公用臺區(qū)下5G基站諧波在線檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

趙 歡，黃懷東，李振琦

（深圳供電局有限公司深汕特別合作區(qū)供電局，廣東 深圳 518031）

0 引言

隨著5G 技術(shù)的發(fā)展及普及，5G 基站也隨之增多，由于5G 基站采用大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù)，造成5G 基站耗電量約為4G 基站的3 倍以上，布設(shè)點比4G 基站更為密集、數(shù)量更多，更加靠近居民區(qū)和大型商業(yè)體。因為新建成本或其它因素?zé)o法通過電網(wǎng)公司直接供電，而會采取使用相鄰公用臺區(qū)的配電設(shè)施為5G 基站供電，這樣導(dǎo)致越來越多的5G 基站安裝在公用臺區(qū)下。5G 基站內(nèi)的用電設(shè)備多為非線性設(shè)備，特別是開關(guān)電源、空調(diào)等會引起諧波污染問題，對公用臺區(qū)的變壓器、其他用戶的用電安全構(gòu)成威脅。一方面，這些非線性負載會將一部分基波功率轉(zhuǎn)化為諧波功率，此時非線性負載變成一個諧波源，向臺區(qū)輸送有害的諧波有功功率，電能表計量時會用基波電能減去輸送到臺區(qū)的有害諧波電能，使這些非線性負載用戶少交電費，造成供電企業(yè)線損增加，經(jīng)濟效益受到嚴重損害；另一方面，諧波電流增大，特別是3 次及其倍數(shù)諧波會侵入變壓器的中性線，會使線路過熱引發(fā)變壓器損壞或者著火，也可能引起臺區(qū)內(nèi)的保護及自動裝置產(chǎn)生誤動或拒動，造成大面積停電、臺區(qū)電網(wǎng)崩潰等事故，影響臺區(qū)電力運行安全。

圖1 諧波在線檢測系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle block diagram of harmonic online detection system

本文設(shè)計和實現(xiàn)了一種公用臺區(qū)下5G 基站的諧波在線檢測系統(tǒng)，主要監(jiān)測基站產(chǎn)生的諧波電壓、電流的諧波含有率、諧波功率，并依據(jù)國標(biāo)給出諧波要求限的基準(zhǔn)波形，自動識別超限的諧波次數(shù)并進行預(yù)警，為治理5G 基站對公用臺區(qū)電能質(zhì)量污染治理及降低臺區(qū)線損提供數(shù)據(jù)支撐。本設(shè)計具有結(jié)構(gòu)小巧，便于安裝、抗干擾能力強等特點。

1 公用臺區(qū)下5G基站諧波在線檢測系統(tǒng)設(shè)計

公用臺區(qū)下5G 基站諧波在線檢測系統(tǒng)由諧波檢測裝置和PDA 移動終端組成。檢測裝置安裝在5G 基站電量計量裝置處，在線實時檢測電壓（3 路）、電流（4 路）、頻率、相位，電壓電流諧波含有率、基波功率、諧波功率，并對檢測數(shù)據(jù)進行存儲。PDA 移動終端安裝APP 軟件，利用藍牙查驗檢測裝置安裝及測試是否正確，利用4G 通信模塊上傳并顯示檢測裝置存儲的數(shù)據(jù)。APP 軟件對讀取的存儲數(shù)據(jù)進行處理，分析諧波數(shù)據(jù)，自動識別超限的諧波次數(shù)并進行預(yù)警；分析基波功率與諧波功率數(shù)據(jù)，判斷基波功率與諧波功率方向的異同，估計諧波對臺區(qū)線損的影響。

1.1 諧波檢測裝置硬件設(shè)計

考慮諧波檢測裝置可能安裝在計量箱內(nèi)，體積應(yīng)小巧，需要長時間測量，兼顧裝置電路的抗干擾設(shè)計考慮，將測量和通訊電路分開設(shè)計。另考慮需長時間測量，采取測量電壓與取電一體化設(shè)計。諧波檢測裝置由測量板和通信板組成，采用兩個處理器模式，測量MCU 和通信MCU，測量MCU 主要負責(zé)對三相電壓、電流的采樣和計算，通信MCU 主要負責(zé)數(shù)據(jù)的處理和通信，測量MCU 與通信MCU采用SPI+SYNC+INT 通信模式，SPI 用于諧波檢測裝置數(shù)據(jù)采集，SYNC 用于測量同步，INT 用于下板測量參數(shù)初始化?；窘Y(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 諧波檢測裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of harmonic detection device

