專利名稱：電網(wǎng)諧波實時在線監(jiān)測儀及利用該監(jiān)測儀檢測諧波的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了電網(wǎng)諧波實時在線監(jiān)測儀及利用該監(jiān)測儀檢測諧波的方法，屬于高精度精密儀器的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
諧波監(jiān)測儀在電力系統(tǒng)的應(yīng)用由來已久，但能實時在線監(jiān)測諧波的監(jiān)測儀更不多。隨著對電能質(zhì)量要求的提高，電網(wǎng)的智能化、綠色化是電力工作者需要研究和解決的內(nèi)容，電力系統(tǒng)諧波測量是電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測的重要內(nèi)容之一，實時在線的監(jiān)測諧波信息能有效的發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的狀態(tài)也是有效的進行諧波治理的依據(jù)。IEC61000-4-7標準和絕 大多數(shù)諧波測量儀，對諧波的測量仍然延用加漢寧窗FFT方法。FFT方法測量電網(wǎng)整次諧波在同步誤差較小的情況下是比較合理比較準確的，但如果存在較大同步誤差用傳統(tǒng)的加窗FFT方法測量電網(wǎng)諧波就不太合理不太準確了，但是就工程應(yīng)用而言，F(xiàn)FT方法測量諧波是一種比較實用的方法，因此我們?nèi)绻茉贔FT方法上加以改進和偏差的校正仍不失為一種比較理想的方法。FFT后處理方法學(xué)者早已進行研究插值、頻譜校正，頻譜校正又包括峰值搜索法、三點卷積法、頻譜重心校正法等。傳統(tǒng)的頻譜校正算法大多是頻域方法，本發(fā)明則根據(jù)DFT的代數(shù)機理方法導(dǎo)出一種

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述背景技術(shù)的不足，提供了電網(wǎng)諧波實時在線監(jiān)測儀及利用該監(jiān)測儀檢測諧波的方法。本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案電網(wǎng)諧波實時在線監(jiān)測儀，包括實時測量模塊和諧波計算模塊，所述實時測量模塊包括三相電壓互感器、三相電流互感器、信號調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP芯片、頻率測量單元、同步控制單元；所述電壓互感器、電流互感器的輸入端接待測回路電線，電壓互感器、電流互感器的輸出端與信號調(diào)理模塊的輸入端連接，所述信號調(diào)理模塊的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，所述頻率測量模塊的輸入端與電壓互感器的輸出端連接，所述頻率測量模塊的兩個輸出端分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP芯片連接，所述同步控制單元的兩端分別與DSP芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接；其中，所述頻率測量單元包括過零檢測器和鎖相環(huán)電路。利用電網(wǎng)諧波實時在線監(jiān)測儀檢測諧波的方法，包括如下步驟步驟1，鎖相環(huán)電路根據(jù)當前時刻的三相電壓得到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘信號、DSP芯片根據(jù)過零檢測器測得的三相電壓過零次數(shù)計算當前時刻的交流電頻率；步驟2，信號調(diào)理電路對互感器測得的交流電信號做去峰值處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器根據(jù)采樣時鐘信號對去峰值后的交流電信號采樣并做模數(shù)轉(zhuǎn)換得到當前時刻采樣序列信號；步驟3，DSP芯片通過同步控制單元獲取當前時刻周波的采樣序列，進行整次諧波的一次加窗DFT計算得到諧波參數(shù)信息；
步驟4，根據(jù)步驟3處理得到的諧波參數(shù)信息，利用如下表達式對諧波的結(jié)果進行偏差校正0 = [I + (-A-1AA) + (-A-1AA)2 + (-AJ1AA)3 +...... + (-AJ1AA)11] 00其中，I是單位矩陣，0是校正后的諧波參數(shù)信息，％是對電網(wǎng)電壓或電流采樣數(shù)據(jù)進行一次加窗DFT結(jié)果，Atl為參數(shù)矩陣，A A為變化參數(shù)矩陣，(-Af 是對一次DFT結(jié)果進行一次偏差校正，(-Afl1 AAyeil是對當前加窗DFT結(jié)果進行n次偏差校正。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果采用時域偏差校正算法，根據(jù)精度要求選擇誤差校正次數(shù)，在電網(wǎng)頻率微小變動、測頻精度較高的情況下，諧波算法能提供非 常接近‘理想同步采樣’情況下FFT算法的精度。


