一种新型三相电力谐波分析仪的设计.pdf

总第 4 7 卷一第5 3 2 期 2 0 1 0年第 0 4期 电测与仪表 El e c t c a l M e a s ur e me n t I ns t r u m e n t a t i o n Vo J 4 7 No 5 3 2 Apr 2 0l O 一 种新型三相 电力谐波分析仪的设计 曹锐 ( 太原市优特奥科 电子科技有限公司， 太原 0 3 0 0 0 6) 摘要： 运用离散傅里叶变换， 实现电网电压和电流的谐波分析， 并详细介绍了一种新型电力谐波分析仪的设计， 分析了其测量原理和软硬件设计。最后， 使用标准源对测试仪器进行了比对校验， 给出了相应的测试结果。 关键词： 电力谐波； 分析仪； 傅里叶变换 中图分类号： T M 9 3 3 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 - 0 0 6 7 = 0 3 De s i g n o f a Ne w Thr e e Ph a s e Po we r Li n e Ha r mo n i c s Ana l y z e r CAO Ru i ( T a i y u a n A c c u pow e r E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g i e s ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Vo l t a g e a n d c u r r e n t h a r mo n i c a n a l y s i s b a s e d O ff t h e d i s c r e t e F o u r i e r t r a n s f o r m i s p r e s e n t e d A n e w t y p e o f t h r e e p h a s e p o w e r l i n e h a r mo n i c s a n aly z e r i s i n t r o d u c e d i n d e t a i l i n t h i s p a p e r T h e me a s u r e me n t p rin c i p l e s and h a r d w a r e a n d s o f t w are d e s i g n o f the an aly z e r are d i s c u s s e d T e s t d a t a are p r o v i d e d b y c o mp a r i n g the o u t p u t o f a s t a n d a r d ha r mo ni c po we r s o u r c e an d th e me a s u r e me n t r e s u l o f t h e ne w an aly z e r Ke y wo r d s ： p o w e r l i n e h a r mo n i c s ， a n aly z e r ， F o u ri e r t r an s f o r m O 引 言 随着电力电子技术的高速发展， 近年来许多大型 电力用户部门使用大功率的非线性负荷日益增多， 使 大量谐波电流注人电网， 引起电力系统电压和电流产 生严重畸变， 导致电能质量下降， 这对供电系统和用 户均会产生不 良影响和危害。 电力系统谐波可产生附 加损耗， 增加设备温升， 恶化绝缘条件， 缩短设备寿 命， 使无功补偿电容器组产生谐波谐振 ， 造成危险的 过电流或过 电压 ， 使保护装置发生误动作和产生计量 误差等。 因此， 为了有效地进行谐波监测管理， 我们设 计了一种新型的电力谐波分析仪。 1 测量原理 电网电压和电流的畸变波形可用一系列不 同频 率的正弦波来表示。 其中， 与电源频率一致的为基波分 量， 其他为谐波分量【q 。 测量谐波分量的方法有多种， 傅 里叶分析方法作为经典的信号分析方法，具有正交和 完备等许多优点， 而且又有快速傅里叶变换( F ) 算 法， 因此本仪器采用傅里叶变换作为谐波分析方法。 电网电压和电网电流都是时间的周期性函数， 且 有相同的构造形式， 本文以电流为例进行分析， 同样 可以得到电压 的分析结果 。