CN203133168U

CN203133168U - 电力谐波检测仪

Info

Publication number: CN203133168U
Application number: CN 201220691916
Authority: CN
Inventors: 蔡秀珊; 高虹
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2022-12-14

Abstract

本实用新型提供了一种电力谐波检测仪，包括电压传感器、电流传感器、存储器以及通信模块，还包括用于采样信号处理的信号调理电路、锁相环***、用于采集信号的A/D采样电路、用于数据处理的嵌入式处理器、用于人机互动的输入输出设备，本实用新型检测设备满足国标谐波测试仪器精度要求，基波幅值误差小于0.15%，谐波幅值误差小于3%，***频率测量误差≤0.01Hz，可进行2～60次谐波测试。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。

Description

电力谐波检测仪

技术领域

本实用新型属于一种检测仪，具体属于一种电力谐波检测仪。

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）对电机的影响

（5）对继电保护和自动装置的影响

（6）对通信线路产生干扰

电力谐波检测的交流信号主要有：电压信号Ua, Ub, Uc, 电流信号Ia, Ib, Ic, Io（中线电流），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点的情况此下，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

本实用新型的目的是提供一种测量精度精度、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仪。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电力谐波检测仪，包括用于检测电压信号的电压传感器、用于检测电流信号的电流传感器、存储器以及通信模块，还包括用于采样信号处理的信号调理电路、锁相环***、用于采集信号的A/D采样电路、用于数据处理的嵌入式处理器、用于人机互动的输入输出设备；

—所述信号调理电路包括顺次连接的低通抗混叠滤波电路，电压跟随电路，信号整理电路，低通抗混叠滤波电路的输入端用于接收所采集的电压、电流信号，信号整理电路的输出端分两路，分别连接锁相环***、A/D采样电路的输入端；

—所述锁相环***包括鉴相器、滤波电路、电平转换电路、函数发生器，所述信号调理电路输出方波到鉴相器的一个输入端，鉴相器的输出端，经滤波电路，电平转换电路，到函数发生器，函数发生器输出方波返回到鉴相器的另一输入端构成锁相环电路。

所述电平转换电路包括依次相连的电压跟随电路与放大电路，电压跟随电路的输入端连接滤波电路的输出端，放大电路的输出端连接函数发生器的输入端。

所述函数发生器包括具有多种波形输出的振荡集成电路与运算放大电路，函数发生器的输入端与电平转换电路相连，函数发生器的输出端分两路，分别连接A/D采样电路、鉴相器的输入端。

所述嵌入式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、用于显示数据的展示模块、用于设定权限的管理模块。

本实用新型的有益效果是，检测设备满足国标谐波测试仪器精度要求，基波幅值误差小于0.15%，谐波幅值误差小于3%，***频率测量误差≤0.01Hz，可进行2～60次谐波测试。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。软件方面采用优秀嵌入式操作***和组件技术，应用程序界面友好，易于操作。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的硬件架构图；

图2是本实用新型所需正弦波发生电路原理结构图；

图3是本实用新型所需电平转换电路原理图；

图4是本实用新型所需输入及调理电路原理图；

图5是本实用新型所需正弦波发生电路原理图；

具体实施方式

图3中U1、U2运算放大器，R1-R4电阻；

图4中TR1变压器，U1运算放大器，R1-R9电阻，C1-C3电容；

图5中U1函数发生器，R1-R6电阻，RV1-RV4变阻器，C1电容。

参照图1所述信号调理电路1的输入端与电压传感器2和电流传感器3连接，输出端分别与锁相环***4的输入端、A/D采样电路5的输入端连接，A/D采样电路5的输入端与锁相环***4的输出端连接，输出端与嵌入式处理器6连接，嵌入式处理器6与存储器7、输入输出设备8以及通信模块9连接。

根据图2所述，电压互感器1采集电网电压，通过信号调理电路2，输入到鉴相器3的一个输入端，从鉴相器3的输出端，输出信号，经滤波电路4，电平转换电路5，输入函数发生器6，函数发生器6输出方波7返回到鉴相器3的另一输入端，函数发生器6输出正弦波到A/D采样电路。

根据图4所述的输入及调理电路，运算放大器U1B构成电压跟随电路，运算放大器U1A、电阻R1-R4、电容C1、C2构成低通抗混叠滤波电路，运算放大器U1C、电阻R6-R9、电容C3构成信号整理电路。

***采用的谐波检测算法中需要用到与电网电压同步的正余弦信号作为基准信号，所述信号的获取可以采用锁相环加正余弦函数发生器的方法，通过锁相环加正弦函数发生器的方法，可自动实时跟踪电网电压的频率和相位，不占用微处理器的软、硬件资源，大大降低了谐波检测算法编程的复杂度。

