CN201141893Y - 电网谐波测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电网谐波测试仪，其包括数字处理器(DSP)和对采集数据进行处理的信号处理电路，该信号处理电路包括信号整理电路、同步采样控制电路、采样处理电路；信号整理电路用于将采集到的信号整理后输送到同步采样控制电路和采样处理电路中，避免杂波干扰出现误差，从而保证测量数据的准确；同步采样控制电路中的锁相倍频电路对采样处理电路中的采样保持电路进行触发，实现同步采样，使采样处理电路输送到数字处理器(DSP)中的信号与数字处理器(DSP)从同步采样控制电路接收的采样频率同步，达到实时测量的目的，克服了软件同步采样法存在截断误差等缺点，测量精度高。

Description

电网谐波测试仪

技术领域

本实用新型涉及电能质量检测领域，尤其涉及一种电网谐波测试仪。

背景技术

我国电力系统测量分析方面正在飞速发展，技术水平不断提高，但与国外还有较大差距，高精度测量、实时监控和先进算法的运用方面不够先进，而且大多功能单一。

在国外工业发达国家，电能质量问题早已被当作电力系统面临的重要问题看待，各国均在加强有关电能质量问题的研究，并提出一系列综合检测控制和管理方法。其国外产品发展也相对成熟，如美国福禄克公司的F43B型电能质量分析仪(Power Quality Monitor，PQM)是一种将示波器、万用表和电能质量分析仪集为一体的手持式仪器，能够测量包括真有效电压、电流、功率、功率因数和真功率因数，高至51次谐波、谐波相位和谐波失真总量，可用于电能质量和一般设备故障的诊断，常规电力维护，预防事故发生；还有瑞典联合电力公司(UNIPOWER)开发的U900F便携式电能质量分析仪等，他们采用硬件DSP技术对电信号进行分析处理。

电能质量检测仪的传统设计大多采用工业计算机配备数据采集卡，来实现电能质量的数据采集和分析，这类设备主要存在以下不足：由于采用计算机作为现场检测分析工具，导致设备成本偏高；设备配制的灵活性、通用性比较差，往往只能用于特定的操作环境；现场设备不具备实时分析能力，大量采样数据都要传送给专门的分析工具去处理，导致对现场设备的存储量要求很大。另外，PC机的采用加大了设备的成本。因此，需要设计和开发新型的电能质量检测设备，同时它必须具有很高的实时性，并且能根据需要随时查阅相关数据。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种电网谐波测试仪，测量精度高、能够实时测量并处理电能信号、简易便携。

一种电网谐波测试仪，其中：该测试仪包括数字处理器和对采集数据进行处理的信号处理电路，该信号处理电路包括信号整理电路、同步采样控制电路、采样处理电路；

其中，信号整理电路包括顺次连接的精密电压电流互感器、信号整理电路、电压跟随电路和低通抗混叠电路，精密电压电流互感器的输入端用于接收所采集的电压、电流信号，低通抗混叠电路的输出端分两路，分别连接同步采样控制电路、采样处理电路的输入端；

所述采样处理电路包括顺次连接的采样保持电路、A/D转换器、第一数据缓冲电路，采样保持电路的输入端连接低通抗混叠电路的输出端，第一数据缓冲电路的输出端与数字处理器的电压电流数据信号读取端口连接；

所述同步采样控制电路包括顺次连接的过零检测电路、模拟开关、锁相倍频电路，过零检测电路的输入端连接低通抗混叠电路的输出端，模拟开关的控制信号输入端连接数字处理器的采样控制端，锁相倍频电路的输出端分两路分别与所述采样保持电路输入端、数字处理器的采样频率读取端连接。

所述的电网谐波测试仪，其中：该测试仪还包括JTAG仿真接口电路，通过串口通讯总线连接于数字处理器的通讯控制端。

所述的电网谐波测试仪，其中：该测试仪还包括看门狗及电源监视电路，连接于数字处理器的复位输入端。

所述的电网谐波测试仪，其中：该测试仪还包括人机接口电路，该人机接口电路包括LCD显示电路和键盘接口电路，其中LCD显示电路和键盘接口电路分别通过第二、第三数据缓冲电路与数字处理器相应的通用输入/输出端口对应连接。

