专利名称：基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表的制作方法
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己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的哮波电能表，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。
图1是本实用新型的原理框图2是信号调理部分电路图3为数据处理部分电路图； 图4为数据管理部分电路图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S800mV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Kref，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
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中，IoW)是第1类变形零阶贝塞尔函数，y9是窗函数的形状参数，为任意正数 值；W为FFT运算的数据长度，也是窗函数的长度(w-l,2,…7V-l)。
'本实施例中双谱线插值算法的示意图如图5所示，^和^分别表示真实频 率点附近的两根谱线，以基频厶-50Hz为例，则A^和^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；/尸^r(MA/)l和少HZw^24/)1，设义=(y2-^)/(y2+y!)、 " = &(2)
(3)
一 A:n—0.5，，可知a取值范围为[-0.5， 0.5]。 Kaiser窗的频谱幅度函数为
<formula>formula see original document page 7</formula> 如)<formula>formula see original document page 7</formula>可得
进行多项式拟合逼近，得到基于Kaiser窗的计算公式为 <formula>formula see original document page 7</formula>频率计算公式为
<formula>formula see original document page 7</formula>
幅值计算公式为
<formula>formula see original document page 7</formula>
相位计算公式为
<formula>formula see original document page 7</formula>
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。
权利要求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i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。
专利摘要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。
文档编号G01R23/16GK201352236SQ200820159518
公开日2009年11月25日 申请日期2008年12月2日 优先权日2008年12月2日
发明者周良璋, 张红瑛, 博 曾, 李聪聪, 杨步明, 毛群辉, 和 温, 滕召胜, 一 王, 王璟珣, 贺静丹, 高云鹏, 魏双双 申请人:湖南海兴电器有限责任公司