朱何榮 王 敏 孫頌林 朱英魁 陳桂友

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

高次諧波對測控裝置測量影響解決方案設(shè)計與實現(xiàn)

朱何榮 王 敏 孫頌林 朱英魁 陳桂友

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

為解決高次諧波引起的頻譜混疊，測控裝置一般會在采樣前端增加低通濾波器，本文針對測控裝置采用低通濾波器引起的 2～15次諧波衰減問題，以及傳統(tǒng)的固定補(bǔ)償方式在頻率偏差情況下的局限性，設(shè)計了頻率自相關(guān)補(bǔ)償算法，根據(jù)實際計算頻率進(jìn)行幅值和相位的實時補(bǔ)償，從而保證了電壓電流功率有效值以及15次及以下諧波計算的精度。同時，針對高次諧波對頻率計算的影響，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)向量頻率測量方法，有效解決了諧波存在導(dǎo)致頻率計算誤差較大的問題。經(jīng)過測試以及現(xiàn)場實際應(yīng)用，證明了改進(jìn)方案的有效性。

測控裝置；低通濾波器；頻譜混疊；頻率自相關(guān)；幅值補(bǔ)償

隨著直流輸電系統(tǒng)的大量建設(shè)，各種電力電子、大容量整流、變頻電器等設(shè)備廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)多種諧波源[1]。同時，新能源并網(wǎng)發(fā)電迅速增長，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)均會配有電力電子裝置，也會產(chǎn)生一定的諧波[2]。

測控裝置作為變電站自動化系統(tǒng)的測量與采集終端，主要功能是實現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的采集與一次設(shè)備的防誤閉鎖與運(yùn)行控制[3]。在數(shù)據(jù)采集的過程中，根據(jù)采樣定理，要求采樣頻率至少高于實際信號最高頻率的兩倍[4]，否則就會出現(xiàn)頻譜混疊的情況。

電力電子設(shè)備應(yīng)用引入高次諧波，導(dǎo)致測控裝置采樣頻率不滿足采樣定理要求，從而引起頻譜混疊，最終導(dǎo)致測量結(jié)果數(shù)據(jù)精度下降，甚至不滿足標(biāo)準(zhǔn)對測控裝置測量精度要求。針對此問題，測控裝置一般采用低通濾波器，在模數(shù)轉(zhuǎn)換前端先對高次諧波進(jìn)行抑制，再根據(jù)低通濾波參數(shù)對低通濾波引起的低次諧波幅值及相角偏差進(jìn)行補(bǔ)償。

本文針對測控裝置采用低通濾波器引起的 2～15次諧波衰減問題，以及傳統(tǒng)的固定補(bǔ)償方式在頻率偏差情況下的局限性，設(shè)計了一種頻率自相關(guān)補(bǔ)償算法，該算法依據(jù)低通濾波器參數(shù)形成15次及以下各次電壓電流幅值及相角初始補(bǔ)償系數(shù)表，測控裝置運(yùn)行過程中，通過計算得到的基波頻率結(jié)果，實時調(diào)整補(bǔ)償系數(shù)，從而保證了電壓電流以及功率的測量精度。同時，針對電網(wǎng)中高次諧波的存在造成頻率計算精度下降的問題，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)向量頻率計算方法。該算法大幅提高了電網(wǎng)電壓諧波干擾下的頻率計算精度，從而為低通補(bǔ)償系數(shù)的準(zhǔn)確計算提供了保證。

測試結(jié)果及實際運(yùn)行情況證明，經(jīng)過本文提供的方案改進(jìn)后的測控裝置，在電網(wǎng)高頻諧波含量符合《GB/T 14549—1993 公用電網(wǎng)諧波》[5]要求的情況下，電壓電流以及功率的測量精度完全滿足《GB/T 13729—2002 遠(yuǎn)動終端設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 高頻諧波影響

目前，直流輸電系統(tǒng)換流站一般采用6脈動換流器或者12脈動換流器，相應(yīng)的會在交流輸電系統(tǒng)側(cè)產(chǎn)生6k±1或者12k±1次的諧波[6]。以南方電網(wǎng)某500kV直流換流站為例，現(xiàn)場采用的換流器為12脈動閥（兩個6脈動閥串聯(lián)），因此交流輸電側(cè)含有大量的 12k±1次電壓特征諧波[7]。通過錄波裝置分析，電網(wǎng)中各次諧波電壓含量如圖1所示。

