原创 基于嵌入式处理器的电力谐波多功能实时分析系统

随着我国电气化铁道的迅速发展及冶金、化工等工业部门大量应用换流技术，电力系统中的谐波问题已日趋严重，谐波对电力系统和用电设备已产生了严重危害和影响。正确认识谐波的危害，对其进行有效的谐波测量和抑制，已成为电力系统安全运行工作的重要内容。为此，笔者研制了一种多功能谐波分析系统，它可对谐波进行有效的监测和分析，为谐波治理提供可靠依据。

2　系统工作原理及硬件结构

2．1　系统构成与工作原理

　　目前，国内研制的谐波分析仪大多为便携式，采用8051、8098单片机为核心构成单片机应用系统，由于单片机速度慢，造成数据分析时间过长，使谐波分析仪的实时性降低。同时，现有分析仪多数只能进行现场测量，需要人工记录并分析数据，不利于对谐波进行长期监测。

笔者研制的谐波分析系统既可做为便携式谐波分析仪，进行现场测量，又可将测量数据储存，然后同PC机进行数据通信，将数据传入PC机中，利用谐波管理软件对数据进行分析及储存，以便对谐波进行长期监测。

系统的主要结构如图2—1所示。谐波分析仪以Intel 80386EXCPU为核心构成微机应用系统，该芯片性价比高、速度快，大大提高谐波分析仪的实时性。测试时，从电压互感器和电流互感器的二次侧引入输入信号，对电压和电流信号同时进行采样、保持，并送入A／D转换器变成离散信号。一方面，通过液晶显示电路在液晶显示屏上显示出电压、电流可根据需要决定是否同PC机通信。

2．2　系统硬件电路

2．2．1　微机系统

由嵌入式CPUIntel 80386EX、程序存储器E－PROM2764、数据存储器8MRAM组成的微机应用系统为谐波分析仪的核心部分。它在软件的配合下可以完成以下功能：控制数据采集、进行数据处理和运算、进行数据存储、控制被测信号的波形显示、控制分析结果的打印及显示、同PC机进行通信。

数据存储可以有两种模式选择。一种将每次采样的数值均记录下来，这种模式精确，但所需存储空间太大，只可连续工作约0．5 h；另一种将每秒采样值的平均值记录下来，该模式有一定误差，但可以连续工作约25h。

2．2．2　隔离电路

考虑到仪器的广泛适用性，仪器的输入信号分别取自被测线路的电压、电流互感器的二次侧，为了提高仪器的抗干扰能力，保证操作人员的人身安全，用光电隔离电路将外部输入信号与微机应用系统电气隔离。电压隔离传感器将有效值为0～100 V的电压信号变为0～5 V，电流传感器将0～5 A的电流信号变为0～5 V的电压信号。为精密测量谐波成分，该仪器采用瑞士莱姆（LEM）公司生产的电压、电流互感器模块，这种变换器具有较好的频率响应且输入范围大。

　　 2．2．3　采样保持电路及模数转换电路

为了提高仪器的测量精度，必须对电压、电流信号同时采样。用采样保持器LF398分两路对被测电压、电流信号同时进行采样保持，并将各自的输出信号分别输入到多路开关CD4051。该仪器对被测电压、电流信号每周期采样64点，因此，控制多路开关的逻辑输入脉冲频率为2×64×50＝6．4 kHz，轮流将两个被测信号的采样值送到模数转换电路。模数转换电路选用AD574，这是一种高速12位ADC，它的输出具有三态，可直接挂在微机系统的数据线上。

2．2．4　液晶显示电路

选用DMF5002型图形液晶显示器作为该仪器的显示器。这是一种集控制器、驱动器和显示屏于一体的液晶显示器（LCD），可以直接与80386EX相连接。通过对控制器T6963C编程，可以将电压和电流信号的采样点显示在屏幕上，以便实时观察被测电压和电流的波形。

3　测量方法

　　目前，周期信号的谐波分析，一般采用等间隔同步采样方法，利用锁相环技术使采样与电网保持同步。但在工程实际中等间隔相对比较容易做到，而严格的同步很难实现，大部分按同步采样原理制作的谐波分析仪，实际上工作在近于同步状态，将对基波产生同步偏差，对高次谐波测量带来很大误差。为此，该系统采用准同步采样算法［1～2］，通过在数据处理时增加迭代次数可以有效地减小同步偏差对测量结果的影响，使基波与高次谐波均能获得很高的测量精度。同时，可以省去锁相环电路，降低硬件成本，简化硬件电路。

4　系统软件设计

　　系统软件分为两部分，一部分为便携式谐波分析仪的软件，用汇编语言编写。另一部分为Win－dows环境下的谐波管理软件，用Visual Basic5．0编写。

4．1　谐波分析仪软件

分析仪软件采用模块化结构，分为3个功能模块：

（1）系统管理、控制模块：包括系统初始化、系统自检、键盘管理、工作模式、通信、波形显示、数据打印等。

（2）数据处理模块：包括分析、计算、储存以及各种数制的转换、数字滤波等。

（3）测量周期模块：获取采样周期、完成采样和A／D转换。

4．2　谐波管理软件

软件为Windows9．x环境下的应用程序，人机界面友好，易于操作。它可以通过PC机的串行口同谐波分析仪通信，获得现场测量数据，在PC机上对数据进行分析、处理。它包括以下几个功能模块。

　（1）文件管理模块：对测量数据进行文件备案。

（2）通信模块：同便携式谐波分析仪通信。

（3）数据处理模块：对数据进行分析、计算。

（4）图形显示模块：显示电压、电流波形，用柱状图显示各次谐波与基波的百分比，显示各种测量参数。

（5）历史数据查询模块：可通过测量时间、位置等参数对以往测量数据进行查询、分析。

（6）打印模块：可打印测量数据、分析结果及波形。

5　结　论

　　该文设计的多功能实时电力系统谐波分析系统不但可以对电网进行实时在线谐波分析，而且可以对数据进行远传，在PC机上进行数据分析及储存。该系统功能齐全、使用方便、实时性好、抗干扰能力强、测量精度高、性价比优，可在电力系统中广泛应用。