專利名稱：智能高次諧波試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及對電網(wǎng)中的諧波量進(jìn)行測試的裝置，特別是采用電壓電流穩(wěn)定的
諧波源注入系統(tǒng)，準(zhǔn)確測試運(yùn)行電網(wǎng)中諧波阻抗大小，并結(jié)合頻譜分析，尋找諧振點(diǎn)，是一種準(zhǔn)確的高次諧波試驗(yàn)測量裝置。
背景技術(shù)：
隨著工礦企業(yè)的飛速發(fā)展，在冶金、機(jī)械、交通的各個領(lǐng)域大量采用了晶閘管整流和隨機(jī)啟停運(yùn)行方式，給電力網(wǎng)絡(luò)帶來嚴(yán)重影響，造成三相失衡、波形畸變、甚至諧波振蕩等，同時在用戶間也相互波及制約，尤其是通訊干擾、電腦病毒、控制失靈、甚至產(chǎn)生誤動等等。因此，對電網(wǎng)中的諧波量進(jìn)行限制和消除勢在必行。 要限制和消除諧波干擾，就要知道諧波量的大小，發(fā)生的頻段，即要準(zhǔn)確測量掌握，方能有的放矢?？墒?，許多諧波源用戶的啟停時間、負(fù)荷大小是變動的，故明知是典型的諧波源，可常常出現(xiàn)測量不準(zhǔn)甚至測量不到的情況，這樣，不僅使電力系統(tǒng)和用戶為誰導(dǎo)致諧波干擾的問題推諉扯皮，更主要的是找不到治理諧波量的下手點(diǎn)。 基于這樣的情況，我們對諧波的侵入破壞進(jìn)行了分析，電力系統(tǒng)按50Hz頻率標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電和作電力傳輸，確實(shí)沒有3、5、7等高次諧波產(chǎn)生。但線路中有變壓器線圈，無功補(bǔ)償電容等，形成了非線性阻抗，這些阻抗在50Hz范圍內(nèi)是經(jīng)過嚴(yán)格計算配置的，在沒有其它頻率下，是不會有負(fù)作用的。但用戶的電動機(jī)車、煉鋼爐等經(jīng)可控硅整流，對正弦波削頂，必然導(dǎo)出非線性諧波電流，正是這些諧波電流與系統(tǒng)中非線性阻抗的相互作用，產(chǎn)生諧波干擾，甚至引起諧波振蕩等，造成污染與破壞。 現(xiàn)在許多人凡涉及諧波影響，總是把眼睛訂著用戶，忽略了系統(tǒng)非線性即諧波阻抗的相互作用，故每當(dāng)測量不到或測量不準(zhǔn)時，便束手無策。基于這種情況，如果我們自行研制一個電壓電流穩(wěn)定的諧波源注入系統(tǒng)，便可測到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和計算出諧波阻抗大小，并結(jié)合頻譜分析，尋找到諧振點(diǎn)，解決變化用戶測量不準(zhǔn)的問題，并為消除諧波干擾提供可靠依據(jù)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種智能高次諧波試驗(yàn)裝置，旨在采用較小的諧振頻率電流注入系統(tǒng)，獲得較高的信噪比，同樣達(dá)到測試目的，而讓諧波源的功率大幅下降、制作成本降低。 本新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種智能高次諧波試驗(yàn)裝置，包括單片機(jī)，單片機(jī)型號為AT89S8252 ;還具有 有源晶體振蕩器CLK12M :產(chǎn)生的頻率信號經(jīng)3腳輸出至單片機(jī)AT89S8252的19腳、以作為頻率基準(zhǔn)和計數(shù)比較信號； 鍵盤AJ2:用作人工置入頻率數(shù)據(jù)，經(jīng)1 8線分別與大規(guī)模可編程邏輯陣列HPF6016的81 93腳相連，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話；[0010] 大規(guī)?？