基于带预测算子TTA算法的电能质量检测及其治理研究

沈文杰,胡 韵

(1.洛阳理工学院 电气工程与自动化学院，河南 洛阳 471023；2.西藏民族大学 信息工程学院，陕西 咸阳 712082 )

基于带预测算子TTA算法的电能质量检测及其治理研究

沈文杰1,胡 韵2

(1.洛阳理工学院 电气工程与自动化学院，河南 洛阳 471023；2.西藏民族大学 信息工程学院，陕西 咸阳 712082 )

为了应对非线性负载对电网电力系统的污染和电能浪费，保障现代生产自动化控制系统可靠运行。本文通过对电能质量特征量检测方法的分析，提出了一种带预测算子TTA算法的电流检测方法，阐明了使用该方法的电能治理系统的原理和实施方案。经过工程实例生产现场的数据检测，证明用基于带预测算子TTA算法电能质量检测和治理，可以很好地补偿电网谐波、无功和不平衡电流,改善电能质量和节约电能。

预测算子；TTA算法；电能质量;谐波治理

随着我国工业自动化控制技术的进步，各种工业电器设备的控制向智能型控制器方向发展，计算机集中控制、DCS控制系统在工矿企业的生产中运用的十分广泛，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越高，电能质量受到人们的日益重视。然而，工矿企业生产中大量使用的变频调速装置、开关电源、电弧炉、感应加热电源等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源或生成额外的电压或者电流，造成低压电力系统奇次谐波污染严重，线路负载的不均衡性以及负载的开停不规律性等因素又会造成三相交流负载不均衡，致使低压电力系统的波形畸变、谐波成分增加，引起企业用电系统的中性线过载、保护装置的误跳闸、程控交换设备的故障率增高、控制系统的频繁损坏、磁盘矩阵损坏、重要数据丢失等事故现象发生。由于电能质量管理政策的缺位，企业自身缺乏相应的管理手段和技术手段又使得事故原因很难排查，轻者干扰设备正常运行，重者致使大型生产线、通信系统运行瘫痪，造成严重经济损失。

1 电能质量特征量检测方法的分析

电能质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形、三相电压不平衡、电压谐波总畸变率、电压波动等40多项指标[1-2]，根据国际电工委员会(IEC)的有关标准，谐波、电压跌落[3]、浪涌和瞬时供电中断[4]等都被作为衡量电能质量的重要指标。谐波是瞬流的一种主要表现形式，同样是交流正弦波电路上电流与电压的一种瞬时态的畸变，这类电能质量问题持续时间很短、变化很快，并且还伴随着部分甚至全部有功功率损失等动态电能质量问题[5]。在国家大力实施节能减排政策的框架下，强化电能质量治理减少有功功率损失就显得愈加重要。然而，由于用户用电对电网电能质量影响情况的多样性，所以准确、快速检测电能质量并有效治理就成为一个比较复杂的课题，目前国内外提出的检测电能质量主要算法有：傅里叶变换[6]、小波变换[7]、dq 变换[8]和 S 变换[9]等。傅里叶变换适合分析平稳信号，但因为有频谱泄漏和栅栏现象等缺陷，而不适合分析电能质量扰动等非平稳信号。小波变换是一种时频分析方法[10]，因其具有良好的时域、频域局部化特性，适合于分析暂态、突变信号，在电力系统中得到了广泛的应用。但其受噪声影响较大，不易用于实践，对低频扰动检测和定位效果不好，且小波变换多尺度判断的结果可能相互矛盾[11]。S 变换的分类特征量都是从 S 变换的结果矩阵中提取出来，虽然提取的特征量不尽相同，但均有明确的物理意义，主要反映信号基波幅值变化幅度、持续时间和频谱构成等。

2 带预测算子TTA算法的电流检测方法

由于很多情况下负载电流变化较快且较频繁，如果补偿指令与实际电流间存在较大的延时，采用间接法得到的指令电流信号中存在较大的基波，如基波正序有功分量、基波正序无功分量、基波负序有功分量和基波负序无功分量等，导致补偿系统发出或吸收有功电流，从而需要加大补偿系统的容量；而采用直接法得到的指令信号就会存在幅值上的差异，导致谐波补偿不完全，降低了补偿系统的补偿性能。为了解决上述问题，本文所研究的是采用基于时域变换的电流检测算法(Time-domain based Transform Algorithm，TTA)，并把TTA算法与预测算子很好地组合在一起。

图1 预测算子的运算框图

预测算子如图1所示。

(1)

其中：式中m为当前工频周期；m-1为前一个工频周期；n为当前采样点；N为单周期采样点数。

用上一周期的采样数据计算出其中的基波或指定次谐波分量，然后再乘以Kp(n)，就可以得到当前负载电流中的基波或谐波电流的值，由此得到的补偿指令几乎可以实时地反映出负载的变化，延时很小(最大一个采样周期的延时)。

TTA 算法与预测算子组合在一起就可以得到一种灵活的、适合对快速变化负载进行补偿的电流检测方法，其算法原理框图如图2所示。

图2 带预测性能的TTA算法框图

采用带预测算子的电流检测方法可以使补偿指令快速地跟踪负载电流的变化，补偿后的网侧电流能快速跟踪负载电流的变化，延时非常小(μs级)，从而大大提高系统补偿的动态性能。

