基于單片機(jī)的諧波檢測儀的設(shè)計

摘 要：為改善以電弧爐為負(fù)載的電網(wǎng)諧波問題，對以單片機(jī)為核心的諧波檢測儀進(jìn)行了研究，能夠檢測電網(wǎng)諧波及電網(wǎng)各參數(shù)計算顯示。主要闡述了精度較高的加窗插值的FFT算法，提出了單片機(jī)控制的硬件和軟件設(shè)計，包括單片機(jī)及其外圍電路、電流與電壓采樣電路和驅(qū)動電路等硬件結(jié)構(gòu)，以及軟件流程和部分源程序。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)諧波；諧波檢測；FFT；電弧爐

中圖分類號：TM933，TP3681 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)06-161-04

Design of Harmonic Measurer Based on MCU

BI Ying，LIU Xiaohe

(Beijing Information Technology University，Beijing，100085，China)

Abstract：To improve the problem of power system harmonic loaded on arc furnace，a design of harmonic measure basedon MCU is studied，which power system harmonic is detected and the value of each calculated parameter is displayed.Mostly the high precision of windows and interpolated FFT is expatiated.The MCU control hardware and software are designed，which consist of peripheral circuit，current and voltage sampling circuits，driving circuit，control strategy ，software flow and part of programme.

Keywords：power system harmonic；harmonic detection；FFT；arc furnace

隨著各種電力電子變流裝置的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生的諧波已成為污染電力系統(tǒng)的一大公害，準(zhǔn)確、實時地對電力系統(tǒng)諧波進(jìn)行檢測有著重要的意義。諧波檢測是諧波問題中的一個重要分支，準(zhǔn)確、實時檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓，對抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用，是進(jìn)行繼電保護(hù)、判斷故障點和故障類型等工作的重要前提。

目前，電力系統(tǒng)諧波檢測主要是通過諧波電流的測量來實現(xiàn)，他主要有以下幾種方法： 帶通濾波是早期模擬式諧波檢測裝置的基本原理；瞬時無功功率理論可用于諧波的瞬時檢測和無功補(bǔ)償?shù)戎C波治理領(lǐng)域；傅里葉變換是目前諧波檢測中應(yīng)用最多、應(yīng)用最廣泛的基本理論依據(jù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和小波分析方法應(yīng)用于諧波測量是目前正在致力研究的新方法和新理論，他可以提高諧波測量的實時性和精度。

根據(jù)不同情況合理選擇諧波檢測方法，為諧波分析提供詳細(xì)、準(zhǔn)確、實時的數(shù)據(jù)和信號，是提高檢測效果、改善電能質(zhì)量的重要一步。國內(nèi)外對這方面的研究都比較重視，在線諧波檢測的理論和應(yīng)用正在不斷發(fā)展。隨著各種先進(jìn)技術(shù)和理論的應(yīng)用，特別是計算機(jī)在諧波檢測中的具體使用，諧波檢測的實時性和精度要求一旦解決，相信電網(wǎng)諧波檢測技術(shù)將逐漸得到發(fā)展和完善^[1，6]。

電弧爐系統(tǒng)是三相不對稱系統(tǒng)，在電弧爐運行時會產(chǎn)生負(fù)序電流。同時伴有電流幅值的波動，諧波的影響比較顯著。因此，諧波的檢測和治理成為了一個迫切需要解決的問題。為了實時檢測更加方便進(jìn)行諧波補(bǔ)償，本文介紹一個基于單片機(jī)的諧波檢測儀的設(shè)計。以單片機(jī)為核心的設(shè)計，配以適當(dāng)?shù)挠布娐泛蛙浖脑O(shè)計，實現(xiàn)對三相諧波電流和電壓的基波和各次諧波、功率因數(shù)、有效值、有功、無功參數(shù)的計算，并顯示在液晶屏上。

