［摘 要］文章開發(fā)了一套光伏電站電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，以確保光伏電站的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。系統(tǒng)架構(gòu)包含數(shù)據(jù)采集、處理、分析及展示模塊，并通過軟件實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)警功能。試驗(yàn)環(huán)境采用實(shí)際光伏電站和模擬平臺(tái)進(jìn)行測試，收集和分析了多種電能質(zhì)量指標(biāo)，包括電壓、電流、頻率及諧波等。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測電能質(zhì)量，識(shí)別并處理異常情況。通過數(shù)據(jù)分析與可視化，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

［關(guān)鍵詞］光伏電站；電能；質(zhì)量監(jiān)測；模擬

［中圖分類號(hào)］TM615 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0026–03

隨著能源需求的不斷增長和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，光伏發(fā)電作為一種清潔、可再生的能源，得到了廣泛應(yīng)用。然而，光伏發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性對(duì)電能質(zhì)量及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

電能質(zhì)量是指電能在生產(chǎn)、傳輸、分配及使用過程中所表現(xiàn)出的品質(zhì)特性。高質(zhì)量的電能能夠確保電力系統(tǒng)和電力設(shè)備的正常、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，避免由于電能質(zhì)量問題引起的設(shè)備故障、能源浪費(fèi)及經(jīng)濟(jì)損失。電能質(zhì)量指標(biāo)包括電壓偏差、頻率偏差、電壓波動(dòng)與閃變、諧波、電壓不平衡、瞬態(tài)過電壓、暫降與瞬時(shí)中斷及功率因數(shù)等。

通過電能質(zhì)量監(jiān)測，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)節(jié)電能輸出波動(dòng)，確保電網(wǎng)供電的可靠性和穩(wěn)定性。光伏電站電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集和分析電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，提供詳細(xì)的報(bào)告和診斷，從而為電站的維護(hù)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

1.1 系統(tǒng)需求分析

（1）系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)采集光伏電站中的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、頻率、諧波等。實(shí)時(shí)采集是確保系統(tǒng)能夠及時(shí)反映電能質(zhì)量變化的基礎(chǔ)。

（2）為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、可靠傳輸，系統(tǒng)需支持將數(shù)據(jù)傳輸至中央處理系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫，并且具備遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸功能。

（3）在數(shù)據(jù)處理方面，系統(tǒng)應(yīng)具備強(qiáng)大的處理和分析能力，包括數(shù)據(jù)過濾、特征提取及異常檢測。

（4）系統(tǒng)應(yīng)提供實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，顯示電能質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并能夠進(jìn)行報(bào)警和告警處理。

（5）系統(tǒng)應(yīng)具備用戶權(quán)限管理功能，支持多用戶訪問和不同級(jí)別的權(quán)限設(shè)置，以確保系統(tǒng)的安全性和數(shù)據(jù)的保密性。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)組成

光伏電站電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)如圖1 所示。

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)

光伏電站電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是其核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、分析、展示及管理。

（1）數(shù)據(jù)采集與接口軟件，包括驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)采集模塊。驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與硬件組件（如傳感器和數(shù)據(jù)采集單元）進(jìn)行接口，確保數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確采集和傳輸。數(shù)據(jù)采集模塊則實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，包括從傳感器讀取數(shù)據(jù)、進(jìn)行初步處理并存儲(chǔ)。

（2）在數(shù)據(jù)處理與分析方面，系統(tǒng)需具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理算法和電能質(zhì)量分析算法。數(shù)據(jù)處理算法負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的初步處理，包括濾波、去噪聲及平滑處理，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。電能質(zhì)量分析算法則包括電壓波動(dòng)分析、諧波分析及頻率穩(wěn)定性分析，能夠提供詳細(xì)的電能質(zhì)量報(bào)告和診斷。此外，異常檢測與報(bào)警系統(tǒng)能夠識(shí)別數(shù)據(jù)中的異常情況，生成警報(bào)并觸發(fā)相應(yīng)的處理措施，確保系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)和處理電能質(zhì)量問題。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理部分，采用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)、歷史記錄及分析結(jié)果，支持高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索。可選擇關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（如MySQL、PostgreSQL）或非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（如MongoDB）以滿足不同需求。系統(tǒng)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)機(jī)制，以防止數(shù)據(jù)丟失，并提供恢復(fù)功能以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)故障。

