基于帶預測算子TTA算法的電能質(zhì)量檢測及其治理研究

沈文杰,胡 韻

(1.洛陽理工學院 電氣工程與自動化學院，河南 洛陽 471023；2.西藏民族大學 信息工程學院，陜西 咸陽 712082 )

基于帶預測算子TTA算法的電能質(zhì)量檢測及其治理研究

沈文杰1,胡 韻2

(1.洛陽理工學院 電氣工程與自動化學院，河南 洛陽 471023；2.西藏民族大學 信息工程學院，陜西 咸陽 712082 )

為了應對非線性負載對電網(wǎng)電力系統(tǒng)的污染和電能浪費，保障現(xiàn)代生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)可靠運行。本文通過對電能質(zhì)量特征量檢測方法的分析，提出了一種帶預測算子TTA算法的電流檢測方法，闡明了使用該方法的電能治理系統(tǒng)的原理和實施方案。經(jīng)過工程實例生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)檢測，證明用基于帶預測算子TTA算法電能質(zhì)量檢測和治理，可以很好地補償電網(wǎng)諧波、無功和不平衡電流,改善電能質(zhì)量和節(jié)約電能。

預測算子；TTA算法；電能質(zhì)量;諧波治理

隨著我國工業(yè)自動化控制技術(shù)的進步，各種工業(yè)電器設(shè)備的控制向智能型控制器方向發(fā)展，計算機集中控制、DCS控制系統(tǒng)在工礦企業(yè)的生產(chǎn)中運用的十分廣泛，對供電質(zhì)量及供電可靠性的要求也越來越高，電能質(zhì)量受到人們的日益重視。然而，工礦企業(yè)生產(chǎn)中大量使用的變頻調(diào)速裝置、開關(guān)電源、電弧爐、感應加熱電源等用電負載大都是非線性負載，都是諧波源或生成額外的電壓或者電流，造成低壓電力系統(tǒng)奇次諧波污染嚴重，線路負載的不均衡性以及負載的開停不規(guī)律性等因素又會造成三相交流負載不均衡，致使低壓電力系統(tǒng)的波形畸變、諧波成分增加，引起企業(yè)用電系統(tǒng)的中性線過載、保護裝置的誤跳閘、程控交換設(shè)備的故障率增高、控制系統(tǒng)的頻繁損壞、磁盤矩陣損壞、重要數(shù)據(jù)丟失等事故現(xiàn)象發(fā)生。由于電能質(zhì)量管理政策的缺位，企業(yè)自身缺乏相應的管理手段和技術(shù)手段又使得事故原因很難排查，輕者干擾設(shè)備正常運行，重者致使大型生產(chǎn)線、通信系統(tǒng)運行癱瘓，造成嚴重經(jīng)濟損失。

1 電能質(zhì)量特征量檢測方法的分析

電能質(zhì)量一般是指電壓或電流的幅值、頻率、波形、三相電壓不平衡、電壓諧波總畸變率、電壓波動等40多項指標[1-2]，根據(jù)國際電工委員會(IEC)的有關(guān)標準，諧波、電壓跌落[3]、浪涌和瞬時供電中斷[4]等都被作為衡量電能質(zhì)量的重要指標。諧波是瞬流的一種主要表現(xiàn)形式，同樣是交流正弦波電路上電流與電壓的一種瞬時態(tài)的畸變，這類電能質(zhì)量問題持續(xù)時間很短、變化很快，并且還伴隨著部分甚至全部有功功率損失等動態(tài)電能質(zhì)量問題[5]。在國家大力實施節(jié)能減排政策的框架下，強化電能質(zhì)量治理減少有功功率損失就顯得愈加重要。然而，由于用戶用電對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響情況的多樣性，所以準確、快速檢測電能質(zhì)量并有效治理就成為一個比較復雜的課題，目前國內(nèi)外提出的檢測電能質(zhì)量主要算法有：傅里葉變換[6]、小波變換[7]、dq 變換[8]和 S 變換[9]等。傅里葉變換適合分析平穩(wěn)信號，但因為有頻譜泄漏和柵欄現(xiàn)象等缺陷，而不適合分析電能質(zhì)量擾動等非平穩(wěn)信號。小波變換是一種時頻分析方法[10]，因其具有良好的時域、頻域局部化特性，適合于分析暫態(tài)、突變信號，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。但其受噪聲影響較大，不易用于實踐，對低頻擾動檢測和定位效果不好，且小波變換多尺度判斷的結(jié)果可能相互矛盾[11]。S 變換的分類特征量都是從 S 變換的結(jié)果矩陣中提取出來，雖然提取的特征量不盡相同，但均有明確的物理意義，主要反映信號基波幅值變化幅度、持續(xù)時間和頻譜構(gòu)成等。

