非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置的研制及應(yīng)用

李 軒，夏小晴

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司培訓(xùn)中心，呼和浩特 010010）

0 引言

近年來，電力電子裝置類家用電器和電動汽車充電機負荷在用電總負荷中的占比逐年攀升，因此，開展非線性負荷諧波發(fā)射水平評估、非線性負荷高精度諧波檢測技術(shù)研究，對治理諧波污染，提升電力系統(tǒng)運行安全可靠性具有重要意義[1-6]。

目前，針對非線性負荷諧波特性及檢測計量的研究仍處在探索階段，不同類型非線性負荷的諧波評估方法各具特點，尚無一種通用的模型用于建模與分析。現(xiàn)階段諧波計量方法存在頻譜泄漏、計算量大、實時性差、噪聲敏感等缺點，本文基于非線性負荷電氣特性與諧波源特性，搭建了非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置總體架構(gòu)，設(shè)計了非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置。測試結(jié)果表明，該非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置可實現(xiàn)高精度計量和電能質(zhì)量監(jiān)測，具備對電壓暫態(tài)事件進行錄波和分析的功能。

1 非線性負荷諧波評估技術(shù)路線

針對電力系統(tǒng)非線性負荷種類復(fù)雜多樣，諧波源特性無法使用通用模型進行描述的問題，本文按照傳統(tǒng)大型工業(yè)非線性負荷、居民家用電器負荷以及電動汽車充電站非線性負荷進行分類，針對性地提出了非線性負荷諧波評估技術(shù)路線。

（1）針對傳統(tǒng)大型工業(yè)非線性負荷，在理想諧波含有率與整流裝置應(yīng)用場景的基礎(chǔ)上，提出按工程經(jīng)驗進行修正的方法。

（2）針對居民家用電器負荷，在對家用電器進行分類的基礎(chǔ)上，提出基于遞推偏最小二乘的動態(tài)自適應(yīng)諧波建模方法。

（3）針對電動汽車充電站非線性負荷，考慮到多臺充電機組成的諧波源組合難以獲得數(shù)學(xué)模型，提出基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波建模方法[7-12]。

2 非線性負荷高精度諧波計量檢測方法

2.1 測量原理

在實際的電力系統(tǒng)諧波分析中，由于基波頻率和幅值的波動，電力系統(tǒng)信號為非穩(wěn)態(tài)信號，難以通過同步采樣方式實現(xiàn)諧波的檢測[13-14]。利用加窗插值快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）算法雖然可以在非同步采樣情況下提高測量準確度，但該方法對頻率分辨率有較高的要求，需要較長的采樣序列。這種算法會增加計算量，降低測量效率，更為嚴重的是，較長的采樣序列降低了加窗插值FFT算法的動態(tài)響應(yīng)速度，使其無法及時檢測出信號中基波頻率等參數(shù)的變化。準同步采樣方法是在非同步采樣情況下，利用插值方法調(diào)整采樣序列，使得調(diào)整后的采樣序列近似于同步采樣情況下獲得的采樣序列，從而減小離散傅立葉變換（DFT）的頻譜泄漏。針對電力系統(tǒng)信號的基波頻率具有波動范圍較小（通常在49.8~50.2 Hz）、波動速度較慢的特點，本文提出了基于準同步采樣的諧波計量檢測方法，算法流程如圖1所示。

圖1 基于準同步采樣的諧波計量檢測算法流程Fig.1 Flow chart of harmonic metering and detection algorithm based on quasi-synchronous

2.2 基于準同步采樣的諧波計量檢測算法

同步采樣要求在N個采樣序列中正好包含信號的整數(shù)個周期（T0），即滿足：

式中：Ts為采樣周期；Z為某一個整數(shù)。對于非同步采樣，顯然Z不為整數(shù)，為使Z仍能取到整數(shù)且使等式（1）成立，可調(diào)整Ts，設(shè)調(diào)整后采樣周期λs（準采樣周期）滿足：