通常 ， 电网电流可用傅里 叶级数表示为【 l 】 ： ) + 2 Z Ik s in 岬 ( 1 ) 对此周期性连续时间函数进行等周期采样， 采样 序列记 为( ( n =0 ， 1 ， 2 ， ， J7、 r l- 1 ) ， 则 相应 的离散 傅里叶变换为： ， 啦 ： 1 Zi e ( 2 ) 设第k 次谐波电流的实部和虚部分别为R e q k ) 和 I m ( 】 ) ， 则第k 次谐波的电流幅值和初相位分别为： 厶 ： 而 I m( I k ) 眦 g 丽J ( 3 ) ( 4 ) 求 出厶、 * 后， 则 口 J 得 出第 后 次谐 硬 电流畸变 翠为 ： Hm, = - 0 0 总电流的畸变率为： 一 舢 一 67 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 2期 2 0 1 0年第 0 4期 电测与仪表 Ei e c t r i c a i M e a s u r e me n t& I n s t r u m e n t at i o n Vo 1 4 7 No 5 3 2 Ap r 2 01 0 第k 次谐波功率因数角和有功功率分别为： = 一 ( 7 ) = V Ac o ( 8 ) 2 硬件设计 新型三相电力谐波分析仪硬件原理图如图1 所 示。被测的三相交流电压 、 、 和三相交流电流厶 、 厶 、 ， c 依次接入三路电压互感器和三路电流互感器进 行信号调理， 然后通过各自的抗混叠滤波器口 4 1后进入 模一 数转换器A D 9 7 7 A的输入端 ，转换结果 由A D 9 7 7 A 送人T MS 3 2 0 C 6 7 2 2 D S P 系统 中进行计算处理 ， 完成 电 参量的测量和电力谐波分析 。而后 ， D S P 系统将所测 得的测量结果送人本地显示器进行显示 ， 并可通过以 太网络或R S 4 8 5 等方式进行远程传送。 一 篡 煮 童 1 滤 波 器 广 1 ， 建 滤 波 器 r 一 幅 T M $ 3 2 0 1 滤波器r 1 萎 C 6 72 2 滤 波 器 广 1 ：= ： 系 统 +HJ 囊 H 滤 波 器 广 蠢 H 滤 波 器 ： ： 一搏 鎏 L 蓓 滤 波 器 广 频 电 路F 图l新型三相 电力谐波分析仪硬件原理图 F i g 1 Ha r d wa r e d i a g r a m o f t h e n e w t h r e e p h a s e p o we r l i n e h a r mo n i c s a n a l y z e r 传统的电力谐波分析仪多采用定点D s P 作为处 理内核。定点D s P 处理数据时需要时刻关注计算溢出 的发生 ， 因而耗费了大量的计算时间和程序空间。而 浮点D S P 用硬件实现浮点运算 ， 动态范围大 ， 计算精 度高， 总线宽度宽， 硬件资源也更加丰富， 比定点D S P 有着十分明显的优势。在本设计中， 我们选用了T l 公 司的T M S 3 2 0 C 6 7 2 2 新 型浮点D S P 5 1 。 其工作主频为 2 0 0 MH z ， 单指令执行周期仅为5 n s ， 具有强大 的浮点 运算能力。 模一 数转换器的采样精度是实现整个仪器测量精 度的重要保证。 在本设计中， 我们使用了六片A D 公司 的高速、 低功耗l 6 位高精度A D 转换器A D 9 7 7 A 作为系 统的模一 数转换器 ， 保证 了测量精度 。此外 ， 由于采用 六片A D 同时对六路信号进行同步采样，避免了传统 电力谐波分析仪由于采用多路开关+ A D 转换器的模 式而造成的异步采样误差 ， 大大提高了系统整体测量 一 6 8一 精度 。 值得一提的是， 在进行F F T 转换时， 通常需与时 间窗配合使用以减小泄漏误差。若采用H a n n in g 窗等 窗函数 ，则一般需要多个周期的数据以减小泄漏误 差。而这样将会大大增加计算量 ， 从而导致计算时间 太长 ， 难 以实现实时测量。而若能在一个周期 内进行 等间隔采样， 则采用矩形窗计算一个周期的F n也可 获得高精度测量结果。 因此， 为了减小计算量， 提高实 时 性， 我们采用了锁相倍频同步采样技术 6 1 。图2 是锁 相倍频同步采样电路的原理图。图中， 同步信号 l通 过滤波器整形后 ， 进入 电压比较器 ， 将正弦波信号转 变成方波信号。 然后进入C D 4 0 4 6 通用C M O S 集成锁相 环电路。 在C D 4 0 4 6 内部， 这一方波信号与将输出信号 5 l 2 倍分频后的信号进行鉴相比较后，其误差量经低 通滤波器滤波 ， 控制压控振荡器输出频率朝着减小误 差的方向变化 ， 直到锁相环路锁定 。 锁相环路锁定时 ， 输 出信号就是输入 同步信号 的5 1 2 倍 ， 从 而实现了 准确的等 间隔采样。 图2 锁相倍频同步采样电路原理图 F i g 2 Di a gra m o f t h e p h a s e - l o c k e d t y p e f r e q u e n c y mu l t i p l i e r 3 软件设计 如图3 所示 ，本仪器的软件采用 自顶向下的模块 化设计结构和多任务的设计思想 ， 用c 语言和汇编语 言混合编程。