快乐8走势图连线|快乐8走势图连线
當前位置:網站首頁 > 技術中心 > 專業論文
基于IDT90E36A的諧波表設計方法研究
  • 資料提供:
    安科瑞電氣股份有限公司
  • 資料作者:
    時義萬
  • 所屬欄目:
    專業論文
  • 上傳時間:
    2017-06-22
  • 文檔說明:

      王健1,吳勤衛2,張新慧2,蔡磊,張明3

      (1.中國輕工業成都設計工程有限公司  四川成都 610015)

      (2.江蘇安科瑞電器制造有限公司  江蘇江陰 214405)

       

      摘  要:介紹了諧波的危害和對電能計量的影響及諧波監測的重要性。并針對該需求介紹了基于IDT90E36A寬動態范圍芯片的諧波表設計,詳細介紹基于該芯片的諧波分析功能,分析漢寧窗對諧波計量的影響,并給出諧波測試數據。

      關鍵詞:90E36A,諧波分析,DFT,漢寧窗

       

      1 引言

        隨著科學技術的發展,工業生產水平和人民生活水平的提高,非線性用電設備在電網中大量應用。造成了電網的諧波分量占的比重越來越大,它不但增加了電網的供電耗,而且干擾電網的保護裝置與自動化裝置的正常運行,造成了這些裝置的誤動與拒動,直接威脅電網及電氣設備的安全運行。

        除了影響電力系統正常運行,電力諧波會使得電能計量儀表失準。從電磁感應式電能表的角度來看,諧波使得電壓線圈的阻抗和旋轉盤阻抗出現變化,進而使得磁通量出現變化,從而導致電能計量出現誤差。從電子式電能表的角度看,電能表記錄的數值是基波有功能量和諧波有功電能的總和,因此其記錄數值要比起負載消耗的基波點小。

        鑒于此,加強對電網諧波監測和諧波電能計量很有必要的。針對這一需求,本文設計一款基于IDT90E36A和STM32F103的諧波網絡儀表。

       

      2 總體設計

        硬件設計以IDT90E36A和STM32F103為核心。采用高清晰度LCD作為顯示,采用UART作為通訊接口,采用大容量鐵電作為數據存儲。IDT90E36A特有的DFT計算引擎使得諧波分析更加簡便和高效。本文著重分析該儀表的諧波分析功能。

       

      3 芯片介紹

        IDT90E36A是IDT公司的一款三相電能計量芯片,該芯片集成了7個單獨的2階Σ-Δ型ADC,可實現三相四線系統中的三個電壓通道(A,B,C相)和四個電流通道(A,B,C相和中性線)的測量,90E36A三相計量芯片擁有6000:1的業界最寬動態范圍,結合了專有溫度補償技術的最低溫度系數,其可在各種應用和環境條件下能保持極佳性能,并符合IEC62052-11, 、IEC62053-22、IEC62053-23、ANSI C12.1及ANSI C12.20標準。IDT90E36具有帶總諧波失真 (THD) 檢測的片上離散傅立葉變換 (DFT) 分析引擎,且能實現高達32次的諧波分析。圖1為IDT90E36A外圍電路。


      圖1

       

      4 諧波計量和漢寧窗

        IDT90E36A內置的離散傅立葉分析(DFT)計算引擎可完成6個通道2-32次的諧波分析功能。

        圖2是一種典型的信號識別系統框圖。

      圖2

        對數字信號進行快速傅里葉變換,可得到數字信號的分析頻譜。分析頻譜是實際頻譜的近似。傅里葉變換是對延拓后的周期離散信號進行頻譜分析。如果采樣不合適,某一頻率的信號能量會擴散到相鄰頻率點上,出現頻譜泄漏。

        所謂頻譜泄露,就是信號頻譜中各譜線之間相互干擾,使測量的結果偏離實際值,同時在真實譜線的兩側的其它頻率點上出現一些幅值較小的假譜。產生頻譜泄露的主要原因是采樣頻率和原始信號頻率不同步,造成周期的采樣信號的相位在始端和終端不連續。簡單來說就是因為CPU的 FFT 運算能力有限,只能處理有限點數的 FFT,所以在截取時域的周期信號時,沒有能夠截取整數倍的周期。信號分析時不可能取無限大的樣本。只要有截斷不同步就會有泄露。

        為了減少頻譜泄漏,通常在采樣后對信號進行加窗處理。常見的窗函數有矩形窗(即不加窗)、三角窗、漢寧窗、漢明窗、高斯窗等。除了矩形窗外,其他的窗在時域上體現為中間高、兩端低特征。

        傅里葉分析的頻率分辨率主要是受窗函數的主瓣寬度影響,而泄漏的程度則依賴于主瓣和旁瓣的相對幅值大小。矩形窗有最小的主瓣寬度,但是在這些最常見的窗中,矩形窗的旁瓣最大。因此,矩形窗的頻率分辨率最高,而頻譜泄漏則最大。不同的窗函數就是在頻率分辨率和頻譜泄漏中作一個折中的選擇。

        在IDT90E36A中采用漢寧窗(Hanning)進行計算,需使能漢寧窗口。漢寧窗口的作用是在DFT 計算時將A/D 采樣的信號變為周期性,以達到準確的計算結果。漢寧窗可以看成是升余弦窗的一個特例,漢寧窗可以看作是3個矩形時間窗的頻譜之和,或者說是3個sinc(t)型函數之和。漢寧窗表達式如下:

