能源互聯網下電能計量系統改進技術研究

周文斌，靳 陽，劉士峰，程鵬申，解進軍

(國網北京市電力公司電力科學研究院,北京 100000)

0 引言

隨著互聯網技術的高速發展、新能源技術的不斷開發，市場對電能計量技術提出了更高的要求。目前市場上充電樁普遍使用三相交流變頻電源，比如艾諾儀器的120 kW的ANFC120T。這些電源需要把三相電網的電壓整流為直流后，通過正弦脈沖寬度調制(sinusoidal pulse width modulation，sinusoidal PWM)變頻控制技術，實現三相正弦波變頻輸出逆變成三相交流信號。電源設備需要真實輸出120 kW的實際功率。傳統的電能計量不能夠精確地檢測電能用量，會造成電能浪費。

針對上述問題，相關學者已有相應的研究。文獻[1]的直流表外附分流器的電能計量技術可以完成自動測量、自動記錄、自動判斷測量結果等功能，能夠通過一體化管控平臺的接口傳送檢測系統和被檢樣品的試驗數據。但該電能計量技術的精確度不高，可能造成能源的浪費。文獻[2]的交直流外加納伏表的電能計量技術能夠準確計量和分析直流紋波、交流諧波等計量特性，還能夠對應用系統的計量性能、能量轉換效率進行評價。但該電能計量技術存在精確度較低的問題，不能準確計算能源的利用情況。

針對上述文獻中存在的問題，本文對電能計量技術進行改進，研究了在互聯網下基于高精密傳感器的電能計量系統。該系統能夠在實驗室環境下實現電能計量、傳導充電互操作性測試以及對標準直流分流器進行檢定和校準，大大提高了能源互聯網下電能計量技術的計量能力。

1 電能計量系統的改進設計

能源互聯網下電能計量技術系統包括交流供電插座、電源模塊、電壓互感器、模數(analog to digital,A/D)轉換電路、BF609芯片及其外設、鍵盤、顯示器、 電源變換、參考電壓、功放開關電源、開關功率放大器、數字同步跟蹤放大器[3]。

系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Overall system structure diagram

在具體工作中，交流供電插座為連接到三相電網的200 A插座。交流供電插座為本測試電源的輸出插座。電源模塊采用±15 V 和 5 V輸出的開關小電源，電流輸出為2 A。電壓互感器輸出端分別記作6a、6b、6c 。電壓互感器為0.02級，變比為220∶1，也就是220 V的電壓輸入、1 V的二次電壓輸出。其帶負載能力為5 mA。通過固定電壓輸出芯片REG1117F-1.8，將電源變換器12轉換為5轉1.8 V的線性穩壓模塊，把5 V的電源轉換為1.8 V電源供BF609和A/D轉換器使用[4]。

在具體工作過程中，參考電壓由芯片ADR441B輸出2.5 V的電壓值，溫度漂移優于3×10-6。A/D轉換電路采用24 bit的8個通道嚴格同步。sigma-delta A/D轉換器為ADS1278，積分誤差典型值為±0.000 3%，最大采樣率為128 KS/s。

在具體工作過程中，電壓互感器輸出端子6a、6b、6c，把三相交流電壓信號縮小220倍后，輸入到A/D轉換電路的3個通道上。 BF609及其外設控制A/D轉換電路，以12.8 KS/s的采樣率連續不斷地采集電壓波形值，計算電壓幅值，并與設定值進行比較。兩者之間的差值通過SPORT123口輸出到數字同步跟蹤放大器上。開關功率放大器輸出和設定值保持一致。

2 基于FFT和DSP的諧波電能計量技術

本文研究的諧波電能計量技術，采用的是基于快速傅里葉變換(fast Fourier transform，FFT)和數字信號處理(digital signal processing，DSP)的改進算法。FFT算法在具體應用中存在泄漏效應和柵欄不足等問題。本研究對FFT算法進行了改進，在原有算法的基礎上加入了窗函數。為了提高FFT能力，本文使用合適的窗函數，將輸出輸入的信號進行斷開，即對時序信號實行特定的不等加權，使斷開的街區端整齊，從而提高電能計量的Nuttall窗時域精確度。本文采用的窗函數是Nuttall窗[5]。

Nuttall窗是一種余弦組合窗，作用是消除旁瓣泄漏。想要較好地阻止鄰近泄漏，需要使窗函數擁有最小的旁瓣。因此，所加窗函數需盡量最小，以便減小頻譜誤差，使旁瓣的衰減速度達到最快[6]。

要實現本文所研究的諧波電能計量，本研究需進行以下3個步驟。

(1)對電能輸出信息進行提取。提取到的電能計量的Nuttall窗時域表示為：

(1)

式中：M為窗函數的項數；bm為滿足式(2)的條件。

(2)

Nuttall窗函數的系數如表1所示。

表1 Nuttall窗函數的系數

Nuttall窗函數的旁瓣特性如表2所示。

表2 Nuttall窗函數的旁瓣特性

由表2可得以下結論。

①3項1階Nuttall窗函數的旁瓣衰減速率只有6 dB/oct。

②3項最小Nuttall窗函數的旁瓣峰值電平最低為-71.49 dB。

③4項1階Nuttall窗函數的旁瓣衰減速率為18 dB/oct。

④4項3階Nuttall窗函數的旁瓣衰減速率最大為30 dB/oct，并且旁瓣峰值電平可達-82.60 dB。

⑤4項最小Nuttall窗函數的旁瓣峰值電平為-98.20 dB，而旁瓣衰減速率達到了最小的6 dB/oct。

綜上所述，使用FFT算法對諧波電能進行計量時，干擾諧波的兩個重要因素是旁瓣衰減速率和旁瓣峰值電平。為了使干擾性減小，本文選用4項3階Nuttall窗函數對FFT進行加窗處理[7]。

