摘 要：為改善以電弧爐為負(fù)載的電網(wǎng)諧波問(wèn)題，對(duì)以單片機(jī)為核心的諧波檢測(cè)儀進(jìn)行了研究，能夠檢測(cè)電網(wǎng)諧波及電網(wǎng)各參數(shù)計(jì)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(jì)，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(dòng)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(cè)；FFT；電弧爐

中圖分類(lèi)號(hào)：TM933，TP3681 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(shí)時(shí)地對(duì)電力系統(tǒng)諧波進(jìn)行檢測(cè)有著重要的意義。諧波檢測(cè)是諧波問(wèn)題中的一個(gè)重要分支，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)檢測(cè)出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓，對(duì)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(diǎn)和故障類(lèi)型等工作的重要前提。

目前，電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)主要是通過(guò)諧波電流的測(cè)量來(lái)實(shí)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(cè)裝置的基本原理；瞬時(shí)無(wú)功功率理論可用于諧波的瞬時(shí)檢測(cè)和無(wú)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(cè)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(cè)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(cè)量的實(shí)時(shí)性和精度。

根據(jù)不同情況合理選擇諧波檢測(cè)方法，為諧波分析提供詳細(xì)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和信號(hào)，是提高檢測(cè)效果、改善電能質(zhì)量的重要一步。國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究都比較重視，在線諧波檢測(cè)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(jì)算機(jī)在諧波檢測(cè)中的具體使用，諧波檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和精度要求一旦解決，相信電網(wǎng)諧波檢測(cè)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(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，在電弧爐運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流。同時(shí)伴有電流幅值的波動(dòng)，諧波的影響比較顯著。因此，諧波的檢測(cè)和治理成為了一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。為了實(shí)時(shí)檢測(cè)更加方便進(jìn)行諧波補(bǔ)償，本文介紹一個(gè)基于單片機(jī)的諧波檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)。以單片機(jī)為核心的設(shè)計(jì)，配以適當(dāng)?shù)挠布娐泛蛙浖脑O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)功參數(shù)的計(jì)算，并顯示在液晶屏上。

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

1 基本原理

傳統(tǒng)的諧波測(cè)量方法一般都是將離散化的被測(cè)信號(hào)用經(jīng)典的快速傅里葉變換(FFT)處理，獲取信號(hào)各次諧波的幅值、頻率和相位。假定測(cè)量時(shí)間是信號(hào)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(cè)量精度的。但是，由于電網(wǎng)頻率不斷波動(dòng)，被測(cè)信號(hào)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(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣，使傳統(tǒng)FFT在頻譜分析時(shí)產(chǎn)生泄漏誤差，難以獲得高精度的諧波測(cè)量結(jié)果^[3，4]。

加窗插值FFT理論正是針對(duì)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(gè)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(hào)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(jì)算信號(hào)參數(shù)準(zhǔn)確性，基本滿足準(zhǔn)確的諧波測(cè)量要求。一般電網(wǎng)信號(hào)主要含有整數(shù)次諧波，所以在實(shí)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(gè)主要原因在于他便于進(jìn)行頻譜計(jì)算。通常信號(hào)加窗都是在時(shí)域進(jìn)行，即xw(t)=x(t)w(t)，然后進(jìn)行傅里葉變換。而對(duì)于余弦窗，可以先對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，然后在頻域進(jìn)行處理。設(shè)離散信號(hào)x(n)的頻譜為x(θ)。用公式表示為：

2 硬件實(shí)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(hào)線性變換為-5～+5 V電壓信號(hào)。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(hào)預(yù)理模塊

由于傳感器、放大電路本身的影響，造成在信號(hào)進(jìn)入采樣保持器之前，所采信號(hào)中混有各種頻率的信號(hào)。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(shí)鐘頻率控制輸出轉(zhuǎn)角頻率的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)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(hào)為有限帶寬，防止信號(hào)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(jì)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(shí)對(duì)4路輸入信號(hào)同步采樣的采樣/保持電路。MAX125每一個(gè)采樣/保持電路前有一個(gè)2選1的選擇開(kāi)關(guān)，允許8路信號(hào)輸入。在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，首先采集A相電壓、電流，B相電壓、電流這4路信號(hào)，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)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(chǔ)器，保證一般用戶的程序存儲(chǔ)的需要，一般不用外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)操作簡(jiǎn)單，可反復(fù)擦些至少上千次。

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

2.5 外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器和數(shù)字存儲(chǔ)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(chǔ)器。和一片EPROM27256的32 k片外程序存儲(chǔ)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(guò)74F139譯碼器擴(kuò)展，P27為0時(shí)通芯片U3，他的地址為0000H～7FFFH；P27為1時(shí)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(jì)

軟件的設(shè)計(jì)主要用C語(yǔ)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(kāi)始初始化之后，采集6路信號(hào)，存儲(chǔ)到外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里，78 μs檢驗(yàn)1次，看是否采到所要求的點(diǎn)數(shù)，若沒(méi)有，則繼續(xù)采；若達(dá)到所需點(diǎn)數(shù)則對(duì)其進(jìn)行FFT算法，計(jì)算出電參數(shù)，將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。將計(jì)算得出的電參數(shù)進(jìn)行顯示，1 s刷新1次。若過(guò)程中有按鍵操作則執(zhí)行，則轉(zhuǎn)去執(zhí)行按鍵所對(duì)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(dòng)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(gè)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(gè)外接存儲(chǔ)器當(dāng)中，將存放他們的數(shù)據(jù)地址+1，等待對(duì)這些數(shù)據(jù)的運(yùn)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(xiě)控制字

MAX125_CON=0；//啟動(dòng)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(jì)算結(jié)果的下一頁(yè)信息；按鍵3，控制液晶LCD顯示計(jì)算結(jié)果的上一頁(yè)信息；按鍵4，將結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)通信功能。

圖8 按鍵和顯示程序的流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

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(diǎn)，由傳感器、信號(hào)采集和處理，按鍵顯示接口電路組成。對(duì)電網(wǎng)三相電流、電壓實(shí)時(shí)采集，對(duì)產(chǎn)生的諧波檢測(cè)分析。為電力諧波問(wèn)題和電弧爐的模型的辨識(shí)及控制提供有效的分析裝置。

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

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作者簡(jiǎn)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?yàn)樽詣?dòng)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(qǐng)以PDF格式閱讀原文。