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(diǎn)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?yàn)樾陆ǔ杀净蚱渌蛩責(zé)o法通過電網(wǎng)公司直接供電，而會(huì)采取使用相鄰公用臺(tái)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(tái)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(huì)引起諧波污染問題，對(duì)公用臺(tái)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(fù)載會(huì)將一部分基波功率轉(zhuǎn)化為諧波功率，此時(shí)非線性負(fù)載變成一個(gè)諧波源，向臺(tái)區(qū)輸送有害的諧波有功功率，電能表計(jì)量時(shí)會(huì)用基波電能減去輸送到臺(tái)區(qū)的有害諧波電能，使這些非線性負(fù)載用戶少交電費(fèi)，造成供電企業(yè)線損增加，經(jīng)濟(jì)效益受到嚴(yán)重?fù)p害；另一方面，諧波電流增大，特別是3 次及其倍數(shù)諧波會(huì)侵入變壓器的中性線，會(huì)使線路過熱引發(fā)變壓器損壞或者著火，也可能引起臺(tái)區(qū)內(nèi)的保護(hù)及自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，造成大面積停電、臺(tái)區(qū)電網(wǎng)崩潰等事故，影響臺(tái)區(qū)電力運(yùn)行安全。

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

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種公用臺(tái)區(qū)下5G 基站的諧波在線檢測(cè)系統(tǒng)，主要監(jiān)測(cè)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(guó)標(biāo)給出諧波要求限的基準(zhǔn)波形，自動(dòng)識(shí)別超限的諧波次數(shù)并進(jìn)行預(yù)警，為治理5G 基站對(duì)公用臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量污染治理及降低臺(tái)區(qū)線損提供數(shù)據(jù)支撐。本設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)小巧，便于安裝、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 公用臺(tái)區(qū)下5G基站諧波在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

公用臺(tái)區(qū)下5G 基站諧波在線檢測(cè)系統(tǒng)由諧波檢測(cè)裝置和PDA 移動(dòng)終端組成。檢測(cè)裝置安裝在5G 基站電量計(jì)量裝置處，在線實(shí)時(shí)檢測(cè)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(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。PDA 移動(dòng)終端安裝APP 軟件，利用藍(lán)牙查驗(yàn)檢測(cè)裝置安裝及測(cè)試是否正確，利用4G 通信模塊上傳并顯示檢測(cè)裝置存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。APP 軟件對(duì)讀取的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析諧波數(shù)據(jù)，自動(dòng)識(shí)別超限的諧波次數(shù)并進(jìn)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(jì)諧波對(duì)臺(tái)區(qū)線損的影響。

1.1 諧波檢測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

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

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

測(cè)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(hào)取樣放大濾波后送入ADC 中，再做FFT 運(yùn)算，算出頻率、幅值、相位、諧波、諧波功率等電參數(shù)，然后將測(cè)量的數(shù)據(jù)上傳到通信板。

通信板包括通信模塊、藍(lán)牙模塊、4G 模塊、TF 卡及存儲(chǔ)電路、Type-C、有源晶振、抗電磁干擾電路，主要負(fù)責(zé)與測(cè)量板的通信，檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過4G 模塊將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)上傳到PDA 移動(dòng)終端，也可通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)上傳到PDA移動(dòng)終端查看實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

通信板通過有源晶振給測(cè)量板每秒發(fā)送測(cè)量同步指令，測(cè)量板收到后開始測(cè)量，等待0.5s 后，通信板主動(dòng)讀取測(cè)量板的測(cè)量結(jié)果，通信板將收到的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，如果PDA 移動(dòng)終端APP 通過4G 模塊（或藍(lán)牙）連接監(jiān)測(cè)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(dòng)終端APP，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量和顯示。

1.2 諧波檢測(cè)裝置檢測(cè)原理嵌入式軟件設(shè)計(jì)

諧波檢測(cè)采用傅里葉（FFT）變換原理，即對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行高速采樣，采用數(shù)字信號(hào)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(jì)算公式計(jì)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(duì)無限長(zhǎng)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行分析處理，在數(shù)字信號(hào)分析過程中，只能將其截?cái)嘧兂捎邢揲L(zhǎng)的離散數(shù)據(jù)。這種截?cái)鄷?huì)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(diǎn)的值來近似代替會(huì)導(dǎo)致柵欄效應(yīng)。故在嵌入式軟件設(shè)計(jì)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(cè)是將電壓電流實(shí)時(shí)采樣后進(jìn)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(shí)功率，進(jìn)行累加得到有功電能量，有功計(jì)量所得出的瞬時(shí)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(shí)，負(fù)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(shí)，也就是負(fù)載產(chǎn)生諧波，全波功率小于基波和諧波的絕對(duì)值之和。