圖I為電網(wǎng)諧波實時在線監(jiān)測儀的框圖。圖2為實時測量模塊的框圖。圖3為具體實施例中的實驗效果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明如圖I所示的電網(wǎng)諧波實時在線監(jiān)測儀，包括實時測量模塊和諧波計算模塊(ARM單元)。實時測量模塊如圖2所示，包括三相電壓互感器、三相電流互感器、信號調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP芯片、頻率測量單元、同步控制單元。電壓互感器、電流互感器的輸入端接待測回路電線，電壓互感器、電流互感器的輸出端與信號調(diào)理模塊的輸入端連接，信號調(diào)理模塊的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，頻率測量模塊的輸入端與電壓互感器的輸出端連接，頻率測量模塊的兩個輸出端分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP芯片連接，同步控制單元的兩端分別與DSP芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接。頻率測量單元的輸入端也可以與電流互感器的輸出端連接。頻率測量單元包括過零檢測器和鎖相環(huán)電路。諧波監(jiān)測儀采用DSP+ARM構(gòu)架，充分利用DSP的強大數(shù)字信號處理能力與ARM的控制管理與通信功能。該裝置由I個“諧波計算模塊”和I至6個“實時測量模塊”組成，能直接生成PQDIF格式的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)并通過FTP方式上傳至服務(wù)器。其中“實時測量模塊”以32位高性能DSP TMS320F2812為核心，主要負責(zé)完成電能質(zhì)量指標實時計算，各“實時測量模塊”通過高速SPI接口與“管理模塊”相連；“諧波計算模塊”采用ARM9處理器并植入嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE6.0，主要完成各“測量模塊”實時計算數(shù)據(jù)的召喚及相關(guān)統(tǒng)計分析、PQDIF格式轉(zhuǎn)換、人機交互、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。為了滿足能同時監(jiān)測多個回路的要求，“實時測量模塊”與“諧波計算模塊”采用獨立、背插式設(shè)計，可以方便的在裝置主板上進行插拔，裝置最多能插6塊測量模塊。實時測量模塊的數(shù)目取決于回路(或監(jiān)測點)的數(shù)目，I個測量模塊對應(yīng)I個回路(或監(jiān)測點)。每個“實時測量模塊”獨立測量I個回路的三相電壓、電流及其諧波電能質(zhì)量參數(shù)。一般情況下，每個“實時測量模塊”的輸入量都是三相電壓和與之對應(yīng)的三相電流，這樣保證每個回路的每一相電壓和電流都同時采樣——這是精確測量功率所必須的。“實時測量模塊”算法嚴格按IEC61000-4-30:2003執(zhí)行，測量精度為A級?；ジ衅鳛?對高精度微型電壓互感器(PT)和微型電流互感器(CT)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇了美國ADI公司的16位
E -A 型 ADC-AD73360L。DSP 采用美國 TI 公司的 32 位 DSP-TMS320F2812，其工作
頻率為150MHz。三相電壓和電流士丄七^化^分別經(jīng)電壓互感器^”和電流互感器^”送到6路16位ADC，ADC轉(zhuǎn)化為6路數(shù)字信號(采樣序列)送到32位DSP進行數(shù)據(jù)處理；三相電壓信號還要送到PLL (鎖相環(huán)電路)，由PLL跟蹤電網(wǎng)頻率，PLL電路的輸出作為ADC的采樣時鐘，使采樣盡可能得逼近同步采樣。過零檢測信號送到DSP用于精確測頻。利用電網(wǎng)諧波實時在線檢測儀檢測諧波的方法，包括如下步驟步驟1，電網(wǎng)三相電壓分別經(jīng)電壓互感器和信號調(diào)理電路送到16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器， 電網(wǎng)三相電流分別經(jīng)電流互感器送到頻率測量環(huán)節(jié)，電網(wǎng)三相電壓分別經(jīng)電壓互感器和信號調(diào)理電路送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；步驟2，頻率測量環(huán)節(jié)用過零檢測方法檢測電網(wǎng)實時頻率，從而確定電壓電流波形的當前采樣頻率，每3秒根據(jù)測量的電網(wǎng)的實時頻率刷新一次采樣頻率；步驟3，DSP芯片根據(jù)實時10個周波采樣數(shù)據(jù)，進行整次諧波的一次加窗DFT計算；步驟4，根據(jù)步驟3處理得到的諧波信息，結(jié)合對電網(wǎng)諧波實時性和精度的要求，利用由矩陣反演定理導(dǎo)出的校正公式對諧波信息進行偏差校正校正0 = [I + (-Ao1AA) + (-Ao1AA)2 + (-A"1 AA)3 + ……+ (-A"1 AA)n ] G0 (I)其中，I是單位矩陣，0是校正后的諧波參數(shù)信息，％是對電網(wǎng)電壓或電流采樣數(shù)據(jù)進行一次加窗DFT結(jié)果，是對一次DFT結(jié)果進行一次偏差校正，(-41是對當前加窗DFT結(jié)果進行n次偏差校正，校正次數(shù)越大，諧波的測量精度越接近理想同步采樣。