（检测技术与自动化装置专业论文）电网参数实时检测系统的研究与设计.pdf

摘要 电能是现代社会使用最为广泛的能源，面对现代工业发展带来的电网电能质 量下降和高质量电能需求之间的矛盾，研究实时准确检测电网电力参数和电能质 量参数的装置、及时掌握供电设备运行状况、确保企业内部功率补偿的有效性和 合理性，就成为解决这一矛盾的必要条件。数字信号处理技术可以实现高精度数 据测量、智能化实时参数检测，为进一步改善电能质量提供确凿的测量数据和有 力的技术保证。 本文在充分理解电能质量内涵，了解电网电力参数实时检澳9 研究现状和产品 现状的基础上，较为全面地介绍了作者研制的一种基于f f t 理论并用于电力系统 实时补偿的电网参数检测系统装置。该系统能够自动采集电网实时电压、电流等 数据，借助a v ra t m e g a l 2 8 单片机强大的数据处理功能对电网谐波予以分析，通 过液晶显示器显示采集信号波形、各次谐波分布图及各种电网电能质量参数，采 集和分析后的数据还可通过串行口传入计算机，便于作进一步地分析、统计及存 储，为电力部门的安全生产提供长期有效的依据。 在深入研究混叠误差、频谱泄漏和栅栏效应误差修正方法的基础上，重点考 虑了信号调理电路、数据采样及同步电路、人机接口等电路的设计，使用 c o d e v i s i o na v rc 语言编写了数据采样模块、电力参数分析计算模块以及数据 显示控制和通信等模块，完成了三相电压、电流、功率、频率和谐波等电力质量 参数地实时测量、显示和通信等功能，并调试成功。 经运行表明，该仪器具有测量精度高、界面友好、功能完备和使用灵活等特 点，为研制同类系统产品实用化提供了一种借鉴。 关键词：电力参数，测量与分析，同步采集，f f t 误差修正 a b s t r a c t p o w e re n e r g yi st h em o s tw i d e l yu s e de n e r g yr e s o n r c e si nc o n t e m p o r a r ys o c i e t y t h e d e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g yb r i n g st h ep o w e rq u a l i t yo fg r i dd o w n , w h i l eh i i g hq u a l i t y p o w e ri sd e m a n d e df o r t os o l v et h i sp r o b l e m ，w en e e dd e v i c e st h a tc a nm e a s u r er e a l - t i m e p a r a m e t e r so fp o w e rg r i da n dp o w e rq u a l i t ya c c u r a t e l y , h o l do p e r a t i o ns t a t u so fp o w e rs u p p l y e q u i p m e n tt i m e l ya n de n s u r et h er a t i o n a l i t ya n de f f e c t i v e n e s so fp o w e rc o m p e n s a t i o ni n s i d et h e e n t e r p r i s e t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ym a k e sh i g h - p r e c i s i o nm e a s u r e m e n ta n d i n t e l l i g e n tr e a l - t i m ed e t e c t i o np o s s m l e ，p r o v i d i n gc o n c l u s i v ed a t aa n ds t r o n gt e c h n i c a lg u a r a n t e e s oa st oh n p r o v et h ep o w e rq u a l i t yl i n e r o nf u l lu n d e r s t a n d i n gt h ec o n n o t a t i o no fp o w e rq u a l i t ya n dt h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n a n dp r o d u c ts t a t u so ft h er e a l - t i m ed e t e c t i o no np o w e rg r i dp a r a m e t e r s , t h i sp a p e ri n t r o d u c ea n e wd e v i c es y s t e mf o rd e t e c t i n gp o w e rg r i dp a r a m e t e r si nt h eb a s i so ff 】盯t h e o