2 帶預測算子TTA算法的電流檢測方法

由于很多情況下負載電流變化較快且較頻繁，如果補償指令與實際電流間存在較大的延時，采用間接法得到的指令電流信號中存在較大的基波，如基波正序有功分量、基波正序無功分量、基波負序有功分量和基波負序無功分量等，導致補償系統(tǒng)發(fā)出或吸收有功電流，從而需要加大補償系統(tǒng)的容量；而采用直接法得到的指令信號就會存在幅值上的差異，導致諧波補償不完全，降低了補償系統(tǒng)的補償性能。為了解決上述問題，本文所研究的是采用基于時域變換的電流檢測算法(Time-domain based Transform Algorithm，TTA)，并把TTA算法與預測算子很好地組合在一起。

圖1 預測算子的運算框圖

預測算子如圖1所示。

(1)

其中：式中m為當前工頻周期；m-1為前一個工頻周期；n為當前采樣點；N為單周期采樣點數(shù)。

用上一周期的采樣數(shù)據(jù)計算出其中的基波或指定次諧波分量，然后再乘以Kp(n)，就可以得到當前負載電流中的基波或諧波電流的值，由此得到的補償指令幾乎可以實時地反映出負載的變化，延時很小(最大一個采樣周期的延時)。

TTA 算法與預測算子組合在一起就可以得到一種靈活的、適合對快速變化負載進行補償?shù)碾娏鳈z測方法，其算法原理框圖如圖2所示。

圖2 帶預測性能的TTA算法框圖

采用帶預測算子的電流檢測方法可以使補償指令快速地跟蹤負載電流的變化，補償后的網(wǎng)側(cè)電流能快速跟蹤負載電流的變化，延時非常小(μs級)，從而大大提高系統(tǒng)補償?shù)膭討B(tài)性能。

3 電能質(zhì)量治理及安裝

以帶預測算子TTA 算法的諾電霸或FullcosPower為電能質(zhì)量治理系統(tǒng)核心。該系統(tǒng)采用TI德州儀器公司2000系列處理器核的DSP，內(nèi)部帶有ROM、FLASH、大容量的RAM和豐富的外部接口和編程簡單的高速運算的數(shù)字信號處理器浮點芯片TMS320F28335 以及專用的高速AD采樣芯片，結(jié)合控制數(shù)字運算板，將電源分解成了基波正序有功分量、基波正序無功分量、基波負序有功分量、基波負序無功分量、諧波負序分量和諧波正序分量，對諧波、無功和負序快速計算同時進行補償；采用時分割乘法器技術(shù)，將0.05% 級精度的時分割乘法器和0.01級精度的U/f 轉(zhuǎn)換器集成于一體的ATT7022 基波諧波三相電能專用計量芯片，實現(xiàn)對電網(wǎng)及用能設(shè)備進行電壓、電流、能源和品質(zhì)因數(shù)等實時動態(tài)監(jiān)控，以滿足不同的補償功能；通過對系統(tǒng)輸出電壓相位的控制，對電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實施靈活、快速的控制，從感性到容性的整個范圍進行連續(xù)的無功調(diào)節(jié)，達到快速補償系統(tǒng)對無功功率的需求，從而抑制電壓波動并增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。適時調(diào)節(jié)設(shè)備的能源利用使設(shè)備能源利用率達到最佳狀態(tài)，運算速度可達微秒級，計量精度達到了0.1 S等級，全部運算功能完全由硬件電路實現(xiàn)，具有極高的可靠性和優(yōu)異的抗電磁干擾能力。測量帶寬達到20倍過載，可監(jiān)測和顯示節(jié)能設(shè)備投入運行前后的有功電量和無功電量。數(shù)據(jù)通信完全符合各種通信規(guī)約的要求，最大限度地滿足了電力企業(yè)對現(xiàn)場復雜、多變及多諧波等非線性電能信號實時精確計量的要求，且計量具有斷電數(shù)據(jù)記憶功能、掉電時自動保存電量計量等所有信息。

實際應用中根據(jù)供配電網(wǎng)供電電能質(zhì)量受到污染情況，同一供配電網(wǎng)上的其他敏感負載工作受到影響狀況，以及本身電網(wǎng)的功率因數(shù)的高低，諧波含量的大小，存在三相電流不平衡現(xiàn)象狀態(tài)，分3種情況進行安裝和治理。

