CN206583969U - 一种插座式单相电力谐波分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电力谐波分析仪，具体地说，涉及一种插座式单相电力谐波分析仪。在所述插座内设计有EMC电源模块、开关模块、锁相环同步测量模块、WIFI通信模块、OLED显示屏、DSP中央处理模块，通过专用的全相位快速傅里叶变换算法（ApFFT）进行计算分析，可以精确地计算得出功率、功率因素、电压和电流的基波频率、电压和电流的0~31次谐波的幅值和相位等，运算后得到的数据储存在DSP中央处理模块中的数据存储单元中，并在OLED显示屏上进行实时显示，此外，WIFI通信模块可以与上位机进行无线连接，将数据上传至上位机软件中进行进一步计算分析。该装置具有操作容易、体积小方便携带、成本低、实时性、测量精度高、抗干扰能力强、可靠性高等优点。

Description

一种插座式单相电力谐波分析仪

技术领域

本实用新型涉及电力谐波分析仪，更具体地说，涉及一种插座式单相电力谐波分析仪。

背景技术

近年来，随着电力电子技术的高速发展，越来越多大功率的电力电子器件在电网中得到应用，随之而来的谐波问题也越来越严重。大功率电力电子器件的谐波电流注入电网后，造成了电网电压的波形畸变，严重影响了电网的供电质量，对电网中各用户的电气设备的安全经济运行造成了威胁。

进行电力谐波分析的目的在于，为了将电力谐波造成的危害最大程度地降低，减少电力谐波给用户用电设备、变电站设备以及电力系统载波通讯造成的危害，就必须首先精确实时定量地对电网的谐波进行分析，包括电压电流谐波的成分、幅值和相位等。

在传统的微机谐波分析中广泛采用快速傅里叶变换(FFT)作为主要方法，但是基于固定采样频率的非整周期截断数据进行FFT时，存在频谱混叠、频谱泄漏和栅栏效应，它们会对谐波分析的结果造成较大的精确度问题，常用的做法是整周期采用或对数据进行“加窗”，前者在实际应用中容易受采样频率偏差的影响，降低了信号特征量的提取精度，后者虽然可以抑制旁瓣泄漏，但是会引入“主瓣模糊”的问题，因此“加窗”法不适用于信号谐波频率复杂的情况。

全相位FFT方法最初是为解决信号数据的截断误差而提出的。全相位FFT主要包括全相位数据预处理和FFT两个部分，该方法考虑了所有的数据分段情况，具有相位遍历性，因而削弱了波形首尾幅值跳变，使得信号处理性能得以改性。

实用新型内容

为了准确地测量分析电网的电压谐波和用户负载的电流谐波情况，并具备简单易用，方便携带，即插即用等优点，使得用户可以方便实时地获取电网谐波情况，同时还能根据实际需要对数据进行二次处理，本实用新型提供了一种插座式单相电力谐波分析仪，设置有插座，在所述插座内设置EMC电源模块、开关模块、锁相环同步测量模块、WIFI通信模块、OLED显示屏、DSP中央处理模块。

作为优选，所述EMC电源模块以及锁相环同步测量模块的输入端分别并联至220V电网，所述开关模块串联进交流220V电网；

作为优选，所述EMC电源模块的输出端分别与开关模块、OLED显示屏、DSP中央处理模块、WIFI通信模块、锁相环同步测量模块相连接；

作为优选，所述DSP中央处理模块分别与开关模块、OLED显示屏、WIFI通信模块、锁相环同步测量模块相连接。

作为优选，所述EMC电源模块包括防雷保护电路、抗干扰电路、AC-DC转换电路、滤波电路以及DC-DC转换电路，上述各电路依次相连；

作为优选，防雷保护电路直接接入220V交流线路，DC-DC转换电路的输出端分别与开关模块、OLED显示屏、DSP中央处理模块、WIFI通信模块、锁相环同步测量模块连接。

作为优选，所述WIFI通信模块接收来自DSP中央处理模块的数据，并将数据上传至上位机软件。

作为优选，所述锁相环同步测量模块包括信号传感单元、二阶滤波器、过零比较器、锁相环芯片、分频器、信号调理单元、AD转换芯片。所述信号传感单元接入220V交流电路，其输出与二阶滤波器和信号调理单元分别连接，所述二阶滤波器、过零比较器、锁相环芯片依次连接，所述锁相环芯片与分频器连接形成闭环，所述锁相环的输出作为AD转换芯片的转换启动信号，所述AD转换芯片的输出接DSP核心芯片。

