公用台区下5G基站谐波在线检测系统设计与实现

赵 欢，黄怀东，李振琦

（深圳供电局有限公司深汕特别合作区供电局，广东 深圳 518031）

0 引言

随着5G 技术的发展及普及，5G 基站也随之增多，由于5G 基站采用大规模多输入多输出技术，造成5G 基站耗电量约为4G 基站的3 倍以上，布设点比4G 基站更为密集、数量更多，更加靠近居民区和大型商业体。因为新建成本或其它因素无法通过电网公司直接供电，而会采取使用相邻公用台区的配电设施为5G 基站供电，这样导致越来越多的5G 基站安装在公用台区下。5G 基站内的用电设备多为非线性设备，特别是开关电源、空调等会引起谐波污染问题，对公用台区的变压器、其他用户的用电安全构成威胁。一方面，这些非线性负载会将一部分基波功率转化为谐波功率，此时非线性负载变成一个谐波源，向台区输送有害的谐波有功功率，电能表计量时会用基波电能减去输送到台区的有害谐波电能，使这些非线性负载用户少交电费，造成供电企业线损增加，经济效益受到严重损害；另一方面，谐波电流增大，特别是3 次及其倍数谐波会侵入变压器的中性线，会使线路过热引发变压器损坏或者着火，也可能引起台区内的保护及自动装置产生误动或拒动，造成大面积停电、台区电网崩溃等事故，影响台区电力运行安全。

图1 谐波在线检测系统原理框图Fig.1 Principle block diagram of harmonic online detection system

本文设计和实现了一种公用台区下5G 基站的谐波在线检测系统，主要监测基站产生的谐波电压、电流的谐波含有率、谐波功率，并依据国标给出谐波要求限的基准波形，自动识别超限的谐波次数并进行预警，为治理5G 基站对公用台区电能质量污染治理及降低台区线损提供数据支撑。本设计具有结构小巧，便于安装、抗干扰能力强等特点。

1 公用台区下5G基站谐波在线检测系统设计

公用台区下5G 基站谐波在线检测系统由谐波检测装置和PDA 移动终端组成。检测装置安装在5G 基站电量计量装置处，在线实时检测电压（3 路）、电流（4 路）、频率、相位，电压电流谐波含有率、基波功率、谐波功率，并对检测数据进行存储。PDA 移动终端安装APP 软件，利用蓝牙查验检测装置安装及测试是否正确，利用4G 通信模块上传并显示检测装置存储的数据。APP 软件对读取的存储数据进行处理，分析谐波数据，自动识别超限的谐波次数并进行预警；分析基波功率与谐波功率数据，判断基波功率与谐波功率方向的异同，估计谐波对台区线损的影响。

1.1 谐波检测装置硬件设计

考虑谐波检测装置可能安装在计量箱内，体积应小巧，需要长时间测量，兼顾装置电路的抗干扰设计考虑，将测量和通讯电路分开设计。另考虑需长时间测量，采取测量电压与取电一体化设计。谐波检测装置由测量板和通信板组成，采用两个处理器模式，测量MCU 和通信MCU，测量MCU 主要负责对三相电压、电流的采样和计算，通信MCU 主要负责数据的处理和通信，测量MCU 与通信MCU采用SPI+SYNC+INT 通信模式，SPI 用于谐波检测装置数据采集，SYNC 用于测量同步，INT 用于下板测量参数初始化。基本结构如图2。

图2 谐波检测装置结构框图Fig.2 Block diagram of harmonic detection device

测量板包括取样放大电路、滤波电路、电源模块及转换电路和MCU 最小系统，取样放大电路将电压和电流通过电压或电流互感器输出信号取样放大滤波后送入ADC 中，再做FFT 运算，算出频率、幅值、相位、谐波、谐波功率等电参数，然后将测量的数据上传到通信板。

通信板包括通信模块、蓝牙模块、4G 模块、TF 卡及存储电路、Type-C、有源晶振、抗电磁干扰电路，主要负责与测量板的通信，检测数据存储，通过4G 模块将存储数据上传到PDA 移动终端，也可通过蓝牙将数据上传到PDA移动终端查看实时检测数据。

通信板通过有源晶振给测量板每秒发送测量同步指令，测量板收到后开始测量，等待0.5s 后，通信板主动读取测量板的测量结果，通信板将收到的测量数据进行存储，如果PDA 移动终端APP 通过4G 模块（或蓝牙）连接监测装置，通信板将得到的幅值、相位、谐波、谐波功率等电参数上传到PDA 移动终端APP，实现数据的测量和显示。

1.2 谐波检测装置检测原理嵌入式软件设计

谐波检测采用傅里叶（FFT）变换原理，即对输入信号进行高速采样，采用数字信号处理技术，用离散傅里叶变换法分解出各次谐波的幅值和相位，依据谐波含有率计算公式计算得到各次谐波的含有率及谐波的总畸变率。由于FFT 变换方法不可能对无限长连续信号进行分析处理，在数字信号分析过程中，只能将其截断变成有限长的离散数据。这种截断会导致频谱泄漏效应，若不满足整周期采样，不能得到各次谐波分量的准确值，而只能以临近的频率分辨点的值来近似代替会导致栅栏效应。故在嵌入式软件设计中，采用加窗（余弦窗）插值法来有效减小频谱泄漏。

