CN201035098Y - 一种电力用户谐波监测统计装置 - Google Patents

Abstract

一种电力用户谐波监测统计装置，包括信号采集调理单元、模数转换单元、数字信号处理单元、管理处理单元、存储单元、外部通讯单元、显示单元、按键输入单元，其中信号采集调理单元采集到的信号输入到模数转换单元进行模数转换处理得到对应的数字信号，数字信号处理单元对数字信号进行各种计算处理并将需要存储和显示的数据利用串口通讯传输到管理处理单元MCU，管理处理单元利用IIC总线将数据送入存储单元进行永久存储并进行显示。本实用新型由于采用管理处理单元和数字信号处理单元有机结合的结构，将DSP的高速数字信号处理功能和MCU完善的管理功能有机地结合为一体，成功地解决了长期以来困扰电力系统的用户谐波监测、管理的问题。

Description

一种电力用户谐波监测统计装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统的谐波管理及统计装置。

背景技术

近年来随着科技的进步和工业的发展，电力系统中接入了越来越多的大容量电力设备、整流换流设备以及其它非线性负荷，使电力供电系统中谐波电压和谐波电流成分不断增加，对电网环境造成严重污染，电能质量下降，并对电气设备产生影响。谐波对电力系统的危害不仅表现在工程上，而且表现在经济上，使电力营运企业成本大大增加，因此合理的电价和计费制度的制定必须考虑谐波对电力的影响。对大谐波源用户进行谐波收费，同时加强关于谐波对电力公司成本和收入影响的研究，制定谐波电价，从而迫使大谐波源用户减少谐波的排放，以经济手段实现对电力谐波的治理是一项有效而必要的措施。由于目前在电力系统的用户端还没有能对谐波注入电流、畸变率及谐波污染量进行长期监测、统计的装置，这无疑给电力系统的谐波监督与管理带来困难，使目前对电力用户的谐波管理仅限于根据用户负荷性质要求其安装滤波装置。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述问题的存在，提供一种价格合理且可对谐波注入电流、畸变率及谐波污染量进行长期监测、统计的电力用户谐波监测统计装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种电力用户谐波监测统计装置，其特点是包括：

信号采集调理单元、模数转换单元、数字信号处理单元DSP、管理处理单元MCU、存储单元、外部通讯单元、显示单元、按键输入单元，其中信号采集调理单元采集到的线电压信号和相电流信号输入到模数转换单元进行模数转换处理得到对应的数字信号，数字信号处理单元对所述的数字信号进行各种计算处理并将需要存储和显示的数据利用串口通讯传输到管理处理单元MCU，管理处理单元利用IIC总线将数据送入存储单元进行永久存储，并将所需显示的数据送入显示单元进行显示，并通过外部通讯单元实现RS485和调制解调器和串行打印机，GSM功能，通过按键输入单元输入相应的功能指令。其中上述信号采集调理单元包括连接于三相电路中的至少二个电流互感器、至少十个精密电阻网络和运算放大器、有源滤波器、锁相环单元，其中通过精密电阻网络分压采集到的线电压信号及电流互感器采集到的相电流信号经过精密电阻转换为电压信号，分别由运算放大器进行隔离放大后，其一方面输入到有滤波器进行滤波处理得到对应的电压采样信号和电流采样信号，并将所述的电压采样信号和电流采样信号输入模数转换单元的对应输入通道中，其另一方面输入到锁相环单元中进行相位跟踪处理得到采样控制信号，并将采样控制信号输入到模数转换单元的控制输入端，模数转换单元依据该控制输入脚的采样控制信号完成电压数据采样和电流数据采样并将采样的数据送到数据总线上由数字信号处理单元DSP读取对应的数据和进行各所所需的计算。其中上述管理处理单元MCU采用内置有铁电存储器的具有两个SCI串行口的VRS51L3074，其通过SCI串行口一与数字信号处理单元DSP通讯，上述存储单元采用内置有实时时钟模块的RAMTRON公司的FM31系列铁电存储器，其通过IIC总线与管理处理单元MCU进行通讯；其通过SCI串行口二与外部通讯单元通讯，外部通讯单元通讯采用串口扩展芯片GM8125，通过上述SCI总线二与管理处理单元MCU进行通讯，其另一方面通过扩展接口外接RS-485或调制解调器和串行打印接口或GSM接口等外部串行设备。

