一种具有三次谐波限制功能的微机消谐装置的制作方法

本实用新型涉及一种具有三次谐波限制功能的微机消谐装置。

背景技术：

在电力系统中，铁磁谐振频繁发生，谐振时会产生过电压，严重威胁系统安全。铁磁谐振过电压可以在3-220kV的任何系统中发生，特别是在35kV及以下的电网中，几乎所有的内部过电压事故均由铁磁谐振引起，铁磁谐振引起的过电压持续时间长，甚至可能长期存在。在分频谐振时，一般过电压不高，但是PT的电流大，易使PT过热爆炸；基波和倍频谐振时，一般电流不大，但是过电压很高，常使设备绝缘损坏，造成恶性事故。谐振对电力系统安全运行构成危害，轻则使电压互感器一次熔丝熔断，重则烧毁电压互感器，甚至炸毁瓷绝缘子及避雷器造成系统停运。二次消谐装置主要是上述问题而研发的产品。但是对于所带负荷为电弧炉的变电站，电网中产生的谐波以三次谐波为主。三次谐波不仅会引起零线过热，酿成火灾隐患；还会引起变压器温升过高，从而烧毁变压器，给变电站带来巨大的经济损失。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型目的是提供一种可以限制电网中三次谐波对变压器和零线的影响，同时还要能够准确区分基频谐振和单相接地，以免造成电压互感器长时间过载而烧毁的具有三次谐波限制功能的微机消谐装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：

一种具有三次谐波限制功能的微机消谐装置，包括电源模块、采样模块、CPU处理模块、液晶显示模块和消谐模块，所述电源模块分别与采样模块、CPU处理模块、液晶显示模块和消谐模块电性连接，所述采样模块、CPU处理模块和液晶显示模块依次信号连接，所述CPU处理模块与消谐模块连接。所述电源模块包括二极管和电容。所述采样模块内配置有16位高分辨率A/D芯片。所述液晶显示模块内设置有74LS273触发器。

所述电源模块对整台装置提供电源；所述采样模块对PT开口三角电压进行采样转换、处理；所述CPU处理模块对采集模块采集的信号经CPU模块内部设计来进行运算、逻辑判断等，然后经过控制回路输出来消谐及告警；所述液晶显示模块实时显示系统日历、时钟、PT开口三角电压4各种频率：3分频(17Hz)、2分频(25Hz)、工频(50Hz)、3倍频(150Hz)的电压分量以及显示三次谐波功能的投入及退出；所述消谐模块包含二次消谐与三次谐波抑制，对采集到的系统铁磁谐振与三次谐波予以消除。不仅可以消除各种频率下的铁磁谐振过电压，还可以限制电网中三次谐波对变压器和零线的影响，同时还可以能够准确区分基频谐振和单相接地。

在电压互感器二次侧电压信号短通过端子排接入具有三次谐波限制功能的微机消谐装置的U0,通过该装置启用二次消谐与三次谐波抑制功能，装置实时监测PT开口三角电压，当系统发生铁磁谐振、接地、过压、三次谐波时，装置可以迅速判断并且报警。

本实用新型技术效果主要体现在以下方面：消谐模块能够加强二次消谐装置的功能，在此基础上实现三次谐波抑制的功能，同时改善其在消除铁磁谐振的过程中存在的不足之处，从而减弱铁磁谐振过电压对电压互感器的影响。加强对电网谐波中成分比重较大的三次谐波的限制，尽可能地消除三次谐波对电力系统的影响。实现性能的最大化及最优化。该装置不仅要实时显示各种频率下的电压大小，还能记录基频谐振、分频谐振以及高频谐振的次数及发生谐振的时间，且掉电后不会丢失。配置通信接口将各种故障信息及谐振次数传送至有关部门，便于工作人员及时消除故障，减少损失。

附图说明

图1为本实用新型一种具有三次谐波限制功能的微机消谐装置的结构框图。

图2为本实用新型一种具有三次谐波限制功能的微机消谐装置的电源模块原理图。

图3为本实用新型一种具有三次谐波限制功能的微机消谐装置的电压采集模块原理图。

图4为本实用新型一种具有三次谐波限制功能的微机消谐装置的cpu处理模块原理图。

图5为本实用新型一种具有三次谐波限制功能的微机消谐装置的液晶显示模块原理图。

图6为本实用新型一种具有三次谐波限制功能的微机消谐装置的消谐模块原理图。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步详述，以使本实用新型技术方案更易于理解和掌握。

如图1所示，一种具有三次谐波限制功能的微机消谐装置，包括电源模块1、采样模块2、cpu处理模块3、液晶显示模块4以及消谐模块5；所述电源模块1对整台装置提供电源；所述采样模块2对PT开口三角电压进行采样转换、处理；所述CPU处理模块3对采集模块采集的信号经CPU模块内部设计来进行运算、逻辑判断等，然后经过控制回路输出来消谐及告警；所述液晶显示模块4实时显示系统日历、时钟、PT开口三角电压4各种频率：3分频(17Hz)、2分频(25Hz)、工频(50Hz)、3倍频(150Hz)的电压分量以及显示三次谐波功能的投入及退出；所述消谐模块5包含二次消谐与三次谐波抑制，对采集到的系统铁磁谐振与三次谐波予以消除。本实用新型不仅要消除各种频率下的铁磁谐振过电压，还要限制电网中三次谐波对变压器和零线的影响，同时还要能够准确区分基频谐振和单相接地。

