CN103454490A - 基于布莱克曼-哈里斯窗频谱校正的智能计量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于布莱克曼-哈里斯窗频谱校正的智能计量系统及方法，由三部分构成：(1)信号调理部分，将电网系统中电压电流模拟信号通过电阻分压网络和CT电阻取样网络，送入6通道同步专用计量芯片；(2)数据处理部分，ADC转换数字量经数字低通滤波、直流偏置校正、比差角差校正后，采用Blackman-harris窗对信号进行加窗FFT处理；(3)数据管理部分，包括MCU芯片及外围电路，由MCU为核心管理基波、各谐波量及实现分时段、多功能，采用图形化点阵液晶显示谐波柱状分析图。本发明能实现智能电表的更高次谐波分析和更高准确度的电能计量。
Description
技术领域
本发明属于电力计量技术领域，具体涉及一种基于Blackman-harris,窗频谱校正的智能计量系统及方法，即一种基于布莱克曼-哈里斯窗频谱校正的智能计量系统及方法。
背景技术
随着中国社会用电量迅速增长，国家电网公司提出“建设坚强的智能化电网”的目标，国家电网相继推出Q／GDW 356-2009《三相智能电能表型式规范》、Q／GDW 357-2009《0.2S级三相智能电能表技术规范》等相关标准，对智能电表提出更高的技术要求，从传统普通功能型向高精度、分时段、多功能等高科技含量和高附加值的方向发展。同时，非线性设备在电力系统中得到广泛应用，由此带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成的威胁日趋严重，智能电表中的基波电能计量、谐波电能计量越来越被用户重视。
基波、谐波的检测技术一般有：（1）基于频域分析的FFT方法，其特点是电网频率波动时，检测精度较低；（2）滤波器检测谐波方法，其特点是难以获得理想频率特性；（3）基于瞬时无功功率理论的方法，其特点是计算量大，处理复杂；（4）基于神经网络理论和小波变换的方法，其特点是计算量大，难以在嵌入式系统中实现。
基于FFT的基波、谐波分析算法，易于在DSP（数字信号处理器）上实现，是当今应用最广泛的一种谐波分析方法。在电力系统中，电网电压、电流畸变导致基波频率变化，由于非同步采样造成FFT算法存在频谱泄露和栅栏效应等问题，使得基波与谐波检测的精度受到影响。减少FFT算法的频谱泄露和栅栏效应影响、提高电测量中基波和各谐波检测精度是电测量信号分析和电能质量管理中的难题。
涉及谐波计量的已有专利文件包括“测量工厂谐波的方法和测量仪”（200310105446.2），“计量工厂谐波的方法和计量仪”（200310105446.2），“电力系统谐波定量计量方法和计量仪”（98110414.2），等。其发明的目的是精确定量地测量电力系统中谐波电压、电流的动态特性。已有技术的不足之处是：已有技术提供了一些基波与谐波测量的电气设备设计方法，但由于谐波具有多样性、随机性和多态性等特征，基波频率波动造成的频谱泄露和栅栏效应依然存在，且当面对弱信号提取或复杂信号进行分析时存在较大误差，因此实时、高精度的基波与谐波测量分析难以实现。
发明内容
为克服已有技术的不足，本发明提供一种基于Blackman-harris窗频谱校正的智能计量系统及方法，即一种基于布莱克曼-哈里斯窗频谱校正的智能计量系统及方法，实现高准确度谐波计量、多次谐波参数统计与分析及分时段、多功能的技术方案。
本发明采用的技术方案是：
本发明的基于布莱克曼-哈里斯窗频谱校正的智能计量系统，包括依次连接的电网电压电流互感器、电阻分压网络和CT电阻取样网络、信号调理专用计量芯片、DSP数据处理器、数据管理专用芯片MCU及其外围电路实时时钟、FRAM与FLASH存储器、通信接口、图形点阵液晶。
上述技术方案中，专用计量芯片和DSP处理器采用专用SPORT口相连，DSP处理器和MCU 芯片采用异步串行总线UART口相连，MCU芯片外部同时连接并控制实时时钟、FRAM与FLASH存储器、通信接口电路、图形点阵液晶。
上述技术方案中，所述的专用计量芯片为6通道同步采样专用计量芯片，型号为TDK6513H。
上述技术方案中，所述的DSP数据处理器芯片型号为TMS320VC5502。
上述技术方案中，所述的数据管理专用芯片MCU型号为M30624FGPFP。
本发明的基于布莱克曼-哈里斯窗频谱校正的智能计量方法为：
(1)信号调理，将电网系统中额定值为220V或1.5A的电压电流模拟信号，通过电阻分压网络和CT电阻取样网络，变成≤250mV的交流小信号送入具有原始ADC转换数据输出的6通道同步采样专用计量芯片；
(2)数据处理，采样数据通过计量芯片专用接口送入DSP数据处理部分，ADC转换数字量经过数字低通滤波、直流偏置校正、比差和角差校正后，采用Blackman-harris窗对信号进行加窗FFT处理，运用双谱线插值和多项式拟合技术检测被测信号中的基波和各谐波量。
(3)数据管理，包括MCU芯片、实时时钟、FRAM与FLASH存储器、通信接口电路、图形点阵液晶，由MCU为核心管理基波、各谐波量及实现分时段、多功能，采用图形化点阵液晶显示谐波柱状分析图。
