本實(shí)用新型涉及一種具有三次諧波限制功能的微機(jī)消諧裝置。

背景技術(shù)：

在電力系統(tǒng)中，鐵磁諧振頻繁發(fā)生，諧振時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全。鐵磁諧振過(guò)電壓可以在3-220kV的任何系統(tǒng)中發(fā)生，特別是在35kV及以下的電網(wǎng)中，幾乎所有的內(nèi)部過(guò)電壓事故均由鐵磁諧振引起，鐵磁諧振引起的過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，甚至可能長(zhǎng)期存在。在分頻諧振時(shí)，一般過(guò)電壓不高，但是PT的電流大，易使PT過(guò)熱爆炸；基波和倍頻諧振時(shí)，一般電流不大，但是過(guò)電壓很高，常使設(shè)備絕緣損壞，造成惡性事故。諧振對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行構(gòu)成危害，輕則使電壓互感器一次熔絲熔斷，重則燒毀電壓互感器，甚至炸毀瓷絕緣子及避雷器造成系統(tǒng)停運(yùn)。二次消諧裝置主要是上述問(wèn)題而研發(fā)的產(chǎn)品。但是對(duì)于所帶負(fù)荷為電弧爐的變電站，電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波以三次諧波為主。三次諧波不僅會(huì)引起零線過(guò)熱，釀成火災(zāi)隱患；還會(huì)引起變壓器溫升過(guò)高，從而燒毀變壓器，給變電站帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實(shí)用新型目的是提供一種可以限制電網(wǎng)中三次諧波對(duì)變壓器和零線的影響，同時(shí)還要能夠準(zhǔn)確區(qū)分基頻諧振和單相接地，以免造成電壓互感器長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載而燒毀的具有三次諧波限制功能的微機(jī)消諧裝置。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：

一種具有三次諧波限制功能的微機(jī)消諧裝置，包括電源模塊、采樣模塊、CPU處理模塊、液晶顯示模塊和消諧模塊，所述電源模塊分別與采樣模塊、CPU處理模塊、液晶顯示模塊和消諧模塊電性連接，所述采樣模塊、CPU處理模塊和液晶顯示模塊依次信號(hào)連接，所述CPU處理模塊與消諧模塊連接。所述電源模塊包括二極管和電容。所述采樣模塊內(nèi)配置有16位高分辨率A/D芯片。所述液晶顯示模塊內(nèi)設(shè)置有74LS273觸發(fā)器。

所述電源模塊對(duì)整臺(tái)裝置提供電源；所述采樣模塊對(duì)PT開(kāi)口三角電壓進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換、處理；所述CPU處理模塊對(duì)采集模塊采集的信號(hào)經(jīng)CPU模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行運(yùn)算、邏輯判斷等，然后經(jīng)過(guò)控制回路輸出來(lái)消諧及告警；所述液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)日歷、時(shí)鐘、PT開(kāi)口三角電壓4各種頻率：3分頻(17Hz)、2分頻(25Hz)、工頻(50Hz)、3倍頻(150Hz)的電壓分量以及顯示三次諧波功能的投入及退出；所述消諧模塊包含二次消諧與三次諧波抑制，對(duì)采集到的系統(tǒng)鐵磁諧振與三次諧波予以消除。不僅可以消除各種頻率下的鐵磁諧振過(guò)電壓，還可以限制電網(wǎng)中三次諧波對(duì)變壓器和零線的影響，同時(shí)還可以能夠準(zhǔn)確區(qū)分基頻諧振和單相接地。

在電壓互感器二次側(cè)電壓信號(hào)短通過(guò)端子排接入具有三次諧波限制功能的微機(jī)消諧裝置的U0,通過(guò)該裝置啟用二次消諧與三次諧波抑制功能，裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PT開(kāi)口三角電壓，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振、接地、過(guò)壓、三次諧波時(shí)，裝置可以迅速判斷并且報(bào)警。

本實(shí)用新型技術(shù)效果主要體現(xiàn)在以下方面：消諧模塊能夠加強(qiáng)二次消諧裝置的功能，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三次諧波抑制的功能，同時(shí)改善其在消除鐵磁諧振的過(guò)程中存在的不足之處，從而減弱鐵磁諧振過(guò)電壓對(duì)電壓互感器的影響。加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)諧波中成分比重較大的三次諧波的限制，盡可能地消除三次諧波對(duì)電力系統(tǒng)的影響。實(shí)現(xiàn)性能的最大化及最優(yōu)化。該裝置不僅要實(shí)時(shí)顯示各種頻率下的電壓大小，還能記錄基頻諧振、分頻諧振以及高頻諧振的次數(shù)及發(fā)生諧振的時(shí)間，且掉電后不會(huì)丟失。配置通信接口將各種故障信息及諧振次數(shù)傳送至有關(guān)部門(mén)，便于工作人員及時(shí)消除故障，減少損失。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型一種具有三次諧波限制功能的微機(jī)消諧裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本實(shí)用新型一種具有三次諧波限制功能的微機(jī)消諧裝置的電源模塊原理圖。

