CN205749675U - 一种谐波检测试验平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型为一种谐波检测试验平台，其组成主机部分和从机部分；主机部分的组成包括核心处理器模块和数据采集模块；从机部分的组成包括数据采集模块、数据处理模块、通讯模块、显示模块和电源模块；所述主机部分的核心处理器模块和数据采集模块相连；从机部分的数据处理模块分别与数据采集模块、通讯模块、显示模块、电源模块相连，电源模块还与数据采集模块相连；通讯模块与核心处理器模块相连接。本实用新型能克服电网频率波动影响，精确检测出电网电压频率，保证了在整周期内采集到完整的采样点数，同时还可以精确快速的独立完成谐波检测操作。
Description
技术领域
本实用新型装置可实现在实验室环境进行谐波电流实时数据采集并监测，同时采用EMD时域检测算法进行时域分析处理，使得谐波成分更加直观显示。同时作为试验平台，为了验证当前谐波检测算法的可行性与实用性，搭配去噪，谐波分析等等，提高实验分析效果。
背景技术
在电力系统中，谐波的存在严重影响了电能的质量。比如：降低电能利用率、使得设备老化、危害公共安全等。随着我国工业化进程的迅猛发展，电力电子元件的使用也越来越多，导致大量的谐波电流注入电网，造成正弦波畸变，电能质量下降。此外，谐波对人体有一定的危害，在人体细胞受到刺激兴奋时，细胞的静息电位会发生翻转或者局部异常的动作，当其电位的变化频率与谐波频率在一定程度上接近时，电磁辐射可能会直接损害人的心磁场和脑磁场，影响人的身体健康。因此，对谐波进行实时监测与分析尤为必要。因此，现在谐波检测也成为研究学者的热门。
目前，市场上最常用的检测仪表为感应型和磁电型电力测量仪表。尤其是电能表(多采用的是感应型)，在谐波较大的情况下，可能使得电表计量数值混乱，出现一定程度的误差，抗干扰能力也不是很好。此外，现在大多数谐波检测仪表，大多采用频域显示方式，并不能直观显示当前电流波形情况。
实用新型内容
本实用新型的目的为针对当前技术的不足，提供一种谐波检测试验平台。利用工控机和DSP作为核心器件，对电流信号进行采集，处理，分析和显示。以工控机作为主机，实现复杂算法的检测并验证其效果，同时作为主监控界面和实时分析显示界面，采用数据采集卡实现对谐波电流信号的采集；以DSP作为从机，在从机电路设计上，设计了锁相环电路，克服电网频率波动影响，能够精确检测出电网电压频率，保证了在整周期内采集到完整的采样点数，从而提高了谐波检测的精度。因而，从机在验证检测方法合理性后，通过触摸屏发出指令，能够精确快速的独立完成谐波检测操作。
本实用新型的技术方案为：
一种谐波检测试验平台，其组成包括：主机部分和从机部分；其中，主机部分的组成包括核心处理器模块和数据采集模块；从机部分的组成包括数据采集模块、数据处理模块、通讯模块、显示模块和电源模块。
所述主机部分的核心处理器模块和数据采集模块相连；从机部分的数据处理模块分别与数据采集模块、通讯模块、显示模块、电源模块相连，电源模块还与数据采集模块相连；通讯模块与核心处理器模块相连接。
所述的主机部分的核心处理器模块为工控机；
所述的主机部分的数据采集模块的组成包括第一电压传感器、第一电流传感器和数据采 集卡，其连接关系为：第一电压传感器、第一电流传感器分别与数据采集卡相连，数据采集卡与工控机相连；
所述的从机部分的数据处理模块为DSP芯片；
所述的从机部分的数据采集模块的组成包括第二电压传感器、第二电流传感器、信号调理电路和锁相环电路；其中，锁相环电路的组成包括过零比较电路、锁相电路和降压管，三者依次串联；连接关系为第二电压传感器、第二电流传感器分别与信号调理电路相连，然后信号调理电路与DSP芯片相连；同时第二电压传感器与过零比较电路相连，降压管与DSP芯片相连；
所述的从机部分的通讯模块为MAX485驱动芯片；
所述的从机部分的显示模块为液晶触摸屏；
所述的从机部分的电源模块为单输入双输出的电源芯片；
所述的从机部分的过零比较电路采用LM393比较器，锁相电路采用CD4046的CMOS锁相环。
本实用新型的有益效果为：本实用新型专利实现了谐波检测由频域向时域上的跨越，作为试验系统，以采用时域分解算法为主，可以先用工控机作为主机进行理论验证，然后采用TMS320F28335的浮点型DSP芯片作为从机的主要核心控制器，搭配锁相环电路实现整周期采样，能独立完成高精度的谐波检测，且通过液晶触摸屏实现参数调节和时域检测结果，通过RS485接口实现了主从机间的双向验证。经对比，验证了设备的实用性和谐波检测参数的高精度测量。此外，该使用新型专利且有利于实验测试研究，可双向验证复杂算法在谐波检测效果上的实用性。
附图说明
