專利名稱：電力諧波檢測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于一種檢測(cè)儀，具體屬于一種電力諧波檢測(cè)儀。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，它以額定電壓和額定頻率向用戶供應(yīng)電能。但在實(shí)際運(yùn)行中，電網(wǎng)中的負(fù)載是不斷變化的，負(fù)載中包含有各種非線性電力電子設(shè)備，如電感電容等，特別是在電器設(shè)備和電子系統(tǒng)控制領(lǐng)域廣泛采用的開關(guān)電源、晶閘管等電子器件不可避免地產(chǎn)生非正弦波形，給電網(wǎng)帶來擾動(dòng)。除了這些電力電子設(shè)備外，供電系統(tǒng)中掛載有電弧爐、變頻器、整流器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等非線性負(fù)載，這些負(fù)載不像純電阻用電設(shè)備，它們?cè)谙挠泄β实耐瑫r(shí)還消耗大量的無功功率給電網(wǎng)造成很大的干擾，使供電網(wǎng)中的波形發(fā)生畸變，不再是單一的額定頻率的正弦波波形。電網(wǎng)中產(chǎn)生大量頻率大于額定頻率的電流分量，這些頻率大于額定頻率的分量稱為諧波分量。諧波的大量產(chǎn)生，成為當(dāng)前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的重要因素之一。電力諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:( I)諧波對(duì)線路的影響(2)對(duì)電力變壓器的影響(3)對(duì) 電力電容器的影響(4)對(duì)電機(jī)的影響(5)對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響( 6 )對(duì)通信線路產(chǎn)生干擾電力諧波檢測(cè)的交流信號(hào)主要有:電壓信號(hào)Ua，Ub, Uc,電流信號(hào)Ia，lb, Ic,1 (中線電流)，目前電力系統(tǒng)各種監(jiān)測(cè)儀器中采用的采樣方式一般為:“多路開關(guān)+采樣保持+A/D轉(zhuǎn)換”模式，這種模式硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低。在同步性要求不高的系統(tǒng)中可以得到很好的結(jié)果。但是在諧波分析中如果采用這種方式，即使在每周波采樣128點(diǎn)的情況此下，對(duì)于19次此諧波，其相位最少也會(huì)帶來6度的誤差，這對(duì)于提取基波分量進(jìn)行信號(hào)分析的系統(tǒng)而言，誤差可以忽略，而對(duì)于高次諧波的測(cè)量，將使測(cè)量數(shù)據(jù)沒有可信度。國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)不少關(guān)于電力諧波檢測(cè)裝置，國(guó)外電力諧波檢測(cè)裝置產(chǎn)品性能先進(jìn)，適用范圍廣，且耐用可靠，但價(jià)格較為昂貴，且在測(cè)量功能、測(cè)量通道和數(shù)據(jù)齊全等方面存在不同程度的缺陷，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品價(jià)格較低，但是制造工藝較差，可靠性和精度普遍不高且大多不能便攜，主要適用于諧波測(cè)量方面，而在高次諧波的分析、波形分析、采樣窗口的選擇、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果輸出方面與國(guó)外產(chǎn)品相比差距較大。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種測(cè)量精度精度、能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量并且處理電能信號(hào)、攜帶方便的電力諧波檢測(cè)儀。