CN105548697A - 一种电力系统谐波检测装置及谐波检测方法 - Google Patents

Abstract

一种电力系统谐波检测装置及谐波检测方法，它涉及一谐波检测装置及谐波检测方法。本发明的目的是为了解决现有技术中的电力系统谐波检测装置检测效果差，检测精度低，成本高的问题。本发明电压互感器和电流互感器的输入端连接电网，电压互感器和电流互感器的输出端均连接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端通过数模转换模块连接DSP控制器，DSP控制器的输出端通过通信模块连接ARM处理器。本发明不仅得到了比较准确的总谐波畸变率，还得到精确的各次谐波含有率。

Description

一种电力系统谐波检测装置及谐波检测方法

技术领域

本发明涉及谐波检测装置及谐波检测方法，具体涉及一种电力系统谐波检测装置及谐波检测方法，属于电力系统谐波分析技术领域。

背景技术

随着社会的不断进步和经济的高速发展，人类的生产生活水平得到了极大的提高，电力系统中各种型号的电机、整流装置、电弧炉和交直流变流设备等非线性负载以及冲击性负载的不断增加。这些非线性负载在电网中随机地组合运行，造成了电流、电压波形的严重畸变。在畸变的电流、电压波形中，不仅存在频率与供电电源相同的正弦量，称之为基波分量，还出现了频率是基波分量频率的整数倍的一系列正弦分量，这一系列分量就是电力谐波。

谐波使电能的生产、传输和使用的效率降低并对周围的电磁环境产生危害。在发电过程中，使旋转电机产生附加功率损耗和发热、产生脉动转矩和噪声；在传输的过程中，可引起电力系统串并联谐振，使谐波含量得到进一步的放大，造成电容器设备烧毁，而且谐波电流在变压器中造成损耗并附加发热，降低了变压器的负载能力；在使用的过程中，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，发生故障或烧毁，使用寿命缩短，对继电保护或自动控制装置产生干扰，造成误动或拒动，还干扰仪表和电能计量，造成较大误差。

因此，深入地研究电力系统谐波问题，消除谐波污染，把谐波含量控制在允许范围内，对供电系统的安全经济运行，电力系统的保护以及电气设备的安全运行有重大意义。

然而，我国的谐波检测装置还存在不少问题，如：多数检测装置的基本功能只停留在对持续性和稳态性谐波的检测上，对暂态的谐波不能准确定位；实时检测装置尚处于试点阶段，离成熟推广还有相当距离。因此对电力系统的谐波检测远未做到实时、全面，而且检测装置适用范围窄，检测成本高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的一种电力系统谐波检测装置检测效果差，检测精度低，成本高的问题。

本发明的技术方案是：一种电力系统谐波检测装置，包括电压互感器、电流互感器、信号调理电路、数模转换模块、DSP控制器、ARM处理器和通信模块，电压互感器和电流互感器的输入端连接电网，电压互感器和电流互感器的输出端均连接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端通过数模转换模块连接DSP控制器，DSP控制器的输出端通过通信模块连接ARM处理器。

所述一种电力系统谐波检测装置包括液晶显示器和键盘，所述液晶显示器和键盘均与ARM处理器建立连接。

所述一种电力系统谐波检测装置包括电源电路，所述电源电路包括电源调理模块和电源开关，电网通过电源开关连接电源调理模块，电源调理模块分别连接DSP控制器和ARM处理器。

所述信号调理电路包括转换电路和转换电路和箝位电路，所述转换电路的输入端为信号调理电路的输入端，箝位电路的中点为信号调理电路的输出端。

基于所述一种电力系统谐波检测装置的谐波检测方法，先将采集到的周期交流量进行FFT运算，经FFT运算后得到相应的频谱，根据频谱确定周期交流量中的频率成分，然后由包含的频率成分，确定需要分解的高频段，最后运用小波包进行分解与重构，得到无频谱泄漏的各次谐波分量，实现对谐波的检测。

所述小波包分析方法包括以下步骤：

第一步是对周期交流量进行分解，得到基波和各次谐波分量在相应的尺度空间上的系数；

第二步是根据基波和各次谐波分量在相应尺度空间上的系数，重构出基波信号和各次谐波信号，从而实现对谐波的检测。

本发明与现有技术相比具有以下效果：选用ARM+DSP的双核构架，ARM实现对外设的管理与控制；DSP完成数据的采集与分析处理。并以此为核心，对检测装置的信号变换电路、信号调理电路、数据采集电路、数据存储电路、HPI通信电路以及键盘显示电路的进行了设计，从而使得检测装置在完成对电力系统谐波信号检测的同时，也对检测结果进行显示和储存，实现了检测结果的再现。本发明的方法解决了FFT算法存在的频谱泄露和柵栏现象以及对暂态谐波信号不能定位的问题；与小波包分析法相比，只对感兴趣的高频段进行多分辨率分析，降低了算法运算的复杂度，提高了谐波检测实时性。本发明的谐波检测方法利用FFT优异的幅频特性，对电力系统谐波进行识别，再利用小波包优异的时频特性，对谐波发生和结束的时刻进行准确定位，这样不仅得到了比较准确的总谐波畸变率，还得到精确的各次谐波含有率。