r y , w h i c hw a s u s e df o rr e a l t i m ec o m p e n s a t i o no fp o w e rs y s t e m t h es y s t e mi sa b l et oc o l l e c tr e a l - t i m ep o w e r g r i dv o l t a g ea n dc u r r e n tp a r a m e t e r sa u t o m a t i c a l l y , m a k ee l e c t r i ch a r m o n i ca n a l y s i sb ym e a l 陷o f p o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n gf u n c t i o no fa v ra t m e g a l 2 8a n dd i s p l a yt h ec o l l e c t e ds i g n a lw a v e , e a c hn u m b e rh a r m o n i cd i s t r i b u t i o ng r a p ha n dp o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r so nl i q u i dc r y s t a ls o c e i l t h ec o l l e c t e dd a t ac a na l s ob et r a n s f e r r e dt oc o m p u t e rb ys e r i a lp o r tf o rf u r t h e rs t a t i s t i c a l a n a l y s i s ，p r o v i d i n gl o n g - t e r m e f f e c t i v ef o u n d a t i o nf o rt h es e c u r ep r o d u c t i o no fp o w e r d e p a r t m e n t a f t e rt h o r o u 【g h l y 咖d yo ft h ec o r r e c t i o nm e t h o df o rh 呵a l i a s i n ge r r o r , l e a k a g eo f f r e q u e n c ys p e c t r u me r r o ra n de f f e c to ft h ef e n c eo i l o r , e v e r yp a r tc i r c u i t so fs y s t e md e s i g n e d w e r e p a i d m u c ha t t e n t i o nt o , i n c l u d i n g s i g n a l m o d u l a t e dc i r c u i t , d a t as a m p l i n g a n d s y n c h r o n i z a t i o nc i r c u i t ，m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n ds y s t e mp o w e rs u p p l yc i r c u i ta n ds oo i l w h i l et h es o f t w a r em o d u l ew e r ew r i t t e na n dc o m p i l e di nc o d e v i s i o na v r c ，c o n t a i n st h ed a t a s a m p l i n gm o d u l e ，p o w e rp a r a m e t e r sa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nm o d u l e ，d a t ad i s p l a yc o n t r o la n d c o m m u n i c a t i o nm o d u l e f i n a l l yt h es y s t e mw e r ed e b u g g e ds u c c e s s f u l l ya n dt h u sf u n c t i o n e dt o m e a s u r e ，d i s p l a ya n dc o m m u n i c a t et h er e a l t i m ep o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r ss u c ha st h r e e - p h a s e v o l t a g e ，c u r r e n t ，p o w e r , f r e q u e n c ya n dh a r m o n i ce t c t h ef i e l de x p e r i m e n t