CN105974197A

CN105974197A - 一种新型谐波分析仪

Info

Publication number: CN105974197A
Application number: CN201610531574.0A
Authority: CN
Inventors: 段胜; 刘盛
Original assignee: Wuhan Shengquan Technology Co Ltd
Current assignee: Wuhan Shengquan Technology Co Ltd
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2016-09-28

Abstract

本发明公开了一种新型谐波分析仪，包括：CT/PT变送单元，用于将输入的电压或电流信号线性变换为5mA的电流信号，并对信号进行相位补偿；A/D数模采样单元，用于对CT/PT变送单元输出的电流信号进行每周波采样；CPU运算处理单元，用于对A/D数模采样单元输出的数字量，进行多点数CPU变换运算；将数模采样单元输出的数字量进行数据分析存储，变换处理后的数据用于控制单元进行控制运算；控制单元，用于控制A/D采样单元的采样频率和采样的启动及停止；以及PLL锁闭环电路的输出频率计算；显示单元，用于系统信息的显示；网络接口单元，用于为谐波分析仪提供网络通信。本发明产品成本低廉，结构紧凑，抗干扰性强。

Description

一种新型谐波分析仪

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种新型谐波分析仪。

背景技术

节能减排提高能源的可利用率已成为我们日常社会大环境影响下所不可或缺的东西。节能技术推广以及自动化技术的应用，电力电子装置的大量使用，各式各样的变频产品的运用数量日益增多，随着科学技术的发展，随着工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。谐波的不规律出现首先会增加电能能耗，缩短设备的使用寿命，其次也很容易造成用电事故，影响正常的安全生产。因此，消除谐波污染，把谐波含量控制在可允许得范围之内，已成为目前供电方和用电方所必需要面对的问题以及如何解决。就目前所存在的电力系统中的谐波源，不但类型多，而且分布广，用户电网中的谐波电流可能来自本身的非线性设备，也可能来自外线路，如不加以区分将给谐波治理造成困难。因此进行谐波治理之前，必须要了解电网中谐波的类型以及含量，即必须进行谐波的测试。一种新型谐波分析仪的出现想必能对谐波的治理起到举足轻重的作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种新型谐波分析仪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型谐波分析仪，包括：

CT/PT变送单元，用于将输入的电压或电流信号线性变换为5mA的电流信号，并对信号进行相位补偿；

所述CT/PT变送单元包括CT/PT传感器、存储器、AD采样电路、运算电路，所述CT/PT传感器与存储器连接，存储器分别连接AD采样电路和运算电路；输入信号经CT/PT传感器与存储器分别经过AD采样电路和运算电路后的输出数据整合输出，两部分数据分别进行对比和筛选。若两部分数据相同，则输出进行组合，若两部分数据不同，则输出单独存放。

CT/PT传感器单元是该系统的关系环节之一，其性能直接决定整个系统能达到的精度等级。对其性能的主要要求有非线性度、相移、线性范围、小信号响应和高频衰减。非线性度、相移、线性范围是最基本的性能指标，按照该系统的精度要求，非线性度必须小于0.1%；相移必须小于5'；线性范围必须大于系统的输入范围并20%的裕量。小信号响应主要针对于CT，因输入电流从0～15A变化，当输入电流非常小时仍然需要精确变换，因此对CT的小信号性能要求较高。

A/D数模采样单元，用于对CT/PT变送单元输出的电流信号进行每周波采样后精确的转变成数字量；

CPU运算处理单元，用于对A/D数模采样单元输出的数字量，进行多点数CPU变换运算；主要功能是把数字量转变成模拟的器件的信号控制量。D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。模数转换器中一般都要用到数模转换器，模数转换器即A/D转换器，它是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号的器件。Cpu运算处理单元将数模采样单元输出的数字量进行数据分析存储，处理后的数据用于控制单元进行控制运算，

控制单元，用于控制A/D采样单元的采样频率和采样的启动及停止；以及PLL锁闭环电路的输出频率计算；

显示单元，用于系统信息的显示；

网络接口单元，用于为谐波分析仪提供网络通信；

本发明产生的有益效果是：本发明产品经实际测试，其基波幅值误差小于0.5%，谐波幅值误差小于4%，相位误差小于0.3%，其精度满足GB/T 17626.7规定的A级测量仪器精度要求。该产品成本低廉，结构紧凑，抗干扰性强。实际应用中，用户可按实际需求在变电站二次侧任意设置谐波监测点，并可通过局域网或RS485接口方便地接入变电站管理系统中，从而能有效实现对线路谐波的监测。谐波的监测能够更直观地反应出谐波的类型以及数量从而能以便维护人员对谐波进行分析。减少谐波的出现是很难实现的，从谐波的源头发现问题进行治理。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的接口电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种新型谐波分析仪，包括：