附图说明

图1，本发明电力谐波检测装置的结构框图；

图2，本发明信号调理电路示意图；

图3，本发明电源电路示意图；

图4HPT304典型应用电路示意图；

图5HCT204典型应用电路示意图；

图6，本发明小波包分解示意图；

图7，本发明小波包分解算法图；

图8，本发明小波包分解过程示意图；

图9，本发明小波包重构过程示意图；

图10，本发明的稳态谐波信号仿真图；

图11，本发明的暂态谐波信号仿真图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式，本发明的一种电力系统谐波检测装置，包括电压互感器、电流互感器、信号调理电路、数模转换模块、DSP控制器、ARM处理器和通信模块，电压互感器和电流互感器的输入端连接电网，电压互感器和电流互感器的输出端均连接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端通过数模转换模块连接DSP控制器，DSP控制器的输出端通过通信模块连接ARM处理器，如图1所示。

本实施方式的ARM部分以ARM7TDMI-S核的LPC2132处理器为核心，其采用了三级流水线技术，增加了64位乘法指令，支持片上调试以及1个8路的PWM通道、10位ADC、10位DAC、多个32位定时器、多达9个边沿或电平触发的外部中断、47个GPIO，使其特别适用于控制应用。DSP选用的是TI公司的TMS320C6203B，其采用了VLIW的体系结构，多个功能单元并行工作，大大提高了数据的处理速度，C6203B完成1024点的定点FFT运算的时间只要66微秒，比传统的DSP要快一个数量级，可以利用C6203B提供了的主机接口(HPI)与ARM处理器的通信，实现了系统的数据传输。

电力系统中，为了有效地传输电能，通常采用交流的高电压，大电流回路将电力送往用户。但是输电过程中的电压、电流信号对检测装置中的ADC来说都是高电压、大电流，无法进行采样。在对电力系统进行检测之前，就必须要对电压、电流信号进行变换。这部分硬件电路设计的好坏，直接影响着谐波检测的精度。在本设计中应用互感器将高电压和大电流信号变换成适合ADC采集的电压信号。互感器的作用就是将一次系统的高电压和大电流信号按比例准确地变换到二次侧便于用仪表直接检测的数值。互感器的性能将直接影响谐波检测的准确性。在本设计中，分别采用HPT304精密微型电压互感器和HCT204电流互感器获取电网信号，由于互感器相移较小，不需要实施补偿。电压、电流互感器的典型应用电路分别如图4和图5所示。

HPT304是一种电流型的精密电压互感器，输入输出电流比为1：1，一次回路最高输入电压为1KV，额定电流是2mA，互感器可以工作在10mA以下的任一点。在电路中，被测电压信号Vin经过限流电阻Rin在一次边产生电流，经过互感器在二次边产生大小相同的电流，经过运放得到输出电压。通过AD采集输出电压，就可得到被测电压信号的波形和被测电压信号的大小。

HCT204是专门针对不方便使用运放的场合设计的一款精密电流互感器，不需要运放，直接接采样电阻就可产生峰值不高于5V的电压信号。在电路中，被测电流信号流过一次边，经过电流互感器在二次边产生相应比例的小电流，小电流进过采样电阻R，产生电压。根据产生的输出电压Vout，就可得到被测电流信号的波形和被测电流信号的大小。

本实施方式的数模转换模块采用的是TI公司推出的ADS8364，ADS8364共有A、B、C三组六个模拟输入，每个外部模拟信号都以差分的形式输入外部输入，模拟信号经差分引脚输入后，为确保具有六个通道可以同时进行采样，必须都经过一个采样保持器器(S/H)，然后进入16位的ADC将模拟信号转换为数字信号，转换后的信号送三态数据输出寄存器输出。