如图2所示，为装置电源部分，电源完成系统采样信号输入端的电压偏置作用，通过二极管整流、电容滤波变成直流，经电阻及电容的分压处理，通过运算放大器的内部进行放大隔离，完成电源的实现，其中，C28、C29、C30实现系统电压的抗干扰处理即退耦功能。

如图3所示，为装置的采集电压部分，装置配置有16位高分辨率A/D芯片，该芯片是一款单片双通道高性能模数转换器，此转换器能够以 370MSPS 的采样速率将模拟输入信号转换为 16 位数字信号。这款转换器使用具有集成输入缓冲器的差分管道式架构，以便在保持低功耗的同时提供出色的动态性能。集成输入缓冲器消除了来自内部开关电容器采样电路的电荷回馈噪声，并且简化了驱动放大器、抗混叠滤波器以及阻抗匹配的系统级设计。一个输入采样时钟分频器用可配置相位选择提供整数分频比，以简化系统计时。集成低噪声电压基准在无需外部去耦合电容器的情况下简化电路板级设计。

通过对PT开口三角电压的采集，对电网谐振时的各种频率成分能快速分析，准确地辨别出：单相接地；系统过电压；电网谐振。

如图4所示，为装置的CPU处理部分，CPU采用美国Atmel公司精简指令集（RISC）单片微控制器ATmega128,数据采集、运算、逻辑判断、控制输出等速度快，精度高，自带“看门狗”（Watchdog）电路，抗干扰、自检及自恢复等能力强。128K字节的系统内可编程Flash(具有在写的过程中还可以读的能力，即RWW)、4K字节的EEPROM、4K字节的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器(T/C)、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC(具有可选的可编程增益)、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口(此接口同时还可以用于片上调试)，以及六种可以通过软件选择的省电模式。

空闲模式时CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态；ADC噪声抑制模式时CPU和所有的I/O模块停止运行，而异步定时器和ADC继续工作，以减少ADC转换时的开关噪声；Standby模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。

本实用新型的工作原理是：装置实时监测PT开口三角电压，运用离散傅立叶变换即DFT算法计算出零序电压四种频率的电压分量。内部配置压敏元件，该元件的电抗会随着谐波电压的变化而变化，从而破坏PT铁磁谐振的产生条件。达到实时在线消除运行过程中瞬态谐振的目的，极大地降低谐振产生的可能性。若存在三次谐波，再将三次谐波控制字投入后，瞬间启动三次谐波限制功能。

在消谐过程中，使用最优决策算法，即寻找合理的消除点。在将三次谐波限制控制字投入后，装置对采集到的输入量进行分析、计算和判断，若为其他谐波量引起的谐振，则启动消谐电路，使压敏电阻动作，让铁磁谐振在阻尼作用下迅速消失。此时，CPU系统进行记录、存贮，并自动报警、显示谐振信息（时间、频率、电压值）。如果电路是过电压或单相接地故障，微机系统检测后，分别给出显示和报警，并记录、存贮有关故障信息。CPU系统处理完后，返回起始状态，并继续检测电路中的状态。

如图5所示，为装置的液晶显示部分，利用74LS273的锁存功能，使CPU送出的数据在接口电路的输出端保持一段时间锁存后状态不再发生变化，直到解除锁定。与LED连接要维持一个数据的显示，往往要持续的快速的刷新。大大占用了处理器的处理时间，消耗了处理器的处理能力，还浪费了处理器的功耗。 锁存器的使用可以大大的缓解处理器在这方面的压力。当处理器把数据传输到锁存器并将其锁存后，锁存器的输出引脚便会一直保持数据状态直到下一次锁存新的数据为止。这样在数码管的显示内容不变之前，处理器的处理时间和IO引脚便可以释放。可以看出，处理器处理的时间仅限于显示内容发生变化的时候，这在整个显示时间上只是非常少的一个部分。而处理器在处理完后可以有更多的时间来执行其他的任务。

如图6所示，为装置的消谐部分, 装置实时监测PT开口三角电压，运用离散傅立叶变换即DFT算法计算出零序电压四种频率的电压分量。内部SSR元件，该元件的电抗会随着谐波电压的变化而变化，从而破坏PT铁磁谐振的产生条件。达到实时在线消除运行过程中瞬态谐振的目的，极大地降低谐振产生的可能性。若SSR未能完全消除PT产生的铁磁谐振，则瞬间启动三次谐波限制器的压敏电阻予以消除。

本实用新型技术效果主要体现在以下方面：消谐模块能够加强二次消谐装置的功能，在此基础上实现三次谐波抑制的功能，同时改善其在消除铁磁谐振的过程中存在的不足之处，从而减弱铁磁谐振过电压对电压互感器的影响。加强对电网谐波中成分比重较大的三次谐波的限制，尽可能地消除三次谐波对电力系统的影响。实现性能的最大化及最优化。该装置不仅要实时显示各种频率下的电压大小，还能记录基频谐振、分频谐振以及高频谐振的次数及发生谐振的时间，且掉电后不会丢失。配置通信接口将各种故障信息及谐振次数传送至有关部门，便于工作人员及时消除故障，减少损失。

当然，以上只是本实用新型的典型实例，除此之外，本实用新型还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。