CN112595892A - 一种电网谐波检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种电网谐波检测装置包括霍尔传感器、储存器、通信模块，还包括用于信号处理的信号检测与调理电路、锁相环PLL电路，用于采集信号的AD转换电路，用于同步采样的相电压捕获及调理电路，用于数据处理的高精度处理器，用于观察的LCD显示电路、用于人机互动的输入输出设备，本发明提高了电网谐波检测装置的精度，丰富了谐波检测装置的功能，尤其是同步采样和数据存储或传输功能，在提高精度的同时，可以得到原始电网数据，可以进一步对电网质量进行分析。
Description
技术领域
一种电网谐波检测装置属于检测装置领域，具体涉及一种电网谐波检测装置。
背景技术
电力***正常运行时，它以额定电压和额定频率向用户供应电能，但在实际运行中，电网中的负载是不断变化的，负载中包含有各种非线性电力电子设备，如电感电容等,特别是在电器设备和电子***控制领域广泛采用的开关电源、晶闸管等电子器件不可避免地产生非正弦波形，给电网带来扰动。除了这些电力电子设备外，供电***中挂载有电弧炉、变频器、整流器、旋转电机等非线性负载，这些负载不像纯电阻用电设备,它们在消耗有功功率的同时还消耗大量的无功功率给电网造成很大的干扰，使供电网中的波形发生畸变，不再是单一的额定频率的正弦波波形。电网中产生大量频率大于额定频率的电流分量,这些频率大于额定频率的分量称为谐波分量，谐波的大量产生，成为当前电力***中影响电能质量的重要因素之一，电力谐波对电力***的危害主要表现在以下几个方面：
(1)谐波对线路的影响
(2)对电力变压器的影响
(3)对电力电容器的影响
(4)对电力电容器的影响
(5)对电机的影响
(6)对继电保护和自动装置的影响
(7)对通信线路产生干扰
目前电力***各种监测仪器中采用的采样方式一般为：“多路开关+采样保持+A/D转换”模式，这种模式硬件设计简单、成本低，在同步性要求不高的***中可以得到很好的结果，但是在谐波分析中如果采用这种方式，即使在每周波采样128点的情况下，对于19次此谐波,其相位最少也会带来6度的误差,这对于提取基波分量进行信号分析的***而言,误差可以忽略，而对于高次谐波的测量,将使测量数据没有可信度。
国内外出现不少关于电力谐波检测装置，国外电力谐波检测装置产品性能先进,适用范围广，且耐用可靠，但价格较为昂贵，且在测量功能、测量通道和数据齐全等方面存在不同程度的缺陷，国内产品价格较低，但是制造工艺较差，可靠性和精度普遍不高且大多不能便携，主要适用于谐波测量方面，而在高次谐波的分析、波形分析、采样窗口的选择、数据处理及结果输出方面与国外产品相比差距较大。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种测量精度高、能够实时测量并且处理电能信号、携带方便的电力谐波检测装置，具有丰富了谐波检测装置的功能，尤其是同步采样和数据存储或传输功能，在提高精度的同时，可以得到原始电网数据，可以进一步对电网质量进行分析的优点。本发明的一种电网谐波检测装置，通过以下技术方案来实现：
一种电网谐波检测装置，包括用于检测电压信号的电压霍尔传感器、用于检测电流信号的电流霍尔传感器、储存器以及通讯模块，用于采样信号处理的信号检测与调理电路，用于同步采样的相电压捕获及调理电路、锁相环PLL电路、用于采集信号的AD转换电路、用于数据处理的高精度处理器、用于人机互动的输入输出设备、用于显示部分的LCD显示电路；
进一步地，所述信号检测与调理电路包括顺次连接的低通滤波、电压放大电路以及输出钳位电路，信号处理电路的输入端用于接收所采集的电压、电流信号，经过滤波后连接AD转换电路的输入端；
所述用于同步采样的相电压捕获调理包括降压电路、低通滤波电路、移相电路、过零比较电路、电压放大电路、光藕隔离，相电压捕获电路将同步采集的相电压信号经过降压、滤波、移相、过零比较、放大后接入锁相环PLL电路，作为信号同步采样的标志；
进一步地，所述锁相环PLL电路采用了CD4046芯片实现锁相功能；
进一步地，所述用于采集信号的AD转换电路采用高精度完成电网数据采集转换功能；
进一步地，所述用于数据处理的处理器采用数据处理器，包括用于接收采集信号的数据采集模块、用于处理采集信号的分析模块、用于存储数据的压缩模块、用于数据传输的通讯模块、用于展示数据的显示模块、用于设定权限的管理模块。
如上所述，本发明提供的一种电网谐波检测装置，具有如下效果：
本发明的电网谐波检测装置，检测设备满足国标谐波测试仪器精度要求，电路设计方面符合国际电子设备相关标准，满足低功耗，低辐射以及抗电磁干扰要求,对使用环境要求低。外观方面着眼于手持设备,尽可能保证体积小巧，易于携带。设备带有保护装置，能够防止因外界环境异常或人为误操作而造成的设备损坏；设备硬件具有良好的扩展性，可以根据需求方便增加或去除功能器件。软件方面采用优秀操作***和组件技术，应用程序界面友好，易于操作。