ADS8364参考电压设计：

在ADS8364参考电压的设计中，可以选用外部电压作为参考电压，也可以选用内部电压作为参考电压，选用的参考电压，必须保证外部电压受外界影响较小，非常稳定。由于在本系统中是高精度的数据采集，这对AD转换器的参考电压比较高，故采用外部专用参考电压芯片产生稳定参考电压输入到ADS8364的REF_IN引脚。ADS8364的外部参考电压输入范围为1.5V～2.6V，分别可以测量峰峰值为3V～5.2V的模拟输入信号。在本设计中，电压、电流互感器将电网信号变换成低压小电流信号后，经调理电路调理为0～5V的单极性模拟信号，故选用可产生参考电压为2.5V的专用芯片REF192。REF19X系列专用参考电压芯片与一般的参考电压芯片不同之处是有睡眠模式，并具有低功耗、精度高以及输出电流大等特点。

ADS8364接口电路设计：

本系统采集的是高速数据，因而对输入的模拟信号的特性要求比较高，虽然单端输入的方式比较简单，但其抗噪能力较差，为了尽可能地减少噪声以及电磁干扰，本系统需要采用差动输入的方式输入模拟信号，而ADS8364的模拟信号的输入就是采用差分输入的方式，符合本系统的设计要求；同样在高速采集数据的时候，也需要稳定的时钟源，本设计利用DSP处理器定时器的输出功能，输出稳定的时钟信号接入CLK引脚。

在实际应用中，高速AD普遍存在启动时间较长的问题，没有采用禁止采样时钟的方式来禁止数据的输出，而是通过片选引脚来禁止数据输出，当采样的数据达到检测系统的要求时，DSP输出禁止信号，将引脚置高，这样处理器将不再接收到ADC的转换数据；ADS8364的采样频率是由DSP的定时器输出信号TOUT0提供的，这样可以根据实际的需要来改变采样频率，增加了AD采样的灵活性；当转换的结果被存入寄存器时，ADS8364的引脚会输出半个时钟周期的低电平，此时DSP只要置和引脚为低，就可通过外部扩展总线接口XBUS读入数据，而输出数据的逻辑电平由BV_DD引脚控制，在本设计中，为了便于调试和获得较快的转换速率，ADS8364与C6203B采用硬连接的连接方式。

TMS320C6203B中的HPI是一个16位的并行端口，共28根信号线，16根数据线，12根控制线，可以实现高速并行数据的传送，其包含多个选通、控制信号，可以与各种类型的控制器连接，而且数据传输方式简单。主机通过HPI可以直接访问DSP片内的所有存储空间，HPI接口功能如表1所列。

表1HPI接口信号及其功能

在本系统中，TMS320C6203B通过主机接口(HPI)将经过运算、分析后的数据传输给ARM控制器，供ARM处理器显示并进行相应处理。在进行HPI通信时，应先设置好控制寄存器，然后将要读写的地址写入地址寄存器，DSP接到地址后，将该地址内的内容送入数据寄存器，最后主机读取数据寄存器内的内容，完成一次数据的读写。HCNTL[1:0]这两个引脚的状态决定对目前正在读写的寄存器。寄存器和这两个引脚的对应关系如表2所示。

表2HPI寄存器选择方式

C6203B通过HPI接口与主机LPC2132相连时，LPC2132只需2根控制线就可以访问HPI的控制寄存器、数据寄存器和地址寄存器，再通过这三个寄存器之间的配合，不仅可以直接访问C6203B片内所有的存储空间，还可以访问其映射的片外存储设备，最终实现了谐波分析结果在液晶显示器上的显示。

所述一种电力系统谐波检测装置包括液晶显示器和键盘，所述液晶显示器和键盘均与ARM处理器建立连接。

液晶显示模块电路：

在检测装置中，不仅需要简单明了地将必要的信息量显示出来，还要求显示检测出的各次谐波的波形图，这就要求系统的显示模块在能够显示一定数量的汉字,包括汉字菜单的基础上，还应能够实现图形显示与刷新。

根据这一要求，本装置选用了香港精电公司点阵图形液晶显示模块，型号为MGLS－640128A，这是一款内置T6963C控制驱动器的图形液晶显示模块，其通过硬连接的方式设置了显示窗口的长度和宽度以及数据传输的模式，还配置了行驱动器和列驱动器以及显示缓冲去RAM的接口，大大提高了显示的速度，能够较好地满足系统的要求。

