抽油机专用智能电表的设计与实现

Design and Implementation of Dedicated Smart Meter for Pumping Unit

焦裕玺1　孙　东2　刘向东2　肖志勇2　王晓东2

(山东科技大学电气与自动化工程学院1，山东 青岛　266590；胜利油田技术检测中心2，山东 东营　257000)

抽油机专用智能电表的设计与实现

Design and Implementation of Dedicated Smart Meter for Pumping Unit

焦裕玺1孙东2刘向东2肖志勇2王晓东2

(山东科技大学电气与自动化工程学院1，山东 青岛266590；胜利油田技术检测中心2，山东 东营257000)

摘要：针对抽油机存在的倒发电情况以及变频节能设备在机采系统中的广泛应用，设计了一款抽油机专用智能电表。基于瞬时功率理论与自适应谐波滤波器，实现抽油机交变载荷特殊工况下谐波分析与电能双向计量。具体介绍了智能电表的结构原理与计量分析算法。测试结果表明，该智能电表计量具有精度高、抗干扰能力好、频率跟随能力强的特点，可广泛应用于抽油机采油动态监控和实时评价系统。

关键词：智能电表自适应陷波滤波器瞬时功率谐波分析双向计量抽油机

Abstract：Aiming at the reverse power generation phenomenon of pumping unit, and the condition of variable frequency energy saving equipment has been widely used in mechanical recovery system, the dedicated smart meter for pumping unit is designed. Based on instantaneous power theory and the adaptive notch filter, the harmonic analysis under alternating load operation condition of pumping unit and bidirectional power measurement are realized. The structural principle of the smart meter, and metering analysis algorithm are introduced specifically. The test results show that the meter has high measurement accuracy, good anti-interference capability, stronger frequency following capability, and can be widely used in dynamic monitoring and real-time evaluation systems of mechanical recovery.

Keywords：Smart meterAdaptive notch filterInstantaneous powerHarmonic analysisBidirectional meteringPumping unit

0引言

抽油机工作时的非线性载荷特性以及变频设备在机械采油工艺中的广泛应用，致使供电系统遭受严重的谐波污染，因此对供电系统谐波的采集与分析变得尤为重要[1-2]。常用谐波分析算法如快速傅里叶变换(FFT)、加窗插值修正的FFT算法、小波变换技术、瞬时无功功率算法、神经网络算法等，在抽油机变频工况下的谐波分析效果均不理想[3]。目前，常用数字式电表无计负功的功能，故对抽油机倒发电电能不能进行准确计量[4]。针对以上问题，提出了基于瞬时功率理论与自适应陷波滤波器(adaptive notch filter，ANF)的抽油机电参、谐波和倒发电电能计量新方法，设计了以DSP系统为核心的抽油机专用智能电表。

1系统设计

电表需要对电压电流数据进行大量复杂运算，同时为了满足系统实时性的要求，运算速度要足够快。基于上述性能的要求，系统选取具有极强数据运算处理能力的TMS320F28335数字信号处理器(DSP)作为核心控制器，其他硬件电路采用模块化设计方案，包括电压电流信号调理电路、数据采集电路、存储器、通信模块以及电源模块等，其结构如图1所示[5-6]。

图1　系统结构框图

2硬件电路设计

2.1　电压调理电路设计

三相电压信号经过大功率分压电阻之后转换为电流信号，电流信号通过电压调理电路实现电平与极性转换。电压调理电路如图2所示，电流信号通过1∶1的毫安级精密电流互感器SPT204之后，相位可能会产生偏差，利用电容C1与电阻R3对其相位进行矫正。电流信号经过电阻R1和R2转换为电压信号之后，通过偏置电路可将双极性电压调节至0~5 V单极性电压。为了防止现场的冲击信号烧毁AD输入端口，采用双向肖特基二极管BAT54S进行保护。

图2　电压调理电路

2.2　电流调理电路设计

电流调理电路如图3所示，R7是精密采样电阻，用来将电流传感器产生的电流信号转化为电压信号，R8、R10和U7组成同向放大器，放大倍数为10，用于对小信号的初步放大。调节R44可以消除运放漂移的影响。PGA103为程控放大器，其放大倍数可由程序控制分别为1、10、100倍。当电流较小时，可通过程序控制将信号放大。

