一种光伏发电系统电压信号采样及重构方法技术方案

本发明专利技术公开一种光伏发电系统电压信号采样及重构方法，在光伏发电系统中，有若干数目能采集电压信号的传感器节点，各节点通过无线通信方式自组织形成监测网络，监测网络采用压缩感知法对采样信号进行压缩得到电压稀疏信号。本发明专利技术适用于重构光伏发电系统中的电压稀疏信号，首先提供光伏发电系统监测网络的各传感器节点的安设方法，然后提出基于迭代收缩阈值法的电压稀疏信号重构方法，当节点从其它节点处获取的信号受噪声干扰时，通过该方法，重构原始电压稀疏信号，从而保证监测网络信号传输的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种光伏发电系统电压信号采样及重构方法
本专利技术涉及一种光伏发电系统电压信号采样及重构方法，即基于压缩感知理论的光伏发电系统电压信号采样及重构方法，适用于确定光伏发电系统监测网络中电压传感器节点的布设方法，以及确定在监测网络采样信号受到噪声干扰情况下的电压稀疏信号的重构。
技术介绍
光伏发电系统的并网运行已成为现代电网的重要特征，无线监测网络技术可为其安全稳定运行提供保障。监测网络中的节点携带有限的能量，而布设于光伏阵列上的节点传输采集到的光伏电压数据信息时，耗能显著，因此，节点在传输数据之前，需要对其进行压缩，同时只有采用运行效率高的算法，才能减轻监测网络的通信压力，延长监测网络的生命周期。光伏发电系统监测网络进行数据信息传输时，会受噪声干扰，因此，针对压缩而成的电压稀疏信号，提出稳定的、运行效率高的含有噪声的信号重构算法是压缩理论得以应用的重要环节。
技术实现思路
专利技术目的：针对光伏发电系统电压信号采样问题，本专利技术提供一种传感器节点的布设方法，各节点以自组织方式形成光伏发电系统状态监测网络，监测网络中的节点负责采集光伏发电系统的电压信号，在传输电压信号给其它节点时对信号进行压缩，如此，节点间传输的信号为电压稀疏信号，监测网络中的节点在处理所获取到的电压稀疏信号之前，本专利技术方法可重构电压稀疏信号。本专利技术提出的方法有助于获取光伏发电系统的电压信号，在信号传输时，通过重构压缩而成的稀疏信号，有助于重构监测网络中节点所采集的原始信号。技术方案：一种光伏发电系统电压信号采样及重构方法，在光伏阵列上布设能够采集电压信号的传感器节点，各节点采用无线通信的方式进行电压信号的传输与处理。监测网络中的节点为同构节点，每个节点的感知半径Rs值相同，节点能够获取光伏阵列上以Rs为半径的圆面区域内的电压信号。本专利技术提出了光伏发电系统电压传感器节点的布设方法和电压稀疏信号的重构方法：传感器节点布设方法：节点规则地布设在光伏阵列上，对光伏阵列进行全面感知覆盖，保证能够全面采集光伏发电系统的电压信号；稀疏信号重构方法：基于迭代收缩阈值法的电压稀疏信号重构方法，具体为将含有噪声的信号重构问题，转化为二次规划问题，采用估计值序列进行原始信号的重构，可降低噪声的干扰。有益效果：本专利技术提供的光伏发电系统电压信号重构方法，提供了能够全面采集光伏发电系统电压信号的传感器节点的布设方法，节点利用率高；采用迭代收缩阈值法的电压稀疏信号重构方法，能够有效降低信号的重构均方误差，保证监测网络信号传输的可靠性附图说明图1为三角形节点布设图；图2为光伏发电系统状态监测网络；图3为电压稀疏信号的重构均方误差曲线图；图4为电压稀疏信号的重构效果图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。一、光伏发电系统传感器节点布设方法结合光伏阵列通常具有方形形状的特点，网格传感器节点布设法简单易行。网格节点布设法包括三角形布设法、正方形布设法和正六边形布设法。三角形节点，顾名思义，三个传感器节点的连线构成三角形网格(如图1所示)。图中阴影部分面积为：有效覆盖面积是指所有节点感知区域的并集：Se＝3π(Rs)2-12Sr(2)节点覆盖效率为有效覆盖面积与节点覆盖总面积的比值：由式(3)可见，三角形布设法的覆盖效率相当高，与表1中其他网格布设法相比，它具有较高的节点利用效率。表1传感器节点网格布设法比较天合PC14光伏组件为1.56m×1.56m的方形，420个该光伏组件可组成一个32m×32m的正方形光伏面板，本专利技术运用三角形布设法为该区域构建的监测网络，如图2所示，Rs可取为6m。由图2可见，14个节点构建的监测网络实现了对32m×32m区域的全面覆盖。二、光伏发电系统电压稀疏信号重构方法光伏发电系统的含噪声稀疏信号重构问题可以表示为带约束的二次规划(BoundConstrainedQuadraticProgramming，BCQP)问题：式中：τ>0代表正则因子，s代表需重构的压缩而成的电压稀疏信号，y为传感器节点从其它节点采集到的信号。作为凸松弛法的一类，迭代收缩阈值法(IterativeShrinkageThresholding，IST)是将优化问题变成次优化问题，并且利用迭代收缩阈值求解次优化问题。是s的二次函数，为凸函数；显然τ||s||1也为凸函数。根据IST法，式(4)可表示为：minsF(s)＝f(s)+τc(s)(5)式中：c(s)＝||s||1为s的1次凸函数。式(5)通过迭代运算可求得一个估计值序列：s(i+1)，i＝0，1，…，N。出于计算高效的考虑，式(6)可转变为：式中：αi∈R+为第i次迭代系数。