王永貴， 劉柱， 黃呂超， 鄧思陽

(國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司信通研究院， 北京 100051)

為加快能源綠色轉(zhuǎn)型，國(guó)家提出碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)及構(gòu)建具有更強(qiáng)新能源消納能力的新型電力系統(tǒng)，大力發(fā)展風(fēng)電、太陽能等新能源，而大規(guī)模分布式電源接入給配電系統(tǒng)帶來更多不確定性因素，使系統(tǒng)運(yùn)行方式更復(fù)雜，分布式電源強(qiáng)度波動(dòng)性大、隨機(jī)性強(qiáng)，導(dǎo)致輸出功率穩(wěn)定性差，造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)，給電量計(jì)量和電能質(zhì)量分析帶來新的挑戰(zhàn)[1-4]。

通常電量計(jì)量采用單向或三相電子式電能表，國(guó)外電子式多功能電能表大部分采用計(jì)量芯片[5-7]，如ADI公司的ADE9000、ST公司的STPM32T、TI公司的LM25056、MICROCHIP公司的ATM90E26等。國(guó)外公司的電量計(jì)量產(chǎn)品覆蓋了從中低端到高端應(yīng)用，其中瑞士蘭地斯公司(LANDIS & GYR)、德國(guó)西門子公司(Siemens)、ABB 公司、法國(guó)斯倫貝謝公司(Schlumberger)和法國(guó)配電公司(Electricity Network Distribution of France)等生產(chǎn)的電能表在計(jì)量領(lǐng)域取得了較好的效果。文獻(xiàn)[5]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電表的硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，采用NB-IoT模組和高性能多相電能計(jì)量芯片ADE9078實(shí)現(xiàn)電能量計(jì)量功能。文獻(xiàn)[6]提出了基于ADE7755單相表計(jì)量芯片與NRF24L01無線模塊相集合的區(qū)域電量計(jì)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)電量監(jiān)測(cè)功能。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種以ADE9153B為核心的智能電量計(jì)量裝置，并可采用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至云端。近些年，國(guó)內(nèi)計(jì)量芯片公司已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[8-11]，鉅泉光電科技(上海)股份有限公司的HT7032、ATT7022E，深圳市銳能微科技有限公司的RN8207C、RN8302B，以及上海貝嶺股份有限公司的BL6513C、BL0921等型號(hào)在國(guó)內(nèi)電子式電能表領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]提出了基于ATT7022E的智能電表硬件設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[9]基于HT7032開展了智能表能表設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了可靠性分析。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種基于RN8032和python的電能測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能使用情況的監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于HT7038專用計(jì)量芯片的智能三相表計(jì)量模塊設(shè)計(jì)方法。目前電能表多采用計(jì)量芯片方案，并兼容了部分電能質(zhì)量分析功能[12-15]，而在高精度計(jì)量場(chǎng)景，通常采用模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog-digital conversion，AD)芯片的方法設(shè)計(jì)計(jì)量裝置，例如變電站關(guān)口表。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于AD7606芯片的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。

