Design and Implementation of Dedicated Smart Meter for Pumping Unit

焦裕璽1　孫　東2　劉向東2　肖志勇2　王曉東2

(山東科技大學電氣與自動化工程學院1，山東 青島　266590；勝利油田技術(shù)檢測中心2，山東 東營　257000)

抽油機專用智能電表的設(shè)計與實現(xiàn)

Design and Implementation of Dedicated Smart Meter for Pumping Unit

焦裕璽1孫東2劉向東2肖志勇2王曉東2

(山東科技大學電氣與自動化工程學院1，山東 青島266590；勝利油田技術(shù)檢測中心2，山東 東營257000)

摘要：針對抽油機存在的倒發(fā)電情況以及變頻節(jié)能設(shè)備在機采系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，設(shè)計了一款抽油機專用智能電表。基于瞬時功率理論與自適應(yīng)諧波濾波器，實現(xiàn)抽油機交變載荷特殊工況下諧波分析與電能雙向計量。具體介紹了智能電表的結(jié)構(gòu)原理與計量分析算法。測試結(jié)果表明，該智能電表計量具有精度高、抗干擾能力好、頻率跟隨能力強的特點，可廣泛應(yīng)用于抽油機采油動態(tài)監(jiān)控和實時評價系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能電表自適應(yīng)陷波濾波器瞬時功率諧波分析雙向計量抽油機

Abstract：Aiming at the reverse power generation phenomenon of pumping unit, and the condition of variable frequency energy saving equipment has been widely used in mechanical recovery system, the dedicated smart meter for pumping unit is designed. Based on instantaneous power theory and the adaptive notch filter, the harmonic analysis under alternating load operation condition of pumping unit and bidirectional power measurement are realized. The structural principle of the smart meter, and metering analysis algorithm are introduced specifically. The test results show that the meter has high measurement accuracy, good anti-interference capability, stronger frequency following capability, and can be widely used in dynamic monitoring and real-time evaluation systems of mechanical recovery.

Keywords：Smart meterAdaptive notch filterInstantaneous powerHarmonic analysisBidirectional meteringPumping unit

0引言

抽油機工作時的非線性載荷特性以及變頻設(shè)備在機械采油工藝中的廣泛應(yīng)用，致使供電系統(tǒng)遭受嚴重的諧波污染，因此對供電系統(tǒng)諧波的采集與分析變得尤為重要[1-2]。常用諧波分析算法如快速傅里葉變換(FFT)、加窗插值修正的FFT算法、小波變換技術(shù)、瞬時無功功率算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，在抽油機變頻工況下的諧波分析效果均不理想[3]。目前，常用數(shù)字式電表無計負功的功能，故對抽油機倒發(fā)電電能不能進行準確計量[4]。針對以上問題，提出了基于瞬時功率理論與自適應(yīng)陷波濾波器(adaptive notch filter，ANF)的抽油機電參、諧波和倒發(fā)電電能計量新方法，設(shè)計了以DSP系統(tǒng)為核心的抽油機專用智能電表。

1系統(tǒng)設(shè)計

電表需要對電壓電流數(shù)據(jù)進行大量復雜運算，同時為了滿足系統(tǒng)實時性的要求，運算速度要足夠快。基于上述性能的要求，系統(tǒng)選取具有極強數(shù)據(jù)運算處理能力的TMS320F28335數(shù)字信號處理器(DSP)作為核心控制器，其他硬件電路采用模塊化設(shè)計方案，包括電壓電流信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、存儲器、通信模塊以及電源模塊等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[5-6]。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2硬件電路設(shè)計

2.1　電壓調(diào)理電路設(shè)計

三相電壓信號經(jīng)過大功率分壓電阻之后轉(zhuǎn)換為電流信號，電流信號通過電壓調(diào)理電路實現(xiàn)電平與極性轉(zhuǎn)換。電壓調(diào)理電路如圖2所示，電流信號通過1∶1的毫安級精密電流互感器SPT204之后，相位可能會產(chǎn)生偏差，利用電容C1與電阻R3對其相位進行矯正。電流信號經(jīng)過電阻R1和R2轉(zhuǎn)換為電壓信號之后，通過偏置電路可將雙極性電壓調(diào)節(jié)至0~5 V單極性電壓。為了防止現(xiàn)場的沖擊信號燒毀AD輸入端口，采用雙向肖特基二極管BAT54S進行保護。

圖2　電壓調(diào)理電路

2.2　電流調(diào)理電路設(shè)計

電流調(diào)理電路如圖3所示，R7是精密采樣電阻，用來將電流傳感器產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，R8、R10和U7組成同向放大器，放大倍數(shù)為10，用于對小信號的初步放大。調(diào)節(jié)R44可以消除運放漂移的影響。PGA103為程控放大器，其放大倍數(shù)可由程序控制分別為1、10、100倍。當電流較小時，可通過程序控制將信號放大。

圖3　電流調(diào)理電路

經(jīng)過兩級放大的信號加濾波后跟隨，為了防止現(xiàn)場的沖擊信號燒毀A/D輸入端口，采用雙向肖特基二極管BAT54S進行保護。

2.3　數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

為精確計量系統(tǒng)高次諧波，采樣頻率應(yīng)遵循香農(nóng)采樣定理，即信號采樣頻率至少為最高頻率的2倍。ADS8365為6通道同步采樣并行輸出的16位逐次逼近數(shù)據(jù)采集芯片，最高頻率為250 kHz，可以實現(xiàn)電壓電流6路信號同步高速采樣。為了提高采樣精度，將采樣頻率設(shè)置為204.8 kHz。ADS8365的6路模擬通道為全差分輸入，為了充分利用0~5 V的滿量程，采用單端輸入的模式。