与式(4)相比，式(7)只需求解函数f(s)的梯度值▽f(s)，计算量得到了降低。式(7)可写成更为简洁的等级形式：式中：代表过渡序列。因c(s)＝||s||1具有可分离形式，所以式(8)可表示为：s(i+1)可通过闭合解形式直接求得：式中：soft(u,p)＝sign(u)max{|u|-p,0}，为软阈值函数。3、算法流程基于迭代收缩阈值法的光伏发电系统稀疏信号重构算法的基本步骤如下：1)确定αi值，αi∈[αmin,αmax]。为选择合理的值αi，可利用Barzilai-Borwein方法计算它。根据该方法，αi近似等于▽(2)f(s)，即：αi(s(i)-s(i-1))≈▽f(s(i))-▽f(s(i-1))(11)αi按照如下方程进行更新：式(12)的闭合解为：2)根据式(13)计算候选值s(i+1)。3)αi＝αiβ，β＞1，如果候选值s(i+1)满足容许准则，那么令它作为估计值，执行步骤4)；否则，继续步骤2)。4)i＝i+1，如果估计值s(i+1)满足式(14)的不等式，那么输出s(i+1)并停止迭代；否则，执行步骤1)。||s*-(s*-γ▽F(s))+||≤tolE(14)式中：tolE是很小的正实数，γ为大于0的常数。三、仿真分析本专利技术研究的光伏发电系统由型号为天合PC14的组件所构成，监测网络中布设有电压传感器节点，节点在采集信号时，电路元件中会有诸如散粒噪声等噪声的影响，可用加性高斯白噪声(AdditiveWhiteGaussianNoise，AWGN)去拟合这些噪声。仿真中的信噪比取SNR＝20dB，对于电压参数SNR＝20Log(Singal幅度/Noise幅度)。本专利技术提出的IST算法能够重构光伏发电系统电压稀疏信号，为验证算法在实际应用时的有效性和应用价值。仿真分析将针对常州某一250W的光伏发电系统，需重构的稀疏信号为2013年11月10号采样周期为5s的电压稀疏信号。光伏发电系统稀疏信号重构的评价标准为信号重构均方误差(MeanSquareError，MSE)，定义为：重构信号和原始信号的绝对误差的二范数。MSE值越小，信号的重构效果越好。本专利技术仿真所取的主要参数为：tolE＝10-5，αmin＝10-30，αmax＝1030，γ＝1，β＝2，N＝4096。运用IST算法重构电压稀疏信号，算法运行过程中的MSE变化曲线如图3所示。I本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光伏发电系统电压信号采样及重构方法，其特征在于：包括传感器节点的布设方法和电压稀疏信号的重构方法；传感器节点布设方法：节点规则地布设在光伏阵列上，各节点连线构成网格形状，节点皆具有相同的感知半径Rs，节点的感知范围为以节点为圆心Rs为半径的圆面，所有节点以自组织方式形成监测网络，能够对光伏阵列进行全面覆盖监测，保证能够全面采集光伏发电系统的电压信号；电压稀疏信号重构方法：传感器节点传输给其它节点的电压稀疏信号为节点的电压采样信号的压缩信号，该稀疏信号受到诸如散粒噪声等噪声的干扰，基于迭代收缩阈值法的电压稀疏信号重构方法，能够降低信号的噪声干扰，取得重构均方误差小的信号重构效果，保证监测网络信号传输的可靠性。

【技术特征摘要】
1.一种光伏发电系统电压信号采样及重构方法，其特征在于：包括传感器节点的布设方法和电压稀疏信号的重构方法；传感器节点布设方法：节点规则地布设在光伏阵列上，各节点连线构成网格形状，节点皆具有相同的感知半径Rs，节点的感知范围为以节点为圆心Rs为半径的圆面，所有节点以自组织方式形成监测网络，能够对光伏阵列进行全面覆盖监测，保证能够全面采集光伏发电系统的电压信号；电压稀疏信号重构方法：传感器节点传输给其它节点的电压稀疏信号为节点的电压采样信号的压缩信号，该稀疏信号受到散粒噪声的干扰，基于迭代收缩阈值法的电压稀疏信号重构方法，能够降低信号的噪声干扰，取得重构均方误差小的信号重构效果，保证监测网络信号传输的可靠性；测量电压信号的传感器节点都规则地布设在光伏阵列上，每个节点负责感知范围为以Rs为半径的圆面区域，所有节点的连线构成的网格为正三角形网格；相互邻近的三个节点的连线构成正三角形，三个节点以Rs为半径的圆面区域有重合的部分，重合区域的面积为：三个节点的有效覆盖面积是指节点的感知区域的并集：Se＝3π(Rs)2-Sd(2)那么，节点覆盖效率为有效覆盖面积与节点覆盖总面积的比值：光伏发电系统的含噪声稀疏信号重构问题可以表示为带约束的二次规划问题：式中：τ>0代表正则因子，y代表节点从其它节点处获取的电压稀疏信号，s代表所要重构的信号，s*代表重构的信号；基于二次规划的优化问题可以转化为次优化问题，并且可利用迭代收缩阈值法求解次优化问题；是s的二次函数，为凸函数；显然τ||s||1也为凸函数；根据迭代收缩阈值法，式(4)可表示为：minsF(s)＝f(s)+τc(s)(5)式中：c(s)＝||s||1为s的1次凸函数。2.如权利要求1所述的光伏发电系统电压信号采样及重构方法，其特征在于：迭代收缩阈值法的运算需要估计值序列：s(i+1)，i＝0，1，…，N：出于计算高效的考虑，式(6)可转变为：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振，傅质馨，袁越，包江民，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32