圖3為本實(shí)用新型一種具有三次諧波限制功能的微機(jī)消諧裝置的電壓采集模塊原理圖。

圖4為本實(shí)用新型一種具有三次諧波限制功能的微機(jī)消諧裝置的cpu處理模塊原理圖。

圖5為本實(shí)用新型一種具有三次諧波限制功能的微機(jī)消諧裝置的液晶顯示模塊原理圖。

圖6為本實(shí)用新型一種具有三次諧波限制功能的微機(jī)消諧裝置的消諧模塊原理圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳述，以使本實(shí)用新型技術(shù)方案更易于理解和掌握。

如圖1所示，一種具有三次諧波限制功能的微機(jī)消諧裝置，包括電源模塊1、采樣模塊2、cpu處理模塊3、液晶顯示模塊4以及消諧模塊5；所述電源模塊1對(duì)整臺(tái)裝置提供電源；所述采樣模塊2對(duì)PT開(kāi)口三角電壓進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換、處理；所述CPU處理模塊3對(duì)采集模塊采集的信號(hào)經(jīng)CPU模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行運(yùn)算、邏輯判斷等，然后經(jīng)過(guò)控制回路輸出來(lái)消諧及告警；所述液晶顯示模塊4實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)日歷、時(shí)鐘、PT開(kāi)口三角電壓4各種頻率：3分頻(17Hz)、2分頻(25Hz)、工頻(50Hz)、3倍頻(150Hz)的電壓分量以及顯示三次諧波功能的投入及退出；所述消諧模塊5包含二次消諧與三次諧波抑制，對(duì)采集到的系統(tǒng)鐵磁諧振與三次諧波予以消除。本實(shí)用新型不僅要消除各種頻率下的鐵磁諧振過(guò)電壓，還要限制電網(wǎng)中三次諧波對(duì)變壓器和零線的影響，同時(shí)還要能夠準(zhǔn)確區(qū)分基頻諧振和單相接地。

如圖2所示，為裝置電源部分，電源完成系統(tǒng)采樣信號(hào)輸入端的電壓偏置作用，通過(guò)二極管整流、電容濾波變成直流，經(jīng)電阻及電容的分壓處理，通過(guò)運(yùn)算放大器的內(nèi)部進(jìn)行放大隔離，完成電源的實(shí)現(xiàn)，其中，C28、C29、C30實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓的抗干擾處理即退耦功能。

如圖3所示，為裝置的采集電壓部分，裝置配置有16位高分辨率A/D芯片，該芯片是一款單片雙通道高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，此轉(zhuǎn)換器能夠以 370MSPS 的采樣速率將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為 16 位數(shù)字信號(hào)。這款轉(zhuǎn)換器使用具有集成輸入緩沖器的差分管道式架構(gòu)，以便在保持低功耗的同時(shí)提供出色的動(dòng)態(tài)性能。集成輸入緩沖器消除了來(lái)自內(nèi)部開(kāi)關(guān)電容器采樣電路的電荷回饋噪聲，并且簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)放大器、抗混疊濾波器以及阻抗匹配的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。一個(gè)輸入采樣時(shí)鐘分頻器用可配置相位選擇提供整數(shù)分頻比，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)計(jì)時(shí)。集成低噪聲電壓基準(zhǔn)在無(wú)需外部去耦合電容器的情況下簡(jiǎn)化電路板級(jí)設(shè)計(jì)。

通過(guò)對(duì)PT開(kāi)口三角電壓的采集，對(duì)電網(wǎng)諧振時(shí)的各種頻率成分能快速分析，準(zhǔn)確地辨別出：?jiǎn)蜗嘟拥?；系統(tǒng)過(guò)電壓；電網(wǎng)諧振。

如圖4所示，為裝置的CPU處理部分，CPU采用美國(guó)Atmel公司精簡(jiǎn)指令集（RISC）單片微控制器ATmega128,數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、邏輯判斷、控制輸出等速度快，精度高，自帶“看門(mén)狗”（Watchdog）電路，抗干擾、自檢及自恢復(fù)等能力強(qiáng)。128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有在寫(xiě)的過(guò)程中還可以讀的能力，即RWW)、4K字節(jié)的EEPROM、4K字節(jié)的SRAM、53個(gè)通用I/O口線、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)、兩個(gè)USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC(具有可選的可編程增益)、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器、SPI串行端口、與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測(cè)試接口(此接口同時(shí)還可以用于片上調(diào)試)，以及六種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式。

空閑模式時(shí)CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作，寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時(shí)異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，以允許用戶維持時(shí)間基準(zhǔn)，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時(shí)CPU和所有的I/O模塊停止運(yùn)行，而異步定時(shí)器和ADC繼續(xù)工作，以減少ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲；Standby模式時(shí)振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力。

