簡(jiǎn)介
在過(guò)去，諧波分析儀不僅非常昂貴，而且難以集成到大規(guī)模制造的電表中。因此，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行諧波污染分析是一件非常困難的事情，只能偶爾由專(zhuān)業(yè)操作員在某些特定位置進(jìn)行。如今，芯片不僅可以集成更多的信號(hào)處理功能，而且尺寸更小、價(jià)格更低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的高效使用和監(jiān)控。
過(guò)去幾十年來(lái)，電源系統(tǒng)呈指數(shù)式增長(zhǎng)，其非線性特性引起了嚴(yán)重的諧波污染。這可能帶來(lái)多方面的不利影響，例如：電氣設(shè)備過(guò)熱和過(guò)早老化，傳輸線路損耗增加，以及繼電器保護(hù)失靈等。因此，業(yè)界越來(lái)越關(guān)注諧波污染問(wèn)題，并采取了各項(xiàng)措施以實(shí)現(xiàn)更好的電網(wǎng)管理。其中，最佳的一個(gè)方法是在電網(wǎng)內(nèi)設(shè)置更多的觀測(cè)和分析點(diǎn)，并且延長(zhǎng)監(jiān)控時(shí)間。隨著智能電表在全世界范圍內(nèi)的加快部署，滿(mǎn)足上述要求的最佳器件會(huì)被用于其中。用于智能電表的ASIC集電能計(jì)量特性與諧波分析功能于一身，可能是最適合當(dāng)下的理想解決方案。請(qǐng)切記，考慮到一塊芯片內(nèi)要嵌入大量DSP資源，同時(shí)又必須廉價(jià)、尺寸小、功耗低，可想而知頻譜分析絕非易事。本文將討論一種嘗試滿(mǎn)足所有這些需求的DSP架構(gòu)解決方案。
基頻估算和頻譜成分提取
電網(wǎng)上不斷變化的負(fù)載與相對(duì)恒定的發(fā)電輸出之間存在一種動(dòng)態(tài)的平衡關(guān)系，這導(dǎo)致在負(fù)載較高時(shí)，主電源頻率會(huì)略微降低，而在負(fù)載較低時(shí)，主電源頻率會(huì)略微提高。在電網(wǎng)高度發(fā)達(dá)并受到密切監(jiān)控的國(guó)家，頻率偏移量相當(dāng)小，但在電網(wǎng)控制不佳的地區(qū)，頻率偏移量可能大到足以影響電氣設(shè)備。為此，業(yè)界已進(jìn)行大量研究工作，試圖找到通過(guò)優(yōu)化各種參數(shù)，如精度、速度、噪聲和諧波抗擾度等，來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤頻率的最有效方法。
就電源系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和效率而言，電網(wǎng)的頻率是與電流和電壓同等重要的工作參數(shù)�？煽康念l率測(cè)量是有效的進(jìn)行電源控制、負(fù)載減輕、負(fù)載恢復(fù)和系統(tǒng)保護(hù)的先決條件。
檢測(cè)和估算頻率的方法有許多種。例如，過(guò)零方法通過(guò)測(cè)量?jī)蓚�(gè)相繼過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔來(lái)檢測(cè)頻率，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是非常容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是精度較低，并且易受諧波、噪聲、直流成分等影響�；贒FT的算法可以利用采樣序列來(lái)估算頻率，但它對(duì)輸入信號(hào)中的諧波非常敏感。針對(duì)本文所述的DSP架構(gòu)，我們考察了一種基于數(shù)字PLL的方法，發(fā)現(xiàn)它很有效，具有高抗擾度，同時(shí)還能提供精確的頻率估算。
