基于軟硬件協同優化的高精度計量方法

王永貴， 劉柱， 黃呂超， 鄧思陽

(國網信息通信產業集團有限公司信通研究院， 北京 100051)

為加快能源綠色轉型，國家提出碳達峰、碳中和目標及構建具有更強新能源消納能力的新型電力系統，大力發展風電、太陽能等新能源，而大規模分布式電源接入給配電系統帶來更多不確定性因素，使系統運行方式更復雜，分布式電源強度波動性大、隨機性強，導致輸出功率穩定性差，造成電網電壓波動，給電量計量和電能質量分析帶來新的挑戰[1-4]。

通常電量計量采用單向或三相電子式電能表，國外電子式多功能電能表大部分采用計量芯片[5-7]，如ADI公司的ADE9000、ST公司的STPM32T、TI公司的LM25056、MICROCHIP公司的ATM90E26等。國外公司的電量計量產品覆蓋了從中低端到高端應用，其中瑞士蘭地斯公司(LANDIS & GYR)、德國西門子公司(Siemens)、ABB 公司、法國斯倫貝謝公司(Schlumberger)和法國配電公司(Electricity Network Distribution of France)等生產的電能表在計量領域取得了較好的效果。文獻[5]提出了基于物聯網技術的智能電表的硬件系統實現方案，采用NB-IoT模組和高性能多相電能計量芯片ADE9078實現電能量計量功能。文獻[6]提出了基于ADE7755單相表計量芯片與NRF24L01無線模塊相集合的區域電量計量系統，實現多點電量監測功能。文獻[7]設計了一種以ADE9153B為核心的智能電量計量裝置，并可采用物聯網協議將數據傳輸至云端。近些年，國內計量芯片公司已取得了長足的進步[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等型號在國內電子式電能表領域廣泛應用。文獻[8]提出了基于ATT7022E的智能電表硬件設計方案。文獻[9]基于HT7032開展了智能表能表設計，并進行了可靠性分析。文獻[10]設計了一種基于RN8032和python的電能測控系統，實現對電能使用情況的監測。文獻[11]提出了一種基于HT7038專用計量芯片的智能三相表計量模塊設計方法。目前電能表多采用計量芯片方案，并兼容了部分電能質量分析功能[12-15]，而在高精度計量場景，通常采用模數轉換(analog-digital conversion，AD)芯片的方法設計計量裝置，例如變電站關口表。文獻[15]提出了一種基于AD7606芯片的電能質量在線監測裝置設計，實現對電能質量的監測。

隨著高比例新能量廣泛接入電網，在高精度計量和電能質量分析方面對電能計量裝置提出了更高的要求，需同時滿足0.2S級計量精度和豐富的電能質量分析功能。此外，在計量芯片中電能質量分析功能有限，無法對采樣頻率、單周波采樣點、諧波分析等參數動態調整，不能滿足電能質量標準要求[16-17]。因此，采用通用計量芯片方案無法實現以上數據分析處理要求，在電量計量芯片的硬件設計方法和電量質量監測裝置設計方案的基礎上，現提出一種基于軟硬件協同優化的電能計量裝置設計方法，不僅滿足高精度電能計量功能需求，而且可實現靈活分析電能質量的功能，以適應新能源接入對電量計量裝置的新需求。通過軟硬件優化設計，提出一種面向新能源接入的電能計量方法，通過微處理器控制AD芯片實現對采樣頻率、單周波采樣點等參數的動態調整，以適應高精度計量和電能質量分析的需要。利用優化模擬前端電路設計，實現信號的動態準確采集，結合相位補償、擬合校準等算法，實現電能高精度計量。最后，通過試驗驗證該裝置的計量有效性。

1 硬件系統設計

為保障設計的靈活、可擴展和快速迭代性能，計量裝置采用模塊化設計思路，將整個系統分為采集部分和控制部分。采集部分主要實現信號采集、電能計量、電能質量分析等數據采集與處理功能，控制部分主要實現數據顯示、上傳、對外控制等功能，兩部分通過串口通信，實現數據和指令的上傳下發。