校正公式(I)可利用矩陣反演定理推導(dǎo)出I)采樣10個周波得到N點采樣序列y ；2)求出本數(shù)據(jù)窗口的電網(wǎng)頻率f ;3)根據(jù)本數(shù)據(jù)窗口的電網(wǎng)頻率求出A和AA ;4)進行一次加窗DFT : 0。= Fy⑵其中，F(xiàn)是加窗DFT系數(shù)矩陣，5)進行n次同步校正(n—般取3、4即可)。所述檢測方法的原理證明如下假設(shè)實際電網(wǎng)電壓(電流)信號描述為
My(t) =al!cos(mtot) +b,r!sin(mtot)] (3),即 A 0 =y (4)。令0T=[ao aj b1 …aM bM],yT=[y (t^y (t2)(5)
權(quán)利要求
1.電網(wǎng)諧波實時在線監(jiān)測儀，包括實時測量模塊和諧波計算模塊，其特征在于所述實時測量模塊包括三相電壓互感器、三相電流互感器、信號調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP芯片、頻率測量單元、同步控制單元； 所述電壓互感器、電流互感器的輸入端接待測回路電線，電壓互感器、電流互感器的輸出端與信號調(diào)理模塊的輸入端連接，所述信號調(diào)理模塊的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，所述頻率測量模塊的輸入端與電壓互感器的輸出端連接，所述頻率測量模塊的兩個輸出端分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP芯片連接，所述同步控制單元的兩端分別與DSP芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接；其中，所述頻率測量單元包括過零檢測器和鎖相環(huán)電路。
2.利用權(quán)利要求I所述的電網(wǎng)諧波實時在線監(jiān)測儀檢測諧波的方法，其特征在于包括如下步驟 步驟1，鎖相環(huán)電路根據(jù)當前時刻的三相電壓得到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘信號、DSP芯片根據(jù)過零檢測器測得的三相電壓過零次數(shù)計算當前時刻的交流電頻率； 步驟2，信號調(diào)理電路對互感器測得的交流電信號做去峰值處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器根據(jù)采樣時鐘信號對去峰值后的交流電信號采樣并做模數(shù)轉(zhuǎn)換得到當前時刻采樣序列信號； 步驟3，DSP芯片通過同步控制單元獲取當前時刻周波的采樣序列，進行整次諧波的一次加窗DFT計算得到諧波參數(shù)信息； 步驟4，根據(jù)步驟3處理得到的諧波參數(shù)信息，利用如下表達式對諧波的結(jié)果進行偏差校正 0= I + (-Ao1AA) + (-Aq1AA)2 + (-Aq1AA)3 +......+ (-Aq1AA)11 G0 其中，I是單位矩陣，e是校正后的諧波參數(shù)信息，Qtl是對電網(wǎng)電壓或電流采樣數(shù)據(jù)進行一次加窗DFT結(jié)果，A0為參數(shù)矩陣，AA為變化參數(shù)矩陣，(-A>A)0^對一次DFT結(jié)果進行一次偏差校正，(-Ae1 AA)'是對當前加窗DFT結(jié)果進行n次偏差校正。全文摘要
本發(fā)明公開了電網(wǎng)諧波實時在線監(jiān)測儀及利用該監(jiān)測儀檢測諧波的方法，屬于高精度精密儀器的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過實施測量交流信號，對交流信號采樣、做加窗DFT處理得到諧波參數(shù)信息，再利用矩陣反演定理推到得到的偏差校正公式校正所得諧波參數(shù)信息。本發(fā)明采用時域偏差校正算法，根據(jù)精度要求選擇誤差校正次數(shù)，在電網(wǎng)頻率微小變動、測頻精度較高的情況下，諧波算法能提供非常接近‘理想同步采樣’情況下FFT算法的精度。
文檔編號G01R15/18GK102749488SQ20121021555
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者朱節(jié)中, 梅永, 王柏林 申請人:南京信息工程大學(xué)