圖1所示為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PLL結(jié)構(gòu)及其三個(gè)主要模塊。相位誤差檢波器將輸出發(fā)送到環(huán)路濾波器，環(huán)路濾波器進(jìn)一步控制一個(gè)數(shù)字振蕩器，目的是最大程度地降低相位誤差。因此，最終可以獲得輸入信號(hào)基頻的估算值�？刂骗h(huán)路經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在45 Hz到66 Hz的標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)頻率范圍內(nèi)可提供最佳的鎖定參數(shù)性能。
圖1. 基于數(shù)字PLL結(jié)構(gòu)的頻率估算
知道了要從頻譜中所提取成分的精確頻率后，我們就可以考察各種用于提取的選項(xiàng)。談到采樣系統(tǒng)的頻譜分析，我們自然會(huì)想到利用離散傅里葉變換(DFT)這個(gè)工具將信號(hào)從時(shí)域映射到頻域。有多種數(shù)值算法和處理架構(gòu)專(zhuān)門(mén)用于實(shí)現(xiàn)這種變換，F(xiàn)FT是其中最著名的一種。對(duì)比考慮提取的信息量和所需的DSP資源量，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
有一種交流電源系統(tǒng)理論使用復(fù)平面中的相量來(lái)代表電壓和電流，該理論與一種以類(lèi)似格式提供頻譜成分的DFT變化形式相一致。從根本上說(shuō)，在目標(biāo)頻率直接實(shí)現(xiàn)DFT公式也能達(dá)到同樣的效果。但是，為使測(cè)量具有實(shí)時(shí)性，我們采用了一種從DFT公式獲得求和元素的遞歸方法。實(shí)施方式有多種（取決于可用的DSP資源），但必須牢牢控制一個(gè)重要方面，這就是最大程度地降低頻譜泄漏和噪聲引起的誤差。
圖2以框圖形式說(shuō)明了頻譜成分提取的工作原理。
圖2. 提取基波和諧波頻譜成分
某一相的采樣電壓和電流與基波頻率值一起通過(guò)一個(gè)計(jì)算模塊，該計(jì)算模塊以相量形式提供計(jì)算結(jié)果。針對(duì)每個(gè)基波頻率和某些用戶(hù)可選的諧波頻率，都會(huì)提供一對(duì)相量（電壓和電流）。有了這些分量之后，我們就可以運(yùn)用電源理論中的已知方法來(lái)提取RMS值和功率。RMS值相當(dāng)于這些相量的幅度，視在功率則等于這些幅度的乘積。將電流相量直接投影到電壓上并將二者相乘，就可以獲得有功功率。分解電流的另一個(gè)正交元素與電壓相乘就得到無(wú)功功率。
說(shuō)到這里，我們要討論一下采用實(shí)時(shí)方法的可能優(yōu)點(diǎn)（動(dòng)機(jī)）。例如，這種架構(gòu)能夠很好地監(jiān)控變壓器中的浪涌電流。這種電流發(fā)生在變壓器通電期間，由磁芯的部分周期飽和引起。初始幅度為額定負(fù)載電流的2到5倍（然后慢慢降低），并具有極高的二次諧波，四次和五次諧波也會(huì)攜帶有用的信息。如果只看總RMS電流，浪涌電流可能會(huì)被誤認(rèn)為短路電流，因而可能錯(cuò)誤地讓變壓器退出服務(wù)。為了識(shí)別這種情形，必須獲得二次諧波幅度的精確實(shí)時(shí)值。當(dāng)我們只需要幾個(gè)諧波的信息時(shí)，運(yùn)用完整的FFT變換可能不是非常有效。
這種有選擇地計(jì)算幾個(gè)諧波成分的方法可能比FFT方法更有效率，所謂三次諧波序列就是另一個(gè)很好的例子。有時(shí)需要特別注意三次諧波的奇數(shù)倍諧波（3、9、15、21...）。在接地Y型系統(tǒng)中，當(dāng)電流在零線上流動(dòng)時(shí)，這些諧波就會(huì)成為一個(gè)重要問(wèn)題。它會(huì)引起兩個(gè)典型問(wèn)題：零線過(guò)載和電話(huà)干擾。有時(shí)候，零線的三次諧波序列壓降導(dǎo)致線路到零線電壓嚴(yán)重失真，致使某些設(shè)備發(fā)生故障。本文提出的解決方案可以只監(jiān)控零線電流以及所有相位電流之和上的這些諧波。