本实用新型由于采用管理处理单元MCU和数字信号处理单元DSP有机结合的结构，利用16位A/D转换器和DSP高速数据处理器对三相三线制系统中的两相电流、两线电压进行采样。通过相应的数学计算，由DSP部分完成对电参量测量、谐波分析、正、反向谐波有功电度及正、反向畸变无功电度计算等工作。计算数据通过高速通信接口与管理MCU进行数据交换；管理部分采用16位MCU，主要完成显示、数据统计、存储、通信、装置功能选择以及初始化数据设定等工作。从而将DSP的高速数字信号处理功能和MCU完善的管理功能有机地结合为一体，既可以实时监测用户的电流、电压畸变率，又可以通过正、反向谐波有功电度与正、反向畸变无功电度来监测用户谐波污染排放量。从而成功地解决了长期以来困扰电力系统的用户谐波监测、管理的问题。

以下结合附图详细描述本实用新型的实现：

附图说明

图1为本实用新型的结构组成方框图；

图2是本实用新型的电原理方框图；

图3是本实用新型锁相环单元的电原理方框图；

图4是本实用新型的按键输入单元的电原理方框图；

图5是本实用新型的显示单元的电原理方框图；

图6是本实用新型的数据传输部分的电原理方框图；

图7是本实用新型的外部通讯单元的电原理方框图；

图8是本实用新型的铁电存储器的电原理方框图；

图9是本实用新型的数字信号处理单元的结构组成方框图。

具体实施方式

如图1～图8所示，本实用新型所述的一种电力用户谐波监测统计装置，其特点是包括：信号采集调理单元、模数转换单元、数字信号处理单元DSP、管理处理单元MCU、存储单元、外部通讯单元、显示单元、按键输入单元，其中信号采集调理单元采集到的线电压信号和相电流信号输入到模数转换单元进行模数转换处理得到对应的数字信号，数字信号处理单元DSP对所述的数字信号进行各种计算处理并将需要存储和显示的数据利用串口通讯传输到管理处理单元MCU，管理处理单元MCU利用IIC总线将数据送入存储单元进行永久存储，并将所需显示的数据送入显示单元进行显示，并通过外部通讯单元实现RS-485或调制解调器和串行打印接口或GSM接口等功能，通过按键输入单元输入相应的功能指令。上述信号采集调理单元包括连接于三相电路中的至少二个电流互感器、至少十个精密电阻网络和运算放大器、有源滤波器、锁相环单元，其中所述精密电阻网络采集到的线电压信号及电流互感器采集到的相电流信号经精密电阻分压转换为电压信号由运算放大器进行隔离放大后其一方面输入到有滤波器进行滤波处理得到对应的电压采样信号和电流采样信号，此时所述的有源滤波器采用美国MAXIM公司开发的8阶连续时间有源滤波器芯片MAX274，该MAX274将4个二阶节合而为一，最高中心设计频率可达150kHz。该滤波器不需要外置电容，每个单元二阶工的中心频率F0、Q值，放大倍数均可由其外接电阻R1～R4的设计来确定。使用MAX274后，可以滤波电流电压信号的高频信号(＞＝3200Hz)，其外接元件少、参数调节方便、不受运放频响影响，对电路杂散电容也有更优的抗干扰性。并将所述的电压采样信号和电流采样信号输入模数转换单元的对应输入通道中，其另一方面输入到锁相环单元中进行相位跟踪处理得到采样控制信号，此时所述的锁相环单元包括方波转换电路，锁相环芯片CD4046和分频芯片CD4040等环节。Uab经过方波转换电路，其作用是把正弦的电信号转换为同频率的，适合CD4046输入的方波信号，CD4046和CD4040组成倍频电路，输出频率为Uab频率的N倍的PLL信号，利用此PLL信号做为AD转换器MAX125的采样控制信号，在MAX125采样完成后，将数据送到数据总线上，DSP中断服务程序中读取这些数据，并在DSP内部进行各种所需的计算。而方波转换电路其实质是一个电压比较器，输入为正弦电压信号，输出同频率的方波信号。此时锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器(PC)、压控振荡器(VCO)、低通滤波器三部分组成。