式中：L為Z個周期中所包含的非同步采樣點的個數(shù)。根據(jù)式（2）計算出準采樣周期λs，并對L個非同步采樣點進行間距為λs的等間隔插值運算，獲得一組長為L的新采樣序列Lλs；由于這組序列正好包含Z個周期，因此將序列Lλs稱為準同步采樣序列，顯然對該序列進行DFT，理論上不會產(chǎn)生頻譜泄漏，可以通過DFT結(jié)果獲得準確的諧波參數(shù)。

由式（2）可知，為計算出準采樣周期λs，必須先獲得信號的周期T0（對于諧波信號，則為信號基波周期）。對于實際的電力系統(tǒng)信號，信號中不可避免地存在間諧波和噪聲等干擾，在將采樣序列進行準同步化之前，需要對信號進行帶通濾波等預(yù)處理。

基于準同步采樣的諧波計量檢測算法的實現(xiàn)過程可如下。

（1）在滿足奈奎斯特采樣定理的情況下，以固定采樣頻率對電力系統(tǒng)信號進行等間隔采樣。

（2）對采樣序列進行帶通濾波，帶通濾波器的中心頻率為50 Hz（對于50 Hz的電力系統(tǒng)），只保留基波信息，濾除其他頻率分量。

（3）對濾波信號進行插值運算，計算出信號基波的周期。

（4）根據(jù)基波周期的計算值，由步驟（2）計算出準采樣周期τs；以τs為間距，對原采樣序列進行等間隔插值運算，獲得準同步采樣序列。

（5）對準同步采樣序列進行DFT或FFT運算。

（6）由DFT或FFT的結(jié)果計算出基波和諧波的參數(shù)。

3 非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置總體設(shè)計

3.1 總體方案

非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置采用“計量芯+ARM”模塊化設(shè)計方案，主要包括系統(tǒng)電源模塊、計量芯模塊、管理芯模塊以及計量芯與管理芯接口四部分[15]，其總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of on?site wave recording and metering device for nonlinear load

3.1.1 計量芯

計量芯采用銳能微科技有限公司三相系統(tǒng)級芯片（SOC）平臺RN2026，處理器內(nèi)核ARMcortex-M0+，在外置32 768 Hz晶體情況下，系統(tǒng)最高主頻為32.768 MHz，最大支持256kByte的程序空間，48 kByte RAM；時鐘域獨立供電，典型功耗1.5μA；4路復(fù)用的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC），外加8路復(fù)用的GP-ADC（可用于時鐘電池電壓檢測及端子排溫度測量）；5路串行外設(shè)接口（SPI）（4路主從模式，1路從模式），其中計量芯與管理芯需要兩路SPI，外部存儲器閃存需要一路SPI接口。計量芯硬件組成見圖3所示。

圖3 計量芯硬件組成Fig.3 Hardware composition of metering core

3.1.2 管理芯

為了方便進行法制計量與非法制部分型式評價階段的功能審查，管理芯也采用模塊化設(shè)計方案，基本架構(gòu)見圖4。

圖4 管理芯基本架構(gòu)Fig.4 Basic architecture of management core

管理芯承擔非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置的費控、對外通信、事件記錄、數(shù)據(jù)凍結(jié)、負荷識別、電能質(zhì)量管理等任務(wù)[16]，支持軟件升級。管理芯與外部通信單元之間通過UART接口進行數(shù)據(jù)交互；計量芯的采樣原始數(shù)據(jù)通過SPI總線傳輸給管理芯，用于負荷識別、電能質(zhì)量管理等高級應(yīng)用；計量芯的非采樣原始數(shù)據(jù)則通過UART接口與管理芯進行數(shù)據(jù)交互。管理芯的電量、時鐘數(shù)據(jù)以計量芯為基準實時同步。管理芯內(nèi)嵌的安全模塊采用加密保護方式進行身份認證、對傳輸數(shù)據(jù)進行加密保護和MAC認證，做到數(shù)據(jù)機密性和完整性保護，有效防止非法操作。

管理芯選用STM32L471VG平臺，處理器的內(nèi)核為ARMcortex-M4，最高主頻為80 MHz，最大可支持1 MByte的程序空間，128 kByte RAM；6路UART接口,最大速率超過200 kByte/s；4路SPI接口，最高速率同系統(tǒng)主頻；最大可支持81路GPIO，芯片封裝LQFP100。

