朱東山，郭 寧，黨 媛

(蘭州工業(yè)學院 電氣工程學院，甘肅 蘭州 730050)

隨著非線性負載的增加，諧波、無功等電能質(zhì)量問題日趨嚴重，對電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行和生產(chǎn)部門安全生產(chǎn)造成了許多負面影響，因此對電網(wǎng)電能進行監(jiān)測和治理是很有必要的.目前，許多研究僅僅對電能質(zhì)量進行了檢測和分析，并未提出治理方案.本文深入分析了電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)和電能治理方案，同時對電能治理方案進行仿真，驗證了該方案的可行性.

1 電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了滿足實時性和精確性，本文采用雙DSP結(jié)構(gòu)完成數(shù)據(jù)采樣、參數(shù)計算、通信以及人機交換.為了滿足實時性要求和精確計算，設(shè)計采用DSP28335作為核心處理器.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.2 調(diào)理電路設(shè)計

通過調(diào)理電路將大電壓、大電流轉(zhuǎn)化為DSP28335能承受的0～3 V的單極性采樣電壓.本文采用的交流電壓傳感器型號為TV19G.由于電壓傳感器的輸出為雙極性信號，通過儀表放大器INA128U，將輸入DSP28335的采樣電壓調(diào)理為單極性.大電流信號調(diào)理方法與大電壓信號調(diào)理方法類似，在此不做重復說明.電壓調(diào)理電路如圖2所示[1].

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 電壓調(diào)理電路

1.3 鎖相環(huán)設(shè)計

通過鎖相倍頻器實現(xiàn)每個交流周期采樣的點數(shù)相同，這樣可以避免由于電壓頻率波動造成電能質(zhì)量參數(shù)分析誤差.傳統(tǒng)的硬件鎖相倍頻電路容易受干擾而造成工作不穩(wěn)定而且成本高，本文采用軟件方法實現(xiàn)鎖相倍頻.設(shè)計要求每個周期采樣256個點，通過過零檢測電路，以及DSP28335的eCAP模塊對基波電壓信號上升沿進行捕捉，捕捉到上升沿時開啟定時采樣；當捕捉到下一次上升沿時，對采樣點數(shù)進行分析，采樣點數(shù)大于256則減小定時器TDDR和PRD的值，小于256則使TDDR和PRD值增大.

假設(shè)上一個基波周期內(nèi)定時器中斷次數(shù)為N，PRD和TDDR為系統(tǒng)初始化設(shè)定的周期寄存器值，TIM為計數(shù)器停止時的值.則TDDR不變的情況下需要改變的PRD 的值為

一般取TDDR為0，則有

這種方法只需要1個基波周期就可以鎖定頻率，因此實時性好.電網(wǎng)基頻變化范圍一般在48～52 Hz,因此可以確定相應的PDR范圍，如果PDR不在此范圍則確定故障發(fā)生.

1.4 CAN通信電路設(shè)計

2個處理器之間的通信傳統(tǒng)方法采用的是串口通信，串口通信速度慢，通信距離短，抗干擾能力差，在此采用CAN通信實現(xiàn)2個DSP單元間的通信.CAN總線具有通信速率快、傳輸距離遠、可靠性高等優(yōu)點[2].系統(tǒng)采用CTM1050T作為CAN收發(fā)器模塊，圖3為CAN通信硬件電路.

圖3 CAN通信硬件電路

2 電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 中斷程序設(shè)計

中斷程序是整個軟件的核心部分，電能質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的分析主要在中斷函數(shù)中完成.定時器中斷啟動后，定時時間到即觸發(fā)中斷，在中斷函數(shù)中讀取DSP28335采樣模塊結(jié)果寄存器中的采樣值，并記錄采樣點數(shù)，達到256個采樣點時將中斷關(guān)閉，并對采樣數(shù)據(jù)是否同步進行判斷[3].如果同步則對1個周期的采樣數(shù)據(jù)進行分析計算，分析計算完成后中斷再次開啟.中斷子程序流程如圖4所示.

圖4 定時中斷程序流程

2.2 CAN通信程序設(shè)計

采用查詢和中斷方式，利用TMS320F28335的eCAN模塊實現(xiàn)CAN通信.通過對通信模塊的初始化，發(fā)送方DSP將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入eCAN模塊寄存器對應的發(fā)送緩沖區(qū)；接收方DSP查詢CANRMP寄存器的狀態(tài)，判斷是否收到有效數(shù)據(jù)，收到有效數(shù)據(jù)就會觸發(fā)并中斷讀出接收到的數(shù)據(jù)[4].需要注意的是，發(fā)收雙方郵箱ID號以及波特率必須一致.圖5為CAN通信程序流程.

