電網(wǎng)中交流電壓諧波檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

涂雪芹， 屈紫懿， 馮彩絨

（重慶電力高等專科學(xué)校電力工程學(xué)院，　重慶　400053）

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電網(wǎng)中交流電壓諧波檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

涂雪芹， 屈紫懿， 馮彩絨

（重慶電力高等?？茖W(xué)校電力工程學(xué)院，重慶400053）

摘要：為進一步提高對電網(wǎng)中的諧波電壓的精確測量，提出了一種交流電壓諧波檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計方法。主要對電壓采樣電路、波形變換電路、倍頻鎖相電路和A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方法進行了詳細(xì)的研究，同時還對最小系統(tǒng)以及顯示電路也作了詳細(xì)分析，最后對系統(tǒng)的主程序和中斷服務(wù)子程序設(shè)計方案作了簡要介紹。該設(shè)計為電力系統(tǒng)的交流諧波測量提供參考，具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：單片機；同步采樣；諧波分析

電力作為一種主要的能源形式之一，已成為現(xiàn)代社會生產(chǎn)和生活必不可少的能源。雖然電力給人類社會帶來了諸多便利，但隨著各種電氣設(shè)備帶來的諧波干擾對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定以及經(jīng)濟的運行形成了許多的危害，因此，諧波干擾給整個的電力系統(tǒng)帶來了極大的負(fù)面影響[1]。目前，諧波干擾已被國內(nèi)外行業(yè)組織確認(rèn)為電網(wǎng)的一大公害，因此，對電網(wǎng)中的諧波問題研究已被國際社會所重視。諧波干擾是隨著用電設(shè)備的多樣化和復(fù)雜化而產(chǎn)生的。對諧波的抑制問題已成為國內(nèi)外近年來眾多科研工作者研究的熱點。對諧波的檢測能有效預(yù)防和消除安全隱患，提高電力系統(tǒng)用電設(shè)備的安全運行，因此，本文正是為檢測諧波而設(shè)計的硬件檢測系統(tǒng)，它能夠檢測交流電壓的諧波分量，具有一定的精度，能夠為電力部門提供一定的數(shù)據(jù)作為參考。

一、諧波算法分析

諧波算法是諧波檢測中的一個重要問題，諧波檢測算法對抑制諧波具有非常重要的作用。目前，諧波檢測方法主要有以下幾種：基于帶阻濾波器或模擬帶通檢測[2]、基于傅里葉變換（FFT）的諧波檢測[3]、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和瞬時無功功率的諧波檢測等[4-6]。雖然這些諧波檢測方法取得了很好的抑制效果，但這些方法在實際運用中也表現(xiàn)出了許多不足和缺點。

目前，廣泛應(yīng)用于諧波測量儀器中的基本理論依據(jù)是傅立葉變換，F(xiàn)FT是近年來采用最多，而且應(yīng)用最廣泛的一種諧波測量方法之一。基于FFT在諧波檢測中的優(yōu)點，本文對諧波分量的計算正是應(yīng)用傅立葉算法。

傅立葉變換的基本原理是從離散傅立葉變換到快速傅立葉變換的一種過渡算法。對于快速傅立葉變換算法，它是一種對長序列的DFT逐次進行分解成較短序列的DFT的快速算法。按照抽取方式的不同可分為DIF-FFT算法和DIT-FFT?；诒鞠到y(tǒng)設(shè)計的實際出發(fā)，本文采用了時間抽取FFT算法，或者稱為基2-FFT變換。它的主要原理可以參考文獻[7,8]。

二、系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)的硬件主要功能有：采用鎖相環(huán)實現(xiàn)電壓信號同步采集，將采集到的模擬信號通過AD轉(zhuǎn)化為能夠被單片機識別的數(shù)字信號，經(jīng)過單片機進行數(shù)據(jù)處理，然后再由顯示電路顯示處理結(jié)果。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中，電壓互感電路將交流電網(wǎng)中的交流電壓轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過采樣保持電路保持后，將電壓信號送入AD輸入端，因為當(dāng)信號頻率和采樣頻率不一致時，使計算出的信號參數(shù)不準(zhǔn)確，無法滿足測量精度的要求，所以利用數(shù)字式鎖相器(DPLL)使采樣頻率信號頻率同步，并由鎖相倍頻電路將信號倍頻32倍，作為AD芯片的采樣啟動和讀信號和實現(xiàn)同步采樣，然后將AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號送入單片機進行FFT運算處理，最后通過按鍵控制，在顯示電路上顯示出最終結(jié)果。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）主控電路設(shè)計

