阻将待测电流转换为电压输入电能芯片ADE7878 ； 所述谐波抑制单元为单相并联混合有源电力滤波器。
【文档编号】H02J3/01GK203942332SQ201320889599
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】钟毅, 李园明, 曹云, 吴文华, 陈承, 徐文君 申请人:武汉理工大学