能源互聯(lián)網(wǎng)下電能計量系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)研究

周文斌，靳 陽，劉士峰，程鵬申，解進(jìn)軍

(國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院,北京 100000)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展、新能源技術(shù)的不斷開發(fā)，市場對電能計量技術(shù)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(wǎng)的電壓整流為直流后，通過正弦脈沖寬度調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation，sinusoidal PWM)變頻控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三相正弦波變頻輸出逆變成三相交流信號。電源設(shè)備需要真實(shí)輸出120 kW的實(shí)際功率。傳統(tǒng)的電能計量不能夠精確地檢測電能用量，會造成電能浪費(fèi)。

針對上述問題，相關(guān)學(xué)者已有相應(yīng)的研究。文獻(xiàn)[1]的直流表外附分流器的電能計量技術(shù)可以完成自動測量、自動記錄、自動判斷測量結(jié)果等功能，能夠通過一體化管控平臺的接口傳送檢測系統(tǒng)和被檢樣品的試驗數(shù)據(jù)。但該電能計量技術(shù)的精確度不高，可能造成能源的浪費(fèi)。文獻(xiàn)[2]的交直流外加納伏表的電能計量技術(shù)能夠準(zhǔn)確計量和分析直流紋波、交流諧波等計量特性，還能夠?qū)?yīng)用系統(tǒng)的計量性能、能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行評價。但該電能計量技術(shù)存在精確度較低的問題，不能準(zhǔn)確計算能源的利用情況。

針對上述文獻(xiàn)中存在的問題，本文對電能計量技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，研究了在互聯(lián)網(wǎng)下基于高精密傳感器的電能計量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在實(shí)驗室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)電能計量、傳導(dǎo)充電互操作性測試以及對標(biāo)準(zhǔn)直流分流器進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，大大提高了能源互聯(lián)網(wǎng)下電能計量技術(shù)的計量能力。

1 電能計量系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計

能源互聯(lián)網(wǎng)下電能計量技術(shù)系統(tǒng)包括交流供電插座、電源模塊、電壓互感器、模數(shù)(analog to digital,A/D)轉(zhuǎn)換電路、BF609芯片及其外設(shè)、鍵盤、顯示器、 電源變換、參考電壓、功放開關(guān)電源、開關(guān)功率放大器、數(shù)字同步跟蹤放大器[3]。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(guān)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(fù)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(zhuǎn)換為5轉(zhuǎn)1.8 V的線性穩(wěn)壓模塊，把5 V的電源轉(zhuǎn)換為1.8 V電源供BF609和A/D轉(zhuǎn)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(yōu)于3×10-6。A/D轉(zhuǎn)換電路采用24 bit的8個通道嚴(yán)格同步。sigma-delta A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路的3個通道上。 BF609及其外設(shè)控制A/D轉(zhuǎn)換電路，以12.8 KS/s的采樣率連續(xù)不斷地采集電壓波形值，計算電壓幅值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較。兩者之間的差值通過SPORT123口輸出到數(shù)字同步跟蹤放大器上。開關(guān)功率放大器輸出和設(shè)定值保持一致。

2 基于FFT和DSP的諧波電能計量技術(shù)

本文研究的諧波電能計量技術(shù)，采用的是基于快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)和數(shù)字信號處理(digital signal processing，DSP)的改進(jìn)算法。FFT算法在具體應(yīng)用中存在泄漏效應(yīng)和柵欄不足等問題。本研究對FFT算法進(jìn)行了改進(jìn)，在原有算法的基礎(chǔ)上加入了窗函數(shù)。為了提高FFT能力，本文使用合適的窗函數(shù)，將輸出輸入的信號進(jìn)行斷開，即對時序信號實(shí)行特定的不等加權(quán)，使斷開的街區(qū)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(shù)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(shù)擁有最小的旁瓣。因此，所加窗函數(shù)需盡量最小，以便減小頻譜誤差，使旁瓣的衰減速度達(dá)到最快[6]。

要實(shí)現(xiàn)本文所研究的諧波電能計量，本研究需進(jìn)行以下3個步驟。

(1)對電能輸出信息進(jìn)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(shù)的項數(shù)；bm為滿足式(2)的條件。

(2)

Nuttall窗函數(shù)的系數(shù)如表1所示。

表1 Nuttall窗函數(shù)的系數(shù)