si n d i c a t et l l 札t h ed e t e c t i n gi n s t r u m e n th a sa d v a n t a g e so fh i g h m e a s u r i n ga c c u r a c y , f r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e ，c o m p l e t ef u n c t i o na n df l e x i b l et ou s e m e a n w h i l e , t h i ss t u d yp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rs i m i l a rp r o d u c t st ob e c o m ep r a c t i c a l k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r s ，m e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s ，s y n c h r o n o u sd a t aa c q u i s i t i o n , f f l re r r o rc o r r e c t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 g 年j月形日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理 论文作者( 签名) ： 年) 月 河海大学工学硕士论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 电网电能质量参数检测的研究意义及内涵 1 1 1 电网电能质量参数检测的研究意义 电能是现代社会使用最为广泛的能源0 1 。 现代工业的发展带来了电网电能质量下降和高质量电能需求之间的矛盾。一方面， 由于节能技术和自动化技术的推广，各种电力电子装置如大型电弧炉、电力机车、整流设 备、变频器、交流器、开关电源、电抗器等非线性扰动负载的接入日益增多，不但使电能 的需求量日益增加，而且不可避免地将产生的高次谐波电流大量注入电网，造成了诸如电 网电压波形畸变、电压闪变、干扰等现象，导致电能质量日趋恶化；另一方面，由于电力 电子技术发展的需要，各种芯片制造、精密加工设备如变频调速驱动器、机器人、自动生 产线、可编程控制器、计算机信息系统等敏感负荷设备不但对供电电压中断、闪交和谐波 含量等供电质量提出了更为严格的要求，而且对电源的波动和外界干扰十分敏感任何供 电质量的恶化都可能造成产品质量的下降，造成重大的经济损失。可见，电能质量问题不 但影响电网中设备的安全、经济、可靠运行，关系到正常工农业生产，而且也阻碍了电力 电子技术的发展。因此电能质量问题成为近年来各方面关注的焦点“1 。 此外，随着国家对电力市场化的进一步推动，按质论价己经提到议事日程，电力公司 可以依据一定的标准，对电力谐波污染严重的电力用户采用惩罚性电价嘲嘲。 可见，随着科学技术和国民经济的发展，研究电网电能质量分析的新方法、开发电力 系统参数测量装置，实时、准确地掌握电网质量各项指标将成为近年来电力行业电网监测 和电能治理研究的新热点之一嘲【4 1 。数字信号处理技术为之提供了强有力的技术手段，它 不仅将谐波畸变和闪变等扰动对象纳入电能质量参数分析的范畴，而且在测量精度的提 高、参数检测实时性、智能化等方面提供了理论和技术保证。同时，采用数字信号处理技 术研制的测量装置也为企业保证功率补偿的有效性和合理性、进一步改善电能质量提供确 凿的测量数据。 因此，研究采用数字信号处理技术实现实时电网电力参数的检测，不仅可以监测企 业供电设备电网运行状况，而且对抑制和治理谐波、改善供电质量有着重要的指导作用。 主要表现在以下几个方面： ( a ) 检测实际电网电能质量参数是否符合标准的规定； o ) y 解和掌握各种电力设备在投运前后电网电能质量参数及其变化，检测谐波对有 关设备的影响； ( c ) 通过电网电能质量参数故障或异常原因的测量，找到应采取的对策； 1 河海大学工学硕士论文电弼参数实时检测系统的研究与设计 象等。 ( d ) 通过谐波专题测试了解谐波源特性、系统谐波阻抗、谐波潮流分布和谐波放大现 1 1 2 电网电能质量参数及其标准 电能质量( p o w e rq u a l i t y ) ，也译为4 电力质量”“，在本论文中不加区分，并将“电 能质量参数”称为“电力参数”目前，对于这一术语尚无统一的定义嘲“1 。传统的电能质 量指标只包含频率、电压和可靠性即不断电三个方面。随着时间的推移，部分事故和用户 投诉使人们逐步认识到电网中的谐波和三相不平衡现象的严重危害性，同时电压波动和闪 变也引起了人们的重视，并逐步列入电能质量标准体系中。事实上，从1 9 9 6 年起。i e e e 每两年召开一次电力诣波国际学术会议，后更名为电力谐波与电能质量学术会议。从而把电 能质量提高到一个新的高度来认识。可见，电能质量是一个动态的，发展的概念 目前，i e e e 给出的电能质量问题一般解释为。