谐波功率检测是将电压电流实时采样后进行FFT 变换，得到各次谐波的幅值和相位。仅有同频率的电压与电流谐波才构成平均功率，不相同频率的电压与电流不构成平均功率，只构成瞬时功率，进行累加得到有功电能量，有功计量所得出的瞬时有功功率为基波与各次谐波功率之和。当基波功率和谐波功率方向相同时，负载消耗谐波，全波功率为基波和谐波值的代数和；当基波功率和谐波功率方向相反时，也就是负载产生谐波，全波功率小于基波和谐波的绝对值之和。

根据谐波及其功率的检测方法，设计检测装置嵌入式软件的软件框图如图3。主要实现的功能有电压、电流的ADC 采样，对采样信号的数字滤波去除噪声，对信号进行窗函数处理，FFT 变换，经计算公式获得各次谐波含有率（2 次～50 次）及总畸变率，经计算公式获得谐波功率，对获得的数据进行存储，并接收PDA 终端软件指令定点上传检测数据。

图3 谐波检测装置谐波分析软件框图Fig.3 Harmonic analysis software block diagram of harmonic detection device

1.3 PDA终端软件设计

PDA 终端：远程监测及数据显示分析。谐波检测装置通常安装在台区的计量柜内，PDA 终端可随身携带，可在有4G 信号的区域随时随地查看5G 基站设备产生的谐波数据，方便快捷。PDA 终端软件与谐波检测装置采用4G 无线通讯，PDA 终端软件发指令，使谐波检测装置定点上传检测数据，根据YD/T 2583.17-2019、GB/T17625.1-2012、GB/Z 17625.6-2003 及GB/T14549-93 中对谐波的要求，画出谐波限制的标准曲线，与上传的谐波数据画出实测曲线进行比较，自动识别出超限的谐波电压和谐波电流次数，并进行报警。根据对谐波功率数据进行分析，判断谐波功率与基波功率方向的异同，获得5G 基站产生的反向谐波功率，反向谐波功率不但消耗了功率还抵消了部分基波功率，应用双倍的反向谐波功率计算对线损的影响，为电能正确计量提供可靠数据分析。当需要查看历史数据时，可在数据管理中查询。

该监测系统软件包括电力参数数据获取和显示、谐波曲线比对，及谐波超限自动识别报警，谐波对台区线损的影响分析及引起的线损、数据查询统计、数据分享等。PDA 终端软件设计框图如图4。

图4 PDA终端软件设计框图Fig.4 PDA Terminal software design block diagram

2 试验与效果分析

2.1 谐波含有率及总畸变率实验室校准试验

依据JJF 1667-2017《工频谐波测量仪器校准规范》，采用尖顶波和平顶波的方法（波形如图5），在实验室对检测装置的谐波含有率和总畸变率进行了校准。校准时采用的是标准表比较法，由0.05 级交流标准源和0.02 级标准表组成标准校验设备。在实验室环境下，其校准结果见表1和表2（仅列出了奇次3、5、7、11、13 次谐波电压与谐波电流的数据）。

表1 谐波电压校准实验数据Table 1 Harmonic voltage calibration experimental data

表2 谐波电流校准实验数据Table 2 Harmonic current calibration experimental data

图5 平顶波、尖顶波波形图Fig.5 Waveform chart of flat top wave and sharp top wave

谐波检测装置测得值与标准值的比对，谐波检测装置所测的谐波电压含有率、谐波电流含有率及总畸变率测试准确，符合设计要求。

2.2 现场应用

将谐波检测装置安装在深圳特别合作区供电局下辖的某装有5G 基站的台区计量箱内，由计量装置的电压供电对5G 基站产生的谐波进行检测试验。试验证明，谐波检测准确，谐波检测装置与PDA 终端通信正常，定点上传数据，PDA 终端软件能自动识别超限谐波次数，为谐波对台区线损的影响提供了数据并进行分析。

3 结束语

本文对公用台区下5G 基站谐波在线检测进行了研究，根据对公用台区下5G 基站谐波测试的现实需求，采用谐波参数检测装置与数据处理显示装置分开设计，检测装置负责数据采集、存储，PDA 移动终端负责谐波数据处理、显示。经实验论证表明，公用台区下5G 基站谐波在线检测能准确测量5G 基站用电时对公用台区的谐波影响，为谐波治理及谐波对台区线损的影响提供数据支撑。同时检测装置体积小，无需单独供电，可存储测试数据，安装后，利用PDA 移动终端读取处理数据，自动识别出超出国标的谐波，使用简单方便，大大地提高效率，减少人工。