能源互联网下电能计量系统改进技术研究

周文斌，靳 阳，刘士峰，程鹏申，解进军

(国网北京市电力公司电力科学研究院,北京 100000)

0 引言

随着互联网技术的高速发展、新能源技术的不断开发，市场对电能计量技术提出了更高的要求。目前市场上充电桩普遍使用三相交流变频电源，比如艾诺仪器的120 kW的ANFC120T。这些电源需要把三相电网的电压整流为直流后，通过正弦脉冲宽度调制(sinusoidal pulse width modulation，sinusoidal PWM)变频控制技术，实现三相正弦波变频输出逆变成三相交流信号。电源设备需要真实输出120 kW的实际功率。传统的电能计量不能够精确地检测电能用量，会造成电能浪费。

针对上述问题，相关学者已有相应的研究。文献[1]的直流表外附分流器的电能计量技术可以完成自动测量、自动记录、自动判断测量结果等功能，能够通过一体化管控平台的接口传送检测系统和被检样品的试验数据。但该电能计量技术的精确度不高，可能造成能源的浪费。文献[2]的交直流外加纳伏表的电能计量技术能够准确计量和分析直流纹波、交流谐波等计量特性，还能够对应用系统的计量性能、能量转换效率进行评价。但该电能计量技术存在精确度较低的问题，不能准确计算能源的利用情况。

针对上述文献中存在的问题，本文对电能计量技术进行改进，研究了在互联网下基于高精密传感器的电能计量系统。该系统能够在实验室环境下实现电能计量、传导充电互操作性测试以及对标准直流分流器进行检定和校准，大大提高了能源互联网下电能计量技术的计量能力。

1 电能计量系统的改进设计

能源互联网下电能计量技术系统包括交流供电插座、电源模块、电压互感器、模数(analog to digital,A/D)转换电路、BF609芯片及其外设、键盘、显示器、 电源变换、参考电压、功放开关电源、开关功率放大器、数字同步跟踪放大器[3]。

系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 Overall system structure diagram

在具体工作中，交流供电插座为连接到三相电网的200 A插座。交流供电插座为本测试电源的输出插座。电源模块采用±15 V 和 5 V输出的开关小电源，电流输出为2 A。电压互感器输出端分别记作6a、6b、6c 。电压互感器为0.02级，变比为220∶1，也就是220 V的电压输入、1 V的二次电压输出。其带负载能力为5 mA。通过固定电压输出芯片REG1117F-1.8，将电源变换器12转换为5转1.8 V的线性稳压模块，把5 V的电源转换为1.8 V电源供BF609和A/D转换器使用[4]。

在具体工作过程中，参考电压由芯片ADR441B输出2.5 V的电压值，温度漂移优于3×10-6。A/D转换电路采用24 bit的8个通道严格同步。sigma-delta A/D转换器为ADS1278，积分误差典型值为±0.000 3%，最大采样率为128 KS/s。

在具体工作过程中，电压互感器输出端子6a、6b、6c，把三相交流电压信号缩小220倍后，输入到A/D转换电路的3个通道上。 BF609及其外设控制A/D转换电路，以12.8 KS/s的采样率连续不断地采集电压波形值，计算电压幅值，并与设定值进行比较。两者之间的差值通过SPORT123口输出到数字同步跟踪放大器上。开关功率放大器输出和设定值保持一致。

2 基于FFT和DSP的谐波电能计量技术

本文研究的谐波电能计量技术，采用的是基于快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)和数字信号处理(digital signal processing，DSP)的改进算法。FFT算法在具体应用中存在泄漏效应和栅栏不足等问题。本研究对FFT算法进行了改进，在原有算法的基础上加入了窗函数。为了提高FFT能力，本文使用合适的窗函数，将输出输入的信号进行断开，即对时序信号实行特定的不等加权，使断开的街区端整齐，从而提高电能计量的Nuttall窗时域精确度。本文采用的窗函数是Nuttall窗[5]。

Nuttall窗是一种余弦组合窗，作用是消除旁瓣泄漏。想要较好地阻止邻近泄漏，需要使窗函数拥有最小的旁瓣。因此，所加窗函数需尽量最小，以便减小频谱误差，使旁瓣的衰减速度达到最快[6]。

要实现本文所研究的谐波电能计量，本研究需进行以下3个步骤。

(1)对电能输出信息进行提取。提取到的电能计量的Nuttall窗时域表示为：

(1)

式中：M为窗函数的项数；bm为满足式(2)的条件。

(2)

Nuttall窗函数的系数如表1所示。

表1 Nuttall窗函数的系数

Nuttall窗函数的旁瓣特性如表2所示。

表2 Nuttall窗函数的旁瓣特性

由表2可得以下结论。

①3项1阶Nuttall窗函数的旁瓣衰减速率只有6 dB/oct。

②3项最小Nuttall窗函数的旁瓣峰值电平最低为-71.49 dB。

③4项1阶Nuttall窗函数的旁瓣衰减速率为18 dB/oct。

④4项3阶Nuttall窗函数的旁瓣衰减速率最大为30 dB/oct，并且旁瓣峰值电平可达-82.60 dB。

⑤4项最小Nuttall窗函数的旁瓣峰值电平为-98.20 dB，而旁瓣衰减速率达到了最小的6 dB/oct。

综上所述，使用FFT算法对谐波电能进行计量时，干扰谐波的两个重要因素是旁瓣衰减速率和旁瓣峰值电平。为了使干扰性减小，本文选用4项3阶Nuttall窗函数对FFT进行加窗处理[7]。