隨著高比例新能量廣泛接入電網(wǎng)，在高精度計(jì)量和電能質(zhì)量分析方面對(duì)電能計(jì)量裝置提出了更高的要求，需同時(shí)滿足0.2S級(jí)計(jì)量精度和豐富的電能質(zhì)量分析功能。此外，在計(jì)量芯片中電能質(zhì)量分析功能有限，無法對(duì)采樣頻率、單周波采樣點(diǎn)、諧波分析等參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，不能滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求[16-17]。因此，采用通用計(jì)量芯片方案無法實(shí)現(xiàn)以上數(shù)據(jù)分析處理要求，在電量計(jì)量芯片的硬件設(shè)計(jì)方法和電量質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，現(xiàn)提出一種基于軟硬件協(xié)同優(yōu)化的電能計(jì)量裝置設(shè)計(jì)方法，不僅滿足高精度電能計(jì)量功能需求，而且可實(shí)現(xiàn)靈活分析電能質(zhì)量的功能，以適應(yīng)新能源接入對(duì)電量計(jì)量裝置的新需求。通過軟硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種面向新能源接入的電能計(jì)量方法，通過微處理器控制AD芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣頻率、單周波采樣點(diǎn)等參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)高精度計(jì)量和電能質(zhì)量分析的需要。利用優(yōu)化模擬前端電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確采集，結(jié)合相位補(bǔ)償、擬合校準(zhǔn)等算法，實(shí)現(xiàn)電能高精度計(jì)量。最后，通過試驗(yàn)驗(yàn)證該裝置的計(jì)量有效性。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保障設(shè)計(jì)的靈活、可擴(kuò)展和快速迭代性能，計(jì)量裝置采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)系統(tǒng)分為采集部分和控制部分。采集部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、電能計(jì)量、電能質(zhì)量分析等數(shù)據(jù)采集與處理功能，控制部分主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、上傳、對(duì)外控制等功能，兩部分通過串口通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的上傳下發(fā)。

從硬件設(shè)計(jì)角度分析，計(jì)量裝置分為控制板和采集板，如圖1所示?？刂瓢逡試?guó)產(chǎn)微處理器為核心，控制顯示屏、指示燈、485接口等外設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外操作與通信。三相電流、電壓通過互感器和電阻分壓的方式，與采集板連接，將電流、電壓信號(hào)通過模擬前端電路、AD芯片轉(zhuǎn)換傳送到微處理器(microcontroller unit，MCU)中，并結(jié)合相位補(bǔ)償?shù)人惴ǎ玫蕉鄠€(gè)整周波的電流與電壓同步采樣信號(hào)，利用電量計(jì)量和快速傅里葉變換算法，實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)量和電能質(zhì)量分析。

圖1 硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Hardware system architecture diagram

模擬前端信號(hào)處理是整個(gè)裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[18]，采用國(guó)產(chǎn)零磁通互感器+多通道高精度AD芯片+微處理器的方法。通過零磁通電流互感器獲取電流信號(hào)，利用運(yùn)算放大器配合采樣電阻的方式，提升電流采樣電路帶載能力，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，接入多通道AD采樣芯片，如圖2所示；AD芯片具備多通道同步采樣功能，通過MCU發(fā)送定頻采樣信號(hào)，可控制AD芯片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并通過串行外設(shè)接口(serial peripheral interface，SPI)通信直接將AD芯片轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器，此處，設(shè)計(jì)了信號(hào)過零檢測(cè)電路，通過硬件鎖相環(huán)，可實(shí)現(xiàn)整周波固定采樣點(diǎn)的方式采樣；微處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，考慮到模擬前端電路引起的電流、電壓信號(hào)相位偏移以及電能質(zhì)量分析需求，對(duì)采集波形數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、拼接、相位補(bǔ)償?shù)忍幚?，保證計(jì)量高準(zhǔn)確度和靈活的電能質(zhì)量分析功能。

IA+和IA-表示電流接入時(shí)的方向；R1、R2為電阻； C1～C4為電容器；D為二極管；CT為電流互感器圖2 模擬前端信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)Fig.2 Design of analog front-end signal processing circuit

2 電量計(jì)量算法

2.1 基于插值法的電流相位補(bǔ)償方法

由于互感器及模擬采樣電路硬件設(shè)計(jì)及器件的影響，導(dǎo)致AD芯片采集到的電流、電壓信號(hào)之間存在相位偏差，從而造成計(jì)算正反向功率和電能量時(shí)偏差較大，因此需進(jìn)行電流、電壓相位補(bǔ)償，使其達(dá)到相位同步[19-21]。