所述的电网谐波测试仪，其中：该测试仪还包括有用于存储处理后数据的数据存储器，连接于数字处理器的通用输入/输出端口。

所述的电网谐波测试仪，其中：该测试仪还包括有用于存储程序的程序存储器，连接于数字处理器的通用输入/输出端口。

所述的电网谐波测试仪，其中：该测试仪还包括为测试仪提供工作时钟信号的实时时钟电路，连接于数字处理器的时钟输入端。

所述的电网谐波测试仪，其中：该测试仪还包括用于与以太网、上位机连接的串口通信电路，连接于数字处理器的通用输入/输出端口。

本实用新型采用上述技术方案将达到如下的技术效果：

本实用新型的电网谐波测试仪中，所述的信号整理电路用于将采集到的信号整理后输送到同步采样控制电路和采样处理电路中，避免杂波干扰出现误差，从而保证测量数据的准确；同步采样控制电路中的锁相倍频电路对采样处理电路中的采样保持电路进行触发，实现同步采样，使采样处理电路输送到数字处理器中的信号与数字处理器从同步采样控制电路接收的采样频率同步，从而达到实时测量并送入数字处理器进行实时处理的目的，克服了软件同步采样法存在的截断误差等缺点，测量精度高；测试仪采用DSP芯片作为数字处理器，简易便携，可作为现场检测分析工具。

附图说明

图1为电网谐波测试仪的原理框图。

具体实施方式

实施例：

一种电网谐波测试仪，其包括数字处理器(DSP芯片)和对采集数据进行处理的信号处理电路，该信号处理电路包括信号整理电路、同步采样控制电路、采样处理电路；

其中，信号整理电路包括顺次连接的精密电压电流互感器U1、信号整理电路U2、电压跟随电路U3和低通抗混叠电路U4，精密电压电流互感器U1的输入端用于接收所采集的电压、电流信号，低通抗混叠电路U4的输出端分两路，分别连接同步采样控制电路、采样处理电路的输入端；

所述采样处理电路包括顺次连接的采样保持电路U5、A/D转换器U6、第一数据缓冲电路U7，采样保持电路U5的输入端连接低通抗混叠电路U4的输出端，第一数据缓冲电路U7的输出端与数字处理器DSP芯片(U)的电压电流数据信号读取端口连接；

所述同步采样控制电路包括顺次连接的过零检测电路U8、模拟开关U9、锁相倍频电路U10，过零检测电路U8的输入端连接低通抗混叠电路U4的输出端，模拟开关U9的控制信号输入端连接数字处理器DSP芯片(U)的采样控制端，锁相倍频电路U10的输出端分两路分别与所述采样保持电路U5输入端、数字处理器DSP芯片(U)的采样频率读取端连接。

从现场取来的电压和电流信号，首先进入精密电压、电流互感器组U1，精密电压、电流互感器组U1可采用霍尔元件或仪用电压、电流互感器，电压和电流信号经其进行降压限流处理后进入信号调理电路U2；信号调理电路U2可由精密电阻和电位器配合高精度集成运放INA118P组成，以完成对电压信号的电平调整；经过精密电压、电流互感器组U1、信号调理电路U2处理后，从现场取来的高压、大电流信号就转换成适合后续电路处理的弱电信号，接着然后该弱电信号进入电压跟随电路U3，电压跟随电路U3可由集成运放OP27组成，设置电压跟随，可以避免前后电路对信号采集的影响；然后，电压跟随电路U3处理后的信号进入低通抗混叠滤波电路U4，低通抗混叠滤波电路U4主要有低通抗混叠滤波器组成，用于滤除高频信号成分，使输入到后级电路中的A/D转换器的信号为有限带宽信号，该电路U4是以很小的衰减让有效的频率信号通过，而抑制这个频带以外的频率信号，从而防止信号的频谱发生混叠及高频干扰，在本实施里中，低通抗混叠滤波电路U4采用了两阶低通抗混叠滤波器，再加上后级电路中A/D转换器本身各个通道都具有内置的反混叠滤波器并采用∑-A/D转换原理、输入方式采用差动输入，这就使得本测试仪系统具有良好的抗干扰能力和抗混叠性能，这也保证了数字处理器DSP芯片U进行FFT运算以完成频谱分析时能得到准确的结果。

