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?nèi)遮厙乐兀瑢﹄娏ο到y(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(zhì)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(zhuǎn)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,。

    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(nèi),，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(nèi)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(nèi)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,。
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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器進行等間隔同步采樣,。即可在每個信號周期內(nèi),，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,。

    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(zhuǎn)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(nèi)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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