自適應(yīng)實(shí)時(shí)DSP架構(gòu)用于監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中的諧波成分和各種電能質(zhì)量因素

過去，諧波分析儀價(jià)格昂貴，難以集成到大規(guī)模制造的儀表中。因此，電網(wǎng)的諧波污染分析很困難，只能由訓(xùn)練有素的操作員不時(shí)在特定位置進(jìn)行。如今，在更小、更實(shí)惠的芯片中集成更多的信號(hào)處理可以提高電網(wǎng)的高效使用和監(jiān)控能力。

在過去的幾十年里，我們經(jīng)歷了具有非線性特性的電源系統(tǒng)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這些非線性特性會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的諧波污染。這可能會(huì)導(dǎo)致一些不利影響，例如電氣設(shè)備的過熱和過早老化、傳輸線路的額外損耗以及保護(hù)繼電器的故障，僅舉幾例。

因此，人們?cè)絹碓疥P(guān)注并努力實(shí)現(xiàn)更好的電網(wǎng)管理。最好的方法之一是在整個(gè)網(wǎng)格中放置更長(zhǎng)的觀察和分析點(diǎn)。滿足這些要求的最佳設(shè)備可能是目前在世界各地加速部署的智能電表的一部分。這些電表的ASIC將電能計(jì)量功能與諧波分析功能相結(jié)合，可能是在正確的時(shí)間的正確答案。請(qǐng)記住，在考慮需要嵌入硅片中的DSP資源量時(shí)，頻譜分析并非易事，硅片仍然需要便宜、小巧且功耗低，我們將討論一種DSP架構(gòu)解決方案，試圖滿足所有這些需求。

基頻估計(jì)和頻譜分量提取

電網(wǎng)上不斷變化的負(fù)載與更恒定的發(fā)電輸出之間的動(dòng)態(tài)平衡可以在高負(fù)載時(shí)將初級(jí)工頻拉得略低，或在負(fù)載下降時(shí)拉得略高。在電網(wǎng)發(fā)達(dá)、受到嚴(yán)密監(jiān)控的國(guó)家，頻移量相當(dāng)小，但足以影響電網(wǎng)控制不佳地區(qū)的電氣設(shè)備。這導(dǎo)致了大量的努力和研究，以找到基于優(yōu)化各種參數(shù)（精度、速度、噪聲和諧波抗擾度等）的最有效頻率跟蹤方法。

對(duì)于電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和效率，電網(wǎng)的頻率與電流和電壓一樣重要?？煽康念l率測(cè)量是有效功率控制、減載、負(fù)載恢復(fù)和系統(tǒng)保護(hù)的先決條件。

有許多方法可以檢測(cè)和估計(jì)頻率。例如，過零方法通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)連續(xù)過零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔來檢測(cè)頻率。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是很容易實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是精度低，對(duì)諧波、噪聲、直流分量等的影響敏感。基于DFT的算法可以使用采樣序列來估計(jì)頻率，但它對(duì)輸入信號(hào)中的諧波非常敏感。對(duì)于這種DSP架構(gòu)，研究了一種基于數(shù)字PLL的方法，證明該方法高效且高度抗噪聲，同時(shí)還提供了非常精確的頻率估計(jì)。

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PLL結(jié)構(gòu)及其三個(gè)主要模塊如圖1所示。相位誤差檢測(cè)器將輸出發(fā)送到環(huán)路濾波器，環(huán)路濾波器進(jìn)一步控制數(shù)字振蕩器，以最大限度地減小相位誤差。因此，最終可以獲得估計(jì)輸入信號(hào)基頻的值?？刂骗h(huán)路經(jīng)過優(yōu)化，可在標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)頻率范圍內(nèi)提供最佳的鎖定參數(shù)性能：45 Hz 至 66 Hz。

圖1.基于數(shù)字PLL結(jié)構(gòu)的頻率估計(jì)。

一旦我們知道要從頻譜中提取的分量的精確頻率，我們就可以研究各種選擇。當(dāng)談到采樣系統(tǒng)中的頻譜分析時(shí)，我想到了離散傅里葉變換（DFT）作為將信號(hào)從時(shí)間映射到頻域的工具。有多種數(shù)值算法和處理架構(gòu)專門用于其實(shí)現(xiàn)，其中FFT是最著名的。在考慮提取的信息量與所需的DSP資源量時(shí)，它們中的每一個(gè)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

在復(fù)平面中使用相量來表示電壓和電流的交流電源系統(tǒng)理論將與以類似格式提供頻譜分量的DFT變體非常匹配?；旧希愿信d趣的頻率直接實(shí)現(xiàn)DFT公式將做到這一點(diǎn)。但是，為了給出測(cè)量的實(shí)時(shí)特征，采用了一種遞歸方法來從DFT公式中獲取求和元素。有幾種方法可以做到這一點(diǎn)（取決于可用的DSP資源），但需要控制的一個(gè)重要方面是盡量減少頻譜泄漏和噪聲引起的誤差。

圖2顯示了光譜成分提取工作原理的框圖。

圖2.提取基波和諧波頻譜分量。

某一相位的采樣電壓和電流以及基頻值通過計(jì)算模塊，該計(jì)算模塊以相量形式提供結(jié)果。對(duì)于每個(gè)基頻和一些用戶可選的諧波頻率，將提供一對(duì)相量（電壓和電流）。有了這些組件，我們可以應(yīng)用電功率理論中的已知方法來提取均方根值和功率。均方根值等效于這些相量的大小，而視在功率等于這些大小的乘積。通過將電流相量直接投影在電壓上并將兩者相乘，我們可以得到有功功率。分解電流的另一個(gè)正交元件再次乘以電壓，得到無功功率。

