自適應(yīng)陷波濾波器抽油機專用電表研究

焦裕璽，黃鶴松，孫 東，馬 坤，劉向東，肖志勇

（1.山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.勝利油田技術(shù)檢測中心，山東 東營 257000）

自適應(yīng)陷波濾波器抽油機專用電表研究

焦裕璽1，黃鶴松1，孫 東2，馬 坤2，劉向東2，肖志勇2

（1.山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.勝利油田技術(shù)檢測中心，山東 東營 257000）

為保證抽油機在運行過程中的高可靠性，需要對電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。該文基于先進(jìn)的自適應(yīng)陷波濾波器理論，以DSP系統(tǒng)為核心，設(shè)計一種具有頻率自適應(yīng)功能，能實現(xiàn)電能諧波分析和電能雙向計量的多功能抽油機專用電表。仿真和現(xiàn)場測試表明，該電表抗干擾能力強、計量準(zhǔn)確度高，可廣泛應(yīng)用于抽油機采油動態(tài)監(jiān)控和實時評價系統(tǒng)。

陷波濾波器；頻率自適應(yīng)；諧波；雙向計量；抽油機

0 引 言

自適應(yīng)陷波濾波器可以根據(jù)被處理信號，自動調(diào)節(jié)自身模型參數(shù)，以確定最優(yōu)陷波頻率，實現(xiàn)頻率的實時測量與跟蹤，在國外已得到廣泛的研究和應(yīng)用[1-3]。在我國，研究者將多組自適應(yīng)陷波濾波器級聯(lián)使用，對合成信號進(jìn)行頻域分析。將該技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)，可實現(xiàn)對電能的精準(zhǔn)分析[4-5]。

抽油機工作時的非線性載荷特性以及變頻設(shè)備在機械采油工藝中的廣泛應(yīng)用，致使電網(wǎng)遭受諧波污染[6]。常用諧波分析算法如快速傅里葉變換、加窗插值修正的快速傅里葉算法等，在變頻工況下的諧波計量誤差較大[7]。目前常用數(shù)字式電表無計負(fù)功的功能，不能對抽油機發(fā)電電能進(jìn)行準(zhǔn)確計量，而且不同的處理方式得到的發(fā)電電能計量結(jié)果差別也較大[8]。針對以上問題，本文在瞬時功率理論基礎(chǔ)上，提出了基于陷波濾波器（adaptive notch filter，ANF）的抽油機電參、諧波和發(fā)電電能計量新方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于電表對數(shù)據(jù)處理性能的要求，選取TMS320F28335數(shù)字信號處理器（DSP）作為核心控制器，硬件電路設(shè)計包括信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲器、時鐘電路、顯示模塊、通信模塊以及電源模塊等。系統(tǒng)硬件框圖如圖1[9]所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

經(jīng)過電壓電流互感器處理后的信號為雙極性正弦信號，負(fù)值部分不能被模數(shù)轉(zhuǎn)換器測量，因此通過信號調(diào)理電路將采集的數(shù)據(jù)信號變?yōu)榭杀粶y量的0～5V信號。

為準(zhǔn)確計量系統(tǒng)1～50次諧波，采樣頻率應(yīng)遵循香農(nóng)采樣定理，即信號采樣頻率至少為最高頻率的2倍。ADS8365為6通道同步采樣的16位逐次逼近數(shù)據(jù)采集芯片，最高頻率為250kHz，采用電壓電流同步采樣，可避免因彼此相位不同而產(chǎn)生的計量誤差。

電表完成對采集數(shù)據(jù)的計算和分析之后，通過GPRS無線通信模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到信息中心，從而實現(xiàn)對抽油機采油系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控與實時評價。

2 電參數(shù)計算方法

對電壓信號u（t）進(jìn)行離散化采樣，可得離散化序列{un}，此時有：

由電路理論可知，電壓有效值為

相鄰兩次采樣的時間間隔為ΔTn，第n個時間間隔的電壓采樣瞬時值為un，一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)為N。若相鄰兩次采樣的時間間隔相等，即ΔTn為常數(shù)，取總采樣時間為T，則有

