基于DSP 的电能质量检测技术与无功补偿测控方法

王元东

（新乡市万新电气有限公司，河南新乡 453000）

电能质量检测对于电力发展十分重要，目前国家电力电子技术发展已经相对成熟，在我国有了广泛的应用，供电系统内部的各类电器在工作过程中很有可能出现电流、电压畸变，导致出现高次谐波，降低电气设备寿命，增加了电网运行过程的网损。新工艺的出现使更多抗干扰设备进入生产领域，新设备的注入虽然可以提高电网系统的运行效率，但是也使电网承担着更高的负荷，电能质量一旦下降会造成严重的危害。

针对电能质量检测，相关学者进行了较多的研究。凌万水、刘刚[1]基于ELM 与DWT 的电能研究了质量检测技术，利用模式识别技术对电网特征进行选择，并完成决策，提高了检测精度。徐艳春、樊士荣、谭超[2]等人提出了基于改进EWT-CMPE 的高渗透率主动配电网电能质量扰动检测方法，通过经验小波变换确定电网复杂项目多尺度排列熵，分析不同特征产生的电能质量扰动，根据扰动结果进行分类，该方法的检测准确率相对较高。虽然上述检测方法都能够提高检测效率，但是设备占用空间较大，需要花费的成本很高，得到的电能质量检测结果脱离了无功补偿控制，导致被检测到的信息不能得到合理利用。

DSP 芯片内部拥有硬件乘法/累加器，能够在单个周期指令内部完成各种不同的运算，提高数据传输能力，在灵活性、精度、可靠性和集成性上，DSP 芯片都有质的飞越，因此该文基于DSP 研究了一种新的电能质量检测技术与无功补偿测控方法，并通过实验对方法的实际应用效果进行检测。

1 基于DSP的电能质量检测

电网在运行过程中具备实时性特点，因此变化比较多样，在对电网电能进行质量检测时，必须充分分析动态无功补偿特性，在不破坏数据快速运输的基础上进行电能质量检测[3-4]。利用复序列快速傅里叶算法分析电网在运行过程中产生的电压和电流，通过合成一个完成的复序列实现电网运算，在运算过程中可能会出现多次谐波，计算三相电压分析产生的谐波，从而有效减少运算量。DSP 处理器能够很好地兼顾FFT 算法，确保在运算过程中指令能够灵活地被引用[5-6]。

对电网内部的电流电压序列进行提取，设定提取点共有N个，得到的电压序列表示为u(n)，电流序列表示为i(n)，利用电压序列和电流序列组成复序列，如式（1）所示：

其中，x(n)表示得到的复序列；j表示电流计算次数[7]。

在DSP 芯片内部对复序列进行离散傅里叶变换，计算公式如下：

其中，X(k)代表x(n)经过离散傅里叶变换得到的序列；k表示频率系数[8]。对X(N-k)进行共轭处理，得到共轭复数为X*(N-k)。

分别得到电压频谱和电流频谱，电压频谱如式（3）所示：

电流频谱如式（4）所示：

在通过编程获取电能数据过程中，需要倒序排列原始数据，由于得到的序列为复数序列，因此需要进行多次查询[9]。

为了能够更好地保证DSP 的工作效果，该文引入了稳压管，保证在工作过程中，产生的电压不会超过3.3 V。质量检测结果利用液晶显示器进行展示，将液晶显示器与DSP 和单片机直接连接，利用专用指令实现画面卷动，同时加入触摸屏，当用户触摸时，会自动转换并展示结果[10]。触摸屏工作原理如图1 所示。

图1 触摸屏工作原理

DSP 与单片机连接确保数据能够进行实时传输，与其他的多机通信模式不同，该文启用了DSP 空闲线多处理器模式，在处理过程中，利用地址位后面的额外线对被处理的帧进行标识，明确帧的性质，标识有两种，分别是数据帧和地址帧[11-12]。

当信息启动时，SCI 被启动信号唤醒，处理器会自动识别中断串口，中断子程序得到的地址能够与自己的地址进行对比，判断是否相符，在相符的状态下，中断子程序会自动清除SLEEP 位，确保系统能够顺利接收到发送过来的数据帧；如果发现地址不相符，则代表发送过来的数据帧不能顺利进行通信，因此会被忽略，直接启动新的模块。单片机内部设置了多个USB 接口，利用USB 接口顺利地实现串口通信[13]。

2 无功补偿测控

将DSP 嵌入到静止同步补偿器（STATCOM）中，利用STATCOM 对电流进行间接控制，以交流电压源的角色确保内部产生的交流电压基波相位和幅值满足标准值，从而实现交流测电流控制。

在理想状态下，电网不会产生损耗，可以将变流器工作过程中产生的有功功率归为0，理想状态变流器输出电流I对应的输出电压为UI。但是由于在实际状态下会产生损耗，因此，电网内部有功功率的相位差不能达到标准的90°。根据图1 可知，变流器输出电流I对应的输出电压为US，在存有损耗的情况下，US与UI之间的相位差为δ，由此可见，在控制电网动态实现连续补偿时，只需要改变δ角和输出电压的幅值，利用调整相位差和电压幅值对电流大小和相位进行调节，确保STATCOM 能够按照系统需求连续又灵活地向电网发送或接收无功功率[14-15]。