设计编写了主程序 、 A D转换子程序 、 电 参量测量子程序、 F 盯谐波分析子程序、键盘分析处 理子程序、 显示子程序、 串口通信子程序、 U S B 通信子 程序、 以及以太 网通信子程序等多个软件模块。在主 程序中， 完成对系统资源的分配 、 初始化、 以及任务管 理和调度等工作 ； F F T i 波分析子程序模 块采用基 4 ， 5 1 2 点 F 丌算法， 使用了复序列方法， 将一路电压信 号序列和一路电流信号序列组合， 一次同时完成二者 的F F T 运算， 六路电压和电流的谐波分析运算只需执 行三次F F Tr 子程序， 大大提高了系统效率； 其他部分 子程序完成系统输入输出等常规任务，限于篇幅， 不 再累述。 4 测试结果 使用A P 3 0 9 3 精密三相谐波标准源对新型电力谐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 2期 2 0 1 0年第 o 4期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I ns t r u m e nt at i o n VO 1 4 7 No 5 3 2 Ap r 2 0 1 0 表 1三相电压和三相电流各次分别加入 l 谐波时的测试结果 T a b 1 Me a s u r e me n t d a t a w h e n i n p u t v o l t a g e s a n d c u r r e n t s c o n t a i n i n g l h a r mo n i c s 表2三相电压和三相电流各次分别加入 1 0 谐波时的测试结果 T a b 2 Me a s u r e me n t d a t a w h e n i n p u t v o l t a g e s a n d c u r r e n t s c o n t a i n i n g 1 0 h a r mo n i c s 图3软件 系统框图 F i g 3 S o ft w a r e fl o w c h a r t 波分析仪进行测试 ， 对三相电压通道和三相 电流通道 分别加入 1 0 0 V 和5 A满量程的 1 和 1 0 的3 、 5 、 7 、 9 、 1 1 次谐波后 ， 测试结果如表1 和表2 所示 。 可见 ， 测试结 果满足A 级谐波分析仪指标 ， 令人满意。 5 结论 综上所述， 我们研制的新型的电力谐波分析仪可 快速准确地分析测量电力系统的高次谐波， 已用于国 电公司计量和系统专业的多个用户， 为有效地进行谐 波监测管理提供了新 的测量手段。 参 考 文 献 1 吕润余 电力系统高次谐波【 M 】 北京： 中国电力出版社， 1 9 9 8 2 王正光等数据采集与处理 M 】 北京： 国防工业出版社， 1 9 8 5 3 吴吴， 李世光 ， 高正中， 等 电网谐波检测抗混叠滤波器的分析与设 计 】 电测与仪表， 2 0 0 8 ， ( 3 ) WU Ha o ，LI S hi g u a n g ，GAO Zh e n g - z h o n g , e t a 1 An My z e a n d d e s i g n o f a n t i 一 i a s i n g fi l t e r f o r t h e e l e c t ri c n e t w o r k h a r m o n i c d e t e c t i o n 叨 E l e c t r i c a l Me a s u r e m e n t I n s t r u me n t a - t i o n ，2 0 0 8 ， ( 3 ) 4 奥本海姆 离散时间信号处理【 M 】 北京： 清华大学出版社， 2 0 0 5 5 T MS 3 2 0 C 6 7 2 x H a r d w a r e D e s i g n e r S R e s o u r c e G u i d e Z T e x a s I n s t r u me n t s ， 2 0 06 ， 6 C D 4 0 4 6 B C MO S Mi c r o p o w e r P L L D a t a S h e e t 【 Z 】 T e x a s I n s tr u me n t s ， 2 0 0 3 作者简介 ： 曹锐( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 硕士， 高级工程师， 长期从事电子测量和电能计量方 法和技术的研究开发以及技术管理工作。 Ema i l ： r a y t s a o a c c u p o w e r c o rne l l 收稿 日 期： 2 0 0 9 1 2 1 1 ( 杨长江 编发) 一 6 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m