删幊踢壿嬯嚵蠬PF6016 :根據(jù)鍵盤輸入的頻率數(shù)據(jù)和中斷指令，經(jīng)數(shù)據(jù)總線、地址總線與單片機(jī)作信號傳遞，在已編程序引導(dǎo)下，進(jìn)行諧波頻率合成，合成的頻率信號分兩路送出一路經(jīng)113腳和116腳回送單片機(jī)，作數(shù)據(jù)比較判斷，若不符合鍵盤所置頻率數(shù)，則在軟件計算的正負(fù)差值上，作反向修正，再經(jīng)32 39腳數(shù)據(jù)總線再次回傳給HPF6016的37 44腳，直至頻率滿足要求；復(fù)合要求的頻率信號從HPF6016另一路的96腳、99腳送出至光電隔離器HCPL的1展卩、4展卩; 光電隔離器HCPL:其2、3腳輸入端與HPF6016的信號輸出端聯(lián)接，經(jīng)光電隔離轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)6腳、7腳輸出； 功率放大器由大功率晶體管GTR組成，對光電隔離器HCPL的輸出信號進(jìn)行功率放大后再對外輸出； 測試電路空氣開關(guān)K前端接有示波器，空氣開關(guān)K的后端接有升壓變壓器B，變壓器的高壓側(cè)接有電壓互感器PT和電流互感器CT，PT和CT的二次側(cè)信號同時傳給頻譜分析儀。 本實(shí)用新型的有益效果是本裝置是軟、硬件的有機(jī)結(jié)合體，從基本振蕩頻率到反饋修正功能，具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，增減25Hz避開主倍頻，用較弱信號獲得更大信噪比的優(yōu)點(diǎn)。 本實(shí)用新型的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合具體實(shí)施方式
加以進(jìn)一步闡述。
圖1是本新型總體結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是圖1所示智能諧波信號源的電原理框圖； 圖3是圖2所示智能諧波信號源的主體電路圖； 圖4是鍵盤設(shè)置圖； 圖5是功率放大及測試電路圖； 圖6是諧波正弦調(diào)制圖； 圖7是頻譜儀測量顯示圖； 圖8是本新型諧波頻率置入的程序流程圖。
具體實(shí)施方式
—、諧波注入裝置的結(jié)構(gòu)原理 為測得系統(tǒng)中的諧波阻抗Zn，可以根據(jù)它與電壓、電流的關(guān)系得到設(shè)計依據(jù) Un = In*Zn (1) 式中n——諧波次數(shù)，n=l、2、3...... 如果選擇系統(tǒng)某點(diǎn)注入一個諧波電流In，只要測得In的大小及其產(chǎn)生的諧波電壓Un值，就能由式(1)求出系統(tǒng)諧波阻抗[0029] Zn = Un/In (2) 這也和系統(tǒng)中帶電測試Un、In的儀器功能相適應(yīng)。從方法上可見，注入的諧波電流是模擬的，而計算出的Zn則是系統(tǒng)中固有的，即是通過注入諧波電流來達(dá)到測試諧波阻抗的目的。根據(jù)這一原理，得出諧波源及其注入裝置的總體結(jié)構(gòu)(如圖l所示)。[0031] 由上圖可知，首先需要一個頻率振蕩器，產(chǎn)生出諧波信號，再經(jīng)大功率電子開關(guān)斬 波，然后將該波形電流經(jīng)升壓變壓器注入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)諧波量對網(wǎng)絡(luò)的模擬滲透。最后用高 靈敏、智能化的示波器、頻譜分析儀等，觀察和測量不同諧波成分下的頻率響應(yīng)情況以及電 壓、電流數(shù)值，作出諧波影響的分析判斷。 諧波范圍的選取 在諧波發(fā)生器設(shè)計中首先要確定兩個問題 第一，諧頻范圍大小。眾所周知，電力系統(tǒng)中有基波，還有3、5、7……等不同次數(shù) 的諧波。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及其測試得知，前幾次諧波影響較大，其后逐步衰減，在19次諧波即 950Hz時已基本趨近于零。因此，我們選擇19次諧波為諧波源上限。 第二，選取主倍頻中間值。為得到正確的測試結(jié)果，分析儀須盡可能大的測試到所 注入諧波信號的量值。但因系統(tǒng)中存在著較大的、并為基波頻率整數(shù)倍的諧波量，即 fn = n*50Hz (3) 如果也以這樣一些頻率值作為諧波源信號，要保證測試的正確性，必須注入很大
