非线性负荷现场录波计量装置的研制及应用

2022-05-08夏小晴

内蒙古电力技术 2022年2期

李轩，夏小晴

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.内蒙古电力（集团）有限责任公司培训中心，呼和浩特 010010）

0 引言

近年来，电力电子装置类家用电器和电动汽车充电机负荷在用电总负荷中的占比逐年攀升，因此，开展非线性负荷谐波发射水平评估、非线性负荷高精度谐波检测技术研究，对治理谐波污染，提升电力系统运行安全可靠性具有重要意义[1-6]。

目前，针对非线性负荷谐波特性及检测计量的研究仍处在探索阶段，不同类型非线性负荷的谐波评估方法各具特点，尚无一种通用的模型用于建模与分析。现阶段谐波计量方法存在频谱泄漏、计算量大、实时性差、噪声敏感等缺点，本文基于非线性负荷电气特性与谐波源特性，搭建了非线性负荷现场录波计量装置总体架构，设计了非线性负荷现场录波计量装置。测试结果表明，该非线性负荷现场录波计量装置可实现高精度计量和电能质量监测，具备对电压暂态事件进行录波和分析的功能。

1 非线性负荷谐波评估技术路线

针对电力系统非线性负荷种类复杂多样，谐波源特性无法使用通用模型进行描述的问题，本文按照传统大型工业非线性负荷、居民家用电器负荷以及电动汽车充电站非线性负荷进行分类，针对性地提出了非线性负荷谐波评估技术路线。

（1）针对传统大型工业非线性负荷，在理想谐波含有率与整流装置应用场景的基础上，提出按工程经验进行修正的方法。

（2）针对居民家用电器负荷，在对家用电器进行分类的基础上，提出基于递推偏最小二乘的动态自适应谐波建模方法。

（3）针对电动汽车充电站非线性负荷，考虑到多台充电机组成的谐波源组合难以获得数学模型，提出基于径向基函数神经网络的谐波建模方法[7-12]。

2 非线性负荷高精度谐波计量检测方法

2.1 测量原理

在实际的电力系统谐波分析中，由于基波频率和幅值的波动，电力系统信号为非稳态信号，难以通过同步采样方式实现谐波的检测[13-14]。利用加窗插值快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）算法虽然可以在非同步采样情况下提高测量准确度，但该方法对频率分辨率有较高的要求，需要较长的采样序列。这种算法会增加计算量，降低测量效率，更为严重的是，较长的采样序列降低了加窗插值FFT算法的动态响应速度，使其无法及时检测出信号中基波频率等参数的变化。准同步采样方法是在非同步采样情况下，利用插值方法调整采样序列，使得调整后的采样序列近似于同步采样情况下获得的采样序列，从而减小离散傅立叶变换（DFT）的频谱泄漏。针对电力系统信号的基波频率具有波动范围较小（通常在49.8~50.2 Hz）、波动速度较慢的特点，本文提出了基于准同步采样的谐波计量检测方法，算法流程如图1所示。

图1 基于准同步采样的谐波计量检测算法流程Fig.1 Flow chart of harmonic metering and detection algorithm based on quasi-synchronous

2.2 基于准同步采样的谐波计量检测算法

同步采样要求在N个采样序列中正好包含信号的整数个周期（T0），即满足：

式中：Ts为采样周期；Z为某一个整数。对于非同步采样，显然Z不为整数，为使Z仍能取到整数且使等式（1）成立，可调整Ts，设调整后采样周期λs（准采样周期）满足：

式中：L为Z个周期中所包含的非同步采样点的个数。根据式（2）计算出准采样周期λs，并对L个非同步采样点进行间距为λs的等间隔插值运算，获得一组长为L的新采样序列Lλs；由于这组序列正好包含Z个周期，因此将序列Lλs称为准同步采样序列，显然对该序列进行DFT，理论上不会产生频谱泄漏，可以通过DFT结果获得准确的谐波参数。

由式（2）可知，为计算出准采样周期λs，必须先获得信号的周期T0（对于谐波信号，则为信号基波周期）。对于实际的电力系统信号，信号中不可避免地存在间谐波和噪声等干扰，在将采样序列进行准同步化之前，需要对信号进行带通滤波等预处理。

