一種電力系統(tǒng)諧波檢測裝置及諧波檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及諧波檢測裝置及諧波檢測方法，具體涉及一種電力系統(tǒng)諧波檢測裝置 及諧波檢測方法，屬于電力系統(tǒng)諧波分析技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類的生產(chǎn)生活水平得到了極大的提 高，電力系統(tǒng)中各種型號的電機(jī)、整流裝置、電弧爐和交直流變流設(shè)備等非線性負(fù)載以及沖 擊性負(fù)載的不斷增加。這些非線性負(fù)載在電網(wǎng)中隨機(jī)地組合運(yùn)行，造成了電流、電壓波形的 嚴(yán)重畸變。在畸變的電流、電壓波形中，不僅存在頻率與供電電源相同的正弦量，稱之為基 波分量，還出現(xiàn)了頻率是基波分量頻率的整數(shù)倍的一系列正弦分量，這一系列分量就是電 力諧波。
[0003] 諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和使用的效率降低并對周圍的電磁環(huán)境產(chǎn)生危害。在發(fā) 電過程中，使旋轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生附加功率損耗和發(fā)熱、產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩和噪聲；在傳輸?shù)倪^程中， 可引起電力系統(tǒng)串并聯(lián)諧振，使諧波含量得到進(jìn)一步的放大，造成電容器設(shè)備燒毀，而且諧 波電流在變壓器中造成損耗并附加發(fā)熱，降低了變壓器的負(fù)載能力;在使用的過程中，使電 氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，發(fā)生故障或燒毀，使用壽命縮短，對繼電保護(hù) 或自動控制裝置產(chǎn)生干擾，造成誤動或拒動，還干擾儀表和電能計(jì)量，造成較大誤差。
[0004] 因此，深入地研究電力系統(tǒng)諧波問題，消除諧波污染，把諧波含量控制在允許范圍 內(nèi)，對供電系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，電力系統(tǒng)的保護(hù)以及電氣設(shè)備的安全運(yùn)行有重大意義。
[0005] 然而，我國的諧波檢測裝置還存在不少問題，如:多數(shù)檢測裝置的基本功能只停留 在對持續(xù)性和穩(wěn)態(tài)性諧波的檢測上，對暫態(tài)的諧波不能準(zhǔn)確定位;實(shí)時(shí)檢測裝置尚處于試 點(diǎn)階段，離成熟推廣還有相當(dāng)距離。因此對電力系統(tǒng)的諧波檢測遠(yuǎn)未做到實(shí)時(shí)、全面，而且 檢測裝置適用范圍窄，檢測成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的一種電力系統(tǒng)諧波檢測裝置檢測效果差， 檢測精度低，成本高的問題。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種電力系統(tǒng)諧波檢測裝置，包括電壓互感器、電流互感 器、信號調(diào)理電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、DSP控制器、ARM處理器和通信模塊，電壓互感器和電流 互感器的輸入端連接電網(wǎng)，電壓互感器和電流互感器的輸出端均連接信號調(diào)理電路的輸入 端，信號調(diào)理電路的輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊連接DSP控制器，DSP控制器的輸出端通過通 信模塊連接ARM處理器。
[0008] 所述一種電力系統(tǒng)諧波檢測裝置包括液晶顯示器和鍵盤，所述液晶顯示器和鍵盤 均與ARM處理器建立連接。
[0009] 所述一種電力系統(tǒng)諧波檢測裝置包括電源電路，所述電源電路包括電源調(diào)理模塊 和電源開關(guān)，電網(wǎng)通過電源開關(guān)連接電源調(diào)理模塊，電源調(diào)理模塊分別連接DSP控制器和 ARM處理器。
[0010] 所述信號調(diào)理電路包括轉(zhuǎn)換電路和轉(zhuǎn)換電路和箝位電路，所述轉(zhuǎn)換電路的輸入端 為信號調(diào)理電路的輸入端，箝位電路的中點(diǎn)為信號調(diào)理電路的輸出端。
[0011] 基于所述一種電力系統(tǒng)諧波檢測裝置的諧波檢測方法，先將采集到的周期交流量 進(jìn)行FFT運(yùn)算，經(jīng)FFT運(yùn)算后得到相應(yīng)的頻譜，根據(jù)頻譜確定周期交流量中的頻率成分，然后 由包含的頻率成分，確定需要分解的高頻段，最后運(yùn)用小波包進(jìn)行分解與重構(gòu)，得到無頻譜 泄漏的各次諧波分量，實(shí)現(xiàn)對諧波的檢測。
[0012] 所述小波包分析方法包括以下步驟：
[0013] 第一步是對周期交流量進(jìn)行分解，得到基波和各次諧波分量在相應(yīng)的尺度空間上 的系數(shù)；
