电网中交流电压谐波检测系统硬件设计

涂雪芹， 屈紫懿， 冯彩绒

（重庆电力高等专科学校电力工程学院，　重庆　400053）



电网中交流电压谐波检测系统硬件设计

涂雪芹， 屈紫懿， 冯彩绒

（重庆电力高等专科学校电力工程学院，重庆400053）

摘要：为进一步提高对电网中的谐波电压的精确测量，提出了一种交流电压谐波检测系统的硬件设计方法。主要对电压采样电路、波形变换电路、倍频锁相电路和A/D转换电路设计方法进行了详细的研究，同时还对最小系统以及显示电路也作了详细分析，最后对系统的主程序和中断服务子程序设计方案作了简要介绍。该设计为电力系统的交流谐波测量提供参考，具有一定的实用价值。

关键词：单片机；同步采样；谐波分析

电力作为一种主要的能源形式之一，已成为现代社会生产和生活必不可少的能源。虽然电力给人类社会带来了诸多便利，但随着各种电气设备带来的谐波干扰对电网的安全、稳定以及经济的运行形成了许多的危害，因此，谐波干扰给整个的电力系统带来了极大的负面影响[1]。目前，谐波干扰已被国内外行业组织确认为电网的一大公害，因此，对电网中的谐波问题研究已被国际社会所重视。谐波干扰是随着用电设备的多样化和复杂化而产生的。对谐波的抑制问题已成为国内外近年来众多科研工作者研究的热点。对谐波的检测能有效预防和消除安全隐患，提高电力系统用电设备的安全运行，因此，本文正是为检测谐波而设计的硬件检测系统，它能够检测交流电压的谐波分量，具有一定的精度，能够为电力部门提供一定的数据作为参考。

一、谐波算法分析

谐波算法是谐波检测中的一个重要问题，谐波检测算法对抑制谐波具有非常重要的作用。目前，谐波检测方法主要有以下几种：基于带阻滤波器或模拟带通检测[2]、基于傅里叶变换（FFT）的谐波检测[3]、基于神经网络和瞬时无功功率的谐波检测等[4-6]。虽然这些谐波检测方法取得了很好的抑制效果，但这些方法在实际运用中也表现出了许多不足和缺点。

目前，广泛应用于谐波测量仪器中的基本理论依据是傅立叶变换，FFT是近年来采用最多，而且应用最广泛的一种谐波测量方法之一。基于FFT在谐波检测中的优点，本文对谐波分量的计算正是应用傅立叶算法。

傅立叶变换的基本原理是从离散傅立叶变换到快速傅立叶变换的一种过渡算法。对于快速傅立叶变换算法，它是一种对长序列的DFT逐次进行分解成较短序列的DFT的快速算法。按照抽取方式的不同可分为DIF-FFT算法和DIT-FFT。基于本系统设计的实际出发，本文采用了时间抽取FFT算法，或者称为基2-FFT变换。它的主要原理可以参考文献[7,8]。

二、系统组成

本系统的硬件主要功能有：采用锁相环实现电压信号同步采集，将采集到的模拟信号通过AD转化为能够被单片机识别的数字信号，经过单片机进行数据处理，然后再由显示电路显示处理结果。系统总体结构如图1所示。

图中，电压互感电路将交流电网中的交流电压转化为电压信号，经过采样保持电路保持后，将电压信号送入AD输入端，因为当信号频率和采样频率不一致时，使计算出的信号参数不准确，无法满足测量精度的要求，所以利用数字式锁相器(DPLL)使采样频率信号频率同步，并由锁相倍频电路将信号倍频32倍，作为AD芯片的采样启动和读信号和实现同步采样，然后将AD转换的数字信号送入单片机进行FFT运算处理，最后通过按键控制，在显示电路上显示出最终结果。

图1　系统总体结构图

三、系统硬件设计

（一）主控电路设计

控制系统是系统的控制和数据处理的核心，电力系统交流电压谐波分析系统数据处理是本设计研究的关键。设计以Phillips公司的P89V51RD2微处理器为整个系统的控制核心,P89V51RD2是一款80C51微控制器，包含64kB Flash和1024字节的数据RAM。其构成的最小系统如图2所示。

图2　P89V51最小系统

图中，时钟电路的晶振频率采用20MHz。单片机的复位电路采用人工复位方式，当按下开关时，就在RST端出现一段时间的高电平，即使单片机复位。

（二）电压采样电路设计

本设计中采用HGV-01电压互感器，它是一个电流型的电压互感器，电压采样电路如图3所示。

图3　电压采样电路

由于额定交流电压为220V，考虑到其测量差量为20%，故输入的最大电压有效值约为270V，电流互感器的工作电流设为1mA,可得R0=Vmax/1mA= 270kΩ。

选AD转换器的输入最大值为10V输入端，由于互感器副端工作电流为1mA,故其转换电压所需电阻为

(三)波形转换电路设计

波形变化电路主要实现将正弦波转化为可以进行倍频的脉冲波。为满足AD启动、读信号和单片机信号的要求，所以将输入的正弦波信号变换为一个‘0’或‘5v’的脉冲波，为避免了过零点干扰，采用滞回比较器实现。波形转换电路如图4所示。

图4　波形转换电路

该电路中的波形转换电路采用的是一个滞回比较器，输出波形变化取决于输入电压Vi与门限电压的比较，现在就来计算一下上述电路的门限电压。由于电压输出的上限值为VOH=+5.6V下限值为VOL= -5.6V，根据门限电压计算公式得式（1）和式（2）：其传输特性如图5所示。