合格电能质量的概念是指给敏感设备 提供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的”。实际是指在供电过程中导 致电气设备出现误动作或故障损坏的任何异常现象，如断电0 n t e 栅p t i o n ) 、电压凹陷凸起 ( v o l t a g es a g s s w e l l s ) 、过欠电压( o v e r u n d e rv o l t a g e ) 、瞬时脉冲( t r a n s i e n t sp u l s e ) 、谐波， 问谐波( h a r m o n i c s i n t e r h a r m o n i c s ) 、三相不平衡度( i m b a l a n c e ) 和电压波动与闪变( v o l t a g e f l u c t u a t i o n a n d f l i c k e r ) 等。i e c 标准对电能质量的定义为；电能质量是指供电装置在正常工 作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性。最严重的电能质量问题是电压跌落和 电压完全中断。这两个定义的缺点是不够直接和简明。文献 6 1 卿j 给出了一个比较容易接受 的定义：“导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差”。显然这里的“偏 差”应广义理解，甚至应包括供电可靠性。 二十世纪九十年代以来，国家技术监督局陆续发布了六项电能质量国家标准并不断 更新“m 1 ，对涉及的主要技术指标和相关的测试方法也作了相应规定，这些标淮为分析和 检测电能质量参数的指标提供了重要依据，其主要参数内涵及指标规定如下： 1 、频率质量。衡量电力系统频率质量的参数是频率允许偏差。电力系统频率允许 偏差g b f r1 5 9 4 5 1 9 9 5 规定系统的标称频率为5 0 h z ，正常的允许偏差为o 2 h z ，当系统 容量较小时。允许偏差为0 5 h z ，国内各大电力系统的实际偏差均小于0 2 h z 的允许值。 2 、电压质量。电压质量的内容包括3 项，其一是电压允许偏差。供电电压允许偏 差g b1 2 3 2 5 2 0 0 3 规定：3 5 k v 及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压 的1 0 ，如供电电压上下偏差同号( 均为正或负) 时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据； 1 0 k v 及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7 ；( 蚕) 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差 为额定电压的+ 7 一1 0 。 其二是三相不平衡度。三相电压允许不平衡度g b 厂r 1 5 5 4 3 1 9 9 5 规定：2 不平衡 度允许值为9 5 概率时求得的数值，另外5 时间有可能超过2 ，但不得超过4 。 其三是允许电压波动和闪变。o b l 2 3 2 6 - 2 0 0 0 电能质量一电压允许波动和闪变规 2 河海大学工学硕士论文第1 章绪论 定，在公共供电点的如表1 1 所示，闪变干扰允许值如表1 2 所示。 表1 1 电压波动允许值 电压( k v )1 03 5 一l l o2 2 0 允许值( ) 2 521 6 表1 2 闪变干扰允许值 负荷白炽灯一般照明 干扰允许值( ) o 40 6 3 、波形质量。电力系统波形畸变是用公用电网谐波的允许值指标来约束的。g b f r 1 4 5 4 9 9 3 电能质量一公用电网谐波对谐波的定义是周期性交流信号进行傅里叶分解得 到的，频率为基波频率( 一般指工频) 的整数倍( 大于1 ) 的分量。按照该标准，对交流额定频 率为5 0 i - i z ，标称电压1 1 0 k v 及以下的公用电网的谐波电压允许的限值如表1 3 所示。【谐 波电流允许值略。在国际( 或国家) 标准中，电能质量指标通常都是以电压特征描述，仅谐 波用各次谐波电流表示用户注入电网的允许值】 表1 3 公用电网谐波电压( 相电压) 电网标称电压 电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率( ) ( k v )( ) 奇次偶次 0 3 85 o4 o2 o 6 4 o3 21 6 1 0 3 5 3 02 41 2 6 6 1 1 0 2 ol - 60 8 g b f f l 4 5 4 9 9 3 同时还规定了测量谐波的仪器应满足标准的测量要求。谐波测量仪的 允许误差见表1 4 a 表中【0 为标称电压，u 。为谐波电压，为额定电流，i 。为谐波电流； 表中a 级仪器用于较精确的测量( 频率测量范围为0 - 2 5 0 0 h z ) ，b 级仪器用于一般测量。 此外，影响波形质量还有间谐波、次谐波和分数谐波，但不属于g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 定义 的谐波范围。 