CN101957400A - 配电电能质量分析仪及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种配电电能质量分析方法，包括如下步骤：(1)将三相电流、电压分别进行电流变换与电压变换；(2)将前述三相电流、电压分别进行滤波，再进行AD转换；(3)计算前述各电流、电压的各次谐波量；(4)得到各次谐波的幅值、功率因数、各次谐波含量、谐波总畸变率、有功功率和无功功率。此种分析方法可实时测量三相电流、三相电压的相关参数，并进行分析处理，找出超标数据进行存储，确保电网稳定运行。本发明还公开一种采用前述分析方法的配电电能质量分析仪。

Description

配电电能质量分析仪及分析方法

技术领域

本发明属于用电领域，特别涉及一种可有效检测配电质量的分析仪器及分析方法。

背景技术

20世纪六七十年代以来，由于大功率变流设备和电子调压设备的广泛应用，大量家用电器普遍采用晶闸管以及其它各种非线性负荷，导致电力系统波形畸变日益严重，再加上竞争和充分利用电工材料，对电工设备日益倾向于采用在其磁化曲线临界情况下甚至在饱和区段工作，导致这些电力设备的励磁电流波形严重畸变，严重危及电力系统安全运行，从而使谐波问题倍受各国的重视和关心。在我国，随着经济的迅猛发展，电气化铁道的发展、化工、冶金、煤炭等工业部门中大量应用电力电子技术和引进国外的先进设备，以及在节能工程中电力电子技术的应用等等，在带来技术经济上一系列效益的同时，也使电网的谐波含量大大增加，电网波形畸变越来越严重。谐波对电力系统电磁环境的污染不仅危害系统本身的安全，而且对广大电力用户的危害面也是十分广泛。

为了保障电子设备的可靠运转，加速推广节能高效的电力电子技术的应用，亟需能够对电力系统中的谐波进行分析和测量的自动化装置，为了满足这种需要，本案发明人对谐波测量及分析装置进行深入研究，本案由此产生。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种配电电能质量分析仪及分析方法，其可实时测量三相电流、三相电压的相关参数，并进行分析处理，找出超标数据进行存储，确保电网稳定运行。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种配电电能质量分析仪，包括信号采样模块、计算模块、逻辑控制模块、存储模块和显示模块；信号采样模块采样三相电流、电压后，送入计算模块；计算模块对前述三相电流、电压进行数据处理后，在逻辑控制模块的控制下，一方面将计算结果送入显示模块进行显示，另一方面将超标数据送入存储模块。

上述信号采样模块包括电流变换器、电压变换器、滤波电路和ADC模块，三相电流、三相电压分别经电流变换器、电压变换器后，再经滤波电路、ADC模块，进入计算模块。

上述逻辑控制模块还连接有一通讯模块。

上述信号采样模块布设在一块电路板上，而计算模块、逻辑控制模块、存储模块和显示模块布设在另一块电路板上。

一种配电电能质量分析方法，包括如下步骤：(1)将三相电流、电压分别进行电流变换与电压变换；(2)将前述三相电流、电压分别进行滤波，再进行AD转换；(3)计算前述各电流、电压的各次谐波量；(4)得到各次谐波的幅值、功率因数、各次谐波含量、谐波总畸变率、有功功率和无功功率。

上述步骤(3)中，对各电流、电压进行FFT计算，具体步骤为：①把N点的实数输入信号序列充当复数输入信号序列的实部；②把输入的N个信号数据序列按位码倒置方式重新排列；③零化复数输入信号序列的虚部；④进行N点基数为2的复数FFT计算。

上述步骤②后，还用窗函数乘以输入信号数据序列。

上述步骤④后，还对计算结果进行频域振幅平方和的计算。

采用上述方案后，本发明通过采样三相电流、三相电压，并进行相关处理后，计算得出各次谐波量，从而得到各次谐波的幅值、功率因数、各次谐波含量、谐波总畸变率、有功功率和无功功率等相关参数，并与标准值进行比较后，一方面将比较结果进行显示，同时存储超标数据，具有以下优点：