（4）報(bào)告生成與導(dǎo)出功能，包括報(bào)告生成模塊和圖表與數(shù)據(jù)可視化。報(bào)告生成模塊能夠自動(dòng)生成電能質(zhì)量分析報(bào)告，包括統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、趨勢分析及故障診斷等，支持多種格式導(dǎo)出，如PDF 和Excel。圖表和數(shù)據(jù)可視化功能可提供豐富的圖表，幫助用戶更好地理解和分析數(shù)據(jù)，提升用戶體驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析能力。

（5）通信與集成方面，系統(tǒng)需要支持與其他系統(tǒng)和設(shè)備的通信，常見協(xié)議包括Modbus、DNP3 及MQTT 等。此外，提供開放的API 接口，以便于與第三方系統(tǒng)的集成和數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

（6）用戶管理與安全設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)應(yīng)支持多用戶管理，設(shè)置不同權(quán)限級(jí)別，以保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和功能的安全。安全措施包括數(shù)據(jù)加密、用戶身份驗(yàn)證及訪問控制，確保系統(tǒng)的安全性和數(shù)據(jù)的保密性，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和操作。

（7）系統(tǒng)提供維護(hù)工具和日志記錄功能，方便故障排查和系統(tǒng)維護(hù)。支持軟件的遠(yuǎn)程更新和升級(jí)，確保系統(tǒng)功能的持續(xù)改進(jìn)和漏洞修復(fù)，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

（8）環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)考慮到軟件的跨平臺(tái)兼容性。軟件應(yīng)支持多種操作系統(tǒng)和平臺(tái)，如Windows、Linux 及Android，適應(yīng)不同的運(yùn)行環(huán)境，確保系統(tǒng)在各種環(huán)境下均能穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理與分析是電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的核心功能之一，負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入處理和分析，以提供有價(jià)值的電能質(zhì)量信息。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理是數(shù)據(jù)處理與分析的基礎(chǔ)，包括去噪聲、缺失值處理及異常值檢測。去噪聲使用濾波算法（如低通濾波器）去除信號(hào)中的噪聲，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。缺失值處理則采用插值或數(shù)據(jù)填補(bǔ)技術(shù)修復(fù)不完整數(shù)據(jù)。異常值檢測用于識(shí)別并處理數(shù)據(jù)中的異常值或離群點(diǎn)，防止其對(duì)后續(xù)分析產(chǎn)生不良影響。

（2）歸一化。將數(shù)據(jù)縮放到相同的范圍，以便于比較和分析。需要通過轉(zhuǎn)換統(tǒng)一數(shù)據(jù)的單位，以確保數(shù)據(jù)的一致性和可比性。

（3）在數(shù)據(jù)分析階段，系統(tǒng)需計(jì)算多種電能質(zhì)量指標(biāo)。電壓質(zhì)量分析包括計(jì)算電壓的平均值、波動(dòng)范圍、峰值及有效值等指標(biāo)，評(píng)估電壓的穩(wěn)定性。電流質(zhì)量分析則關(guān)注電流的平均值、波動(dòng)范圍及諧波含量等，評(píng)估電流質(zhì)量。頻率分析監(jiān)測電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性，計(jì)算頻率的偏差和波動(dòng)。諧波分析利用傅里葉變換等技術(shù)評(píng)估電網(wǎng)的諧波污染程度。

（4）趨勢分析是數(shù)據(jù)分析的重要組成部分。時(shí)間序列分析用于識(shí)別電能質(zhì)量指標(biāo)的長期趨勢和周期性變化，而趨勢預(yù)測則利用預(yù)測算法（如ARIMA 模型）預(yù)測未來電能質(zhì)量指標(biāo)的變化趨勢。

（5）故障診斷通過故障模式識(shí)別和異常模式檢測實(shí)現(xiàn)。故障模式識(shí)別基于數(shù)據(jù)特征識(shí)別電能質(zhì)量問題的可能原因，如電壓跌落和電流過載等。