实施案例：图1中电压传感器2测量的电压信号Ua, Ub, Uc,电流传感器3测量的电流信号Ia, Ib, Ic, 中性信号Io，直接输入到信号调理电路1，参考图4,所述信号调理电路1可由精密电阻配合集成运放LM2902组成，通过电压互感器2，电流互感器3，低通抗混叠滤波电路处理后，滤除高频信号部分，使输入到后级的信号为有限带宽信号，经过信号调理电路中的电压跟随电路，避免前后电路对信号采集的影响，再通过信号整理电路，抑制由外界条件的变化带给电路的影响，滤去整流输出电压中的纹波。本实施中信号调理电路中附加了低通抗混叠滤波电路，再加上A/D采样芯片本身各通道都具有内置的反混叠滤波器，这使得本检测仪具有良好的抗干扰能力和抗混叠性能，保证处理器进行FFT运算以完成频谱分析时能带到准确结果。

此信号分成两路，一路送入锁相环***4，为实现频率测量和对信号同步做准备，另一路送入A/D采样电路5，对信号进行采样和保持。

一路信号直接作为图2中鉴相器3的一个输入，鉴相器3、滤波电路4、电平转换电路5和函数发生器6组成一个锁相环(PLL)电路。当环路锁定时，输出与电网电压同步的正弦波，即同频同相，并且在时间上几乎没有延迟，所述鉴相器3使用CD4O46的PDI，所述滤波电路4由电阻和电容构成，通过电平转换电路5输入函数发生器6，电平转换电路参照图4所示，由两个运算放大器OP07串联组成，函数发生器参照图5，函数发生器ICL8O38的正弦波失真度调整脚1和12通过变阻器RV2、RV3，电阻R4、R5构成桥式电路，使失真度减小到0.1%左右。引脚2即输出正弦波。方波输出脚9接一上拉电阻R3到+12V，使得输出的方波电平在士12V之间。输出的方波经过电平转换电路，运算放大器U2，电阻R6构成电平转换电路，作为鉴相器3的另一个输入。由于ICL8038输出的方波和正弦波之间有900的相差，当环路锁定时，正好满足PDI输入输出波形占空比为50%的要求，输出一个和电网频率相等的信号，即用锁相环来实现频率跟踪。该信号输入A/D采样电路，作为同步控制信号，用于控制采样电路的启动，实现对信号的同步采样，然后送入处理器，由其进行频率测量。

通过由具有6路独立的16位高速高精度AD转换器ADS8364构成的A/D采样电路5，从锁相环***4接收到的同步控制信号对输入信号进行同步采样、量化、编码后将输入的模拟信号转换成离散信号，通过模数转换，输入嵌入式处理器C5410。所述转换器能保证6路模拟信号同时采样，且在变换过程中延迟很小，从而有效地减少了由于采样时间不同所产生的相位误差，且采样率和输入信号增益都是可编程的。

嵌入式处理器先通过信号采集模块，接收采样电路输入的信号，再通过分析模块进行谐波、间谐波和动态谐波的分析计算。

先用自适应算法选择窗宽

避免频谱泄漏的最好方法就是选择的窗宽正好覆盖信号的一个或多个信号周期。在***频率多变和间谐波成分未知的情况下进行谐波和间谐波的检测时遇到的频谱泄漏问题，此基于迭代程序的自适应算法提供了一个理想的解决办法。