(1)测量三相电流、电压的幅值，有效值，可防止电压过高对用电设备造成危害。用电设备设计在额定电压时性能最好、效率最高，但当电压偏离额定值时，其性能和效率都会降低，有的还会减少使用寿命，当电压偏差超过一定值时，会引起设备的损坏；

(2)鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定，包括对所有谐波源用户的设备投运时的测量；

(3)可对电气设备在调试、投运过程中的谐波进行测量，以确保设备投运后电力系统和设备的安全经济运行；

(4)可进行谐波故障或异常原因的测量，谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等；

(5)通过测量相位，有功功率，无功功率和视在功率的测量计算，可以优化配置电力设备，提高功率因素；

(6)通过测量检测出电力系统不稳定的原因，从而通过必要的手段，如继电保护，电网滤波，反馈控制等使电网稳定运行。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的系统框图；

图2是本发明较佳实施例中信号采样模块的结构示意图；

图3是本发明较佳实施例中计算模块与显示模块的外围接口图；

图4是本发明较佳实施例中逻辑控制模块的示意图；

图5是本发明较佳实施例中FFT模块的示意图；

图6是本发明较佳实施例中系统主程序的流程图；

图7是本发明较佳实施例中MMI主程序的流程图。

具体实施方式

参考图1所示，是本发明一种配电电能质量分析仪的结构连接框图，包括信号采样模块1、计算模块2、逻辑控制模块3、存储模块4和显示模块5，在本文所示的较佳实施例中，采用传统的主从式系统硬件设计，所述的逻辑控制模块3使用ALTERA公司的CPLD-EPM7128S来实现功能，而计算模块2使用具有强大的信号处理技术的DSP芯片，特别选用TI公司的DSP-TMS320LF2407A芯片。

信号采样模块

在本实施例中，信号采样模块1包括电流变换器11、电压变换器12、滤波电路13和ADC模块14，参考图2所示，三相电流、三相电压分别经电流变换器11、电压变换器12后，再经滤波电路13、ADC模块14，进入计算模块。

本实施例中采用的电压/电流变换器(PT/CT)为精密电压电流变换器，CT输入输出范围是交流6A/3.53V，PT输入输出范围是交流300V/3.53V。ADC模块14采用TMS320LF2407A内部的ADC模块，其转换位数为10位，满足本实施例最高精度等级的要求；同时，本实施例选用ADC模块14中的六路通道分别对三相电压和三相电流共六路同时采样。

另外，在本实施例中，还设计有同步锁相环电路，采用CD4046锁相环，其最高工作频率为1.2MHz。采用硬件同步法实现交流同步采样，用锁相环来实现频率跟踪电路的同步等间隔采样，锁相倍频电路由锁相环电路CD4046和计数分频电路CD4060组成，计数器接在锁相环VCO输出和比较器输入之间。

计算模块

计算模块2接收到采集的电流和电压信号后，对其进行FFT变换和其它相关的数学运算，充分发挥其运算能力强的特长。

另外，本实施例中还设置有许多外围接口电路，分别介绍如下：

(1)电平转换电路

由于DSP使用3.3V的电平，而系统内其它芯片的驱动电平多为5V，因此需要进行电平转换，数据总线电平转换采用TPS7333Q，7333Q是16bit或2X8bit的三态放大电平转换器件，采用3.3V供电，可以为3.3V CMOS电路和5VTTL/CMOS电路提供双向电平转换。

(2)时钟电路

本实施例采用外部时钟，在CLKIN连接一个20MHz的晶振。内部时钟发生器的工作模式，本实施例选择PLL模式。

(3)实时时钟(RTC)电路

时钟电路选用PCF8583，采用3.3V供电，接有备用3.0V电源，保证在装置断电后，时钟的正常走动。

(4)电源电路

本实施例需要的电源等级有+5V、-5V和3.3V。装置内有一开关电源，开关电源输入为单相交流220V电压(取自三相被测电压中的一相)，输出为双路隔离+5V电压，接线时，将一路+5V输出正负反接，作为-5V输出。DSP工作电源3.3V、1.8V通过专用的电源芯片来提供，这里选用PS767D318，其是专门为DSP设计的，采用5V供电，具有双电压输出3.3V、1.8V，输出电流范围0mA～1A可调。

