自适应实时DSP架构用于监测电网中的谐波成分和各种电能质量因素

过去，谐波分析仪价格昂贵，难以集成到大规模制造的仪表中。因此，电网的谐波污染分析很困难，只能由训练有素的操作员不时在特定位置进行。如今，在更小、更实惠的芯片中集成更多的信号处理可以提高电网的高效使用和监控能力。

在过去的几十年里，我们经历了具有非线性特性的电源系统的指数级增长，这些非线性特性会导致严重的谐波污染。这可能会导致一些不利影响，例如电气设备的过热和过早老化、传输线路的额外损耗以及保护继电器的故障，仅举几例。

因此，人们越来越关注并努力实现更好的电网管理。最好的方法之一是在整个网格中放置更长的观察和分析点。满足这些要求的最佳设备可能是目前在世界各地加速部署的智能电表的一部分。这些电表的ASIC将电能计量功能与谐波分析功能相结合，可能是在正确的时间的正确答案。请记住，在考虑需要嵌入硅片中的DSP资源量时，频谱分析并非易事，硅片仍然需要便宜、小巧且功耗低，我们将讨论一种DSP架构解决方案，试图满足所有这些需求。

基频估计和频谱分量提取

电网上不断变化的负载与更恒定的发电输出之间的动态平衡可以在高负载时将初级工频拉得略低，或在负载下降时拉得略高。在电网发达、受到严密监控的国家，频移量相当小，但足以影响电网控制不佳地区的电气设备。这导致了大量的努力和研究，以找到基于优化各种参数（精度、速度、噪声和谐波抗扰度等）的最有效频率跟踪方法。

对于电力系统的安全性、稳定性和效率，电网的频率与电流和电压一样重要。可靠的频率测量是有效功率控制、减载、负载恢复和系统保护的先决条件。

有许多方法可以检测和估计频率。例如，过零方法通过测量两个连续过零点之间的时间间隔来检测频率。这样做的优点是很容易实现，但缺点是精度低，对谐波、噪声、直流分量等的影响敏感。基于DFT的算法可以使用采样序列来估计频率，但它对输入信号中的谐波非常敏感。对于这种DSP架构，研究了一种基于数字PLL的方法，证明该方法高效且高度抗噪声，同时还提供了非常精确的频率估计。

标准数字PLL结构及其三个主要模块如图1所示。相位误差检测器将输出发送到环路滤波器，环路滤波器进一步控制数字振荡器，以最大限度地减小相位误差。因此，最终可以获得估计输入信号基频的值。控制环路经过优化，可在标准电网频率范围内提供最佳的锁定参数性能：45 Hz 至 66 Hz。

图1.基于数字PLL结构的频率估计。

一旦我们知道要从频谱中提取的分量的精确频率，我们就可以研究各种选择。当谈到采样系统中的频谱分析时，我想到了离散傅里叶变换（DFT）作为将信号从时间映射到频域的工具。有多种数值算法和处理架构专门用于其实现，其中FFT是最著名的。在考虑提取的信息量与所需的DSP资源量时，它们中的每一个都有优点和缺点。

在复平面中使用相量来表示电压和电流的交流电源系统理论将与以类似格式提供频谱分量的DFT变体非常匹配。基本上，以感兴趣的频率直接实现DFT公式将做到这一点。但是，为了给出测量的实时特征，采用了一种递归方法来从DFT公式中获取求和元素。有几种方法可以做到这一点（取决于可用的DSP资源），但需要控制的一个重要方面是尽量减少频谱泄漏和噪声引起的误差。

图2显示了光谱成分提取工作原理的框图。

图2.提取基波和谐波频谱分量。

某一相位的采样电压和电流以及基频值通过计算模块，该计算模块以相量形式提供结果。对于每个基频和一些用户可选的谐波频率，将提供一对相量（电压和电流）。有了这些组件，我们可以应用电功率理论中的已知方法来提取均方根值和功率。均方根值等效于这些相量的大小，而视在功率等于这些大小的乘积。通过将电流相量直接投影在电压上并将两者相乘，我们可以得到有功功率。分解电流的另一个正交元件再次乘以电压，得到无功功率。