圖1 電壓諧波含量示意圖

由圖1可以看出，該電網(wǎng)中11/13/25/47次電壓諧波含量較高。

以測控裝置采樣頻率為 2.4k/s，即每周波采樣48點進(jìn)行分析。根據(jù)采樣定理，高于1200Hz部分頻譜經(jīng)離散化采樣后會混疊到 1200Hz以下的頻譜中去。根據(jù)式（1）[8]計算可知，47次諧波（頻率2350Hz）經(jīng)離散化采樣后會混疊到 50Hz處，相應(yīng)的，46～33次諧波（頻率 2300～1650Hz）經(jīng)離散化采樣后會混疊到2～15次諧波處。

為測試高頻諧波對測控測量精度的影響，采用OMICRON 256plus測試儀對測控裝置進(jìn)行了加量驗證。

測試中，三相對稱額定基波電壓 57.735V、三相對稱額定基波電流1A、電壓電流夾角45°、基波頻率50Hz，同時施加含量為0.465%的47次諧波電壓以及含量為0.5%的47次諧波電流，觀察其對基波有效值以及功率測量結(jié)果的影響。測試結(jié)果見表1。

表1 47次諧波影響測試

測試結(jié)果表明，電壓最大誤差為 0.51%；電流最大誤差為0.52%；功率最大誤差為1.1%。遙測量的測量誤差均超過了 GB/T 13729要求的電壓電流0.2%、功率0.5%的誤差允許范圍。

2 低通濾波器設(shè)計

考慮硬件回路實現(xiàn)的簡單可靠，在測控裝置AD采樣前端采用一階 RC回路低通濾波器進(jìn)行高頻濾波。

圖2 一階低通濾波器實現(xiàn)電路

對應(yīng)的幅值增益系數(shù)和相角偏移如式（2）和式（3）所示。

相應(yīng)的截止頻率fc為

為保證高頻諧波含量在 GB/T 14549允許范圍內(nèi)時對有效值的影響不會導(dǎo)致有效值誤差超過GB/T 13729標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時考慮RC器件發(fā)生一定范圍容值及阻值偏差時不會影響有效值的計算精度，一階低通濾波器截止頻率設(shè)計為1089Hz。對應(yīng)的1～15次諧波幅值的幅頻響應(yīng)及相頻響應(yīng)見表2。

表2 幅頻響應(yīng)及相頻響應(yīng)

由表2中可以看出，經(jīng)過低通濾波之后，2～15次諧波的幅值衰減已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的0.2%的誤差允許范圍，需要針對性的進(jìn)行補(bǔ)償。

3 補(bǔ)償方案設(shè)計

根據(jù)式（2）和式（3）可知，經(jīng)過低通濾波之后將對應(yīng)幅值和相角補(bǔ)償?shù)皆贾档难a(bǔ)償公式如式（5）、式（6）所示。

式中，fi為對應(yīng)幅值所在頻點對應(yīng)的頻率值。

由式（5）、式（6）可以看出，補(bǔ)償系數(shù)在RC確定（即截止頻率確定）的情況下，與實際電網(wǎng)頻率嚴(yán)格相關(guān)。

基于以上分析，設(shè)計出經(jīng)低通濾波后幅值和相角的頻率自相關(guān)補(bǔ)償方案如下。

1）創(chuàng)建初始1～15次諧波幅值及相位補(bǔ)償系數(shù)表，該系數(shù)表基于截止頻率1089Hz所選RC器件參數(shù)以及基波頻率50Hz生成，見表3。

2）根據(jù)實際計算出的電網(wǎng)頻率計算出實際的補(bǔ)償系數(shù)。

表3 幅頻及相頻初始補(bǔ)償系數(shù)

從而可以得到實際頻率下幅值和相角補(bǔ)償系數(shù)，即

式中，f為50Hz工頻基波頻率下1～15次諧波頻率；fi為實際基波頻率下1～15次諧波頻率；Ki=fi/f，為實際頻率與基準(zhǔn)頻率 50Hz的比值；CO(f)和 T(f)分別為 50Hz工頻基波頻率下對應(yīng)的 1～15次諧波幅值和相位補(bǔ)償系數(shù)，CO(fi)和T(fi)為實際計算基波頻率下對應(yīng)的1～15次諧波幅值和補(bǔ)償系數(shù)。