MCU以固定頻率向AD芯片發(fā)送開始采樣信號(hào)，通過高精度采樣后，MCU存儲(chǔ)一定長(zhǎng)度的信號(hào)波形數(shù)組(保證1個(gè)完整波形數(shù)據(jù))，通過判斷波形數(shù)據(jù)從負(fù)到正的變化，檢測(cè)出波形過零點(diǎn)，依次內(nèi)推，可獲得電流、電壓在存儲(chǔ)波形數(shù)組中的過零點(diǎn)位置。由于電流、電壓數(shù)據(jù)采用同步采樣的方式獲得，因此，可通過分析各路電壓電流信號(hào)的存儲(chǔ)波形數(shù)組中過零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波形數(shù)組序號(hào)，來計(jì)算電流電壓信號(hào)的頻率、相位及相位差。

假設(shè)以16 kHz頻率進(jìn)行采樣，將超過1個(gè)完整周期的數(shù)據(jù)保存到大小為600的數(shù)組，通過對(duì)數(shù)組進(jìn)行遍歷，判斷當(dāng)a[i-1]<0且a[i]>0時(shí)，a[i]為波形數(shù)組中的過零點(diǎn)。通過以上方法可得到至少兩個(gè)過零點(diǎn)，例如分別為a[i]和a[j]，則利用插值法通過a[i-1]和a[i]之間的差值，計(jì)算準(zhǔn)確的過零點(diǎn)a[i′]和a[j′]。

(1)

由于以定頻采樣，假設(shè)采樣點(diǎn)間隔時(shí)間為Tinter，則頻率利用過零點(diǎn)計(jì)算可表示為

(2)

通過式(2)可計(jì)算得到三相電壓頻率，同時(shí)基于不同通道的差值過零點(diǎn)(如a[i′]和a[k′])，計(jì)算不同通道的相位差，表示為

Phas=360freq(i′-k′)Tinter

(3)

通過式(2)、式(3)可以計(jì)算得到電壓與電流之間的相位差、不同相電壓之間的相位差，不同電壓可以基于相位差和有效值判斷三相不平衡等問題。根據(jù)電壓和電流之間的相位差，可得到由于電流互感器和模擬電路中感容性器件對(duì)電流相位造成的偏差情況。

針對(duì)以上偏差進(jìn)行相位補(bǔ)償，比如對(duì)應(yīng)的電壓、電流通道的過零點(diǎn)分別為a[i′]、b[k′]，直接利用移點(diǎn)法將引入過零點(diǎn)檢測(cè)誤差，移點(diǎn)法實(shí)現(xiàn)的相位補(bǔ)償最小值為兩個(gè)相鄰采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位值，這種方法不適用于高精度計(jì)量。在插值法過零點(diǎn)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，計(jì)算差值過零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確偏差，對(duì)相位補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)波形進(jìn)行插值對(duì)齊，重建波形，如出現(xiàn)前后波形不足，可利用超出1周波的數(shù)據(jù)插值補(bǔ)齊。然后再利用移點(diǎn)法，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)電流、電壓相位對(duì)齊。

假設(shè)已經(jīng)插值過零點(diǎn)為a[i′]、b[k′]，且b相數(shù)據(jù)整體滯后于a相，則首先對(duì)b相數(shù)據(jù)按照a相的分布進(jìn)行插值計(jì)算，k′處為b相的差值過零點(diǎn)，按照a相的采樣分布，計(jì)算b相在k′+(i-i′)和k′-[i′-(i-1)]兩個(gè)位置的信號(hào)值，可分別對(duì)k′+(i-i′)和k′-[i′-(i-1)]前后取整，比如k′+(i-i′)前后取整后對(duì)應(yīng)的位置為k1和k2,則可以得到在k′+(i-i′)處對(duì)應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。

b[k′+(i-i′)]=

b[k1]+[k′+(i-i′)-k1]×

(4)

此處可以利用線性差值直接計(jì)算，也可采用拉格朗日插值法、牛頓插值法等，具有更好的效果。

同理也可以得到b[k′-[i′-(i-1)]]對(duì)應(yīng)的數(shù)值，此時(shí)得到的a相和b相數(shù)據(jù)相位差精確的采樣間隔的整數(shù)倍，可通過對(duì)應(yīng)點(diǎn)平移，實(shí)現(xiàn)b相和a相的完全對(duì)齊，進(jìn)而通過插值法完成高精度采集信號(hào)的相位準(zhǔn)確補(bǔ)償。