CD4046锁相环，能使用两个电信号的相位保持同步的闭环系统叫锁相环，12级二进制计数器(分频器)CD4040：对压控振荡器的振荡频率进行分频。分频后的信号频率为f_i/N，又作为CD4046的一路输入信号，这样形成一个闭环实现自动跟踪频率。每个周期固定等间隔采样N点。f_i为输入信号的频率，N倍频后为Nf_i，每个周期等间隔采样N点。由CD4046的VCOUT输出PLL信号给A/D转换器的CONVST来启动模数转换。并将采样控制信号输入到模数转换单元的控制输入端，模数转换单元依据该控制输入脚的采样控制信号完成电压数据采样和电流数据采样并将采样的数据送到数据总线上由数字信号处理单元DSP读取对应的数据和进行各所所需的计算。横数转换单元采用MAX125，该MAX125将多采样保持器、模拟多路开关和高速的A/D转换器集合在一起，自带一个+2.5V的电压基准。可工作在A，B两组各4个输入通道循环采样方式下，片内时序控制器控制通道的切换。系统加电后，芯片的默认工作模式是将CH1A端模拟输入信号进行单通道转换，单一通道的转换时间为3us，转换完成后结果储存在芯片内部的4x14bitRAM中，外部电路接收到全部转换完毕发出的中断信号后，可以依次对MAX125的读使能脚施加读脉冲以读出转换结果。当片选信号CS和写信号WR同时有效时，可将控制位A3，A2，A1，A0写入MAX125，以改变芯片的工作模式，该模式在不断电情况下一直维持到下一次控制字的写入。CONVST端的负脉冲启动一次A/D转换，转换时间取决于工作模式中的通道数。在转换期间采样/保持器处于保持状态，另外的CONVST负脉冲也将被忽略。芯片工作模式的所有通道转换结束后，INT端的输出变成低电平，采样/保持器重新处于采样状态，跟踪模拟输入的变化，以后可用CS和RD配合一次读取转换结果，第一次有效读信号RD到来后，INT信号变成高电平。因为MAX125芯片内部不是随机存储器，转换数据的读取只能从CH1开始“依次读取”，各通道数据读取完成后，地址指针重新回到CH1。使用锁相环CD4046产生的PLL信号做为采样信号，可实现准同步采样，为后续的分解各次谐波信号提供了良好的条件。使用AD转换芯片MAX125可以实现准确高速四通道同时采样。上述管理处理单元MCU采用采用内置有铁电存储器的具有两个SCI串行口的VRS51L3074，其通过SCI串行口一与数字信号处理单元DSP通讯，上述存储单元采用内置有实时时钟模块的RAMTRON公司的FM31系列铁电存储器，其通过IIC总线与管理处理单元MCU进行通讯；其通过SCI串行口二与外部通讯单元通讯。外部通讯单元通讯采用串口扩展芯片GM8125，通过上述SCI总线二与管理处理单元MCU进行通讯，其另一方面通过扩展接口外接RS-485或调制解调器和串行打印接口或GSM接口等外部串行设备。

其中上述的按键输入单元如图4所示，当所设置的功能或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能键的信息输入是与软件结构密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，通用输入/输出(I/O)口IO1，IO2与MCU相连。MCU可以采用查询或中断的方式了解有无键输入并检查是哪一个键按上，将该键号送入累加器A，然后通过散转指令转入执行该键的功能程序，执行完又返回到原始状态。按键的稳定闭合时间，由操作人员的按键动作所确定，一般为十分之几～几秒。为了确保MCU一次闭合，仅作一次键输入处理，必须消除抖动的影响。消除抖动影响的措施通常可通过硬件、软件两种方法实现。本设计采用软件消抖的方法。在第一次检测到有键按下时，执行一段延时1ms的子程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则却是有键按下，从而消除了抖动的影响。编制键盘程序，一个完善的键盘控制程序应完成下述任务：