工作原理：
基于Blackman-harris窗频谱校正的智能计量系统中专用计量芯片和DSP处理器采用专用SPORT口相连，DSP处理器和MCU芯片采用异步串行总线UART口相连，MCU芯片外部同时连接实时时钟、FRAM与FLASH存储器、通信接口电路、图形点阵液晶，由MCU芯片控制完成工作。
基于Blackman-harris窗频谱校正的智能计量系统选用的Blackman-harris窗对弱信号提取或复杂信号分析具有优良的性能，在非同步采样情况下，不加窗的FFT运算将存在严重的频谱泄露和栅栏效应，检测精度低，加Blackman-harris窗双谱线插值FFT算法的频谱泄露和栅栏效应能显著降低，能有效提高基波与谐波检测精度，且计算量很低、设计实现方便。
基于Blackman-harris窗频谱校正的智能计量系统，采用的双谱线插值FFT算法是指在非同步采样情况下，离散谱线与真实频率谱线存在偏差，通过寻找真实频率点附近的两根峰值谱线，采用多项式拟合的方法，求出实用的插值计算式，由此求取真实谱线处的频率值、幅值和初相位。
本发明的有益效果是，集合高性能专用计量芯片的高精度实现和高速DSP的数据处理功能，基于Blackman-harris窗频谱校正的优化算法，实现智能电表的更高次的谐波分析和更高准确度的电能计量。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是信号调理部分电路图；
图3为本发明的基于Blackman-harris窗频谱校正方法示意图。
具体实施方式
本发明的原理框图如图1，包括专用计量芯片、DSP处理器、单片机及各外围电路。专用计量芯片选用具有ADC原始数据输出通道同步采样的TDK6513H，DSP处理器选用TMS320VC5502、单片机选用M30624FGPFP，谐波检测最高次数为21次。
本发明的信号调理部分电路图见图2，三相电网电压、电流模拟信号分别经过电阻分压网络和CT电阻取样网络进行信号调理，得到≤250mV的交流小信号。后级接入参数相同的RC低通滤波器（截至频率1591Hz，满足21次谐波采样），保持采样前后电压、电流间的相位差一致。CT后端接入开关二极管1SS123限幅，防止电流互感器CT一次侧电流过大损坏器件。
将取样后的电压电流信号和温度信号以及电压监视输入信号经多路复用器MUX顺序输入到TDK6513H的ADC采样输入端。TDK6513H自带高精度带隙+1.195V参考电压VREF，其温度系数<10ppm/℃，保证采样电路有较高的精度和热稳定性。
采样数据A/D转换（模数转换）后通过TDK6513H的专用SPORT接口送至TMS320VC5502数据处理单元，经过数字低通滤波、直流偏置校正、比差和角差校正后，由TMS320VC5502完成构建离散Blackman-harris窗，进行加窗双谱线插值FFT处理，得到各次谐波参数。
Claims (6)
1.一种基于布莱克曼-哈里斯窗频谱校正的智能计量系统，其特征在于：包括依次连接的电网电压电流互感器、电阻分压网络和CT电阻取样网络、信号调理专用计量芯片、DSP数据处理器、数据管理专用芯片MCU及其外围电路实时时钟、FRAM与FLASH存储器、通信接口、图形点阵液晶。
2.根据权利要求1所述的基于布莱克曼-哈里斯窗频谱校正的智能计量系统，其特征在于：专用计量芯片和DSP处理器采用专用SPORT口相连，DSP处理器和MCU 芯片采用异步串行总线UART口相连，MCU芯片外部同时连接并控制实时时钟、FRAM与FLASH存储器、通信接口电路、图形点阵液晶。
3.根据权利要求1所述的基于布莱克曼-哈里斯窗频谱校正的智能计量系统，其特征在于：信号调理专用计量芯片为6通道同步采样专用计量芯片，型号为TDK6513H。
4.根据权利要求1所述的基于布莱克曼-哈里斯窗频谱校正的智能计量系统，其特征在于：所述的DSP数据处理器芯片型号为TMS320VC5502。
5.根据权利要求1所述的基于布莱克曼-哈里斯窗频谱校正的智能计量系统，其特征在于:所述的数据管理专用芯片MCU型号为M30624FGPFP。
6.一种基于布莱克曼-哈里斯窗频谱校正的智能计量方法，其特征在于：
(1)信号调理，将电网系统中额定值为220V或1.5A的电压电流模拟信号，通过电阻分压网络和CT电阻取样网络，变成≤250mV的交流小信号送入具有原始ADC转换数据输出的6通道同步采样专用计量芯片；
(2)数据处理，采样数据通过计量芯片专用接口送入DSP数据处理部分，ADC转换数字量经过数字低通滤波、直流偏置校正、比差和角差校正后，采用Blackman-harris窗对信号进行加窗FFT处理，运用双谱线插值和多项式拟合技术检测被测信号中的基波和各谐波量；
(3)数据管理，包括MCU芯片、实时时钟、FRAM与FLASH存储器、通信接口电路、图形点阵液晶，由MCU为核心管理基波、各谐波量及实现分时段、多功能，采用图形化点阵液晶显示谐波柱状分析图。
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