一种基于ADC与Rife-Vincent窗三谱线插值FFT的谐波电能表的制作方法

本发明涉及一种基于adc与rife-vincent窗三谱线插值fft的谐波电能表，属电能表技术领域。

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。

已有专利文件公开号cn1611953公开了“测量工厂谐波的方法和测量仪”；公开号cn1245897公开了“电力系统谐波定量计量方法和计量仪”；公告号cn2798102公开了“电力线高次谐波分析计量仪”；公告号cn101701985公开了“定频变点电网谐波检测方法及其测量仪”。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：已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。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对现有技术存在的问题，本发明公开一种基于adc与rife-vincent窗三谱线插值fft的谐波电能表。

本发明实现的技术方案如下，一种基于adc与rife-vincent窗三谱线插值fft的谐波电能表，包括信号调理部分、数据处理部分和数据管理部分。

所述信号调理部分，包括adc转换器、电阻分压网络和ct电阻取样网络；信号调理部分将系统中额定值为220v和1.5a的压电流模拟信号，通过电阻分压网络和ct电阻取样网络，变成≤2.5v的交流信号送入高精度8通道同步采样adc。

所述数据处理部分，包括dsp处理器；采样数据通过专用接口spi接口送入dsp数据处理部分，经过主瓣窄、旁瓣低且跌落速度快的rife-vincent窗对信号进行加窗、离散傅里叶变换、三谱线插值fft运算处理、多项式拟合技术检测被测信号中的基波和各谐波量，计算出频率、幅值、相位、功率、谐波畸变率等参数，并将处理后的数据发送给mcu进行存储、通信和显示等处理。

所述数据管理部分，包括mcu芯片、实时时钟、sdram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。

所述adc转换器和dsp处理器采用专用spi接口相连；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、sdram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。

所述高精度8通道同步采样adc转换器的芯片型号为ads1278。

所述dsp处理器的芯片型号为tms320vc5502。

所述mcu芯片型号为msp430f449，谐波检测最高次数为50次。

本发明的工作原理如下：基于adc与rife-vincent窗三谱线插值fft的谐波电能表中adc转换器和dsp处理器采用专用spi接口相连，dsp处理器和mcu芯片采用异步串行总线uart接口连接，mcu芯片外部同时连接实时时钟、sdram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adc与rife-vincent窗三谱线插值fft的谐波电能表选用的adc为ti公司生产的ads1278，ads1278是一款具有8通道、24位、高达144khz采样率的高精度、高性能模数转换器，非常适用于对性能要求高、功耗低、模拟通道多的谐波电能数据采集系统，而rife-vincent窗是一种主瓣窄、旁瓣性能优良的余弦组合窗函数，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rife-vincent窗三谱线插值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rife-vincent窗三谱线插值fft的谐波电能表，采用的三谱线插值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三根峰值谱线，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。

本发明的有益效果是，本发明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，精确定量地测量电力系统中谐波电压、电流的动态特性，实现更高次的谐波分析和更高准确度的电能计量。

附图说明

图1是本发明的结构原理框图；

图2为本发明的基于adc与rife-vincent窗三谱线插值fft处理基本流程图。

具体实施方式

本发明的原理框图如图1所示，包括高精度8通道同步adc转换器、dsp处理器、mcu及各外围电路。adc选用24位高速8通道同步采样芯片ads1278，dsp处理器选用tms320vc5502、mcu选用msp430f449，谐波检测最高次数为50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≤2.5v的交流信号，为有效抑制高频电磁干扰信号对数据采样的影响，电压、电流调理通道的后级接入参数完全相同的rc低通滤波器，以保持采样前后电压、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adr121为ads1278提供+2.5v的外部参考电压vref，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spi接口送至tms320vc5502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tms320vc5502数据处理单元完成构建离散rife-vincent窗，进行加窗三谱线插值fft处理，得到各次谐波参数。

本实施例中离散rife-vincent窗的表达式如下

式中，l表示窗函数的项数，al满足约束条件

由式(1)可得到rife-vincent窗的离散频谱函数为：

式中，wr(·)为矩形窗的频谱函数，表达式为

对离散信号进行五项rife-vincent(i)自卷积窗进行加权截短，得xω(n)＝x(n)×w(ω)，其中n＝0,1,2,···,n-1。对xω(n)做dtft变换得：

忽略负频点及其它各次谐波的影响，以h次谐波为例进行分析，对xω(ω)以等间隔抽样(dft)可得：

式中k＝0,1,2,···,n-1。

在实际采样中由于非同步采样的应用，存在栅栏效应，即实际h次谐波频率(fh＝khδf)并没有位于xω(k)的离散频谱点上(即kh不是整数)。设峰值频点附近幅值最大谱线为ka，其左右谱线分别为ka-1，ka+1。这3根谱线的幅值分别为y1＝|xω(ka-1)|，y2＝|xω(ka)|，y3＝|xω(ka+1)|。

记δ＝kh-ka，得δ的取值范围为(-0.5,0.5)，令β＝(y3-y1)/y2，则由式(5)可得：

记式(6)为β＝f(δ)。

由此可得信号的频率修正公式为：

fh＝(ka+δ)fs/n(7)

相位修正公式为：

h次谐波的幅值由三根谱线进行加权得到，考虑到y2为幅值最大谱线，给予y2以较大权重，由式(5)可得：

则由(9)可得

在[-0.5,0.5]取一组δ，分别求出相应的β值，调用ployfit(β,δ,m)函数进行多项式拟合，求出反函数δ＝f^-1(β)。将w(-δ)，w(-δ±1)代入式(10)并调用ployfit(β,g(δ),m)函数可得到幅值修正式为：

ah＝n(y3+2y2+y1)g(δ)(11)

通过基于rife-vincent窗三谱线插值fft处理频谱分析，分离出基波分量及2～50次谐波分量，凭借tms320vc5502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行总线uart接口发送至mcu管理单元，由msp430f449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。