由于抽油機供電系統(tǒng)均采用三相三線制，因此有關(guān)功率的計量采用兩表法，三相總有功功率為

同理可得電流有效值為

以上計算方法都是根據(jù)各參量的定義獲得，要使計算準(zhǔn)確，就必須保證總采樣時間T為電信號周期的整數(shù)倍，即需獲得電信號基波的頻率，利用自適應(yīng)陷波濾波器可確定基波頻率。

3 諧波計量原理

對于諧波分量一般采用諧波含有率（HR）來評價其諧波指標(biāo)，定義h次電壓或電流諧波分量的幅值（或有效值）與基波分量的幅值(或有效值)之比為h次諧波含有率，用百分?jǐn)?shù)表示，即：

第h次諧波電壓含有率：

第h次諧波電流含有率：

自適應(yīng)陷波濾波器的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

h取值為1時，即基波時的ANF內(nèi)部原理圖如圖2所示。假設(shè)式（11）中u（t）為電壓信號，即u（t）=Asin（wt+φ），則式（11）有唯一解：

-hθxh——h次諧波分量的正交分量；

θ——計算的頻率，當(dāng)h=1時得到的頻率即為基波頻率[10]。

利用公式：

可以得到h次電壓諧波的幅值，將h取值分別為1～50的ANF并聯(lián)使用，就可計算出各次電壓諧波含有率。同理可計算出電流諧波含有率。

圖2 ANF內(nèi)部原理圖

4 發(fā)電電能計量原理

抽油機電動機是典型的電感性負(fù)載，當(dāng)電源驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)時，電機的有功功率與無功功率可分別表示為

式中：m——電動機的相數(shù)；

V——電源相電壓；

I——電源相電流。

當(dāng)φ＜90°時，P≥0，電動機消耗電網(wǎng)電能，電動機作為負(fù)載處于電動狀態(tài)，同時Q＞0，電動機運行需消耗無功功率。抽油機系統(tǒng)在下沖程運動過程中，會使電動機以大于其同步轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，電動機運行于第二象限的正向反饋制動狀態(tài)，成為一臺發(fā)電機，此時P＜0，Q＞0，電動機仍需向電網(wǎng)汲取無功功率用來滿足勵磁與定轉(zhuǎn)子之間漏磁的需要[11]。通過以上分析可知，在電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，有功功率與無功功率處于反相狀態(tài)，只有分別計算處理才能獲得最準(zhǔn)確的電能計量。

4.1 瞬時功率理論

電路中只含有頻率ω的電壓電流可表示為

圖3 兩相靜止坐標(biāo)系中電壓電流向量圖

將瞬時有功功率和瞬時無功功率定義為電壓電流矢量的點積和叉積，即：

同頻率的正弦電壓和電流所產(chǎn)生的瞬時有功功率和瞬時無功功率分別是它們平均有功功率和無功功率的2倍[12]。因此，可以通過瞬時功率理論獲得有功功率與無功功率。

4.2 基于ANF的電能計量

電路在諧波條件下只有頻率相同的電壓和電流分量才會產(chǎn)生有功功率。電路中h（h≥1）次電壓諧波分量和h次電流諧波分量分別為uh和ih，它們各自的正交分量分別為uh′和ih′，根據(jù)瞬時功率理論可以計算出h次諧波有功功率Ph與無功功率Qh分別為

利用ANF可以提取出電壓信號中含有的h次諧波分量h及其正交分量-hθxh。將取不同h值的ANF并聯(lián)使用，就可以提取出電壓信號中含有的基波和各次諧波分量以及各分量的正交分量。同理，可以提取出電流信號中含有的基波和各次諧波分量以及各分量的正交分量。根據(jù)ANF與瞬時功率理論，從Ph為負(fù)值時開始分別計量基波和各次諧波的有功功率與無功功率，可得到發(fā)電狀態(tài)時的精確電能計量結(jié)果，如圖4所示。