2.4　電源電路設(shè)計

為了方便現(xiàn)場應(yīng)用、減小系統(tǒng)體積、提高可靠性，需要單獨設(shè)計系統(tǒng)電源。該電表采用12 V開關(guān)電源直接供電，采用LM2596S產(chǎn)生3.3 V電壓信號；利用隔離型DC-DC變換器WRA1215D產(chǎn)生正負15 V電壓；采用LM7805進行12 V到5 V的電壓轉(zhuǎn)換，為電表提供5 V電源。電源電路如圖4所示。

圖4　電源電路

3計量分析算法

3.1　瞬時功率理論

由電路理論可知，只含有頻率ω的電壓電流可表示為：

(1)

(2)

(3)

(4)

將瞬時有功功率和瞬時無功功率定義為電壓電流矢量的點積和叉積，即：

(5)

(6)

同頻率的正弦電壓和電流所產(chǎn)生的瞬時有功功率和瞬時無功功率分別是它們平均有功功率和無功功率的2倍[7]。因此，可以通過瞬時功率理論獲得有功功率與無功功率。

3.2　ANF原理

自適應(yīng)諧波濾波器的數(shù)學表達式如下：

(7)

假設(shè)上式中u(t)為電壓信號，即u(t)=Asin(wt+φ)，則式(7)有唯一解：

(8)

3.3　諧波分析方法

諧波分量一般采用諧波含有率(HR)來評價其諧波指標，定義h次電壓或電流諧波分量的幅值(或有效值)與基波分量的幅值(或有效值)之比為h次諧波含有率，用百分數(shù)表示[10]。

第h次諧波電壓含有率：

(9)

第h次諧波電流含有率：

(10)

根據(jù)ANF的解并利用公式：

(11)

可以得到h次電壓諧波的幅值，將h取值不同的ANF并聯(lián)使用，可計算出各次電壓諧波含有率。同理可計算出各次電流諧波含有率。

3.4　雙向電能計量方法

(12)

(13)

4測試分析

為了測試電表對諧波、雙向電能計量的精度，在抽油機運行現(xiàn)場，同時將研制的電表與油田測試常用裝置HIOKI(日置)3390功率分析儀(精度±0.1%，具有負功累積計量功能)對一工作在36Hz下的抽油機變頻柜輸出端進行諧波與電能計量。表1為測試對比結(jié)果。

表1　現(xiàn)場測試對比結(jié)果

通過以上數(shù)據(jù)分析，研制的智能電表對抽油機諧波的分析與日置3390功率分析儀的計量結(jié)果相差不大，相對誤差維持在3%以內(nèi)，對雙向電能的計量與日置3390功率分析儀的計量結(jié)果相對誤差維持在0.3%以內(nèi)，可見該電表對諧波與雙向電能的計量具有很高的精度。

5結(jié)束語

抽油機專用智能電表以DSP系統(tǒng)為核心，通過對信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、電源等模塊的設(shè)計，保證了電表的高可靠性與較好的抗干擾能力。基于瞬時功率理論與自適應(yīng)諧波濾波器的先進分析算法，提高了電表對諧波與雙向電能的計量精度，同時具有較好的頻率自適應(yīng)能力，各項指標均達到了設(shè)計要求。與價格昂貴的3390功率分析儀相比，該智能電表生產(chǎn)成本低，可廣泛推廣應(yīng)用于機械采油系統(tǒng)。

參考文獻

[1] 徐甫榮.變頻器在抽油機上的若干問題探討[J].電氣傳動自動化，2004,26(2)：4-9.

[2] 劉慧芬.變頻調(diào)速技術(shù)在游梁式抽油機中的應(yīng)用[J].石油礦場機械，2004，33(5)：77-79.

[3] 黃偉杰.基于FFT及其改進算法在電網(wǎng)諧波中的應(yīng)用[D].南京:東南大學，2012.

[4] 胡述龍，舒干.抽油機工作中電動機發(fā)電運行狀態(tài)分析[J].石油機械，2003，31(9)：12-14.

[5] 劉建峰.基于DSP的電力參數(shù)測試儀的研制[D].南京:河海大學，2007.

[6] 岳麗娟,曾成.雙向計量型智能電表系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化儀

表，2014,35(4)：75-78.

[7] 任旭虎，馬帥，趙仁德，等.基于自適應(yīng)陷波濾波器的基波與諧波有功功率分別計量[J].電力系統(tǒng)自動化，2011,35(16)：66-70.

[8] 儲昭碧.基于自適應(yīng)陷波濾波器的電力信號時頻分析[D].安徽：合肥工業(yè)大學，2009.

[9] Yazdani D，Bakhshai A，Joos G，et a1.A nonlinear adaptive synchronization technique for grid-connected distributed energy sources[J].IEEE Trans actions on Power Electronics，2008，23(4)：2181-2186.

[10]孫東.抽油機變頻器電參數(shù)測試技術(shù)[J].油氣田地面工程，2011,30(1)：21-24.

[11]Mojirl M，Karimi-ghartemani M，Bakhshai A.Estimation of power system frequency using an adaptive notch filter[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2007，56(6)：2470-2477.

中圖分類號：TH702

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507025

修改稿收到日期：2015-02-16。

第一作者焦裕璽(1989-),男，現(xiàn)為山東科技大學控制理論與控制工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事系統(tǒng)集成與檢測方面的研究。