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種電力諧波檢測(cè)儀，包括用于檢測(cè)電壓信號(hào)的電壓傳感器、用于檢測(cè)電流信號(hào)的電流傳感器、存儲(chǔ)器以及通信模塊，還包括用于采樣信號(hào)處理的信號(hào)調(diào)理電路、鎖相環(huán)系統(tǒng)、用于采集信號(hào)的A/D采樣電路、用于數(shù)據(jù)處理的嵌入式處理器、用于人機(jī)互動(dòng)的輸入輸出設(shè)備；一所述信號(hào)調(diào)理電路包括順次連接的低通抗混疊濾波電路，電壓跟隨電路，信號(hào)整理電路，低通抗混疊濾波電路的輸入端用于接收所采集的電壓、電流信號(hào)，信號(hào)整理電路的輸出端分兩路，分別連接鎖相環(huán)系統(tǒng)、A/D采樣電路的輸入端；一所述鎖相環(huán)系統(tǒng)包括鑒相器、濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路、函數(shù)發(fā)生器，所述信號(hào)調(diào)理電路輸出方波到鑒相器的一個(gè)輸入端，鑒相器的輸出端，經(jīng)濾波電路，電平轉(zhuǎn)換電路，到函數(shù)發(fā)生器，函數(shù)發(fā)生器輸出方波返回到鑒相器的另一輸入端構(gòu)成鎖相環(huán)電路。所述電平轉(zhuǎn)換電路包括依次相連的電壓跟隨電路與放大電路，電壓跟隨電路的輸入端連接濾波電路的輸出端，放大電路的輸出端連接函數(shù)發(fā)生器的輸入端。
所述函數(shù)發(fā)生器包括具有多種波形輸出的振蕩集成電路與運(yùn)算放大電路，函數(shù)發(fā)生器的輸入端與電平轉(zhuǎn)換電路相連，函數(shù)發(fā)生器的輸出端分兩路，分別連接A/D采樣電路、鑒相器的輸入端。所述嵌入式處理器包括用于接收采集信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊、用于處理采集信號(hào)的分析模塊、用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的壓縮模塊、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵞K、用于顯示數(shù)據(jù)的展示模塊、用于設(shè)定權(quán)限的管理模塊。本實(shí)用新型的有益效果是，檢測(cè)設(shè)備滿足國(guó)標(biāo)諧波測(cè)試儀器精度要求，基波幅值誤差小于0.15%，諧波幅值誤差小于3%，系統(tǒng)頻率測(cè)量誤差< 0.01Hz，可進(jìn)行2 60次諧波測(cè)試。電路設(shè)計(jì)方面符合國(guó)際電子設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足低功耗，低輻射以及抗電磁干擾要求，對(duì)使用環(huán)境要求低。外觀方面著眼于手持設(shè)備，盡可能保證體積小巧，易于攜帶。設(shè)備帶有保護(hù)裝置，能夠防止因外界環(huán)境異常或人為誤操作而造成的設(shè)備損壞。設(shè)備硬件具有良好的擴(kuò)展性，可以根據(jù)需求方便增加或去除功能器件。軟件方面采用優(yōu)秀嵌入式操作系統(tǒng)和組件技術(shù)，應(yīng)用程序界面友好，易于操作。以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

圖1是本實(shí)用新型的硬件架構(gòu)圖；圖2是本實(shí)用新型所需正弦波發(fā)生電路原理結(jié)構(gòu)圖；圖3是本實(shí)用新型所需電平轉(zhuǎn)換電路原理圖；圖4是本實(shí)用新型所需輸入及調(diào)理電路原理圖；圖5是本實(shí)用新型所需正弦波發(fā)生電路原理具體實(shí)施方式
圖3中Ul、U2運(yùn)算放大器，R1-R4電阻；圖4中TRl變壓器，Ul運(yùn)算放大器，R1-R9電阻，C1-C3電容；圖5中Ul函數(shù)發(fā)生器，R1-R6電阻，RV1-RV4變阻器，Cl電容。參照?qǐng)D1所述信號(hào)調(diào)理電路I的輸入端與電壓傳感器2和電流傳感器3連接，輸出端分別與鎖相環(huán)系統(tǒng)4的輸入端、A/D米樣電路5的輸入端連接，A/D米樣電路5的輸入端與鎖相環(huán)系統(tǒng)4的輸出端連接，輸出端與嵌入式處理器6連接，嵌入式處理器6與存儲(chǔ)器7、輸入輸出設(shè)備8以及通信模塊9連接。根據(jù)圖2所述，電壓互感器I采集電網(wǎng)電壓，通過信號(hào)調(diào)理電路2，輸入到鑒相器3的一個(gè)輸入端，從鑒相器3的輸出端,輸出信號(hào),經(jīng)濾波電路4,電平轉(zhuǎn)換電路5,輸入函數(shù)發(fā)生器6，函數(shù)發(fā)生器6輸出方波7返回到鑒相器3的另一輸入端，函數(shù)發(fā)生器6輸出正弦波到A/D采樣電路。