谐波条件下新型数字电能计量装置的研制

2019-09-09武奕彤

山东电力技术 2019年8期

武奕彤

（河海大学能源与电气学院，江苏南京 210098）

0 引言

随着工业技术的迅速发展，电力电子设备等非线性负荷大量接入电网，向电网注入大量谐波。目前现场使用的普通电能表仅能计量正向和逆向总电能，在谐波条件下存在明显问题：线性负荷的基波和谐波功率潮流一致时，普通电能表计量电能大于基波电能，线性负荷被迫吸收无用甚至有害谐波电能，对自身运行造成危害，还要为谐波电能支付电费；而非线性负荷的基波和谐波功率潮流方向相反时，普通电能表计量的总电能小于基波电能，非线性负荷在向电网注入谐波的同时却少支付一部分电费［1-4］。为电网谐波治理提供有力依据和保证电费收缴公平性，需分别计量负荷的基波和谐波电能。

针对普通电能表全能量计量方式在谐波条件下计量不合理的问题，采用自适应陷波滤波器（Adaptive Notch Filter，ANF）和瞬时功率理论结合算法［4］，研制了一种谐波条件下新型电能计量装置，能够分别准确计量基波和各次谐波有功功率，克服了目前常用的基于快速傅立叶变换（FFT）的谐波电表在电网频率波动时计量误差大、算法复杂的缺点［5］。

1 谐波条件下电网潮流分析

图1 为电网简化模型，u（t）为无畸变的正弦电压源，ZS为线路阻抗，ZL为线性负荷，ZN为非线性负荷，实心、空心箭头分别代表基波功率潮流方向和谐波功率潮流方向。

图1 电网简化模型

根据功率守恒得：

式中：PU为电源发出的功率；PZS为线路吸收的功率；PZL为线性负荷吸收的功率；PZN为非线性负荷吸收的功率。

式中：下标“1”表示基波功率；下标“h”表示谐波功率。

根据基波和谐波功率各自守恒得：

相同频率的电压电流产生有功功率，u（t）是标准的正弦电压，式（4）中PUh=0，PZSh＞0，PZLh＞0。由式（4）得：PZNh=-（PZSh-PZLh）＜0。

现行的普通电能表采用全能量计量方式，即计量基波功率和谐波功率的代数和。线性负荷被迫吸收谐波功率，危害自身同时多支出电费；非线性负荷污染电网，少支付电费。保证电能计量准确性和供用电公平性的根本途径是分别计量负荷的基波和各次谐波电能［1-6］。

2 ANF 和单相瞬时功率理论结合算法

2.1 单相瞬时功率理论

谐波条件下电网电压和电流均含有基波和谐波分量，根据单相瞬时功率理论［7］，已知电压、电流i（m≥1）次谐波分量um、im及其正交分量值，则m 次谐波有功功率Pm为

2.2 基于ANF 的基波和各次谐波提取

ANF 的数学表达式为

当式（6）中u（t）中为含有基波和各次谐波分量的单相电压信号时，即：，式（6）求解得：

可见ANF 可以提取出u（t）的m 次谐波分量及其正交分量。通过m 取不同值时的多个ANF，就可以提取出u（t）含有的基波和各次谐波分量以及各分量的正交分量，原理如图2 所示［4］。

图2 ANF 提取各次基谐波分量及其正交分量原理

2.3 单相有功功率计量

采用ANF 分别提取出单相电压、电流信号各自含有的基波和各次谐波分量以及各分量的正交分量，结合单相瞬时功率理论可以分别计量基波和各次谐波有功功率，如图3 所示［4］。

图3 基于ANF 的单相有功功率计量

3 新型数字电能计量装置软硬件设计

新型数字电能计量装置的结构如图4 所示，主要由信号采集单元、数据处理单元以及显示、存储、通信、功能选择等用于人机交互外围模块组成。

图4 新型数字电能计量装置结构

3.1 信号采集单元

信号采集单元包括电压、电流采样电路，信号调理电路。电网电压、电流分别经过由电压传感器、电流传感器与取样电阻组成的采样电路进行信号取样后，变为适合后级电路的小电压信号，实现强电到弱电的转换。

数据处理单元的A／D 允许输入电压信号为0～3.0 V 的单极性信号，电压、电流采样电路输出的信号均为交流信号且峰—峰值大于3.0 V，要对这些信号进行比例变换和电压提升后方可送入A/D 进行采样。图5 所示为信号调理电路，前级运放构成比例变换电路，将输入信号的峰—峰值，调整到3.0 V 以下，后级运放构成加法电路，将前级运放输出的信号提升1.5 V，使输出信号变为单极性信号。完成信号转换后，各通道电压和电流信号经过RC 低通滤波器滤除高频干扰后，输入到A／D 中。为防止因干扰使信号超出测量范围，在采样电路的输出端加入由2 个低导通压降二极管组成的限压保护电路，限制A／D转换器的输入电压。

图5 信号调理电路

3.2 数据处理单元

数据处理单元主要负责采集信号、数据的计算分析。本装置选用TMS320F28335 数字信号处理器（DSP）。TMS320F28335 是一款高性能浮点型数字信号处理器，最高时钟频率150 MHz，集成浮点运算单元，可以直接处理浮点型数据，具有较高的数据处理能力，有利于复杂算法的软件实现。

DSP 对片内A／D 转换器采集到的数据进行运算处理，将处理后的结果保存到扩展的存储器中，方便随时查询。此外，DSP 还将数据传送给显示模块，通过功能按键进行显示切换和参数设置，实现人机交互。

3.3 系统软件编程

本装置的软件设计包括DSP 程序设计和显示屏界面设计。DSP 对信号采集单元的电压、电流信号进行A/D 转换，再经过算法程序处理后，将结果通过串口通信子程序发送给显示屏。DSP 程序主要由主程序和定时器中断子程序两部分组成。主程序主要包括DSP 初始化、液晶屏初始化、A/D 初始化等。

定时器中断子程序是软件设计的核心，采用ANF 和单相瞬时功率结合算法，对电网电压、电流数据进行处理。ANF 算法需要进行定时长采样，故DSP 的A/D 被配置为定时器中断内软件触发方式，以获得精确的转换间隔，定时器中断子程序流程如图6 所示。电压、电流采集信号A／D 转换完成后，采用ANF 从A／D 转换数据中提取电压、电流基波与各次谐波分量及其正交分量［6］，然后通过单相瞬时功率理论对基波和各次谐波的有功功率进行计算［4，7］。