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的整体结构框图。
图2是本实用新型主机试验操作流程图。
图3是本实用新型从机试验操作流程图。
图4是实用新型装置的电压电流采样检测模块电路。其中，图4(a)为电压采样检测模块，图4(b)为电流采样检测模块；
图5是本实用新型从机的信号调理电路原理图。
图6是本实用新型从机的锁相环电路原理图。
图7是本实用新型从机的电源电路原理图。
图8是本实用新型主机机效果测试图。
图9是本实用新型从机机机效果测试图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行说明，但并不意味着保护范围仅限于此。
本实用新型为一种谐波检测试验平台，整体结构框图如图1所示，其组成包括：主机部 分和从机部分，其中主机部分的组成包括核心处理器模块1和数据采集模块2；从机部分的组成包括数据采集模块3、数据处理模块4、通讯模块5、显示模块6和电源模块7。
其中所述主机部分的核心处理器模块1和数据采集模块2相连；从机部分的数据处理模块4分别与数据采集模块3、通讯模块5、显示模块6、电源模块7相连，电源模块7还与数据采集模块3相连；此外，从机的通讯模块5与主机的核心处理器模块1相连接。
具体的连接方式如下所述。
主机部分：
所述的核心处理器模块1采用研华610H型工控机为核心，集数据处理、通讯和显示为一体的主控模块。其抗干扰性能好，能在高温下稳定工作，能够稳定运行数据分析程序同时清晰显示数据处理效果，以及保存数据。
通过数据采集模块2，核心处理器模块1接收数据并进行数据转化，然后滤波量化处理，经过控制算法得到各次谐波的幅值，频率信息，采用谐波分析，验证控制算法时域分解的准确性，同时清晰的显示，谐波显示情况。此外，采用USB转485的转换器与从机相连接，采用中断的方式等待接收从机发送的分析数据，判断数据接收是否正确，同时返回数据接收情况。
所述的数据采集模块2的组成包括电压传感器、电流传感器、数据采集卡组成，其连接关系为：电压传感器、电流传感器分别与数据采集卡相连，数据采集卡与工控机相连。所采用的传感器为北京森社公司的CHB-25NP型霍尔电流传感器、CHV-25P霍尔电压传感器。数据采集卡选用用研华1712L型PCI总线接口的数据采集卡。首先通过电压和电流传感器将大电压和大电流转化到额定范围内传到数据采集卡中，通过数据采集卡将模拟信号转化为精确的数字信号传入核心处理模块1中。
本实用新型涉及的协议或软件均为公知技术。
从机部分：
从机部分所有功能模块均以DSP为核心，采用TI公司TMS320F28335的浮点型DSP芯片作为中央处理器。具有高性能的3位CPU，工作频率高达150MHz，256K×16位的FLASH，16通道12位ADC模块。具有80ns的快速转换时间、2×8通道的输入多路选择器和2个采样/保持器，可进行单转换/连续转换，可选用内部或外部参考电压，3个串行通信(SCI)模块等等，精度高，成本低，功耗比较小，性能也比较高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速，这些可以很好的满足谐波检测系统的功能要求。
所述的数据采集模块3，该模块组成主要由电压传感器、电流传感器、信号调理电路以及锁相环电路组成；其中，锁相环电路的组成包括过零比较电路U1、锁相电路U2和降压管U3，三者依次串联；连接关系为电压传感器和电流传感器分别与信号调理电路相连，然后信号调理电路与DSP相连；同时第二电压传感器与过零比较电路U1相连，降压管U3与DSP相连。电压和电流传感器同样是选用森社的CHB-25NP型霍尔电流传感器和CHV-25P霍尔电压传感器。其中，过零比较电路U1采用LM393比较器，锁相电路U2采用CD4046的CMOS锁相环。工作方式为首先将采集到大电压和大电流信号通过电压和电流传感器等比例缩小后，经过信号调理电路转换到0-3V之间的信号传入DSP的A/D端口。信号调理电路的连接方式如图5所示。锁相环电路输出信号与DSP的CAP口单独连接，连接方式为将电压传感器采集到的电压信号经过U1过零比较，将正电压信号传入U2中，输出脉冲信号，因为输出为5V，所以需先经过U3降压后传入DSP，如此通过CAP捕捉口，检测到两次上升沿脉冲即为整个周期，从而确定电网的工频，确定准确分频系数，避免电网电压波动情况下引起的采样频率与信号频率不一致，保证采集到完整的整周期点数，防止后续的检测出现误差。其中，锁相环电路的连接如图6所示。
