专利名称：电力谐波检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种检测仪，具体属于一种电力谐波检测仪。
背景技术：
电力系统正常运行时，它以额定电压和额定频率向用户供应电能。但在实际运行中，电网中的负载是不断变化的，负载中包含有各种非线性电力电子设备，如电感电容等，特别是在电器设备和电子系统控制领域广泛采用的开关电源、晶闸管等电子器件不可避免地产生非正弦波形，给电网带来扰动。除了这些电力电子设备外，供电系统中挂载有电弧炉、变频器、整流器、旋转电机等非线性负载，这些负载不像纯电阻用电设备，它们在消耗有功功率的同时还消耗大量的无功功率给电网造成很大的干扰，使供电网中的波形发生畸变，不再是单一的额定频率的正弦波波形。电网中产生大量频率大于额定频率的电流分量，这些频率大于额定频率的分量称为谐波分量。谐波的大量产生，成为当前电力系统中影响电能质量的重要因素之一。电力谐波对电力系统的危害主要表现在以下几个方面:( I)谐波对线路的影响(2)对电力变压器的影响(3)对 电力电容器的影响(4)对电机的影响(5)对继电保护和自动装置的影响( 6 )对通信线路产生干扰电力谐波检测的交流信号主要有:电压信号Ua，Ub, Uc,电流信号Ia，lb, Ic,1 (中线电流)，目前电力系统各种监测仪器中采用的采样方式一般为:“多路开关+采样保持+A/D转换”模式，这种模式硬件设计简单、成本低。在同步性要求不高的系统中可以得到很好的结果。但是在谐波分析中如果采用这种方式，即使在每周波采样128点的情况此下，对于19次此谐波，其相位最少也会带来6度的误差，这对于提取基波分量进行信号分析的系统而言，误差可以忽略，而对于高次谐波的测量，将使测量数据没有可信度。国内外出现不少关于电力谐波检测装置，国外电力谐波检测装置产品性能先进，适用范围广，且耐用可靠，但价格较为昂贵，且在测量功能、测量通道和数据齐全等方面存在不同程度的缺陷，国内产品价格较低，但是制造工艺较差，可靠性和精度普遍不高且大多不能便携，主要适用于谐波测量方面，而在高次谐波的分析、波形分析、采样窗口的选择、数据处理及结果输出方面与国外产品相比差距较大。
发明内容本实用新型的目的是提供一种测量精度精度、能够实时测量并且处理电能信号、携带方便的电力谐波检测仪。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:一种电力谐波检测仪，包括用于检测电压信号的电压传感器、用于检测电流信号的电流传感器、存储器以及通信模块，还包括用于采样信号处理的信号调理电路、锁相环系统、用于采集信号的A/D采样电路、用于数据处理的嵌入式处理器、用于人机互动的输入输出设备；一所述信号调理电路包括顺次连接的低通抗混叠滤波电路，电压跟随电路，信号整理电路，低通抗混叠滤波电路的输入端用于接收所采集的电压、电流信号，信号整理电路的输出端分两路，分别连接锁相环系统、A/D采样电路的输入端；一所述锁相环系统包括鉴相器、滤波电路、电平转换电路、函数发生器，所述信号调理电路输出方波到鉴相器的一个输入端，鉴相器的输出端，经滤波电路，电平转换电路，到函数发生器，函数发生器输出方波返回到鉴相器的另一输入端构成锁相环电路。所述电平转换电路包括依次相连的电压跟随电路与放大电路，电压跟随电路的输入端连接滤波电路的输出端，放大电路的输出端连接函数发生器的输入端。
所述函数发生器包括具有多种波形输出的振荡集成电路与运算放大电路，函数发生器的输入端与电平转换电路相连，函数发生器的输出端分两路，分别连接A/D采样电路、鉴相器的输入端。所述嵌入式处理器包括用于接收采集信号的数据采集模块、用于处理采集信号的分析模块、用于存储数据的压缩模块、用于数据传输的通讯模块、用于显示数据的展示模块、用于设定权限的管理模块。本实用新型的有益效果是，检测设备满足国标谐波测试仪器精度要求，基波幅值误差小于0.15%，谐波幅值误差小于3%，系统频率测量误差< 0.01Hz，可进行2 60次谐波测试。电路设计方面符合国际电子设备相关标准，满足低功耗，低辐射以及抗电磁干扰要求，对使用环境要求低。外观方面着眼于手持设备，尽可能保证体积小巧，易于携带。设备带有保护装置，能够防止因外界环境异常或人为误操作而造成的设备损坏。设备硬件具有良好的扩展性，可以根据需求方便增加或去除功能器件。软件方面采用优秀嵌入式操作系统和组件技术，应用程序界面友好，易于操作。以下结合附图对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的硬件架构图；图2是本实用新型所需正弦波发生电路原理结构图；图3是本实用新型所需电平转换电路原理图；图4是本实用新型所需输入及调理电路原理图；图5是本实用新型所需正弦波发生电路原理具体实施方式
