CN112198392A - 一种电网电压谐波的实时检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电网电压谐波的实时检测装置，本发明涉及电压谐波检测技术领域，本发明包括快速傅里叶变换(FFT)模块和双谱线插值算法，对被测信号进行时域的信号变化到频域处理，然后通过三点查找频率峰值的方式，分析出各个频率点的频率和幅度的大小，采用β＝4π的凯瑟琳窗对信号进行加窗处理，运用双谱线插值算法来修正因频域离散而产生的频率精度，本发明利用傅里叶变换来分析电网中电压的频率成分和所占的百分比，通过检测电网中电压谐波的频率成分和幅度的大小，为电网谐波的治理提供数据。
Description
技术领域
一种电网电压谐波的实时检测装置，是利用傅里叶变换来分析电网中电压的频率成分和所占的百分比，通过检测电网中电压谐波的频率成分和幅度的大小，为电网谐波的治理提供数据，本发明涉及电压谐波检测技术领域。
背景技术
模拟滤波器的方法是最早出现的电能谐波检测方法，其进行谐波检测的原理是使用滤波器滤除要检测的谐波以外的其他频率成份，从而得到要检测的谐波频率成份；模拟滤波器检测方法其较好的地方在于易实现和结构简单，但也有很多不可忽略的缺陷，比如检测的结果误差巨大，实时性较差，电网基波频率可变，如果使用固定频率的滤波器可能会滤除想测量的谐波，从而导致得到错误的测量结果。
随着科技的发展，有很多的技术被发展起来了，其中人工神经网络就是其中的佼佼者；神经网络主要原理就是模拟动物的神经细胞，然后进行大样本训练，使其具有记忆和学习能力，人工神经网络能根据采集到样本来改进自身的神经网络的权值，使其能根据实际情况来不断的学习，以适应电网中电流或电压的变化，但是人工神经仍有很多缺陷，如需要大量的样本才能保证结果的精确性、计算量庞大、处理数据的速度不占有优势等。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种电网电压谐波的实时检测装置，实时的检测电压谐波数据和可以适应实际的电网电压频率变化；本发明可以在0.25秒内完成一组电压谐波数据的更新，当电网电压频率成分在0到2000HZ以内并且彼此之间的频率间隔大于25HZ以上时，均可以分辨出各个谐波成分。
本发明采用的技术方案如下：一种电网电压谐波的实时检测装置，包括快速傅里叶变换(FFT)模块和双谱线插值算法，对被测信号进行时域的信号变化到频域处理，然后通过三点查找频率峰值的方式，分析出各个频率点的频率和幅度的大小，采用β＝4π的凯瑟琳窗对信号进行加窗处理，运用双谱线插值算法来修正因频域离散而产生的频率精度。
本发明的工作原理为：对电网强电信号分析处理，首先要使用传感器把强电信号转化为峰值为2V的交流弱电信号和对信号进行滤波、补偿，然后，对弱电信号进行采集并且传入到FPGA中，最后，在FPGA和单片机中进行信号的处理、分析并且把分析的结果传入电脑中显示，具体是先使用电压采集模块把电网220V电压转化为峰值为2v的交流信号，然后使用ad转化器把模拟信号转化为数字信号，再然后使用FPGA芯片执行加窗和FFT变换，最后在单片机上执行双谱线插值算法并进行显示。(FFT变换包括信号从时域变换到频域，加窗是抑制FFT变换时产生的频谱泄露问题，双谱线插值算法是抑制FFT变换带来的栅栏效应和信号采集带来的非同步采样带来的频率精度问题)
可选的，所述查找频率峰值的方式采用三点查找频率峰值，当连续的三个频率点满足第一个频率点和第三个频率点小于第二个频率点并且第二个频率点的值大于一个临界值，则认为查找到了一个频率的峰值。
可选的，所述加窗处理由kaiser窗产生单元和乘法单元组成，其中kaiser窗产生单元主要由地址产生器和储存有kaiser窗函数的ROM组成，在这个模块中，当clk_en1为高时，地址发生器就会产生地址，以供ROM储存器使用输出窗函数的值和输入值做乘法运算完成加窗操作，其中，doutb是输入的数据，clk_en1是地址发生器使能信号，addra是地址发生器产生的地址，douta是根据地址信号产生的窗函数幅度值，win_ad是加窗后的输入数据。
