专利名称：实时电能质量综合分析仪的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型涉及实时电能质量综合分析仪，尤其是包括采样分析计算电网频率的电能质量综合分析仪。
二背景技术：
频率质量是衡量供电电网电能质量问题的重要指标之一。随着电力电子技术的发展，一方面非线性器件和设备得到越来越广泛的应用，电网的波形畸变越来越严重，谐波含量也显著增加；另一方面随着各种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量的要求越来越高，因此有必要对电网的谐波等电能质量的指标实行监测和控制。目前尚没有一种实时的采样分析计算电网频率的电能质量综合分析仪。当然，总电压幅度，电流幅度，可算出有功、无功功率，视在功率等参数也非常重要。
三
发明内容
本实用新型的目的是提出一种采样分析计算电网频率的电能质量综合分析仪。本实用新型能采样分析计算电网频率，同时得到总电压幅度，电流幅度，可算出有功、无功功率，视在功率等。
本实用新型目的是这样实现的实时电能质量综合分析仪，其特征是包括DSP处理器、电流和电压的三相输入端、A/D转换电路、RAM电路，滤波整波和计时电路构成，电网的A、B、C三相电压和电流信号六路信号经传感器采样后变换成幅度合适的电压信号，高精度A/D分别进行采样和数据转换，输入DSP，滤波整波电路经计时电路后亦输入DSP处理器，由DSP处理器利用快速傅立叶变换(FFT)算法进行信号采样的离散序列的频谱分析，从而计算出电网频率，信号的各次谐波，并进一步利用计算结果进行有功、无功功率等其他计算。通过接口与PC机通信，由PC机上的高级软件进行数据显示、存储、打印等操作，实现虚拟仪器的功能。
本实用新型的改进是DSP处理器预留了I/O口，其输出连接保护继电器，根据计算结果和预设的阈值给出出口信号，直接控制保护继电器的动作。
本实用新型的原理和工作过程电能质量实时综合分析仪对电能质量的某些指标参数的监测作用，对电网的A、B、C三相电压和电流信号六路信号变换成幅度合适的电压信号，用高精度A/D分别进行采样和数据转换，DSP处理器TMS320F206利用快速傅立叶变换(FFT)算法进行信号采样的离散序列的频谱分析，从而计算出信号的各次谐波，并进一步利用计算结果进行有功、无功功率等其他计算。由于预留了I/O口，可以根据计算结果和预设的阈值给出出口信号，直接控制保护继电器的动作。
1.原理电力输电线路中的电压和电流并不是理想的50Hz正弦信号，受非线性负载的影响，电网的波形会发生畸变，畸变后仍然为周期函数，并满足狄里赫利条件，可以用傅立叶级数法来把电压和电流分解成一系列基波和谐波的叠加。
u(t)=U0+Σn=1∞Unsin(nωt+αn),]]>i(t)=I0+Σn=1∞Insin(nωt+βn)]]>式中，U0、I0为电压、电流的直流分量，Un、In为各次谐波幅度的峰值。αn与βn之差为谐角。
对电网的周期连续时间信号进行实时采样，对离散的采样序列用FFT算法进行时频域转换，可以很方便的分析基波和各次谐波的幅度和相位情况，实现谐波的监控。另外，电网中每一路的相电压和相电流之间存在相位差，对电压和电流信号同步采样并进行FFT变换，就可以算出各次谐波的谐角，准确的测出各次谐波的有功和无功功率。事实上，FFT算法是计算电网有功无功最准确的方法。而对于FFT计算来说，如果采样数据集的端点不连续，计算时就需要引入窗函数，从而增加计算的繁琐程度。而在满足相关采样原理，采样的数据点集正好为整周期的情况下，采样数据集两端点连续，就可以把采样信号序列看成无穷的周期信号，使FFT计算变得简单。满足相关采样原理的采样方法应满足如下公式。
MN=FTFS]]>此处 M采样周期数，必须为奇数。
N总采样点数，例如对于基2的FFT算法必须为2的幂。
FT输入模拟信号的基波频率。
FS采样频率。
FFT蝶形算法本身要求采样点数值为2的幂时，计算最快；为获得最佳测试效率和减少测试时间，M和N要求不可约分。事实上，我们计算时取的M＝1，N＝1024，即每周期实现1024点采样，这样采样频率为基波频率的1024倍。由于受到负载的影响，电网频率并不是固定的50Hz，会在50Hz左右上下波动。因此在硬件实现上，不可以用定频采样，而是要根据电网的频率实时调整采样频率。
FFT算出各次电压电流谐波的复数表示，因此包含了电压和电流的幅度和相位信息。Ui＝Ui∠φi，I＝Ii∠φi，则总电压幅度U2=U02+Σi=1Ui2,]]>电流幅度I2=I02+Σi=1Ii2,]]>可以由此再算出有功、无功功率p＝∑Re(UiIi)，Q=ΣiIm(UiIi),]]>视在功率S＝UI。
高精度A/D分别进行采样和数据转换，输入DSP，滤波整波对电网频率进行取样后经计时电路亦输入DSP处理器，由DSP处理器TMS320F206利用快速傅立叶变换(FFT)算法进行信号采样的离散序列的频谱分析，从而计算出信号的各次谐波，并进一步利用计算结果进行有功、无功功率等其他计算。由于预留了I/O口，可以根据计算结果和预设的阈值给出出口信号，直接控制保护继电器的动作。
