掌上型单相电力谐波检测仪的设计

程 辉，杨克立

(1．河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191；2.中原工学院 工业训练中心，河南 郑州 450007)

各种半导体变流装置及功率开关器件在现代工业和人们生活中的应用日益广泛，在带来巨大效益与便利的同时，谐波干扰和无功增加的问题却日益严重，电力谐波治理已成为了一个被广泛关注的课题.虽然单相设备大多数容量不大，但数量却非常庞大，对电网的影响不可忽视，对单相谐波污染治理的关键是检测方法.但目前还没有一种公认的很成熟的方法.文献[1]提出的采用模拟带通滤波器的检测方法因误差大等不足现在已很少运用；文献[2-3]提出了瞬时无功功率谐波检测方法，虽谐波总量实时监测方便但各次谐波的检测却达不到要求；文献[4]提出了自适应谐波电流检测，虽具有良好的自适应运行能力但动态响应较慢；文献[5]提出的神经网络的谐波检测方法需要大量的经验数据对神经元进行训练，计算量大、实时性差，所以难以在工程上实现；文献[6]提出的小波变换分析还处于研究探讨阶段；文献[7]提出的傅里叶变换的检测是运用最广泛且相对较为成熟的方法，但会产生混叠、泄漏和栅栏效应，采用加窗插值算法可在很大程度上减少其影响.基于上述理论分析，结合单相电力的应用领域特征，设计一种能快速准确并实时检测电网中瞬态变换的谐波且使用简单、方便快捷的掌上型单相电力谐波检测仪必将会有良好的前景.

1 基于加窗插值FFT的谐波测量

加窗插值FFT算法可以很好地解决采用传统快速FFT算法处理信号过程中由于采样频率不是信号频率整数倍而产生的频谱泄漏现象[8]，是目前最为成熟先进的一种方法.一般电网主要含有整数次谐波且为方便频谱计算，本设计采用余弦Black-Harris的插值算法.

余弦窗的一般表达式为

(1)

式中，k是余弦窗的项数，N为一个周期内采样数据的个数.

余弦窗的特点是它的DFT表达式很简单，可以表示为狄里克来核的代数和

(2)

选用余弦窗的一个主要原因是它便于进行频谱计算，可以先对信号进行傅里叶变换， 然后在频域进行处理.

设采样间隔时间△t=1 s，则DFT的频率分辨率△f=1/T=1/(△t·N)=1/N.

不失一般性，对于单一频率信号可表示为

Xm(t)=Amej 2πfmt，

(3)

傅里叶变换后

(4)

可以得到其对应的频谱为

(5)

这一特点便于导出下面的插值方法.对于离散频谱，θ仅能取0～N-1的整数值.设fm在频率l△f和(1+l)△f之间，l为整数， 即

fm(1+λ)△f， 0≤λ<1.

(6)

则当λ<0.5 时,|X(l)|取得极大值；当λ>0.5时，|X(1+l)|取得极大值，并且由(4) 式得到

Xm(l+n)=AmD(n-λ)，n为正整数.

(7)

将式(7)代入式( 5) 中， 得到加窗信号的频谱在整数采样点的数值为

(8)

设定如下系数

(9)

式(9)中Xmw(l)和Xmw(l+1)是相邻的两个峰值点.由于通常N都取得较大(N≥1 024)且λ<1，故近似为

(10)

利用公式(8) 和(9) ，可求出取K=3，选用Black-Harris窗时插值点的准确λ值.将λ代入公式(8)，可得到准确的复振幅Am，从而求出准确的幅值|Am|和φm.

图1 设计方案图Fig.1 Design plans

2 系统总体结构设计

该系统采用模块化设计，包括模拟信号处理系统和外围数字处理设备系统，两者都由核心STM32F100VB ARM单片机完成信号运算传输控制.STM32F100VBT6采用ARM CortexTM-M3 32位RISC内核，工作频率为24 MHz，集成了高速嵌入式存储器以及各种增强外设和连接到两条APB总线的I/O.提供标准通信接口，特别适应与手持式设备及工业应用.谐波检测装置硬件的总体设计框图如图1所示.霍尔传感器检测单相电压和电流信号，经预处理及抗混叠滤波后，由AD采样转化成可供单片机处理的离散数据，然后单片机执行数据运算处理程序进行谐波分析，计算出各次谐波的数值并储存在RAM中，最后完成数据的实时控制显示或传输.

3 系统硬件设计

3.1 模拟信号处理系统

模拟信号处理系统包括电压/电流互感器、信号预处理、信号滤波及A/D转换等模块.锁相环跟踪锁定捕捉到的电网信号，产生同步脉冲，在一个周期内形成均匀的N个采样点，完成对电压电流信号的数据采集，并将A/D转换的结果写入RAM中，产生一个中断信号给单片机，请求读取数据.

3.1.1 信号采样及调理电路设计

采用互感器将大电量信号转变为小信号以降低干扰，并经过如图2所示的电路，处理后实现小信号的无失真放大，保证输入模拟滤波器的信号为±5 V的交流小信号.输出信号大小通过电位器R2进行调节.运算放大器选用的是低漂移、高精度的OPA4227.