測量板包括取樣放大電路、濾波電路、電源模塊及轉(zhuǎn)換電路和MCU 最小系統(tǒng)，取樣放大電路將電壓和電流通過電壓或電流互感器輸出信號取樣放大濾波后送入ADC 中，再做FFT 運算，算出頻率、幅值、相位、諧波、諧波功率等電參數(shù)，然后將測量的數(shù)據(jù)上傳到通信板。

通信板包括通信模塊、藍牙模塊、4G 模塊、TF 卡及存儲電路、Type-C、有源晶振、抗電磁干擾電路，主要負責(zé)與測量板的通信，檢測數(shù)據(jù)存儲，通過4G 模塊將存儲數(shù)據(jù)上傳到PDA 移動終端，也可通過藍牙將數(shù)據(jù)上傳到PDA移動終端查看實時檢測數(shù)據(jù)。

通信板通過有源晶振給測量板每秒發(fā)送測量同步指令，測量板收到后開始測量，等待0.5s 后，通信板主動讀取測量板的測量結(jié)果，通信板將收到的測量數(shù)據(jù)進行存儲，如果PDA 移動終端APP 通過4G 模塊（或藍牙）連接監(jiān)測裝置，通信板將得到的幅值、相位、諧波、諧波功率等電參數(shù)上傳到PDA 移動終端APP，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量和顯示。

1.2 諧波檢測裝置檢測原理嵌入式軟件設(shè)計

諧波檢測采用傅里葉（FFT）變換原理，即對輸入信號進行高速采樣，采用數(shù)字信號處理技術(shù)，用離散傅里葉變換法分解出各次諧波的幅值和相位，依據(jù)諧波含有率計算公式計算得到各次諧波的含有率及諧波的總畸變率。由于FFT 變換方法不可能對無限長連續(xù)信號進行分析處理，在數(shù)字信號分析過程中，只能將其截斷變成有限長的離散數(shù)據(jù)。這種截斷會導(dǎo)致頻譜泄漏效應(yīng)，若不滿足整周期采樣，不能得到各次諧波分量的準(zhǔn)確值，而只能以臨近的頻率分辨點的值來近似代替會導(dǎo)致柵欄效應(yīng)。故在嵌入式軟件設(shè)計中，采用加窗（余弦窗）插值法來有效減小頻譜泄漏。

諧波功率檢測是將電壓電流實時采樣后進行FFT 變換，得到各次諧波的幅值和相位。僅有同頻率的電壓與電流諧波才構(gòu)成平均功率，不相同頻率的電壓與電流不構(gòu)成平均功率，只構(gòu)成瞬時功率，進行累加得到有功電能量，有功計量所得出的瞬時有功功率為基波與各次諧波功率之和。當(dāng)基波功率和諧波功率方向相同時，負載消耗諧波，全波功率為基波和諧波值的代數(shù)和；當(dāng)基波功率和諧波功率方向相反時，也就是負載產(chǎn)生諧波，全波功率小于基波和諧波的絕對值之和。

根據(jù)諧波及其功率的檢測方法，設(shè)計檢測裝置嵌入式軟件的軟件框圖如圖3。主要實現(xiàn)的功能有電壓、電流的ADC 采樣，對采樣信號的數(shù)字濾波去除噪聲，對信號進行窗函數(shù)處理，F(xiàn)FT 變換，經(jīng)計算公式獲得各次諧波含有率（2 次～50 次）及總畸變率，經(jīng)計算公式獲得諧波功率，對獲得的數(shù)據(jù)進行存儲，并接收PDA 終端軟件指令定點上傳檢測數(shù)據(jù)。

圖3 諧波檢測裝置諧波分析軟件框圖Fig.3 Harmonic analysis software block diagram of harmonic detection device