从低通抗混叠滤波电路U4出来的信号分成两路，一路送入采样保持电路U5，对信号进行采样和保持，以供A/D转换器U6转换，另一路送入过零检测器U8，为实现频率测量和对信号同步采样做准备。

采样保持电路U5可由LF398组成，其作用是将取样后的信号值存储起来，保持一段时间，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值，以供A/D转换器U6转换。A/D转换器U6采用AD73360，是16位6通道的串行可编程A/D转换器，它能保证6路模拟信号同时采样，且在变换过程中延迟很小，从而有效地减少了由于采样时间不同而产生的相位误差，且其采样率和输入信号增益都是可编程的。AD73360与DSP芯片(本实施里中的DSP芯片采用TMS320VC33)都支持六线工业标准同步串行接口，由于接口信号线的数目只有六条，所以这样不仅节约了印制板的面积，而且也有效地减小了电磁干扰，从而使得本测试仪系统组成简洁高效、运行更加稳定。从A/D转换器U6出来的数字信号还不能直接送入数字处理器DSP芯片U，因为DSP芯片的数据总线是为各个芯片服务的，不可能为一个输出而一直保持一种状态，因此，在A/D转换器U6和DSP芯片U之间加入了第一数据缓冲电路U7，数据缓冲电路U7主要由芯片74LS377组成，主要功能是对A/D转换器U6输出的数据进行保持，即数据保存，以供DSP芯片U进行处理。本实施例中，DSP芯片上还设置有数据存储器U12，用于对DSP芯片的内部存储器进行扩展，以便存储更多的处理后数据，DSP芯片U通过板内逻辑及译码电路控制A/D转换器U6的启动和对数据存储器U12的读写操作。由于A/D转换器U6的输入方式采用差动输入，因此在其上加入了差分输入的正反向参考电压Vref，U11，以确保A/D转换器U6的正常工作。

从低通抗混叠滤波电路U4出来的另一路信号进入过零检测器U8，由过零检测器U8将输入的正弦波变成产生能够反应信号周期的矩形脉冲信号输出，为后续处理电路做好准备，过零检测器U8可由二极管配合集成运放LM339构成。过零检测器U8输出的矩形脉冲信号经过模拟开关U9送入锁相倍频电路U10，模拟开关U9可选用CD4051，由DSP芯片U根据每周期需要采样的样本数和需要采样的路数，计算出模拟开关通道切换的周期和时刻，然后由其通道采样信号控制端(通用I/O口)连接模拟开关U9的控制信号输入端，控制多路模拟开关U9进行通道的选择和切换。

从模拟开关U9出来的信号进入锁相倍频电路U10，锁相倍频电路U10可由集成锁相环CD4046和计数分频电路CD4060构成，通过集成锁相环CD4046对输入信号进行跟踪并最终锁定，当环路锁定时，锁相环便输出一个和电网频率相等的信号，即用锁相环来实现频率跟踪，此信号再经过计数分频电路CD4060后得到一个128倍频的输出信号，该128倍频的输出信号输出后分作两路，一路送入DSP芯片(U)，由其进行频率测量，另一路作为采样保持器的同步控制信号，用于控制采样保持器的启动，以实现对信号的同步采样。