所述的数据处理模块4，该模块主要由控制器芯片组成，该控制器芯片主要选用TMS320F28335的浮点型DSP芯片。通过C语言编程实现，首先根据数据采集模块3，通过CAP捕捉锁相环发出的上升沿，计算工频的频率后，确定分频系数，进入中断，采集电压电流数据，采集完成后，通过算法进行分析处理，分析得到谐波的情况，然后通讯模块5传递给主机，同时通过显示模块6显示当前分析结果。
所述的通讯模块5的组成主要包括驱动芯片MAX485。从机与主机通信选用RS-485串行总线标准，RS485组成的半双工网络，一般是两线制，多采用屏蔽双绞线传输。采用485通讯方式，把TTL电平转换为RS485电平，其通讯方式采用半双工方式；其接收、发送端口以及使能端口经光耦接至单片机，增强抗干扰能力；两个输出端之间加120Ω匹配电阻。输出端分别通过光电耦合器与DSP的SCIRXC，SCITXC，GPIO61相连接。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。通讯协议选择Modbus-RTU模式，是一种主从式点对点的通讯协议，允许一台主机和多台从机之间进行数据通信，主机可以是微机(PC、工控机、PLC)、从机是仪表。通信方式采用主机请求，从机应答。即：主机提出命令请求，如果数据满足从机要求，从机发出数据响应。
所述的显示模块6，选择武汉谷鑫科技有限公司的TFT05RST080液晶触摸屏，色彩模式RGB565，分辨率800×600像素，最小工作电压5V-15V，该屏不仅能够显示当前波形信息，而且能够实时刷新波形数据，还附带触摸功能。TFT05RST080液晶触摸屏使用串口通讯，串口模式8N1 3.3V TTL/CMOS，全双工异步串口，其中起始位(1个)、停止位(1个)、数据位(8个)、校正位(0个)，可用波特率1200-921600bps，与1通信波特率大小设为115200bps。
所述的电源模块7,选用TPS767D301属于单输入双输出的电源芯片，其优点是功率大，驱动负载能力强，5V电压输入，3.3V和1.8V同时产生，满足TMS320F28335-DSP的谐波检测系统电源设计，连接方式如图7所示。
本实用新型涉及的协议或软件均为公知技术。
本装置运行的过程：主机开始后，首先先设置数据采集卡的采样点数，采样频率，通道数等参数，然后配置所用算法的参数，参数配置完成后，进入程序初始化阶段，采集电压电流数据，对进行数据预处理，然后进行算法分析，然后显示当前谐波分析的信息，循环采集实时波形信息，同时通讯中断一直处于接收状态，等待接收从机分析数据情况。从机开始后，首先接收一周期的电压波形信号，锁相环发出阶跃脉冲，DSP的CAP通过捕捉两个上升沿的时间间隔，判断电网工频的准确频率，从而确定定时器的分频系数，然后初始化所需寄存器，以及显示和通讯的操作，之后开始采集数据，采集完成后，进行数据分析处理，最后将分析后数据显示到液晶触摸屏上，同时在传回给主机。
本实用新型通过信号发生器发出的含有基波和三次谐波，幅值分别为1V和0.5V的信号作为测试信号，进行采集并检测，图8为主机选相测试的结果，图9为从机选相测试的结果，从图中可以看出，本实用新型能够准确的检测出谐波的时域信息，并验证了在相应的数据处理芯片的实用性。
本实用新型未尽事宜为公知技术。
Claims (2)
1.一种谐波检测试验平台，其特征为该平台的组成包括：主机部分和从机部分；其中，主机部分的组成包括核心处理器模块和数据采集模块；从机部分的组成包括数据采集模块、数据处理模块、通讯模块、显示模块和电源模块；
所述主机部分的核心处理器模块和数据采集模块相连；从机部分的数据处理模块分别与数据采集模块、通讯模块、显示模块、电源模块相连，电源模块还与数据采集模块相连；通讯模块与核心处理器模块相连接；
所述的核心处理器模块为工控机；
所述的数据采集模块的组成包括第一电压传感器、第一电流传感器和数据采集卡，其连接关系为：第一电压传感器、第一电流传感器分别与数据采集卡相连，数据采集卡与工控机相连；
所述的数据处理模块为DSP芯片；
所述的从机部分的数据采集模块的组成包括第二电压传感器、第二电流传感器、信号调理电路和锁相环电路；其中，锁相环电路的组成包括过零比较电路、锁相电路和降压管，三者依次串联；连接关系为第二电压传感器、第二电流传感器分别与信号调理电路相连，然后信号调理电路与DSP芯片相连；同时第二电压传感器与过零比较电路相连，降压管与DSP芯片相连；
所述的从机部分的通讯模块为MAX485驱动芯片；
所述的从机部分的显示模块为液晶触摸屏；
所述的从机部分的电源模块为单输入双输出的电源芯片。
2.如权利要求1所述的谐波检测试验平台，其特征为所述的过零比较电路采用LM393比较器，锁相电路采用CD4046的CMOS锁相环。
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