[0014] 第二步是根據(jù)基波和各次諧波分量在相應(yīng)尺度空間上的系數(shù)，重構(gòu)出基波信號和 各次諧波信號，從而實(shí)現(xiàn)對諧波的檢測。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果:選用ARM+DSP的雙核構(gòu)架，ARM實(shí)現(xiàn)對外設(shè) 的管理與控制;DSP完成數(shù)據(jù)的采集與分析處理。并以此為核心，對檢測裝置的信號變換電 路、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)存儲電路、HPI通信電路以及鍵盤顯示電路的進(jìn)行了 設(shè)計(jì)，從而使得檢測裝置在完成對電力系統(tǒng)諧波信號檢測的同時(shí)，也對檢測結(jié)果進(jìn)行顯示 和儲存，實(shí)現(xiàn)了檢測結(jié)果的再現(xiàn)。本發(fā)明的方法解決了 FFT算法存在的頻譜泄露和柵欄現(xiàn)象 以及對暫態(tài)諧波信號不能定位的問題;與小波包分析法相比，只對感興趣的高頻段進(jìn)行多 分辨率分析，降低了算法運(yùn)算的復(fù)雜度，提高了諧波檢測實(shí)時(shí)性。本發(fā)明的諧波檢測方法利 用FFT優(yōu)異的幅頻特性，對電力系統(tǒng)諧波進(jìn)行識別，再利用小波包優(yōu)異的時(shí)頻特性，對諧波 發(fā)生和結(jié)束的時(shí)刻進(jìn)行準(zhǔn)確定位，這樣不僅得到了比較準(zhǔn)確的總諧波畸變率，還得到精確 的各次諧波含有率。
【附圖說明】
[0016] 圖1，本發(fā)明電力諧波檢測裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0017] 圖2,本發(fā)明信號調(diào)理電路示意圖；
[0018] 圖3,本發(fā)明電源電路示意圖；
[0019] 圖4 HPT304典型應(yīng)用電路示意圖；
[0020] 圖5 HCT204典型應(yīng)用電路示意圖；
[00211圖6,本發(fā)明小波包分解示意圖；
[0022] 圖7,本發(fā)明小波包分解算法圖；
[0023] 圖8,本發(fā)明小波包分解過程示意圖；
[0024] 圖9,本發(fā)明小波包重構(gòu)過程示意圖；
[0025] 圖10,本發(fā)明的穩(wěn)態(tài)諧波信號仿真圖；
[0026] 圖11，本發(fā)明的暫態(tài)諧波信號仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 結(jié)合【附圖說明】本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，本發(fā)明的一種電力系統(tǒng)諧波檢測裝置，包 括電壓互感器、電流互感器、信號調(diào)理電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、DSP控制器、ARM處理器和通信模 塊，電壓互感器和電流互感器的輸入端連接電網(wǎng)，電壓互感器和電流互感器的輸出端均連 接信號調(diào)理電路的輸入端，信號調(diào)理電路的輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊連接DSP控制器，DSP 控制器的輸出端通過通信模塊連接ARM處理器，如圖1所示。
[0028] 本實(shí)施方式的ARM部分以ARM7TDMI-S核的LPC2132處理器為核心，其采用了三級流 水線技術(shù)，增加了64位乘法指令，支持片上調(diào)試以及1個(gè)8路的P麗通道、10位ADC、10位DAC、 多個(gè)32位定時(shí)器、多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷、47個(gè)GPI0,使其特別適用于控制應(yīng) 用。DSP選用的是TI公司的TMS320C6203B，其采用了 VLIW的體系結(jié)構(gòu)，多個(gè)功能單元并行工 作，大大提高了數(shù)據(jù)的處理速度，C6203B完成1024點(diǎn)的定點(diǎn)FFT運(yùn)算的時(shí)間只要66微秒，比 傳統(tǒng)的DSP要快一個(gè)數(shù)量級，可以利用C6203B提供了的主機(jī)接口（HPI)與ARM處理器的通信， 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。
[0029]電力系統(tǒng)中，為了有效地傳輸電能，通常采用交流的高電壓，大電流回路將電力送 往用戶。但是輸電過程中的電壓、電流信號對檢測裝置中的ADC來說都是高電壓、大電流，無 法進(jìn)行采樣。在對電力系統(tǒng)進(jìn)行檢測之前，就必須要對電壓、電流信號進(jìn)行變換。這部分硬 件電路設(shè)計(jì)的好壞，直接影響著諧波檢測的精度。在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用互感器將高電壓和大電 流信號變換成適合ADC采集的電壓信號?；ジ衅鞯淖饔镁褪菍⒁淮蜗到y(tǒng)的高電壓和大電流 信號按比例準(zhǔn)確地變換到二次側(cè)便于用儀表直接檢測的數(shù)值?；ジ衅鞯男阅軐⒅苯佑绊?諧波檢測的準(zhǔn)確性。在本設(shè)計(jì)中，分別采用HPT304精密微型電壓互感器和HCT204電流互感 器獲取電網(wǎng)信號，由于互感器相移較小，不需要實(shí)施補(bǔ)償。電壓、電流互感器的典型應(yīng)用電 路分別如圖4和圖5所不。
[0030] HPT304是一種電流型的精密電壓互感器，輸入輸出電流比為1:1，一次回路最高輸 入電壓為1KV，額定電流是2mA，互感器可以工作在10mA以下的任一點(diǎn)。在電路中，被測電壓 信號Vin經(jīng)過限流電阻Rin在一次邊產(chǎn)生電流，經(jīng)過互感器在二次邊產(chǎn)生大小相同的電流， 經(jīng)過運(yùn)放得到輸出電壓。通過AD采集輸出電壓，就可得到被測電壓信