本實(shí)用新型的工作原理是：裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PT開(kāi)口三角電壓，運(yùn)用離散傅立葉變換即DFT算法計(jì)算出零序電壓四種頻率的電壓分量。內(nèi)部配置壓敏元件，該元件的電抗會(huì)隨著諧波電壓的變化而變化，從而破壞PT鐵磁諧振的產(chǎn)生條件。達(dá)到實(shí)時(shí)在線消除運(yùn)行過(guò)程中瞬態(tài)諧振的目的，極大地降低諧振產(chǎn)生的可能性。若存在三次諧波，再將三次諧波控制字投入后，瞬間啟動(dòng)三次諧波限制功能。

在消諧過(guò)程中，使用最優(yōu)決策算法，即尋找合理的消除點(diǎn)。在將三次諧波限制控制字投入后，裝置對(duì)采集到的輸入量進(jìn)行分析、計(jì)算和判斷，若為其他諧波量引起的諧振，則啟動(dòng)消諧電路，使壓敏電阻動(dòng)作，讓鐵磁諧振在阻尼作用下迅速消失。此時(shí)，CPU系統(tǒng)進(jìn)行記錄、存貯，并自動(dòng)報(bào)警、顯示諧振信息（時(shí)間、頻率、電壓值）。如果電路是過(guò)電壓或單相接地故障，微機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)后，分別給出顯示和報(bào)警，并記錄、存貯有關(guān)故障信息。CPU系統(tǒng)處理完后，返回起始狀態(tài)，并繼續(xù)檢測(cè)電路中的狀態(tài)。

如圖5所示，為裝置的液晶顯示部分，利用74LS273的鎖存功能，使CPU送出的數(shù)據(jù)在接口電路的輸出端保持一段時(shí)間鎖存后狀態(tài)不再發(fā)生變化，直到解除鎖定。與LED連接要維持一個(gè)數(shù)據(jù)的顯示，往往要持續(xù)的快速的刷新。大大占用了處理器的處理時(shí)間，消耗了處理器的處理能力，還浪費(fèi)了處理器的功耗。 鎖存器的使用可以大大的緩解處理器在這方面的壓力。當(dāng)處理器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)芥i存器并將其鎖存后，鎖存器的輸出引腳便會(huì)一直保持?jǐn)?shù)據(jù)狀態(tài)直到下一次鎖存新的數(shù)據(jù)為止。這樣在數(shù)碼管的顯示內(nèi)容不變之前，處理器的處理時(shí)間和IO引腳便可以釋放?？梢钥闯?，處理器處理的時(shí)間僅限于顯示內(nèi)容發(fā)生變化的時(shí)候，這在整個(gè)顯示時(shí)間上只是非常少的一個(gè)部分。而處理器在處理完后可以有更多的時(shí)間來(lái)執(zhí)行其他的任務(wù)。

如圖6所示，為裝置的消諧部分, 裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PT開(kāi)口三角電壓，運(yùn)用離散傅立葉變換即DFT算法計(jì)算出零序電壓四種頻率的電壓分量。內(nèi)部SSR元件，該元件的電抗會(huì)隨著諧波電壓的變化而變化，從而破壞PT鐵磁諧振的產(chǎn)生條件。達(dá)到實(shí)時(shí)在線消除運(yùn)行過(guò)程中瞬態(tài)諧振的目的，極大地降低諧振產(chǎn)生的可能性。若SSR未能完全消除PT產(chǎn)生的鐵磁諧振，則瞬間啟動(dòng)三次諧波限制器的壓敏電阻予以消除。

本實(shí)用新型技術(shù)效果主要體現(xiàn)在以下方面：消諧模塊能夠加強(qiáng)二次消諧裝置的功能，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三次諧波抑制的功能，同時(shí)改善其在消除鐵磁諧振的過(guò)程中存在的不足之處，從而減弱鐵磁諧振過(guò)電壓對(duì)電壓互感器的影響。加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)諧波中成分比重較大的三次諧波的限制，盡可能地消除三次諧波對(duì)電力系統(tǒng)的影響。實(shí)現(xiàn)性能的最大化及最優(yōu)化。該裝置不僅要實(shí)時(shí)顯示各種頻率下的電壓大小，還能記錄基頻諧振、分頻諧振以及高頻諧振的次數(shù)及發(fā)生諧振的時(shí)間，且掉電后不會(huì)丟失。配置通信接口將各種故障信息及諧振次數(shù)傳送至有關(guān)部門(mén)，便于工作人員及時(shí)消除故障，減少損失。

當(dāng)然，以上只是本實(shí)用新型的典型實(shí)例，除此之外，本實(shí)用新型還可以有其它多種具體實(shí)施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。