专利名称：电力线高次谐波分析计量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于分析计量供电系统中电力线高次谐波的计量仪，属于电力计量
背景技术：
随着供电系统中各种非线性负载的使用，造成大量的电力谐波，使电力污染日益严重。谐波污染对电网的危害主要有功率损耗增加，设备寿命缩短，接地保护功能失常，电网过热等，对配电系统，谐波会造成电子器件误动作，电容器损坏，中性线过载和电缆失火。
电网谐波产生的原因是整流器、UPS电源、电子调速设备、节能灯荧光灯系统、计算机、微波炉等电力电子设备的使用。在这些设备集中使用的地区，如工厂车间、公寓大厦、居民小区、写字楼、酒店商厦等。谐波污染相当严重，中线电流甚至会超过相电流值，造成电器设备寿命大为缩短，电网过热，甚至引发火灾。
电力谐波也是一种污染，基于其可能造成的负面影响，为了防止和谐波污染世界各国先后采取治理措辞。如制定相关标准，对产生谐波设备限制，局部重组电网结构。分离或隔离产生谐波的设备，使用滤波器等等。
对于谐波的检测，国际IECT和中国国标GB/T14549都一致采用富里叶级数解析法，将一个时域的连续畸变量转换到频域进行分析。
虽然，国际和中国国内均开发出谐波分析计量仪器，由于结构复杂，售价十分昂贵，从1～2万元到几万元以上，无形之中影响了这类设备在电力系统中推广使用。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种结构比较简单、计量准确、成本低、可以大面积推广使用的电力线高次谐波分析计量仪。
为了达到上述目的，本实用新型的解决方案是采用通用的元器件和集成电路与廉价的单片机构成电路的主体并配以相应的软件，便可实现对电网谐波的精确分析和计量。
该分析计量仪的线路包括三相电流、三相电压前置多路器；电流自动量程电路；锁相环同步电路；电流采样保持器和低通滤波器；电压采样保持器和低通滤波器；电压、电流后置多路器；电平位移电路；单片机微控制器；显示电路；通用串行总线USB数据存储器。
其电路走向为三相电流和三相电压信号经过前置多路器选择后，电流信号进入自动量程变换，以取得合适的幅值，与电压信号分别进入采样保持电路和低通滤波电路，然后，由后置多路器选中电压或电流信号进入电平位移电路，使之处理成单片机模数(A/D)转换器能接受的单极性信号，进入单片机9。
为了使该分析计量仪能完善地实现功能，在该计量仪的单片机中固化了系统软件和电流自动量程软件程序，这些软件流程优化了系统的运行。
本实用新型的有益效果由于采用普通的元器件和集成块及单片机配以自行开发的软件，使其结构简单，成本低，使之能大面积推广使用变成可能。因此，经济效益好，社会效益显著。
图1为本实用新型的计量仪的电气原理框图；图2为图1的锁相环同步采样电路原理图；图3为图1中的电流自动量程电路原理图；图4为图1中的电平位移电路原理图；图5为本实用新型系统软件流程图；图6为本实用新型的电流自动量程软件流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作详细地说明。
参照上图1，这是本实用新型硬件系统电路的原理框图。
三相电流和三相电压信号经过三相电流前置多路器1，三相电压前置多路器2选择后，电流信号进入自动量程电路3变换，以取得合适的幅值与电压信号分别进入电流采样保持和低通滤波5，电压采样保持器和低通滤波6，然后，由电压电流后置多路器7选中电压或电流信号进入电平位移电路8，使之处理成单片机模数A/D转换器能接受的单极性信号，进入单片机微控制器9，并通过显示屏10显示，也可以通过通用串行总线USB数据存储器11存储。
