諧波條件下新型數(shù)字電能計量裝置的研制

武奕彤

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，電力電子設(shè)備等非線性負荷大量接入電網(wǎng)，向電網(wǎng)注入大量諧波。目前現(xiàn)場使用的普通電能表僅能計量正向和逆向總電能，在諧波條件下存在明顯問題：線性負荷的基波和諧波功率潮流一致時，普通電能表計量電能大于基波電能，線性負荷被迫吸收無用甚至有害諧波電能，對自身運行造成危害，還要為諧波電能支付電費；而非線性負荷的基波和諧波功率潮流方向相反時，普通電能表計量的總電能小于基波電能，非線性負荷在向電網(wǎng)注入諧波的同時卻少支付一部分電費［1-4］。為電網(wǎng)諧波治理提供有力依據(jù)和保證電費收繳公平性，需分別計量負荷的基波和諧波電能。

針對普通電能表全能量計量方式在諧波條件下計量不合理的問題，采用自適應(yīng)陷波濾波器（Adaptive Notch Filter，ANF）和瞬時功率理論結(jié)合算法［4］，研制了一種諧波條件下新型電能計量裝置，能夠分別準(zhǔn)確計量基波和各次諧波有功功率，克服了目前常用的基于快速傅立葉變換（FFT）的諧波電表在電網(wǎng)頻率波動時計量誤差大、算法復(fù)雜的缺點［5］。

1 諧波條件下電網(wǎng)潮流分析

圖1 為電網(wǎng)簡化模型，u（t）為無畸變的正弦電壓源，ZS為線路阻抗，ZL為線性負荷，ZN為非線性負荷，實心、空心箭頭分別代表基波功率潮流方向和諧波功率潮流方向。

圖1 電網(wǎng)簡化模型

根據(jù)功率守恒得：

式中：PU為電源發(fā)出的功率；PZS為線路吸收的功率；PZL為線性負荷吸收的功率；PZN為非線性負荷吸收的功率。

式中：下標(biāo)“1”表示基波功率；下標(biāo)“h”表示諧波功率。

根據(jù)基波和諧波功率各自守恒得：

相同頻率的電壓電流產(chǎn)生有功功率，u（t）是標(biāo)準(zhǔn)的正弦電壓，式（4）中PUh=0，PZSh＞0，PZLh＞0。由式（4）得：PZNh=-（PZSh-PZLh）＜0。

現(xiàn)行的普通電能表采用全能量計量方式，即計量基波功率和諧波功率的代數(shù)和。線性負荷被迫吸收諧波功率，危害自身同時多支出電費；非線性負荷污染電網(wǎng)，少支付電費。保證電能計量準(zhǔn)確性和供用電公平性的根本途徑是分別計量負荷的基波和各次諧波電能［1-6］。

2 ANF 和單相瞬時功率理論結(jié)合算法

2.1 單相瞬時功率理論

諧波條件下電網(wǎng)電壓和電流均含有基波和諧波分量，根據(jù)單相瞬時功率理論［7］，已知電壓、電流i（m≥1）次諧波分量um、im及其正交分量值，則m 次諧波有功功率Pm為

2.2 基于ANF 的基波和各次諧波提取

ANF 的數(shù)學(xué)表達式為

當(dāng)式（6）中u（t）中為含有基波和各次諧波分量的單相電壓信號時，即：，式（6）求解得：

可見ANF 可以提取出u（t）的m 次諧波分量及其正交分量。通過m 取不同值時的多個ANF，就可以提取出u（t）含有的基波和各次諧波分量以及各分量的正交分量，原理如圖2 所示［4］。

圖2 ANF 提取各次基諧波分量及其正交分量原理

2.3 單相有功功率計量

采用ANF 分別提取出單相電壓、電流信號各自含有的基波和各次諧波分量以及各分量的正交分量，結(jié)合單相瞬時功率理論可以分別計量基波和各次諧波有功功率，如圖3 所示［4］。

圖3 基于ANF 的單相有功功率計量

3 新型數(shù)字電能計量裝置軟硬件設(shè)計

新型數(shù)字電能計量裝置的結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要由信號采集單元、數(shù)據(jù)處理單元以及顯示、存儲、通信、功能選擇等用于人機交互外圍模塊組成。

圖4 新型數(shù)字電能計量裝置結(jié)構(gòu)