DSP处理器上运行的软件完成的功能如下控制A/D采样，进行FFT计算，计算有功、无功功率，谐波和功率监控并给出出口信号，通过接口向PC机传送计算的结果。
本实用新型的特点是1.实时性以往的谐波分析设备由于没有采用DSP处理器，运算执行时间太慢，所以其实根本没有对谐波的实时监测能力。我们现在要做的电能质量分析仪硬件上采用TEXAS公司的DSP处理器TMS320F206，DSP处理器由于运算速度快，是专门应用于数字信号处理的高速器件，可以快速的进行FFT计算，算出信号的频谱，从而实现真正的实时监测。
2.高精度我们的采用的A/D为高速14位max125，不但实现高速数据采集，而且实现了高精度的测量。
3.高可靠性以往的谐波分析设备设计上采用锁相环对基波倍频启动A/D转换，而锁相环电路的抗干扰能力差，电路的可靠性不够。计数分频也避免了锁相环的使用，可以大大提高设备性能的可靠性。而且5v的dsp芯片抗干扰能力强。
四

图1为硬件框图图2软件流程图图3为本实用新型电路图
五具体实施方式
DSP及PC机的硬件框图如图1所示，软件框图及流程图如图2所示。
如图3所示，本实用新型电路的核心处理器采用texas的16位定点DSP处理器TMS320F206，F206是一种广泛采用于工业控制的DSP处理器，最高工作频率40MHz，流水线深度4级，片内有两个16k的flash。A/D采用MAXIM的14位高速A/D 8通道max125，每一通道转换时间仅3μs。板上的电路主要以DSP处理器TMS320F206为核心，片外扩展了两片RAM CY7C199、NVRAM DS1644。外围电路包括A/Dmax125、计时电路82C54、液晶接口(JP2)部分、键盘接口(JP1)部分。GAL20V8产生外围片选信号。六路转换信号经运放输入A/D，其中一路经过滤波(max291)整形(max903)后接入82C54进行频率计数。DSP和PC机的接口电路为max232.74HC273接光耦为出口信号。
本实用新型有如下功能，测试频率偏差由于电网中负载的影响，电网频率会在50Hz左右上下波动，工频谐波分析仪可以准确的测试出电网的基波频率。
谐波分析谐波分析包括电压、电流谐波的计算和分析。
以往的谐波分析设备由于没有采用DSP处理器，运算执行时间太慢，所以其实根本没有对谐波的实时监测能力。我们现在要做的谐波分析仪硬件上采用DSP处理器，DSP处理器是专门应用于数字信号处理的高速器件，从而实现真正的实时监测。而高速高精度A/D的采用，不但很容易的达到每周波1024点的高速采样，而且测量精度至少可以达到1‰，也高于以往谐波分析仪的测量精度。
功率检测求出各次谐波后就可以进而进行有功、无功及视在功率的计算。利用FFT算法计算的电网的有功和无功功率测试是最准确的测试方法。我们要做的工频谐波分析仪的有功和无功功率计算精度至少能达到1‰。
谐波监控该工频谐波分析仪通过外接计算机，用高级软件对设备进行程控、数据交换和监控等。而且板上预留I/O口，外接出口继电器，可以通过设置实现谐波的监控功能。
电压三相不平衡由于电网的三相负载不平衡的原因，三相电压矢量之和并不为0。利用三相电压的基波和谐波幅度和相角可以计算出三相电压不平衡。
权利要求1.实时电能质量综合分析仪，其特征是包括DSP处理器、电流和电压的三相输入端、A/D转换电路、RAM电路，滤波整波和计时电路构成，电网的A、B、C三相电压和电流信号六路信号经传感器采样后变换成幅度合适的电压信号，高精度A/D分别进行采样和数据转换，输入DSP，滤波整波电路经计时电路后亦输入DSP处理器，由DSP处理器利用快速傅立叶变换(FFT)算法进行信号采样的离散序列的频谱分析，从而实时的计算出电网频率，信号的各次谐波，并进一步利用计算结果进行有功、无功功率计算。
2.由权利要求1所述的实时电能质量综合分析仪，其特征是DSP处理器预留了I/O口，其输出连接保护继电器。
专利摘要本实用新型公开了一种实时电能质量综合分析仪，包括DSP处理器、电流和电压的三相输入端、A/D转换电路、RAM电路，滤波整波和计时电路，电网的A、B、C三相电压和电流信号六路信号经传感器采样后变换成幅度合适的电压信号，高精度A/D分别进行采样和数据转换，输入DSP，滤波整波电路经计时电路后亦输入DSP处理器，由DSP处理器利用快速傅立叶变换(FFT)算法进行信号采样的离散序列的频谱分析，从而实时的计算出电网频率，信号的各次谐波，并进一步利用计算结果进行有功、无功功率等其他计算。本实用新型的特点是实时性强、精度和可靠性高。
文档编号G01R11/00GK2700889SQ20042002422
公开日2005年5月18日 申请日期2004年1月13日 优先权日2004年1月13日
发明者陈莉莉, 彭洲红, 张荆昀, 徐健健 申请人:南京大学