图5　波形转换电路传输特性图

（四）同步锁相倍频电路设计

根据设计要求，设计的锁相倍频电路如图6所示。

图6　锁相倍频电路

从14脚输入一个周期的方波，4046的4脚测出有32倍频的方波输出。这样就得到同步采样一周期的32个采样信号。这样就将方波经由锁相倍频电路放大32倍做为AD574的启动、读信号和单片机的外部中断的响应数字信号。这部分的实现是本设计得以实现同步采样的关键所在。

（五）A/D转换电路设计

本设计中采用了美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容元件即可构成一个完整的A/D转换器。由于本设计要求采样数据分辨率≤1/255，所以AD574A能够满足本系统的设计要求。本设计是将采样电压的模拟量转换为数字量，其采样和读取由同步信号控制，采样完成后同步信号至单片机中断，由单片机读取数据并做相应的处理。AD574与单片机的连接如图7所示。

图7　AD574A与单片机的连接图

设计中A/D的CE接“+5v”，CS直接接地，12/8脚接地采用八位输出，图中A0接P27口,和由锁相倍频电路输出的同步信号来控制。由于R/C和的信号是相反的，所以当INTO边沿触发响应中断时R/C为读；当处于高电平不中断时AD处于转换。这样正好解决了数据转换与单片机读取之间的冲突。

（六）液晶显示电路设计

在本次设计中，显示部分我们采用了液晶显示模块12864J，使用液晶能够更加形象直观的显示数据处理结果。显示模块与单片机的连接中，D/I接P25，R/W接P26，使能端信号由读写信号产生，左右半屏选择信号CS1和CS2分别接P21和P22，以便能够对左右半屏分别做不同的显示操作，至于模块的复位端，由于模块一直在工作中，所以直接接高电平，不使其复位。单片机与液晶模块的连接如图8。

图8　单片机与液晶模块连接电路

硬件连接应该注意，液晶显示模块的18脚能够产生一个-10V的电压，所以液晶模块的3脚显示驱动电压不要外接电压驱动，应由18脚分压提供，若外接-10V电源，就会将液晶模块烧毁。在系统的设计中，P89V51的P0口负责与液晶模块传输数据，P1读取AD转换的数据，P21、P22连接液晶模块的左右半屏片选CS1和CS2，P27和P28作为按键数据口使用。

四、软件设计

（一）系统主程序设计

主程序就是将单片机初始化，设置中断，存储32个采样数据进行FFT算法处理，数据处理完成后再判断按键的键值情况，根据键值的不同液晶显示页面显示不同的谐波值，主程序流程图如图9所示。

图9　主程序流程图

（二）中断服务程序设计

中断服务程序主要是把数据从A/D读到单片机，在此次系统中每周期采样32个点，所以中断程序的功能就是存储32个采样点，采样点存储完成后就关闭中断，返回执行主程序。中断服务程序流程图如图10所示。

图10　中断服务程序流程图

五、结论

针对电网中存在的电压谐波干扰问题，本文提出了一种交流电压谐波检测的硬件设计方法。首先简要介绍了谐波算法分析方法，然后对检测系统的总体设计框图进行了分析。重点介绍了各组成部分电路的具体设计方法，包括最小系统设计、电压取样电路、波形变换电路、同步锁相倍频电路、A/D转换电路以及液晶显示电路等。最后，在硬件电路设计的基础上，对系统的主程序设计和服务中断子程序设计做了简单介绍，本系统对电网中的电压谐波干扰的检测有一定的应用价值。

参考文献：

[1]廖建庆.便携式电网在线检测仪设计[J].电力系统保护与控制,2010,(19).

[2]尹靖元,金新民,等.基于带通滤波器的LCL型滤波器有源阻尼控制[J].电网技术,2013,(8).

[3]房国志,杨超,等.基于FFT和小波包变换的电力系统谐波检测方法[J].电力系统保护与控制,2012,(5).

[4]涂永昌,刘建功,等.基于瞬时无功功率理论的谐波检测改进算法研究[J].现代电子技术,2013,(3).

[5]张谦,王好娜,等.滤波器-神经网络的谐波检测方法[J].电力系统保护与控制,2011,(12).

[6]肖建平,李生虎,等.一种新的基于神经网络的电力系统谐波检测方法研究[J].电工技术学报,2013,(2增).

[7]李橙橙.基于FPGA的FFT算法设计与实现[D].西安电子科技大学,2014.

[8]王华英,于梦杰,等.基于快速傅里叶变换的四种相位解包裹算法[J].强激光与粒子束,2013,(5).

（责任编辑：袁媛）

中图分类号：TN98

文献标识码：A

[文章编号]1671－802X(2016)02－0037－05

收稿日期：＊2016－02－01

作者简介：涂雪芹（1976-），女，四川广安人，硕士，讲师，研究方向：电力系统分析及检测。E-mail:ndsyxsg@126.com.

A Hardware Design of AC Voltage Harmonic Detection System in Power Grid

TU Xue-qin,QU Zi-yi,FENG Cai-rong

(Department of Electric Power,Chongqing Electric Power College,Chongqing 400053,China)

Abstract:To further improve the measurement accuracy of harmonic voltage in power grid,a hardware design of an alternating voltage harmonic detection system is presented.The design methods of voltage sampling circuit,a waveform conversion circuit,multiplier PLL circuit and A/D converter circuit are studied in detail.In addition, the smallest systems and display circuits are analyzed.Finally,the main program and the interrupt service subroutine system are introduced briefly.This design provides a practical reference for harmonic measurement of the AC power system.

Key words:microcontroller;simultaneous sampling;harmonic analysis