CN201352236Y - 基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于Kaiser窗双谱线插值FFT(快速傅立叶变换)的谐波电能表，属于电力系统领域。它主要由三部分构成：(1)信号调理部分，将系统中电压电流模拟信号通过电阻分压网络和CT电阻取样网络，变成mV级交流小信号送入6通道同步采样ADC；(2)数据处理部分，ADC转换数字量经数字低通滤波、直流偏置校正、比差角差校正后，采用可自由选择主瓣与旁瓣衰减之间的比重、旁瓣电平低、衰减速度快的Kaiser窗对信号进行加窗FFT处理，运用双谱线插值技术检测被测信号中的基波和各谐波量；(3)数据管理部分，包括MCU芯片、实时时钟、FRAM与FLASH存储器、通信接口电路、图形点阵液晶，由MCU为核心管理基波和各谐波量，采用图形化点阵液晶显示谐波柱状分析图。

Description

基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表

技术领域

本实用新型属于电力系统领域，涉及一种电能表，具体涉及一种基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表。

背景技术

随着电力电子技术的发展，非线性设备在电力系统中得到广泛应用，非线性设备带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成的威胁日趋严重。基波与谐波的精确测量可为电网电能计量、谐波潮流计算、设备入网检测、电力系统谐波补偿与抑制等提供科学依据。

基波与谐波分量检测技术一般有：(1)基于频域分析的FFT方法，其特点是电网频率波动时，检测精度较低；(2)滤波器检测谐波方法，其特点是难以获得理想频率特性；(3)基于瞬时无功功率理论的方法，其特点是计算量大，处理复杂；(4)基于神经网络理论和小波变换的方法，其特点是计算量大，难以在嵌入式系统中实现。

基于FFT的基波、谐波分析算法，易于在DSP(数字信号处理器)上实现，是当今应用最广泛的一种谐波分析方法。在电力系统中，电网电压、电流畸变导致基波频率变化，由于非同步采样造成FFT算法存在频谱泄露和栅栏效应等问题，使得基波与谐波检测的精度受到影响。减少FFT算法的频谱泄露和栅栏效应影响、提高电测量中基波和各谐波检测精度是电测量信号分析和电能质量管理中的难题。

已有专利文件“测量工厂谐波的方法和测量仪”(200310105446.2)，“计量工厂谐波的方法和计量仪”(200310105446.2)，“电力系统谐波定量计量方法和计量仪”(98110414.2)等。其发明的目的是精确定量地测量电力系统中谐波电压、电流的动态特性。已有技术的不足之处是：已有技术提供了一些基波与谐波测量的电气设备设计方法，但由于谐波具有多样性、随机性和多态性等特征，基波频率波动造成的频谱泄露和栅栏效应依然存在，因此实时、高精度的基波与谐波测量分析难以实现。

发明内容

为克服已有技术的不足，本实用新型的目的在于提供基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表，提供能实现高准确度谐波计量、多次谐波参数统计与分析的发明方案。

本实用新型的技术方案是：

1系统构成

该基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表，主要由三部分组成：

(1)信号调理部分，将系统中额定值为110V或1.5A的电压电流模拟信号，通过电阻分压网络和CT电阻取样网络，变成≤800mV的交流小信号送入6通道同步采样ADC。

(2)数据处理部分，采样数据通过专用接口送入DSP数据处理部分，ADC转换数字量经过数字低通滤波、直流偏置校正、比差和角差校正后，采用可自由选择主瓣与旁瓣衰减之间的比重、旁瓣电平低、衰减速度快的Kaiser窗对信号进行加窗FFT处理，运用双谱线插值和多项式拟合技术检测被测信号中的基波和各谐波量。

(3)数据管理部分，包括MCU芯片、实时时钟、FRAM与FLASH存储器、通信接口电路、图形点阵液晶，由MCU为核心管理基波和各谐波量，采用图形化点阵液晶显示谐波柱状分析图。

2工作原理

基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表中ADC转换器和DSP处理器采用专用SPORT口相连，DSP处理器和MCU芯片采用异步串行总线UART口相连，MCU芯片外部同时连接实时时钟、FRAM与FLASH存储器、通信接口电路、图形点阵液晶，由MCU芯片控制完成工作。

基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表选用的Kaiser窗是可自由选择主瓣与旁瓣衰减之间的比重的一类最优化窗函数，在非同步采样情况下，不加窗的FFT运算将存在严重的频谱泄露和栅栏效应，检测精度低，加Kaiser窗双谱线插值FFT算法的频谱泄露和栅栏效应能显著降低，能有效提高基波与谐波检测精度，且设计实现灵活。

基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表，采用的双谱线插值FFT算法是指在非同步采样情况下，离散谱线与真实频率谱线存在偏差，通过寻找真实频率点附近的两根峰值谱线，采用多项式拟合的方法，求出实用的插值计算式，由此求取真实谱线处的频率值、幅值和初相位。

本实用新型的有益效果是，不受专用计量芯片性能和功能的限制，可基于自身开发的优良算法，实现更高次的谐波分析和更高准确度的电能计量。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图；

图2是信号调理部分电路图；

图3为数据处理部分电路图；

图4为数据管理部分电路图；

图5为本实用新型的基于Kaiser窗双谱线插值FFT方法示意图；

图6为本实用新型的基于Kaiser窗双谱线插值FFT处理基本流程图；

具体实施方式

实施例：

本实用新型的原理框图如图1，各部分如图2、图3、图4所示，包括6通道同步ADC转换器、DSP处理器、单片机及各外围电路。ADC选用16位高速6通道同步采样芯片AD73360L，DSP处理器选用ADSP-BF533、单片机选用M30624FGPFP，谐波检测最高次数为21次。