(1)监测有无键按下。

(2)有键按下后，在无硬件消抖电路的情况下，应用软件延时方法消除抖动影响。

(3)有可靠的逻辑处理方法，如键锁定，即只处理一个键，其间任何按下又松开的键不产生影响，不管一次按键持续有多长时间，仅执行一次按键功能程序。

在本装置中，设置两个按键Kcy-up(向上翻页)和key-down(向下翻页)。与MCU的IO1，IO2相连，MCU采用查询I/O口的方法来确认是否有按键被按下。若两键中有一键被按下，则相应的I/O口出现低电平，这时MCU检测到低电平后，延迟一小段时间后重复检测该I/O口，若依然检测到为低电平，即人为的加入消除抖动的影响，则确认有按键被按下，执行相关的按键程序。上述显示单元采用LCD液晶，其如图5所示，MCU通过8位数据总线D0-D8把要显示的电量数据发送到LCD，控制总线用来协调两者的时序。LCD是一种被动式显示器，由于它的功耗极低、抗干扰能力强，故本设计中采用LCD。本装置中采用TinSharp公司的TC2004A液晶显示模块，利用DSP的对TC2004A各端口的控制，可以实现20字符*4行的显示格式。在本设计中液晶屏的第一行显示日期以及时间，第二、三、四行每行均显示电量的代号、数据以及单位。液晶显示器可以附加背光以更易阅读(可选项)。数据传输部分如图6所示，其主要是DSP把采集到的并且经过计算的电量数据通过该通道传输到存储器。这些数据非常重要，一旦丢失将会造成极其严重的后果。在本装置的设计中从器件上和结构上保证了该通道的可靠性。从器件上选择铁电FRAM存储器。从结构上选择FRAM+铁电EEPROM的存储器方案。MCU(VRS51L3074)芯片中内置了8K的FRAM，MCU通过SCI串行总线与DSP通讯，每隔一段时间就从DSP处获得最新电量数据保存在FRAM中；同时EEPROM通过IIC总线与MCU通讯，这样数据就经过MCU中转被备份到了EEPROM中。①SCI与IIC串行总线MCU(VRS51L3074)芯片包括两个串行通信接口SCI模块，一个用作DSP与MCU之间的数据传输，另一个用于MCU发送数据到外部通讯模块。SCI模决支持CPU与其他使用标准格式和异步外设之间的数字通信。SCI接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有它自己单独的使能和中断标志位。两者都可以独立工作，或者在全双工的方式下同时工作。为了确保数据的完整性，SCI对接收到的数据进行间断检测、奇偶性校验、超时和数据帧出错的检查。通过一个16位的波特率选择寄存器，数据传输的速度可以被编程为65535多种不同的方式。本文使用数据发送(或接收)特征如下：

·一个起始位；

·8个数据位；

·无奇/偶校验位；

·1个停止位。

IIC总线是一种硬件结构简单，性能可靠的两线总线，它对于提高系统的可靠性，缩短产品开发周期，增加硬件构成的灵活性，具有重要的意义。IIC BUS(InterIC BUS)是Philips推出的芯片间串行传输总线，与SPI、MICROWI RE/PLUS接口不同，它以两根连线实现了完善的全双上同步数据传送，可以极方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。IIC总线采用了器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址方法，从而使硬件系统具有最简单而灵活的扩展方法。按照I²C总线规范，总线传输中的所有状态都生成相对应的状态码，系统中的主机能够依照这些状态码自动地进行总线管理，用户只要在程序中装入这些标准处理模块，根据数据操作要求完成IIC总线的初始化，启动总线就能自动完成规定的数据传送操作。由于IIC总线接口均为开漏或集电极输出，故需加上拉电阻R，系统中所有的单片机、外围器件都将SDA(数据线)、SCL(时钟线)的同名端相连在一起，总线上的所有节点都由器件和引脚给定地址。IIC总线的寻址约定。为了消IIC总线系统中主控器与被控器的地址选择线，最大限度地简化总线连接线，IIC总线采用了独特的寻址约定，规定了起始信号后的第一个字节为寻址字节，用来寻址被控器件，并规定数据的传送方向。②铁电在电力参数监测中的应用，电力参数监测仪主要用于记录电力用户每个小时的用电量和整点时电流、电压的瞬时值，这些数据需存于非易失性存储器中，当需要的时候经过市话线路被送至供电管理部门，进行处理。管理者通过这些数据可以及时、准确地了解辖区内各电力用户详细的用电情况，以便作出更加合理的决策，使有限的电力资源发挥更大的作用，同时使用电管理手段上一新的台阶。通常情况下，停电是不可避免的，为了不破坏系统中的数据，必须使用非易失性存储器，如果使用EEPROM或闪速存储器(Flash Memory)作为存储介质显然是不合适的，因为它们的写操作需要数十毫秒，特别是在实时性要求较高的场合必须用电池支持的SRAM，它既有RAM的读写速度，又有ROM掉电数据不丢失的特性。另外使用电池支持的SRAM，还有一个优点就是可以在SRAM中放置一些密码字，起到硬件加密的作用。但是电池支持的SRAM在实际使用过程中有数据不可靠，容易丢失。另外电池容易受到环境因数的影响，例如湿度，振动。RAMTRON公司研制的铁电存储器成功批量生产解决了电池问题。它有以下特点：