(5)看门狗电路

为了提高系统的可靠性和精确性，保证系统在非正常时的自启动功能，设计了看门狗电路。MAX705作为电源管理芯片，内部有一个定时器，最大定时1.6秒。这里将WDI接DSP的XF引脚，其值由软件编程来改变，当软件进入死循环跑飞时，XF引脚的值将不能及时改变，当时间超过1.6秒时，就会产生复位。

(6)按键电路

在保证能完成各种功能的情况下，为了使操作简单，选用尽量少的按键数，本实施例中仅选用了4个，其名称及作用分别是：主菜单键：在任何时候按此键都能返回到主菜单页面，从而可以通过向上、向下键对其它功能进行选择；向上、向下键：(a)执行翻页的功能；(b)对数据进行修改、设置；确定键：(a)在主菜单中选定想要的功能项并按该键，能进入相应的页面；(b)对所要修改的数据，按此键能选定该数据，修改完毕后再按该键则存储该数据。

存储模块

(1)FLASH存储器

FLASH选用M29W404BT芯片，其访问速度为70ns，在DSP访问FLASH时需要设置3个软件等待状态，其存储容量为256Kx16bit或512Kx8bit，可以在掉电情况下，保存数据长达20年。

(2)EEPROM存储器

系统还有外扩一片512Kbit的JEEPROM，用来存储固定数据参数，如电压变比、电流变比、出厂时间参数、密码等。EEPROM采用ATMEL公司的11424，它是A1MEL公司新近推出的总线容量达512Kbit(64Kx8)的EEPROM。

(3)SRAM存储器

除FLASH和EEPROM以外，DSP处理器还外扩了一片64Kx16bitSRAM存储器，一半作为外部程序运行空间，一半作为外部数据空间。SRAM芯片选用IDT71V016SA15PH8。采用3.3V供电，其访问时间为12ns，数据线和地址线可以实现和DSP直接连接，中间无需设置软件等待时间或硬件缓冲器。

逻辑控制模块

在本实施例中，参考图4所示，采用CPLD-EPM7128S作为逻辑控制芯片，该CPLD兼容3.3V和5V电平，主要用作DSP与其它芯片之间的通讯控制和地址译码。由DSP的A15、IS、PS、DS信号经CPLD内部逻辑电路生成SRAM和FLASH存储器的片选信号。DSP的A2、A1、A0信号则形成其他外围接口芯片的片选信号，CPLD还需保证各器件不会在数据总线上产生冲突，即同一时刻只能有一个设备与DSP共享数据总线。

CPLD与DSP芯片之间的数据通信，也即双CPU通信的方式，采用共享存储器的方式即用双端口存储器来实现。两片CPU能同时访问共享存储器，两片CPU之间通过双口RAM实现高速的数据通信，芯片采用IDT公司的IDT7025-25。

CPLD(可编程逻辑器件)选用ALTERA公司的EPM7128AETC100-10。CPLD在整个电路中的逻辑控制包括：对DSP中断的管理，对DSP存储空间的选择和读写控制，对AD采样和采样数据传输的控制，对外部扩展存储器访问的控制，对LCD显示的控制，对键盘输入的响应控制，对通信接口的控制。

显示模块

显示模块5用于直观查询装置记录的各项不合格电能质量指标数据，液晶屏幕选用为128x64点阵液晶，蓝色背光显示，液晶显示电路采用MGLS12864T-HT模块，它是控制芯片为东芝公司的T6963C的128×64点阵的LCD。

