智能高次谐波试验装置的制作方法

专利名称：智能高次谐波试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及对电网中的谐波量进行测试的装置，特别是采用电压电流稳定的
谐波源注入系统，准确测试运行电网中谐波阻抗大小，并结合频谱分析，寻找谐振点，是一种准确的高次谐波试验测量装置。
背景技术：
随着工矿企业的飞速发展，在冶金、机械、交通的各个领域大量采用了晶闸管整流和随机启停运行方式，给电力网络带来严重影响，造成三相失衡、波形畸变、甚至谐波振荡等，同时在用户间也相互波及制约，尤其是通讯干扰、电脑病毒、控制失灵、甚至产生误动等等。因此，对电网中的谐波量进行限制和消除势在必行。 要限制和消除谐波干扰，就要知道谐波量的大小，发生的频段，即要准确测量掌握，方能有的放矢。可是，许多谐波源用户的启停时间、负荷大小是变动的，故明知是典型的谐波源，可常常出现测量不准甚至测量不到的情况，这样，不仅使电力系统和用户为谁导致谐波干扰的问题推诿扯皮，更主要的是找不到治理谐波量的下手点。 基于这样的情况，我们对谐波的侵入破坏进行了分析，电力系统按50Hz频率标准发电和作电力传输，确实没有3、5、7等高次谐波产生。但线路中有变压器线圈，无功补偿电容等，形成了非线性阻抗，这些阻抗在50Hz范围内是经过严格计算配置的，在没有其它频率下，是不会有负作用的。但用户的电动机车、炼钢炉等经可控硅整流，对正弦波削顶，必然导出非线性谐波电流，正是这些谐波电流与系统中非线性阻抗的相互作用，产生谐波干扰，甚至引起谐波振荡等，造成污染与破坏。 现在许多人凡涉及谐波影响，总是把眼睛订着用户，忽略了系统非线性即谐波阻抗的相互作用，故每当测量不到或测量不准时，便束手无策。基于这种情况，如果我们自行研制一个电压电流稳定的谐波源注入系统，便可测到准确数据和计算出谐波阻抗大小，并结合频谱分析，寻找到谐振点，解决变化用户测量不准的问题，并为消除谐波干扰提供可靠依据。

实用新型内容本实用新型的目的是提供一种智能高次谐波试验装置，旨在采用较小的谐振频率电流注入系统，获得较高的信噪比，同样达到测试目的，而让谐波源的功率大幅下降、制作成本降低。 本新型的目的是这样实现的一种智能高次谐波试验装置，包括单片机，单片机型号为AT89S8252 ;还具有 有源晶体振荡器CLK12M :产生的频率信号经3脚输出至单片机AT89S8252的19脚、以作为频率基准和计数比较信号； 键盘AJ2:用作人工置入频率数据，经1 8线分别与大规模可编程逻辑阵列HPF6016的81 93脚相连，实现人机对话；[0010] 大规模可编程逻辑阵列HPF6016 :根据键盘输入的频率数据和中断指令，经数据总线、地址总线与单片机作信号传递，在已编程序引导下，进行谐波频率合成，合成的频率信号分两路送出一路经113脚和116脚回送单片机，作数据比较判断，若不符合键盘所置频率数，则在软件计算的正负差值上，作反向修正，再经32 39脚数据总线再次回传给HPF6016的37 44脚，直至频率满足要求；复合要求的频率信号从HPF6016另一路的96脚、99脚送出至光电隔离器HCPL的1展卩、4展卩; 光电隔离器HCPL:其2、3脚输入端与HPF6016的信号输出端联接，经光电隔离转换后的信号经6脚、7脚输出； 功率放大器由大功率晶体管GTR组成，对光电隔离器HCPL的输出信号进行功率放大后再对外输出； 测试电路空气开关K前端接有示波器，空气开关K的后端接有升压变压器B，变压器的高压侧接有电压互感器PT和电流互感器CT，PT和CT的二次侧信号同时传给频谱分析仪。 本实用新型的有益效果是本装置是软、硬件的有机结合体，从基本振荡频率到反馈修正功能，具有精度高、稳定性强，增减25Hz避开主倍频，用较弱信号获得更大信噪比的优点。 本实用新型的特点和优点将结合具体实施方式
加以进一步阐述。
图1是本新型总体结构框图； 图2是图1所示智能谐波信号源的电原理框图； 图3是图2所示智能谐波信号源的主体电路图； 图4是键盘设置图； 图5是功率放大及测试电路图； 图6是谐波正弦调制图； 图7是频谱仪测量显示图； 图8是本新型谐波频率置入的程序流程图。
具体实施方式