图3　电流调理电路

经过两级放大的信号加滤波后跟随，为了防止现场的冲击信号烧毁A/D输入端口，采用双向肖特基二极管BAT54S进行保护。

2.3　数据采集电路设计

为精确计量系统高次谐波，采样频率应遵循香农采样定理，即信号采样频率至少为最高频率的2倍。ADS8365为6通道同步采样并行输出的16位逐次逼近数据采集芯片，最高频率为250 kHz，可以实现电压电流6路信号同步高速采样。为了提高采样精度，将采样频率设置为204.8 kHz。ADS8365的6路模拟通道为全差分输入，为了充分利用0~5 V的满量程，采用单端输入的模式。

2.4　电源电路设计

为了方便现场应用、减小系统体积、提高可靠性，需要单独设计系统电源。该电表采用12 V开关电源直接供电，采用LM2596S产生3.3 V电压信号；利用隔离型DC-DC变换器WRA1215D产生正负15 V电压；采用LM7805进行12 V到5 V的电压转换，为电表提供5 V电源。电源电路如图4所示。

图4　电源电路

3计量分析算法

3.1　瞬时功率理论

由电路理论可知，只含有频率ω的电压电流可表示为：

(1)

(2)

(3)

(4)

将瞬时有功功率和瞬时无功功率定义为电压电流矢量的点积和叉积，即：

(5)

(6)

同频率的正弦电压和电流所产生的瞬时有功功率和瞬时无功功率分别是它们平均有功功率和无功功率的2倍[7]。因此，可以通过瞬时功率理论获得有功功率与无功功率。

3.2　ANF原理

自适应谐波滤波器的数学表达式如下：

(7)

假设上式中u(t)为电压信号，即u(t)=Asin(wt+φ)，则式(7)有唯一解：

(8)

3.3　谐波分析方法

谐波分量一般采用谐波含有率(HR)来评价其谐波指标，定义h次电压或电流谐波分量的幅值(或有效值)与基波分量的幅值(或有效值)之比为h次谐波含有率，用百分数表示[10]。

第h次谐波电压含有率：

(9)

第h次谐波电流含有率：

(10)

根据ANF的解并利用公式：

(11)

可以得到h次电压谐波的幅值，将h取值不同的ANF并联使用，可计算出各次电压谐波含有率。同理可计算出各次电流谐波含有率。

3.4　双向电能计量方法

(12)

(13)

4测试分析

为了测试电表对谐波、双向电能计量的精度，在抽油机运行现场，同时将研制的电表与油田测试常用装置HIOKI(日置)3390功率分析仪(精度±0.1%，具有负功累积计量功能)对一工作在36Hz下的抽油机变频柜输出端进行谐波与电能计量。表1为测试对比结果。

表1　现场测试对比结果

通过以上数据分析，研制的智能电表对抽油机谐波的分析与日置3390功率分析仪的计量结果相差不大，相对误差维持在3%以内，对双向电能的计量与日置3390功率分析仪的计量结果相对误差维持在0.3%以内，可见该电表对谐波与双向电能的计量具有很高的精度。

5结束语

抽油机专用智能电表以DSP系统为核心，通过对信号调理电路、数据采集电路、电源等模块的设计，保证了电表的高可靠性与较好的抗干扰能力。基于瞬时功率理论与自适应谐波滤波器的先进分析算法，提高了电表对谐波与双向电能的计量精度，同时具有较好的频率自适应能力，各项指标均达到了设计要求。与价格昂贵的3390功率分析仪相比，该智能电表生产成本低，可广泛推广应用于机械采油系统。

参考文献

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[3] 黄伟杰.基于FFT及其改进算法在电网谐波中的应用[D].南京:东南大学，2012.

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[5] 刘建峰.基于DSP的电力参数测试仪的研制[D].南京:河海大学，2007.

[6] 岳丽娟,曾成.双向计量型智能电表系统的设计[J].自动化仪

表，2014,35(4)：75-78.

[7] 任旭虎，马帅，赵仁德，等.基于自适应陷波滤波器的基波与谐波有功功率分别计量[J].电力系统自动化，2011,35(16)：66-70.

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[10]孙东.抽油机变频器电参数测试技术[J].油气田地面工程，2011,30(1)：21-24.

[11]Mojirl M，Karimi-ghartemani M，Bakhshai A.Estimation of power system frequency using an adaptive notch filter[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2007，56(6)：2470-2477.

中图分类号：TH702

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507025

修改稿收到日期：2015-02-16。

第一作者焦裕玺(1989-),男，现为山东科技大学控制理论与控制工程专业在读硕士研究生；主要从事系统集成与检测方面的研究。