液晶显示采用直接访问的方式，硬件接口电路如图3所示，将TMS320LF2407A的读写信号线通过CPLD与LCD的接口读写信号线相连，操作简单，时序由TMS 320LF2407A内部读写逻辑控制，由于液晶显示模块是TMS320LF2407A的一个慢速外设，要使两者的速度达到匹配，一种办法是利用TMS320LF2407A的内部等待状态发生器插入一定的等待周期，在不添加额外的硬件设备的情况下，能满足设备的要求，实际应用时加入2个等待周期就可以实现接口的速度匹配。另外一种办法就是在每条指令之间加入一定的延时，一般为1μs以上。图中R/W引脚的功能是主要控制数据总线缓冲器SN74LVC4245的传输方向。模块的V0端所接的电位器用于调节液晶显示的对比度。

另外，为了保证本实施例的正常可靠工作，针对干扰的来源以及它们引起的系统故障，在电路设计、电路板设计、隔离、退偶、接地、屏蔽等方面采取了以下措施：

(1)信号输入端加设RC滤波器，通过设置RC参数，只允许某一频带的信号通过，降低对干扰源频带的敏感性。在电源引脚输入端设滤波电容；

(2)整个系统电路板的设计上分成AD板和DSP板，把三相被测强电与数字电路部分分开，被测电压电流电缆平行布线而且短，有效地防止强电对系统的各种干扰；

(3)PCB板布线短而直，转弯的地方采用圆角线，而不使用90度的折线，尽量减少过孔，各个晶振、时钟电路尽量靠近芯片；

(4)正确处理“模拟地”与“数字地”：数字电路是非线性的，逻辑门的开关都会产生电流冲击，所以在数字地上高频扰动很强烈，与模拟地不能有共同路径或者环路，只应单点连接；

(5)在模拟信号的输入端，设置限幅电路；

(6)在软件上，使用看门狗来监视装置的运行状态，能有效的防止系统在不可预测的干扰下产生的程序运行紊乱，即程序“跑飞”。

根据硬件系统的设计方案，DSP主要完成被监测的电压、电流量的数据采集及其各次谐波量的计算，并将计算结果通过双端口传递给监控单元MMI。DSP系统的软件可以由主程序、定时采样中断服务程序、A/D转换结束中断服务程序、定时计算各量各次谐波中断服务程序构成，还要监测三相电流、电压的不平衡度、电压偏差、频率偏差、电压波动与闪变等功能。正常运行主程序结构如图6所示。

监控单元MMI主要完成接收DSP系统计算结果并当地存储或通过串口或网络与后台管理机通讯，在接收到DSP系统计算的各次谐波是数值后，进行越限判别，严重情况下可发生报警信号或跳闸信号。

MMI的另一个主要功能是完成人机联系。通过液晶显示器可以实时显示电压，电位的基波及各次谐波值，及装置发出的各种报警信号。通过面板上的键盘操作可以完成各种菜单的切换及有关越限参数的设置。监控单元MMI的软件框图参考图7所示，根据MMI所承担的任务，软件由定时中断程序，读取端口RAM数据中断服务程序和主程序构成。通过键盘操作和液晶显示器，显示可以完成以下功能：

(1)监测量谐波超标信息显示；

(2)测量零序电流，监视三相不平衡状况；

(3)交流采样：采集三相交流电压，电流，实现电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率的测量及显示；

(4)三相电压，电流波形及频谱的显示；

(5)进行交流采样有功电量、无功电量的累计及分时段电能累计；

(6)谐波分析：谐波电压、电流测量分析到20～40次；

(7)统计日电压、电流最大、最小值及发生时刻；

(8)终端电源失电后数据保存功能；

(9)数据存储3～12个月及数据显示；

(10)可以实时显示电压和电流的基波和高次谐波、各谐波相应于基波的百分比、总畸变率；基波及各谐波的有功功率、无功功率、功率因数等。电压总谐波畸变率THDU：THDU＝UH/U1×100％，电流总谐波畸变率THD：THD＝IH/I1×100％，其中，UH、IH为谐波电压、电流分量，U1、I1为基波电压、电流分量。