—、谐波注入装置的结构原理 为测得系统中的谐波阻抗Zn，可以根据它与电压、电流的关系得到设计依据 Un = In*Zn (1) 式中n——谐波次数，n=l、2、3...... 如果选择系统某点注入一个谐波电流In，只要测得In的大小及其产生的谐波电压Un值，就能由式(1)求出系统谐波阻抗[0029] Zn = Un/In (2) 这也和系统中带电测试Un、In的仪器功能相适应。从方法上可见，注入的谐波电流是模拟的，而计算出的Zn则是系统中固有的，即是通过注入谐波电流来达到测试谐波阻抗的目的。根据这一原理，得出谐波源及其注入装置的总体结构(如图l所示)。[0031] 由上图可知，首先需要一个频率振荡器，产生出谐波信号，再经大功率电子开关斩 波，然后将该波形电流经升压变压器注入系统，实现谐波量对网络的模拟渗透。最后用高 灵敏、智能化的示波器、频谱分析仪等，观察和测量不同谐波成分下的频率响应情况以及电 压、电流数值，作出谐波影响的分析判断。 谐波范围的选取 在谐波发生器设计中首先要确定两个问题 第一，谐频范围大小。众所周知，电力系统中有基波，还有3、5、7……等不同次数 的谐波。根据运行经验及其测试得知，前几次谐波影响较大，其后逐步衰减，在19次谐波即 950Hz时已基本趋近于零。因此，我们选择19次谐波为谐波源上限。 第二，选取主倍频中间值。为得到正确的测试结果，分析仪须尽可能大的测试到所 注入谐波信号的量值。但因系统中存在着较大的、并为基波频率整数倍的谐波量，即 fn = n*50Hz (3) 如果也以这样一些频率值作为谐波源信号，要保证测试的正确性，必须注入很大
的谐波电流量才能掩盖和抑制原有信号的影响，因此需要一个很大功率的谐波源装置，这
在容量、体积、造价等方面都将受到挑战，至少要增加很多投入，并不合算。那么，有无更好
的方法来解决这个问题呢？这需要我们做出进一步的分析和测量。
在电网中存在两个相邻谐波频率的中间值 fn = (2n+l)/2*50Hz (4) 此时式中n = 0、1、3、5......19 例如系统中常见3次、5次谐波，频率为150Hz和250Hz，谐波幅值大，影响也最大。 然而，在它们之间有着175Hz和225Hz的幅度量值较小，如果我们选用这些频率作为谐波 源信号，将会达到避其锋芒，攻其软肋的效果，这也是数学插值法(即优选法)在工业中的 合理应用。实际中，我们除主倍频外，还设计了正负25Hz的插入值，即增加了25、75、…… 925、975Hz的20个档位发送点。由此，我们用较小的谐振频率电流注入系统，也将获得较高 的信噪比，同样达到测试目的，但却让谐波源的功率大幅下降，从而使材料、器件更好选取， 成本大量降低。这样的方法和效果，是本装置的一大特点。 二、智能谐波源的设计 1、谐波源结构原理 谐波源是本装置的核心部分，我们采取了微电脑技术和高集成化方式进行设计。 如图2所示，根据测量需要，首先由工作人员从键盘中输入谐波试验数据，有源晶 体振荡器向单片微机CPU和大规模可编程逻辑阵列FPGA送出频率基准和计数比较信号， 经分频和计算处理后，单片机再向逻辑阵列FPGA发出频率合成指令，频率合成后，输出口 一路回送单片机做比较判断，有误差时，再向FPGA发出修正指令，直到准确后，下传光电隔 离、功率放大等后续电路。 本装置是软、硬件的有机结合体，从基本振荡频率到反馈修正功能，因此，所设计 制作的谐波源具有精度高，稳定性强的优点。 2、谐波源电路体系 在上节谐波源结构框图的基础上，电路设计如图3所示。 图3画出了功能作用及走向联结电路的主体结构，免去了指示、复位、电源、接口等常用部件，并因线条过多，未作网状联结，但按照管脚名称对接和随着我们的介绍，你会 通畅、清晰地看到功能的实现和电路特点。 图中，首先是AJ1有源晶体振荡器CLK12M产生出高精度频率信号，经3脚输出， 传送给IC1单片微机AT89S8252的19脚，作为频率基准和计数比较信号；键盘AJ2则由工 作人员根据试验所需，置入谐波频率数据，完成人机对话；键盘又将信号经1 8线分别与 IC2大规模可编程逻辑阵列HPF6016的81 93系列脚相联，HF6016根据键盘置入的频率 数据和中断指令等，经数据、地址总线与CPU作信号传递，在已编程序引导下，进行谐波频 率合成；合成的频率信号又分两路送出一路经113和116脚回送CPU，作数据比较判断，若 不符合键盘所置频率数，则在软件计算的正负差值上，作反向修正，再经32 39脚数据总 线再次回传给IC2的37 44脚，直到频率满足要求；符合要求的频率信号；程控脉冲信号 再从IC2另一路的96、99脚送出，与IC4光电隔离器HCPL的2、3脚相连，光电隔离器是在 电压、电流将要大幅提升，起到功放前置和对精密源电路的保护双重作用；经光电隔离转换 后的信号又经IC4的6、7脚输出，传送给后面的功率放大器。 3、键盘"+、-"的作用 本键盘JP中的1 8脚分别与IC2逻辑阵列的81 93脚相接，送出4X4矩阵，