控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理的核心，電力系統(tǒng)交流電壓諧波分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理是本設(shè)計研究的關(guān)鍵。設(shè)計以Phillips公司的P89V51RD2微處理器為整個系統(tǒng)的控制核心,P89V51RD2是一款80C51微控制器，包含64kB Flash和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。其構(gòu)成的最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　P89V51最小系統(tǒng)

圖中，時鐘電路的晶振頻率采用20MHz。單片機的復(fù)位電路采用人工復(fù)位方式，當(dāng)按下開關(guān)時，就在RST端出現(xiàn)一段時間的高電平，即使單片機復(fù)位。

（二）電壓采樣電路設(shè)計

本設(shè)計中采用HGV-01電壓互感器，它是一個電流型的電壓互感器，電壓采樣電路如圖3所示。

圖3　電壓采樣電路

由于額定交流電壓為220V，考慮到其測量差量為20%，故輸入的最大電壓有效值約為270V，電流互感器的工作電流設(shè)為1mA,可得R0=Vmax/1mA= 270kΩ。

選AD轉(zhuǎn)換器的輸入最大值為10V輸入端，由于互感器副端工作電流為1mA,故其轉(zhuǎn)換電壓所需電阻為

(三)波形轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

波形變化電路主要實現(xiàn)將正弦波轉(zhuǎn)化為可以進行倍頻的脈沖波。為滿足AD啟動、讀信號和單片機信號的要求，所以將輸入的正弦波信號變換為一個‘0’或‘5v’的脈沖波，為避免了過零點干擾，采用滯回比較器實現(xiàn)。波形轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4　波形轉(zhuǎn)換電路

該電路中的波形轉(zhuǎn)換電路采用的是一個滯回比較器，輸出波形變化取決于輸入電壓Vi與門限電壓的比較，現(xiàn)在就來計算一下上述電路的門限電壓。由于電壓輸出的上限值為VOH=+5.6V下限值為VOL= -5.6V，根據(jù)門限電壓計算公式得式（1）和式（2）：其傳輸特性如圖5所示。

圖5　波形轉(zhuǎn)換電路傳輸特性圖

（四）同步鎖相倍頻電路設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計的鎖相倍頻電路如圖6所示。

圖6　鎖相倍頻電路

從14腳輸入一個周期的方波，4046的4腳測出有32倍頻的方波輸出。這樣就得到同步采樣一周期的32個采樣信號。這樣就將方波經(jīng)由鎖相倍頻電路放大32倍做為AD574的啟動、讀信號和單片機的外部中斷的響應(yīng)數(shù)字信號。這部分的實現(xiàn)是本設(shè)計得以實現(xiàn)同步采樣的關(guān)鍵所在。

（五）A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

本設(shè)計中采用了美國模擬數(shù)字公司（Analog）推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容元件即可構(gòu)成一個完整的A/D轉(zhuǎn)換器。由于本設(shè)計要求采樣數(shù)據(jù)分辨率≤1/255，所以AD574A能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。本設(shè)計是將采樣電壓的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，其采樣和讀取由同步信號控制，采樣完成后同步信號至單片機中斷，由單片機讀取數(shù)據(jù)并做相應(yīng)的處理。AD574與單片機的連接如圖7所示。

圖7　AD574A與單片機的連接圖

設(shè)計中A/D的CE接“+5v”，CS直接接地，12/8腳接地采用八位輸出，圖中A0接P27口,和由鎖相倍頻電路輸出的同步信號來控制。由于R/C和的信號是相反的，所以當(dāng)INTO邊沿觸發(fā)響應(yīng)中斷時R/C為讀；當(dāng)處于高電平不中斷時AD處于轉(zhuǎn)換。這樣正好解決了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與單片機讀取之間的沖突。

（六）液晶顯示電路設(shè)計

在本次設(shè)計中，顯示部分我們采用了液晶顯示模塊12864J，使用液晶能夠更加形象直觀的顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。顯示模塊與單片機的連接中，D/I接P25，R/W接P26，使能端信號由讀寫信號產(chǎn)生，左右半屏選擇信號CS1和CS2分別接P21和P22，以便能夠?qū)ψ笥野肫练謩e做不同的顯示操作，至于模塊的復(fù)位端，由于模塊一直在工作中，所以直接接高電平，不使其復(fù)位。單片機與液晶模塊的連接如圖8。