附图说明
图1是本发明的硬件架构图；
图2是本发明所需传感器电路原理图；
图3是本发明所需信号检测与调理电路原理图；
图4是本发明所需相电压捕获调理电路原理图；
图5是本发明所需锁相环电路原理图；
图6是本发明所需AD转换及驱动电路原理图；
图7是本发明所需LCD驱动电路原理图；
图8是本发明所需SD卡链接原理图；
图9是本发明所需通信接口原理图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
图2中电压霍尔电路采用霍尔电压传感器CHV-50P实现电压采样的目的，原边串联一个电阻Ru1，引入流进1端电流，为了抑制共模干扰，在交流输入侧并联了两个电容，根据输入额定电流10mA,被测电压220V，选择Ru1为2.2k，输出电流正比于原边电压，为把输出电流转换为电压，所以在电压传感器的输出侧串联了电阻Ru2，输出电压为U1，其额定输出电流为50mA，理论上U1≤0.5V。其中电流霍尔电路采用莱姆公司生产的LA25-NP霍尔传感器，在电压输出端接入采样电阻Rm，电流流过Rm后就会在电压输出端产生电压U0，就完成了电流信号的采集，其输出额定电流为25mA，Rm为20Ω，则理论上U0≤0.5V。
由传感器采集的电压信号经过图3的调理电路与AD转换部分相连。调理电路由低通滤波、电压放大电路以及输出钳位三部分依次级联组成，低通滤波主要对信号起过滤作用，针对的是高次谐波信号，选用R1为10k电阻与C1为0.01μF电容，此时临界采样频率
高于f0以上高次谐波信号将被滤掉，电压放大部分主要由以下部分组成：电压跟随器、放大电路、比例电路，输出钳位电路的功能是设置输出信号的上、下限，由于ADS1278转换器的量程为-2.5V—+2.5V，所以必须将输出信号限制在-2.5V—+2.5V之间，避免AD转换器损坏，即使用电压钳位来保护较为敏感的电路器件。
图4为相电压捕获调理电路依次由降压电路、低通滤波电路、移相电路、过零比较电路、电压放大电路、光藕隔离五个环节组成，捕获的相电压经过以上电路后连接锁相环电路，达到同步采样的目的。
图5为锁相环电路，仅使用捕获电路获取到的矩形波，在电路上电驱动后可能会含有大量脉冲，而得不到严格的矩形波信号，这样会导致启动时间的不准确，就很难能达到同步采样的目的，很大程度降低谐波检测精度。为了能够精准的跟踪电网相电压信号，在捕获调理电路后面又加了PLL电路，然后连接中心处理器，作为同步采样的信号。
将采集并处理后的信号传给图6的AD转换电路，信号经过驱动电路后由ADS1278进行模拟量到数字量的转换，然后将采集的信号传输给Exynos 4412中心处理器。图7、图8、图9分别作为显示、存储与通信部分与处理器相连，采用GM8285C作为LCD显示板的驱动，采用SD卡与处理器SPI连接，作为可移动数据存储，采用MAX3232完成与上位机的信号传输与通讯。
本发明的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动等。
Claims (6)
1.一种电网谐波检测装置，包括用于检测电压信号的电压霍尔传感器、用于检测电流信号的电流霍尔传感器、储存器以及通讯模块，其特征在于：所述电网谐波检测装置还包括用于采样信号处理的信号检测与调理电路，用于同步采样的相电压捕获及调理电路、锁相环PLL电路、用于采集信号的AD转换电路、用于数据处理的高精度处理器、用于人机互动的输入输出设备、用于显示部分的LCD显示电路。
2.根据权利要求1所述电网谐波检测装置，其特征在于：所述信号检测与调理电路包括顺次连接的低通滤波、电压放大电路以及输出钳位电路，信号处理电路的输入端用于接收所采集的电压、电流信号，经过滤波后连接AD转换电路的输入端。
3.根据权利要求1所述电网谐波检测装置，其特征在于：所述用于同步采样的相电压捕获调理包括降压电路、低通滤波电路、移相电路、过零比较电路、电压放大电路、光藕隔离，相电压捕获电路将同步采集的相电压信号经过降压、滤波、移相、过零比较、放大后接入锁相环PLL电路，作为信号同步采样的标志。
4.根据权利要求1所述电网谐波检测装置，其特征在于：所述锁相环PLL电路采用了CD4046芯片实现锁相功能。
5.根据权利要求1所述电网谐波检测装置，其特征在于：所述用于采集信号的AD转换电路采用高精度完成电网数据采集转换功能。
6.根据权利要求1所述电网谐波检测装置，其特征在于：所述用于用于数据处理的处理器采用数据处理器，包括用于接收采集信号的数据采集模块、用于处理采集信号的分析模块、用于存储数据的压缩模块、用于数据传输的通讯模块、用于展示数据的显示模块、用于设定权限的管理模块。
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