本发明还揭示一种配电电能质量分析方法，包括如下步骤：

(1)将三相电流、电压分别进行电流变换与电压变换；

(2)将前述三相电流、电压分别进行滤波，再进行AD转换；

(3)计算前述各电流、电压的各次谐波量；

(4)得到各次谐波的幅值、功率因数、各次谐波含量、谐波总畸变率、有功功率和无功功率。

在前述步骤(3)中，是利用FFT算法进行计算，以下进行详细说明。

(a)FFT算法及模块介绍

由于FFT是数字信号处理中的常用子程序，且工作量大，TI公司完成了用汇编语言实现FFT，并把源代码组成一个库，通过TI公司网站及其他途径提供给用户。用户在自己的工程应用中或者直接调用FFT库中的源代码，或者对源代码稍微做些修改而加以使用。

在离散傅立叶变换DFT公式中，输入信号序列是被当作复数序列看待的。复数DFT有两个N点的时域输入信号序列，变换后，产生两个N点的频域信号序列。

TI公司的FFT程序是按照时间抽取，且N点基数为2的FFT。TI公司的FFT库给出了复数和实数两种实现方法，并给出了128点，256点和512点的FFT的复数实现和实数实现计算模块。FFT库给出了汇编语言和C语言两种调用接口。

在类似于电力系统保护装置频谱分析这样的工程应用中，输入信号序列是实数。即使输入信号序列是实数，复数FFT程序仍可使用。一个简单的方法是让装置的输入信号序列充当复数序列的实部，让0充当复数序列的虚部。

TI公司在FFT库中提供的实数FFT程序模块如图5所示，其中Ipcbptr指针指向原始数据地址；winptr是窗函数指针，指向经过加窗后的数据存放的目的地址；magptr是幅值指针，指向存放幅值地址，此处所求的幅值仅是FFT变换结果的实部和虚部的平方和；normflat是归一化标志，normflag＝1则进行归一化。Peakmag指针指向最大幅值分量的地址；Peakfrq指针指向最大频率的地址。

(b)FFT计算的各个组成部分及计算流程

TI公司提供的FFT库，N点复数FFT计算可分为以下5个步骤或阶段：

①把输入的N个信号数据序列按位码倒置方式重新排列；

②用窗函数乘以输入信号数据序列，以减少频率泄露的影响；

③零化复数输入信号序列的虚部；

④N点基数为2的复数FFT计算；

⑤频域振幅平方和计算。

下面对步骤⑤进行讨论。

离散傅立叶变换DFT的结果X(k)一般是由实部X_R(k)和虚部X_I(k)组成的复数，即

X(k)＝X_R(k)+jX_I(k)

当完成以上步骤④之后，实际上只得到了X_R(k)和X_I(k)。为完成整个频谱分析，还要将FFT变换后的数据按照实部的平方加上虚部的平法，对得到的和再进行开方运算。事实上，对于求FFT变换后数据的最大值，不开方也可以找到最大值，且对功率谱的结果没有影响，所以实际的DSP编程就省去了开方运算。

还可以在前述步骤⑤的基础上对其开方，以求得振幅值，求得功率因数等值。

在进行开方运算时，采用调用QMATH库函数qsqrt()的方法。这样，在实际中进行FFT运算的步骤经调整后如下：

①把输入的N个信号数据序列按码位倒置方式重新排列；

②零化复数输入信号序列的虚部；

③N点基数为2的复数FFT计算；

④频域振幅平方和计算；

⑤频域振幅平方计算；

⑥计算幅值最大的也是基波的振幅和功率因数；

⑦电压物理值尺度变换。

(c)FFT编程中的重点说明

(1)数据的定标：为了防止数据的溢出，TI的FFTlib要求输入数据为Q15格式，所以要对数据进行定标。通过设定小数点在16位数中的不同位置，就可以表示不同大小和不同精度的小数。TMS320LF2407A属于16位的定点芯片，采用定点数进行运算，芯片中的16位数以2的补码形式表示，每个16位数用一个符号位(最高位)来表示数的正负，0表示数值为正，1表示数值为负，其余的15位表示数值的大小。不同的Q所表示的数不仅范围不同，而且精度也不相同。Q越大，数值范围越小，但精度越高；相反，Q越小，数值范围越大，但精度就越低。例如，Q0的数值范围是-32768到+32767，其精度为1，而Q15的数值范围为-1到0.9999695，精度为1/32768＝0.00003051。因此，对定点数而言，数值范围与精度是一对矛盾，一个变量要想能够表示比较大的数值范围，必须以牺牲精度为代价；而想提高精度，则数的表示范围就相应地减小。在实际的定点算法中，为了达到最佳的性能，必须充分考虑到这一点。