2.2 計(jì)量數(shù)據(jù)計(jì)算

電能量計(jì)量算法是利用電流電壓相位對(duì)齊后的波形數(shù)據(jù)，計(jì)算電壓電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率以及對(duì)應(yīng)的電能量信息。

電壓、電流的瞬時(shí)表達(dá)式為

(5)

式(5)中：Uk、Ik分別為第k次諧波的有效值；φk、γk分別為第k次諧波的電壓、電流相位延遲。

電流、電壓有效值計(jì)算通過對(duì)整周波數(shù)據(jù)平方，再求平均值獲得。

(6)

式(6)中:N為整周波的采樣點(diǎn)數(shù)；u[n]和i[n]分別為第n個(gè)時(shí)間間隔的采樣瞬時(shí)值。

2.2.1 有功功率

電力系統(tǒng)的瞬時(shí)功率p(t)總是等于電壓與電流瞬時(shí)值的乘積，而p(t)的直流分量即為系統(tǒng)的總有功功率，其表達(dá)式為

(7)

式(7)中：T為每周波的周期。

2.2.2 無功功率

采用Hilbert數(shù)字濾波器算法實(shí)現(xiàn)無功功率測(cè)量，對(duì)整周波采樣且采樣點(diǎn)滿足2n條件的數(shù)字波形通過Hilbert數(shù)字濾波器進(jìn)行移相濾波，然后再采用移相后的電流、電壓瞬時(shí)值相乘的方法計(jì)算無功功率[22]。

圖3 基于Hilbert變換的無功功率計(jì)算流程Fig.3 Flow of reactive power calculation based on Hibert transform

理想的離散Hilbert變換的頻率傳遞函數(shù)為

(8)

幅值和相角分別為

(9)

通過Hilbert變換設(shè)計(jì)Hilbert數(shù)字濾波器，使電壓信號(hào)通過濾波器得到-π/2的信號(hào)u′[n]，再計(jì)算無功功率，公式為

(10)

Hilbert數(shù)字濾波器算法直接對(duì)輸入電壓或電流進(jìn)行移相濾波，對(duì)無功功率進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)量，避免了均方根三角算法中計(jì)算電壓有效值、電流有效值和有功功率帶來的誤差，又對(duì)各次諧波進(jìn)行了-π/2的移相，相比采樣點(diǎn)平移測(cè)量算法，改善計(jì)算精度。

2.2.3 視在功率

電壓與電流產(chǎn)生的視在功率的表達(dá)式為

S=UrmsIrms

(11)

式(11)中:Urms、Irms分別為電壓和電流的有效值。對(duì)于正弦對(duì)稱三相系統(tǒng)而言，三相總視在功率為

S3=UArmsIArms+UBrmsIBrms+UCrmsICrms

(12)

2.2.4 電能量計(jì)算

依據(jù)計(jì)算出的有功功率及無功功率等，對(duì)其在一段時(shí)間內(nèi)做積分運(yùn)算，即可得到相應(yīng)的電能量。對(duì)于接入的負(fù)載在[t1,t2]時(shí)間段內(nèi)，其電能表示為

(13)

2.3 基于數(shù)據(jù)擬合的功率補(bǔ)償校準(zhǔn)方法

在實(shí)際測(cè)試過程中，由于模擬前端電路對(duì)電壓、電流等模擬信號(hào)幅值和相位的影響，導(dǎo)致實(shí)際功率值與理論值仍有偏差[23-24]。通過數(shù)據(jù)擬合方法，建立理論值(y′i,i=1,2,…,n)和實(shí)際值(yi,i=1,2,…,n)之間的線性偏差模型。假設(shè)擬合關(guān)系為y′i=kyi+b，尋找最優(yōu)化參數(shù)，使得偏差最小。