可选的，所述快速傅里叶变换(FFT)模块将时域信号变换到频域进行处理，把其中有用的频率成分提取出来，其主要由FFT变换小模块、复数格式变换小模块和峰值查找小模块三部分组成，当start为高时，首先FFT变换小模块会把输入的数据(win_ad＝＝xn_re)进行FFT变换输出，然后复数格式变换小模块会把复数有实数和虚数的表现形式变换为幅值和相位的表现形式，最后峰值查找模块会把频域的各个峰值查找出来，其中，start是快速傅里叶变换(FFT)模块的开始信号，xn_re是数据输入等于上个模块的win_ad信号，xk_im和xk_re分别为对应频域的数的虚部和实部，dv是输出有效指示信号，blk_exp是输出数据缩小值，xk_inde是输出数据的频率对应的的通道值，cirvvv是把复数转化为幅值和相位的表示方式，x_out_out和x_out_out1分别为最大值和次最大值，xk_index1_out是峰值对应的离散值；快速傅里叶变换(FFT)存在频谱泄露和栅栏效应这两个方面的问题，首先在频谱泄露方面，使用加窗的方式来进行，这里使用β＝4π的凯瑟琳窗来作为在进行快速傅里叶变化(FFT)前要加的窗函数；然后在栅栏效应方面，使用双谱线插值算法的方式来处理因频域离散而产生的频率精度问题。
可选的，所述双谱线插值算法主要是处理由于FFT变换引发频率准确度的问题，其根据波峰的最大值，次最大值，频率通道值，幅度衰减这四个值进行计算，经过MATLAB的仿真可以得到计算公式如下所示：
be＝(y2_out-y1_out)/(y2_out+y1_out) (1)
y_n＝0.3109*be3+2.7468*be (2)
f＝(index_out-0.5+y_n)*fs/N (3)
y_m＝0.0187*be6+0.154*be4+0.9484*be2+3.1292 (4)
q＝(y1_out+y2_out)*y_m*2blk_exp/(16646017*N) (5)
上式中y2_out和y1_out分别为最大值和次最大值，fs和N分别为采样频率和采样点数，index_out和blk_exp分别为频率通道值和幅度衰竭值，f是计算出来地频率值，q是对应计算出来的幅度值；双谱线插值算法主要是解决因频域离散化而产生频率进度问题，其中，y2_out和y1_out分别等于x_out_out和x_out_out1，xk_index1_out等于index_out，N为采样点数等于1024，fs为采样频率等于5kHZ，f是计算出来地频率值，q是对应计算出来的幅度值，双谱线插值模块主要解决因为FFT变换的栅栏效应引起的频率精确度问题，提高测试精度。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明采用了基于加窗插值FFT算法进行谐波的分析，通过Matlab仿真实现该算法后移植到FPGA芯片上，该芯片的主要任务是对包含基波的谐波信号的混频信号进行AD采样，对经过AD转换后的数据加窗以抑制FFT带来的频谱泄露，信号经过加窗以后进行FFT计算，由于非同步采样以及非整周期截断导致FFT进行谐波分析后具有较大误差，因此使用双谱线插值算法对经过FFT后的信号进行误差修正，使检测出的频率准确度更高。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明信号流程图；
图2为本发明信号处理框图；
图3为本发明加窗模块框图；
图4为本发明快速傅里叶变换(FFT)模块框图；
图5为本发明数据分析缓存模块结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-5所示，一种电网电压谐波的实时检测装置对电网强电信号分析处理，首先要使用信号调理模块把强电信号转化为峰值为2V的交流弱电信号和对信号进行滤波、补偿，然后，对弱电信号进行AD采集模块转化为数字信号传入到FPGA中，最后，在FPGA和单片机中进行信号的处理、分析并且把分析的结果传入电脑中显示；
所述信号调理模块主要是把有效值220V的交流信号转换峰值为2V的交流弱电信号；首先使用ZMPT101B电压互感器把强电信号转换为弱电信号，然后使用高精度的运放LM358对弱电信号做精确采集和适度的补偿等操作；
所述AD采样模块使用的是AD9280芯片，其可以采集的输入电压范围为-1V到+1V，最大采样频率为32MHz，输出的数字位数为8bit；当数据从AD转换芯片进入FPGA，先使用FPGA的片上RAM对数据进行缓存，数据缓存到1024点后再将数据下发到加窗模块，在程序中，首先，对AD采集的数据重新再采集一次，把采集频率Fs＝10MHz(AD采集信号ad_1，clk_5ken再采集使能信号)的数据流减少到5KHz(输入数据信号dina)，然后，把采集后的数据储存到RAM中(地址addra_rama是RAM输入数据的储存地址信号，en是RAM时钟使能信号，rst是RAM同步复位信号)，最后，在数据采集到1024点后，把数据从RAM中取出(地址addrd_rama是RAM输出数据的储存地址信号，输出数据信号doutb)。