作为优选，所述DSP中央处理模块包括DSP核心芯片和数据存储单元，所述DSP核心芯片分别与开关模块、OLED显示屏、WIFI通信模块、锁相环同步测量模块、数据存储单元连接；

作为优选，所述DSP核心芯片采用TMS320F28335芯片；

作为优选，DSP核心芯片TMS320F28335接收AD转换芯片输出的测量数据，经运算处理可以得到单相电压、电流的有效值，负载的功率、功率因素、频率，应用全相位快速傅里叶变换算法把电压电流的基波和各次谐波分离，并分别计算可以得到电压各次谐波幅值和相位、电流各次谐波幅值和相位，并算出电压、电流谐波的总畸变率。

与现有技术相比，本实用新型插座式单相电力谐波分析仪在传统谐波分析仪的基础上通过锁相环同步测量模块可以实现交流同步采样，消除频谱泄漏和栅栏效应，即插即用，插座内TMS320F28335核心芯片利用全相位快速傅里叶算法（ApFFT）对AD转换芯片输出的测量结果进行分析计算，计算结果经WIFI通信模块上传至上位机软件，供用户进行对数据进行二次处理，同时在OLED屏幕上实时显示当前电压、电流、功率、频率、谐波、当前插座设置等信息，通过本实用新型的插座式单相电力谐波分析仪，可以快速简单准确地获取电网中的谐波信息，对消除谐波影响具有指导意义。

附图说明

图1为本实用新型的插座式单相电力谐波分析仪的结构示意图。

图2为一个实施例的插座式单相电力谐波分析仪的结构示意图。

图3为一个应用例的插座式单相电力谐波分析仪的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本实用新型，并非为了限定本实用新型。

请参阅图1和图2，本实用新型的插座式单相电力谐波分析仪包括EMC电源模块、锁相环同步测量模块、开关模块、WIFI通信模块、DSP中央处理模块。

其中EMC电源模块以及锁相环同步测量模块的输入端分别并联交流220V线路，开关模块串联至交流220V线路；EMC电源模块的输出端依次与开关模块、OLED显示屏、DSP中央处理模块、WIFI通信模块、锁相环同步测量模块相接，DSP中央处理模块依次与开关模块、OLED显示屏、WIFI通信模块、锁相环同步测量模块、数据存储单元相接。

EMC电源模块包括防雷保护电路、抗干扰电路、AC-DC转换电路、滤波电路以及DC-DC转换电路，上述各电路依次相连；其中防雷保护电路直接接入220V交流线路，DC-DC转换电路依次与开关模块、OLED显示屏、DSP中央处理模块、WIFI通信模块、锁相环同步测量模块连接。防雷保护电路包含保险丝和压敏电阻，起到防雷击浪涌保护作用；抗干扰电路滤除共模干扰信号和差模干扰信号；AC-DC转换电路将高压交流转换为低压直流；滤波电路滤除AC-DC转换电路输出的纹波；DC-DC转换电路可以输出多种幅值的直流电压，从而满足不同功能模块对电源电压的需求。

锁相环同步测量模块包括信号传感单元、二阶滤波器、过零比较器、锁相环芯片、分频器、信号调理单元、AD转换芯片。信号传感单元接入220V交流电路，将电网的正弦大电压大电流变换成小电压小电流，其输出接二阶滤波器和信号调理单元，二阶滤波器和过零比较器将正弦信号调理为同频率的方波信号，作为锁相环芯片的输入，锁相环芯片和分频器连接形成闭环，将方波信号进行128倍频，作为AD转换芯片的转换启动信号，实现对电网的同步采样，其采样结果发送至DSP核心芯片。

DSP中央处理模块包括DSP核心芯片和数据存储单元。DSP核心芯片与开关模块、OLED显示屏、WIFI通信模块、锁相环同步测量模块、数据存储单元分别连接，作为系统的数据处理与控制核心，数据存储单元可以掉电存储短时内的测量数据。