以上是本实用新型系统组成和信号传递关系。
本实用新型为获得高精度计量效果采用以下几种电路。
1.同步采样电路消除泄漏误差要获和高精度的富理叶级数变换，须解决两大误差效应即混叠效应和泄漏效应。前者可以提高对被测量的采样频率来抑制；或者反过来，对于已经给定的采样频率，采用低通滤波方式滤去高于采样频率1/2的信号。后者，通常有两种解决方式(1)软件方式采用窗函数与被测量进行卷积，凸现有用信号。这种方式无硬件成本开销，但处理不够彻底，(2)硬件方式是本发明的技术措施，虽增加了一些硬件，但可以彻底去除泄漏效应，获得较高的富里叶级数处理精度。该同步采样电路即图2所示。输入信号接到电阻R9的一端，R9的另一端接到三极管T1的集电极，二极管D1负极和三极管T2基极，三极管T2的发射极接二极管D1正极并接地，三极管T2集电极接电阻R11一端并接锁相环电路U8的第14脚；电阻R11的另一端接三极管T1的基极和电阻R12一端，电阻R12的另一端接电阻R10一端并接VCC，电阻R10另一端接三极管T1的发射极，锁相环电路U8第6、7脚接电容C12两端，锁相环电路U8的第11脚接电阻R13一端，电阻R13的另一端接锁相环电路U8的第5脚并接地，锁相环电路U8的第13脚接电阻R15一端，锁相环电路U8的第9脚接电阻R15的另一端和电阻R14一端，电阻R14另一端接电容C13一端，电容C13另一端接地，锁相环电路U8的第4脚接集成电路U9B的第10脚，并接输出PL-OUT，集成电路U9B的第9、15脚接地，集成电路U9B的第14脚接集成电路U9A第2脚，集成电路U9A的第1、7脚接地，集成电路U9A的第5脚接锁相环电路U8的第3脚。
上述电路使用输出PL-OUT点的方波频率为输入信号PL-in的N倍，并密切与输入信号频率保持同步。
2.电流自动量程电路参照图3，这是本实用新型的电流自动量程电路原理图。
由于被测量电流动态范围较大，为了使被测量在全量程范围内都有较好的测量精度，在系统中设置了电流自动量程电路。
该电路包括多路器U4，集成电路U3B及电阻器件，其连接关系为输入信号电压VIN接到电阻R8J一端，R8J的另一端接到集成电路U3B的第5脚，集成电路U3B的6脚接多路器U4的3脚，集成电路U3B的7脚为输出端VOUT，同时，该脚接多路器U3B的13、14脚和电阻R29，电阻R29的另一端接多路器U4的12、15脚及电阻R28的一端，电阻R28的另一端接多路器U4的1、5脚和电阻R27，电阻R27的另一端接多路器U4的2、4脚及电阻R26，电阻R26的另一端接多路器U4的6、11脚并接地，多路器U4的9、10脚接引出线C0，C1。
3.电平位移电路参见图4，这是本实用新型的电平位移电路8的电气原理图。输入模拟信号M-IN接电阻R24一端，电阻R24另一端接电阻R23一端和集成电路U10A第5脚，集成电路U10B第6脚接电阻R25一端和电阻R26一端，电阻R25另一端接地，电阻R26另一端接集成电路U10B第7脚，并接模拟信号输出M-OUT，电阻R23另一端接集成电路U10A第1脚和第2脚，集成电路U10A第三脚接电容C17一端和微调电位器W2的动触头，电容C17另一端接地，微调电位器W2的两个静触头一个接VCC另一个接地，上述安排是使微调电位器W2调整到模数转换器A/D工作电压的1/2处，此电压经集成电路U10A第1脚输出后与输入信号M-IN叠加，使原交流信号的零电平向上平移了1/2。
本实用新型除了系统硬件电路之外，还配有软件程序，主要包括数据采集、处理、储存和通讯几个部分，其中数据采集配合最为紧密。
在软件的数据处理中，特别上快富理叶(FFT)变换中，采用三字节浮点运算，显著提高了运算精度。