根據(jù)圖4所述的輸入及調(diào)理電路，運(yùn)算放大器UlB構(gòu)成電壓跟隨電路，運(yùn)算放大器U1A、電阻R1-R4、電容Cl、C2構(gòu)成低通抗混疊濾波電路，運(yùn)算放大器U1C、電阻R6-R9、電容C3構(gòu)成信號(hào)整理電路。系統(tǒng)采用的諧波檢測(cè)算法中需要用到與電網(wǎng)電壓同步的正余弦信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，所述信號(hào)的獲取可以采用鎖相環(huán)加正余弦函數(shù)發(fā)生器的方法，通過鎖相環(huán)加正弦函數(shù)發(fā)生器的方法，可自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率和相位，不占用微處理器的軟、硬件資源，大大降低了諧波檢測(cè)算法編程的復(fù)雜度。實(shí)施案例:圖1中電壓傳感器2測(cè)量的電壓信號(hào)Ua，Ub, Uc,電流傳感器3測(cè)量的電流信號(hào)Ia，lb, Ic,中性信號(hào)1，直接輸入到信號(hào)調(diào)理電路1，參考圖4，所述信號(hào)調(diào)理電路I可由精密電阻配合集成運(yùn)放LM2902組成，通過電壓互感器2，電流互感器3，低通抗混疊濾波電路處理后，濾除高頻信號(hào)部分，使輸入到后級(jí)的信號(hào)為有限帶寬信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路中的電壓跟隨電路，避免前后電路對(duì)信號(hào)采集的影響，再通過信號(hào)整理電路，抑制由外界條件的變化帶給電路的影響，濾去整流輸出電壓中的紋波。本實(shí)施中信號(hào)調(diào)理電路中附加了低通抗混疊濾波電路，再加上A/D采樣芯片本身各通道都具有內(nèi)置的反混疊濾波器，這使得本檢測(cè)儀具有良好的抗干擾能力和抗混疊性能，保證處理器進(jìn)行FFT運(yùn)算以完成頻譜分析時(shí)能帶到準(zhǔn)確結(jié)果。此信號(hào)分成兩路，一路送入鎖相環(huán)系統(tǒng)4，為實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量和對(duì)信號(hào)同步做準(zhǔn)備，另一路送入A/D采樣電路5 ，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和保持。—路信號(hào)直接作為圖2中鑒相器3的一個(gè)輸入，鑒相器3、濾波電路4、電平轉(zhuǎn)換電路5和函數(shù)發(fā)生器6組成一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)電路。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，輸出與電網(wǎng)電壓同步的正弦波，即同頻同相，并且在時(shí)間上幾乎沒有延遲，所述鑒相器3使用⑶4046的PDI，所述濾波電路4由電阻和電容構(gòu)成，通過電平轉(zhuǎn)換電路5輸入函數(shù)發(fā)生器6，電平轉(zhuǎn)換電路參照?qǐng)D4所示，由兩個(gè)運(yùn)算放大器0P07串聯(lián)組成，函數(shù)發(fā)生器參照?qǐng)D5，函數(shù)發(fā)生器ICL8038的正弦波失真度調(diào)整腳I和12通過變阻器RV2、RV3，電阻R4、R5構(gòu)成橋式電路，使失真度減小到0.1%左右。引腳2即輸出正弦波。方波輸出腳9接一上拉電阻R3到+12V，使得輸出的方波電平在士 12V之間。輸出的方波經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路，運(yùn)算放大器U2，電阻R6構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路，作為鑒相器3的另一個(gè)輸入。由于ICL8038輸出的方波和正弦波之間有900的相差，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，正好滿足PDI輸入輸出波形占空比為50%的要求，輸出一個(gè)和電網(wǎng)頻率相等的信號(hào)，即用鎖相環(huán)來實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。