過去，諧波分析儀價格昂貴，難以集成到大規模制造的儀表中。因此，電網的諧波污染分析很困難，只能由訓練有素的操作員不時在特定位置進行。如今，在更小、更實惠的芯片中集成更多的信號處理可以提高電網的高效使用和監控能力。

在過去的幾十年里，我們經歷了具有非線性特性的電源系統的指數級增長，這些非線性特性會導致嚴重的諧波污染。這可能會導致一些不利影響，例如電氣設備的過熱和過早老化、傳輸線路的額外損耗以及保護繼電器的故障，僅舉幾例。

因此，人們越來越關注并努力實現更好的電網管理。最好的方法之一是在整個網格中放置更長的觀察和分析點。滿足這些要求的最佳設備可能是目前在世界各地加速部署的智能電表的一部分。這些電表的ASIC將電能計量功能與諧波分析功能相結合，可能是在正確的時間的正確答案。請記住，在考慮需要嵌入硅片中的DSP資源量時，頻譜分析并非易事，硅片仍然需要便宜、小巧且功耗低，我們將討論一種DSP架構解決方案，試圖滿足所有這些需求。

基頻估計和頻譜分量提取

電網上不斷變化的負載與更恒定的發電輸出之間的動態平衡可以在高負載時將初級工頻拉得略低，或在負載下降時拉得略高。在電網發達、受到嚴密監控的國家，頻移量相當小，但足以影響電網控制不佳地區的電氣設備。這導致了大量的努力和研究，以找到基于優化各種參數（精度、速度、噪聲和諧波抗擾度等）的最有效頻率跟蹤方法。

對于電力系統的安全性、穩定性和效率，電網的頻率與電流和電壓一樣重要。可靠的頻率測量是有效功率控制、減載、負載恢復和系統保護的先決條件。

有許多方法可以檢測和估計頻率。例如，過零方法通過測量兩個連續過零點之間的時間間隔來檢測頻率。這樣做的優點是很容易實現，但缺點是精度低，對諧波、噪聲、直流分量等的影響敏感。基于DFT的算法可以使用采樣序列來估計頻率，但它對輸入信號中的諧波非常敏感。對于這種DSP架構，研究了一種基于數字PLL的方法，證明該方法高效且高度抗噪聲，同時還提供了非常精確的頻率估計。

標準數字PLL結構及其三個主要模塊如圖1所示。相位誤差檢測器將輸出發送到環路濾波器，環路濾波器進一步控制數字振蕩器，以最大限度地減小相位誤差。因此，最終可以獲得估計輸入信號基頻的值。控制環路經過優化，可在標準電網頻率范圍內提供最佳的鎖定參數性能：45 Hz 至 66 Hz。

圖1.基于數字PLL結構的頻率估計。

一旦我們知道要從頻譜中提取的分量的精確頻率，我們就可以研究各種選擇。當談到采樣系統中的頻譜分析時，我想到了離散傅里葉變換（DFT）作為將信號從時間映射到頻域的工具。有多種數值算法和處理架構專門用于其實現，其中FFT是最著名的。在考慮提取的信息量與所需的DSP資源量時，它們中的每一個都有優點和缺點。

在復平面中使用相量來表示電壓和電流的交流電源系統理論將與以類似格式提供頻譜分量的DFT變體非常匹配。基本上，以感興趣的頻率直接實現DFT公式將做到這一點。但是，為了給出測量的實時特征，采用了一種遞歸方法來從DFT公式中獲取求和元素。有幾種方法可以做到這一點（取決于可用的DSP資源），但需要控制的一個重要方面是盡量減少頻譜泄漏和噪聲引起的誤差。

圖2顯示了光譜成分提取工作原理的框圖。

圖2.提取基波和諧波頻譜分量。

某一相位的采樣電壓和電流以及基頻值通過計算模塊，該計算模塊以相量形式提供結果。對于每個基頻和一些用戶可選的諧波頻率，將提供一對相量（電壓和電流）。有了這些組件，我們可以應用電功率理論中的已知方法來提取均方根值和功率。均方根值等效于這些相量的大小，而視在功率等于這些大小的乘積。通過將電流相量直接投影在電壓上并將兩者相乘，我們可以得到有功功率。分解電流的另一個正交元件再次乘以電壓，得到無功功率。

