DSP架構應對智能電網諧波污染分析的挑戰

21ic智能電網：在過去，諧波分析儀不僅非常昂貴，而且難以集成到大規模制造的電表中。因此，對電網進行諧波污染分析是一件非常困難的事情，只能偶爾由專業操作員在某些特定位置進行。如今，芯片不僅可以集成更多的信號處理功能，而且尺寸更小、價格更低廉，能夠實現對電網的高效使用和監控。

過去幾十年來，電源系統呈指數式增長，其非線性特性引起了嚴重的諧波污染。這可能帶來多方面的不利影響，例如：電氣設備過熱和過早老化，傳輸線路損耗增加，以及繼電器保護失靈等。因此，業界越來越關注諧波污染問題，并采取了各項措施以實現更好的電網管理。其中，最佳的一個方法是在電網內設置更多的觀測和分析點，并且延長監控時間。隨著智能電表在全世界范圍內的加快部署，滿足上述要求的最佳器件會被用于其中。用于智能電表的ASIC集電能計量特性與諧波分析功能于一身，可能是最適合當下的理想解決方案。請切記，考慮到一塊芯片內要嵌入大量DSP資源，同時又必須廉價、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足所有這些需求的DSP架構解決方案。

基頻估算和頻譜成分提取

電網上不斷變化的負載與相對恒定的發電輸出之間存在一種動態的平衡關系，這導致在負載較高時，主電源頻率會略微降低，而在負載較低時，主電源頻率會略微提高。在電網高度發達并受到密切監控的國家，頻率偏移量相當小，但在電網控制不佳的地區，頻率偏移量可能大到足以影響電氣設備。為此，業界已進行大量研究工作，試圖找到通過優化各種參數，如精度、速度、噪聲和諧波抗擾度等，來實現跟蹤頻率的最有效方法。

就電源系統的安全性、穩定性和效率而言，電網的頻率是與電流和電壓同等重要的工作參數。可靠的頻率測量是有效的進行電源控制、負載減輕、負載恢復和系統保護的先決條件。

檢測和估算頻率的方法有許多種。例如，過零方法通過測量兩個相繼過零點之間的時間間隔來檢測頻率，這種方法的優點是非常容易實現，缺點是精度較低，并且易受諧波、噪聲、直流成分等影響。基于DFT的算法可以利用采樣序列來估算頻率，但它對輸入信號中的諧波非常敏感。針對本文所述的DSP架構，我們考察了一種基于數字PLL的方法，發現它很有效，具有高抗擾度，同時還能提供精確的頻率估算。

圖1所示為標準數字PLL結構及其三個主要模塊。相位誤差檢波器將輸出發送到環路濾波器，環路濾波器進一步控制一個數字振蕩器，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基頻的估算值。控制環路經過優化，在45 Hz到66 Hz的標準電網頻率范圍內可提供最佳的鎖定參數性能。

圖1. 基于數字PLL結構的頻率估算

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。談到采樣系統的頻譜分析，我們自然會想到利用離散傅里葉變換(DFT)這個工具將信號從時域映射到頻域。有多種數值算法和處理架構專門用于實現這種變換，FFT是其中最著名的一種。對比考慮提取的信息量和所需的DSP資源量，每種方法都有其優點和缺點。

有一種交流電源系統理論使用復平面中的相量來代表電壓和電流，該理論與一種以類似格式提供頻譜成分的DFT變化形式相一致。從根本上說，在目標頻率直接實現DFT公式也能達到同樣的效果。但是，為使測量具有實時性，我們采用了一種從DFT公式獲得求和元素的遞歸方法。實施方式有多種(取決于可用的DSP資源)，但必須牢牢控制一個重要方面，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一個計算模塊，該計算模塊以相量形式提供計算結果。針對每個基波頻率和某些用戶可選的諧波頻率，都會提供一對相量(電壓和電流)。有了這些分量之后，我們就可以運用電源理論中的已知方法來提取RMS值和功率。RMS值相當于這些相量的幅度，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。分解電流的另一個正交元素與電壓相乘就得到無功功率。

說到這里，我們要討論一下采用實時方法的可能優點(動機)。例如，這種架構能夠很好地監控變壓器中的浪涌電流。這種電流發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攜帶有用的信息。如果只看總RMS電流，浪涌電流可能會被誤認為短路電流，因而可能錯誤地讓變壓器退出服務。為了識別這種情形，必須獲得二次諧波幅度的精確實時值。當我們只需要幾個諧波的信息時，運用完整的FFT變換可能不是非常有效。

這種有選擇地計算幾個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很好的例子。有時需要特別注意三次諧波的奇數倍諧波(3、9、15、21...)。在接地Y型系統中，當電流在零線上流動時，這些諧波就會成為一個重要問題。它會引起兩個典型問題：零線過載和電話干擾。有時候，零線的三次諧波序列壓降導致線路到零線電壓嚴重失真，致使某些設備發生故障。本文提出的解決方案可以只監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

上述DSP模塊已添加到一個根據基本公式計算總RMS值和功率的現有架構。我們還加入了一個用于計算多個電源品質因數的元件。首先，我們計算諧波失真(HD)，以便根據基波RMS值歸一化所有諧波RMS值。然后，利用總RMS值和基波RMS值，我們根據標準定義計算總諧波失真加噪聲(THD+N)。最后，根據有功功率與視在功率的比值，提取所有功率因數。三個相位并行執行所有這些信號處理，但諧波分析模塊是例外，任一給定時間只能將該模塊分配給某一相位。