該信號(hào)輸入A/D采樣電路，作為同步控制信號(hào)，用于控制采樣電路的啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的同步采樣，然后送入處理器，由其進(jìn)行頻率測(cè)量。通過由具有6路獨(dú)立的16位高速高精度AD轉(zhuǎn)換器ADS8364構(gòu)成的A/D采樣電路5，從鎖相環(huán)系統(tǒng)4接收到的同步控制信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行同步采樣、量化、編碼后將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入嵌入式處理器C5410。所述轉(zhuǎn)換器能保證6路模擬信號(hào)同時(shí)采樣，且在變換過程中延遲很小，從而有效地減少了由于采樣時(shí)間不同所產(chǎn)生的相位誤差，且采樣率和輸入信號(hào)增益都是可編程的。嵌入式處理器先通過信號(hào)采集模塊，接收采樣電路輸入的信號(hào)，再通過分析模塊進(jìn)行諧波、間諧波和動(dòng)態(tài)諧波的分析計(jì)算。先用自適應(yīng)算法選擇窗寬避免頻譜泄漏的最好方法就是選擇的窗寬正好覆蓋信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)周期。在系統(tǒng)頻率多變和間諧波成分未知的情況下進(jìn)行諧波和間諧波的檢測(cè)時(shí)遇到的頻譜泄漏問題，此基于迭代程序的自適應(yīng)算法提供了一個(gè)理想的解決辦法。假定有一個(gè)信號(hào)_x(t) =sin(sπ ft)，其中頻車/是一個(gè)隨機(jī)數(shù)。設(shè)定采樣頻率為fs:每個(gè)周期T的采樣數(shù)表示為Nt=fs/f,這是一個(gè)隨機(jī)數(shù)并且在一般情況下不是一個(gè)整
數(shù)。設(shè)Nt=p1/p2，其中p1和p2為最大公約數(shù)為1的兩個(gè)整數(shù)，用T乘以p2得到Tp=p2*T ,Tp覆蓋了pw個(gè)周期(整數(shù)倍個(gè)周期)，在周期Tp內(nèi)的采樣數(shù)表示為Np=p2*fs/f，這是一個(gè)正整數(shù)并且總是覆蓋了整數(shù)倍個(gè)周期T，即N是采樣周期信號(hào)s(t)得到的離散時(shí)間信號(hào)s(n)(比如s(n) = s(n+N)，其中n為整數(shù))的周期。如果用Np個(gè)樣本來作DFT變換，那結(jié)果
中就不會(huì)有頻譜泄漏效應(yīng)。從Np=p2*fs/f,式可以看出，Np是采樣周期信號(hào)s(t)得到的離
散時(shí)間信號(hào)s(n)的周期。如果用Np個(gè)樣本來做DFT變換，那結(jié)果中就不會(huì)有頻譜泄露效
應(yīng)。從Np=p2*fs/f可以看出，周期Np是信號(hào)頻率f和采樣頻率fs的一個(gè)函數(shù)。信號(hào)s(t)=sin(sπ ft)+sin(sπ f1t),其中fl=af.。當(dāng)α為整數(shù)，表示有一個(gè)諧波成分；當(dāng)α=α1/α2,其中α1, α2為最大公約數(shù)為1的兩個(gè)整數(shù)。把它代入到地s(t) ,可以得到:[0045]s(t)=sin(sπ ft)+sin(sπ flt)=sin(sπα2fpt)+sin(sπαlfpt),，其中fp=f/α.這里基波為fp=f/α的兩個(gè)諧波，其離散時(shí)間信號(hào)的周期可以由Np=p2*fs/f求出。[0047]當(dāng)信號(hào)含有間諧波，周期Np是信號(hào)頻率、采樣頻率和間諧波成分的函數(shù)。如果一個(gè)信號(hào)序列有Np個(gè)樣本的周期，那么這Np個(gè)樣本會(huì)在下個(gè)相鄰的周期重復(fù)出現(xiàn)。這為自
動(dòng)尋找周期Np的數(shù)字算法提供了一個(gè)切入點(diǎn)。假定有一個(gè)無限大小的離散時(shí)間信號(hào)S: S {s0s1s2...sp-1spsp+1...s2p-1s2ps2p+1}[0050]這個(gè)信號(hào)是一個(gè)有值序列的向量。兩個(gè)離散信號(hào)的相關(guān)性可以用兩個(gè)矢量的點(diǎn)積
來估計(jì)。基于式