该锁相倍频电路U10有以下几个作用：其一，进行频率合成，由于本装置使用高速数字处理芯片DSP作为主控制器，取样后的电压、电流信号频率太低，会影响采样保持及A/D转换等处理环节，通过频率合成，可以增加信号的频率，即把经过过零检测电路产生的能反应信号周期的矩形脉冲信号根据需要变成更多的脉冲，以匹配整个系统的同步工作；其二，具有锁相功能即相位锁定，以实现硬件同步采样，这是准确测量实时信号的关键，利用锁相环产生的信号去控制数据采样，克服了软件同步采样法存在截断误差等缺点，测量精度高；其三，其是由计数分频电路CD4060对锁相环产生的与电网频率相等的信号脉冲计数，并送入DSP芯片，这样可以分解DSP的负担，提高DSP的利用率，其工作过程大致如下：首先DSP芯片用指令对计数分频电路CD4060设定计数初值，然后启动其进行工作，计数器一旦开始工作后，DSP就可以去做别的工作了，等计数器计到预定时间，便自动形成一个输出信号，该信号可用来向DSP提出中断请求，通知DSP定时时间已到，使DSP作相应的处理，另外该输出信号还用于启动采样保持电路工作，

采样保持电路(U5)根据从锁相倍频电路接收到的同步控制信号对输入信号进行同步采样、量化、编码后将输入的模拟信号转换成离散信号，并通过内部的缓冲放大器进行保持或输出到A/D转换器(U6)进行模数转换。

本测试仪还包括：

指示灯U16，用于提供系统运行状态和故障报警的灯光指示，其连接于DSP芯片U的一通用I/O端。

JTAG仿真接口电路U15，采用IEEE标准仿真接口，为测试仪系统利用仿真器进行系统调试提供支持，既简化系统设计，又提高系统的性能，其利用串口通信总线连接于DSP芯片U的通信控制端。

看门狗及电源监视电路U24，采用硬件电路结构，以防系统出现故障。看门狗就是在系统发生程序跑飞或死机等故障时，对系统进行重新置位或者复位，以便系统恢复正常运行。本装置选用MAX813来完成系统的看门狗和电源监视功能，其输出端连接于DSP芯片U的复位输入端。

串口通信电路，其包括DSP芯片上设置的用于与上位机进行通讯的接口电路，其是由电平转换电路U21、RS232接口U22串接而成，以及用于与以太网U25连接的接口电路，为数据的实时传输提供通道。DSP芯片通过串口通信电路与上位机通讯，发送各电力参数的检测值，和上位机方便地完成信息传递并且进行数据交换；DSP芯片还可通过以太网接口利用现有网络实现高速传输，为数据的远程通信和组成监控网提供支持，以便实现电网控制的网络化和智能化。其中所述的RS232接口和以太网接口，分别通过总线的方式连接于DSP芯片U的I/O控制端。电平转换电路U21是为了让接口RS232的电平和DSP的I/O接口电平匹配而设置的一个转换电路，可采用专门的电平转换电路MAX232来实现，其分接于DSP相应的I/O接口和RS232的输入端；以太网接口U25可采用以太网络控制芯片RTL8019AS实现，利用TCP/IP协议实现通讯。

实时时钟电路U23，为系统提供全局的工作时钟信号，以满足系统定时采集数据，记录越限值的出现时间，统计总的掉电时间，实时时钟数据的读取等需要，可采用高精度实时时钟芯片SD2000B实现该功能，其时钟输出信号连接于DSP芯片U的时钟输入端。

人机接口电路，包括键盘控制电路和LCD显示电路，其中，LCD显示电路通过数据缓冲电路U17与DSP芯片相应接口连接，键盘控制电路中键盘接口U20通过第三数据缓冲电路U19与DSP芯片相应接口连接，通过该键盘控制电路和相应接口，操作人员用键盘和显示器可根据需要来设置各种运行参数、实时查看各种数据，以便对系统进行有效的控制。键盘接口U19通过8位高速总线缓冲器74F244连接于DSP芯片U的通用I/O端；利用LCD显示器U18可以重现用户输入的数据信息、向用户报告计算机执行程序后生成的结果数据、对各种参数实时显示，显示内容可包括：信号实时波形，谐波综合数据，谐波有功功率、无功功率频谱，其他电力参数等。由于LCD属于慢速设备，如果将DSP芯片U的总线直接与该器件相连接，就要插入很长时间的硬件等待状态，就会对整个系统的运行速度产生极大的影响，因此在LCD显示器和DSP之间连接的第二数据缓冲电路U17可以解决此问题，第二数据缓冲电路U17可由两片74F273组成，其输入端以总线方式连接于DSP芯片U的通用I/O端，输出端连接于LCD显示器U18；第三数据缓冲电路U19是键盘接口与DSP芯片(U)进行正确对话的“媒介”，由于按键是一个机械开关，所以在键被按下或释放的过程中常会发生抖动，或者会发生多键同时按下的情况，如果不进行处理，DSP芯片(U)便不能得到正确的编码信息，也就不能正确识别按键的输入信号，通过第三数据缓冲电路U19，以及软件配合，可以解决上述问题，从而正确、有效地进行键值编码，确定键，以得到正确的按键信号。

