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基于IDT90E36A的谐波表设计方法研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-06-29  来源:安科瑞电气股份有限公司
摘要:介绍了谐波的危害和对电能计量的影响及谐波监测的重要性。并针对该需求介绍了基于IDT90E36A宽动态范围芯片的谐波表设计,详细介绍基于该芯片的谐波分析功能,分析汉宁窗对谐波计量的影响,并给出谐波测试数据。
 

    王健1,吴勤卫2,张新慧2,蔡磊,张明3

    (1.中国轻工业成都设计工程有限公司  四川成都 610015)

    (2.江苏安科瑞电器制造有限公司  江苏江阴 214405)

    摘  要:介绍了谐波的危害和对电能计量的影响及谐波监测的重要性。并针对该需求介绍了基于IDT90E36A宽动态范围芯片的谐波表设计,详细介绍基于该芯片的谐波分析功能,分析汉宁窗对谐波计量的影响,并给出谐波测试数据。

    关键词:90E36A,谐波分析,DFT,汉宁窗

    1 引言

      随着科学技术的发展,工业生产水平和人民生活水平的提高,非线性用电设备在电网中大量应用。造成了电网的谐波分量占的比重越来越大,它不但增加了电网的供电耗,而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行,造成了这些装置的误动与拒动,直接威胁电网及电气设备的安全运行。

      除了影响电力系统正常运行,电力谐波会使得电能计量仪表失准。从电磁感应式电能表的角度来看,谐波使得电压线圈的阻抗和旋转盘阻抗出现变化,进而使得磁通量出现变化,从而导致电能计量出现误差。从电子式电能表的角度看,电能表记录的数值是基波有功能量和谐波有功电能的总和,因此其记录数值要比起负载消耗的基波点小。

      鉴于此,加强对电网谐波监测和谐波电能计量很有必要的。针对这一需求,本文设计一款基于IDT90E36A和STM32F103的谐波网络仪表。

    2 总体设计

      硬件设计以IDT90E36A和STM32F103为核心。采用高清晰度LCD作为显示,采用UART作为通讯接口,采用大容量铁电作为数据存储。IDT90E36A特有的DFT计算引擎使得谐波分析更加简便和高效。本文着重分析该仪表的谐波分析功能。

    3 芯片介绍

      IDT90E36A是IDT公司的一款三相电能计量芯片,该芯片集成了7个单独的2阶Σ-Δ型ADC,可实现三相四线系统中的三个电压通道(A,B,C相)和四个电流通道(A,B,C相和中性线)的测量,90E36A三相计量芯片拥有6000:1的业界最宽动态范围,结合了专有温度补偿技术的最低温度系数,其可在各种应用和环境条件下能保持极佳性能,并符合IEC62052-11, 、IEC62053-22、IEC62053-23、ANSI C12.1及ANSI C12.20标准。IDT90E36具有带总谐波失真 (THD) 检测的片上离散傅立叶变换 (DFT) 分析引擎,且能实现高达32次的谐波分析。图1为IDT90E36A外围电路。


    1

    4 谐波计量和汉宁窗

      IDT90E36A内置的离散傅立叶分析(DFT)计算引擎可完成6个通道2-32次的谐波分析功能。

      图2是一种典型的信号识别系统框图。

    图2

      对数字信号进行快速傅里叶变换,可得到数字信号的分析频谱。分析频谱是实际频谱的近似。傅里叶变换是对延拓后的周期离散信号进行频谱分析。如果采样不合适,某一频率的信号能量会扩散到相邻频率点上,出现频谱泄漏。

      所谓频谱泄露,就是信号频谱中各谱线之间相互干扰,使测量的结果偏离实际值,同时在真实谱线的两侧的其它频率点上出现一些幅值较小的假谱。产生频谱泄露的主要原因是采样频率和原始信号频率不同步,造成周期的采样信号的相位在始端和终端不连续。简单来说就是因为CPU的 FFT 运算能力有限,只能处理有限点数的 FFT,所以在截取时域的周期信号时,没有能够截取整数倍的周期。信号分析时不可能取无限大的样本。只要有截断不同步就会有泄露。

      为了减少频谱泄漏,通常在采样后对信号进行加窗处理。常见的窗函数有矩形窗(即不加窗)、三角窗、汉宁窗、汉明窗、高斯窗等。除了矩形窗外,其他的窗在时域上体现为中间高、两端低特征。

      傅里叶分析的频率分辨率主要是受窗函数的主瓣宽度影响,而泄漏的程度则依赖于主瓣和旁瓣的相对幅值大小。矩形窗有最小的主瓣宽度,但是在这些最常见的窗中,矩形窗的旁瓣最大。因此,矩形窗的频率分辨率最高,而频谱泄漏则最大。不同的窗函数就是在频率分辨率和频谱泄漏中作一个折中的选择。

      在IDT90E36A中采用汉宁窗(Hanning)进行计算,需使能汉宁窗口。汉宁窗口的作用是在DFT 计算时将A/D 采样的信号变为周期性,以达到准确的计算结果。汉宁窗可以看成是升余弦窗的一个特例,汉宁窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和,或者说是3个sinc(t)型函数之和。汉宁窗表达式如下:

      括号中的两项相对于第一个谱窗分别向左、右各移动了π/T,从而使旁瓣互相抵消,消去高频干扰和漏能。汉宁窗适用于非周期性的连续信号。

    5 汉宁窗对谐波计量影响

      汉宁窗的频谱可以表示为

     (1)