設(shè)計的諧波檢測儀主要檢測電弧爐為負(fù)載的電網(wǎng)副端的電流電壓信號及諧波的分析。

1 基本原理

傳統(tǒng)的諧波測量方法一般都是將離散化的被測信號用經(jīng)典的快速傅里葉變換(FFT)處理，獲取信號各次諧波的幅值、頻率和相位。假定測量時間是信號周期嚴(yán)格的整數(shù)倍，并且采樣頻率大于Nyquist頻率，該方法是可以獲得較高的測量精度的。但是，由于電網(wǎng)頻率不斷波動，被測信號中除了含有基波和整數(shù)次諧波之外還可能含有非整數(shù)次的諧波，因而即使采用跟蹤鎖相技術(shù)，也難以實現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣，使傳統(tǒng)FFT在頻譜分析時產(chǎn)生泄漏誤差，難以獲得高精度的諧波測量結(jié)果^[3，4]。

加窗插值FFT理論正是針對這一背景而提出的。他的基本內(nèi)容包括加窗和插值算法2個部分。利用加窗算法可以很好地解決由于采樣頻率不是信號頻率的整數(shù)倍而產(chǎn)生的頻譜泄漏現(xiàn)象，從而改進(jìn)計算信號參數(shù)準(zhǔn)確性，基本滿足準(zhǔn)確的諧波測量要求。一般電網(wǎng)信號主要含有整數(shù)次諧波，所以在實際應(yīng)用中選取基于余弦窗的組合窗^[5]。

選用余弦窗的一個主要原因在于他便于進(jìn)行頻譜計算。通常信號加窗都是在時域進(jìn)行，即xw(t)=x(t)w(t)，然后進(jìn)行傅里葉變換。而對于余弦窗，可以先對信號進(jìn)行傅里葉變換，然后在頻域進(jìn)行處理。設(shè)離散信號x(n)的頻譜為x(θ)。用公式表示為：

2 硬件實現(xiàn)

2.1 互感器處理單元

互感器單元的主要功能是將輸入信號線性變換為-5～+5 V電壓信號。根據(jù)電網(wǎng)的數(shù)據(jù)選取適合的傳感器。本裝置電流傳感器選用HCT210A。額定輸入1 mA，輸出2.5 mA。HCT210A的使用電路如圖2所示，副邊輸出電壓接口電路。

圖2 HCT210 接口電路

2.2 信號預(yù)理模塊

由于傳感器、放大電路本身的影響，造成在信號進(jìn)入采樣保持器之前，所采信號中混有各種頻率的信號。為保證諧波分析的精確性，采用MAX293進(jìn)行抗混疊濾波，用輸入時鐘頻率控制輸出轉(zhuǎn)角頻率的方式實現(xiàn)對信號的濾波，濾去諧波中的高頻成分，使輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號為有限帶寬，防止信號的頻譜發(fā)生混疊及高頻干擾。電路如圖3所示。

圖3 MAX293設(shè)計電路

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換使用高速采樣芯片MAX125，是一組可以同時對4路輸入信號同步采樣的采樣/保持電路。MAX125每一個采樣/保持電路前有一個2選1的選擇開關(guān)，允許8路信號輸入。在A/D轉(zhuǎn)換過程中，首先采集A相電壓、電流，B相電壓、電流這4路信號，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，產(chǎn)生一個中斷信號給單片機(jī)，單片機(jī)讀取4路采樣值并發(fā)控制字給MAX125，使其選擇C相電壓、電流進(jìn)行采樣。其轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

2.4 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示通信單元

核心芯片AT89C55WD是ATMEL公司生產(chǎn)的51系列單片機(jī)芯片，雙列直插40引腳封裝，內(nèi)置20 kB FLASH存儲器，保證一般用戶的程序存儲的需要，一般不用外擴(kuò)程序存儲器，擦寫操作簡單，可反復(fù)擦些至少上千次。

液晶選用CM12864，是128×64的點陣型液晶顯示器，具有專用指令集，配合按鍵的功能顯示要求的測量值。

2.5 外擴(kuò)程序存儲器和數(shù)字存儲器

由于數(shù)據(jù)量較大，單片機(jī)外接兩片62256的64 k的數(shù)據(jù)存儲器。和一片EPROM27256的32 k片外程序存儲器。圖5所示27256的CE接地，為常選通，地址為0000H～7FFFH或8000H～0FFFFH。2片62256通過74F139譯碼器擴(kuò)展，P27為0時通芯片U3，他的地址為0000H～7FFFH；P27為1時選通U2，地址為8000H～0FFFFH。如圖5所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路