图3中Ul、U2运算放大器，R1-R4电阻；图4中TRl变压器，Ul运算放大器，R1-R9电阻，C1-C3电容；图5中Ul函数发生器，R1-R6电阻，RV1-RV4变阻器，Cl电容。参照图1所述信号调理电路I的输入端与电压传感器2和电流传感器3连接，输出端分别与锁相环系统4的输入端、A/D米样电路5的输入端连接，A/D米样电路5的输入端与锁相环系统4的输出端连接，输出端与嵌入式处理器6连接，嵌入式处理器6与存储器7、输入输出设备8以及通信模块9连接。根据图2所述，电压互感器I采集电网电压，通过信号调理电路2，输入到鉴相器3的一个输入端，从鉴相器3的输出端,输出信号,经滤波电路4,电平转换电路5,输入函数发生器6，函数发生器6输出方波7返回到鉴相器3的另一输入端，函数发生器6输出正弦波到A/D采样电路。根据图4所述的输入及调理电路，运算放大器UlB构成电压跟随电路，运算放大器U1A、电阻R1-R4、电容Cl、C2构成低通抗混叠滤波电路，运算放大器U1C、电阻R6-R9、电容C3构成信号整理电路。系统采用的谐波检测算法中需要用到与电网电压同步的正余弦信号作为基准信号，所述信号的获取可以采用锁相环加正余弦函数发生器的方法，通过锁相环加正弦函数发生器的方法，可自动实时跟踪电网电压的频率和相位，不占用微处理器的软、硬件资源，大大降低了谐波检测算法编程的复杂度。实施案例:图1中电压传感器2测量的电压信号Ua，Ub, Uc,电流传感器3测量的电流信号Ia，lb, Ic,中性信号1，直接输入到信号调理电路1，参考图4，所述信号调理电路I可由精密电阻配合集成运放LM2902组成，通过电压互感器2，电流互感器3，低通抗混叠滤波电路处理后，滤除高频信号部分，使输入到后级的信号为有限带宽信号，经过信号调理电路中的电压跟随电路，避免前后电路对信号采集的影响，再通过信号整理电路，抑制由外界条件的变化带给电路的影响，滤去整流输出电压中的纹波。本实施中信号调理电路中附加了低通抗混叠滤波电路，再加上A/D采样芯片本身各通道都具有内置的反混叠滤波器，这使得本检测仪具有良好的抗干扰能力和抗混叠性能，保证处理器进行FFT运算以完成频谱分析时能带到准确结果。此信号分成两路，一路送入锁相环系统4，为实现频率测量和对信号同步做准备，另一路送入A/D采样电路5 ，对信号进行采样和保持。—路信号直接作为图2中鉴相器3的一个输入，鉴相器3、滤波电路4、电平转换电路5和函数发生器6组成一个锁相环(PLL)电路。当环路锁定时，输出与电网电压同步的正弦波，即同频同相，并且在时间上几乎没有延迟，所述鉴相器3使用⑶4046的PDI，所述滤波电路4由电阻和电容构成，通过电平转换电路5输入函数发生器6，电平转换电路参照图4所示，由两个运算放大器0P07串联组成，函数发生器参照图5，函数发生器ICL8038的正弦波失真度调整脚I和12通过变阻器RV2、RV3，电阻R4、R5构成桥式电路，使失真度减小到0.1%左右。引脚2即输出正弦波。方波输出脚9接一上拉电阻R3到+12V，使得输出的方波电平在士 12V之间。输出的方波经过电平转换电路，运算放大器U2，电阻R6构成电平转换电路，作为鉴相器3的另一个输入。由于ICL8038输出的方波和正弦波之间有900的相差，当环路锁定时，正好满足PDI输入输出波形占空比为50%的要求，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。该信号输入A/D采样电路，作为同步控制信号，用于控制采样电路的启动，实现对信号的同步采样，然后送入处理器，由其进行频率测量。通过由具有6路独立的16位高速高精度AD转换器ADS8364构成的A/D采样电路5，从锁相环系统4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，通过模数转换，输入嵌入式处理器C5410。所述转换器能保证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所产生的相位误差，且采样率和输入信号增益都是可编程的。嵌入式处理器先通过信号采集模块，接收采样电路输入的信号，再通过分析模块进行谐波、间谐波和动态谐波的分析计算。先用自适应算法选择窗宽避免频谱泄漏的最好方法就是选择的窗宽正好覆盖信号的一个或多个信号周期。在系统频率多变和间谐波成分未知的情况下进行谐波和间谐波的检测时遇到的频谱泄漏问题，此基于迭代程序的自适应算法提供了一个理想的解决办法。假定有一个信号_x(t) =sin(sπ ft)，其中频车/是一个随机数。设定采样频率为fs:每个周期T的采样数表示为Nt=fs/f,这是一个随机数并且在一般情况下不是一个整