圖5 CAN通信程序流程

2.3 上位機通信程序設(shè)計

本設(shè)計利用VB6.0完成上位機監(jiān)控軟件的設(shè)計，實現(xiàn)的功能主要有串口通信、電能質(zhì)量參數(shù)的顯示、電壓電流波形顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等.通過MSComm控件可以方便地實現(xiàn)串口通信，當接收緩沖區(qū)內(nèi)的字節(jié)個數(shù)達到設(shè)定值后讀取數(shù)據(jù)，通過Timer控件和PictureBox控件完成實時波形的繪制.Data控件與Access數(shù)據(jù)庫結(jié)合，通過編寫接口驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲及歷史數(shù)據(jù)的訪問[5].圖6為上位機程序流程.

圖6 上位機程序流程

3 電能質(zhì)量參數(shù)計算

采用傅里葉變換將u(t)分解為基波和各次諧波之和，根據(jù)正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的正交性有

(1)

(2)

式中：k為各次諧波的次數(shù)(k=1,2,3，…).

離散化后得

(3)

(4)

第k次電壓諧波有效值為

(5)

非正弦周期信號的有效值可以表示為

(6)

(7)

有功功率定義為

(8)

離散化后得

(9)

為了減小誤差，無功功率的計算采用時域數(shù)字移向法.定義無功為滯后90°的電壓與電流的乘積[6],則有

(10)

離散化后得

(11)

視在功率為

S=UI.

(12)

畸變功率為

(13)

4 電能質(zhì)量治理

用有源濾波器補償無功和抑制諧波已成為近年來研究的熱點，控制和檢測方法是設(shè)計有源濾波器的關(guān)鍵技術(shù).基于三相瞬時無功理論的d-q、p-q法是目前應用比較廣泛的諧波檢測方法[7].p-q法實時性好，但文獻[8]的試驗表明，p-q法在電壓有畸變的情況下檢測出來的畸變電流有較大的誤差.為了提高檢測精度，本文用d-q法來進行諧波檢測.d-q法的原理是將電流ia、ib、ic經(jīng)C32變換到兩相正交坐標系dq中，然后從變換后的電流id和iq中去除與補償電流相關(guān)的成分，再經(jīng)過C32逆變回到abc坐標系中，得到期望的指令電流值[8-9].諧波電流檢測原理如圖7所示.

圖7 諧波電流檢測原理

有功電流id和無功電流iq可表示為

其中，

將id、iq濾波后分解出直流分量，經(jīng)過Cdq-1變換和C23變換得出基波電流的值，即

將基波電流與三相負載電流ia、ib、ic相減，即可得出負載電流的諧波分量iah、ibh、ich.

用Matlab中Simulink工具搭建仿真模型，Matlab提供有d-q變換模塊，為檢測出諧波和無功分量提供了方便.仿真模型電源電壓取峰值2 040 V、頻率50 Hz的交流電，La、Lb、Lc取0.43 mH，Ud取4 200 V.本文采用滯環(huán)控制的方法產(chǎn)生PWM信號，來控制三相橋IGBT的導通和關(guān)斷.該方法把指令電流和逆變器輸出的補償電流的差值通過滯環(huán)比較方式限制在一定的環(huán)寬內(nèi)，根據(jù)這一規(guī)則來控制IGBT的關(guān)斷和導通,開關(guān)頻率取3.5 kHz.這種方法實現(xiàn)起來簡單，電流響應速度快.圖8為仿真電路，治理前后的電流波形如圖9～10所示.

圖8 仿真電路

圖9 治理前電流波形

圖10 治理后電流波形

由圖9～10可以看出，治理前電流波形畸變嚴重，經(jīng)治理后三相電流基本正弦化，治理效果良好.

5 結(jié)語

本文深入分析并設(shè)計了電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路和軟件結(jié)構(gòu)，采用雙DSP結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的實時性和精確性.提出了基于瞬時無功d-q檢測的方法，并進行了仿真試驗，表明運用此方法進行電能質(zhì)量治理效果顯著.