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基于IDT90E36A的谐波表设计方法研究

  • 关键词:90E36A,谐波分析,DFT,汉宁窗
  • 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。

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IDT90E36ASTM32F103的谐波网络仪表。

 

2 总体设计

  硬件设计以IDT90E36ASTM32F103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

  IDT90E36AIDT公司的一款三相电能计量芯片,该芯片集成了7个单独的2Σ-ΔADC,可实现三相四线系统中的三个电压通道(A,B,C)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, IEC62053-22IEC62053-23ANSI C12.1ANSI 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1IDT90E36A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。

 2是一种典型的信号识别系统框图。

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  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 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。

  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3sinct)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

 


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。


(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。

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

1 测试数据表:

2 IEC61000-4-7:2002对谐波测量准确度要求

7 结语

  本文所设计的基于IDT90E36ASTM32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》20166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


发布时间:2017年6月27日 13:48  人气:   审核编辑(王静)
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