權(quán)利要求1.一種電力諧波檢測(cè)儀，包括用于檢測(cè)電壓信號(hào)的電壓傳感器(2)、用于檢測(cè)電流信號(hào)的電流傳感器(3)、存儲(chǔ)器(7)以及通訊模塊(9)，其特征在于:所述電力諧波檢測(cè)儀還包括用于采樣信號(hào)處理的信號(hào)調(diào)理電路(I)、鎖相環(huán)系統(tǒng)(4)、用于采集信號(hào)的A/D采樣電路(5)、用于數(shù)據(jù)處理的嵌入式處理器(6)、用于人機(jī)互動(dòng)的輸入輸出設(shè)備(8)； 一所述信號(hào)調(diào)理電路(I)包括順次連接的信號(hào)整理電路、電壓跟隨電路及濾波電路，信號(hào)整理電路的輸入端用于接收所采集的電壓、電流信號(hào)，濾波電路的輸出端分兩路，分別連接鎖相環(huán)系統(tǒng)(4)、A/D米樣電路(5)的輸入端； 一所述鎖相環(huán)系統(tǒng)⑷包括鑒相器(10)、濾波電路(11)、電平轉(zhuǎn)換電路(12)、函數(shù)發(fā)生器(13)，所述信號(hào)調(diào)理電路(I)輸出波形到鑒相器(10)的一個(gè)輸入端，鑒相器(10)的輸出端，經(jīng)濾波電路(11)、電平轉(zhuǎn)換電路(12)到函數(shù)發(fā)生器(13)，函數(shù)發(fā)生器(13)輸出方波(14)返回到鑒相器(10)的另一輸入端構(gòu)成鎖相環(huán)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力諧波檢測(cè)儀，其特征在于:所述電平轉(zhuǎn)換電路(12)包括依次相連的電壓跟隨電路與放大電路，電壓跟隨電路的輸入端連接濾波電路的輸出端，放大電路的輸出端連接函數(shù)發(fā)生器(13)的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力諧波檢測(cè)儀，其特征在于:所述函數(shù)發(fā)生器(13)包括具有多種波形輸出的振蕩集成電路與運(yùn)算放大電路，函數(shù)發(fā)生器(13)的輸入端與電平轉(zhuǎn)換電路(12)相連，函數(shù)發(fā)生器(13)的輸出端分兩路，分別連接A/D采樣電路(5)、鑒相器(10)的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力諧波檢測(cè)儀，其特征在于:所述嵌入式處理器(6)包括用于接收采集信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊、用于處理采集信號(hào)的分析模塊、用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的壓縮模塊、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ崱つK、用于顯示數(shù)據(jù)的展示模塊、用于設(shè)定權(quán)限的管理模塊。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種電力諧波檢測(cè)儀，包括電壓傳感器、電流傳感器、存儲(chǔ)器以及通信模塊，還包括用于采樣信號(hào)處理的信號(hào)調(diào)理電路、鎖相環(huán)系統(tǒng)、用于采集信號(hào)的A/D采樣電路、用于數(shù)據(jù)處理的嵌入式處理器、用于人機(jī)互動(dòng)的輸入輸出設(shè)備，本實(shí)用新型檢測(cè)設(shè)備滿足國(guó)標(biāo)諧波測(cè)試儀器精度要求，基波幅值誤差小于0.15%，諧波幅值誤差小于3%，系統(tǒng)頻率測(cè)量誤差≤0.01Hz，可進(jìn)行2～60次諧波測(cè)試。電路設(shè)計(jì)方面符合國(guó)際電子設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足低功耗，低輻射以及抗電磁干擾要求，對(duì)使用環(huán)境要求低。外觀方面著眼于手持設(shè)備，盡可能保證體積小巧，易于攜帶。設(shè)備帶有保護(hù)裝置，能夠防止因外界環(huán)境異?；蛉藶檎`操作而造成的設(shè)備損壞。
文檔編號(hào)G01R23/16GK203133168SQ20122069191
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者蔡秀珊, 高虹 申請(qǐng)人:浙江師范大學(xué)