所述FPGA模块包括加窗模块、快速傅里叶变换(FFT)模块和数据分析缓存模块，FPGA芯片的供电，FPGA程序的下载接口，晶振参考时钟提供，FPGA程序的保存芯片和通用的I/O接口，FPGA供电主要使用3.3V，FPGA程序下载主要使用TMS，TCK，TDO，TDI四线的方式进行，FPGA参考时钟输入使用的是一个50MHz的有源晶振输入，由于FPGA芯片由RAM组成，所以掉电会丢失程序，其需要一个FLASH芯片来保存程序。FLASH芯片主要使用SPI通信来把程序下入FPGA中；
所述加窗模块主要对采集的数据进行加窗处理，其主要由kaiser窗产生单元和乘法单元组成，又因为kaisar窗式对称的，所以可以只使用ROM储存前面的一半，就可以在程序中完成整个kaiser窗加权处理，在这个模块中，douta为要加窗的信号，douta为窗信号，地址信号addra是储存窗信号ROM储存器的地址，win_ad是加窗函数后的输入信号，clk_en1是ROM储存器的地址发生器，当clk_en1为高时，地址发生器就会产生地址，以供ROM储存器使用输出窗函数的值；
所述快速傅里叶变换(FFT)模块采用FFT变换使用的是基-2的方式进行计算，主要是把时域信号变换到频域进行处理，把其中的有用的频率成分提取出来，信号start是开始进行FFT变换的起使信号，信号xn_re是即将进行FFT变换的时域信号，信号xk_re是时域信号进行FFT变换后的频域信号实部，信号xk_im是时域信号进行FFT变换后的频域信号虚部，信号xk_inde是输出频域信号所对应频率值所对应的通道数，信号blk_exp是FFT变换中数据向左缩进的二进制位数，dv是FFT变换模块输出有效数据指示信号，信号x_out是频域复数的幅度值，信号rdy_cirvvv是幅度值有效指示信号，x_out_out是频峰最大值，x_out_out1是频峰次最大值。
所述分析数据缓存模块主要把FFT变换模块分析出来的有用频率成分进行缓存，然后，把储存的数据通过串口发送到STM32F103单片机进行数据的下一步处理，这个模块采用比前面模块快5倍的时钟进行处理，使FFT计算出来的并行数据串行存入RAM中，其中，clk，rst分别为时钟和复位信号，rdy_cirvvv为FFT变换数据处理有效信号，rdy_complete_signal为串口传输完一帧数据指示信号，rdy_win表示采集模块完成了1024点数据的采集，clk_en表示可以进行新一轮的数据采集，start表示可以进行数据的FFT变换的处理，erial_start_signal表示可以进行串口数据的处理，wea和enb分别为RAM输入使能信号和输出时钟有效信号，addra_w和addra_r分别为RAM的写入数据的地址和输出数据的地址，blk_exp、xout_out、xout_out1和xk_index1_out为RAM的输入数据，serial_send_data为RAM输出数据。
所述单片机模块使用的单片机型号为STM32F103C8T6，该单片机最高工作时钟到达72MHz，在在储存器的0等待周期访问可达1.25DMips/MHz，单周期乘法和硬件除法，64K闪存程序储存器，20K字节的SRAM，2个硬件SPI，2个硬件I2C，三个串口收发器；该单片机提供外部参考时钟；参考时钟使用无源晶振提供8MHz的参考时钟信号，单片机程序下载使用ST-LINK仿真器下载，其主要一根时钟线和数据线组成，由于单片机由3.3V供电，而给单片机模块是5V，所以这里使用ME6611芯片把5V电压转换为3.3V。
单片机的串口接收模块主要是把数据帧中的有用数据接收到接收结构体中，在接收完一组数据后把接收结构体中的数据放到缓存结构体中，然后让双谱线插值模块进行处理。
双谱线插值算法主要是处理由于FFT变换引发频率准确度的问题，其根据波峰的最大值，次最大值，频率通道值，幅度衰减这四个值进行计算，经过MATLAB的仿真可以得到计算公式如下所示。
be＝(y2_out-y1_out)/(y2_out+y1_out) (1)