三相电网电压、电流模拟信号分别经过电阻分压网络和CT电阻取样网络进行信号调理，得到≤800mV的交流小信号。后级接入参数相同的RC低通滤波器(截至频率1591Hz，满足21次谐波采样)，保持采样前后电压、电流间的相位差一致。CT后端接入开关二极管1SS123限幅，防止电流互感器CT一次侧电流过大损坏器件。选用高精度和高热稳定性的基准电源ADR127为AD73360L提供+1.247V的外部参考电压V_REF，保证采样电路有较高的精度和热稳定性。

采样数据A/D转换(模数转换)后通过SPORT接口送至ADSP-BF533数据处理单元，经过数字低通滤波、直流偏置校正、比差和角差校正后，由ADSP-BF533完成构建离散Kaiser窗，进行加窗双谱线插值FFT处理，得到各次谐波参数。

本实施例中离散Kaiser窗的表达式如下

$w\left(n\right)=\frac{I_0\left[\mathrm{\β}\sqrt{1-{\left(\frac{n}{N/2}\right)}^2}\right]}{I_0\left(\mathrm{\β}\right)},0\≤\left|n\right|\≤N/2---\left(1\right)$

式中，I₀(β)是第1类变形零阶贝塞尔函数，β是窗函数的形状参数，为任意正数值；N为FFT运算的数据长度，也是窗函数的长度(n＝1，2，…N-1)。

本实施例中双谱线插值算法的示意图如图5所示，k₁和k₂分别表示真实频率点附近的两根谱线，以基频f_s＝50Hz为例，则k₁和k₂将位于40～60Hz频率范围内，找出该范围内的两根峰值谱线，则真实频率点位于两根谱线之间。两条谱线的幅值分别为y₁＝|X_W′(k₁Δf)|和y₂＝|X_W′(k₂Δf)|，设λ＝(y₂-y₁)/(y₂+y₁)、α＝k_i-k_i1-0.5，，可知α取值范围为[-0.5，0.5]。

Kaiser窗的频谱幅度函数为

$W\left(w\right)=\frac{N-1}{I_0\left(\mathrm{\β}\right)}\·\frac{\sinh \left(\sqrt{{\left(\mathrm{\β}\right)}^2-{[(N-1)w/2]}^2}\right)}{\sqrt{{\left(\mathrm{\β}\right)}^2-{[(N-1)w/2]}^2}}\·e^{-j\frac{N-1}{2}w}---\left(2\right)$

令w＝2πk/N，可得

$W\left(\frac{2\mathrm{\πk}}{N}\right)=\frac{N-1}{I_0\left(\mathrm{\β}\right)}\·\frac{\sinh \left(\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-{[(N-1)\mathrm{\πk}/N]}^2}\right)}{\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-{[(N-1)\mathrm{\πk}/N]}^2}}\·e^{-j\frac{N-1}{N}\mathrm{\πk}}---\left(3\right)$

进行多项式拟合逼近，得到基于Kaiser窗的计算公式为

α＝H(λ)＝4.26201515λ+0.50674586λ³+0.22516483λ⁵

+0.13687018λ⁷                                    (4)

频率计算公式为

f₀＝k₀Δf＝(α+k₁+0.5)Δf            (5)

幅值计算公式为

$A=\frac{(y_1+y_2)}{N}\·(3.81160858+0.79465173{\mathrm{\α}}^2+0.08673112{\mathrm{\α}}^4$

$+0.00679640{\mathrm{\α}}^6)---\left(6\right)$

相位计算公式为

通过基于Kaiser窗双谱线插值处理频谱分析，分离出基波分量及2～21次谐波分量，凭借ADSP-BF533实时高速性完成电参量测量、谐波分析、谐波电能计量等任务。处理结果通过异步串口发送至MCU管理单元，由M30624FGPFP配合各外围模块实现谐波电能数值和柱状图显示，以及数据统计、存储、通信等工作。

Claims (5)

1、一种基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表，其特征在于，它由三部分组成：

(1)信号调理部分，将系统中额定值为110V和1.5A的电压电流模拟信号，通过电阻分压网络和CT电阻取样网络，变成≤800mV的交流小信号送入6通道同步采样ADC；

(2)数据处理部分，采样数据通过专用接口SPORT口送入DSP数据处理部分；

(3)数据管理部分，包括MCU芯片、实时时钟、FRAM与FLASH存储器、通信接口电路、图形点阵液晶，由MCU为核心管理基波和各谐波量，采用图形化点阵液晶显示谐波柱状分析图。

2、根据权利要求1所述的基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表，其特征在于：ADC转换器和DSP处理器采用专用SPORT口相连，DSP处理器和MCU芯片采用异步串行总线UART口相连，MCU芯片外部同时连接实时时钟、FRAM与FLASH存储器、通信接口电路、图形点阵液晶，由MCU芯片控制完成工作。

3、根据权利要求1所述的基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表，其特征在于，所述的6通道同步采样的芯片型号为AD73360L。

4、根据权利要求1所述的基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表，其特征在于，所述的DSP芯片型号为ADSP-BF531/2/3或TMS320VC5501/2。

5、根据权利要求1所述的基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表，其特征在于，所述的MCU芯片型号为M30624FGPFP。

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