即0000 1111的二进制数字编码信号。其中"+、-"键，有着特殊作用，经装置内部软硬件
配合，我们还设置了 25Hz的插入值，在主频率确定后，按下"+ "键是增加25Hz，按下"-"键
则是减少25Hz。以3次谐波为例—— 主倍频频率为 <formula>formula see original document page 6</formula> 此时按下"+ "键，则为 <formula>formula see original document page 6</formula>[0057] 按下"-"键，则为 <formula>formula see original document page 6</formula>[0059] 这样，经按键操作，每步我们便可选择主倍频、主倍频基础上加25Hz和减25Hz三
个频率点做实验，由此更能观察比较谐波量的影响程度，寻找和证实谐振点。 另外，士25Hz的引入，还有利于避开电网中已含同次谐波的强信号，即可用较小的
源信号获得较大的信噪比，故能减少谐波试验装置的制作成本。所以，这样的设计是很有意
义和价值的独创之举。 4、液晶显示器 在频率处理中，同时由CT1微机芯片AT89S的16、 17和逻辑阵列CT2的46、47、48、 142、 144向液晶屏CT3的5、6、7、8、10脚送出相互关联的时序、计数、编码译码控制信号，再 由CT2的数据总线37 44向CT3的11 18脚送出显示信号，由此，在LCD液晶显示屏上， 可以看到当前频率值等，再结合频谱分析，确定该段谐波量对系统电能影响的大小，以采取 相应措施。 三、功放测试电路 有了谐波源，如何把信号送到高压电网中去，以及在电网中怎样完成测量判断等， 便需进行功率放大和测试分布。图5便是我们设计的相关电路。 谐波源信号较小，要将其送入系统还需要一个能适应频率变化，又具备足够功率的放大电路。经比较，一般功放集成块很难达到100A以上，不能适应要求；而可控硅其触
发功率却占到了被放功率的30%以上，所以都放弃，并选用阀值电压和阀值电流都较低的
GTR大功率晶体管来完成。 1、GTR参数的确定 为了有更好的测试效果，我们谐波源装置选择的系统网络是大综用户直接挂接、
并且畸变量较大的IOKV高压系统，即要把低压值的谐波试验信号提升到IOKV等级以上，方
能达到要求。这其中便用到了高导磁、低漏抗的变压器。
变压器变比为 K = VU2 = 10000/220 " 45 式中仏——10KV系统电压；U2——谐波源电压； 对应变压器副边U2的电流12，与原边电流L的关系，即是通过GTR的电流为 I2 = KI丄=451丄 为保证经CT变换后的谐波分析仪有足够的信噪比和分辨力，以便准确的测量，要 求变压器10KV侧的谐波电流L在3A以上，则 I2 = 45X3 = 180 (A) 再考虑到线电压、反相迭加原理等因素，所以我们实际选取反压1000V、额定电流 200安培的大功率晶体管。 在图5中，还采用了 4只大功率管并联，这样有利于大电流分配和备用安排等，为
实际工作做了充分准备。 2、测试电路 图6中在主信号传递的同时，我们还设置了测试电路，它们的所处位置和相互关 系是K为空气开关，在K的前端接有示波器，K的后端接有升压变压器，变压器的高压侧接 有电压、电流互感器PT和CT， PT与CT的二次侧信号同时传给频谱分析仪(如德国进口丽-1 仪器)。 试验时，合上K，即可在示波器屏幕上看到如图5所示的谐波源对50Hz正弦波的调 制斩波情况，在频谱分析仪上，还能看到各次谐波如图7所示的幅值，通过这些幅值，将观 察到所注入谐波信号的频率、电压、电流量值，从这些参数中，便可以计算出相关谐波阻抗 的大小，从而找到谐振点。对谐波用户的投入和谐波量的消除起到指导作用。 