1.非易失性：掉电后数据能保存10年，所有产品都是工业级。

2.擦写次数多：5V供电的FRAM的擦写次数10的10次方次，低电压的FRAM的擦写次数为无限次。

3.速度快：串口总线的FRAM的CLK的频率高达20M，并且没有10mS的写等待周期，并口的访问速度70nS。

4.功耗低：静态电流小于10uA，读写电流小于150uA。

5.5V供电的FRAM在读写次数超过100亿次后还能和RAM一样工作，只是数据不能保存。

所述的FM31系列铁电存储器的原理如图8所示，该FM31系列产品是一族包含基于处理器系统的通用功能需求的集成器件，主要功能包含各种容量大小的铁电非易性存储器、实时时钟、低电压复位、看门狗记数器、非易失的事件记数器、可锁定的串行数字标识，和一个通用的比较器，用于电源失效中断输出或其它用途，所有器件的操作电压范围为2.7V-5.5V.。FM31系列器件包含4Kb、16Kb、64Kb、256Kb内部EEPROM，快速的写速度及无限制读写次数，使得此存储器可以像一个外部RAM或传统的非易失性存储器那样使用，相对于电池后备方式，它是真正的非易失性存储器。实时时钟以BCD码的形式提供时间及日期信息，它可以永久地由后备电源供电，后备电源可以是电容，也可以是电池。时钟使用32.768K晶振并可以通过软件校准以此提时钟的精确度。内部通用比较器将一个外部引脚输入电压与1.2V内部参考电压进行比较，这可用于产生电源失效中断。它还提供了一个以电池后备的事件记数器，用于记录特定输入引脚的上升或下降沿的次数。实时时钟给电量计量提供时间基准，这个时间基准是以绝对时间为准，而非相对时间。在出厂时校准后不允许断电，否则时间会产生偏差。电压正常时由电源给实时时钟供应电能，掉电后由电池供应电能，在电池失效需要更换时，超级电容存储的电荷足以支持替换电池时短暂的电能缺乏时间。同时，当电力系统故障，PT检修等都会导致电压突然中断。在电压突然中断时，装置失去了电源供给，为避免丢失重要的电能参数，如何快速地保存现场数据是非常重要的。FM31256是一款自带电压监测功能的芯片，它的输入端接到开关电源输出滤波电容之前，以便第一时间检测到电压跌落；当电压跌落发生的瞬间，FM31256的PFO端输出一个跳变信号，该信号直接引发MCU的最高级中断INT0。MCU将停止正在处理中的所有程序来处理这个掉电中断，包括将最近一次电能数据立即存储进FM31256内的EEPROM，保存电压跌落的当前时间。当电压恢复时，MCU复位，读取保存在FRAM中的电量数据，同时把存储在EEPROM内的电量与FRAM中的数据核对，如果误差小于设定值，就通过数据传输通道发给DSP继续电量计算，同时把最后一次掉电时间发送到液晶显示器上。所述的外部通讯单元如图7所示，MCU的串口1(SCI1)外接串口扩展芯片GM8125组成外部通讯模块，通过串口输出电量数据给外部通讯模块，最多可以外接4个外部串行设备(XSCIn)，诸如RS-485，调制解调器，串行打印机接口，GSM接口等。RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2-6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2-6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS-485具有以下特征：①RS-485的数据最高传输速率为10Mbps②RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。③RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