为了更清晰本实用新型的插座式单相电力谐波分析仪，下面阐述一个较佳的应用例。

参见图3所示，图3是一个应用例的插座式单相电力谐波分析仪的结构示意图。包括EMC电源模块、开关模块、锁相环同步测量模块、WIFI通信模块、OLED显示屏、DSP中央处理模块。其中EMC电源模块及开关模块合并称为电源及开关模块01，所述的DSP中央处理模块、OLED显示屏和WIFI通信模块合并称为DSP核心处理及交互模块02，将锁相环同步测量模块称为03。

电源及开关模块01包括：防雷保护电路11、抗干扰电路12、AC-DC转换电路13、滤波电路14、DC-DC转换电路15、光耦驱动电路16、继电器17。防雷保护电路11直接接入220V交流电路，含1A250V保险丝和14D471K压敏电阻，起到防雷击浪涌保护作用；抗干扰电路12包括X安规电容、共模电感和Y电容，其中X安规电容抑制差模信号干扰，共模电感和Y电容抑制共模信号干扰，可以有效提高设备的抗干扰能力和系统可靠性；AC-DC转换电路13采用NE02-A05将220V交流转换为5V直流，经滤波电路14滤去纹波之后，DC-DC转换电路15中的TPS73633芯片将5V直流转换成3.3V直流，TPS73HD301将5V直流转换成1.9V和3.3V直流给各模块供电。光耦驱动电路16将DSP中央处理模块与220V交流线路隔离，其输入端与DSP核心芯片连接，输出端与继电器17连接，当接收到DSP核心芯片的信号时，光耦驱动电路将驱动继电器17动作将插座从线路断开。

DSP核心处理及交互模块02包括：OLED显示屏21、WIFI通信模块22、DSP核心芯片23、数据存储单元24。

所述WIFI通信模块32采用集成的低功耗WIFI模块USR-C215，该模块具有超小体积、超低功耗、多种工作模式可选的优点，作为沟通DSP核心芯片和上位机软件之间的桥梁，既可将实时数据上传至上位机软件，也可以向DSP核心芯片传达用户的命令。

所述DSP核心芯片23采用TMS320F28335芯片，该芯片对装置内的光耦驱动电路16、OLED显示屏21、WIFI通信模块22、AD转换芯片38进行控制，所述芯片接收AD转换芯片输出的测量数据，经运算处理可以得到单相电压、电流的有效值，负载的功率、功率因素、频率，应用全相位快速傅里叶变换算法把电压电流的基波和各次谐波分离，并分别计算可以得到电压各次谐波幅值和相位、电流各次谐波幅值和相位，计算结果存储于数据存储单元24中，同时显示在OLED显示屏21上，通过WIFI通信模块22将数据上传至上位机软件供用户进行二次处理。

锁相环同步测量模块03包括：信号传感单元31、二阶滤波器32、过零比较器33、锁相环芯片34、分频器35、信号调理单元36、AD转换芯片37。

所述信号传感单元31包括电压互感器DL-PT202EA和电流互感器DL-CT08CL5，互感器将用网的大电压、大电流转换为小电压、小电流信号，同时传感器还具备电气隔离的作用，防止线路过电压或过电流烧毁仪器，互感器的输出分两路，一路接二阶滤波器32的输入，作为锁相环同步倍频之用，另一路接信号调理单元36的输入，以供AD转换芯片采集数据。

所述二阶滤波器32采用四通道集成运放OPA4251芯片，所述过零比较器33采用LM311芯片，前者设置合适的截止频率将高频信号和直流分量滤去后，输出50Hz的正弦信号，经过零比较器33后输出占空比为50%的50Hz方波信号，作为锁相环芯片34的输入。

所述锁相环芯片34采用CMOS锁相环集成电路CD4046芯片，所述分频器35采用74LS393D计数器芯片，其设置为128分频，锁相环芯片34的输出经过分频器35进行128分频之后，与过零比较器33的输出信号进行比较，当两路信号频率相同时，锁相环入锁，锁相环芯片CD4046的输出方波信号即为电网基波频率的128倍频，该信号连接至AD转换芯片37的启动转换输入引脚，实现同步采样。

所述信号调理单元36采用运算放大器INA129芯片，所述AD转换芯片37采用16位8通道模数转换芯片AD7606，信号调理单元36将传感器的输出放大至AD转换芯片37的合适输入电压，AD转换芯片37最多可实现8通道的同时采样，可以对输入的电压电流信号进行同时采样，其启动转换引脚的输入为锁相环芯片34将电网基波频率进行128倍频之后的输出信号，其输出结果发送给所述DSP核心芯片23。

