電力網(wǎng)絡監(jiān)控儀中數(shù)據(jù)采集模塊的設計

胡曉楠

（華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京100083）

近年來，隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)控制和日常生活中的應用越來越廣泛。這些非線性負荷設備大量涌入電力系統(tǒng)，導致電網(wǎng)中的諧波分量大大增加，電網(wǎng)波形畸變日趨嚴重，對電力系統(tǒng)中的發(fā)變電設備、繼電保護裝置、通信設備和測量儀器等造成了不同程度的危害。因此，實時可靠地監(jiān)測和分析電網(wǎng)及非線性用電設備的諧波，將有利于電能質量的評估，為諧波污染的治理提供依據(jù)。

電力網(wǎng)絡監(jiān)控儀廣泛用于變配電站、智能型配電盤/開關柜、智能建筑和能源管理系統(tǒng)中等，借助一定的通信規(guī)約，實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)的采集與控制。目前存在的電力參數(shù)測量儀表多以專用測量芯片和DSP芯片為核心，但大多數(shù)專用測量芯片不具備測量諧波的功能，且移植性差,不利于擴展和升級；高端的監(jiān)控儀集成了ADC+DSP+ARM結構，雖測量精度大幅度提高，但增加了硬件成本和復雜度,不利于數(shù)字化監(jiān)控儀的推廣使用。本文所設計的電力網(wǎng)絡監(jiān)控儀采用了高精度ADC與ARM結合的模式，利用LPC2138芯片的高性能多資源的特點,實現(xiàn)高準確度電量參數(shù)計量和實時諧波分析。ARM芯片具有高性價比、高可靠性和低功耗等特點，易于大范圍推廣使用。

數(shù)據(jù)采集模塊是保證諧波測量精度的基礎，本文在用FFT做諧波測量的工程應用中對傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡監(jiān)控儀的數(shù)據(jù)采集模塊進行了改進。文中采用6通道16 bit的高精度A/D轉換芯片CS5451,加入鎖相環(huán)頻率跟蹤電路，基于改進的加窗插值FFT算法，使諧波分析的精度在工程應用中大幅度提高。

1 加窗插值基-2FFT算法原理

主要的諧波分析檢測方法有快速傅里葉變換(FFT)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、奇異值分解、小波變換[3]等。其中FFT算法因計算高效性而在諧波分析中得到廣泛的應用。

采用FFT算法進行電力系統(tǒng)諧波分析時很難做到同步采樣和整數(shù)周期截斷,存在泄漏現(xiàn)象和柵欄效應，使算出的信號參數(shù)不準，尤其是相位誤差很大，無法滿足準確的諧波測量要求。通過加窗插值算法可以消除柵欄效應引起的誤差[5-7]，提高電力系統(tǒng)基波與各次諧波的分析精度。

在實際測量中應用最多的窗是矩形窗、Hanning窗和Blackman窗。其中Hanning窗的窗口在邊界處平滑衰減到0，可有效減小諧波間泄漏，且幅值分辨率和頻率分辨率精度較高,因此本文選用Hanning窗。

Hanning窗的時域表達式為：

設在一段連續(xù)時間內，對電壓（或電流）進行均勻同步采樣得到采樣序列 x(n)，信號 x(n)經(jīng)過 Hanning窗截斷為N點序列，即：

對上式進行離散傅里葉變換(DFT)，得到x(n)的頻域顯示X(k)：

FFT運算非常有規(guī)律，一般由兩部分構成：二進制倒序重排和三層嵌套循環(huán)完成M=log2N次迭代。三層循環(huán)的功能是：最里的一層循環(huán)完成相同因子的蝶形運算；中間的一層循環(huán)完成因子的變化；而最外的一層循環(huán)則是完成M次迭代過程。

FFT算法流程圖如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設計

DFT或FFT都是建立在同步采樣條件之上的，存在同步偏差時，基于DFT或FFT的諧波分析會產(chǎn)生同步誤差。減少或者消除同步誤差的方法是使用同步采樣技術。本文在系統(tǒng)中采用同步采樣環(huán)節(jié)，使采樣點均勻分布在電網(wǎng)的一個整周波內，實現(xiàn)同步采樣。

目前同步采樣的實現(xiàn)方法主要有軟件同步采樣法和硬件同步采樣法兩種。但由于電網(wǎng)工頻信號的頻率并不穩(wěn)定，如果采用軟件定時來采樣，雖然采樣點之間的時間間隔相等，但因信號周期長度的變化，使得每個周期內的采樣點數(shù)不固定，且不同周期的采樣點對應的相位也是隨機改變的。一個周期內的采樣點數(shù)越少，這個問題就越嚴重也就無法對采樣信號進行快速傅里葉變換。因此本文中采用硬件同步采樣法實現(xiàn)同步采樣。