從硬件設計角度分析，計量裝置分為控制板和采集板，如圖1所示。控制板以國產微處理器為核心，控制顯示屏、指示燈、485接口等外設，實現對外操作與通信。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、電壓信號通過模擬前端電路、AD芯片轉換傳送到微處理器(microcontroller unit，MCU)中，并結合相位補償等算法，得到多個整周波的電流與電壓同步采樣信號，利用電量計量和快速傅里葉變換算法，實現高精度計量和電能質量分析。

圖1 硬件系統架構圖Fig.1 Hardware system architecture diagram

模擬前端信號處理是整個裝置設計的關鍵[18]，采用國產零磁通互感器+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，利用運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，經過信號調理電路，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發送定頻采樣信號，可控制AD芯片數據轉換，并通過串行外設接口(serial peripheral interface，SPI)通信直接將AD芯片轉換數據發送給微處理器，此處，設計了信號過零檢測電路，通過硬件鎖相環，可實現整周波固定采樣點的方式采樣；微處理器負責數據采集和計算，考慮到模擬前端電路引起的電流、電壓信號相位偏移以及電能質量分析需求，對采集波形數據進行濾波、拼接、相位補償等處理，保證計量高準確度和靈活的電能質量分析功能。

IA+和IA-表示電流接入時的方向；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 模擬前端信號處理電路設計Fig.2 Design of analog front-end signal processing circuit

2 電量計量算法

2.1 基于插值法的電流相位補償方法

由于互感器及模擬采樣電路硬件設計及器件的影響，導致AD芯片采集到的電流、電壓信號之間存在相位偏差，從而造成計算正反向功率和電能量時偏差較大，因此需進行電流、電壓相位補償，使其達到相位同步[19-21]。

MCU以固定頻率向AD芯片發送開始采樣信號，通過高精度采樣后，MCU存儲一定長度的信號波形數組(保證1個完整波形數據)，通過判斷波形數據從負到正的變化，檢測出波形過零點，依次內推，可獲得電流、電壓在存儲波形數組中的過零點位置。由于電流、電壓數據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的存儲波形數組中過零點對應的波形數組序號，來計算電流電壓信號的頻率、相位及相位差。

假設以16 kHz頻率進行采樣，將超過1個完整周期的數據保存到大小為600的數組，通過對數組進行遍歷，判斷當a[i-1]<0且a[i]>0時，a[i]為波形數組中的過零點。通過以上方法可得到至少兩個過零點，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，計算準確的過零點a[i′]和a[j′]。

(1)

由于以定頻采樣，假設采樣點間隔時間為Tinter，則頻率利用過零點計算可表示為

(2)

通過式(2)可計算得到三相電壓頻率，同時基于不同通道的差值過零點(如a[i′]和a[k′])，計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電流相位造成的偏差情況。

針對以上偏差進行相位補償，比如對應的電壓、電流通道的過零點分別為a[i′]、b[k′]，直接利用移點法將引入過零點檢測誤差，移點法實現的相位補償最小值為兩個相鄰采樣點對應的相位值，這種方法不適用于高精度計量。在插值法過零點檢測的基礎上，計算差值過零點對應的準確偏差，對相位補償的數據波形進行插值對齊，重建波形，如出現前后波形不足，可利用超出1周波的數據插值補齊。然后再利用移點法，進行數據對齊，實現電流、電壓相位對齊。

假設已經插值過零點為a[i′]、b[k′]，且b相數據整體滯后于a相，則首先對b相數據按照a相的分布進行插值計算，k′處為b相的差值過零點，按照a相的采樣分布，計算b相在k′+(i-i′)和k′-[i′-(i-1)]兩個位置的信號值，可分別對k′+(i-i′)和k′-[i′-(i-1)]前后取整，比如k′+(i-i′)前后取整后對應的位置為k1和k2,則可以得到在k′+(i-i′)處對應的波形數據。

b[k′+(i-i′)]=

b[k1]+[k′+(i-i′)-k1]×

(4)

此處可以利用線性差值直接計算，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)]]對應的數值，此時得到的a相和b相數據相位差精確的采樣間隔的整數倍，可通過對應點平移，實現b相和a相的完全對齊，進而通過插值法完成高精度采集信號的相位準確補償。