1 2 电网电能质量参数实时检测的研究现状概述 电能质量对于整个电网系统的安全、稳定运行和用户的满意程度起着决定性的作用， 而对电能质量参数进行检测则是获得电能质量信息的直接途径。由于电能质量本身就是一 个动态、发展的概念，因此，电能质量检测也是一个不断的发展、完善的过程。事实上， 从交流电力系统诞生起对电网电能参数的检测就没有停止过。在对电能质量参数检测发展 过程中，经历了从电压电流有效值、功率参数、频率等基本参数的测量到谐波、三相不平 衡度、电压波动和闪变等电能质量参数的测量，形成了多种基于频域和时域的检测理论、 检测方法和实现技术。 3 河海大学工学硕士论文 电网参数实时检测系统的研究与设计 表1 4 谐波测量仪的允许误差 等级 被测量条件允许误差 u 1 u 5 * u 电压 u 3 x ，5 电流 3 5 * u 电压 巩 3 u s0 1 5 u n b l i ) 1 0 y , l h5 x 五 电漉 ， n 1 ) 为线圈的匝数，与仪表、继电器的 电流线圈串联，形成一个回路。这种将大电流i 。变为小电流i ：的原理很简单，即n 1 1 n ，i ： 然后使用电流电压变换电路将电流转变成电压来测量。 由于“单匝穿心式电流互感器”的初级绕阻匝数只有1 ，与一般互感器相比，铁损和 磁滞现象更为严重，动态性能很低。为此，近年来出现了一种采用霍尔效应和零磁通补偿 原理的霍尔电量变送器，使电流互感器达到非常高的准确度“玎嘲。 本系统采用互感器作为前端信号的输入方式。电流、电压信号的输入分别选用北京霍 远公司生产的0 1 毫安级精密电流型电压互感器h p r r 2 2 5 a 和电流互感器h c t 2 0 6 n b ，其电压 互感器接法及电压之间的关系如图2 2 示。电流互感器接线方式及电流之间的关系如图2 - 3 1 3 河海大学工学硕士论文电网参数实时检测系统的研究与设计 所示。 口 c 7 图2 - 2 电压测量接入方式图 口 c o 介 j u i 卜厂、 k ：k5k 婿u 习 司目j v - - - - # - l , 岛 疗、 晚 图2 - 3 电流互感器接线方式图 图2 - 2 中，相电压与测量( 线) 电压间的关系为： 。玑一 一玩一以 u 。- u c u 4 图2 3 中，a b ，c 三相电流互感器的二次绕阻分别流过丘， 线中的电流l 的关系为 lh - l 4 + | h + l c 2 2 2 待测信号输入电路 ( 2 - 2 - i ) ，电。 厶，t 和它们流过公共 ( 2 - 2 - 2 ) ( 1 ) 电压幅值转换电路 根据总体设计，为把被测电网的大电压变为a d 转换器所能接受的电压范围，需要按 1 4 河海大学工学硕士论文第2 章系统总体设计与硬件实现 一定的比例进行幅值转换。在实际测量中，方面，由于本系统采用的是电流型电压互感 器h p t 2 2 5 a 并联在电网电路上，其输入输出额定电流为o - 2 m h ，因此需要对其输入进行限 流；另一方面，互感器输出的是电流信号，需经电流电压转换电路变成电压信号，以满 足a d 对采样信号的要求。 根据电流型电压互感器h p t 2 2 5 a 的技术指标参数、后续电路及a d 参考电压的要求， 电压幅值转换输入电路( a 相) 如图2 - 4 所示。 图2 4 电压幅值转换输入电路( a 相) 图中互感器的作用是进行幅值转换，并能有效地隔离电网与系统电路的直接联系，对 内部电路和人身安全起保护作用； r v a l 、r v a 2 用于h p t 2 2 5 a 互感器初级限流，s v a 是调档开关。当输入电压有效值低于 3 0 0 v 时，只需要r v a l 电阻限流即可，因此s v a 是联通的；由于h p t 2 2 5 a 互感器最高限压 可达1 0 0 0 v ，因此当输入电压有效值高于3 0 0 y ( 信号波形畸变失真) 时，就必须加入r v a 2 限流，这时可打开开关s v a 进行测量。 r v a 3 是功能是将h p t 2 2 5 a 互感器次级输出电流信号转换为电压输出。通过调节r v a 3 ， 使系统在电网电压信号峰值最大( 约为4 3 0 v ) 时的输出交流信号的蜂一峰值略高于a d 参 考电压( 2 5 v ) ，以保证a d 的转换误差最小。 r v a l 、r v a 2 和r v a 3 的选取是这样估算的：设计交流输入电压为2 2 0 v ，若变化为士 2 0 ，最大交流电压有效值可为3 0 0 y ，最大电压瞬时值约4 3 0 v ( 3 0 0 2 ) ，为使输入电流 小于2 m a ，r v a l 选择用2 2 0 k 电阻即可满足( 由于h p t 2 2 5 a 互感器初次级匝比为1 ：1 ，副 边折合至原边的电阻远小于2 2 0 k ，可忽略) 。对于超过2 2 0 v ( 如3 8 0 v ) ，可以通过打开 开关，使r v a 2 ( 取2 0 0 k ) 起作用，从而保证输入最大电流不超过2 m a 。为使输出端在输入 最大电压瞬时值( 约4 3 0 v ) 时的输出电压峰一峰值略高于a d 采集的满量程测量，因此本 系统取r v a 3 略大于j 兰三l 。6 2 5 q 即可。 