时此，本实用新型所述的数字信号处理单元DSP的结构组成如图9所示，其主要包括采样模块、傅立叶变换模块、计算模块、传输模块、数字信号处理单元DSP通过对AD的采样控制，将采集到的数字信号进行快速傅立叶变换(即FFT)，得到电流电压的各次谐波分量，然后进行各项电量统计计算，将计算完成的数据通过传输模块送至MCU做进一步的处理。其中DSP部分是通过傅立叶变换模块的计算模块来实成对电参量测量、谐波分析、正、反向畸变无功电度的计算等工作，使用傅立叶变换FFT模块可以进行谐波分析运算，可以快速准确从离散信号中求出各次谐波信号的幅值以及相位。设电网电压和电流含有L次谐波，且都是周期函数，则可用傅立叶基数表示为：

$u\left(t\right)=a_0+\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\mathrm{Cos}\left(\mathrm{k\ωt}\right)+\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k\mathrm{Sin}\left(\mathrm{k\ωt}\right)$

$i\left(t\right)=c_0+\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k\mathrm{Cos}\left(\mathrm{k\ωt}\right)+\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k\mathrm{Sin}\left(\mathrm{k\ωt}\right)$

u(t)、i(t)分别为电压和电流在t时刻的采样点。

且存在

$U_{\mathrm{km}}=\sqrt{{a_k}^2+{b_k}^2}$ ${\mathrm{\α}}_n={\tan }^{-1}\left(\underset{a_k}{\overset{b_k}{\mathrm{}}}\right)$

$I_{\mathrm{km}}=\sqrt{{c_k}^2+{d_k}^2}$ ${\mathrm{\β}}_k={\tan }^{-1}\left(\underset{d_k}{\overset{c_k}{}}\right)$

U_km、I_km分别为第k次电压谐波和第k次电流谐波的幅值。

由此可见只要将a_k，b_k，c_k，d_k解出，就可以得到k次谐波的幅值和相位。

在实际计算中，对连续信号u(t)，i(t)所测量的N点的电压时域系列{u(n)}和电流时域系列{i(n)}，构造的一个复数系列为

x(n)＝u(n)+ji(n)(0≤n≤N-1)

复数系列{x(n)}的离散傅立叶变换(DFT)为频域系列

$X\left(k\right)=\mathrm{DFT}\left[x\left(n\right)\right]=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[x\left(n\right)e^{-j(2\mathrm{\π}/N)\mathrm{nk}}]$

可得到电压、电流系列及其频谱为

$u\left(n\right)=\frac{1}{2}[x\left(n\right)+x^{*}\left(n\right)]$ $i\left(k\right)=\frac{1}{2j}[x\left(n\right)+x^{*}\left(n\right)]$

$U\left(k\right)=\frac{1}{2}[X\left(k\right)+X^{*}(N-k)]$ $I\left(k\right)=\frac{1}{2j}[X\left(k\right)+X^{*}(N-k)]$

FFT速度直接影响着系统的速度。这里采用是基二时间抽取(DIT)FFT算法。由于系统的采样值是电压和电流，都为实函数，为提高运算速度，根据FFT的奇、偶、虚、实对称特性，把两个通道的采样值组成一个复数数据同时进行计算，从而同时得到两个通道的各次谐波值。这样不仅内存空间节省了一半，而且速度又可提高近1倍。并且对三角函数进行了预先计算，求出了正弦函数在一个周波内N个采样点的值，并存储在一个数组内，而余弦函数的值可由滞后四分之一周期的正弦函数值得到。这样避免了每次对正弦函数和余弦函数的繁琐计算，提高了速度。

对DSP的开发可以利用汇编语言或C语言。在对FFT算法进行开发时，也可以用C语言进行开发。但是FFT的运算量较大，特别是当点数N较大时；并且用C语言开发不能直接利用DSP控制器特有的反序间接寻址等优越的特性，FFT运算的实时性就不理想。综合考虑各方面的原因，FFT应采用汇编语言开发。而DSP的主程序则使用C语言进行开发。因此，本设计采用的FFT算法程序，其运算主体是用汇编语言编写的，但是各子程序的入口和出口都考虑了与C语言的兼容性，使这个子程序能够直接被C语言调用。

