基于DSP 的電能質(zhì)量檢測技術(shù)與無功補償測控方法

王元東

（新鄉(xiāng)市萬新電氣有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000）

電能質(zhì)量檢測對于電力發(fā)展十分重要，目前國家電力電子技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對成熟，在我國有了廣泛的應(yīng)用，供電系統(tǒng)內(nèi)部的各類電器在工作過程中很有可能出現(xiàn)電流、電壓畸變，導(dǎo)致出現(xiàn)高次諧波，降低電氣設(shè)備壽命，增加了電網(wǎng)運行過程的網(wǎng)損。新工藝的出現(xiàn)使更多抗干擾設(shè)備進入生產(chǎn)領(lǐng)域，新設(shè)備的注入雖然可以提高電網(wǎng)系統(tǒng)的運行效率，但是也使電網(wǎng)承擔(dān)著更高的負荷，電能質(zhì)量一旦下降會造成嚴重的危害。

針對電能質(zhì)量檢測，相關(guān)學(xué)者進行了較多的研究。凌萬水、劉剛[1]基于ELM 與DWT 的電能研究了質(zhì)量檢測技術(shù)，利用模式識別技術(shù)對電網(wǎng)特征進行選擇，并完成決策，提高了檢測精度。徐艷春、樊士榮、譚超[2]等人提出了基于改進EWT-CMPE 的高滲透率主動配電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動檢測方法，通過經(jīng)驗小波變換確定電網(wǎng)復(fù)雜項目多尺度排列熵，分析不同特征產(chǎn)生的電能質(zhì)量擾動，根據(jù)擾動結(jié)果進行分類，該方法的檢測準(zhǔn)確率相對較高。雖然上述檢測方法都能夠提高檢測效率，但是設(shè)備占用空間較大，需要花費的成本很高，得到的電能質(zhì)量檢測結(jié)果脫離了無功補償控制，導(dǎo)致被檢測到的信息不能得到合理利用。

DSP 芯片內(nèi)部擁有硬件乘法/累加器，能夠在單個周期指令內(nèi)部完成各種不同的運算，提高數(shù)據(jù)傳輸能力，在靈活性、精度、可靠性和集成性上，DSP 芯片都有質(zhì)的飛越，因此該文基于DSP 研究了一種新的電能質(zhì)量檢測技術(shù)與無功補償測控方法，并通過實驗對方法的實際應(yīng)用效果進行檢測。

1 基于DSP的電能質(zhì)量檢測

電網(wǎng)在運行過程中具備實時性特點，因此變化比較多樣，在對電網(wǎng)電能進行質(zhì)量檢測時，必須充分分析動態(tài)無功補償特性，在不破壞數(shù)據(jù)快速運輸?shù)幕A(chǔ)上進行電能質(zhì)量檢測[3-4]。利用復(fù)序列快速傅里葉算法分析電網(wǎng)在運行過程中產(chǎn)生的電壓和電流，通過合成一個完成的復(fù)序列實現(xiàn)電網(wǎng)運算，在運算過程中可能會出現(xiàn)多次諧波，計算三相電壓分析產(chǎn)生的諧波，從而有效減少運算量。DSP 處理器能夠很好地兼顧FFT 算法，確保在運算過程中指令能夠靈活地被引用[5-6]。

對電網(wǎng)內(nèi)部的電流電壓序列進行提取，設(shè)定提取點共有N個，得到的電壓序列表示為u(n)，電流序列表示為i(n)，利用電壓序列和電流序列組成復(fù)序列，如式（1）所示：

其中，x(n)表示得到的復(fù)序列；j表示電流計算次數(shù)[7]。

在DSP 芯片內(nèi)部對復(fù)序列進行離散傅里葉變換，計算公式如下：

其中，X(k)代表x(n)經(jīng)過離散傅里葉變換得到的序列；k表示頻率系數(shù)[8]。對X(N-k)進行共軛處理，得到共軛復(fù)數(shù)為X*(N-k)。

分別得到電壓頻譜和電流頻譜，電壓頻譜如式（3）所示：

電流頻譜如式（4）所示：

在通過編程獲取電能數(shù)據(jù)過程中，需要倒序排列原始數(shù)據(jù)，由于得到的序列為復(fù)數(shù)序列，因此需要進行多次查詢[9]。

為了能夠更好地保證DSP 的工作效果，該文引入了穩(wěn)壓管，保證在工作過程中，產(chǎn)生的電壓不會超過3.3 V。質(zhì)量檢測結(jié)果利用液晶顯示器進行展示，將液晶顯示器與DSP 和單片機直接連接，利用專用指令實現(xiàn)畫面卷動，同時加入觸摸屏，當(dāng)用戶觸摸時，會自動轉(zhuǎn)換并展示結(jié)果[10]。觸摸屏工作原理如圖1 所示。