基于上述流程，測控裝置根據(jù)實際計算出的基波頻率計算出1～15次諧波實際頻率，代入步驟（2）中的式（9）和式（10），基于步驟（1）中的初始補(bǔ)償系數(shù)表，通過少量的運(yùn)算即可計算出實際的 1～15次諧波幅值及相位補(bǔ)償系數(shù)，實現(xiàn)上簡單方便，不會對測控裝置DSP負(fù)載帶來大的影響。

以電網(wǎng)實際基波頻率45Hz以及55Hz為例，可計算得到 1～15次諧波的幅值及相位實際補(bǔ)償系數(shù)，見表4。

表4 幅頻及相頻補(bǔ)償系數(shù)

4 頻率算法介紹

傳統(tǒng)的過零點頻率測量算法雖然簡單且頻率跟蹤速度快，但是在電網(wǎng)電壓中存在諧波的情況下頻率計算精度會大大降低，簡單的過零測頻法無法直接應(yīng)用在測控裝置中。因此，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)向量頻率測量方法，可以大幅提高電網(wǎng)電壓諧波干擾下的頻率計算精度。

裝置通過移窗傅氏變換將連續(xù)時域信號轉(zhuǎn)換為離散頻域信號，并采用分解出的基頻分量根據(jù)其相量旋轉(zhuǎn)測量頻率，可靠解決了諧波以及直流拖尾效應(yīng)對頻率測量的影響，提升了頻率測量的精度，利用該方法，頻率的測量誤差可以達(dá)到0.001Hz以內(nèi)。同時不影響頻率變化情況下采樣動態(tài)響應(yīng)速度。具體實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)向量法頻率計算流程圖

5 方案實現(xiàn)及驗證

將上述改進(jìn)方案在公司開發(fā)的測控裝置中進(jìn)行了實現(xiàn)。

測控裝置采樣速率為 2.4k/s，采樣后根據(jù)頻率計算結(jié)果實時更新插值間隔，確保每周波 48點數(shù)據(jù)，插值后采樣數(shù)據(jù)用于各類遙測量的計算。

經(jīng)上述改進(jìn)后，測控裝置模擬量計算實現(xiàn)流程設(shè)計如圖4所示。

圖4 改進(jìn)方案實現(xiàn)流程圖

由實現(xiàn)方案可以看出，根據(jù)實際計算出的頻率結(jié)果結(jié)合程序中預(yù)先定義的初始補(bǔ)償系數(shù)，可以計算出實際補(bǔ)償系數(shù)，從而對傅里葉分解得到的實部虛部向量進(jìn)行幅值和相位的補(bǔ)償。

在實際程序?qū)崿F(xiàn)過程中，為了減少程序執(zhí)行過程中的運(yùn)算量，需要將相位補(bǔ)償系數(shù)事先分解為實部和虛部旋轉(zhuǎn)向量后再分別形成相應(yīng)的系數(shù)表。

為驗證方案在測控裝置中的實際應(yīng)用效果，對改進(jìn)后的測控裝置進(jìn)行了如下測試。

測試一：對比測控裝置采用頻率自相關(guān)補(bǔ)償算法改進(jìn)前后在基波頻率偏離 50Hz情況下1～15次諧波計算結(jié)果的精度差異，驗證算法的有效性。

測試以實際基波頻率45Hz及55Hz為例進(jìn)行，分別施加1～15次諧波電壓10V，測控裝置采用頻率自相關(guān)補(bǔ)償算法改進(jìn)前后的諧波計算結(jié)果見表 5和表6。

表5 基波頻率45Hz對比測試

表6 基波頻率55Hz對比測試

從表5和表6的測試結(jié)果可以看出，采用基于表3系數(shù)的固定補(bǔ)償方式進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下，當(dāng)電網(wǎng)頻率偏離 50Hz時，諧波計算誤差較大，無法滿足精度要求，而經(jīng)過頻率自相關(guān)補(bǔ)償算法改進(jìn)后，諧波計算結(jié)果不再受頻率偏差影響。

測試二：驗證測控裝置采用低通濾波抑制高頻諧波影響以及采用頻率自相關(guān)補(bǔ)償算法改進(jìn)后，在高頻諧波及基波頻率偏差共同影響情況下模擬量的計算精度。

測試中選擇基波頻率為 49Hz、額定基波電壓57.735V、額定基波電流為1A、電壓電流夾角為45°、額定有功功率為122.45W。分別施加GB/T 14549允許范圍內(nèi)的33～47次高頻諧波干擾，查看電壓電流有效值、2～15次諧波以及功率有效值的計算結(jié)果。詳細(xì)測試結(jié)果見表 7和表 8。對應(yīng)的最大計算誤差見表9。