假定有一个信号

,其中频率

是一个随机数。设定采样频率为

, 每个周期T的采样数表示为, 这是一个随机数并且在一般情况下不是一个整数。设

,其中

和为最大公约数为1的两个整数, 用

乘以

Figure DEST_PATH_512921DEST_PATH_IMAGE014

得到

,

覆盖了

Figure DEST_PATH_59089DEST_PATH_IMAGE014

个周期（整数倍个周期），在周期内的采样数表示为, 这是一个正整数并且总是覆盖了整数倍个周期T,即 N是采样周期信号

得到的离散时间信号

（比如

，其中

为整数）的周期。如果用

个样本来作DFT变换，那结果中就不会有频谱泄漏效应。从

Figure DEST_PATH_536831DEST_PATH_IMAGE022

式可以看出，是采样周期信号

Figure DEST_PATH_298300DEST_PATH_IMAGE024

得到的离散时间信号的周期。如果用

Figure DEST_PATH_957043DEST_PATH_IMAGE032

个样本来做DFT变换，那结果中就不会有频谱泄露效应。从

Figure DEST_PATH_937506DEST_PATH_IMAGE022

可以看出，周期是信号频率和采样频率

Figure DEST_PATH_920747DEST_PATH_IMAGE006

的一个函数。

信号，其中

。

当

为整数，表示有一个谐波成分；当

，其中

，

为最大公约数为1的两个整数。把它代入到

Figure DEST_PATH_458780DEST_PATH_IMAGE024

，可以得到：

，其中

。

这里基波为

Figure DEST_PATH_330702DEST_PATH_IMAGE048

的两个谐波，其离散时间信号的周期可以由

Figure DEST_PATH_946229DEST_PATH_IMAGE022

求出。

当信号含有间谐波，周期

Figure DEST_PATH_470620DEST_PATH_IMAGE032

是信号频率、采样频率和间谐波成分的函数。如果一个信号序列有

Figure DEST_PATH_419816DEST_PATH_IMAGE032

个样本的周期，那么这

Figure DEST_PATH_568032DEST_PATH_IMAGE032

个样本会在下个相邻的周期重复出现。这为自动寻找周期

Figure DEST_PATH_670855DEST_PATH_IMAGE032

的数字算法提供了一个切入点。

假定有一个无限大小的离散时间信号S：

这个信号是一个有值序列的向量。两个离散信号的相关性可以用两个矢量的点积来估计。基于式

此算法定义了一个相关系数

，以此来确定两个序列的相似度。当两信号矢量平行且方向一致时相关值

为最大值1，当两信号矢量平行但方向相反时相关值

为最小值。

值的大小可以直接反映信号序列的周期性，我们

把值称为信号周期的指示计。若信号序列本身具有周期性，那么

值组成的序列也具有周期性。值序列的极值点就是信号序列的全局相似点或局部相似点。

为自动计算窗宽提出的算法是一个迭代最优化程序，此程序利用信号序列的局部周期性（或局部相似性）来搜索最适合的窗宽，其中的信号序列满足DFT的周期性必要条件。当两个相邻部分的相关性不满足预定的终止规则时，第一个部分的信号长度就被增加一个样本，并且和下一个相邻的有相同长度的部分作比较，然后连续重复进行直到满足终止规则。信号长度的初始值的确定和搜索的终止规则的设定是直接关系到此算法复杂度的两个首要问题。

在***频率多变和间谐波成分未知的情况下进行谐波和间谐波的检测时遇到的频谱泄漏问题，此基于迭代程序的自适应算法提供了一个理想的解决办法。选择此自适应算法基于以下几点的考虑，同时这几点也是此算法的优势所在。

1.不管信号中的间谐波成分如何，也不论***频率如何变化，此算法总是有效而且精确的。

2.频谱泄漏误差可用读取周期指示计的值来粗略地估算。当必须采取折中的办法或者当信号从一个状态跃迁到另一个状态时，这种周期指示器提供了非常有用的信息。

3.当***频率变化时，此算法会根据采样频率自动寻找一个新的窗宽。

再对采样点采用FFT变换

当利用迭代程序求得样本数满足终止规则时，跳出迭代程序，进入算法的第三个环节，即，做样本的FFT运算。FFT算法实现如下所示：

基2时分的快速傅里叶算法是应用最为广泛的一种FFT算法。基2时分的快速傅里叶算法是以基2时分蝶式运算为理论依据的。

基2时分蝶式运算定理为：

设序列

长度为N,

，，n,k,m为整数，

，

，若

,

则:

通过分析模块得到的结果，通过展示模块在输出设备上展示，采取画面加数据的方式使使用者直观的了解所检测电力存在的问题，还可以通过压缩模块进行储存，或通过通讯模块进行传输。

Claims

1.一种电力谐波检测仪，包括用于检测电压信号的电压传感器（2）、用于检测电流信号的电流传感器（3）、存储器（7）以及通讯模块（9），其特征在于：所述电力谐波检测仪还包括用于采样信号处理的信号调理电路（1）、锁相环***（4）、用于采集信号的A/D采样电路（5）、用于数据处理的嵌入式处理器（6）、用于人机互动的输入输出设备（8）；

—所述信号调理电路（1）包括顺次连接的信号整理电路、电压跟随电路及滤波电路，信号整理电路的输入端用于接收所采集的电压、电流信号，滤波电路的输出端分两路，分别连接锁相环***(4)、A/D采样电路(5)的输入端；

—所述锁相环***(4)包括鉴相器(10)、滤波电路(11)、电平转换电路(12)、函数发生器(13)，所述信号调理电路(1)输出波形到鉴相器(10)的一个输入端，鉴相器(10)的输出端，经滤波电路（11）、电平转换电路（12）到函数发生器（13），函数发生器（13）输出方波（14）返回到鉴相器（10）的另一输入端构成锁相环电路。

2.根据权利要求1所述的电力谐波检测仪，其特征在于：所述电平转换电路（12）包括依次相连的电压跟随电路与放大电路，电压跟随电路的输入端连接滤波电路的输出端，放大电路的输出端连接函数发生器（13）的输入端。

3.根据权利要求1所述的电力谐波检测仪，其特征在于：所述函数发生器（13）包括具有多种波形输出的振荡集成电路与运算放大电路，函数发生器（13）的输入端与电平转换电路（12）相连，函数发生器（13）的输出端分两路，分别连接A/D采样电路（5）、鉴相器（10）的输入端。

4.根据权利要求1所述的电力谐波检测仪，其特征在于：所述嵌入式处理器（6）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、用于显示数据的展示模块、用于设定权限的管理模块。