河海大学工学硕士论文电网参数实时检测系统的研究与设计 稳压管i n 5 4 0 4 ( d i ) 构成钳位电路，钳位电压略高于满量程时输出的峰值电压以防 止因稳压管漏电流而引起的波形失真，同时控制输入电压或电流使之不超过所设计的测量 范围，确保系统的安全；这样，在输入电压超过设计峰值时即使s v a 调档开关未打开而产 生过压，只会带来所测信号波形的失真，而对系统不会带来损害。 为减小系统接入对电网的干扰，提高输入信号的稳定性，要求所设计的测量电路输入 阻抗相对较高，以便在并联接入到被测电压的两端时，基本不会影响待测电路的输出电压； 为提高设备抗干扰性能，有效抑制噪声，则希望系统输入阻抗小一点。高性能的运放o p 0 7 组成的射随器a r i 就是为了满足这一要求、保证电压取样信号稳定、低噪声、低漂移而设 计的。 ( 2 ) 电流电压转换电路 由于电压幅值转换电路采用的是电压电流互感器，因此电流电压转换电路与电压幅值 转换电路原理基本相同，不同的是电流电压转换电路输入端不需要限流电阻( 事实上也无 法加入限流电阻) 。根据电流互感器h c t 2 0 6 n b 的技术指标参数及后续a d 采集的电压要 求，电流电压转换( a v ) 输入电路如图2 5 所示。 图2 - 5a v 转换电路 电路中，r a i l 、d 2 及a r l 的功能与图2 4 中的r v a 3 、d l 、a r 2 的功能一样，只是r a i l 的取值不一。电流互感器h c t 2 0 6 n b 额定测量电流峰值为5 a ，输出峰值为2 5 m a ，因此r a i l 取5 0 0q 左右即可。但输入电流峰值的大小不象电压，没有基本的额定测量，它可能为5 a 以内任意值，尤其是电流较小( 如0 1 a ) 的情况下，p a i l 取值就要加大，此时输出电流 仅o 0 5 i i l a ，这时，电阻可能需要罴- 2 5 k ，因此r a l l 需要根据输入实时调节，宜 使用数控电阻进行档位切换。 在实际调试过程中，由于电流互感器与普通的变压器相比较，一次电流不随二次负载 变化而变化，它取决于一次电路的电压的阻抗。电流互感器二次侧电路所消耗的功率随二 河海大学工学硕士论文第2 章系统总体设计与硬件实现 次电路阻抗的增加而增加，但因为接到二次电路都是些内阻很小的仪表，如电流表以及电 能表的电流线圈等，所以工作状态接近短路状态。因此，在使用电流互感器时必须注意以 下几点：一是次级回路严禁开路。因为如果次级开路，可能在次级感应出很高的电动势， 损坏装置。二是电流互感器的输入端不可以短路，否则一次端电流急剧增加，使电流互感 器工作在磁化曲线的非线性部分，这样电流误差会增加。三是电流转变成电压最好使用运 放设计的电流电压变换电路，因为如果使用电阻与输出直接并接的方法时其精度和角差 都很大。 此外，由于输入电流的精度直接受到限流电阻的影响，输出电压的精度又直接受到输 出电阻的影响，因此本系统需采用温度系数优于5 0 p p m ( 百万分之五十) 的精密电阻和电位 器，从而保证在装置工作电阻温度上升时，其阻值漂移很小，对精度的影响也很微小另 外，在选择输入限流电阻时，还要考虑其额定功率。因为电阻的额定功率是在常温下标定 的，当电阻温度上升时，其额定功率成线性规律下降，一般选择比计算值大一倍( 或多倍) 的标称功率。因此，选择额定功率l - 的精密电阻，可以保证电路的稳定性。 2 2 3 信号抗混叠滤波电路 在数据采集过程中，不可避免地会有高频干扰信号混杂在有用信号当中。当这些信号 的频率超过采样定理所规定的范围时，就会采集到一些不确定的信号并对有用信号造成干 扰，即频率混叠。这种频率混叠即使后续电路里有数字滤波，也不能完全消除。为了最大 程度地抑制或消除混叠现象对动态测控系统数据采集的影响，需要利用抗混叠滤波器将无 用信号进行衰减和滤除。 目前许多a d 芯片如a d 7 3 3 6 0 都内置抗混叠滤波性能的电路。在本系统中，无论是 a v r 内置的a d c 、还是所选择的m a x l 2 5 ，均无抗混叠滤波功能，所以系统必须配置具 有抗混叠功能的模拟低通滤波器。 最常用的模拟低通滤波器有巴特沃斯型滤波器、贝塞尔型滤波器、切比雪夫型滤波器 和椭圆型滤波器4 种，其中巴特沃斯型滤波器输出幅度随频率增大单调减小，具有最平坦 的通带幅频特性，因此又称最大平坦型；贝塞尔型滤波器通带边界下降较缓慢，但其相频 特性接近线性，具有最佳的相位特性，故又称线性相位型；椭圆型滤波器的幅频特性在通 带内和阻带内都是波动的，即过渡带最陡。契比雪夫型滤波器通带内增益有起伏，因此也 称纹波型。根据4 种滤波器的特性和谐波测量要求。一般选用高阶巴特沃斯滤波器作为抗混 叠滤波器 4 4 1 4 5 1 。 1 7 河海大学工学硕士论文 电网参数实时检测系统的研究与设计 由普通的运放设计的具有特定功能的滤波器存在灵活性差、系统性能不够稳定、调试 比较繁琐等缺陷。随着微电子技术，尤其是开关电容技术的发展，新型的集成滤波器层出 不穷，其应用也越来越广泛目前，世界上有很多厂商生产集成滤波器芯片，并发展成若 干系列产品。其中美国m a x i m 公司生产的m a x 2 9 1 开关电容式有源低通滤波器是仪表类 常用的一种8 阶巴特沃斯型滤波器，其3 d b 截止频率可以在0 1 2 5 k h z 之间选择，陡斜的 过渡带和平坦度很高的通带，使得该滤波器特别适合于最大通带的抗混叠以及需要滤去频 率范围内紧邻信号。