的諧波電流量才能掩蓋和抑制原有信號的影響，因此需要一個很大功率的諧波源裝置，這
在容量、體積、造價等方面都將受到挑戰(zhàn)，至少要增加很多投入，并不合算。那么，有無更好
的方法來解決這個問題呢？這需要我們做出進(jìn)一步的分析和測量。
在電網(wǎng)中存在兩個相鄰諧波頻率的中間值 fn = (2n+l)/2*50Hz (4) 此時式中n = 0、1、3、5......19 例如系統(tǒng)中常見3次、5次諧波，頻率為150Hz和250Hz，諧波幅值大，影響也最大。 然而，在它們之間有著175Hz和225Hz的幅度量值較小，如果我們選用這些頻率作為諧波 源信號，將會達(dá)到避其鋒芒，攻其軟肋的效果，這也是數(shù)學(xué)插值法(即優(yōu)選法)在工業(yè)中的 合理應(yīng)用。實(shí)際中，我們除主倍頻外，還設(shè)計了正負(fù)25Hz的插入值，即增加了25、75、…… 925、975Hz的20個檔位發(fā)送點(diǎn)。由此，我們用較小的諧振頻率電流注入系統(tǒng)，也將獲得較高 的信噪比，同樣達(dá)到測試目的，但卻讓諧波源的功率大幅下降，從而使材料、器件更好選取， 成本大量降低。這樣的方法和效果，是本裝置的一大特點(diǎn)。 二、智能諧波源的設(shè)計 1、諧波源結(jié)構(gòu)原理 諧波源是本裝置的核心部分，我們采取了微電腦技術(shù)和高集成化方式進(jìn)行設(shè)計。 如圖2所示，根據(jù)測量需要，首先由工作人員從鍵盤中輸入諧波試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有源晶 體振蕩器向單片微機(jī)CPU和大規(guī)?？删幊踢壿嬯嚵蠪PGA送出頻率基準(zhǔn)和計數(shù)比較信號， 經(jīng)分頻和計算處理后，單片機(jī)再向邏輯陣列FPGA發(fā)出頻率合成指令，頻率合成后，輸出口 一路回送單片機(jī)做比較判斷，有誤差時，再向FPGA發(fā)出修正指令，直到準(zhǔn)確后，下傳光電隔 離、功率放大等后續(xù)電路。 本裝置是軟、硬件的有機(jī)結(jié)合體，從基本振蕩頻率到反饋修正功能，因此，所設(shè)計 制作的諧波源具有精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 2、諧波源電路體系 在上節(jié)諧波源結(jié)構(gòu)框圖的基礎(chǔ)上，電路設(shè)計如圖3所示。 圖3畫出了功能作用及走向聯(lián)結(jié)電路的主體結(jié)構(gòu)，免去了指示、復(fù)位、電源、接口等常用部件，并因線條過多，未作網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)，但按照管腳名稱對接和隨著我們的介紹，你會 通暢、清晰地看到功能的實(shí)現(xiàn)和電路特點(diǎn)。 