3 电能质量治理及安装

以带预测算子TTA 算法的诺电霸或FullcosPower为电能质量治理系统核心。该系统采用TI德州仪器公司2000系列处理器核的DSP，内部带有ROM、FLASH、大容量的RAM和丰富的外部接口和编程简单的高速运算的数字信号处理器浮点芯片TMS320F28335 以及专用的高速AD采样芯片，结合控制数字运算板，将电源分解成了基波正序有功分量、基波正序无功分量、基波负序有功分量、基波负序无功分量、谐波负序分量和谐波正序分量，对谐波、无功和负序快速计算同时进行补偿；采用时分割乘法器技术，将0.05% 级精度的时分割乘法器和0.01级精度的U/f 转换器集成于一体的ATT7022 基波谐波三相电能专用计量芯片，实现对电网及用能设备进行电压、电流、能源和品质因数等实时动态监控，以满足不同的补偿功能；通过对系统输出电压相位的控制，对电力系统的网络参数和网络结构实施灵活、快速的控制，从感性到容性的整个范围进行连续的无功调节，达到快速补偿系统对无功功率的需求，从而抑制电压波动并增强系统稳定性。适时调节设备的能源利用使设备能源利用率达到最佳状态，运算速度可达微秒级，计量精度达到了0.1 S等级，全部运算功能完全由硬件电路实现，具有极高的可靠性和优异的抗电磁干扰能力。测量带宽达到20倍过载，可监测和显示节能设备投入运行前后的有功电量和无功电量。数据通信完全符合各种通信规约的要求，最大限度地满足了电力企业对现场复杂、多变及多谐波等非线性电能信号实时精确计量的要求，且计量具有断电数据记忆功能、掉电时自动保存电量计量等所有信息。

实际应用中根据供配电网供电电能质量受到污染情况，同一供配电网上的其他敏感负载工作受到影响状况，以及本身电网的功率因数的高低，谐波含量的大小，存在三相电流不平衡现象状态，分3种情况进行安装和治理。

方案1 针对整个配电网进行综合治理，采用无功补偿的诺电霸和FullcosPower混合使用，以综合解决三相电流不平衡、功率因数及谐波对电网电能质量的影响。安装示意图如图3所示。

图3 综合补偿方案安装示意图

方案2 针对供电电网中有严重非线性负载的支路进行集中治理。如某一负荷开关下装有多个非线性负载，如各种单相、三相焊装设备等，为了解决这一支路的电能质量污染问题，可加装一定容量的FullcosPower解决此支路的电能质量污染问题。安装示意图如图4所示。

图4 集中补偿方案安装示意图

方案3 针对大功率的晶闸管电源、大功率的电弧设备及大功率的UPS 电源等一类的非线性负载，可以单独治理，又称就地治理。安装示意图如图5所示。

图5 就地补偿方案安装示意图

方案3是解决电能质量污染的最佳方案， FullcosPower装置就安装在这类设备的附近，对非线性负载等造成的电能质量污染问题就地治理，可有效降低线路损耗。

4 工程应用实例

图6 设备安装示意图

某蓄电池公司的供电网络中有各种充放电设备,这些设备是典型的非线性负载,导致供电系统存在功率因数偏低以及电流谐波含量大等电能质量问题,供电电源受到严重污染。从现场采集到的数据说明,该支路的功率因数只有0.7左右;电流的总谐波畸变率高达34%,主要存在5、7、11、13、17和19次等特征次谐波。其中5次电流谐波为114.1 A,7次电流谐波为39.5 A(以A相为例)。由于电流谐波的严重畸变,给电网电压造成了影响,使电网电压的总谐波畸变率也超出了国家标准。对测试数据进行分析后,选择方案1用Nobipower对1#和2#变压器配电系统进行集中谐波治理。设备安装示意图如图6所示。

以观测点1谐波治理的效果为例,诺电霸设备投入后对治理该支路供电电源中的谐波有着明显的作用,使流入电网的电流波形得到明显改善,电源电流的总谐波畸变率由原来的34%下降到3.1%,下降率达91%。其中各次谐波电流相对于基波电流的百分比均在1.90%以下,5次谐波电流由补偿前的114.1 A下降到6.6 A;7次谐波电流由补偿前的39.5 A下降到4.5 A;11次谐波电流由补偿前的16 A下降到2.5 A;13次谐波电流由补偿前的3.3 A下降到0.7 A。补偿前后各次谐波的数据和波形对比如图7、图8所示。

图7 补偿前后各次谐波电流柱状图 图8 补偿前后电源电压、电流波形对照

5 结 语

从本文的应用实例可以看出, 随着电力电子设备及非线性、冲击性设备的广泛应用,电网的谐波污染问题越来越严重,必须采取有效措施来改善电能质量。用基于带预测算子TTA算法的电流检测方法诺电霸Nobipower来检测和治理电能质量，不仅能够很好地补偿电网谐波、无功和不平衡电流,改善电能质量，而且还可以充分提高功率因数达到节约能源的目的。

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Study on Power Quality Detecting and Control Based on TTA Algorithm with Prediction Operator

SHEN Wenjie1, HU Yun2

(1.Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471003, China；2.Xizang Minzu University, Xianyang 712082, China)

In order to deal with power system pollution and energy waste by nonlinear load, and to ensure the reliable operation of modern production automation control system, a current detecting method based on TTA algorithm with prediction operator is proposed by analyzing the detection method on power quality feature. The principle and implementation scheme of the electric energy management system using this method are clarified. According to the on-site data from engineering example, it is proved that the method based on TTA algorithm with prediction operator can compensate the harmonics of power grid, reactive and unbalanced current, improve power quality and save energy.

prediction operator; TTA algorithm; power quality; harmonic treatment

2016-12-02

沈文杰(1964-)，男，河南洛阳人，硕士，教授，主要从事电气工程技术方面的教学和研究工作.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.01.017

TP273

A

1674-5403(2017)01-0062-04