在这一点上，我们应该提到采用实时方法的可能优势（动机）。例如，这种架构可以很好地监测变压器中的浪涌电流。这些电流发生在变压器通电期间，由磁芯的部分周期饱和引起。幅度最初为额定负载电流的2×至5×（然后缓慢减小），并且具有异常高的二次谐波，第4次和第5次谐波也携带有用的信息。仅通过查看总均方根电流，浪涌电流可能会被误认为短路电流，并且变压器可能会错误地停止使用。因此，获得二次谐波幅度的准确实时值对于识别这种情况非常重要。当我们只需要几个谐波的信息时，应用完整的FFT变换可能不是很有效。

所谓的三透镜是另一个很好的例子，说明为什么这种计算选择性谐波分量的方法可能比FFT方法更有效。这些是三次谐波（3，9，15，21...）的奇数倍数，有时需要特别注意。对于电流流在零线上的接地星形系统，它们成为一个重要问题。两个典型的问题是中性线过载和电话干扰。有时，某些设备会发生故障，因为中性导体中的三次谐波压降严重扭曲了线路到中性线的电压。所提出的解决方案可以仅监测零线电流和所有相电流的总和上的这些谐波。

顶级 DSP 架构

之前介绍的DSP模块已添加到现有架构中，该架构根据其基本公式计算总均方根值和功率。我们还包含一个计算多个电能质量因数的元素。首先，我们计算谐波失真（HD），作为将所有谐波均方根值与基波均方根值归一化的一种方式。然后，通过使用总和基均方根值，我们根据标准定义计算总谐波失真加噪声（THD+N）。最后，将所有功率因数提取为有功功率与视在功率的比率。正如我们在图3中观察到的，所有这些信号处理都是针对三个相位并行完成的，除了谐波分析模块，该模块只能在给定时间分配给某个相位。

图3.顶级 DSP 架构。

谐波功率因数的计算可以确定电网中谐波源的位置。虽然业界仍在争论定位主要谐波源的最佳方法，但经典方法之一是基于“有功功率流的方向”。这意味着知道系统一个或多个点中特定谐波频率下的有功功率符号。用失真电压供电的线性负载为每个谐波消耗有功功率，而如果非线性元件存在于客户端，则该功率将提供给网络。这是通过测量污染谐波的电压和电流的相位角，然后计算它们的差值来确定的。对于这种架构，这不再是必需的，因为谐波功率因数可以提供该信息。

该 DSP 架构已成功用于具有以下硬件资源的三相电能计量器件：单 MAC 架构，工作时钟频率为 16 MHz，采样信号为 8 kHz，数据存储器为 1k 字。连续计算所有三相的基本测量值，而谐波分析仪可以从给定相位（A、B 或 C）连续提取三个随机谐波值。该架构是可扩展的，并且根据电网中已知的一组运行条件优化了一些性能参数。

不能一次提供所有谐波值可能看起来是一个缺点，但我们需要记住，从准平稳现象的角度来看，电网上的谐波污染最为重要。事实上，对于工业和商业负载，建议至少分析一周的谐波污染，并应避免任何零星的测量。利用这些前提，这种架构的多功能性允许通过扫描所有三相上所有可用的谐波成分来实现类似FFT的结果。

结论

过去，谐波分析仪价格昂贵，难以集成到大规模制造的仪表中。因此，电网的谐波污染分析很困难，只能由训练有素的操作员不时在特定位置进行。在小型且经济实惠的芯片中集成更多的信号处理有可能从根本上改变这一点，并为更有效地理解和使用电网开辟道路，这将使公用事业和消费者受益。

审核编辑：郭婷