数据存储器U12和程序存储器U13是对DSP芯片U的片内RAM的扩展。由于本测试仪系统变量和处理程序较多，而DSP芯片U的片内RAM有限，因此需要对存储器扩展。根据DSP芯片U片内RAM的特点，数据存储器U12主要存放经DSP芯片U处理过的各种数据，可选用具有16位总线宽度的存储器IS61LV6416-10T，特点是该芯片采用3.3V供电，可以和DSP直接连接而不用加入电平转换芯片，并且该芯片操作速度较快；程序存储器U13主要用于固化DSP芯片U的各种运算程序，可选用快速电可擦写的非易失型FLASH存储器芯片AM29LV400B-100EC，不但可以使程序在掉电时不丢失，同时又可提高程序存储器的操作速度。由于这类芯片都是电可擦写的，因此使得程序的固化和改写都变得相当容易，真正实现了系统可编程功能。数据存储器U12和程序存储器U13通过其数据和地址总线连接于DSP芯片U的通用I/O端。

Claims (8)

1、一种电网谐波测试仪，其特征在于：该测试仪包括数字处理器和对采集数据进行处理的信号处理电路，该信号处理电路包括信号整理电路、同步采样控制电路、采样处理电路；

其中，信号整理电路包括顺次连接的精密电压电流互感器、信号整理电路、电压跟随电路和低通抗混叠电路，精密电压电流互感器的输入端用于接收所采集的电压、电流信号，低通抗混叠电路的输出端分两路，分别连接同步采样控制电路、采样处理电路的输入端；

所述采样处理电路包括顺次连接的采样保持电路、A/D转换器、第一数据缓冲电路，采样保持电路的输入端连接低通抗混叠电路的输出端，第一数据缓冲电路的输出端与数字处理器的电压电流数据信号读取端口连接；

所述同步采样控制电路包括顺次连接的过零检测电路、模拟开关、锁相倍频电路，过零检测电路的输入端连接低通抗混叠电路的输出端，模拟开关的控制信号输入端连接数字处理器的采样控制端，锁相倍频电路的输出端分两路分别与所述采样保持电路输入端、数字处理器的采样频率读取端连接。

2、如权利要求1所述的电网谐波测试仪，其特征在于：该测试仪还包括JTAG仿真接口电路，通过串口通讯总线连接于数字处理器的通讯控制端。

3、如权利要求1所述的电网谐波测试仪，其特征在于：该测试仪还包括看门狗及电源监视电路，连接于数字处理器的复位输入端。

4、如权利要求1所述的电网谐波测试仪，其特征在于：该测试仪还包括人机接口电路，该人机接口电路包括LCD显示电路和键盘接口电路，其中LCD显示电路和键盘接口电路分别通过第二、第三数据缓冲电路与数字处理器相应的通用输入/输出端口对应连接。

5、如权利要求1所述的电网谐波测试仪，其特征在于：该测试仪还包括有用于存储处理后数据的数据存储器，连接于数字处理器的通用输入/输出端口。

6、如权利要求1所述的电网谐波测试仪，其特征在于：该测试仪还包括有用于存储程序的程序存储器，连接于数字处理器的通用输入/输出端口。

7、如权利要求1所述的电网谐波测试仪，其特征在于：该测试仪还包括为测试仪提供工作时钟信号的实时时钟电路，连接于数字处理器的时钟输入端。

8、如权利要求1所述的电网谐波测试仪，其特征在于：该测试仪还包括用于与以太网、上位机连接的串口通信电路，连接于数字处理器的通用输入/输出端口。

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