1.3 PDA終端軟件設(shè)計

PDA 終端：遠程監(jiān)測及數(shù)據(jù)顯示分析。諧波檢測裝置通常安裝在臺區(qū)的計量柜內(nèi)，PDA 終端可隨身攜帶，可在有4G 信號的區(qū)域隨時隨地查看5G 基站設(shè)備產(chǎn)生的諧波數(shù)據(jù)，方便快捷。PDA 終端軟件與諧波檢測裝置采用4G 無線通訊，PDA 終端軟件發(fā)指令，使諧波檢測裝置定點上傳檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)YD/T 2583.17-2019、GB/T17625.1-2012、GB/Z 17625.6-2003 及GB/T14549-93 中對諧波的要求，畫出諧波限制的標(biāo)準(zhǔn)曲線，與上傳的諧波數(shù)據(jù)畫出實測曲線進行比較，自動識別出超限的諧波電壓和諧波電流次數(shù)，并進行報警。根據(jù)對諧波功率數(shù)據(jù)進行分析，判斷諧波功率與基波功率方向的異同，獲得5G 基站產(chǎn)生的反向諧波功率，反向諧波功率不但消耗了功率還抵消了部分基波功率，應(yīng)用雙倍的反向諧波功率計算對線損的影響，為電能正確計量提供可靠數(shù)據(jù)分析。當(dāng)需要查看歷史數(shù)據(jù)時，可在數(shù)據(jù)管理中查詢。

該監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括電力參數(shù)數(shù)據(jù)獲取和顯示、諧波曲線比對，及諧波超限自動識別報警，諧波對臺區(qū)線損的影響分析及引起的線損、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分享等。PDA 終端軟件設(shè)計框圖如圖4。

圖4 PDA終端軟件設(shè)計框圖Fig.4 PDA Terminal software design block diagram

2 試驗與效果分析

2.1 諧波含有率及總畸變率實驗室校準(zhǔn)試驗

依據(jù)JJF 1667-2017《工頻諧波測量儀器校準(zhǔn)規(guī)范》，采用尖頂波和平頂波的方法（波形如圖5），在實驗室對檢測裝置的諧波含有率和總畸變率進行了校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時采用的是標(biāo)準(zhǔn)表比較法，由0.05 級交流標(biāo)準(zhǔn)源和0.02 級標(biāo)準(zhǔn)表組成標(biāo)準(zhǔn)校驗設(shè)備。在實驗室環(huán)境下，其校準(zhǔn)結(jié)果見表1和表2（僅列出了奇次3、5、7、11、13 次諧波電壓與諧波電流的數(shù)據(jù)）。

表1 諧波電壓校準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)Table 1 Harmonic voltage calibration experimental data

表2 諧波電流校準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)Table 2 Harmonic current calibration experimental data

圖5 平頂波、尖頂波波形圖Fig.5 Waveform chart of flat top wave and sharp top wave

諧波檢測裝置測得值與標(biāo)準(zhǔn)值的比對，諧波檢測裝置所測的諧波電壓含有率、諧波電流含有率及總畸變率測試準(zhǔn)確，符合設(shè)計要求。

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用

將諧波檢測裝置安裝在深圳特別合作區(qū)供電局下轄的某裝有5G 基站的臺區(qū)計量箱內(nèi)，由計量裝置的電壓供電對5G 基站產(chǎn)生的諧波進行檢測試驗。試驗證明，諧波檢測準(zhǔn)確，諧波檢測裝置與PDA 終端通信正常，定點上傳數(shù)據(jù)，PDA 終端軟件能自動識別超限諧波次數(shù)，為諧波對臺區(qū)線損的影響提供了數(shù)據(jù)并進行分析。

3 結(jié)束語

本文對公用臺區(qū)下5G 基站諧波在線檢測進行了研究，根據(jù)對公用臺區(qū)下5G 基站諧波測試的現(xiàn)實需求，采用諧波參數(shù)檢測裝置與數(shù)據(jù)處理顯示裝置分開設(shè)計，檢測裝置負責(zé)數(shù)據(jù)采集、存儲，PDA 移動終端負責(zé)諧波數(shù)據(jù)處理、顯示。經(jīng)實驗論證表明，公用臺區(qū)下5G 基站諧波在線檢測能準(zhǔn)確測量5G 基站用電時對公用臺區(qū)的諧波影響，為諧波治理及諧波對臺區(qū)線損的影響提供數(shù)據(jù)支撐。同時檢測裝置體積小，無需單獨供電，可存儲測試數(shù)據(jù)，安裝后，利用PDA 移動終端讀取處理數(shù)據(jù)，自動識別出超出國標(biāo)的諧波，使用簡單方便，大大地提高效率，減少人工。