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作者：ADI公司Petre Minciunescu 電網是一個由電廠、輸電線路和用戶構成的網絡。將來，人們預期用戶的能源消耗將大幅增長。原因在于，市場上外接充電式電動汽車的出現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，輸電線路的升級將變得更加困難。這正是智能電網概念出現的原因：需要對輸電線路進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，由此跟上能耗增長的步伐。 智能電網的管理意味著對用戶層面以及輸電線路的實時了解。從工程角度來看，這里涉及到兩件事：其一，必須始終測量大量的電量；其二，公用事業公司必須定期與測量這些電量的儀器進行通信。本文將探討需要監控哪些電量，以及用于測量的各種架構。 假設有一個交流供電系統，其電壓為v(t)，消耗電流為i(t)： 
其中，Vk, Ik=各個諧波的均方根電壓和電流，φk,γk=各個諧波的相位延遲，ω=2πf，基波的角速度。 總有功功率。有功功率為瞬時功率相對于整數線路周期數的均值：
之所以稱為“總”有功功率是因為，其中包含了所有諧波上的有功功率的貢獻。這是最后用戶向公共事業公司支付的那部分。 基波有功功率。這是基波的有功功率：
t為應在用戶與公共事業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，表示用戶往電網中輸送了電量。 諧波有功功率。這是一個諧波k的有功功率：
這類有功功率很重要，因為它會造成污染，不應存在于電網之中。正因如此，過去幾年中，將基波有功功率與諧波有功功率分開變得非常重要。諧波有功功率的符號可以顯示產生污染者以及消耗者。從智能電網角度來看，發現產生諧波有功功率的罪魁禍首對消除污染源非常重要。 總、基波和諧波無功功率。無功功率是指電壓和電流信號之一的所有諧波成分發生90°相移時產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，無功功率分為總無功功率、基波無功功率和諧波無功功率三種。總無功功率的問題是其實際意義不大，長期以來都是飽受爭議的一個話題。因此，需要測量的一般都是基波無功功率和諧波無功功率。 電流和電壓均方根表示電流或電壓的平方的整數線路周期數的均值：
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積，根據所用均方根值，結果可能是總視在功率、基波視在功率或諧波視在功率。 這些是需要測量的最重要的量。其他量有：功率系數、諧波失真、三相系統中的正、負和零序列功率。 用于測量這些量的儀器未必具有高端輸電線路監控器的性能，多數情況下也不必如此。隨著要求的提出，隨著每一代新型半導體元件價格的下降，這些量的測量將滲透到整個電網。例如，很難想象有必要在住宅中用電表計算諧波功率。 然而，從智能電網的角度來看，鼓勵用戶在能耗量最低的夜晚給電動車充電，這是最有意義的。但在變電站層面完全有必要使用監控上述所有量的儀器。 對當地工業用戶進行監控，以證實諧波污染保持于最低水平，這是非常有意義的，因為很有可能是某個工序向電網中注入了諧波。從這一點往上進入電網層級體系，類似儀器的作用將變得明晰起來：對所有主要變電站和輸電線路進行監控。接下來我們將討論計算上述各量的各種系統性方法。 獨立的模數轉換器、DSP 能給設計工程師帶來最大靈活性的方法是采用連接至DSP的模數轉換器(見圖1)。DSP可以是適用于計算上述量的任何處理裝置，因而也可能是一個微控制器(MCU)。正因如此，圖1展示了一個集成MCU的DSP。當然，模數轉換器的數量與系統中需要測量的電流和電壓數成正比。
圖1. 獨立的模數轉換器和DSP/MCU。 三相系統可能需要測量三相電壓、三相電流和一個中性電流。單相系統可需要測量一相電壓和一相電流。這是最靈活的系統，因為模數轉換器和DSP/MCU可以分開選擇，以便根據具體應用選擇精度合適的模數轉換器和特性正確的DSP。不足之處在于，開發人員必須花費大量時間實現計量程序，這并不簡單。 嵌入模數轉換器的DSP 采用嵌入模數轉換器的DSP(見圖2)的靈活性較上一種方法要低：并非所有獨立的模數轉換器也都嵌入了DSP，嵌入模數轉換器的DSP的時鐘頻率是一定的，閃存容量是一定的，通信外設也是一定的。但其成本往往較低。
圖2. 嵌入模數轉換器的DSP/MCU。 帶微控制器的AFE 使用帶微控制器的模擬前端(AFE)(見圖3)存在于一個專用標準產品(ASSP)中，其中包含正確數量的模數轉換器以用于具體的單相或多相計量應用，以及一個計量引擎以用于計算系統通常要求的所有計量量。AFE由外部微控制器進行管理。
圖3. 帶MCU的能源計量AFE。 這種方法的優勢在于：MCU的等級可以低于前面討論的方法，因為它不需要計算所有計量量：這意味著更低的時鐘頻率、更低的閃存容量等。 開發人員只需集中精力管理AFE和外部接口，因為所有能源計量量都可以確保按AFE開發人員指定的規范進行計算。由于芯片制造商提供的微控制器系列具有多種時鐘頻率和閃存容量，因此，電表制造商可以非常有效地調整這種架構。 SoC 使用一個擁有嵌入了微控制器的模擬前端的片上系統(見圖4)，需要能源計量模擬前端，并嵌入一個MCU。其優勢在于，電表只有一個無所不能的芯片。最大的不足在于，開發人員無法針對具體規格選擇正確的MCU，因而失去了靈活性。因此，這種架構難以按比例調節。
圖4. 能源計量片上系統。 |