基于准同步采样的谐波计量检测算法的实现过程可如下。

（1）在满足奈奎斯特采样定理的情况下，以固定采样频率对电力系统信号进行等间隔采样。

（2）对采样序列进行带通滤波，带通滤波器的中心频率为50 Hz（对于50 Hz的电力系统），只保留基波信息，滤除其他频率分量。

（3）对滤波信号进行插值运算，计算出信号基波的周期。

（4）根据基波周期的计算值，由步骤（2）计算出准采样周期τs；以τs为间距，对原采样序列进行等间隔插值运算，获得准同步采样序列。

（5）对准同步采样序列进行DFT或FFT运算。

（6）由DFT或FFT的结果计算出基波和谐波的参数。

3 非线性负荷现场录波计量装置总体设计

3.1 总体方案

非线性负荷现场录波计量装置采用“计量芯+ARM”模块化设计方案，主要包括系统电源模块、计量芯模块、管理芯模块以及计量芯与管理芯接口四部分[15]，其总体架构如图2所示。

图2 非线性负荷现场录波计量装置总体架构Fig.2 Overall architecture of on⁃site wave recording and metering device for nonlinear load

3.1.1 计量芯

计量芯采用锐能微科技有限公司三相系统级芯片（SOC）平台RN2026，处理器内核ARMcortex-M0+，在外置32 768 Hz晶体情况下，系统最高主频为32.768 MHz，最大支持256kByte的程序空间，48 kByte RAM；时钟域独立供电，典型功耗1.5μA；4路复用的逐次逼近寄存器型模数转换器（SAR ADC），外加8路复用的GP-ADC（可用于时钟电池电压检测及端子排温度测量）；5路串行外设接口（SPI）（4路主从模式，1路从模式），其中计量芯与管理芯需要两路SPI，外部存储器闪存需要一路SPI接口。计量芯硬件组成见图3所示。

图3 计量芯硬件组成Fig.3 Hardware composition of metering core

3.1.2 管理芯

为了方便进行法制计量与非法制部分型式评价阶段的功能审查，管理芯也采用模块化设计方案，基本架构见图4。

图4 管理芯基本架构Fig.4 Basic architecture of management core

管理芯承担非线性负荷现场录波计量装置的费控、对外通信、事件记录、数据冻结、负荷识别、电能质量管理等任务[16]，支持软件升级。管理芯与外部通信单元之间通过UART接口进行数据交互；计量芯的采样原始数据通过SPI总线传输给管理芯，用于负荷识别、电能质量管理等高级应用；计量芯的非采样原始数据则通过UART接口与管理芯进行数据交互。管理芯的电量、时钟数据以计量芯为基准实时同步。管理芯内嵌的安全模块采用加密保护方式进行身份认证、对传输数据进行加密保护和MAC认证，做到数据机密性和完整性保护，有效防止非法操作。

管理芯选用STM32L471VG平台，处理器的内核为ARMcortex-M4，最高主频为80 MHz，最大可支持1 MByte的程序空间，128 kByte RAM；6路UART接口,最大速率超过200 kByte/s；4路SPI接口，最高速率同系统主频；最大可支持81路GPIO，芯片封装LQFP100。

3.2 规格及性能指标

非线性负荷现场录波计量装置基本参数如表1所示。

表1 非线性负荷现场录波计量装置基本参数Tab.1 Basic parameters

4 非线性负荷现场录波计量装置现场试挂

非线性负荷录波装置现场试挂前，在智能电能表动态误差测试装置上按照IR46标准进行了全面性能测试[7-8]，测试结果表明，该非线性负荷现场录波计量装置具有以下功能特点。

（1）可实现IR46标准测试项目的误差测试和准确计量。

（2）可实现对非线性负荷电能质量的实时监测与暂态事件异常录波。

（3）能够实时监测和检测动态负荷变化，可实现对稳态功率电能方式、激励动态负荷模式（OOK调制）、功率慢速随机波动方式（短M序列）、快速随机波动方式（长M序列）四种负荷波动方式的准确计量，为现场应用奠定了坚实基础。

为测试非线性负荷现场录波装置现场实际运行情况，选取某市电动汽车充电站开展了现场试运行工作，对充电桩非线性负荷进行现场录波，验证装置对电能质量的监测功能。该试点充电桩由4台最大电流为32 A的220 V、7 kW交流挂壁式充电桩组成，并接入一个配电柜，配电柜内安装一块三相四线制电能表（用于充电桩的用电计量和计费），本次试挂时将原有的三相表换成了本文开发的非线性负荷现场录波及计量装置。

安装在充电桩现场的非线性负荷现场录波计量装置，通过RS485总线接口与PC机上的上位机进行通信抄读数据，数据抄读和测试结果截图见图5—图14。该装置在现场试运行2个多月，设备运行稳定，抄读成功率达100%；数据召测和非线性负荷谐波、电压暂态事件现场录波等电能质量监测功能测试全部成功；可以进行非线性负荷用电设备的现场录波和电能质量的监测分析，以及高精度的非线性负荷计量，能进一步提高电网的非线性负荷计量精度和对电能质量的监测和评估，具有较高的实用性。