y_n＝0.3109*be3+2.7468*be (2)
f＝(index_out-0.5+y_n)*fs/N (3)
y_m＝0.0187*be6+0.154*be4+0.9484*be2+3.1292 (4)
q＝(y1_out+y2_out)*y_m*2blk_exp/(16646017*N) (5)
上式中y2_out和y1_out分别为最大值和次最大值，fs和N分别为采样频率和采样点数，index_out和blk_exp分别为频率通道值和幅度衰竭值。
首先把串口缓存结构体中的ACELL码字符串转化为对应的十进制数据，然后经过双谱线插值算法的矫正后再把数据变化为ACELL码字符串，最后把ACELL码字符串数据经过串口传输给电脑，在电脑上使用串口助手进行显示。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种电网电压谐波的实时检测装置，包括快速傅里叶变换(FFT)模块和双谱线插值算法，其特征在于，对被测信号进行时域的信号变化到频域处理，然后通过三点查找频率峰值的方式，分析出各个频率点的频率和幅度的大小，采用β＝4π的凯瑟琳窗对信号进行加窗处理，运用双谱线插值算法来修正因频域离散而产生的频率精度。
2.根据权利要求1所述的一种电网电压谐波的实时检测装置，其特征在于，所述查找频率峰值的方式采用三点查找频率峰值，当连续的三个频率点满足第一个频率点和第三个频率点小于第二个频率点并且第二个频率点的值大于一个临界值，则认为查找到了一个频率的峰值。
3.根据权利要求1所述的一种电网电压谐波的实时检测装置，其特征在于，所述加窗处理由kaiser窗产生单元和乘法单元组成，其中kaiser窗产生单元由地址产生器和储存有kaiser窗函数的ROM组成，在这个模块中，当clk_en1为高时，地址发生器就会产生地址，以供ROM储存器使用输出窗函数的值和输入值做乘法运算完成加窗操作，其中，doutb是输入的数据，clk_en1是地址发生器使能信号，addra是地址发生器产生的地址，douta是根据地址信号产生的窗函数幅度值，win_ad是加窗后的输入数据。
4.根据权利要求1所述的一种电网电压谐波的实时检测装置，其特征在于，所述快速傅里叶变换(FFT)模块将时域信号变换到频域进行处理，把其中有用的频率成分提取出来，其由FFT变换小模块、复数格式变换小模块和峰值查找小模块三部分组成，当start为高时，首先FFT变换小模块会把输入的数据(win_ad＝＝xn_re)进行FFT变换输出，然后复数格式变换小模块会把复数有实数和虚数的表现形式变换为幅值和相位的表现形式，最后峰值查找模块会把频域的各个峰值查找出来，其中，start是快速傅里叶变换(FFT)模块的开始信号，xn_re是数据输入等于上个模块的win_ad信号，xk_im和xk_re分别为对应频域的数的虚部和实部，dv是输出有效指示信号，blk_exp是输出数据缩小值，xk_inde是输出数据的频率对应的的通道值，cirvvv是把复数转化为幅值和相位的表示方式，x_out_out和x_out_out1分别为最大值和次最大值，xk_index1_out是峰值对应的离散值。
5.根据权利要求1所述的一种电网电压谐波的实时检测装置，其特征在于，所述双谱线插值算法是处理由于FFT变换引发频率准确度的问题，其根据波峰的最大值，次最大值，频率通道值，幅度衰减这四个值进行计算，经过MATLAB的仿真可以得到计算公式如下所示：
be＝(y2_out-y1_out)/(y2_out+y1_out) (1)
y_n＝0.3109*be3+2.7468*be (2)
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y_m＝0.0187*be6+0.154*be4+0.9484*be2+3.1292 (4)
q＝(y1_out+y2_out)*y_m*2blk_exp/(16646017*N) (5)
上式中y2_out和y1_out分别为最大值和次最大值，fs和N分别为采样频率和采样点数，index_out和blk_exp分别为频率通道值和幅度衰竭值，f是计算出来地频率值，q是对应计算出来的幅度值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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