2.2 計量數據計算

電能量計量算法是利用電流電壓相位對齊后的波形數據，計算電壓電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率以及對應的電能量信息。

電壓、電流的瞬時表達式為

(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、電壓有效值計算通過對整周波數據平方，再求平均值獲得。

(6)

式(6)中:N為整周波的采樣點數；u[n]和i[n]分別為第n個時間間隔的采樣瞬時值。

2.2.1 有功功率

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

(7)

式(7)中：T為每周波的周期。

2.2.2 無功功率

采用Hilbert數字濾波器算法實現無功功率測量，對整周波采樣且采樣點滿足2n條件的數字波形通過Hilbert數字濾波器進行移相濾波，然后再采用移相后的電流、電壓瞬時值相乘的方法計算無功功率[22]。

圖3 基于Hilbert變換的無功功率計算流程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為

(8)

幅值和相角分別為

(9)

通過Hilbert變換設計Hilbert數字濾波器，使電壓信號通過濾波器得到-π/2的信號u′[n]，再計算無功功率，公式為

(10)

Hilbert數字濾波器算法直接對輸入電壓或電流進行移相濾波，對無功功率進行單獨的測量，避免了均方根三角算法中計算電壓有效值、電流有效值和有功功率帶來的誤差，又對各次諧波進行了-π/2的移相，相比采樣點平移測量算法，改善計算精度。

2.2.3 視在功率

電壓與電流產生的視在功率的表達式為

S=UrmsIrms

(11)

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

S3=UArmsIArms+UBrmsIBrms+UCrmsICrms

(12)

2.2.4 電能量計算

依據計算出的有功功率及無功功率等，對其在一段時間內做積分運算，即可得到相應的電能量。對于接入的負載在[t1,t2]時間段內，其電能表示為

(13)

2.3 基于數據擬合的功率補償校準方法

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

(14)

可得

(15)

通過上述數據擬合計算，可創建實際功率值和理論功率值之間的補償關系，從而得到高精度計量結果。

3 仿真及實驗

3.1 實驗數據

搭建計量精度驗證實驗平臺，利用高精度三相電能表校驗裝置(Fluke)、研發的計量裝置以及通過串口連接的電腦搭建試驗環境，高精度三相電能表校驗裝置(準確度等級0.05)用于提供三相電流、電壓信號，同時與計量裝置的電能脈沖輸出連接，檢測計量裝置的脈沖輸出信號。同時，計量裝置通過串口實時輸出有功、無功、視在功率，將數據直接保存到電腦上。

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

此外，針對計量裝置，分別選取不在擬合校準點的電流、電壓值，通過校表裝置連接的計量脈沖信號，記錄在不同電流電壓值處對應的電能量精度。

3.2 實驗結果

經實驗可得，不同信號條件下的有功、無功、視在功率與理論值偏差如圖4所示。

實驗結果可知，提出的高精度計量算法在3～1 200 mA電流范圍內，有功計量精度較高，優于0.2S級三相智能表通用技術規范要求。同時改變電流、電壓、相位參數，進行有功計量精度驗證，得到如表1所示數據。

由表1可知，該計量裝置在不同電流電壓相位參數變化的條件下，正反向有功計量精度測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試Table 1 Results of the electric energy accuracy test under different current and voltage conditions

4 結論

研究了基于AD芯片+微處理器的計量系統，提出了國產零磁通互感器+多通道高精度AD芯片+微處理器的計量模塊硬件設計方案，保證電流、電壓信號的高精度采集。提出了基于插值法與移點法結合的高精度相位補償方法，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、視在功率等計量參數。此外，考慮到電能計量數據誤差，提出了基于數據擬合的計量功率補償方法，提升功率準確度和計量精度。最后搭建實驗平臺，驗證所提出方法的有效性。

所提出的方案相對于計量芯片，計量數據處理更加靈活，可根據需求設置不同采樣頻率、采樣點等參數，能夠更加適應電能質量分析，提供靈活數據處理。實驗對所提出的計量精度進行了初步分析和驗證，接下來將進一步優化硬件設計和軟件算法，同時研究環境影響下電能計量誤差補償算法，提升計量可靠性、穩定性。

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