1.电压电流真有效值运算电压电流真有效值的离散数学模型见式1(以电压为例)URMS=1/NΣK=1NUK2]]>………………………式1式中URMS……………电压真有效值UK……………模拟电压采样瞬时值N……………每周期采样点数上式表明，对于电压或电流量，每周期采样N点，对于每一点数值UK平方后再累加，对累加和除以N之后开平方。由此，可以体现被测量的真有效值。该处理方法精度高且不受谐波干扰影响。
2.快速富理叶(FFT)变换对一个工频周期的电压电流波形采样N次并经快速富理叶(FFT)变换后，可得频域的富氏级数。见式2U=U0+Σn=1N/2Unm Sin(nω+Φn)]]>……………………式2式中U…………时域电压模拟量U0………直流分量
Unm………第n次谐波正弦波峰值Φn…………第n次谐波初相角N…………每周期采样点数由式2可知，对于N个时域采样信号，经过FFT处理后，可获得对应的N个频率样本。中O-N/2分别代表0～N/2次谐波。其余一半为前者的共轭。
3.波形畸变含量在式2运算基础上，可按式3计算总波形畸变含量UTHD=ΣK=1N/2UK2/UI×100%]]>………………………式3式中UTHD……………电压波形畸变含量UK……………第K次电压谐波幅值UI……………基波电压幅值参照上图5，这是本实用新型系统数据采集，数据处理程序流程图。
从上电初始化(12)开始，先选通某一相电压电流(13)，电流进入自动量程判断(14)，接着，每周期电压、电流采样(15)，然后进入换相判断(16)，如果是，返回选通另一相电压电流(13)依次向下流程，如果不是，进而计算三相电流、电压真有效值(17)，对三相电流、电压进行快速富里叶变换(FFT)(18)，按设定值筛选出超限(大于设定值)的电流、电压谐波量(19)，显示超限谐波次数和幅值及频谱直方图曲线(20)，与上位机通讯，存储相应超限量值(21)积算超限量值(22)，再次返回到选通某一相电压电流(13)。
参照上图6，这是本实用新型的电流自动量程流程图。
在设计电流自动量程电路对，要考虑到在全量程范围内都有较高的测量精度，所以在设置电路的同时，设置了软件。
对于一个周期已采样的值，先判断有无连续两个数值大于峰值或小于谷值，若有，则电流放大增益减一档，若无。进而判断是否全部数值小于1/2峰值量程，若部小于，则电流放大增益加一档。
其程序流程如下程序开始进入予采样一个周期(23)，设N点指针(24)，然后进入是否连续二次数值≥峰值判断(25)，和连续二次数值≤谷值判断(27)，如果是，电流放大倍数调低一档(26)，再返回(23)；若不是，再看全比较完了？判断(28)，如果是，再次进入设N点指针(29)，并比较是否大于1/2峰值的判断(30)，若全比较完了？(31)，则进入电流放大倍数调高一档(32)，并返回开始程序(23)，在大于1/2峰值判断(30)中，若有一个值超出1/2峰值，则认为当前量程合适，结束返回(33)。
权利要求1.一种电力线高次谐波分析计量仪，其特征在于它包括三相电流前置多路器(1)、三相电压前置多路器(2)、电流自动量程电路(3)、锁相环同步采样电路(4)、电流采样保持器和低通滤波(5)、电压采样保持器和低通滤波(6)、电压电流后置多路器(7)、电平位移电路(8)、单片机微控制器(9)、显示屏(10)、USB数据存储器(11)；其电信号传递关系为三相电流和三相电压信号经电流电压前置多路器(1、2)选择后，电流信号进入电流自动量程电路(3)变换，以取得合适的幅值，与电压信号分别进入电流电压采样保持电路和低通滤波电路(5、6)，然后，由电压电流后置多路器(7)中的电压或电流信号进入电平位移电路(8)，再进入单片机微控制器(9)进行数据处理，并通过显示屏(10)显示，可进入USB数据存储器(11)存储；在单片机微控制器(9)中固化了系统软件程序和电流自动量程软件程序。
