智能化电网谐波分析监测仪研制

振　动　与　冲　击

第18卷第4期JOU RNAL O F V I BRA T I ON AND SHOCK V o l

.18N o .41999　智能化电网谐波分析监测仪研制

毛谦敏 肖艳萍

(中国计量学院) (浙江大学)　

摘　要　本文提出了一种以M CS -96单片机为核心,利用锁相技术实现整周期同步采样,运用

FFT 算法进行数据分析而实现的工业电网谐波分析监测仪的设计方案。

关键词:谐波,单片机,锁相环,FFT

中图分类号:T P 274

0　引 言

随着冶金、化工和电气化铁路等换流设备及其它非线性负载不断引入电力系统,大量谐波注入电网,造成电网系统中谐波含量急剧上升和电压波形严重“畸变”,致使电能质量下降。由于大幅值的谐波电流和谐波电压的出现,给电网中设备的安全可靠运行带来了极大的危害,同时对传统测量方法及常用工频仪表的使用也带来了一系列的影响。

为了保证电网系统的安全、可靠、高效运行,减少电网谐波含量是一项紧迫又有效益的任务,为了达到这个目的,首先必须实现方便准确地对电网谐波含量进行测量。根据测量结果,了解电网实际情况,并在此基础上寻找出主要谐波源。根据具体情况采取相应的措施来减少谐波电流的注入,减少整个电力系统的谐波含量。

为了有效方便地实现对电网谐波的测试,本文提出了一种以单片机为核心的,能够满足一般测试精度要求,适于现场测试分析和在线长期监测的智能化工业电网谐波分析监测仪的设计方案。1　仪器工作原理

本文设计的是一种采样数字式电网谐波分析监测仪。通过测量电路处理电网电压和电流取样信号,并利用整周期同步采样电路和A D 转换器实现对被测信号的离散化和数字化采样。通过对采集到的时域信号作频谱分析处理获得电网电流和电压的总畸变率和各次谐波分量的值。

根据离散傅里叶变换(D FT ),对于时域周期性离散信号序列{f k },可通过D FT 变换获得其频

域特性:　F n =1n 2N -1n =0

f k e j 2ΠN k n 事实上, F n 对应于被测信号的n 次谐波分量。

由此可得:

(1)n 次谐波相对于基波的含量　D F n = F n F 1

(2)总畸变率　D F =2∞

n =2D F 2n ≈239

n =2D F 2n (依据《电网谐波暂行规定》,分析至39次谐波已经足够)

2　整周期同步采样

选择合理的采样方法对谐波分析的准确性和可靠性具有较大影响,尽管等间隔定时采样法电 收稿日期:1998-10-04 修改稿收到日期:1998-11-11

第一作者　毛谦敏　男,硕士,讲师,1966年10月生　

路简单,但因其存在定时“死区”使得不能达到真正的整周期采样,因而存在着“泄露”现象,很难达到令人满意的效果。

本设计采用整周期同步采样法。由于实现了整周期N 点均匀分割,只要满足采样定理的条件,从理论上分析,原信号的信息能得到完全的恢复,因而不存在测量原理上的误差,且软件工作也得到了简化。为了实现整周期同步采样,本文设计了一个利用锁相环倍频技术实现的整周期同步采样电路。

锁相环主要由鉴相器(PD )、环路滤波器(L F )和压控振荡器(V CO )等三部分组成。锁相倍频,就是通过环路将压控振荡器(V CO )的输出频率锁定在输入信号的某次谐波频率上,倍频电路由锁相环和的N 进计数器构成,计数器插入在V CO 输出和鉴相器(PD )之间。这样,当锁相环锁定时,计数器输出信号频率(fo N )和锁相环输入信号频率(fi )相等,从而在计数器时钟输入端(即V CO 输出端)得到N 倍频输出信号fo =N fi ,其原理框图如图1所示。

图1　锁相倍频电路原理框图

整周期同步采样电路设计中,首先对电网

取样信号U i (t )进行带通滤波,取出电网基波

信号(基波频率fl ),然后对它作整形处理,获得

与基波信号频率一致的方波信号,将它进行锁

相倍频,获得输出频率fo =N fl 的方波信号,随

后将此信号经过一个单稳电路获得整周期同步采样脉冲信号

。其电路主要功能框图和信号波形变换情况如图2所示。

图2　整周期同步采样电路框图

3　系统硬件电路设计

系统硬件包括模拟测量电路、同步采样脉冲产生电路、信号采样 保持电路、A D 转换电路以及以M CS -96单片机组成的微机电路和相关的输入输出电路等。其系统硬件构成如图3所示。 系统从电网的PT 和CT 的付方获得电网电压和电流取样信号,经模拟信号处理电路进行滤波放大等处理,然后送至S H ,并在整周期同步采样脉冲的控制下实现信号的离散化采样。设计中选择了12位的A D 转换器AD 574,实现信号的模

数转换,通过M CS -96单片机及其相关外围电路完成对A D 输出数据的采集,FFT 及其相关的运算处理,得出测量结果。

硬件系统中还设计了操作键盘、L ED 数码管显示器、

打印机接口和实时日历时钟等,可用于设定仪器工作于实时分析或在线监测状态、实现对测量结果的选择显示、控制打印机打印输出并提出了测量日期和时间等信息。

仪器整体硬件设计简洁有效,并尽量考虑减少对CPU 时间的占用,以利于提高CPU 的运算效率,增强系统的数据分析处理能力。

6 振　动　与　冲　击 1999年第18卷

图3　系统硬件框图

4　系统软件设计

系统设计中充分利用M CS -96

单片机的内部资源,利用中断技术协调各个功能部件的工作,运用其16位CPU 的较强的运算能力,完成各种数据快速处理。软件主要包括了系统初始化,按键功能处理,实时时钟处理,数据采集与FFT 运算以及测量结果显示或打印输出的控制等。其软件基本功能框图如图4所示。

图4　系统软件结构框图

图4中,按键服务子程序实现对按键的响应并实现相应键功能处理,键功能主要有:数码管显示内容选择、时钟校准及其打印输出键控等。

实时时钟处理主要用于自动定时监测的时间控制及提供测量数据相应的时间记录。

数据采集主要实现对被测电网电压和电流信号的采样和A D 转换的控制并读取A D 结果保16第4期 毛谦敏等:智能化电网谐波分析监测仪研制