圖1 FFT運算流程圖

2.1 系統(tǒng)總體結構設計

電力網(wǎng)絡監(jiān)控儀的硬件結構主要由四部分組成：電源板、主板、CPU板和液晶顯示模塊。如圖2所示。

電源板主要是實現(xiàn)由交流電到直流電的轉換，滿足不同器件所需的供電電壓；CPU板主要完成對采集的數(shù)據(jù)進行相應的電壓電流均值計算和諧波分析并完成相應數(shù)據(jù)儲存；主板采用鎖相環(huán)倍頻技術實現(xiàn)交流同步采樣，并通過串口與上位機通信。本文重點介紹數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設計。

本文設計利用鎖相環(huán)技術實現(xiàn)同步等間隔采樣，即硬件同步采樣法。硬件同步采樣法是采用鎖相環(huán)頻率倍增技術來控制采樣的定時和速率：鎖相環(huán)組成的倍頻器的輸出可以用作采樣脈沖，與待測信號保持同步，由此觸發(fā)A/D轉換器進行等間隔同步采樣。即可在每個信號周期內，使輸出的脈沖間隔相等、個數(shù)固定，且在不同周期采樣對應點的相位角相同，而脈沖信號之間的時間間隔隨輸入信號頻率的波動而改變。

2.2 鎖相環(huán)頻率跟蹤電路

如圖3所示的電路是一典型的鎖相環(huán)頻率跟蹤電路。鎖相環(huán)路是一個相位反饋自動控制系統(tǒng)。它由相位比較器、濾波器和振蕩器幾個基本部件組成。壓控振蕩器的輸出經(jīng)采集并分頻后，與輸入信號同時輸入相位比較器。相位比較器通過比較上述兩個信號的頻率差，然后輸出一個直流脈沖電壓，控制振蕩器，改變它的頻率，電路自動跟蹤并鎖定，經(jīng)過一個很短的時間，振蕩器的輸出就會穩(wěn)定于某一期望值，達到鎖相狀態(tài)，實現(xiàn)同步采樣。

目前，鎖相環(huán)集成芯片類型很多，本文中采用一款通用CMOS鎖相環(huán)集成芯片CD4046。為滿足數(shù)據(jù)采集模塊高精度的要求，本文采用16位6通道的A/D轉換器CS5451，同步采集三相電壓和三相電流值。

鎖相環(huán)同步采樣裝置用鎖相環(huán)路來控制采樣的定時和速率，從而達到同步采樣的目的，克服了其他同步方法中所存在的種種問題，且全部由硬件完成，速度快，實時性好。

3 數(shù)據(jù)處理單元的軟件設計

軟件設計過程中需要注意以下兩點：

(1)Hanning窗的主瓣半寬較大(為矩形窗的2倍)，對臨近一次諧波的泄漏十分嚴重，為了能完全分開基波和高次諧波，加Hanning窗的截取長度至少應為基波的兩個周期。

(2)FFT的結果不能直接用于插值運算，需要先將FFT的結果進行求模處理，以得到基波與各次諧波的系數(shù)。

將上述所描述的算法移植到ARM微處理器LPC2138中，程序編寫的大致流程為：(1)將采樣得到的序列進行加Hanning窗截斷處理，得到一組新的序列，設序列長度為N=2n。(2)對加窗后的新序列進行FFT變換。(3)對求模后的結果進行單峰插值運算。在得到基波與各次諧波的系數(shù)后，查找離散譜線頻點附近左右兩側幅值最大和次最大的譜線進行插值運算，從而得到基波與各次諧波的幅值、相角與頻率。具體的軟件流程如圖4所示。

4 鎖相環(huán)倍頻電路誤差分析

鎖相環(huán)技術是硬件同步采樣電路的基礎，保證了采樣信號與系統(tǒng)信號的嚴格同步。鎖相環(huán)電路其實是一個反饋控制系統(tǒng)，如圖5所示。

圖中fsys為系統(tǒng)信號基頻，fsample為采樣頻率。系統(tǒng)信號頻率是漸變波動的，設fsys=at1(t)，則其拉氏變換為fsys(S)=a/S2。由圖可得反饋系統(tǒng)的誤差函數(shù)由拉氏變換終值定理得穩(wěn)態(tài)誤差為：

基于鎖相環(huán)的同步采集模塊采用六通道并行同步采樣的高速模數(shù)轉換器芯片，可大大提高交流電各種參數(shù)的測量精度。利用ARM片內豐富的硬件資源和高速處理能力，植入嵌入式實時操作系統(tǒng)，將諧波算法程序作為任務之一，使功能模塊化，易于功能的擴展和軟件的升級，對同類儀器有一定的參考價值。

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