圖1 觸摸屏工作原理

DSP 與單片機連接確保數(shù)據(jù)能夠進行實時傳輸，與其他的多機通信模式不同，該文啟用了DSP 空閑線多處理器模式，在處理過程中，利用地址位后面的額外線對被處理的幀進行標(biāo)識，明確幀的性質(zhì)，標(biāo)識有兩種，分別是數(shù)據(jù)幀和地址幀[11-12]。

當(dāng)信息啟動時，SCI 被啟動信號喚醒，處理器會自動識別中斷串口，中斷子程序得到的地址能夠與自己的地址進行對比，判斷是否相符，在相符的狀態(tài)下，中斷子程序會自動清除SLEEP 位，確保系統(tǒng)能夠順利接收到發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀；如果發(fā)現(xiàn)地址不相符，則代表發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀不能順利進行通信，因此會被忽略，直接啟動新的模塊。單片機內(nèi)部設(shè)置了多個USB 接口，利用USB 接口順利地實現(xiàn)串口通信[13]。

2 無功補償測控

將DSP 嵌入到靜止同步補償器（STATCOM）中，利用STATCOM 對電流進行間接控制，以交流電壓源的角色確保內(nèi)部產(chǎn)生的交流電壓基波相位和幅值滿足標(biāo)準(zhǔn)值，從而實現(xiàn)交流測電流控制。

在理想狀態(tài)下，電網(wǎng)不會產(chǎn)生損耗，可以將變流器工作過程中產(chǎn)生的有功功率歸為0，理想狀態(tài)變流器輸出電流I對應(yīng)的輸出電壓為UI。但是由于在實際狀態(tài)下會產(chǎn)生損耗，因此，電網(wǎng)內(nèi)部有功功率的相位差不能達到標(biāo)準(zhǔn)的90°。根據(jù)圖1 可知，變流器輸出電流I對應(yīng)的輸出電壓為US，在存有損耗的情況下，US與UI之間的相位差為δ，由此可見，在控制電網(wǎng)動態(tài)實現(xiàn)連續(xù)補償時，只需要改變δ角和輸出電壓的幅值，利用調(diào)整相位差和電壓幅值對電流大小和相位進行調(diào)節(jié)，確保STATCOM 能夠按照系統(tǒng)需求連續(xù)又靈活地向電網(wǎng)發(fā)送或接收無功功率[14-15]。

根據(jù)三角形正弦定理，可以得到公式（5）：

根據(jù)公式（5）可知，在調(diào)節(jié)電網(wǎng)系統(tǒng)直流側(cè)電容電壓過程中能夠很好地保證對STATCOM 的調(diào)節(jié)，從而改變δ角，達到無功補償控制的目的[16]。

在無功補償控制過程中，利用PWM 控制技術(shù)確定電網(wǎng)電流在運動過程中波形的瞬時值，STATCOM輸出的交流電流能夠直接控制電網(wǎng)的指令電流，減少控制過程的諧波含量，提高響應(yīng)速度。該文利用滯環(huán)比較器確定瞬時值，工作原理如圖2 所示。

圖2 滯環(huán)比較器工作原理

根據(jù)圖2 可知，在滯環(huán)比較器內(nèi)部輸入指令，再對STATCOM 內(nèi)部輸出的補償電流并和補償電流指令進行對比，對比結(jié)果標(biāo)記為Δic，從滯環(huán)比較器內(nèi)部輸出驅(qū)動信號，記為PWM，利用驅(qū)動電路進行放大，得到gx，通過gx對STATCOM 主電路內(nèi)部的開關(guān)元件進行控制，達到調(diào)節(jié)補償電流的目的。通過分析瞬時值的波動情況，迅速判斷反饋控制存在的問題，并針對存在的問題作出反應(yīng)，確保反應(yīng)結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于采用瞬時值進行控制，因此對系統(tǒng)的整體運行影響較小，更容易保證系統(tǒng)在運行過程中達到穩(wěn)定狀態(tài)。在無功補償控制過程中，負序電壓會帶來不利因素，利用滯環(huán)比較器在轉(zhuǎn)變?yōu)樨撔螂娏鲿r，無功電流指令能夠在短時間內(nèi)采集到瞬時無功電流，因此即使計算過程中會產(chǎn)生相應(yīng)的負序分量，但是得到的分量依舊是對稱分量。