(2)基于改進FFT算法的電能計量參數的計算。

對電壓、電流進行有效值計算，分別定義為：

(3)

(4)

式中：T為信號周期；N為每個周期的采樣次數；u(tn)為FFT后的基波信號；i(tn)為FFT后的次諧波信號。

第k次諧波電壓有效值為：

(5)

式中：Uk為基波信號；Re為復數uk(n)的實部；Im為復數uk(n)的虛部。

第k次諧波電流有效值為：

(6)

式中：Ik為次諧波信號，k=0時其表示直流分量，k=1時其表示基波分量[6]。

有功功率的定義為：

(7)

第k次諧波有功功率為：

Im[uk(n)]Im[ik(n)]}

(8)

式中：Pk為諧波有功功率，k=0時其表示直流分量，k=1時其表示基波分量。

視在功率、功率因數的定義如式(9)、式(10)所示。

S=U×I

(9)

式中：S為視在功率。

(10)

式中：cosφ為功率因數。

k次諧波視在功率為：

Sk=UkIk

(11)

k次諧波功率因數為：

(12)

在電路計算或者運行過程中，功率因數對電能質量會產生一定的影響。本文通過計算電壓有效值、電流有效值和有功功率，并根據式(11)、式(12)計算出視在功率、功率因數，能夠實現電能計量的精確計算[7]。

對電能計量進行計算時，有功電能量即瞬時有功功率不斷累加：

(13)

式中：E為電能；P為有功功率。

無功電能量即瞬時無功功率不斷累加：

(14)

式中：Q為無功功率。

綜上可知，瞬時有功功率和無功功率對電能計量的計算非常關鍵。

(3)基于DSP的電能計量的實現。

本文采用DSP芯片進行數字信號處理。DSP使用的是定點計算，計算出的數據是十分精確的。本文采用ST9500裝置產生標準電壓、電流信號，通過A/D轉換進行信號的調理和采樣，運用以TMS320F28335處理器為核心的DSP電能計量對各電能參數進行計算[8]。

3 試驗結果與分析

為了驗證本文研究的電能計量技術的精確性，本文進行了大量的相關試驗。本試驗利用的是電動汽車充電樁的數據庫，搭建試驗平臺的試驗環境為Microsoft Visual Studio，主機配置為雙核8.0 GHz，內存為4 TB，試驗數據類型為.txt。

本試驗需要驗證的項目有電能計量特性、傳導充電互操作性和通信協議一致性。

為了驗證本研究的優勢，本文需將測得的試驗結果與直流表外附分流器的電能計量技術、交直流外加納伏表的電能計量技術所得的結果進行對比。

本文在Microsoft Visual Studio中搭建平臺，使用電動汽車充電樁數據庫中的部分數據對試驗平臺進行訓練，利用數據庫中的另一部分數據進行試驗。此次試驗是以誤差為標準進行對比。試驗中得出的基波有功電能測算誤差如圖2所示。

圖2 基波有功電能測算誤差Fig.2 Fundamental actrive energy measurement error

由圖2可知:本試驗所研究的基于高精密傳感器的電能計量技術的基波有功電能相對誤差都小于0.001；直流表外附分流器的電能計量技術基波有功電能相對誤差最低為0.001，最大達到了0.004 8；交直流外加納伏表電能計量技術所測得的誤差數據為0.000 8，最高為0.006。由此可見，本文研究的基于高精密傳感器的電能計量技術基波有功電能測算誤差最小[8]。

為了驗證本文研究的基于高精密傳感器的電能計量技術的測量精度，本文對諧波有功電能測算也進行了誤差分析。

諧波有功電能測算誤差如圖3所示。由圖3可知：本文研究的基于高精密傳感器的電能計量技術的諧波有功電能測算誤差最小為0.04，最大為0.42；直流表外附分流器的電能計量技術測量諧波有功電能相對誤差最小為0.1，最大為0.59；交直流外加納伏表電能計量技術所測得的諧波有功電能測算誤差最小為0.07，最大為0.6。由此可見，本文研究的基于高精密傳感器的電能計量技術測量諧波有功電能的平均誤差最小。因此本文研究的電能計量技術精確度最高。

圖3 諧波有功電能測算誤差Fig.3 Harmonic active energy measurement error

綜上所述，本文經過2次試驗的測試，并對誤差進行分析驗證，可得到基于高精密傳感器的電能計量技術精確度最高。

4 結論

隨著新能源的不斷開發，為了避免能源的不必要浪費，本文提出了改進型電能計量技術。該技術采用接線式精密交直流電流傳感器，通過該傳感器將5～45 kHz頻率范圍內標稱為100 A的交流電流轉換為1 A的標稱直流電流，進而實現不同高低電流之間的轉換。通過采用高精密直流電流分流器，本文實現分流器檢測和校準的高準確率。本文通過FFT和DSP改進算法實現諧波電能信息的計量與計算，再通過已實現的諧波電能計量，基于FFT和DSP實現數據信息的計算。本文還研究了基于FFT和DSP改進算法的諧波電能計量，并對FFT算法進行改進，在原有的算法基礎上加上了窗函數。在進行FFT之前，本文對時序信號實行特定的不等加權，使斷開的街區端整齊。本文通過采用Nuttall窗函數，能夠消除旁瓣泄漏，以便減小頻譜誤差，使旁瓣的衰減速度達到最快。本文提高了諧波電能計量能力，實現了對諧波電能的精確計算。但是本文還存在技術不完善，如計算的時效性不高以及諧波測算誤差較大等問題，仍需對這些問題進行進一步的深入研究。