方案1 針對整個配電網(wǎng)進行綜合治理，采用無功補償?shù)闹Z電霸和FullcosPower混合使用，以綜合解決三相電流不平衡、功率因數(shù)及諧波對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。安裝示意圖如圖3所示。

圖3 綜合補償方案安裝示意圖

方案2 針對供電電網(wǎng)中有嚴重非線性負載的支路進行集中治理。如某一負荷開關(guān)下裝有多個非線性負載，如各種單相、三相焊裝設(shè)備等，為了解決這一支路的電能質(zhì)量污染問題，可加裝一定容量的FullcosPower解決此支路的電能質(zhì)量污染問題。安裝示意圖如圖4所示。

圖4 集中補償方案安裝示意圖

方案3 針對大功率的晶閘管電源、大功率的電弧設(shè)備及大功率的UPS 電源等一類的非線性負載，可以單獨治理，又稱就地治理。安裝示意圖如圖5所示。

圖5 就地補償方案安裝示意圖

方案3是解決電能質(zhì)量污染的最佳方案， FullcosPower裝置就安裝在這類設(shè)備的附近，對非線性負載等造成的電能質(zhì)量污染問題就地治理，可有效降低線路損耗。

4 工程應用實例

圖6 設(shè)備安裝示意圖

某蓄電池公司的供電網(wǎng)絡(luò)中有各種充放電設(shè)備,這些設(shè)備是典型的非線性負載,導致供電系統(tǒng)存在功率因數(shù)偏低以及電流諧波含量大等電能質(zhì)量問題,供電電源受到嚴重污染。從現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)說明,該支路的功率因數(shù)只有0.7左右;電流的總諧波畸變率高達34%,主要存在5、7、11、13、17和19次等特征次諧波。其中5次電流諧波為114.1 A,7次電流諧波為39.5 A(以A相為例)。由于電流諧波的嚴重畸變,給電網(wǎng)電壓造成了影響,使電網(wǎng)電壓的總諧波畸變率也超出了國家標準。對測試數(shù)據(jù)進行分析后,選擇方案1用Nobipower對1#和2#變壓器配電系統(tǒng)進行集中諧波治理。設(shè)備安裝示意圖如圖6所示。

以觀測點1諧波治理的效果為例,諾電霸設(shè)備投入后對治理該支路供電電源中的諧波有著明顯的作用,使流入電網(wǎng)的電流波形得到明顯改善,電源電流的總諧波畸變率由原來的34%下降到3.1%,下降率達91%。其中各次諧波電流相對于基波電流的百分比均在1.90%以下,5次諧波電流由補償前的114.1 A下降到6.6 A;7次諧波電流由補償前的39.5 A下降到4.5 A;11次諧波電流由補償前的16 A下降到2.5 A;13次諧波電流由補償前的3.3 A下降到0.7 A。補償前后各次諧波的數(shù)據(jù)和波形對比如圖7、圖8所示。

圖7 補償前后各次諧波電流柱狀圖 圖8 補償前后電源電壓、電流波形對照

5 結(jié) 語

從本文的應用實例可以看出, 隨著電力電子設(shè)備及非線性、沖擊性設(shè)備的廣泛應用,電網(wǎng)的諧波污染問題越來越嚴重,必須采取有效措施來改善電能質(zhì)量。用基于帶預測算子TTA算法的電流檢測方法諾電霸Nobipower來檢測和治理電能質(zhì)量，不僅能夠很好地補償電網(wǎng)諧波、無功和不平衡電流,改善電能質(zhì)量，而且還可以充分提高功率因數(shù)達到節(jié)約能源的目的。

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Study on Power Quality Detecting and Control Based on TTA Algorithm with Prediction Operator

SHEN Wenjie1, HU Yun2

(1.Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471003, China；2.Xizang Minzu University, Xianyang 712082, China)

In order to deal with power system pollution and energy waste by nonlinear load, and to ensure the reliable operation of modern production automation control system, a current detecting method based on TTA algorithm with prediction operator is proposed by analyzing the detection method on power quality feature. The principle and implementation scheme of the electric energy management system using this method are clarified. According to the on-site data from engineering example, it is proved that the method based on TTA algorithm with prediction operator can compensate the harmonics of power grid, reactive and unbalanced current, improve power quality and save energy.

prediction operator; TTA algorithm; power quality; harmonic treatment

2016-12-02

沈文杰(1964-)，男，河南洛陽人，碩士，教授，主要從事電氣工程技術(shù)方面的教學和研究工作.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.01.017

TP273

A

1674-5403(2017)01-0062-04