SY/T 5264——2012《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》中4.5.2規(guī)定，對于抽油機井，應(yīng)采用能計負(fù)功的儀器。發(fā)電電能不能被計量為抽油系統(tǒng)耗能，這部分電能向電網(wǎng)反饋供電，應(yīng)抵消相應(yīng)耗電電能。

圖4 基于ANF的諧波計量框圖

5 仿真與測試

5.1 仿真分析

為驗證自適應(yīng)陷波濾波器在變頻系統(tǒng)中諧波計量的準(zhǔn)確性，在Matlab/Simulink環(huán)境中構(gòu)建了諧波條件下基于ANF的有功功率計量仿真模型，并在電壓頻率為53 Hz情況下與FFT法（采樣頻率為6.4 kHz，采樣點數(shù)為2 048）、雙峰譜線加Haming窗插值修正法（采樣頻率和采樣點數(shù)同上）諧波計量方法進(jìn)行了對比。仿真參數(shù)為

負(fù)載R=100Ω。仿真結(jié)果如表1所示。

通過對比可以看出，在變頻條件下，基于FFT的諧波計量誤差較大；基于雙峰譜線加窗插值修正算法的計量誤差較小，但該算法實現(xiàn)復(fù)雜，實時性較差；而基于ANF方法的計量誤差幾乎為0，不需要額外的同步采樣或測頻環(huán)節(jié)仍能準(zhǔn)確計量諧波，體現(xiàn)了較強的頻率自適應(yīng)能力和極高的諧波計量準(zhǔn)確度。

5.2 測試分析

為了測試電表對發(fā)電功率計量的準(zhǔn)確度，在抽油機運行現(xiàn)場，將研制的電表與油田測試常用裝置HIOKI（日置）的3390功率分析儀（準(zhǔn)確度±0.1%，具有負(fù)功累積計量功能）同時對抽油機變頻柜輸出端進(jìn)行電能計量。表2為抽油機發(fā)電電能計量結(jié)果。

通過以上數(shù)據(jù)分析，本文研制的電表對抽油機發(fā)電電能的計量與日置3390功率分析儀的計量結(jié)果相差不大，相對誤差維持在0.1%以內(nèi)，電表對發(fā)電電能的計量有很高的準(zhǔn)確度。與價格昂貴的3390功率分析儀相比，該電表頻率自適應(yīng)能力強，對抽油機電參數(shù)、諧波與發(fā)電電能的計量準(zhǔn)確度高，抗干擾能力強，生產(chǎn)成本低，可在抽油機采油系統(tǒng)推廣使用。

6 結(jié)束語

為推進(jìn)油田節(jié)能減排和數(shù)字化建設(shè)工作的進(jìn)程，該電表應(yīng)用于抽油機采油動態(tài)監(jiān)控和實時評價系統(tǒng)，將對油井節(jié)能管理和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運行產(chǎn)生較好的指導(dǎo)作用，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。

表1 有功功率計量仿真結(jié)果

表2 發(fā)電電能計量對比

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Design of pumping unit meter based on adaptive notch filter

JIAO Yuxi1，HUANG Hesong1，SUN Dong2，MA Kun2，LIU Xiangdong2，XIAO Zhiyong2
（1.College of Electrical and Automation Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.Shengli Oil Field Technology Testing Center，Dongying 257000，China）

In order to guarantee high reliability in the process of pumping unit running，need to monitor real-time parameters such as voltage and current.Based on the theory of advanced adaptive notch filter and the DSP system as the core，a frequency adaptive multifunction meter isdesigned，achieving harmonic and bidirectionalenergy metering.Simulation and practical running show that the meter has high measurement accuracy，strong anti-interference ability，and can be widely used in dynamic monitoring and real-time evaluation system of oil pumping unit.

adaptive notch filter；adaptive frequency；harmonic；bidirectional metering；pumping unit

A

：1674-5124（2015）07-0076-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.018

2014-11-08；

：2015-01-17

焦裕璽（1989-），男，山東淄博市人，碩士研究生，專業(yè)方向為系統(tǒng)集成與檢測。