3.1 信號采集單元

信號采集單元包括電壓、電流采樣電路，信號調(diào)理電路。電網(wǎng)電壓、電流分別經(jīng)過由電壓傳感器、電流傳感器與取樣電阻組成的采樣電路進行信號取樣后，變?yōu)檫m合后級電路的小電壓信號，實現(xiàn)強電到弱電的轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)處理單元的A／D 允許輸入電壓信號為0～3.0 V 的單極性信號，電壓、電流采樣電路輸出的信號均為交流信號且峰—峰值大于3.0 V，要對這些信號進行比例變換和電壓提升后方可送入A/D 進行采樣。圖5 所示為信號調(diào)理電路，前級運放構(gòu)成比例變換電路，將輸入信號的峰—峰值，調(diào)整到3.0 V 以下，后級運放構(gòu)成加法電路，將前級運放輸出的信號提升1.5 V，使輸出信號變?yōu)閱螛O性信號。完成信號轉(zhuǎn)換后，各通道電壓和電流信號經(jīng)過RC 低通濾波器濾除高頻干擾后，輸入到A／D 中。為防止因干擾使信號超出測量范圍，在采樣電路的輸出端加入由2 個低導(dǎo)通壓降二極管組成的限壓保護電路，限制A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。

圖5 信號調(diào)理電路

3.2 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元主要負責(zé)采集信號、數(shù)據(jù)的計算分析。本裝置選用TMS320F28335 數(shù)字信號處理器（DSP）。TMS320F28335 是一款高性能浮點型數(shù)字信號處理器，最高時鐘頻率150 MHz，集成浮點運算單元，可以直接處理浮點型數(shù)據(jù)，具有較高的數(shù)據(jù)處理能力，有利于復(fù)雜算法的軟件實現(xiàn)。

DSP 對片內(nèi)A／D 轉(zhuǎn)換器采集到的數(shù)據(jù)進行運算處理，將處理后的結(jié)果保存到擴展的存儲器中，方便隨時查詢。此外，DSP 還將數(shù)據(jù)傳送給顯示模塊，通過功能按鍵進行顯示切換和參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)人機交互。

3.3 系統(tǒng)軟件編程

本裝置的軟件設(shè)計包括DSP 程序設(shè)計和顯示屏界面設(shè)計。DSP 對信號采集單元的電壓、電流信號進行A/D 轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過算法程序處理后，將結(jié)果通過串口通信子程序發(fā)送給顯示屏。DSP 程序主要由主程序和定時器中斷子程序兩部分組成。主程序主要包括DSP 初始化、液晶屏初始化、A/D 初始化等。

定時器中斷子程序是軟件設(shè)計的核心，采用ANF 和單相瞬時功率結(jié)合算法，對電網(wǎng)電壓、電流數(shù)據(jù)進行處理。ANF 算法需要進行定時長采樣，故DSP 的A/D 被配置為定時器中斷內(nèi)軟件觸發(fā)方式，以獲得精確的轉(zhuǎn)換間隔，定時器中斷子程序流程如圖6 所示。電壓、電流采集信號A／D 轉(zhuǎn)換完成后，采用ANF 從A／D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)中提取電壓、電流基波與各次諧波分量及其正交分量［6］，然后通過單相瞬時功率理論對基波和各次諧波的有功功率進行計算［4，7］。

圖6 定時器中斷子程序流程

4 實驗研究

采用AE 型繼電保護測試儀產(chǎn)生電壓、電流信號。

分別針對電壓、電流基波頻率為50 Hz 和53 Hz情況，使用新型數(shù)字電能計量裝置計量繼電保護測試儀輸出的有功功率。

電壓、電流基波頻率f 為50 Hz 時，有功功率計量結(jié)果如表1 所示?？梢钥闯觯兄频碾娔苡嬃垦b置可以分別高精度計量基波和各次諧波有功功率。

表2 為電壓、電流基波頻率由50 Hz 變?yōu)?3 Hz后的基波和各次諧波有功功率計量結(jié)果?？梢钥闯觯?dāng)頻率變化時，研制的電能計量裝置計量相對誤差仍小于1%，仍能準(zhǔn)確計量基波和各次諧波有功功率。

表1 有功功率計量仿真結(jié)果（電壓頻率為50 Hz）

表2 有功功率計量仿真結(jié)果（電壓頻率為53 Hz）

5 結(jié)語

研制的諧波條件下新型數(shù)字電能計量裝置基于TMS320F28335 浮點數(shù)字信號處理器的強大運算能力，通過ANF 與瞬時功率理論結(jié)合算法，實現(xiàn)基波和各次諧波有功功率分別準(zhǔn)確計量。同時在電壓電流頻率變化時，計量相對誤差仍小于1%。該裝置在電氣測量及儀器儀表領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。