在這一點上，我們應該提到采用實時方法的可能優勢（動機）。例如，這種架構可以很好地監測變壓器中的浪涌電流。這些電流發生在變壓器通電期間，由磁芯的部分周期飽和引起。幅度最初為額定負載電流的2×至5×（然后緩慢減小），并且具有異常高的二次諧波，第4次和第5次諧波也攜帶有用的信息。僅通過查看總均方根電流，浪涌電流可能會被誤認為短路電流，并且變壓器可能會錯誤地停止使用。因此，獲得二次諧波幅度的準確實時值對于識別這種情況非常重要。當我們只需要幾個諧波的信息時，應用完整的FFT變換可能不是很有效。

所謂的三透鏡是另一個很好的例子，說明為什么這種計算選擇性諧波分量的方法可能比FFT方法更有效。這些是三次諧波（3，9，15，21...）的奇數倍數，有時需要特別注意。對于電流流在零線上的接地星形系統，它們成為一個重要問題。兩個典型的問題是中性線過載和電話干擾。有時，某些設備會發生故障，因為中性導體中的三次諧波壓降嚴重扭曲了線路到中性線的電壓。所提出的解決方案可以僅監測零線電流和所有相電流的總和上的這些諧波。

頂級 DSP 架構

之前介紹的DSP模塊已添加到現有架構中，該架構根據其基本公式計算總均方根值和功率。我們還包含一個計算多個電能質量因數的元素。首先，我們計算諧波失真（HD），作為將所有諧波均方根值與基波均方根值歸一化的一種方式。然后，通過使用總和基均方根值，我們根據標準定義計算總諧波失真加噪聲（THD+N）。最后，將所有功率因數提取為有功功率與視在功率的比率。正如我們在圖3中觀察到的，所有這些信號處理都是針對三個相位并行完成的，除了諧波分析模塊，該模塊只能在給定時間分配給某個相位。

圖3.頂級 DSP 架構。

諧波功率因數的計算可以確定電網中諧波源的位置。雖然業界仍在爭論定位主要諧波源的最佳方法，但經典方法之一是基于“有功功率流的方向”。這意味著知道系統一個或多個點中特定諧波頻率下的有功功率符號。用失真電壓供電的線性負載為每個諧波消耗有功功率，而如果非線性元件存在于客戶端，則該功率將提供給網絡。這是通過測量污染諧波的電壓和電流的相位角，然后計算它們的差值來確定的。對于這種架構，這不再是必需的，因為諧波功率因數可以提供該信息。

該 DSP 架構已成功用于具有以下硬件資源的三相電能計量器件：單 MAC 架構，工作時鐘頻率為 16 MHz，采樣信號為 8 kHz，數據存儲器為 1k 字。連續計算所有三相的基本測量值，而諧波分析儀可以從給定相位（A、B 或 C）連續提取三個隨機諧波值。該架構是可擴展的，并且根據電網中已知的一組運行條件優化了一些性能參數。

不能一次提供所有諧波值可能看起來是一個缺點，但我們需要記住，從準平穩現象的角度來看，電網上的諧波污染最為重要。事實上，對于工業和商業負載，建議至少分析一周的諧波污染，并應避免任何零星的測量。利用這些前提，這種架構的多功能性允許通過掃描所有三相上所有可用的諧波成分來實現類似FFT的結果。

結論

過去，諧波分析儀價格昂貴，難以集成到大規模制造的儀表中。因此，電網的諧波污染分析很困難，只能由訓練有素的操作員不時在特定位置進行。在小型且經濟實惠的芯片中集成更多的信號處理有可能從根本上改變這一點，并為更有效地理解和使用電網開辟道路，這將使公用事業和消費者受益。

審核編輯：郭婷