（6）數(shù)據(jù)可視化是數(shù)據(jù)處理與分析的結(jié)果呈現(xiàn)。實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，通過儀表盤和圖表展示電壓、電流、頻率等關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)時(shí)值和歷史趨勢，提供直觀的監(jiān)控界面。報(bào)告生成模塊自動(dòng)生成電能質(zhì)量分析報(bào)告，包括統(tǒng)計(jì)報(bào)告、故障報(bào)告及趨勢分析報(bào)告，幫助用戶全面了解電能質(zhì)量狀況，進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和優(yōu)化。

2 試驗(yàn)與測試

2.1 試驗(yàn)環(huán)境和條件

試驗(yàn)環(huán)境和條件的設(shè)置對(duì)于電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的測試和驗(yàn)證至關(guān)重要，可確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.1.1 試驗(yàn)環(huán)境

在實(shí)際光伏電站或模擬測試平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場測試?，F(xiàn)場應(yīng)符合光伏電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

環(huán)境條件如下：試驗(yàn)室溫度控制在20±2℃，模擬光伏電站的實(shí)際環(huán)境溫度變化（如–10～50℃）；相對(duì)濕度控制在40%～60%，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行；盡量減少電磁干擾，使用屏蔽技術(shù)和濾波器，符合電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)；在實(shí)驗(yàn)室中使用模擬光源，光照強(qiáng)度應(yīng)接近實(shí)際光照條件。

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

光伏電站模擬器為模擬光伏電站的電氣特性和輸出，提供穩(wěn)定的電壓（如DC 0～1 000 V）和電流（ 如DC 0～100 A） 輸入。模擬器應(yīng)能模擬不同的光照條件和負(fù)荷狀態(tài)，支持調(diào)整光照強(qiáng)度（如從500 W/m2 到1 000 W/m2）。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集和處理

2.2.1 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)采集設(shè)置中，每秒采集一次數(shù)據(jù)（1 Hz），以捕捉瞬態(tài)變化。長期分析為每分鐘采集一次數(shù)據(jù)（1/60 Hz），用于趨勢分析。

采集周期中，短期測試為進(jìn)行5 min 的數(shù)據(jù)采集，中期測試為進(jìn)行30 min 的數(shù)據(jù)采集，長期測試為進(jìn)行24 h 或更長時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，以便觀察系統(tǒng)在不同時(shí)間段的表現(xiàn)。

數(shù)據(jù)記錄為記錄每次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集過程，包括開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、采集頻率及數(shù)據(jù)量。

2.2.2 數(shù)據(jù)可視化

通過直接生產(chǎn)圖表形勢（如功率趨勢圖），繪制周期內(nèi)的功率變化趨勢，并形成統(tǒng)計(jì)報(bào)告，包括故障報(bào)告、趨勢分析報(bào)告等。

3 結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測結(jié)果展示

試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果展示旨在清晰呈現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)和試驗(yàn)成果，便于評(píng)估系統(tǒng)性能和電能質(zhì)量狀況。電站總覽可視化圖如圖2 所示。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

通過對(duì)光伏電站電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以更深入地理解系統(tǒng)的性能和電能質(zhì)量狀況，并識(shí)別出潛在的問題和改進(jìn)點(diǎn)。

在線采集器的正常運(yùn)行是電站高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，所有在線的采集器均正常運(yùn)行，日發(fā)電量為101 kW · h，等效小時(shí)數(shù)為3.37。這表明，采集器在數(shù)據(jù)采集和傳輸方面表現(xiàn)出色，能夠準(zhǔn)確反映電站的實(shí)際運(yùn)行情況。

整體來看，試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果展示了光伏電站電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理及分析方面的有效性和可靠性。通過深入分析這些監(jiān)測數(shù)據(jù)，不僅能夠評(píng)估系統(tǒng)的當(dāng)前性能，還能為系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。這些分析結(jié)果將有助于提升光伏電站的電能質(zhì)量管理水平，確保其高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

文章開發(fā)了一套光伏電站電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)光伏電站的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理及分析，從而提升電站運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出色，能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。系統(tǒng)對(duì)電站的發(fā)電能力、采集器運(yùn)行狀況及逆變器的告警事件進(jìn)行了全面的監(jiān)測和分析，提供了詳細(xì)的電能質(zhì)量狀況報(bào)告。這些數(shù)據(jù)和報(bào)告不僅驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性，還為進(jìn)一步的系統(tǒng)優(yōu)化提供了寶貴參考。

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