由于互感器和采集电路的影响，输出的交流小信号中混有很多不需要的高频信号，本系统采用MAXIM公司的单片集成滤波器芯片MAX293来实现模拟地图滤波功能.该芯片是8阶低通椭圆形开关电容滤波器，采用输入时钟频率控制输出转角频率的方式来实现滤波，较高的阶次和陡的倾斜缘使其特别适合大通带、低失真和抗混叠滤波，DAC输出波形平滑且不需要另接外部电路，被广泛应用于高新电子产品和智能化仪器仪表中.该器件通频带可从0.1 Hz变化到25 kHz，完全满足测量带宽的要求，其接线如图3所示，芯片CLK外接一小电容产生时钟信号.本设计中所加入的信号预处理电路可将待测的电网电压电流信号很理想地转化为与A/D转换电路匹配的电量值，最终可获得准确的FFT运算结果.

图2 信号放大电路图Fig.2 Signal amplification circuit

图3 MAX293接线图Fig.3 MAX293 electric circuit

3.1.2 A/D转换电路

A/D转换采用MAXIM公司生产的高速集成芯片MAXIM125，它应用逐次逼近转换技术和4个同步采样/保持放大器、一个可编程序列发生器，可将同时采集的信号存放于4个14位的RAM，每个通道的转换时间为3 μs，其电路如图4所示.它有3条控制线CS，WR和RD，4条地址线A0～A3以及14条数据线，通过并行接口与单片机相连，完成通道选择、模数转换和数据读取，并具有上电复位和软件节电的功能.在本设计A/D转换的过程中，首先对A0～A3地址编程写入“1000”，设置通道选择CH1A和CH2A；之后第一次采集电压、电流数据并完成转换，芯片内部有一指针指向转换结果并根据所选通道命令自动移动指针；接着执行第二次采集与转换，将转换结果依次存于内部4个14位的RAM；待结束后，向单片机发出中断请求；中断响应完成数据传输后重复.

3.2 外围数字处理设备系统

外围数字处理设备系统主要包括键盘、显示、存储和通信模块，它们主要完成单片机处理后数据的存储、实时显示及历史查阅、数据通讯传输等功能，其电路如图5所示.S1～S4为4个操作按键的键盘模块，4个按键分别实现系统复位、数据上下翻页显示和通讯确认数据发送；系统设计选用了128×64液晶显示屏LCD12864来完成数据的中文及图形显示，J4为其接线端口，采用8位并口方式连接和5根控制线实现单片机对显示器的操作命令数据的传输，显示模块实现了采集实时数据、历史数据和工作模式的显示等；存储模块主要是对采集处理的大量数据进行保存，为此设计中单片机外接32 M的数据存储器，一片NAND FLASH芯片K9F5608 UOM，该芯片采用卡式封装非常适合作为外部存储器使用；通信模块主要完成单片机和PC机及USB设备的通信及数据传输, 系统设计选用了SP3232信号转换芯片完成通信电平转换，两根发送与接收数据线PB53和PB54与单片机相连，转换后的RS-232电平信号后由J4接线端口连接到PC的串口.

图4 与单片机接口电路图Fig.4 MAX125 electric circuit

图5 单片机外围电路图Fig.5 MCU peripheral circuit

图6 主程序流程图Fig.6 Main program flowchart

4 系统软件设计

本检测仪的软件是运用ARM公司的集Keil的μVISON IDE 环境与ARM编译器RVCT两者的优势于一体的开发工具MDK，利用其自带的强大实时操作系统RTX，采用标准C语言编程，由RealView编译调试和下载.程序采用模块化、结构化的设计思想，主要考虑便于移植，功能模块可以很容易地增加或删除.软件主要完成三大功能，一是完成数据采集，A/D转换后数据的运算和存储；二是接受键盘命令并执行及显示；三是可与上位PC机通讯和传输数据.系统在初始化后接收到数据就调用数据采集程序，将采集的数据进行软件滤波，利用FFT算法计算出各次谐波含量.快速傅里叶变换(FFT)是谐波测量算法的核心，各次谐波的幅值、相角等参数都采用FFT算法计算得出.系统软件的主程序流程图如图6所示.在主程序流程中，首先对M3单片机系统及引脚进行配置，在外部端口初始化时，将MAX125进行初始化写入控制字，启动转换等待数据，一旦检测到按键按下，即调用FFT算法进行谐波测试和数据存储并与上位机进行数据通讯.

5 实验结果

本系统对同步电机变频调速系统中A相电压通道的数据进行实时采集，每周波采样256点，即12.8 kbps，对采样到的数据连续进行6次FFT，然后取其3 s内的平均值，然后将计算所得数据进行谐波分析，最后将主要结果在LCD上进行显示，每3 s刷新一次，同时将采集的原始数据和分析结果发送到外部的非易失性存储器中，以便进行数据分析.可以分析n次谐波有效值、n次谐波相角、基波有功功率、基波无功功率、n次谐波含有率、总谐波含量和谐波总畸变率等各项电网参数.其中，n为整数且n>l.用该系统和标准表检测同一单相电压的数据如表1所示.

表1 实验数据Tab.1 The experimental results

6 结语

便携式单相电力谐波检测仪采用了改进的加窗插值FFT算法，并对数据采集转换进行了优化设计，利用快速、高效的STM32F100VBT6单片机实现算法并进行数据运算处理.结果表明，对电力谐波检测达到了实时性、快速性和高精确度的优点，为下一步电网谐波治理提供了关键的技术参考，而且人性化、便携式的设计也使得其必将会有良好的市场前景.

参考文献：

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