表7 高頻對諧波測量影響測試

表8 高頻對有效值測量影響測試

（續(xù)）

表9 高頻影響下最大誤差統(tǒng)計

根據(jù)上述測試結(jié)果可以看出，經(jīng)過改進(jìn)后的測控裝置，可以有效解決高頻諧波對測控測量精度的影響，同時，當(dāng)電網(wǎng)基波頻率偏離為 50Hz時，測控裝置計算出的電壓電流功率以及2～15次諧波的最大誤差也遠(yuǎn)小于電壓電流為 0.2%、功率為 0.5%的誤差允許范圍。

6 結(jié)論

本文針對測控裝置采用低通濾波器解決頻譜混疊引起的2～15次諧波衰減問題，以及傳統(tǒng)的固定補(bǔ)償方式在頻率偏差情況下的局限性，設(shè)計了一種頻率自相關(guān)補(bǔ)償算法，通過實時基波頻率計算結(jié)果，自動調(diào)整 15次及以下各次電壓電流幅值及相角補(bǔ)償系數(shù)，從而保證了電壓電流以及功率的測量精度。同時，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)向量頻率計算方法，大幅提高諧波干擾下的頻率計算精度，從而為低通補(bǔ)償系數(shù)的準(zhǔn)確計算提供了保證。

測試結(jié)果表明，經(jīng)過本文方案改進(jìn)后的測控裝置，在高頻諧波影響以及電網(wǎng)基波頻率偏離為50Hz環(huán)境下，電壓電流以及功率的測量精度依然可以完全滿足GB/T 13729標(biāo)準(zhǔn)的要求。

改進(jìn)后的測控裝置已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于高壓換流站及其周邊變電站以及分布式發(fā)電系統(tǒng)升壓變電站。實際運(yùn)行效果表明，改進(jìn)后的測控裝置在一次電網(wǎng)中存在高頻諧波的情況下依然可以正確測量電網(wǎng)的電壓電流功率等數(shù)據(jù)，遙測精度高于 GB/T 13729標(biāo)準(zhǔn)的允許誤差要求。

[1]韓民曉.高壓直流輸電原理與運(yùn)行[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

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低成本光伏散熱型匯流箱

近日，國家知識產(chǎn)權(quán)局公布專利“低成本光伏散熱型匯流箱”，申請人為安徽燦邦電氣有限公司。

本實用新型公開了一種低成本光伏散熱型匯流箱，包括箱體，箱體的后側(cè)通過固定螺栓和支架相固定，箱體的底部設(shè)有接口組件，箱體的兩側(cè)下端對稱開設(shè)有至少一個散熱孔，散熱孔呈矩形，相互間按百葉窗式結(jié)構(gòu)排布。

本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，既避免了由于防水膠條的長期使用出現(xiàn)的老化脫落的現(xiàn)象，又通過百葉窗式散熱孔增加匯流箱箱體的散熱性能，同時箱體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也減少了匯流箱的成本，降低后期運(yùn)行維護(hù)的成本。

Solution Design and Implementation for BCU Measurement Effected by High Harmonics

Zhu Herong Wang Min Sun Songlin Zhu Yingkui Chen Guiyou
(NR Electric Co.,Ltd,Nanjing 211102)

In order to solve the problem of spectrum aliasing caused by high harmonics,the low-pass filter (LFP) is used by the bay control unit (BCU) before sampling in general.In view of the attenuation of 2～15 times harmonics caused by the low pass filter,and the limitation of fixed compensation method,a frequency autocorrelation compensation algorithm is designed in this paper,in order to ensure the measurement precision,the real-time compensation coefficient of the amplitude and phase is calculated according to the practical frequency calculation,at the same time,in view of the high harmonics influence on frequency calculation,a rotation vector frequency measurement method is designed in this paper,increases the precision of frequency calculation effectively.,the effectiveness of the improved scheme is proved through test and actual application.

BCU; LPF; spectrum aliasing; frequency autocorrelation; amplitude compensation

朱何榮（1985-），男，江蘇鹽城人，碩士，工程師，主要從事智能變電站自動化系統(tǒng)、電能質(zhì)量監(jiān)測與分析系統(tǒng)研發(fā)工作。