所述CT/PT变送单元包括CT/PT传感器、存储器、AD采样电路、运算电路；运算电路的组成如下，集成运放是一个已经装配好的高增益直接耦合放大器，加接反馈网络以后，就组成了运算电路。运算电路是用于高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合的放大电路。

A/D数模采样单元，用于对CT/PT变送单元输出的电流信号进行每周波采样；

CPU运算处理单元，用于对A/D数模采样单元输出的数字量，进行多点数CPU变换运算；

显示单元，用于系统信息的显示；

网络接口单元，用于为谐波分析仪提供网络通信。

CT/PT单元是该系统的关系环节之一，其性能直接决定整个系统能达到的精度等级。对其性能的主要要求有非线性度、相移、线性范围、小信号响应和高频衰减。非线性度、相移、线性范围是最基本的性能指标，按照该系统的精度要求，非线性度必须小于0.1%；相移必须小于5'；线性范围必须大于系统的输入范围并20%的裕量。小信号响应主要针对于CT，因输入电流从0～15A变化，当输入电流非常小时仍然需要精确变换，因此对CT的小信号性能要求较高。高频衰减指标主要对高次谐波，通常传感器对于高频率信号有较强的衰减作用，表现为低通滤波器。而本系统最高需对2.5kHz信号进行采样分析，因此高频衰减也是非常重要的指标不。本系统按照以上指标选用高性能CT/PT传感器，满足系统的精度要求。

A/D采样单元采用了MAX125高速8通道14位同步A/D采样芯片，该芯片具有8个采样通道，可以时对4个通道进行扫描采样，每个采样周期只需对该芯片进行两次读操作便能完成8个通道的采样。A/D转换使用逐次逼进去，采样总速率为250kHz，4通道同步扫描采样时单个通道的采样速率大于30kHz，远远超过本系统对16个通道同步采样的速率要求。该芯片通过内部集成的多路开关来实现4通道同步扫描采样，芯片内部有一个4×16位的RAM用于存放每次扫描采样的4通道数据。该芯片提供了14位的数据线，可以在一次扫描采样结束后在4个时钟周期内将4个采样结果全部输出。当采样位数为14位，其LSB代表（1/2 13）VIN（VIN为最大电压输入值）即VIN/8192，而该芯片的采样误差仅为2个LSB即2VIN/8192，约为0.025%VIN，所以该采样芯片能较好满足本系统的精度要求。系统对单个通道的采样速率要求为12.8kHz（每工频周波采样256点），而该芯片的单通道采样速率大于30kHz，所以该芯片能较好满足本系统的采样速率要求。

从CPU的分析可知，其误差很大程度来自采样窗口和实际波形的同步不严格，造成频谱泄漏。为消除频谱泄漏引起的误差，常用的方法有：硬件同步、加窗处理。硬件同步的方法比较多，常用的主要有使用PLL电路进行同步。为减少信号的混叠和频谱泄漏，本系统的A/D采样单元通过使用高精度的PLL实现严格的同步采样，以保证窗口间无重叠和间隔，并能严格与被测信号频同步，并在CPU运算单元实现了加汉宁窗处理。

CPU运算处理单元基于EP1C20FPGA芯片，该芯片带有294912位RAM，具有20060个LE，最大I/O引脚301。CPU运算处理单元采用先进的多层并行流水线技术，工作在30MHz的频率下，可以在1ms内完成8路工频输入信号的256点CPU运算处理。该处理单元的原理如图2所示。

该单元包含采样控制逻辑部分和CPU运算部分，以及显示单元和通信接口。采样逻辑部分负责MAX125的读数据逻辑控制（MAX125模数芯片）。CPU运算部分包括CPU控制逻辑（FFT控制逻辑）、采样数据缓存、CPU处理核（Nios处理器）与结果存储FIFO（）。从IDT72V845输出的14位采样数据，首先暂存于采样数据缓存中；然后CPU处理核从该缓存中读取数据进行处理；处理完毕的数据存放于结果FIFO中；CPU控制逻辑单元向Nios处理器申请中断，Nios处理器响应应该中断向CPU控制逻辑单元发送读信号；然后从结果FIFO读取分析结果。

以往CPU设计中，往往使用定点数。因为使用定点数时，系统结构相对简单、运算速度快，但精度不高。在FPGA中使用浮点数时，系统相对设计复杂，但精度高。基于本系统对精度的苛刻要求，故采用浮点数进行CPU的硬件算术实现。CPU处理核采用先进的多层并行流水线技术，可以在1ms内完成8路256点的CPU运算。该单元实际相当于一个基于标准单精度浮点数的CPU变换协处理器，提供了简单可靠的接口以连接采样单元和处理器，并能独立进行CPU处理。