与现有技术相比，本实用新型插座式单相电力谐波分析仪在传统谐波分析仪的基础上通过锁相环同步测量模块可以实现交流同步采样，消除频谱泄漏和栅栏效应，即插即用，插座内TMS320F28335核心芯片利用全相位快速傅里叶算法（ApFFT）对AD转换芯片输出的测量结果进行分析计算，计算结果经WIFI通信模块上传至上位机软件，供用户进行对数据进行二次处理，同时在OLED屏幕上实时显示当前电压、电流、功率、频率、谐波、当前插座设置等信息，通过本实用新型的插座式单相电力谐波分析仪，可以快速简单准确地获取电网中的谐波信息，对消除谐波影响具有指导意义。

综上所述，本实用新型插座式单相电力谐波分析仪具有如下特点：

第一，装置可实现单相电气量的快速测量，采用插座式设计，无需安装，无需任何接线，即插即用，既可方便地完成对电压、单相电网电压谐波的测量和对用电设备电流谐波的。

第二，装置可实现高精度的单相电力同步采样，依托锁相环芯片CD4046和16位AD转换芯片AD7606，同步精度高，实时性好，测量精度高，采用全相位快速傅里叶算法（ApFFT）进行谐波分析，可精确地获得电压电流的各次谐波幅值和相位，从理论上消除了频谱泄漏和栅栏效应带来的谐波分析误差。

第三，装置具有良好的交互性，通过OLED显示屏进行测量结果的显示，通过WIFI通信模块将数据上传至上位机软件，用户可方便的获得原始测量数据并对数据进行二次处理，同时用户亦可对装置下达命令，控制装置的通断、测量模式和设置测量参数。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (5)

1.一种插座式单相电力谐波分析仪，设置有插座，其特征在于，在所述插座内设置EMC电源模块、开关模块、锁相环同步测量模块、WIFI通信模块、OLED显示屏、DSP中央处理模块；

所述EMC电源模块以及锁相环同步测量模块的输入端分别并联至220V电网，所述开关模块串联进交流220V电网；

所述EMC电源模块的输出端分别与开关模块、OLED显示屏、DSP中央处理模块、WIFI通信模块、锁相环同步测量模块相连接；

所述DSP中央处理模块分别与开关模块、OLED显示屏、WIFI通信模块、锁相环同步测量模块相连接。

2.根据权利要求1所述的插座式单相电力谐波分析仪，其特征在于，所述EMC电源模块包括防雷保护电路、抗干扰电路、AC-DC转换电路、滤波电路以及DC-DC转换电路，上述各电路依次相连；其中，防雷保护电路直接接入220V交流线路，DC-DC转换电路的输出端分别与开关模块、OLED显示屏、DSP中央处理模块、WIFI通信模块、锁相环同步测量模块连接。

3.根据权利要求1所述的插座式单相电力谐波分析仪，其特征在于，所述WIFI通信模块接收来自DSP中央处理模块的数据，并将数据上传至上位机软件。

4.根据权利要求1所述的插座式单相电力谐波分析仪，其特征在于，所述锁相环同步测量模块包括信号传感单元、二阶滤波器、过零比较器、锁相环芯片、分频器、信号调理单元、AD转换芯片,所述信号传感单元接入220V交流电路，其输出与二阶滤波器和信号调理单元分别连接，所述二阶滤波器、过零比较器、锁相环芯片依次连接，所述锁相环芯片与分频器连接形成闭环，所述锁相环的输出作为AD转换芯片的转换启动信号，所述AD转换芯片的输出接DSP核心芯片。

5.根据权利要求1所述的插座式单相电力谐波分析仪，其特征在于，所述DSP中央处理模块包括DSP核心芯片和数据存储单元，所述DSP核心芯片分别与开关模块、OLED显示屏、WIFI通信模块、锁相环同步测量模块、数据存储单元连接；

所述DSP核心芯片采用TMS320F28335芯片；

DSP核心芯片TMS320F28335接收AD转换芯片输出的测量数据，经运算处理可以得到单相电压、电流的有效值，负载的功率、功率因素、频率，应用全相位快速傅里叶变换算法把电压电流的基波和各次谐波分离，并分别计算可以得到电压各次谐波幅值和相位、电流各次谐波幅值和相位，并算出电压、电流谐波的总畸变率。