(14)

可得

(15)

通過上述數(shù)據(jù)擬合計(jì)算，可創(chuàng)建實(shí)際功率值和理論功率值之間的補(bǔ)償關(guān)系，從而得到高精度計(jì)量結(jié)果。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

搭建計(jì)量精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用高精度三相電能表校驗(yàn)裝置(Fluke)、研發(fā)的計(jì)量裝置以及通過串口連接的電腦搭建試驗(yàn)環(huán)境，高精度三相電能表校驗(yàn)裝置(準(zhǔn)確度等級(jí)0.05)用于提供三相電流、電壓信號(hào)，同時(shí)與計(jì)量裝置的電能脈沖輸出連接，檢測(cè)計(jì)量裝置的脈沖輸出信號(hào)。同時(shí)，計(jì)量裝置通過串口實(shí)時(shí)輸出有功、無功、視在功率，將數(shù)據(jù)直接保存到電腦上。

首先，給定三相電壓57.5 V，功率因數(shù)(cosφ)為0.5 L，設(shè)定不同的電流輸出條件，并通過串口記錄不同條件下1 min時(shí)間的有功、無功及視在功率值。

此外，針對(duì)計(jì)量裝置，分別選取不在擬合校準(zhǔn)點(diǎn)的電流、電壓值，通過校表裝置連接的計(jì)量脈沖信號(hào)，記錄在不同電流電壓值處對(duì)應(yīng)的電能量精度。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)實(shí)驗(yàn)可得，不同信號(hào)條件下的有功、無功、視在功率與理論值偏差如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，提出的高精度計(jì)量算法在3～1 200 mA電流范圍內(nèi)，有功計(jì)量精度較高，優(yōu)于0.2S級(jí)三相智能表通用技術(shù)規(guī)范要求。同時(shí)改變電流、電壓、相位參數(shù)，進(jìn)行有功計(jì)量精度驗(yàn)證，得到如表1所示數(shù)據(jù)。

由表1可知，該計(jì)量裝置在不同電流電壓相位參數(shù)變化的條件下，正反向有功計(jì)量精度測(cè)試均取得良好的效果。

圖4 不同電流下有功、無功及視在功率精度Fig.4 Accuracy of active, reactive and apparent power for different currents

表1 不同電流電壓相位條件下的電能量精度測(cè)試Table 1 Results of the electric energy accuracy test under different current and voltage conditions

4 結(jié)論

研究了基于AD芯片+微處理器的計(jì)量系統(tǒng)，提出了國(guó)產(chǎn)零磁通互感器+多通道高精度AD芯片+微處理器的計(jì)量模塊硬件設(shè)計(jì)方案，保證電流、電壓信號(hào)的高精度采集。提出了基于插值法與移點(diǎn)法結(jié)合的高精度相位補(bǔ)償方法，減少由模擬硬件電路引起的電壓電流相位偏差，并計(jì)算電流有效值、電壓有效值以及有功功率、無功功率、視在功率等計(jì)量參數(shù)。此外，考慮到電能計(jì)量數(shù)據(jù)誤差，提出了基于數(shù)據(jù)擬合的計(jì)量功率補(bǔ)償方法，提升功率準(zhǔn)確度和計(jì)量精度。最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證所提出方法的有效性。

所提出的方案相對(duì)于計(jì)量芯片，計(jì)量數(shù)據(jù)處理更加靈活，可根據(jù)需求設(shè)置不同采樣頻率、采樣點(diǎn)等參數(shù)，能夠更加適應(yīng)電能質(zhì)量分析，提供靈活數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的計(jì)量精度進(jìn)行了初步分析和驗(yàn)證，接下來將進(jìn)一步優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)和軟件算法，同時(shí)研究環(huán)境影響下電能計(jì)量誤差補(bǔ)償算法，提升計(jì)量可靠性、穩(wěn)定性。

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