圖中，首先是AJ1有源晶體振蕩器CLK12M產(chǎn)生出高精度頻率信號，經(jīng)3腳輸出， 傳送給IC1單片微機(jī)AT89S8252的19腳，作為頻率基準(zhǔn)和計數(shù)比較信號；鍵盤AJ2則由工 作人員根據(jù)試驗(yàn)所需，置入諧波頻率數(shù)據(jù)，完成人機(jī)對話；鍵盤又將信號經(jīng)1 8線分別與 IC2大規(guī)模可編程邏輯陣列HPF6016的81 93系列腳相聯(lián)，HF6016根據(jù)鍵盤置入的頻率 數(shù)據(jù)和中斷指令等，經(jīng)數(shù)據(jù)、地址總線與CPU作信號傳遞，在已編程序引導(dǎo)下，進(jìn)行諧波頻 率合成；合成的頻率信號又分兩路送出一路經(jīng)113和116腳回送CPU，作數(shù)據(jù)比較判斷，若 不符合鍵盤所置頻率數(shù)，則在軟件計算的正負(fù)差值上，作反向修正，再經(jīng)32 39腳數(shù)據(jù)總 線再次回傳給IC2的37 44腳，直到頻率滿足要求；符合要求的頻率信號；程控脈沖信號 再從IC2另一路的96、99腳送出，與IC4光電隔離器HCPL的2、3腳相連，光電隔離器是在 電壓、電流將要大幅提升，起到功放前置和對精密源電路的保護(hù)雙重作用；經(jīng)光電隔離轉(zhuǎn)換 后的信號又經(jīng)IC4的6、7腳輸出，傳送給后面的功率放大器。 3、鍵盤"+、-"的作用 本鍵盤JP中的1 8腳分別與IC2邏輯陣列的81 93腳相接，送出4X4矩陣，
即0000 1111的二進(jìn)制數(shù)字編碼信號。其中"+、-"鍵，有著特殊作用，經(jīng)裝置內(nèi)部軟硬件
配合，我們還設(shè)置了 25Hz的插入值，在主頻率確定后，按下"+ "鍵是增加25Hz，按下"-"鍵
則是減少25Hz。以3次諧波為例—— 主倍頻頻率為 <formula>formula see original document page 6</formula> 此時按下"+ "鍵，則為 <formula>formula see original document page 6</formula>[0057] 按下"-"鍵，則為 <formula>formula see original document page 6</formula>[0059] 這樣，經(jīng)按鍵操作，每步我們便可選擇主倍頻、主倍頻基礎(chǔ)上加25Hz和減25Hz三
個頻率點(diǎn)做實(shí)驗(yàn)，由此更能觀察比較諧波量的影響程度，尋找和證實(shí)諧振點(diǎn)。 另外，士25Hz的引入，還有利于避開電網(wǎng)中已含同次諧波的強(qiáng)信號，即可用較小的
源信號獲得較大的信噪比，故能減少諧波試驗(yàn)裝置的制作成本。所以，這樣的設(shè)計是很有意
義和價值的獨(dú)創(chuàng)之舉。 4、液晶顯示器 在頻率處理中，同時由CT1微機(jī)芯片AT89S的16、 17和邏輯陣列CT2的46、47、48、 142、 144向液晶屏CT3的5、6、7、8、10腳送出相互關(guān)聯(lián)的時序、計數(shù)、編碼譯碼控制信號，再 由CT2的數(shù)據(jù)總線37 44向CT3的11 18腳送出顯示信號，由此，在LCD液晶顯示屏上， 可以看到當(dāng)前頻率值等，再結(jié)合頻譜分析，確定該段諧波量對系統(tǒng)電能影響的大小，以采取 相應(yīng)措施。 三、功放測試電路 有了諧波源，如何把信號送到高壓電網(wǎng)中去，以及在電網(wǎng)中怎樣完成測量判斷等， 便需進(jìn)行功率放大和測試分布。圖5便是我們設(shè)計的相關(guān)電路。 諧波源信號較小，要將其送入系統(tǒng)還需要一個能適應(yīng)頻率變化，又具備足夠功率的放大電路。經(jīng)比較，一般功放集成塊很難達(dá)到100A以上，不能適應(yīng)要求；而可控硅其觸
發(fā)功率卻占到了被放功率的30%以上，所以都放棄，并選用閥值電壓和閥值電流都較低的
GTR大功率晶體管來完成。 1、GTR參數(shù)的確定 為了有更好的測試效果，我們諧波源裝置選擇的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是大綜用戶直接掛接、
并且畸變量較大的IOKV高壓系統(tǒng)，即要把低壓值的諧波試驗(yàn)信號提升到IOKV等級以上，方