      其中, 称为Dirichlet核,表达式为

      设某一谐波信号x(t)的表达式为

    (2)

      以采样频率fs离散化式(2)为

    (3)

      式中,

      则x(n)的频谱为

       (4)

      式(4)中,为所加窗的频谱表达式,若用汉宁窗对信号x(n)加权截断得到加窗信号 ,则的连续频谱为

    (5)

      对直接利用FFT算法求得离散谱,且当N较大时

    (6)

      如果满足同步采样和整周期截断的条件,则

    (7)

      由式(7)可知,信号经过加汉宁窗FFT算法得到的频谱分布在待检测谐波频率点处()为一条谱线,而其他频率点处 (k≠km )皆为 0 ,这种情况下算法没有产生频谱泄露现象,利用处的谱线就可以准确求出该谐波的频率、幅值和相位。

      然而,由于电网额定频率(即工业频率,简称工频)并非稳定不变,具有时变性,这就导致实际应用中难以满足同步采样条件。设待测实际谐波频率为

    (8)

      式中/N;为整数;。则谐波离散分布为

    (9)

      式中:

    (10)

    (11)

      由式(9)可知,信号的频谱分布并没有集中在一条谱线上,而是以谐波频率点附近为中心泄露到了整个频域内,影响了谐波分析的精度。

      加汉宁窗可减小频谱泄露,以下为matlab仿真实验:

      (1)对于一个49.88Hz(幅度为10)的信号 ,同时叠加48.88Hz(幅度为0.03)和50.88Hz(幅度为0.06)的信号,用采样频率2500Hz、采样点25000个点进行采样,然后加窗后进行DFT计算。图3为加矩形窗和汉宁窗后进行DFT计算的频谱图。图4为分别对两种窗的计算结果进行叠加对比。

    图3

    图4

      (2)对于一个49.9Hz(幅度为10)的信号,同时叠加三次谐波(幅度为3)的信号,用采样频率2500Hz,采样点25000个点进行采样,然后加窗后进行DFT计算。图5为对两种窗的计算结果进行叠加对比。

    图5

      由以上仿真图形可以看出,加入汉宁窗后,频谱泄露减小。原来被泄露的能量所掩盖而看不到的频率分量也可以清晰地看到。

    6 谐波分析测试数据

      本设计采用BRT330B标准源输出谐波信号进行测试,测试数据如表1所示

    表1 测试数据表:

    谐波次数

    2

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    31

    理论值

    10

    10

    10

    8

    8

    8

    8

    8

    Ua

    10.00

    10.05

    10.00

    7.94

    7.94

    7.83

    7.80

    7.78

    Ub

    10.03

    10.05

    10.00

    7.97

    7.99

    7.91

    7.91

    7.90

    Uc

    10.00

    10.05

    9.99

    7.94

    7.92

    7.83

    7.81

    7.76

    Ia

    10.04

    10.04

    10.02

    7.94

    7.93

    7.86

    7.81

    7.81

    Ib

    10.00

    10.07

    10.02

    7.96

    7.95

    7.85

    7.83

    7.80

    Ic

    10.00

    10.05

    9.99

    7.98

    7.947

    7.84

    7.81

    7.80

    最大误差

    0.40%

    0.70%

    0.20%

    0.75%

    1.00%

    2.13%

    2.50%

    2.75%

    表2 IEC61000-4-7:2002对谐波测量准确度要求

    等级

    测量

    条件≤

    最大误差

    I

    电压

    Um ≥ 1% Unom

    Um ≤ 1% Unom

    ±5% Um

    ±0.05% Unom

    电流

    Im ≥ 3% Inom

    Im ≤ 3% Inom

    ±5% Im

    ±0.15% Inom

    功率

    Pm ≥ 150 W

    Pm ≤ 150 W

    ±1% Pnom

    ±1.5 W

    II

    电压

    Um ≥ 3% Unom

    Um ≤ 3% Unom

    ±5% Um

    ±0.15% Unom

    电流

    Im ≥ 10% Inom

    Im ≤ 10% Inom

    ±5% Im

    ±0.5% Inom

    Inom:测量仪器的额定电流范围

    Unom:测量仪器的额定电压范围

    Um和Im:测量值

      试验结果表明,该设计符合IEC对谐波测量准确度的要求。

    7 结语

      本文所设计的基于IDT90E36A和STM32的谐波表设计可准确计量电网中分次谐波含量,可满足IEC61000-4-7:2002标准要求。该仪表除了常规电参量计量和谐波分析外,还具有复费率电能计量、四象限电能计量、遥信输入、遥控输出、网络通讯以及SOE事件记录功能,其主要用于对电网供电质量的综合监控诊断和电网电能的管理。

    文章来源:《电气传动自动化》2016年6期。

    参考文献:

    [1]何瑞花电力系统谐波的危害与治理[J]科技视界2015(5)322-323

    [2]董宇李欣宇电力谐波对电能计量影响的分析[J]科技资讯2015(35)118,120

    [3]IDT公司高精度宽量程三相电能计量芯片90E36数据手册[Z]

    [4]IEC61000-4-7:2002,测试和测量技术--电源系统及其相连设备的谐波、间谐波测量方法和测量仪器的技术标准[S]

    [5]王刘旺,黄建才,孙建新,王强,朱永利,基于加汉宁窗的FFT高精度谐波检测改进算法[J]电力系统保护与控制2012(24)28-33

 
 
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