電力諧波多功能實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)

文康珍，黎文安，譚子求，牛玉新

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430072）


　�。壅�　要］　該文介紹的電力諧波多功能實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，既可作為便攜式諧波分析儀進(jìn)行現(xiàn)場測量，又可將測量數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上，對電力系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行長期監(jiān)測。文中詳細(xì)介紹了以嵌入式Intel80386EXCPU為核心的儀器的設(shè)計(jì)，同時(shí)也介紹了用中文Visual Basic5．0在Windows環(huán)境下開發(fā)的諧波管理軟件。


　�。坳P(guān)鍵詞］　諧波；諧波分析；微機(jī)；儀器；采樣


　　1　引　言　　


　　隨著我國電氣化鐵道的迅速發(fā)展及冶金、化工等工業(yè)部門大量應(yīng)用換流技術(shù)，電力系統(tǒng)中的諧波問題已日趨嚴(yán)重，諧波對電力系統(tǒng)和用電設(shè)備已產(chǎn)生了嚴(yán)重危害和影響。正確認(rèn)識諧波的危害，對其進(jìn)行有效的諧波測量和抑制，已成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行工作的重要內(nèi)容。為此，筆者研制了一種多功能諧波分析系統(tǒng)，它可對諧波進(jìn)行有效的監(jiān)測和分析，為諧波治理提供可靠依據(jù)。


　　2　系統(tǒng)工作原理及硬件結(jié)構(gòu)


　　2．1　系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理　　


　　目前，國內(nèi)研制的諧波分析儀大多為便攜式，采用8051、8098單片機(jī)為核心構(gòu)成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，由于單片機(jī)速度慢，造成數(shù)據(jù)分析時(shí)間過長，使諧波分析儀的實(shí)時(shí)性降低。同時(shí)，現(xiàn)有分析儀多數(shù)只能進(jìn)行現(xiàn)場測量，需要人工記錄并分析數(shù)據(jù)，不利于對諧波進(jìn)行長期監(jiān)測。


　　筆者研制的諧波分析系統(tǒng)既可做為便攜式諧波分析儀，進(jìn)行現(xiàn)場測量，又可將測量數(shù)據(jù)儲存，然后同PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)傳入PC機(jī)中，利用諧波管理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及儲存，以便對諧波進(jìn)行長期監(jiān)測。


　　系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖2—1所示。諧波分析儀以Intel 80386EXCPU為核心構(gòu)成微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，該芯片性價(jià)比高、速度快，大大提高諧波分析儀的實(shí)時(shí)性。測試時(shí)，從電壓互感器和電流互感器的二次側(cè)引入輸入信號，對電壓和電流信號同時(shí)進(jìn)行采樣、保持，并送入A／D轉(zhuǎn)換器變成離散信號。一方面，通過液晶顯示電路在液晶顯示屏上顯示出電壓、電流可根據(jù)需要決定是否同PC機(jī)通信。





　　2．2　系統(tǒng)硬件電路


　　2．2．1　微機(jī)系統(tǒng)


　　由嵌入式CPUIntel 80386EX、程序存儲器E－PROM2764、數(shù)據(jù)存儲器8MRAM組成的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為諧波分析儀的核心部分。它在軟件的配合下可以完成以下功能：控制數(shù)據(jù)采集、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算、進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、控制被測信號的波形顯示、控制分析結(jié)果的打印及顯示、同PC機(jī)進(jìn)行通信。


　　數(shù)據(jù)存儲可以有兩種模式選擇。一種將每次采樣的數(shù)值均記錄下來，這種模式精確，但所需存儲空間太大，只可連續(xù)工作約0．5 h；另一種將每秒采樣值的平均值記錄下來，該模式有一定誤差，但可以連續(xù)工作約25 h。


　　2．2．2　隔離電路


　　考慮到儀器的廣泛適用性，儀器的輸入信號分別取自被測線路的電壓、電流互感器的二次側(cè)，為了提高儀器的抗干擾能力，保證操作人員的人身安全，用光電隔離電路將外部輸入信號與微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電氣隔離。電壓隔離傳感器將有效值為0～100 V的電壓信號變?yōu)?～5 V，電流傳感器將0～5 A的電流信號變?yōu)?～5 V的電壓信號。為精密測量諧波成分，該儀器采用瑞士萊姆（LEM）公司生產(chǎn)的電壓、電流互感器模塊，這種變換器具有較好的頻率響應(yīng)且輸入范圍大�！　�


　　2．2．3　采樣保持電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路


　　為了提高儀器的測量精度，必須對電壓、電流信號同時(shí)采樣。用采樣保持器LF398分兩路對被測電壓、電流信號同時(shí)進(jìn)行采樣保持，并將各自的輸出信號分別輸入到多路開關(guān)CD4051。該儀器對被測電壓、電流信號每周期采樣64點(diǎn)，因此，控制多路開關(guān)的邏輯輸入脈沖頻率為2×64×50＝6．4 kHz，輪流將兩個(gè)被測信號的采樣值送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路選用AD574，這是一種高速12位ADC，它的輸出具有三態(tài)，可直接掛在微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線上。


　　2．2．4　液晶顯示電路


　　選用DMF5002型圖形液晶顯示器作為該儀器的顯示器。這是一種集控制器、驅(qū)動(dòng)器和顯示屏于一體的液晶顯示器（LCD），可以直接與80386EX相連接。通過對控制器T6963C編程，可以將電壓和電流信號的采樣點(diǎn)顯示在屏幕上，以便實(shí)時(shí)觀察被測電壓和電流的波形。


　　3　測量方法　　


　　目前，周期信號的諧波分析，一般采用等間隔同步采樣方法，利用鎖相環(huán)技術(shù)使采樣與電網(wǎng)保持同步。但在工程實(shí)際中等間隔相對比較容易做到，而嚴(yán)格的同步很難實(shí)現(xiàn)，大部分按同步采樣原理制作的諧波分析儀，實(shí)際上工作在近于同步狀態(tài)，將對基波產(chǎn)生同步偏差，對高次諧波測量帶來很大誤差。為此，該系統(tǒng)采用準(zhǔn)同步采樣算法［1～2］，通過在數(shù)據(jù)處理時(shí)增加迭代次數(shù)可以有效地減小同步偏差對測量結(jié)果的影響，使基波與高次諧波均能獲得很高的測量精度。同時(shí)，可以省去鎖相環(huán)電路，降低硬件成本，簡化硬件電路。


　　4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)　　


　　系統(tǒng)軟件分為兩部分，一部分為便攜式諧波分析儀的軟件，用匯編語言編寫。另一部分為Win－dows環(huán)境下的諧波管理軟件，用Visual Basic5．0編寫。


　　4．1　諧波分析儀軟件


　　分析儀軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，分為3個(gè)功能模塊：


　�。�1）系統(tǒng)管理、控制模塊：包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、鍵盤管理、工作模式、通信、波形顯示、數(shù)據(jù)打印等。


　�。�2）數(shù)據(jù)處理模塊：包括分析、計(jì)算、儲存以及各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波等。


　　（3）測量周期模塊：獲取采樣周期、完成采樣和A／D轉(zhuǎn)換。


　　4．2　諧波管理軟件


　　軟件為Windows9．x環(huán)境下的應(yīng)用程序，人機(jī)界面友好，易于操作。它可以通過PC機(jī)的串行口同諧波分析儀通信，獲得現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，在PC機(jī)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。它包括以下幾個(gè)功能模塊。　


　�。�1）文件管理模塊：對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行文件備案。


　�。�2）通信模塊：同便攜式諧波分析儀通信。


　�。�3）數(shù)據(jù)處理模塊：對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算。


　�。�4）圖形顯示模塊：顯示電壓、電流波形，用柱狀圖顯示各次諧波與基波的百分比，顯示各種測量參數(shù)。


　�。�5）歷史數(shù)據(jù)查詢模塊：可通過測量時(shí)間、位置等參數(shù)對以往測量數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、分析。


　�。�6）打印模塊：可打印測量數(shù)據(jù)、分析結(jié)果及波形。


　　5　結(jié)　論　　


　　該文設(shè)計(jì)的多功能實(shí)時(shí)電力系統(tǒng)諧波分析系統(tǒng)不但可以對電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線諧波分析，而且可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)傳，在PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及儲存。該系統(tǒng)功能齊全、使用方便、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高、性價(jià)比優(yōu)，可在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。


　　［參考文獻(xiàn)］


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摘自《工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置》