(2)基于改进FFT算法的电能计量参数的计算。

对电压、电流进行有效值计算，分别定义为：

(3)

(4)

式中：T为信号周期；N为每个周期的采样次数；u(tn)为FFT后的基波信号；i(tn)为FFT后的次谐波信号。

第k次谐波电压有效值为：

(5)

式中：Uk为基波信号；Re为复数uk(n)的实部；Im为复数uk(n)的虚部。

第k次谐波电流有效值为：

(6)

式中：Ik为次谐波信号，k=0时其表示直流分量，k=1时其表示基波分量[6]。

有功功率的定义为：

(7)

第k次谐波有功功率为：

Im[uk(n)]Im[ik(n)]}

(8)

式中：Pk为谐波有功功率，k=0时其表示直流分量，k=1时其表示基波分量。

视在功率、功率因数的定义如式(9)、式(10)所示。

S=U×I

(9)

式中：S为视在功率。

(10)

式中：cosφ为功率因数。

k次谐波视在功率为：

Sk=UkIk

(11)

k次谐波功率因数为：

(12)

在电路计算或者运行过程中，功率因数对电能质量会产生一定的影响。本文通过计算电压有效值、电流有效值和有功功率，并根据式(11)、式(12)计算出视在功率、功率因数，能够实现电能计量的精确计算[7]。

对电能计量进行计算时，有功电能量即瞬时有功功率不断累加：

(13)

式中：E为电能；P为有功功率。

无功电能量即瞬时无功功率不断累加：

(14)

式中：Q为无功功率。

综上可知，瞬时有功功率和无功功率对电能计量的计算非常关键。

(3)基于DSP的电能计量的实现。

本文采用DSP芯片进行数字信号处理。DSP使用的是定点计算，计算出的数据是十分精确的。本文采用ST9500装置产生标准电压、电流信号，通过A/D转换进行信号的调理和采样，运用以TMS320F28335处理器为核心的DSP电能计量对各电能参数进行计算[8]。

3 试验结果与分析

为了验证本文研究的电能计量技术的精确性，本文进行了大量的相关试验。本试验利用的是电动汽车充电桩的数据库，搭建试验平台的试验环境为Microsoft Visual Studio，主机配置为双核8.0 GHz，内存为4 TB，试验数据类型为.txt。

本试验需要验证的项目有电能计量特性、传导充电互操作性和通信协议一致性。

为了验证本研究的优势，本文需将测得的试验结果与直流表外附分流器的电能计量技术、交直流外加纳伏表的电能计量技术所得的结果进行对比。

本文在Microsoft Visual Studio中搭建平台，使用电动汽车充电桩数据库中的部分数据对试验平台进行训练，利用数据库中的另一部分数据进行试验。此次试验是以误差为标准进行对比。试验中得出的基波有功电能测算误差如图2所示。

图2 基波有功电能测算误差Fig.2 Fundamental actrive energy measurement error

由图2可知:本试验所研究的基于高精密传感器的电能计量技术的基波有功电能相对误差都小于0.001；直流表外附分流器的电能计量技术基波有功电能相对误差最低为0.001，最大达到了0.004 8；交直流外加纳伏表电能计量技术所测得的误差数据为0.000 8，最高为0.006。由此可见，本文研究的基于高精密传感器的电能计量技术基波有功电能测算误差最小[8]。

为了验证本文研究的基于高精密传感器的电能计量技术的测量精度，本文对谐波有功电能测算也进行了误差分析。

谐波有功电能测算误差如图3所示。由图3可知：本文研究的基于高精密传感器的电能计量技术的谐波有功电能测算误差最小为0.04，最大为0.42；直流表外附分流器的电能计量技术测量谐波有功电能相对误差最小为0.1，最大为0.59；交直流外加纳伏表电能计量技术所测得的谐波有功电能测算误差最小为0.07，最大为0.6。由此可见，本文研究的基于高精密传感器的电能计量技术测量谐波有功电能的平均误差最小。因此本文研究的电能计量技术精确度最高。

图3 谐波有功电能测算误差Fig.3 Harmonic active energy measurement error

综上所述，本文经过2次试验的测试，并对误差进行分析验证，可得到基于高精密传感器的电能计量技术精确度最高。

4 结论

随着新能源的不断开发，为了避免能源的不必要浪费，本文提出了改进型电能计量技术。该技术采用接线式精密交直流电流传感器，通过该传感器将5～45 kHz频率范围内标称为100 A的交流电流转换为1 A的标称直流电流，进而实现不同高低电流之间的转换。通过采用高精密直流电流分流器，本文实现分流器检测和校准的高准确率。本文通过FFT和DSP改进算法实现谐波电能信息的计量与计算，再通过已实现的谐波电能计量，基于FFT和DSP实现数据信息的计算。本文还研究了基于FFT和DSP改进算法的谐波电能计量，并对FFT算法进行改进，在原有的算法基础上加上了窗函数。在进行FFT之前，本文对时序信号实行特定的不等加权，使断开的街区端整齐。本文通过采用Nuttall窗函数，能够消除旁瓣泄漏，以便减小频谱误差，使旁瓣的衰减速度达到最快。本文提高了谐波电能计量能力，实现了对谐波电能的精确计算。但是本文还存在技术不完善，如计算的时效性不高以及谐波测算误差较大等问题，仍需对这些问题进行进一步的深入研究。