在含非线性负载的电力系统中，非线性负载在吸收基波有功功率同时转化和反馈谐波功率，在此基础上，多个非线性负载之间存在着复杂的谐波有功功率相互传递关系。任意一个非线性负载既有可能在某次谐波频率上发出该次谐波有功功率，功率数值为负，也有可能从供电系统的背景谐波(其他的非线性负载发出)中吸收该次有功功率，功率数值为正；而在另一个谐波频率上，这个非线性负载H_S的谐波有功功率消耗情况同样是既可以为正也可以为负。或者说，任意一个非线性负载H_S在第h_i次发出有功功率的同时在第h_i次既可以吸收也可以发出有功功率。因此在考察用户谐波有功污染量时必须对其电压、电流进行付氏级数分解，计算各次谐波功率，从而得到同一时刻的正向和反向谐波有功功率，进而确定用户消耗的谐波有功功率和发出的谐波有功功率。事实上由于不同次谐波功率是不能相互抵消的，因此区分正向与反向谐波功率是必须的。

在三相三线制系统中，第k次谐波有功功率可表示为

$\frac{1}{T}{\∫}_0^T(u_{\mathrm{ab}}^{\left(k\right)}{j}_a^{\left(k\right)}+u_{\mathrm{bc}}^{\left(k\right)}{i}_c^{\left(k\right)})\mathrm{dt}$

其中T为信号的周期，u_ab ^(k)为第k次谐波AB线电压值，u_bc ^(k)为第k次谐波BC线电压值，i_a ^(k)为第k次谐波A相电流值，i_c ^(k)为第k次谐波C相电流值。

长期以来对含电力非线性负载系统的谐波附加无功功率缺少正确的计算方法。实际上目前还没有任何仪表能正确反映三相非正弦不对称系统的无功功率，当然更无法正确确定畸变无功功率。

自上世纪80年代以来，关于三相非正弦不对称系统的无功问题引起了广泛的关注，日本学者Akagi瞬时无功理论得到了广泛的承认。在不考虑三线制系统零序电压的情形下，三相三线制系统的Akagi瞬时无功可表示为：

$q=\frac{1}{\sqrt{3}}(u_{\mathrm{bc}}{i}_a+u_{\mathrm{ca}}{i}_b+u_{\mathrm{ab}}{i}_c)$

类似有功功率的定义方法，无功功率：

$Q=\frac{1}{T}{\∫}_0^T\mathrm{qdt}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T\frac{1}{\sqrt{3}}(u_{\mathrm{bc}}{i}_a+u_{\mathrm{ca}}{i}_b+u_{\mathrm{ab}}{i}_c)\mathrm{dt}$

这里，U_ku+、I_ki+、_ku+、_ki+分别表示第k次谐波正序电压、电流的有效值及其相应的相角；U_ku-、I_ki-、_ku-、_ki-分别表示第k次谐波负序电压、电流的有效值及其相应的相角。

上式中的第一项表示表示正序系统相间交换的功率，第二项表示负序系统相间交换的功率，由于负序系统与正序系统相间交换功率的相序相反，因此上式中的第二项前有负号。应当指出，在三相三线制系统中零序电压是不定的，因此用户不需对零序电压引起的不对称负责(事实上，系统不对称度的定义中也仅考虑负序分量而不考虑零序分量)。类似前述有功功率的分析，由于不同次谐波不能相互抵消，因此需计算每次谐波的无功功率，从而得到正向畸变无功功率和反向畸变无功功率。第k次谐波无功功率由下式计算：

$Q=\frac{1}{T}{\∫}_0^T\frac{1}{\sqrt{3}}(u_{\mathrm{bc}}^{\left(k\right)}{i}_a^{\left(k\right)}+u_{\mathrm{ca}}^{\left(k\right)}{i}_b^{\left(k\right)}+u_{\mathrm{ab}}^{\left(k\right)}{i}_c^{\left(k\right)})\mathrm{dt}$

