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作者：ADI公司Petre Minciunescu 電網(wǎng)是一個(gè)由電廠、輸電線路和用戶構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。將來(lái)，人們預(yù)期用戶的能源消耗將大幅增長(zhǎng)。原因在于，市場(chǎng)上外接充電式電動(dòng)汽車的出現(xiàn)將大幅增加車主的日常能源消耗。 一輛搭載24kWh電池組并且每天都需要充電的汽車可能使一個(gè)家庭每月的耗電量增加一倍或兩倍。不難想象，為了提供這種能源增量，需要修建更多的電廠，輸電線路的升級(jí)將變得更加困難。這正是智能電網(wǎng)概念出現(xiàn)的原因：需要對(duì)輸電線路進(jìn)行更加智能化的管理，以使能耗的諧波污染降至最低水平，使能源消耗在白天的分布更加均衡，由此跟上能耗增長(zhǎng)的步伐。 智能電網(wǎng)的管理意味著對(duì)用戶層面以及輸電線路的實(shí)時(shí)了解。從工程角度來(lái)看，這里涉及到兩件事：其一，必須始終測(cè)量大量的電量；其二，公用事業(yè)公司必須定期與測(cè)量這些電量的儀器進(jìn)行通信。本文將探討需要監(jiān)控哪些電量，以及用于測(cè)量的各種架構(gòu)。 假設(shè)有一個(gè)交流供電系統(tǒng)，其電壓為v(t)，消耗電流為i(t)： 
其中，Vk, Ik=各個(gè)諧波的均方根電壓和電流，φk,γk=各個(gè)諧波的相位延遲，ω=2πf，基波的角速度。 總有功功率。有功功率為瞬時(shí)功率相對(duì)于整數(shù)線路周期數(shù)的均值：
之所以稱為“總”有功功率是因?yàn)椋渲邪怂兄C波上的有功功率的貢獻(xiàn)。這是最后用戶向公共事業(yè)公司支付的那部分。 基波有功功率。這是基波的有功功率：
t為應(yīng)在用戶與公共事業(yè)公司之間交換的唯一有功功率。該值可能為正，表示用戶使用或“消耗”了電量，也可能為負(fù)，表示用戶往電網(wǎng)中輸送了電量。 諧波有功功率。這是一個(gè)諧波k的有功功率：
這類有功功率很重要，因?yàn)樗鼤?huì)造成污染，不應(yīng)存在于電網(wǎng)之中。正因如此，過(guò)去幾年中，將基波有功功率與諧波有功功率分開(kāi)變得非常重要。諧波有功功率的符號(hào)可以顯示產(chǎn)生污染者以及消耗者。從智能電網(wǎng)角度來(lái)看，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生諧波有功功率的罪魁禍?zhǔn)讓?duì)消除污染源非常重要。 總、基波和諧波無(wú)功功率。無(wú)功功率是指電壓和電流信號(hào)之一的所有諧波成分發(fā)生90°相移時(shí)產(chǎn)生的電壓和電流波形：
這是一種純粹的振蕩功率，均值為0。與有功功率類似，無(wú)功功率分為總無(wú)功功率、基波無(wú)功功率和諧波無(wú)功功率三種。總無(wú)功功率的問(wèn)題是其實(shí)際意義不大，長(zhǎng)期以來(lái)都是飽受爭(zhēng)議的一個(gè)話題。因此，需要測(cè)量的一般都是基波無(wú)功功率和諧波無(wú)功功率。 電流和電壓均方根表示電流或電壓的平方的整數(shù)線路周期數(shù)的均值：
如果電壓和電流中的基波和諧波組分得以確定，則同時(shí)還需要基波和諧波的均方根值。 總、基波和諧波視在功率。 視在功率定義為均方根電流和均方根電壓的算術(shù)積，根據(jù)所用均方根值，結(jié)果可能是總視在功率、基波視在功率或諧波視在功率。 這些是需要測(cè)量的最重要的量。其他量有：功率系數(shù)、諧波失真、三相系統(tǒng)中的正、負(fù)和零序列功率。 用于測(cè)量這些量的儀器未必具有高端輸電線路監(jiān)控器的性能，多數(shù)情況下也不必如此。隨著要求的提出，隨著每一代新型半導(dǎo)體元件價(jià)格的下降，這些量的測(cè)量將滲透到整個(gè)電網(wǎng)。例如，很難想象有必要在住宅中用電表計(jì)算諧波功率。 然而，從智能電網(wǎng)的角度來(lái)看，鼓勵(lì)用戶在能耗量最低的夜晚給電動(dòng)車充電，這是最有意義的。但在變電站層面完全有必要使用監(jiān)控上述所有量的儀器。 對(duì)當(dāng)?shù)毓I(yè)用戶進(jìn)行監(jiān)控，以證實(shí)諧波污染保持于最低水平，這是非常有意義的，因?yàn)楹苡锌赡苁悄硞�(gè)工序向電網(wǎng)中注入了諧波。