对液晶模块控制器T6963C进行软件操作时，要设置好STA0～STA7这七个状态字，而且每一次对其进行操作之前都要进行判“忙”，只有仅有在控制器处于“不忙”的状态下，操作才是有效的。STA0～STA7有不同的应用场合，不同时有效。在进行一次写指令或者是读写数据时，STA0和STA1要同时为1才有效，即控制器处于“准备好”的状态，可以进行数据的读写；当进行数据自动读/写时，STA2和STA3取代STA0和STA1，同样此两位为1表示处理器可以进行数据的自动读写。STA6是用来判断控制器进行屏读或屏拷贝时的执行情况，为0表示屏读或者屏拷贝成功，反之失败；STA5表示控制器内部运行状态；STA7表示显示状态，为1时正常显示，为0表示关显示。

MGLS-640128A与LPC2132连接方式采用直接连接方式，D0～D7直接与P1.16～1.23连接，RD、WR、C/D以及CE直接接到P0.27～P0.30，Reset直接接到P1.24，P1.25通过一个三极管连接到背光负极，可以通过程序控制背光时间。VEE为液晶显示驱动电压，直接连接10K电位器接地，调整电位器阻值可以对显示对比度调节。

所述一种电力系统谐波检测装置包括电源电路，所述电源电路包括电源调理模块和电源开关，电网通过电源开关连接电源调理模块，电源调理模块分别连接DSP控制器和ARM处理器。

所述信号调理电路包括转换电路和转换电路和箝位电路，所述转换电路的输入端为信号调理电路的输入端，箝位电路的中点为信号调理电路的输出端，如图2所示。

基于所述一种电力系统谐波检测装置的谐波检测方法，先将采集到的周期交流量进行FFT运算，经FFT运算后得到相应的频谱，根据频谱确定周期交流量中的频率成分，然后由包含的频率成分，确定需要分解的高频段，最后运用小波包进行分解与重构，得到无频谱泄漏的各次谐波分量，实现对谐波的检测。

如图6和图7所示，所述小波包分析方法包括以下步骤：

第一步是对周期交流量进行分解，得到基波和各次谐波分量在相应的尺度空间上的系数；

第二步是根据基波和各次谐波分量在相应尺度空间上的系数，重构出基波信号和各次谐波信号，从而实现对谐波的检测。

FFT变换原理

对一函数f(t)，如果其绝对可积，即只有第一类间断点，只有有限个极值，并且满足狄里克莱条件，则就可对其进行傅里叶变换。如果一个波形可以分解成多个不同频率的正弦波之和，而且这些不同频率的正弦波线性组合可以恢复出原信号，那么这个波形的傅里叶变换就可以确定了。这就是本方法中，利用FFT进行谐波检测的基础。在数学上，傅里叶变换可表示为：

$\hat{f}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}f\left(t\right)e^{-i\mathrm{\λ}t}dt$

这里的f(t)是给定的，认为其是可以被分解成多个正弦函数之和的波形。称为f(t)的傅里叶变换，通常记为，式中的F被称为傅里叶算子。如果把λ看成频率变量，t看成时间变量，就被称为谱函数，它的模称为频谱，频谱函数表示了各频率波形所占的份量。因此，通过FFT运算可以很好的得到各波形的频谱，根据波形的频谱，就可以确定周期交流量中含有的频率成分

FFT算法：

本发明中的FFT算法，主要是用来确定信号中含有的频率成分，所以在实现的过程中相对来说简单一点。FFT算法的实现主要包括两个方面，一个是进行将输入的离散数据序列按码位倒置的方式重新排列；另一个是对输入的离散数据序列进行多次查表做基数为2的复数运算。进行码位倒置的原因是在FFT蝶形运算中，输入的时间序列是顺序，而输出的频域序列是按码位倒读的乱序，所以要先进行码位倒置，进过运算后输出的频域序列才是顺序。由于FFT是数据处理过程中常用的子程序，TI公司为了发挥DSP指令的特点以及提高运算的速度已经用汇编语言实现了FFT算法，并将源代码组成了一个库，因此在使用TI的DSP处理器时直接调用这个库函数。

小波包分解与重构算法的实现：

信号经FFT运算后得到频率成分，是本文提出的综合谐波检测法对信号运用db44小波包进行分解与重构的依据，而小波包分解与重构算法的实现是数据处理模块软件设计的基础。由mallat算法可知，满足一定条件的滤波器组可以迭代计算出小波，本设计正是依据mallat算法的这一思想在DSP上实现了小波包分解与重构算法。小波包分解与重构过程分别如图8和图9所示。

从小波包分解与重构的过程中，可以看出，重构过程是分解过程的逆过程，两者除了在分析的过程中一个是下采样，一个上采样外，最主要的是分解与重构过程使用的滤波器组不同，而算法实现的关键就在于分解与重构过程中的滤波器组的设计，这就将小波包分解与重构算法的实现转化为分解与重构过程中的高通和低通滤波器组的实现。