FFT运算单元，FFT运算部分包括FFT控制逻辑、采样数据存储、结果存储FIFO。输出的数据首先暂存于采样数据缓存中；然后FFT处理核从该缓存中读取数据进行处理；处理完毕的数据存放于结果FIFO中；FFT控制逻辑单元向Nios处理器申请中断，Nios处理器响应应该中断向FFT控制逻辑单元发送读信号；然后从结果FIFO读取分析结果。

显示单元为一块普通点阵LCD显示屏，可以显示各种谐波分析的数据和简单波形。该LCD显示屏由处理器直接控制。

网络接口单元是由1块MAX485芯片和1块RealTek8019以太网接口芯片构成。MAX485芯片提供了标准的RS485接口，其通信协议为标准IEC4000-5-104规约，该规约为IEC规定的标准电力系统通信规约。通过处理器的系统软件实现，可以直接传送分析结果数据给上层使用同样规约的第三方综合自动化站或监控系统。RealTek8019是一块全双工以太网接口芯片，该芯片实现了RFC 1600规范中要求的物理层，提供了标准的以太网接口，其通信协议为标准的TCP/IP协议，通过处理器的软件实现。

控制单元核心为Nios II嵌入式处理器。Nios II是Altera公司提供的基于Harvard结构的RISC通用处理器IP Core，目前最新版本为3.0，有16位和32位两个版本。两个版本均使用16位的RISC指令集，差别主要于系统总线带宽。在系统开发中使用Nios，可以根据需要自行配置处理器数目可多达512个。开发者可在FPGA容量允许范围内，自由配置处理器的Cache大小、指令集ROM大小、片内RAM和ROM大小、I/O引脚数目和类型、中断引脚数目、定时器数目、通用串口数目、扩展地址和数据引脚等处理器的性能指标，而且可以在处理器ALU中直接加入自行定义的数字逻辑，并添加自行定义的处理器指令。可见，使用Nios具有极大灵活性和很高的处理效率。使用Altera公司推出的SOPC Builder开发工具，开发者可以快速开发出满足设计需要的处理器。该开发工具支持C、C++语言，并提供了常用的功能类库。开发者可以直接使用C、C++语言进行系统软件开发，然后在线调试自行设计的Nios处理器和软件。当软件达到设计要求时，可通过该工具将执行代码转换成Flash文件格式或HEX文件下载到启动Flash或FPGA器件中，使所设计的系统可独立运行。本系统使用的Nios为32位版本，约使用了2093个逻辑单元，具有64KB ROM和4KB RAM，工作在50MHz频率。设计带有3个中断引脚、1个通用定时器/计数器和1个通用串行口，与CPU运算单元整合在同一FPGA（现场可编程门阵列）芯片中。所有FPGA设计均使用Verilog HDL硬件描述语言进行设计。

在高速数字系统中，使用直接整合在FPGA（现场可编程门阵列）芯片中的处理器具有优越的性能。在高速数字系统中，由于信号频率的增加导致PCB连线呈现传输线特性，从而影响到信号的完整性。线路间的串扰、芯片间的连接拓扑、芯片的引脚分布和封装形式、PCB的几何特性及介电特性、过孔及电压参考平面等均会严重影响高速信号的完整性。将电路中的高速数字信号部分整合在同一FPGA芯片中，则能有效解决以上的大部分影响因素，且可充分利用FPGA内部丰富的连线资源来增加系统的数字总线资源。FPGA可实现绝大部分数字电路设计，而将所需的功能直接整合在FPGA的设计中，因此可大大减小处理器外围扩展电路数目，降低外围电路和布局走线复杂度，减少影响高速信号完整性的因素，提高系统的抗干扰能力。FPGA具有丰富的部I/O引脚，可以充分满足电路设计时的外部扩展连接需求。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种新型谐波分析仪，其特征在于，包括：

所述CT/PT变送单元包括CT/PT传感器、存储器、A/D采样电路、运算电路；所述CT/PT传感器与存储器连接，存储器分别连接AD采样电路和运算电路；

CPU运算处理单元，用于对A/D数模采样单元输出的数字量，进行多点数CPU变换运算；将数模采样单元输出的数字量进行数据分析存储，变换处理后的数据用于控制单元进行控制运算；

显示单元，用于系统信息的显示；

网络接口单元，用于为谐波分析仪提供网络通信。

2.根据权利要求1所述的新型谐波分析仪，其特征在于，所述A/D数模采样单元的采样点数至少为256。

3.根据权利要求1所述的新型谐波分析仪，其特征在于，所述网络接口单元包括以太网接口和RS485接口。

4.根据权利要求1所述的新型谐波分析仪，其特征在于，所述CPU运算处理单元单元包含采样控制逻辑部分和CPU运算部分，以及显示单元和通信接口。