        括號中的兩項相對于第一個譜窗分別向左、右各移動了π/T,從而使旁瓣互相抵消,消去高頻干擾和漏能。漢寧窗適用于非周期性的連續信號。

       

      5 漢寧窗對諧波計量影響

        漢寧窗的頻譜可以表示為

       (1)

        其中, 稱為Dirichlet核,表達式為

        設某一諧波信號x(t)的表達式為

      (2)

        以采樣頻率fs離散化式(2)為

      (3)

        式中,

        則x(n)的頻譜為

         (4)

        式(4)中,為所加窗的頻譜表達式,若用漢寧窗對信號x(n)加權截斷得到加窗信號 ,則的連續頻譜為

      (5)

        對直接利用FFT算法求得離散譜,且當N較大時

      (6)

        如果滿足同步采樣和整周期截斷的條件,則

      (7)

        由式(7)可知,信號經過加漢寧窗FFT算法得到的頻譜分布在待檢測諧波頻率點處()為一條譜線,而其他頻率點處 (k≠km )皆為 0 ,這種情況下算法沒有產生頻譜泄露現象,利用處的譜線就可以準確求出該諧波的頻率、幅值和相位。

        然而,由于電網額定頻率(即工業頻率,簡稱工頻)并非穩定不變,具有時變性,這就導致實際應用中難以滿足同步采樣條件。設待測實際諧波頻率為

      (8)

        式中/N;為整數;。則諧波離散分布為

      (9)

        式中:

      (10)

      (11)

        由式(9)可知,信號的頻譜分布并沒有集中在一條譜線上,而是以諧波頻率點附近為中心泄露到了整個頻域內,影響了諧波分析的精度。

        加漢寧窗可減小頻譜泄露,以下為matlab仿真實驗:

        (1)對于一個49.88Hz(幅度為10)的信號 ,同時疊加48.88Hz(幅度為0.03)和50.88Hz(幅度為0.06)的信號,用采樣頻率2500Hz、采樣點25000個點進行采樣,然后加窗后進行DFT計算。圖3為加矩形窗和漢寧窗后進行DFT計算的頻譜圖。圖4為分別對兩種窗的計算結果進行疊加對比。

      圖3

      圖4

        (2)對于一個49.9Hz(幅度為10)的信號,同時疊加三次諧波(幅度為3)的信號,用采樣頻率2500Hz,采樣點25000個點進行采樣,然后加窗后進行DFT計算。圖5為對兩種窗的計算結果進行疊加對比。

      圖5

        由以上仿真圖形可以看出,加入漢寧窗后,頻譜泄露減小。原來被泄露的能量所掩蓋而看不到的頻率分量也可以清晰地看到。

       

      6 諧波分析測試數據

        本設計采用BRT330B標準源輸出諧波信號進行測試,測試數據如表1所示

      表1 測試數據表:

      諧波次數

      2

      5

      10

      15

      20

      25

      30

      31

      理論值

      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

      最大誤差

      0.40%

      0.70%

      0.20%

      0.75%

      1.00%

      2.13%

      2.50%

      2.75%

       

      表2 IEC61000-4-7:2002對諧波測量準確度要求

      等級

      測量

      條件≤

      最大誤差

      I

      電壓

      Um ≥ 1% Unom

      Um ≤ 1% Unom

      ±5% Um

      ±0.05% Unom

      電流

      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

      電壓

      Um ≥ 3% Unom

      Um ≤ 3% Unom

      ±5% Um

      ±0.15% Unom

      電流

      Im ≥ 10% Inom

      Im ≤ 10% Inom

      ±5% Im

      ±0.5% Inom

      Inom:測量儀器的額定電流范圍

      Unom:測量儀器的額定電壓范圍

      Um和Im:測量值

        試驗結果表明,該設計符合IEC對諧波測量準確度的要求。

       

      7 結語

        本文所設計的基于IDT90E36A和STM32的諧波表設計可準確計量電網中分次諧波含量,可滿足IEC61000-4-7:2002標準要求。該儀表除了常規電參量計量和諧波分析外,還具有復費率電能計量、四象限電能計量、遙信輸入、遙控輸出、網絡通訊以及SOE事件記錄功能,其主要用于對電網供電質量的綜合監控診斷和電網電能的管理。

       

      文章來源:《電氣傳動自動化》2016年6期。

      參考文獻:

      [1]何瑞花電力系統諧波的危害與治理[J]科技視界2015(5)322-323

      [2]董宇李欣宇電力諧波對電能計量影響的分析[J]科技資訊2015(35)118,120

      [3]IDT公司高精度寬量程三相電能計量芯片90E36數據手冊[Z]

      [4]IEC61000-4-7:2002,測試和測量技術--電源系統及其相連設備的諧波、間諧波測量方法和測量儀器的技術標準[S]

      [5]王劉旺,黃建才,孫建新,王強,朱永利,基于加漢寧窗的FFT高精度諧波檢測改進算法[J]電力系統保護與控制2012(24)28-33

  • 下載點數:
    0點
  • 點擊量:
    1417
  • 登陸 立即注冊成為自動化信息網會員
版權所有:成都西星科技資訊有限責任公司
備案號:蜀ICP備11027966號-1
快乐8走势图连线 原创稳赚包六肖 北京pk10全天一期计划 腾讯时时彩官方网站 重庆开奖历史开奖记录 下载新疆时时 最稳赚包六肖三期必必 通比牛牛游戏网站 幸运飞艇6码规律 欢乐生肖平台 盈彩网站首页