m a x 2 9 1 组成的滤波器具有外接元件少、结构简单、参数调整方便的 特点。 m a x 2 9 1 的使用十分简单，开关电容滤波器只需一个时钟来驱动电路工作，该时钟的 频率应为3 d b 截止频率的1 0 0 倍，可以采用外时钟或者内时钟2 种方式。如果直接利用 m a x 2 9 1 的内部时钟振荡器，只需外接一个电容，电容值和3 d b 截止频率满足： f 。( k l ) 1 0 s 3 c 二( p ，) 对本系统而言，信号测量的谐波分量是1 1 9 次，1 9 次以上的分量含量很小，没有实 际意义。由于每个采样周期采样6 4 点，采样频率为3 2 0 0 h z 这样，模拟滤波器只需滤除 1 0 0 0 i - i z 以上的谐波，即截止频率正取1 0 0 0 h z ，显然c 0 = 0 0 3 3 u f ，因此如果采用内时钟 方式，单路信号只需外接一只0 0 3 3 u f 电容即可。 实践表明，m a x 2 9 1 主要缺点是零点漂移较大，典型值为1 5 0 m v ，最大可以达到 4 0 0 m v ，同时由于开关电容滤波器本身的特点，将连续波截断成以开关频率为采样间隔的 近似连续波会带来一些频谱失真，失真度最大可达到7 0 r i b 。为此本电路中采用2 个1 0 k 的精密微调电阻r 1 、r 2 来调零，以克服这一缺陷。针对m a x 2 9 1 对工业现场的电磁兼容 性不强，易受干扰的特点，本电路中采用2 个0 1 u f 的电容c 1 、c 2 来加强电源滤波，改 善其电磁兼容性它。根据以上分析，其设计电路如图2 - 6 。 l r l 1 0 k 图2 - 6 采用m a x 2 9 1 构建的抗混叠滤波器 1 8 河海大学工学硕士论文 第2 章系统总体设计与硬件实瑰 实际电路中，由于电网参数检测对三路电压电流的相位具有同步性要求，因此6 路 滤波器可使用同一个外部时钟源( 即将c 0 改为一个1 0 0 k h z 的有源振荡器，参见附录a ) ， 使得各路信号的相位一致性非常好。当然为简便起见，也可仍采用内部时钟振荡器，但必 须考虑外接电容的一致性，这可通过采用高精度电桥选配电容来提高相位一致性。 2 3 数据采集电路 2 3 1 a d 转换接口 d 转换器是数据采样分析系统中的核心器件，其数据采集的速度和精度对后面的数 据处理起着极为重要的作用。 在电力参数检测中，如果只对单路信号进行采集分析，利用a v r a t m e g a l 2 8 内置的 1 0 位a d c 就基本可以满足系统采集的需要，这种结构非常简单，几乎不需要外部元器件。 如果需要对三相电网进行6 路电力参数采集，则需要外加a d 芯片。这是因为a t m e g a l 2 8 内置的a d c 通道虽有8 个，但实际只有一个d 转换器，且在差分增益通道切换时，由 于自动偏移抵消电路需要沉积时间，“第一次转换结果准确率很低，用户最好舍弃第一次 转换结果”1 4 6 1 。所以，要想利用a v r a t m e g a l 2 8 内置的a d c 进行6 路同时采集的方法 基本是不可能的。 由于计算有功功率参数采用的是一周瞬时功率的平均值，因此电压、电流信号的采集 必须为同一时刻的值。如果信号在测量过程中引入微小的时间差，就会引起附加的相位差， 而相位差的变化必将影响最后的计算结果。因此为避免在数据采集时引入附加的相位差， 也最好不要采用轮流采集的方法，以保证在采样过程中对各路信号进行同步采样。 根据上述分析，本装置至少需要有6 个同步a d 采集口，方可满足系统要求。在a d 芯片选择上，主要技术指标有分辨率、转换速率、转换精度以及量化误差、偏移误差、满 刻度误差等。迄今为止，使用的a d c 主要包括以下几种类型：积分型、逐次逼近型、快速 型、流水线型、调制型等，而型转换技术又以较低的成本获取极高的分辨率应 用最为广泛，世界上许多知名的i c 制造商如t i , b b ，a d i 、m a x 公司等纷纷推出自己的基 于z 技术的a d 芯片。 就本系统而言，为保证测量的精度达到0 0 5 ，a d 转化精度至少为1 2 位；为保证6 个同步a d 采集口，本着系统最简单、成本低廉、性价比高的原则，最终选定了m a x i m 1 9 河海大学工学硕士论文电网参数实时检测系统的研究与设计 公司的m a x l 2 5 为a d 转换电路。 m a x l 2 5 是一款内带四个同步采样保持器、一个经过缓冲的电压基准输入端和一个 1 4 位型模数转换器件的高速多通道数据采集芯片。其工作原理是在c o n v s t 脉冲的 控制下通过内置的4 个同步采样保持器同时采样保持，然后通过片内时序控制器控制1 至 4 通道依次进行模数转换。在时钟频率为1 6 m i l z 的情况下，每个通道的信号转换需要3 璐。 转换完成后，将结果储存在片内4 1 4 位r a m 中，m a x l 2 5 内部有一指针指向转换结果， 它能按照选通命令字自动移动指针。当4 个通道全部转换完毕之后，对外部产生一个中断 信号，可以通过对赧d 引脚施加读脉冲依次读出内部数据。