3.2 規(guī)格及性能指標

非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置基本參數(shù)如表1所示。

表1 非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters

4 非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置現(xiàn)場試掛

非線性負荷錄波裝置現(xiàn)場試掛前，在智能電能表動態(tài)誤差測試裝置上按照IR46標準進行了全面性能測試[7-8]，測試結(jié)果表明，該非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置具有以下功能特點。

（1）可實現(xiàn)IR46標準測試項目的誤差測試和準確計量。

（2）可實現(xiàn)對非線性負荷電能質(zhì)量的實時監(jiān)測與暫態(tài)事件異常錄波。

（3）能夠?qū)崟r監(jiān)測和檢測動態(tài)負荷變化，可實現(xiàn)對穩(wěn)態(tài)功率電能方式、激勵動態(tài)負荷模式（OOK調(diào)制）、功率慢速隨機波動方式（短M序列）、快速隨機波動方式（長M序列）四種負荷波動方式的準確計量，為現(xiàn)場應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

為測試非線性負荷現(xiàn)場錄波裝置現(xiàn)場實際運行情況，選取某市電動汽車充電站開展了現(xiàn)場試運行工作，對充電樁非線性負荷進行現(xiàn)場錄波，驗證裝置對電能質(zhì)量的監(jiān)測功能。該試點充電樁由4臺最大電流為32 A的220 V、7 kW交流掛壁式充電樁組成，并接入一個配電柜，配電柜內(nèi)安裝一塊三相四線制電能表（用于充電樁的用電計量和計費），本次試掛時將原有的三相表換成了本文開發(fā)的非線性負荷現(xiàn)場錄波及計量裝置。

安裝在充電樁現(xiàn)場的非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置，通過RS485總線接口與PC機上的上位機進行通信抄讀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)抄讀和測試結(jié)果截圖見圖5—圖14。該裝置在現(xiàn)場試運行2個多月，設(shè)備運行穩(wěn)定，抄讀成功率達100%；數(shù)據(jù)召測和非線性負荷諧波、電壓暫態(tài)事件現(xiàn)場錄波等電能質(zhì)量監(jiān)測功能測試全部成功；可以進行非線性負荷用電設(shè)備的現(xiàn)場錄波和電能質(zhì)量的監(jiān)測分析，以及高精度的非線性負荷計量，能進一步提高電網(wǎng)的非線性負荷計量精度和對電能質(zhì)量的監(jiān)測和評估，具有較高的實用性。

圖5 電壓中斷事件錄波波Fig.5 Voltage interruption event wave recording

圖6 電壓暫降事件錄波波形Fig.6 Waveform of voltage sag event recording

圖7 電壓暫升事件錄波波形Fig.7 Waveform of voltage swell event recording

圖8 電壓諧波含有率測試結(jié)果Fig.8 Test results of voltage harmonic content rate

圖9 電流諧波含有率測試結(jié)果Fig.9 Test results of current harmonic content rate

圖10 電壓間諧波含有率測試結(jié)果Fig.10 Test results of inter?voltage harmonic content rate

圖11 電流間諧波含有率測試結(jié)果Fig.11 Test results of inter?current harmonic content rate

圖12 電壓波動測試結(jié)果Fig.12 Voltage fluctuation test results

圖13 電壓閃變測試Fig.13 Voltage flicker test results

圖14 其他電能質(zhì)量參數(shù)測試Fig.14 Test results of other power quality parameters

5 結(jié)束語

本文開發(fā)的非線性負荷現(xiàn)場錄波計量裝置融合了非線性動態(tài)負荷準確計量、暫態(tài)事件異常錄波及電能質(zhì)量實時監(jiān)測等多項前沿技術(shù)，可以滿足新一代IR46測試標準，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)負荷的準確計量和溯源、暫態(tài)事件錄波、諧波監(jiān)測計量、諧波超限事件與電能質(zhì)量監(jiān)測等功能，可為非線性負荷的精準計量提供必要的技術(shù)支撐。