圖5 外擴(kuò)EPROM和RAM接口電路

3 軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計主要用C語言編程。系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)流程圖如圖6所示。

主程序開始初始化之后，采集6路信號，存儲到外接數(shù)據(jù)存儲器里，78 μs檢驗1次，看是否采到所要求的點數(shù)，若沒有，則繼續(xù)采；若達(dá)到所需點數(shù)則對其進(jìn)行FFT算法，計算出電參數(shù)，將數(shù)據(jù)存入存儲器。將計算得出的電參數(shù)進(jìn)行顯示，1 s刷新1次。若過程中有按鍵操作則執(zhí)行，則轉(zhuǎn)去執(zhí)行按鍵所對應(yīng)的指令。

A/D轉(zhuǎn)換和采集程序流程如圖7所示，三相電壓輸入和三相電流輸入分別經(jīng)A B兩組進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制字分別為0010 0110。啟動轉(zhuǎn)換，等待讀轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分為高低為分別送到2個鎖存器(MAX125與總線相連需要外接鎖存器)然后組合高低位數(shù)據(jù)分別將電壓和電流的數(shù)據(jù)分別送到2個外接存儲器當(dāng)中，將存放他們的數(shù)據(jù)地址+1，等待對這些數(shù)據(jù)的運算和處理。

圖6 主程序流程圖

圖7 A/D轉(zhuǎn)換流程圖

采集程序程序的部分源代碼如下：

void ad_data()

{

uchar i=0，ad_dataL=0，ad_dataH=0；

int buf_data=0；

MAX125_CS=0；//選擇125轉(zhuǎn)換通道123三相電壓

MAX125_WR=0；

INT_MAS125=1；

CS_U=1；

MAX125_wr=0X02；//寫控制字

MAX125_CON=0；//啟動轉(zhuǎn)換，等待讀轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)

MAX125_WR=1；

for(；；)

if(INT_MAS125==0)

{

[WB]for(i=0；i<3；i++)//循環(huán)讀

{

MAX125_CS=0；//讀轉(zhuǎn)換以后的數(shù)據(jù)

MAX125_RD=0；

INT_MAS125=1；

CS_U=1；

ad_dataL=MAX125_wr；//低位數(shù)據(jù)

ad_dataH=MAX125_rd；//高位數(shù)據(jù)

buf_data=(int)ad_dataH；//組合高位和低位數(shù)據(jù)

buf_data=buf_data<<8；

buf_data=buf_data|(int)ad_dataL；

buf_iu[i]=buf_data；

MAX125_CS=1；

MAX125_RD=1；

break；

}

}

按鍵和控制顯示程序的流程如圖8所示，主要完成的功能為：按鍵1，程序復(fù)位；按鍵2，控制液晶LCD顯示計算結(jié)果的下一頁信息；按鍵3，控制液晶LCD顯示計算結(jié)果的上一頁信息；按鍵4，將結(jié)果通過串口發(fā)送至上位機(jī)，實現(xiàn)通信功能。

圖8 按鍵和顯示程序的流程圖

4 結(jié) 語

該系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制和數(shù)據(jù)處理分析中心，充分利用單片機(jī)接口便利的特點，由傳感器、信號采集和處理，按鍵顯示接口電路組成。對電網(wǎng)三相電流、電壓實時采集，對產(chǎn)生的諧波檢測分析。為電力諧波問題和電弧爐的模型的辨識及控制提供有效的分析裝置。

另外對于電弧爐為負(fù)載的電網(wǎng)諧波分析及無功功率補(bǔ)償有待進(jìn)一步的研究

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作者簡介

畢 瑩 女，1982年出生，北京信息科技大學(xué)碩士研究生。研究方向為自動控制裝置。

劉小河 男，教授，博士生導(dǎo)師。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。