四、谐波装置软件流程 我们研制的智能谐波试验装置是软硬件的结合体，前面已对硬件电路做了介绍， 本节将着重谈论软件结构，请见流程图(如图8)。 要做的软件功能，很重要的一点就是建立数学模型。首先，谐波次数是相对50Hz 基波而言，故，装置内部已经用分频和计数手段，预先设置好了 50Hz，由此，在图7中有以下 步骤 第一步，选择谐波次数，即从键盘中置入n = 第二步，分两种情况l、仪器会看有无"+ "或"-"的指令置入，若无，程序将按^ = 50 X n的计算数据往下运行；若有，程序则会在fnl的基础上增加或减少频率插入值25Hz ，形 成fn2 = 50Xn+25和fn3 = 50Xn-25Hz的频率总值。 第三步，仪器又将等待键盘中断指令，如果此时按下确认键，仪器将会自动读取键盘置入及经单片微机计算后的试验谐波总值，随之向大规模逻辑阵列FPGA输入数据。FPGA 接到所赋数据后，将在内部进行频率合成。 第四步，合成的频率值分两路送出， 一路回送CPU进行比较判断，如与键盘置数无 差异，则将默许；若有差异，会给出修正值，再返传给逻辑阵列EPF6016， EPF6016重新合成， 如此反复，直到完全符合要求为止。正是这样的软硬件相互配合工作，可使谐波源频率达到 10—5的精度。 综上所述，本智能高次谐波试验仪与常规测试方式不一样，是研制出稳定的电压 谐波源，将信号注入高压系统，用以测量谐波阻抗和寻找谐振点，为变化谐波用户测量不准 和消除谐波干扰提供可靠数据。所以，是一种新型的测试装置。 本试验装置采用了高级微机芯片和大规模逻辑阵列，减少了 RAM、 ROM存储计数及 锁相、缓冲、驱动等器件，使电路大大简化，技术含量大幅升高，做出的整体设备更加灵活轻 便，更能适合发电厂、变电站等现场应用。 本装置采样了数学"优选法"原理，在50Hz主倍频的基础上增设了正、负25Hz插 值频率，这样，每段频率范围便产生了主次谐波以及加、减25Hz的三个试验点，让测试波形 和数据互相印证，使分析判断更加准确。同时，因能避开系统主倍频强信号，便可用较小的 源信号获得较大的信噪比，故能减少谐波试验装置的制作投资，所以是很有意义和价值的 先进独到之处。
权利要求一种智能高次谐波试验装置，包括，单片机，其特征是所述单片机型号为AT89S8252；还具有有源晶体振荡器CLK12M产生的频率信号经3脚输出至单片机AT89S8252的19脚、以作为频率基准和计数比较信号；键盘AJ2用作人工置入频率数据，经1～8线分别与大规模可编程逻辑阵列HPF6016的81～93脚相连，实现人机对话；大规模可编程逻辑阵列HPF6016根据键盘输入的频率数据和中断指令，经数据总线、地址总线与单片机作信号传递，在已编程序引导下，进行谐波频率合成，合成的频率信号分两路送出一路经113脚和116脚回送单片机，作数据比较判断，若不符合键盘所置频率数，则在软件计算的正负差值上，作反向修正，再经32～39脚数据总线再次回传给HPF6016的37～44脚，直至频率满足要求；复合要求的频率信号从HPF6016另一路的96脚、99脚送出至光电隔离器HCPL的1脚、4脚；光电隔离器HCPL其2、3脚输入端与HPF6016的信号输出端联接，经光电隔离转换后的信号经6脚、7脚输出；功率放大器由大功率晶体管GTR组成，对光电隔离器HCPL的输出信号进行功率放大后再对外输出；测试电路空气开关K前端接有示波器，空气开关K的后端接有升压变压器B，变压器的高压侧接有电压互感器PT和电流互感器CT，PT和CT的二次侧信号同时传给频谱分析仪。
2. 根据权利要求1所述智能高次谐波试验装置，其特征是所述功率放大器由4只6TR大功率液体管并联组成。
3. 根据权利要求1或2所述智能高次谐波试验装置，其特征是还具有液晶显示器LCD240*128 :分别与单片机AT89S8252以及HPF6016连接。
专利摘要一种智能高次谐波试验装置，主要由单片机，有源晶体振荡器，键盘，可编程逻辑阵列、光电隔离器，功率放大及测试电路组成。它采用较小的振荡频率电流注入系统，获得较高的信噪比，同样达到测试目的，而使谐波源的功率大幅下降，制作成本较低。它具有测试精度高、稳定性强的优点。
文档编号G01R23/16GK201477156SQ20092016891
公开日2010年5月19日 申请日期2009年8月7日 优先权日2009年8月7日
发明者李世平, 粟和林 申请人:四川电力试验研究院