其中T为信号的周期，u_ab ^(k)为第k次谐波AB线电压值，u_bc ^(k)为第k次谐波BC线电压值，i_a ^(k)为第k次谐波A相电流值，i_c ^(k)为第k次谐波C相电流值。

将两个线电压、两个相电流的数据送入DSP后，DSP对这些数据进行FFT运算，得出各次电压电流的谐波幅值、相位可代入以下计算中。

具体计算过程如下：

表1谐波有功功率的计算流程

其中，u_ab为A、B两相之间的线电压，u_bc为B、C两相之间的线电压，i_a为A相的相电流，i_c为C相的相电流，i表示第几个周期，k代表谐波的次数(k的初值为1)。u_abk为A、B两相之间的第k次谐波线电压值，u_bck为B、C两相之间的第k次谐波线电压值，i_ak为A相的第k次谐波电流值，i_ck为C相的第k次谐波电流值。WH_FPH代表峰期正向谐波有功电度，WH_FNH代表峰期反向谐波有功电度，WH_GPH代表谷期正向谐波有功电度，WH_GNH代表谷期反向谐波有功电度，WH_PH代表正向谐波有功电度，WH_NH代表反向谐波有功电度。

表2谐波无功功率的计算流程

其中，u_ab为A、B两相之间的线电压，u_bc为B、C两相之间的线电压，i_a为A相的相电流，i_c为C相的相电流，i表示第几个周期，k代表谐波的次数(k的初值为1)。VH_NH代表反向谐波无功电度，VH_PH代表正向谐波无功电度，VH_P代表正向无功电度，VH_N代表反向无功电度。u_abk为A、B两相之间的第k次谐波线电压值，u_bck为B、C两相之间的第k次谐波线电压值，i_ak为A相的第k次谐波电流值，i_ck为C相的第k次谐波电流值。

Claims (3)

1.一种电力用户谐波监测统计装置，其特征在于包括：

信号采集调理单元、模数转换单元、数字信号处理单元DSP、管理处理单元MCU、存储单元、外部通讯单元、显示单元、按键输入单元，其中信号采集调理单元采集到的线电压信号和相电流信号输入到模数转换单元进行模数转换处理得到对应的数字信号，数字信号处理单元对所述的数字信号进行各种计算处理并将需要存储和显示的数据利用串口通讯传输到管理处理单元MCU，管理处理单元利用IIC总线将数据送入存储单元进行永久存储，并将所需显示的数据送入显示单元进行显示，并通过外部通讯单元实现RS485和调制解调器和串行打印机，GSM功能，通过按键输入单元输入相应的功能指令。

2.根据权利要求1所述的电力用户谐波监测统计装置，其特征在于上述信号采集调理单元包括连接于三相电路中的至少二个电流互感器、至少十个精密电阻网络和运算放大器、有源滤波器、锁相环单元，其中通过精密电阻网络分压采集到的线电压信号及电流互感器采集到的相电流信号经过精密电阻转换为电压信号，分别由运算放大器进行隔离放大后，其一方面输入到有滤波器进行滤波处理得到对应的电压采样信号和电流采样信号，并将所述的电压采样信号和电流采样信号输入模数转换单元的对应输入通道中，其另一方面输入到锁相环单元中进行相位跟踪处理得到采样控制信号，并将采样控制信号输入到模数转换单元的控制输入端，模数转换单元依据该控制输入脚的采样控制信号完成电压数据采样和电流数据采样并将采样的数据送到数据总线上由数字信号处理单元DSP读取对应的数据和进行各所所需的计算。

3.根据权利要求1或2所述的电力用户谐波监测统计装置，其特征在于上述管理处理单元MCU采用内置有铁电存储器的具有两个SCI串行口的VRS51L3074，其通过SCI串行口一与数字信号处理单元DSP通讯，上述存储单元采用内置有实时时钟模块的RAMTRON公司的FM31系列铁电存储器，其通过IIC总线与管理处理单元MCU进行通讯；其通过SCI串行口二与外部通讯单元通讯，外部通讯单元通讯采用串口扩展芯片GM8125，通过上述SCI总线二与管理处理单元MCU进行通讯，其另一方面通过扩展接口外接RS 485或调制解调器和串行打印接口或GSM接口等外部串行设备。

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