能達(dá)到要求。這其中便用到了高導(dǎo)磁、低漏抗的變壓器。
變壓器變比為 K = VU2 = 10000/220 " 45 式中仏——10KV系統(tǒng)電壓；U2——諧波源電壓； 對應(yīng)變壓器副邊U2的電流12，與原邊電流L的關(guān)系，即是通過GTR的電流為 I2 = KI丄=451丄 為保證經(jīng)CT變換后的諧波分析儀有足夠的信噪比和分辨力，以便準(zhǔn)確的測量，要 求變壓器10KV側(cè)的諧波電流L在3A以上，則 I2 = 45X3 = 180 (A) 再考慮到線電壓、反相迭加原理等因素，所以我們實(shí)際選取反壓1000V、額定電流 200安培的大功率晶體管。 在圖5中，還采用了 4只大功率管并聯(lián)，這樣有利于大電流分配和備用安排等，為
實(shí)際工作做了充分準(zhǔn)備。 2、測試電路 圖6中在主信號傳遞的同時，我們還設(shè)置了測試電路，它們的所處位置和相互關(guān) 系是K為空氣開關(guān)，在K的前端接有示波器，K的后端接有升壓變壓器，變壓器的高壓側(cè)接 有電壓、電流互感器PT和CT， PT與CT的二次側(cè)信號同時傳給頻譜分析儀(如德國進(jìn)口麗-1 儀器)。 試驗(yàn)時，合上K，即可在示波器屏幕上看到如圖5所示的諧波源對50Hz正弦波的調(diào) 制斬波情況，在頻譜分析儀上，還能看到各次諧波如圖7所示的幅值，通過這些幅值，將觀 察到所注入諧波信號的頻率、電壓、電流量值，從這些參數(shù)中，便可以計算出相關(guān)諧波阻抗 的大小，從而找到諧振點(diǎn)。對諧波用戶的投入和諧波量的消除起到指導(dǎo)作用。 四、諧波裝置軟件流程 我們研制的智能諧波試驗(yàn)裝置是軟硬件的結(jié)合體，前面已對硬件電路做了介紹， 本節(jié)將著重談?wù)撥浖Y(jié)構(gòu)，請見流程圖(如圖8)。 要做的軟件功能，很重要的一點(diǎn)就是建立數(shù)學(xué)模型。首先，諧波次數(shù)是相對50Hz 基波而言，故，裝置內(nèi)部已經(jīng)用分頻和計數(shù)手段，預(yù)先設(shè)置好了 50Hz，由此，在圖7中有以下 步驟 第一步，選擇諧波次數(shù)，即從鍵盤中置入n = 第二步，分兩種情況l、儀器會看有無"+ "或"-"的指令置入，若無，程序?qū)碸 = 50 X n的計算數(shù)據(jù)往下運(yùn)行；若有，程序則會在fnl的基礎(chǔ)上增加或減少頻率插入值25Hz ，形 成fn2 = 50Xn+25和fn3 = 50Xn-25Hz的頻率總值。 第三步，儀器又將等待鍵盤中斷指令，如果此時按下確認(rèn)鍵，儀器將會自動讀取鍵盤置入及經(jīng)單片微機(jī)計算后的試驗(yàn)諧波總值，隨之向大規(guī)模邏輯陣列FPGA輸入數(shù)據(jù)。FPGA 接到所賦數(shù)據(jù)后，將在內(nèi)部進(jìn)行頻率合成。 第四步，合成的頻率值分兩路送出， 一路回送CPU進(jìn)行比較判斷，如與鍵盤置數(shù)無 差異，則將默許；若有差異，會給出修正值，再返傳給邏輯陣列EPF6016， EPF6016重新合成， 如此反復(fù)，直到完全符合要求為止。正是這樣的軟硬件相互配合工作，可使諧波源頻率達(dá)到 10—5的精度。 綜上所述，本智能高次諧波試驗(yàn)儀與常規(guī)測試方式不一樣，是研制出穩(wěn)定的電壓 諧波源，將信號注入高壓系統(tǒng)，用以測量諧波阻抗和尋找諧振點(diǎn)，為變化諧波用戶測量不準(zhǔn) 和消除諧波干擾提供可靠數(shù)據(jù)。所以，是一種新型的測試裝置。 本試驗(yàn)裝置采用了高級微機(jī)芯片和大規(guī)模邏輯陣列，減少了 RAM、 ROM存儲計數(shù)及 鎖相、緩沖、驅(qū)動等器件，使電路大大簡化，技術(shù)含量大幅升高，做出的整體設(shè)備更加靈活輕 便，更能適合發(fā)電廠、變電站等現(xiàn)場應(yīng)用。 