四次读操作依次读出r a m 中 的1 4 通道的转换结果，第一个读信号的下降沿清除转换完成信号。当所有通道都被访问 后，内部指针又会指向第1 通道的数据。此外，m a x1 2 5 还在每个同步采样保持器前各设 一个两输入的多路开关，即分a 、b 两组，这样一片m a x1 2 5 通过开关的切换可以2 次对 八个通道进行采集保持，由于各通道相互独立，因此任一通道的故障不会影响其它通道 m a x l 2 5 供电电源为5 v ，输入电压范围为5 v ，内部有2 5 v 的参考电压源，也可外接 参考电压源；其数据通道接口电平5 v 的1 1 凡电平可方便地与m c u 相连，不需任何转换， 连接方便；此外，由于该芯片内含过压保护电路，可承受1 7 v - - + 1 7 v 的过压，所以电路 安全性高【卅。可见，选用m a x l 2 5 可以满足本系统的要求。 根据m a x l 2 5 的时序要求和电气特征，为了保证三相工频信号之间的正确相位关系 和有功功率、无功功率计算的准确性，设计采用二片m a x l 2 5 的a d 转换电路如图2 - 7 3 路电压信号u 凡u b ，u c 和3 路电流信号i a ，m ，i c 分别从二个m a x l 2 5 的c h l a , c h 2 a , c h 3 a 的三个通道输入，这时将m a x1 2 5 工作于a 组多路开关、3 路采样状态， 在锁相环输出的同步信号的控制下，各芯片同时对u a u b ，u c 和i m ，i c 的电压进行采 样保持，然后以2 5v 的参考电压分别逐路a d 转换。 m a x1 2 5 在完成转换后，就将其i n t 引脚置0 。引脚使用一个c d 4 0 7 1 的2 输入或门 将二个m a x1 2 5 的l n r 输出逻辑或后供c p u 查询( 只有2 路均完成转换时才输出o ) ，以确 保在转换完成时读取数据。 由于m a x1 2 5 数据输入输出口是三态的，因此二个m a x1 2 5 的输入输出数据线可 直接与a t m e g a l 2 8 通用i o 口连接，构成数据总线。 对m a x l 2 5 的工作状态设置是通过数据接口中的低4 位，它是双向口，c p u 可以直 接对其置控制字写入；对m a x l 2 5 的读写控制，系统采用3 个反向器作为芯片的选通信号 河海大学工学硕士论文第2 章系统总体设计与硬件实现 云i 和读写( 一w i g 、j 函) 使能来分别控制和读写m a x1 2 5 。 m a x l 2 5 外接时钟采用1 6 m h z 有源晶振，保证每通道a d 转换时间为3u s ；采集参 考电压采用内部电压基准源( 2 5 v ) ，并将基准源与ab 组中的未用通道相连，一方面可 以利用该通道的采集数据标定基准源电压值，另一方面可以使得a t m e g a l 2 8 在需要时对 a d 转换环节进行故障诊断。 图2 7 系统a d 转换及通道开关电路图 其控制过程是( 参看图2 8 ) ：系统在加电初始化阶段，a t m e g a l 2 8 将p a 0 p a 3 ( p 0 - p 3 ) 引脚设为输出方式，并把转换方式控制字电平输出到p m p 3 引脚上，然后将c s 0 引脚置高， 这时选通的转换芯片是u 1 ，将w r i t e 引脚置低，即可写入控制字并启动u 1 的a d 转换； 完成u 1 设置后，a t m e g a l 2 8 将接c s o 的引脚置低，这时控制的是电流电压转换芯片u 2 ， 在将w r i t e 引脚置高后，即可写入控制字并启动u 2 的a d 转换。此后u 1 在锁相环的 v c o 输出倍频信号i c p i _ m c u 的控制下不断转换。 河海大学工学硕士论文电网参数实时检测系统的研究与设计 图2 - 8m a x l 2 5 的时序图 在系统测量阶段，每个i c p i 脉冲的上升沿触发ul、u2开始采样保持、轮流_mcu 转换数据，同时通知a t m c g a l 2 8 选通u 1 ，查询等待u 1 、u 2 转换完成( 标志t r a n s _ r d y 为o ) ，若完成，则在r e a d 引脚上施加3 次脉冲，读取u l 的转换结果。a t m e g a l 2 8 在 获得u 1 的转换结果的转换数据后选通u 2 ，读取u 2 的转换结果。这样在一个( i c p i _ m c u ) 脉冲周期内就完成了6 路信号一个数据点的采集。由于两芯片6 路信号同时受i c p i _ m c u 同一脉冲上升沿启动采样保持，因此尽管轮流读数有先后，但采样值仍是同一时刻的。 在本系统中，控制时钟频率为1 6 m h z ，每路转换时间为3 u s ，2 片m a x1 2 5 并行转 换，一次全部转换时问为9 u s ，加上c p u 轮流读取数据的时间，一般不会超过5 0 u s ，对于 5 0 h z 工频信号，每周期最大采样点可达4 0 0 次，完全满足本系统每周期6 4 点的需求。 2 3 2 采样同步控制及锁相环电路 采用f f r 算法进行谐波检测时，从对周期信号的复原与频谱分析角度考虑，如果采样 频率和信号基频不同步，即如果不能将一个测量周鹅非常均匀地进行n 等分。模拟信号用 离散信号代替会出现频谱泄漏