数。设Nt=p1/p2，其中p1和p2为最大公约数为1的两个整数，用T乘以p2得到Tp=p2*T ,Tp覆盖了pw个周期(整数倍个周期)，在周期Tp内的采样数表示为Np=p2*fs/f，这是一个正整数并且总是覆盖了整数倍个周期T，即N是采样周期信号s(t)得到的离散时间信号s(n)(比如s(n) = s(n+N)，其中n为整数)的周期。如果用Np个样本来作DFT变换，那结果
中就不会有频谱泄漏效应。从Np=p2*fs/f,式可以看出，Np是采样周期信号s(t)得到的离
散时间信号s(n)的周期。如果用Np个样本来做DFT变换，那结果中就不会有频谱泄露效
应。从Np=p2*fs/f可以看出，周期Np是信号频率f和采样频率fs的一个函数。信号s(t)=sin(sπ ft)+sin(sπ f1t),其中fl=af.。当α为整数，表示有一个谐波成分；当α=α1/α2,其中α1, α2为最大公约数为1的两个整数。把它代入到地s(t) ,可以得到:[0045]s(t)=sin(sπ ft)+sin(sπ flt)=sin(sπα2fpt)+sin(sπαlfpt),，其中fp=f/α.这里基波为fp=f/α的两个谐波，其离散时间信号的周期可以由Np=p2*fs/f求出。[0047]当信号含有间谐波，周期Np是信号频率、采样频率和间谐波成分的函数。如果一个信号序列有Np个样本的周期，那么这Np个样本会在下个相邻的周期重复出现。这为自
动寻找周期Np的数字算法提供了一个切入点。假定有一个无限大小的离散时间信号S: S {s0s1s2...sp-1spsp+1...s2p-1s2ps2p+1}[0050]这个信号是一个有值序列的向量。两个离散信号的相关性可以用两个矢量的点积
来估计。基于式
权利要求1.一种电力谐波检测仪，包括用于检测电压信号的电压传感器(2)、用于检测电流信号的电流传感器(3)、存储器(7)以及通讯模块(9)，其特征在于:所述电力谐波检测仪还包括用于采样信号处理的信号调理电路(I)、锁相环系统(4)、用于采集信号的A/D采样电路(5)、用于数据处理的嵌入式处理器(6)、用于人机互动的输入输出设备(8)； 一所述信号调理电路(I)包括顺次连接的信号整理电路、电压跟随电路及滤波电路，信号整理电路的输入端用于接收所采集的电压、电流信号，滤波电路的输出端分两路，分别连接锁相环系统(4)、A/D米样电路(5)的输入端； 一所述锁相环系统⑷包括鉴相器(10)、滤波电路(11)、电平转换电路(12)、函数发生器(13)，所述信号调理电路(I)输出波形到鉴相器(10)的一个输入端，鉴相器(10)的输出端，经滤波电路(11)、电平转换电路(12)到函数发生器(13)，函数发生器(13)输出方波(14)返回到鉴相器(10)的另一输入端构成锁相环电路。
2.根据权利要求1所述的电力谐波检测仪，其特征在于:所述电平转换电路(12)包括依次相连的电压跟随电路与放大电路，电压跟随电路的输入端连接滤波电路的输出端，放大电路的输出端连接函数发生器(13)的输入端。
3.根据权利要求1所述的电力谐波检测仪，其特征在于:所述函数发生器(13)包括具有多种波形输出的振荡集成电路与运算放大电路，函数发生器(13)的输入端与电平转换电路(12)相连，函数发生器(13)的输出端分两路，分别连接A/D采样电路(5)、鉴相器(10)的输入端。
4.根据权利要求1所述的电力谐波检测仪，其特征在于:所述嵌入式处理器(6)包括用于接收采集信号的数据采集模块、用于处理采集信号的分析模块、用于存储数据的压缩模块、用于数据传输的通讯·模块、用于显示数据的展示模块、用于设定权限的管理模块。
专利摘要本实用新型提供了一种电力谐波检测仪，包括电压传感器、电流传感器、存储器以及通信模块，还包括用于采样信号处理的信号调理电路、锁相环系统、用于采集信号的A/D采样电路、用于数据处理的嵌入式处理器、用于人机互动的输入输出设备，本实用新型检测设备满足国标谐波测试仪器精度要求，基波幅值误差小于0.15%，谐波幅值误差小于3%，系统频率测量误差≤0.01Hz，可进行2～60次谐波测试。电路设计方面符合国际电子设备相关标准，满足低功耗，低辐射以及抗电磁干扰要求，对使用环境要求低。外观方面着眼于手持设备，尽可能保证体积小巧，易于携带。设备带有保护装置，能够防止因外界环境异常或人为误操作而造成的设备损坏。
文档编号G01R23/16GK203133168SQ20122069191
公开日2013年8月14日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者蔡秀珊, 高虹 申请人:浙江师范大学