基于DSP 的電能質量檢測技術與無功補償測控方法

王元東

（新鄉市萬新電氣有限公司，河南新鄉 453000）

電能質量檢測對于電力發展十分重要，目前國家電力電子技術發展已經相對成熟，在我國有了廣泛的應用，供電系統內部的各類電器在工作過程中很有可能出現電流、電壓畸變，導致出現高次諧波，降低電氣設備壽命，增加了電網運行過程的網損。新工藝的出現使更多抗干擾設備進入生產領域，新設備的注入雖然可以提高電網系統的運行效率，但是也使電網承擔著更高的負荷，電能質量一旦下降會造成嚴重的危害。

針對電能質量檢測，相關學者進行了較多的研究。凌萬水、劉剛[1]基于ELM 與DWT 的電能研究了質量檢測技術，利用模式識別技術對電網特征進行選擇，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電能質量擾動檢測方法，通過經驗小波變換確定電網復雜項目多尺度排列熵，分析不同特征產生的電能質量擾動，根據擾動結果進行分類，該方法的檢測準確率相對較高。雖然上述檢測方法都能夠提高檢測效率，但是設備占用空間較大，需要花費的成本很高，得到的電能質量檢測結果脫離了無功補償控制，導致被檢測到的信息不能得到合理利用。

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

1 基于DSP的電能質量檢測

電網在運行過程中具備實時性特點，因此變化比較多樣，在對電網電能進行質量檢測時，必須充分分析動態無功補償特性，在不破壞數據快速運輸的基礎上進行電能質量檢測[3-4]。利用復序列快速傅里葉算法分析電網在運行過程中產生的電壓和電流，通過合成一個完成的復序列實現電網運算，在運算過程中可能會出現多次諧波，計算三相電壓分析產生的諧波，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]。

對電網內部的電流電壓序列進行提取，設定提取點共有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序列，如式（1）所示：

其中，x(n)表示得到的復序列；j表示電流計算次數[7]。

在DSP 芯片內部對復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)經過離散傅里葉變換得到的序列；k表示頻率系數[8]。對X(N-k)進行共軛處理，得到共軛復數為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據過程中，需要倒序排列原始數據，由于得到的序列為復數序列，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，該文引入了穩壓管，保證在工作過程中，產生的電壓不會超過3.3 V。質量檢測結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，利用專用指令實現畫面卷動，同時加入觸摸屏，當用戶觸摸時，會自動轉換并展示結果[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據能夠進行實時傳輸，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識，明確幀的性質，標識有兩種，分別是數據幀和地址幀[11-12]。

當信息啟動時，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，在相符的狀態下，中斷子程序會自動清除SLEEP 位，確保系統能夠順利接收到發送過來的數據幀；如果發現地址不相符，則代表發送過來的數據幀不能順利進行通信，因此會被忽略，直接啟動新的模塊。單片機內部設置了多個USB 接口，利用USB 接口順利地實現串口通信[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部產生的交流電壓基波相位和幅值滿足標準值，從而實現交流測電流控制。

在理想狀態下，電網不會產生損耗，可以將變流器工作過程中產生的有功功率歸為0，理想狀態變流器輸出電流I對應的輸出電壓為UI。但是由于在實際狀態下會產生損耗，因此，電網內部有功功率的相位差不能達到標準的90°。根據圖1 可知，變流器輸出電流I對應的輸出電壓為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，在控制電網動態實現連續補償時，只需要改變δ角和輸出電壓的幅值，利用調整相位差和電壓幅值對電流大小和相位進行調節，確保STATCOM 能夠按照系統需求連續又靈活地向電網發送或接收無功功率[14-15]。

根據三角形正弦定理，可以得到公式（5）：

根據公式（5）可知，在調節電網系統直流側電容電壓過程中能夠很好地保證對STATCOM 的調節，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 控制技術確定電網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的指令電流，減少控制過程的諧波含量，提高響應速度。該文利用滯環比較器確定瞬時值，工作原理如圖2 所示。

圖2 滯環比較器工作原理

根據圖2 可知，在滯環比較器內部輸入指令，再對STATCOM 內部輸出的補償電流并和補償電流指令進行對比，對比結果標記為Δic，從滯環比較器內部輸出驅動信號，記為PWM，利用驅動電路進行放大，得到gx，通過gx對STATCOM 主電路內部的開關元件進行控制，達到調節補償電流的目的。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，確保反應結果的準確性。由于采用瞬時值進行控制，因此對系統的整體運行影響較小，更容易保證系統在運行過程中達到穩定狀態。在無功補償控制過程中，負序電壓會帶來不利因素，利用滯環比較器在轉變為負序電流時，無功電流指令能夠在短時間內采集到瞬時無功電流，因此即使計算過程中會產生相應的負序分量，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 的電能質量檢測技術與無功補償測控方法的工作效果，從質量檢測和無功補償兩方面設計實驗。

3.1 質量檢測效果

利用綠楊YB1639 信號發生儀提供被檢測信號，檢測實驗環境如圖3 所示。

圖3 檢測實驗環境

根據圖3 可知，內部使用了U-U 變換器和I-U變換器調節誤差，同時使用CD4046、CD4040 和AD73360 組成采集電路，并通過模數轉換電路確保采集電路內部A/D 轉換器的工作精度。采樣信號的頻率為50 Hz，工作幅值為10 V，得到的實驗結果如圖4 所示。

圖4 檢測電壓實驗結果

根據圖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果。由實驗結果分析可知，當采樣電壓的平均測量值為4 800 V，標準值為4 780 V，根據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電壓下產生的相對誤差為0.05/220=0.027 3%，對電能質量檢測結果已經達到0.1 級標準，因此可以證明該文研究的基于DSP 的電能質量檢測技術與無功補償測控方法對電網內部有可能產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對含有高次諧波的信號進行FFT分析，有效滿足現代化電網的精度要求。

3.2 無功補償效果

為驗證該文設計的無功補償技術的實際應用能力，設計對比實驗，與傳統的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

電網的直流側電容為2 000 μF，產生的電壓為500 V，開關頻率為5 kHz。補償的電壓-電流特性實驗結果如圖6 所示。

圖6 補償電壓-電流特性實驗結果

根據圖6 可知，STATCOM 的補償電流與電壓呈現的區域為矩形區域，上下寬度相等，而傳統的SVC無功補償測控方法呈現三角形區域，證明隨著電網電壓的降低，補償能力也隨之降低。

造成這種現象的原因是該文研究的補償方法應用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，系統電壓無法影響STATCOM 的過載能力，同時STATCOM 可以實時分析電網內部的電壓狀況，并進行實時調節，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 結束語

該文利用DSP 研究了一種電能質量檢測技術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質量檢測，應用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。