頂層DSP架構(gòu)
上述DSP模塊已添加到一個(gè)根據(jù)基本公式計(jì)算總RMS值和功率的現(xiàn)有架構(gòu)。我們還加入了一個(gè)用于計(jì)算多個(gè)電源品質(zhì)因數(shù)的元件。首先，我們計(jì)算諧波失真(HD)，以便根據(jù)基波RMS值歸一化所有諧波RMS值。然后，利用總RMS值和基波RMS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，根據(jù)有功功率與視在功率的比值，提取所有功率因數(shù)。如圖3所示，三個(gè)相位并行執(zhí)行所有這些信號(hào)處理，但諧波分析模塊是例外，任一給定時(shí)間只能將該模塊分配給某一相位。
圖3. 頂層DSP架構(gòu)
通過(guò)計(jì)算諧波功率因數(shù)，可以找出電網(wǎng)中的諧波源。雖然業(yè)界仍然對(duì)查找主要諧波源的最佳方法存在爭(zhēng)議，但是其中一種傳統(tǒng)方法是基于“有功功率的流動(dòng)方向”。這相當(dāng)于確認(rèn)該特定諧波頻率在系統(tǒng)某一點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)上的有功功率符號(hào)。在失真電壓下工作時(shí)，線性負(fù)載會(huì)針對(duì)每個(gè)諧波產(chǎn)生有功功率，而且如果客戶(hù)端存在非線性元件，該功率會(huì)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)測(cè)量污染諧波電壓和電流的相位角度，然后計(jì)算其差值，可以確定該值。而在此架構(gòu)中則不必如此，因?yàn)橹C波功率因數(shù)可以提供該信息。
這種DSP架構(gòu)已在三相電能計(jì)量器件上成功實(shí)現(xiàn)，它具有如下硬件資源：?jiǎn)蜯AC架構(gòu)，工作時(shí)鐘頻率為16 MHz，信號(hào)采樣速率為8 kHz，具有1k字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。所有三相的基波測(cè)量結(jié)果連續(xù)計(jì)算，諧波分析儀則能從給定相位（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，某些性能參數(shù)已根據(jù)已知的電網(wǎng)工作條件進(jìn)行了優(yōu)化。
雖然不能一次性提供所有諧波值看起來(lái)像缺點(diǎn)，但我們要記住，電網(wǎng)中的諧波污染最重要的影響還是在于準(zhǔn)穩(wěn)現(xiàn)象。實(shí)際上，對(duì)于工業(yè)和商用負(fù)載，建議分析至少一周內(nèi)的諧波污染，而應(yīng)避免任何零星的測(cè)量。在上述前提下，憑借該架構(gòu)的多功能性，用戶(hù)可以通過(guò)掃描所有三相上的所有可用諧波內(nèi)容來(lái)獲取近似FFT的結(jié)果。
結(jié)束語(yǔ)
在過(guò)去，諧波分析儀不僅非常昂貴，而且難以集成到大規(guī)模制造的電表中。因此，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行諧波污染分析是一件非常困難的事情，只能偶爾由專(zhuān)業(yè)操作員在某些特定位置進(jìn)行。將更多信號(hào)處理功能集成到小型且經(jīng)濟(jì)的芯片中將徹底改變這一現(xiàn)狀，為更有效地理解和使用電網(wǎng)打開(kāi)方便之門(mén)，讓電力公司和消費(fèi)者均將從中獲益。本文介紹的DSP架構(gòu)現(xiàn)已集成到ADI公司的一款器件中，該器件是ADI電能計(jì)量部門(mén)針對(duì)多相市場(chǎng)推出的最新器件 (ADE7880) 之一。
作者：Gabriel Antonesei
ADI公司