在這一點(diǎn)上，我們應(yīng)該提到采用實(shí)時(shí)方法的可能優(yōu)勢(shì)（動(dòng)機(jī)）。例如，這種架構(gòu)可以很好地監(jiān)測(cè)變壓器中的浪涌電流。這些電流發(fā)生在變壓器通電期間，由磁芯的部分周期飽和引起。幅度最初為額定負(fù)載電流的2×至5×（然后緩慢減小），并且具有異常高的二次諧波，第4次和第5次諧波也攜帶有用的信息。僅通過查看總均方根電流，浪涌電流可能會(huì)被誤認(rèn)為短路電流，并且變壓器可能會(huì)錯(cuò)誤地停止使用。因此，獲得二次諧波幅度的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)值對(duì)于識(shí)別這種情況非常重要。當(dāng)我們只需要幾個(gè)諧波的信息時(shí)，應(yīng)用完整的FFT變換可能不是很有效。

所謂的三透鏡是另一個(gè)很好的例子，說明為什么這種計(jì)算選擇性諧波分量的方法可能比FFT方法更有效。這些是三次諧波（3，9，15，21...）的奇數(shù)倍數(shù)，有時(shí)需要特別注意。對(duì)于電流流在零線上的接地星形系統(tǒng)，它們成為一個(gè)重要問題。兩個(gè)典型的問題是中性線過載和電話干擾。有時(shí)，某些設(shè)備會(huì)發(fā)生故障，因?yàn)橹行詫?dǎo)體中的三次諧波壓降嚴(yán)重扭曲了線路到中性線的電壓。所提出的解決方案可以僅監(jiān)測(cè)零線電流和所有相電流的總和上的這些諧波。

頂級(jí) DSP 架構(gòu)

之前介紹的DSP模塊已添加到現(xiàn)有架構(gòu)中，該架構(gòu)根據(jù)其基本公式計(jì)算總均方根值和功率。我們還包含一個(gè)計(jì)算多個(gè)電能質(zhì)量因數(shù)的元素。首先，我們計(jì)算諧波失真（HD），作為將所有諧波均方根值與基波均方根值歸一化的一種方式。然后，通過使用總和基均方根值，我們根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義計(jì)算總諧波失真加噪聲（THD+N）。最后，將所有功率因數(shù)提取為有功功率與視在功率的比率。正如我們?cè)趫D3中觀察到的，所有這些信號(hào)處理都是針對(duì)三個(gè)相位并行完成的，除了諧波分析模塊，該模塊只能在給定時(shí)間分配給某個(gè)相位。

圖3.頂級(jí) DSP 架構(gòu)。

諧波功率因數(shù)的計(jì)算可以確定電網(wǎng)中諧波源的位置。雖然業(yè)界仍在爭(zhēng)論定位主要諧波源的最佳方法，但經(jīng)典方法之一是基于“有功功率流的方向”。這意味著知道系統(tǒng)一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)中特定諧波頻率下的有功功率符號(hào)。用失真電壓供電的線性負(fù)載為每個(gè)諧波消耗有功功率，而如果非線性元件存在于客戶端，則該功率將提供給網(wǎng)絡(luò)。這是通過測(cè)量污染諧波的電壓和電流的相位角，然后計(jì)算它們的差值來確定的。對(duì)于這種架構(gòu)，這不再是必需的，因?yàn)橹C波功率因數(shù)可以提供該信息。

該 DSP 架構(gòu)已成功用于具有以下硬件資源的三相電能計(jì)量器件：?jiǎn)?MAC 架構(gòu)，工作時(shí)鐘頻率為 16 MHz，采樣信號(hào)為 8 kHz，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為 1k 字。連續(xù)計(jì)算所有三相的基本測(cè)量值，而諧波分析儀可以從給定相位（A、B 或 C）連續(xù)提取三個(gè)隨機(jī)諧波值。該架構(gòu)是可擴(kuò)展的，并且根據(jù)電網(wǎng)中已知的一組運(yùn)行條件優(yōu)化了一些性能參數(shù)。

不能一次提供所有諧波值可能看起來是一個(gè)缺點(diǎn)，但我們需要記住，從準(zhǔn)平穩(wěn)現(xiàn)象的角度來看，電網(wǎng)上的諧波污染最為重要。事實(shí)上，對(duì)于工業(yè)和商業(yè)負(fù)載，建議至少分析一周的諧波污染，并應(yīng)避免任何零星的測(cè)量。利用這些前提，這種架構(gòu)的多功能性允許通過掃描所有三相上所有可用的諧波成分來實(shí)現(xiàn)類似FFT的結(jié)果。

結(jié)論

過去，諧波分析儀價(jià)格昂貴，難以集成到大規(guī)模制造的儀表中。因此，電網(wǎng)的諧波污染分析很困難，只能由訓(xùn)練有素的操作員不時(shí)在特定位置進(jìn)行。在小型且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的芯片中集成更多的信號(hào)處理有可能從根本上改變這一點(diǎn)，并為更有效地理解和使用電網(wǎng)開辟道路，這將使公用事業(yè)和消費(fèi)者受益。

審核編輯：郭婷