本裝置采樣了數(shù)學(xué)"優(yōu)選法"原理，在50Hz主倍頻的基礎(chǔ)上增設(shè)了正、負(fù)25Hz插 值頻率，這樣，每段頻率范圍便產(chǎn)生了主次諧波以及加、減25Hz的三個試驗(yàn)點(diǎn)，讓測試波形 和數(shù)據(jù)互相印證，使分析判斷更加準(zhǔn)確。同時，因能避開系統(tǒng)主倍頻強(qiáng)信號，便可用較小的 源信號獲得較大的信噪比，故能減少諧波試驗(yàn)裝置的制作投資，所以是很有意義和價值的 先進(jìn)獨(dú)到之處。
權(quán)利要求一種智能高次諧波試驗(yàn)裝置，包括，單片機(jī)，其特征是所述單片機(jī)型號為AT89S8252；還具有有源晶體振蕩器CLK12M產(chǎn)生的頻率信號經(jīng)3腳輸出至單片機(jī)AT89S8252的19腳、以作為頻率基準(zhǔn)和計數(shù)比較信號；鍵盤AJ2用作人工置入頻率數(shù)據(jù)，經(jīng)1～8線分別與大規(guī)模可編程邏輯陣列HPF6016的81～93腳相連，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話；大規(guī)?？删幊踢壿嬯嚵蠬PF6016根據(jù)鍵盤輸入的頻率數(shù)據(jù)和中斷指令，經(jīng)數(shù)據(jù)總線、地址總線與單片機(jī)作信號傳遞，在已編程序引導(dǎo)下，進(jìn)行諧波頻率合成，合成的頻率信號分兩路送出一路經(jīng)113腳和116腳回送單片機(jī)，作數(shù)據(jù)比較判斷，若不符合鍵盤所置頻率數(shù)，則在軟件計算的正負(fù)差值上，作反向修正，再經(jīng)32～39腳數(shù)據(jù)總線再次回傳給HPF6016的37～44腳，直至頻率滿足要求；復(fù)合要求的頻率信號從HPF6016另一路的96腳、99腳送出至光電隔離器HCPL的1腳、4腳；光電隔離器HCPL其2、3腳輸入端與HPF6016的信號輸出端聯(lián)接，經(jīng)光電隔離轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)6腳、7腳輸出；功率放大器由大功率晶體管GTR組成，對光電隔離器HCPL的輸出信號進(jìn)行功率放大后再對外輸出；測試電路空氣開關(guān)K前端接有示波器，空氣開關(guān)K的后端接有升壓變壓器B，變壓器的高壓側(cè)接有電壓互感器PT和電流互感器CT，PT和CT的二次側(cè)信號同時傳給頻譜分析儀。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述智能高次諧波試驗(yàn)裝置，其特征是所述功率放大器由4只6TR大功率液體管并聯(lián)組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述智能高次諧波試驗(yàn)裝置，其特征是還具有液晶顯示器LCD240*128 :分別與單片機(jī)AT89S8252以及HPF6016連接。
專利摘要一種智能高次諧波試驗(yàn)裝置，主要由單片機(jī)，有源晶體振蕩器，鍵盤，可編程邏輯陣列、光電隔離器，功率放大及測試電路組成。它采用較小的振蕩頻率電流注入系統(tǒng)，獲得較高的信噪比，同樣達(dá)到測試目的，而使諧波源的功率大幅下降，制作成本較低。它具有測試精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01R23/16GK201477156SQ20092016891
公開日2010年5月19日 申請日期2009年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月7日
發(fā)明者李世平, 粟和林 申請人:四川電力試驗(yàn)研究院