圖8　單片機與液晶模塊連接電路

硬件連接應(yīng)該注意，液晶顯示模塊的18腳能夠產(chǎn)生一個-10V的電壓，所以液晶模塊的3腳顯示驅(qū)動電壓不要外接電壓驅(qū)動，應(yīng)由18腳分壓提供，若外接-10V電源，就會將液晶模塊燒毀。在系統(tǒng)的設(shè)計中，P89V51的P0口負(fù)責(zé)與液晶模塊傳輸數(shù)據(jù)，P1讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，P21、P22連接液晶模塊的左右半屏片選CS1和CS2，P27和P28作為按鍵數(shù)據(jù)口使用。

四、軟件設(shè)計

（一）系統(tǒng)主程序設(shè)計

主程序就是將單片機初始化，設(shè)置中斷，存儲32個采樣數(shù)據(jù)進行FFT算法處理，數(shù)據(jù)處理完成后再判斷按鍵的鍵值情況，根據(jù)鍵值的不同液晶顯示頁面顯示不同的諧波值，主程序流程圖如圖9所示。

圖9　主程序流程圖

（二）中斷服務(wù)程序設(shè)計

中斷服務(wù)程序主要是把數(shù)據(jù)從A/D讀到單片機，在此次系統(tǒng)中每周期采樣32個點，所以中斷程序的功能就是存儲32個采樣點，采樣點存儲完成后就關(guān)閉中斷，返回執(zhí)行主程序。中斷服務(wù)程序流程圖如圖10所示。

圖10　中斷服務(wù)程序流程圖

五、結(jié)論

針對電網(wǎng)中存在的電壓諧波干擾問題，本文提出了一種交流電壓諧波檢測的硬件設(shè)計方法。首先簡要介紹了諧波算法分析方法，然后對檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖進行了分析。重點介紹了各組成部分電路的具體設(shè)計方法，包括最小系統(tǒng)設(shè)計、電壓取樣電路、波形變換電路、同步鎖相倍頻電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及液晶顯示電路等。最后，在硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的主程序設(shè)計和服務(wù)中斷子程序設(shè)計做了簡單介紹，本系統(tǒng)對電網(wǎng)中的電壓諧波干擾的檢測有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1]廖建慶.便攜式電網(wǎng)在線檢測儀設(shè)計[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,(19).

[2]尹靖元,金新民,等.基于帶通濾波器的LCL型濾波器有源阻尼控制[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,(8).

[3]房國志,楊超,等.基于FFT和小波包變換的電力系統(tǒng)諧波檢測方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,(5).

[4]涂永昌,劉建功,等.基于瞬時無功功率理論的諧波檢測改進算法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,(3).

[5]張謙,王好娜,等.濾波器-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,(12).

[6]肖建平,李生虎,等.一種新的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)諧波檢測方法研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2013,(2增).

[7]李橙橙.基于FPGA的FFT算法設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué),2014.

[8]王華英,于夢杰,等.基于快速傅里葉變換的四種相位解包裹算法[J].強激光與粒子束,2013,(5).

（責(zé)任編輯：袁媛）

中圖分類號：TN98

文獻標(biāo)識碼：A

[文章編號]1671－802X(2016)02－0037－05

收稿日期：＊2016－02－01

作者簡介：涂雪芹（1976-），女，四川廣安人，碩士，講師，研究方向：電力系統(tǒng)分析及檢測。E-mail:ndsyxsg@126.com.

A Hardware Design of AC Voltage Harmonic Detection System in Power Grid

TU Xue-qin,QU Zi-yi,FENG Cai-rong

(Department of Electric Power,Chongqing Electric Power College,Chongqing 400053,China)

Abstract:To further improve the measurement accuracy of harmonic voltage in power grid,a hardware design of an alternating voltage harmonic detection system is presented.The design methods of voltage sampling circuit,a waveform conversion circuit,multiplier PLL circuit and A/D converter circuit are studied in detail.In addition, the smallest systems and display circuits are analyzed.Finally,the main program and the interrupt service subroutine system are introduced briefly.This design provides a practical reference for harmonic measurement of the AC power system.

Key words:microcontroller;simultaneous sampling;harmonic analysis