设计分解与重构过程中的高通和低通滤波器组的过程主要分为三个步骤：第一步是利用强大分析计算工具MATLAB的科学计算功能，计算出要设计的滤波器组的系数；第二步是由于MATLAB计算出的滤波器系数是浮点型的，不能在定点DSP上直接使用，需要对系数进行浮点定点转换；第三步是将转换后的系数提供给DSP程序，设计出相应的滤波器的子函数。本文以设计db44小波包的重构高通滤波器为例，具体介绍滤波器在DSP上实现的过程。

在小波包分析的分解过程中，对所有的高频段都进行了高分辨率的分解。但在本方法中，依据FFT算法得到的频谱，进行有选择地对高频段进行高分辨率分析，达到减小算法的运算复杂度的目的。分解算法实现过程如图7所示。图中信号S经过低通滤波器Lo_D后，得到平均系数A；经过高通滤波器Hi_D后，得到细节系数D。同样，将得到的平均系数A和细节系数D分别经过低通滤波器Lo_D和高通滤波器Hi_D得到第二层的平均系数AA、DA和细节系数AD、DD。这样，就可以得到各尺度上的平均系数和细节系数，直至将感兴趣的频段分离出来。由于在滤波的过程中，信号的频带变窄，依据采样定理，只需一半的采样点数，就可以恢复原信号，故进行二抽取。

对平均系数和细节系数进行重构的过程，是分解过程的逆运算。只不过在重构的过程中，需要先对对平均系数和细节系数进行二插值处理，然后再分别经过低通滤波器Lo_R和高通滤波器Hi_R，而且重构过程的滤波器和分解过程的滤波器系数不完全相同，它们存在如下关系：

[Lo_D]·[Lo_R]+[Hi_D]·[Hi_R]＝I

如果选用的小波是正交小波，那么分解过程的低通滤波器与重构的低通滤波器相同；分解过程的高通滤波器和重构过程的高通滤波器相同。

由图10可知，信号频谱图中包含的各次谐波成分，经db44小波包分解与重构后，都被提取了出来，实现了对各次谐波信号的检测。表3是谐波引起电力系统波形畸变程度的畸变指标的理论值和仿真值的比较，从表3中可以更直观地看出本方法对谐波检测的准确性和有效性。

表3畸变指标的理论值和仿真值的比较

由图11可知，在0.02s和0.08s的时刻出现了模极大值，信号在这两个时刻发生了突变，也就是说给定信号中暂态谐波的发生在0.02s，持续了0.06s，这就实现了对暂态谐波的定位检测；图11(c)则表明将给定信号中的暂态谐波检测了出来，实现了对谐波的有效检测。

Claims (6)

1.一种电力系统谐波检测装置，其特征在于：包括电压互感器、电流互感器、信号调理电路、数模转换模块、DSP控制器、ARM处理器和通信模块，电压互感器和电流互感器的输入端连接电网，电压互感器和电流互感器的输出端均连接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端通过数模转换模块连接DSP控制器，DSP控制器的输出端通过通信模块连接ARM处理器。

2.根据权利要求1所述一种电力系统谐波检测装置，其特征在于：所述一种电力系统谐波检测装置包括液晶显示器和键盘，所述液晶显示器和键盘均与ARM处理器建立连接。

3.根据权利要求1所述电力系统谐波信号检测装装置，其特征在于：所述一种电力系统谐波检测装置包括电源电路，所述电源电路包括电源调理模块和电源开关，电网通过电源开关连接电源调理模块，电源调理模块分别连接DSP控制器和ARM处理器。

4.根据权利要求1所述一种电力系统谐波检测装置，其特征在于：所述信号调理电路包括转换电路和转换电路和箝位电路，所述转换电路的输入端为信号调理电路的输入端，箝位电路的中点为信号调理电路的输出端。

5.基于权利要求1所述一种电力系统谐波检测装置的谐波检测方法，其特征在于：先将采集到的周期交流量进行FFT运算，经FFT运算后得到相应的频谱，根据频谱确定周期交流量中的频率成分，然后由包含的频率成分，确定需要分解的高频段，最后运用小波包进行分解与重构，得到无频谱泄漏的各次谐波分量，实现对谐波的检测。

6.基于权利要求1所述一种电力系统谐波检测装置的谐波检测方法，其特征在于：所述小波包分析方法包括以下步骤：

第一步是对周期交流量进行分解，得到基波和各次谐波分量在相应的尺度空间上的系数；

第二步是根据基波和各次谐波分量在相应尺度空间上的系数，重构出基波信号和各次谐波信号，从而实现对谐波的检测。