Nuttall窗函數(shù)的旁瓣特性如表2所示。

表2 Nuttall窗函數(shù)的旁瓣特性

由表2可得以下結(jié)論。

①3項1階Nuttall窗函數(shù)的旁瓣衰減速率只有6 dB/oct。

②3項最小Nuttall窗函數(shù)的旁瓣峰值電平最低為-71.49 dB。

③4項1階Nuttall窗函數(shù)的旁瓣衰減速率為18 dB/oct。

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

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

綜上所述，使用FFT算法對諧波電能進(jìn)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(shù)對FFT進(jìn)行加窗處理[7]。

(2)基于改進(jìn)FFT算法的電能計量參數(shù)的計算。

對電壓、電流進(jìn)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(shù)；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(fù)數(shù)uk(n)的實(shí)部；Im為復(fù)數(shù)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(shù)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(shù)。

k次諧波視在功率為：

Sk=UkIk

(11)

k次諧波功率因數(shù)為：

(12)

在電路計算或者運(yùn)行過程中，功率因數(shù)對電能質(zhì)量會產(chǎn)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(jù)式(11)、式(12)計算出視在功率、功率因數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電能計量的精確計算[7]。

對電能計量進(jìn)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(guān)鍵。

(3)基于DSP的電能計量的實(shí)現(xiàn)。

本文采用DSP芯片進(jìn)行數(shù)字信號處理。DSP使用的是定點(diǎn)計算，計算出的數(shù)據(jù)是十分精確的。本文采用ST9500裝置產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號，通過A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行信號的調(diào)理和采樣，運(yùn)用以TMS320F28335處理器為核心的DSP電能計量對各電能參數(shù)進(jìn)行計算[8]。

3 試驗結(jié)果與分析

為了驗證本文研究的電能計量技術(shù)的精確性，本文進(jìn)行了大量的相關(guān)試驗。本試驗利用的是電動汽車充電樁的數(shù)據(jù)庫，搭建試驗平臺的試驗環(huán)境為Microsoft Visual Studio，主機(jī)配置為雙核8.0 GHz，內(nèi)存為4 TB，試驗數(shù)據(jù)類型為.txt。

本試驗需要驗證的項目有電能計量特性、傳導(dǎo)充電互操作性和通信協(xié)議一致性。

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

本文在Microsoft Visual Studio中搭建平臺，使用電動汽車充電樁數(shù)據(jù)庫中的部分?jǐn)?shù)據(jù)對試驗平臺進(jìn)行訓(xùn)練，利用數(shù)據(jù)庫中的另一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行試驗。此次試驗是以誤差為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(shù)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(shù)基波有功電能相對誤差最低為0.001，最大達(dá)到了0.004 8；交直流外加納伏表電能計量技術(shù)所測得的誤差數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)的測量精度，本文對諧波有功電能測算也進(jìn)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(jīng)過2次試驗的測試，并對誤差進(jìn)行分析驗證，可得到基于高精密傳感器的電能計量技術(shù)精確度最高。

4 結(jié)論

隨著新能源的不斷開發(fā)，為了避免能源的不必要浪費(fèi)，本文提出了改進(jìn)型電能計量技術(shù)。該技術(shù)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(nèi)標(biāo)稱為100 A的交流電流轉(zhuǎn)換為1 A的標(biāo)稱直流電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同高低電流之間的轉(zhuǎn)換。通過采用高精密直流電流分流器，本文實(shí)現(xiàn)分流器檢測和校準(zhǔn)的高準(zhǔn)確率。本文通過FFT和DSP改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)諧波電能信息的計量與計算，再通過已實(shí)現(xiàn)的諧波電能計量，基于FFT和DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的計算。本文還研究了基于FFT和DSP改進(jìn)算法的諧波電能計量，并對FFT算法進(jìn)行改進(jìn)，在原有的算法基礎(chǔ)上加上了窗函數(shù)。在進(jìn)行FFT之前，本文對時序信號實(shí)行特定的不等加權(quán)，使斷開的街區(qū)端整齊。本文通過采用Nuttall窗函數(shù)，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(dá)到最快。本文提高了諧波電能計量能力，實(shí)現(xiàn)了對諧波電能的精確計算。但是本文還存在技術(shù)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(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。