2.如权利要求1所述的电力线高次谐波分析计量仪，其特征在于，所述的锁相环同步采样电路(4)，它包括锁相环电路U8、集成电路U9A、U9B，三极管T1、T2，二极管D1、电阻、电容器件；其连接关系是输入信号接到电阻R9的一端，R9的另一端接到三极管T1的集电极，二极管D1负极和三极管T2基极，三极管T2的发射极接二极管D1正极并接地，三极管T2集电极接电阻R11一端并接锁相环电路U8的笫14脚；电阻R11的另一端接三极管T1的基极和电阻R12一端，电阻R12的另一端接接电阻R10一端并接VCC，电阻R10另一端接三极管T1的发射极，锁相环电路U8的笫6、7脚接电容C12两端，锁相环电路U8的笫11脚接电阻R13一端，电阻R13另一端接锁相环电路U8的笫5脚并接地，锁相环电路U8的笫13脚接电阻R15一端，锁相环电路U8的笫9脚接电阻R15的另一端和电阻R14一端，电阻R14另一端接电容C13一端，电容C13另一端接地，锁相环电路U8的笫4脚接集成电路U9B的笫10脚，并接输出PL-OUT，集成电路U9B的笫9、15脚接地，集成电路U9B的笫14脚接集成电路U9A的笫2脚，集成电路U9A的笫1、7脚接地，集成电路U9A的笫5脚接锁相环电路U8的笫3脚。
3.如权利要求1所述的电力线高次谐波分析计量仪，其特征在于，所述的电流自动量程电路(3)，它包括集成电路U4，U3B及电阻器件；其电路连接关系为输入信号电压VIN接到R8J一端，R8J的另一端接到集成电路U3B笫5脚，集成电路U3B的6脚接多路器U4的3脚，集成电路U3B的7脚为输出端VOUT，同时，该脚接多路器U3B的13、14脚和电阻R29，电阻R29的另一端接多路器U4的12、15脚及电阻R28一端，电阻R28的另一端接多路器U4的1、5脚和电阻R27，电阻R27的另一端接多路器U4的2、4脚及电阻R26，电阻R26的另一端接多路器U4的6、11脚并接地，多路器U4的9、10脚接引出线C0，C1。
4.如权利要求1所述的电力线高次谐波分析计量仪，其特征在于，所述的电平位移电路(8)，它包括集成电路U10A、U10B和电阻，电容器件；其电路连接关系为输入模拟信号M-IN接电阻R24一端，电阻R24另一端接电阻R23一端和集成电路U10A笫5脚，集成电路U10B笫6脚接电阻R25一端和电阻R26一端，电阻R25另一端接地，电阻R26另一端接集成电路U10B笫7脚，并接模拟信号输出M-OUT，电阻R23另一端接集成电路U10A笫1脚和笫2脚，集成电路U10A笫3脚接电容C17一端和微调电位器W2的动触头，电容C17另一端接地，微调电位器W2的两个静触头一个接VCC另一个接地。
专利摘要本实用新型涉及一种电力线高次谐波分析计量仪，该计量仪包括电流、电压前置多路器、电流自动量程电路、锁相环同步采样电路、电流、电压采样保持器和低通滤波、电流、电压后置多路器、电平位移电路、单片机微控制器、显示屏；其信号传递为三相电流和三相电压信号经过电流、电压前置多路器选择后，电流信号进入自动量程电路变换，以取得合适的幅值，与电压信号分别进入电流、电压采样保持电路和低通滤波电路，然后，由电流.电压后置多路器中的电流或次电压信号进入电平位移电路，再进入单片机微控制器进行数据处理，并显示和存储。本计量仪采用普通元器件、集成块和并配以软件，使结构简单，成本低，可以在电力系统大面积推广。
文档编号G01R23/16GK2798102SQ20042003779
公开日2006年7月19日 申请日期2004年7月22日 优先权日2004年7月22日
发明者林在荣 申请人:林在荣