(2)输入数据的双边化：因为DSP的AD转换模块的输入范围要求为0～3.3V，所以前端电路将信号进行了单边化，但是由于本库中的计算输出值是信号频谱中能量最大值的频谱输出，因此，由于这个直流分量的存在，输出值将为0，所以必须对信号进行去除直流分量操作。本系统采用的方法是求出输入数字信号的平均值，然后将每个信号与此平均值做减法，最后得到的就是一个关于0对称的正负信号。

(3)程序运行时存储空间的配置：本程序中需要用到旋转因子的预存储，为了提高运算速度，我们采用如下的配置方式：装载时入口为程序存储器。运行时从数据存储器中运行。

(4)数据位倒序的获得：基于FFT运算的原理，要求输入的采样数据为位倒序排列。为了获得位倒序的数据，有两种方法，其一就是在采样的时候直接将采样数据存储为位倒序方式，可以通过FFTRACQ模块来实现。另一种方法就是调用函数FFTR-brev( )来实现，这种方法中，采样数据在采样程序中按照正常顺序存储，这样中断程序执行的代码就比较短，所以提高了执行速度。本实施例采用第二种方法实现。

(5)模块输出频谱的转换：由于本模块输出的是输入信号的频谱中份量最大的频率所对应幅值和它对应的频率数字值。因此要得到信号的频率值需要做以下转换：

fftf＝fs×fft.peakfrq/N

公式中fs是采样频率，N为采样点数，fft.peakfrq是FFTlib模块的输出值，经过这个公式转换，就可以得到信号的频率值。

根据FFT运算后所得到的各次实部和虚部，即可计算出各次谐波的幅值、功率因数、各次谐波含量、谐波总畸变率、有功功率、无功功率等。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种配电电能质量分析仪，其特征在于：包括信号采样模块、计算模块、逻辑控制模块、存储模块和显示模块；信号采样模块采样三相电流、电压后，送入计算模块；计算模块对前述三相电流、电压进行数据处理后，在逻辑控制模块的控制下，一方面将计算结果送入显示模块进行显示，另一方面将超标数据送入存储模块。

2.如权利要求1所述的配电电能质量分析仪，其特征在于：所述信号采样模块包括电流变换器、电压变换器、滤波电路和ADC模块，三相电流、三相电压分别经电流变换器、电压变换器后，再经滤波电路、ADC模块，进入计算模块。

3.如权利要求1所述的配电电能质量分析仪，其特征在于：所述逻辑控制模块还连接有一通讯模块。

4.如权利要求1所述的配电电能质量分析仪，其特征在于：所述信号采样模块布设在一块电路板上，而计算模块、逻辑控制模块、存储模块和显示模块布设在另一块电路板上。

5.一种配电电能质量分析方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将三相电流、电压分别进行电流变换与电压变换；

(2)将前述三相电流、电压分别进行滤波，再进行AD转换；

(3)计算前述各电流、电压的各次谐波量；

(4)得到各次谐波的幅值、功率因数、各次谐波含量、谐波总畸变率、有功功率和无功功率。

6.如权利要求5所述的配电电能质量分析方法，其特征在于：所述步骤(3)中，对各电流、电压进行FFT计算，具体步骤为：①把N点的实数输入信号序列充当复数输入信号序列的实部；②把输入的N个信号数据序列按位码倒置方式重新排列；③零化复数输入信号序列的虚部；④进行N点基数为2的复数FFT计算。

7.如权利要求6所述的配电电能质量分析仪，其特征在于：所述步骤②后，还用窗函数乘以输入信号数据序列。

8.如权利要求6所述的配电电能质量分析仪，其特征在于：所述步骤④后，还对计算结果进行频域振幅平方和的计算。

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