3 實驗研究

為驗證基于DSP 的電能質(zhì)量檢測技術(shù)與無功補償測控方法的工作效果，從質(zhì)量檢測和無功補償兩方面設(shè)計實驗。

3.1 質(zhì)量檢測效果

利用綠楊YB1639 信號發(fā)生儀提供被檢測信號，檢測實驗環(huán)境如圖3 所示。

圖3 檢測實驗環(huán)境

根據(jù)圖3 可知，內(nèi)部使用了U-U 變換器和I-U變換器調(diào)節(jié)誤差，同時使用CD4046、CD4040 和AD73360 組成采集電路，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路確保采集電路內(nèi)部A/D 轉(zhuǎn)換器的工作精度。采樣信號的頻率為50 Hz，工作幅值為10 V，得到的實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 檢測電壓實驗結(jié)果

根據(jù)圖4 得到測量過程的誤差可知，采樣點共有100 個，采樣過程受到DSP 自身條件的限制，因此得到的曲線并不是十分平滑，這也是該方法存在的缺陷，但是整個采樣過程中連接液晶顯示屏，能夠直觀地顯示出采樣值，更直觀地向用戶展示結(jié)果。由實驗結(jié)果分析可知，當(dāng)采樣電壓的平均測量值為4 800 V，標(biāo)準(zhǔn)值為4 780 V，根據(jù)相對誤差的計算公式可知，測量誤差為0.05 V，由于在實際工作過程中電壓為220 V，該文的工作幅值為10 V，因此220 V電壓下產(chǎn)生的相對誤差為0.05/220=0.027 3%，對電能質(zhì)量檢測結(jié)果已經(jīng)達到0.1 級標(biāo)準(zhǔn)，因此可以證明該文研究的基于DSP 的電能質(zhì)量檢測技術(shù)與無功補償測控方法對電網(wǎng)內(nèi)部有可能產(chǎn)生電壓的信號檢測能力也很好，確保了檢測精度。在分析過程中，該文研究的方法還能夠?qū)懈叽沃C波的信號進行FFT分析，有效滿足現(xiàn)代化電網(wǎng)的精度要求。

3.2 無功補償效果

為驗證該文設(shè)計的無功補償技術(shù)的實際應(yīng)用能力，設(shè)計對比實驗，與傳統(tǒng)的SVC 無功補償測控方法進行實驗對比，實驗電路模型如圖5 所示。

圖5 實驗電路模型

電網(wǎng)的直流側(cè)電容為2 000 μF，產(chǎn)生的電壓為500 V，開關(guān)頻率為5 kHz。補償?shù)碾妷?電流特性實驗結(jié)果如圖6 所示。

圖6 補償電壓-電流特性實驗結(jié)果

根據(jù)圖6 可知，STATCOM 的補償電流與電壓呈現(xiàn)的區(qū)域為矩形區(qū)域，上下寬度相等，而傳統(tǒng)的SVC無功補償測控方法呈現(xiàn)三角形區(qū)域，證明隨著電網(wǎng)電壓的降低，補償能力也隨之降低。

造成這種現(xiàn)象的原因是該文研究的補償方法應(yīng)用STATCOM，在補償過程中能夠同時提供兩種補償，分別是感性補償和容性補償，系統(tǒng)電壓無法影響STATCOM 的過載能力，同時STATCOM 可以實時分析電網(wǎng)內(nèi)部的電壓狀況，并進行實時調(diào)節(jié)，控制輸出電壓幅值和相位，確保提供的無功補償電流和電壓的最大值能夠保持不變。傳統(tǒng)的SVC 補償方法在補償過程中會受到阻抗特性限制，一旦電網(wǎng)電壓降低，SVC 雖然也能夠提供無功補償，但是提供的補償最大電流值也隨之降低，補償效果難以達到要求。

4 結(jié)束語

該文利用DSP 研究了一種電能質(zhì)量檢測技術(shù)與無功補償測控方法。利用快速傅里葉變換和瞬時無功功率分析實現(xiàn)質(zhì)量檢測，應(yīng)用STATCOM 完成無功補償，該文研究的方法利用DSP 提高了FFT 計算的工作效率，確保在檢測過程中通過單指令周期就能夠完成一次運算，檢測和補償滿足實時性要求。該文研究的檢測方法在傳遞過程中，需要將各項參數(shù)反饋給上位機，由上位機完成處理工作，但是該文對于上位機的處理和傳輸工作研究較少，未來需要進一步深入研究。