根据三角形正弦定理，可以得到公式（5）：

根据公式（5）可知，在调节电网系统直流侧电容电压过程中能够很好地保证对STATCOM 的调节，从而改变δ角，达到无功补偿控制的目的[16]。

在无功补偿控制过程中，利用PWM 控制技术确定电网电流在运动过程中波形的瞬时值，STATCOM输出的交流电流能够直接控制电网的指令电流，减少控制过程的谐波含量，提高响应速度。该文利用滞环比较器确定瞬时值，工作原理如图2 所示。

图2 滞环比较器工作原理

根据图2 可知，在滞环比较器内部输入指令，再对STATCOM 内部输出的补偿电流并和补偿电流指令进行对比，对比结果标记为Δic，从滞环比较器内部输出驱动信号，记为PWM，利用驱动电路进行放大，得到gx，通过gx对STATCOM 主电路内部的开关元件进行控制，达到调节补偿电流的目的。通过分析瞬时值的波动情况，迅速判断反馈控制存在的问题，并针对存在的问题作出反应，确保反应结果的准确性。由于采用瞬时值进行控制，因此对系统的整体运行影响较小，更容易保证系统在运行过程中达到稳定状态。在无功补偿控制过程中，负序电压会带来不利因素，利用滞环比较器在转变为负序电流时，无功电流指令能够在短时间内采集到瞬时无功电流，因此即使计算过程中会产生相应的负序分量，但是得到的分量依旧是对称分量。

3 实验研究

为验证基于DSP 的电能质量检测技术与无功补偿测控方法的工作效果，从质量检测和无功补偿两方面设计实验。

3.1 质量检测效果

利用绿杨YB1639 信号发生仪提供被检测信号，检测实验环境如图3 所示。

图3 检测实验环境

根据图3 可知，内部使用了U-U 变换器和I-U变换器调节误差，同时使用CD4046、CD4040 和AD73360 组成采集电路，并通过模数转换电路确保采集电路内部A/D 转换器的工作精度。采样信号的频率为50 Hz，工作幅值为10 V，得到的实验结果如图4 所示。

图4 检测电压实验结果

根据图4 得到测量过程的误差可知，采样点共有100 个，采样过程受到DSP 自身条件的限制，因此得到的曲线并不是十分平滑，这也是该方法存在的缺陷，但是整个采样过程中连接液晶显示屏，能够直观地显示出采样值，更直观地向用户展示结果。由实验结果分析可知，当采样电压的平均测量值为4 800 V，标准值为4 780 V，根据相对误差的计算公式可知，测量误差为0.05 V，由于在实际工作过程中电压为220 V，该文的工作幅值为10 V，因此220 V电压下产生的相对误差为0.05/220=0.027 3%，对电能质量检测结果已经达到0.1 级标准，因此可以证明该文研究的基于DSP 的电能质量检测技术与无功补偿测控方法对电网内部有可能产生电压的信号检测能力也很好，确保了检测精度。在分析过程中，该文研究的方法还能够对含有高次谐波的信号进行FFT分析，有效满足现代化电网的精度要求。

3.2 无功补偿效果

为验证该文设计的无功补偿技术的实际应用能力，设计对比实验，与传统的SVC 无功补偿测控方法进行实验对比，实验电路模型如图5 所示。

图5 实验电路模型

电网的直流侧电容为2 000 μF，产生的电压为500 V，开关频率为5 kHz。补偿的电压-电流特性实验结果如图6 所示。

图6 补偿电压-电流特性实验结果

根据图6 可知，STATCOM 的补偿电流与电压呈现的区域为矩形区域，上下宽度相等，而传统的SVC无功补偿测控方法呈现三角形区域，证明随着电网电压的降低，补偿能力也随之降低。

造成这种现象的原因是该文研究的补偿方法应用STATCOM，在补偿过程中能够同时提供两种补偿，分别是感性补偿和容性补偿，系统电压无法影响STATCOM 的过载能力，同时STATCOM 可以实时分析电网内部的电压状况，并进行实时调节，控制输出电压幅值和相位，确保提供的无功补偿电流和电压的最大值能够保持不变。传统的SVC 补偿方法在补偿过程中会受到阻抗特性限制，一旦电网电压降低，SVC 虽然也能够提供无功补偿，但是提供的补偿最大电流值也随之降低，补偿效果难以达到要求。

4 结束语

该文利用DSP 研究了一种电能质量检测技术与无功补偿测控方法。利用快速傅里叶变换和瞬时无功功率分析实现质量检测，应用STATCOM 完成无功补偿，该文研究的方法利用DSP 提高了FFT 计算的工作效率，确保在检测过程中通过单指令周期就能够完成一次运算，检测和补偿满足实时性要求。该文研究的检测方法在传递过程中，需要将各项参数反馈给上位机，由上位机完成处理工作，但是该文对于上位机的处理和传输工作研究较少，未来需要进一步深入研究。