從這一點(diǎn)往上進(jìn)入電網(wǎng)層級(jí)體系，類似儀器的作用將變得明晰起來(lái)：對(duì)所有主要變電站和輸電線路進(jìn)行監(jiān)控。接下來(lái)我們將討論計(jì)算上述各量的各種系統(tǒng)性方法。 獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP 能給設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)最大靈活性的方法是采用連接至DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(見(jiàn)圖1)。DSP可以是適用于計(jì)算上述量的任何處理裝置，因而也可能是一個(gè)微控制器(MCU)。正因如此，圖1展示了一個(gè)集成MCU的DSP。當(dāng)然，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)量與系統(tǒng)中需要測(cè)量的電流和電壓數(shù)成正比。
圖1. 獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和DSP/MCU。 三相系統(tǒng)可能需要測(cè)量三相電壓、三相電流和一個(gè)中性電流。單相系統(tǒng)可需要測(cè)量一相電壓和一相電流。這是最靈活的系統(tǒng)，因?yàn)槟?shù)轉(zhuǎn)換器和DSP/MCU可以分開(kāi)選擇，以便根據(jù)具體應(yīng)用選擇精度合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和特性正確的DSP。不足之處在于，開(kāi)發(fā)人員必須花費(fèi)大量時(shí)間實(shí)現(xiàn)計(jì)量程序，這并不簡(jiǎn)單。 嵌入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的DSP 采用嵌入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的DSP(見(jiàn)圖2)的靈活性較上一種方法要低：并非所有獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器也都嵌入了DSP，嵌入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的DSP的時(shí)鐘頻率是一定的，閃存容量是一定的，通信外設(shè)也是一定的。但其成本往往較低。
圖2. 嵌入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的DSP/MCU。 帶微控制器的AFE 使用帶微控制器的模擬前端(AFE)(見(jiàn)圖3)存在于一個(gè)專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)中，其中包含正確數(shù)量的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以用于具體的單相或多相計(jì)量應(yīng)用，以及一個(gè)計(jì)量引擎以用于計(jì)算系統(tǒng)通常要求的所有計(jì)量量。AFE由外部微控制器進(jìn)行管理。
圖3. 帶MCU的能源計(jì)量AFE。 這種方法的優(yōu)勢(shì)在于：MCU的等級(jí)可以低于前面討論的方法，因?yàn)樗恍枰?jì)算所有計(jì)量量：這意味著更低的時(shí)鐘頻率、更低的閃存容量等。 開(kāi)發(fā)人員只需集中精力管理AFE和外部接口，因?yàn)樗心茉从?jì)量量都可以確保按AFE開(kāi)發(fā)人員指定的規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。由于芯片制造商提供的微控制器系列具有多種時(shí)鐘頻率和閃存容量，因此，電表制造商可以非常有效地調(diào)整這種架構(gòu)。 SoC 使用一個(gè)擁有嵌入了微控制器的模擬前端的片上系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)，需要能源計(jì)量模擬前端，并嵌入一個(gè)MCU。其優(yōu)勢(shì)在于，電表只有一個(gè)無(wú)所不能的芯片。最大的不足在于，開(kāi)發(fā)人員無(wú)法針對(duì)具體規(guī)格選擇正確的MCU，因而失去了靈活性。因此，這種架構(gòu)難以按比例調(diào)節(jié)。
圖4. 能源計(jì)量片上系統(tǒng)。 |