根據(jù)諧波及其功率的檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置嵌入式軟件的軟件框圖如圖3。主要實(shí)現(xiàn)的功能有電壓、電流的ADC 采樣，對(duì)采樣信號(hào)的數(shù)字濾波去除噪聲，對(duì)信號(hào)進(jìn)行窗函數(shù)處理，F(xiàn)FT 變換，經(jīng)計(jì)算公式獲得各次諧波含有率（2 次～50 次）及總畸變率，經(jīng)計(jì)算公式獲得諧波功率，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并接收PDA 終端軟件指令定點(diǎn)上傳檢測(cè)數(shù)據(jù)。

圖3 諧波檢測(cè)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(jì)

PDA 終端：遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)顯示分析。諧波檢測(cè)裝置通常安裝在臺(tái)區(qū)的計(jì)量柜內(nèi)，PDA 終端可隨身攜帶，可在有4G 信號(hào)的區(qū)域隨時(shí)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(cè)裝置采用4G 無線通訊，PDA 終端軟件發(fā)指令，使諧波檢測(cè)裝置定點(diǎn)上傳檢測(cè)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(duì)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(shí)測(cè)曲線進(jìn)行比較，自動(dòng)識(shí)別出超限的諧波電壓和諧波電流次數(shù)，并進(jìn)行報(bào)警。根據(jù)對(duì)諧波功率數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算對(duì)線損的影響，為電能正確計(jì)量提供可靠數(shù)據(jù)分析。當(dāng)需要查看歷史數(shù)據(jù)時(shí)，可在數(shù)據(jù)管理中查詢。

該監(jiān)測(cè)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(duì)，及諧波超限自動(dòng)識(shí)別報(bào)警，諧波對(duì)臺(tái)區(qū)線損的影響分析及引起的線損、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分享等。PDA 終端軟件設(shè)計(jì)框圖如圖4。

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

2 試驗(yàn)與效果分析

2.1 諧波含有率及總畸變率實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)試驗(yàn)

依據(jù)JJF 1667-2017《工頻諧波測(cè)量?jī)x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(shí)驗(yàn)室對(duì)檢測(cè)裝置的諧波含有率和總畸變率進(jìn)行了校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)采用的是標(biāo)準(zhǔn)表比較法，由0.05 級(jí)交流標(biāo)準(zhǔn)源和0.02 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表組成標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Harmonic voltage calibration experimental data

表2 諧波電流校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(cè)裝置測(cè)得值與標(biāo)準(zhǔn)值的比對(duì)，諧波檢測(cè)裝置所測(cè)的諧波電壓含有率、諧波電流含有率及總畸變率測(cè)試準(zhǔn)確，符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將諧波檢測(cè)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(tái)區(qū)計(jì)量箱內(nèi)，由計(jì)量裝置的電壓供電對(duì)5G 基站產(chǎn)生的諧波進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，諧波檢測(cè)準(zhǔn)確，諧波檢測(cè)裝置與PDA 終端通信正常，定點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)，PDA 終端軟件能自動(dòng)識(shí)別超限諧波次數(shù)，為諧波對(duì)臺(tái)區(qū)線損的影響提供了數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

3 結(jié)束語

本文對(duì)公用臺(tái)區(qū)下5G 基站諧波在線檢測(cè)進(jìn)行了研究，根據(jù)對(duì)公用臺(tái)區(qū)下5G 基站諧波測(cè)試的現(xiàn)實(shí)需求，采用諧波參數(shù)檢測(cè)裝置與數(shù)據(jù)處理顯示裝置分開設(shè)計(jì)，檢測(cè)裝置負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，PDA 移動(dòng)終端負(fù)責(zé)諧波數(shù)據(jù)處理、顯示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)論證表明，公用臺(tái)區(qū)下5G 基站諧波在線檢測(cè)能準(zhǔn)確測(cè)量5G 基站用電時(shí)對(duì)公用臺(tái)區(qū)的諧波影響，為諧波治理及諧波對(duì)臺(tái)區(qū)線損的影響提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)檢測(cè)裝置體積小，無需單獨(dú)供電，可存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，安裝后，利用PDA 移動(dòng)終端讀取處理數(shù)據(jù)，自動(dòng)識(shí)別出超出國(guó)標(biāo)的諧波，使用簡(jiǎn)單方便，大大地提高效率，減少人工。