三相多功能谐波电能表设计

第35卷第9期 2008年9月 湖南大学学报(自然科学版) JoulmalofHunanUniversity(NaturalSciences) Vd．35．No．9 S印．2008 文章编号：1674．2974(2008)09．0053—05 三相多功能谐波电能表’ 高云鹏1，滕召胜”，刘 鹏1，王一1，周良璋2 (1．湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2．杭州海兴电器有限公司，浙江杭州310011) 摘要：针对电力行业谐波电能计量的迫切需求，提出了AD73360L+ADSP-BF533+ M30624FGPFP的三相多功能谐波电能表构成，简述了电能表的工作原理，详细介绍了 6路同步采样√虹)C的数据采集电路和以ADSPF533为核心的数据处理电路设计，论述了 为改善F丌频谱泄漏、旁瓣效应采用的基于Hanning窗双峰插值FFT的谐波电能计量方 法。探讨了谐波电能计量的比差、角差校正方法．据此研制的三相多功能谐波电能表的基波 有功测量误差≤0．2％，基波无功测量误差≤1％，2～21次谐波电压测量误差≤2％，谐波电 流测量误差≤5％，谐波相位测量误差≤5。，满足GB／T14549_93的A类谐波测量仪器 要求． 关键词：谐波电能表；Hanning窗；F兀；比差；角差 中图分类号：TM933．4 文献标识码：A DesignofThree．．PhaseMulti．．FunctionalHarmonicEnergyMeter GAOYun—pen91，TENGZhao-sheng”，LIUPen91-WANGYil，ZHOULiang-zhangz (1．CollegeofElectricalandIrfformationEngineering，HunanUniv，Changsha。Hunan410082。China； 2．HangzhouHexingElectricalCo。LTD。Hangzhou，Zhejiang310011，China) Abstract：Tomeettheurgentdemandofelectricpowerindustryforharmonicenergymeasurement，athree— phasemulti—functionalharmonicenergymeterstructurecomposedofAD73360L+ADSP—BF533+M3— 0624FGPFPwaspresented．TheoperatingprincipleoftheelectricenergymeterWasdescribed．Thedataacqui- sitioncircuitofsix—channelsynchronous-samplingA／Dconverterandthedataprocessingcircuitwiththecoreof ADSP-BF533wereintroducedindetail．HarmonicenergymeasurementalgorithmbasedonHarmingwindow double—spectrum-lineinterpolationR叮(FastFourierTransform)forimprovingspectralleakageandfenceeffect ofH丌WaSdiscussed．Thecorrectionmethodofratioerrorandphaseerrorofharmonicenergymeasurement WaSalsodiscussed．Thethree-phasemulti-functionalharmonicenergymeterbasedonthealgorithmproposedhas itserroroffundamentalactivepowermeasurementlowerthan0．2％。erroroffundamentalreactivepowermea— surementlowerthan1％．amplitudeerrorofharmonicelectricvoltagelowerthan2％，amplitudeerrorofhar— monicelectriccurrentlowerthan5％．andphaseangleerrorbetweenharmonicvoltageandelectriccurrentlower than5。．TheabovedataresultsmeettheaccuracyrequirementoftheAclassharmonicmeasurementinstruments accordingtoGB／T14549—母3． Keywords：harmonicenergymeter；Hanningwindow；FFT：ratioerror；phaseerror 随着电力电子技术的飞速发展，高电压、大容量 的非线性设备得到广泛应用，非线性负荷产生了大 ·收稿日期：2008-03—31 基金项目：圆家自然科学基金资助项目(60272051)；国家技术创新基金资助项目(04(326224300188) 作者简介：商云鹏(1978～)，男，辽宁营口人，湖南大学博上研究生 十通讯联系人，E-marl：tengzs@126．coin 万方数据 湖南大学学报(自然科学版) 量的谐波电流，使得电力系统谐波污染日益 严重‘卜2|． 采用现有感应式和电子式电能表在当前电网状 况下计量电能，非谐波源用户不仅吸收谐波源用户 产生的无用甚至有害的谐波电能，还得为该电能付 费；相反，谐波源用户将部分基波电能转换为谐波电 能，污染电网且不用付费．可见，采用现有电能表测 得的电能计量数据作为发电、输配电、电力用户之间 进行贸易结算的依据，由于电力谐波的存在无法准 确计量、公正收费，严重损害了供电系统和非谐波源 用户的利益【3J．因此，电力行业急需可准确进行谐波 电能计量与分析，满足当前电网状况的高精度、复费 率、多功能谐波电能计量产品． 针对当前国内外市场需求，本文提出一种基于 AD73360L+ADSP—BF533+M30624FGPFP的三相 多功能谐波电能表构成方案，简述了电能表的工作 原理，详细介绍了6路同步采样ADC的数据采集、以脚书F533为核心的数据处理电路设计，论述 了为改善FFT频谱泄漏、旁瓣效应采用的基于 Hanning窗双峰插值FFT谐波电能计量方法，探讨 了谐波电能计量的比差、角差校正方法． 1谐波电能表的构成 三相多功能谐波电能表结构框图如图1所示． 仪器采用ADC+DSP+MCU结构形式，其中，ADC 选用ADI公司16位高速、低功耗、6通道同步采样 芯片AD73360L，各通道可提供76dB信噪比到直 流4Hz信号带宽，具有较强的抗干扰能力Ho；DSP 选用ADI公司具有丰富通信接口、高运算速度数字 信号处理芯片ADSP_BF533；管理MCU选用RE． NESAS公司的低功耗、高性能、多资源单片机 M30624F(、PFP． 图1谐波电能计量系统结构框图 Fig．1Syst锄structureblockofharmomc energymeasurement 2008焦 如图1所示，电网电压、电流分别经过电阻分压 网络、电流互感器(TA)与电阻取样网络进行信号调 理，再经6通道同步ADC转换器AD73360L完成三 相电压、电流信号实时同步采样．采样数据通过 SPORT接口送至ADSP-BF533数据处理单元，通 过基于Hanning窗+双峰插值F王可算法对电流、电 压波形数据进行频谱分析，分离出基波分量及2～ 21次谐波分量，凭借其高速处理能力完成电参量测 量、谐波分析、谐波电能计量等任务．处理结果通过 异步串口发送至MCU管理单元，由M30624F(净FP 配合各外围模块实现显示、数据统计、存储、通信以 及功能选择等工作． 合适的采样点数是谐波电能计量结果准确性的 重要保证．三相多功能谐波电能表要求能准确计量 基波和2～21次谐波各次电能，要求采样频率．厂s≥ 2^一=2X21X50Hz=2100Hz．FFr算法通常取 采样点数为2N，根据—6唧3360L的转换速度以及 ADSP--BF533的数据处理速度，设计取N=9，即采 样点数为29=512．AD73360L最快的转换频率为 64kI--Iz，完成一次～D转换的时间为15．6脑．ADSP -BF533在主频300MHz时可实现每秒6亿次乘 加，完全满足对ACr73360L的各种控制、数据转换读 取和保存等各项操作指令对时间的要求． 1．1数据采集单元 数据采集单元由模拟信号调理电路和～D转 换器件构成，主要完成三相电压、电流信号的同步采 样和～D转换．数据采集电路如图2所示 ．·■舅孙■静⋯'*h q∞二L一怒跨。．b-：№_l#·《l*J 吣lU 他占二‘。l l二．。l I。， q坠jL 一PF．J一⋯淋能 、矗L盈．"∞m僻UVt“V乏．丑． ●， 墅^～MH 。． 1露)：骘 ．．．．．1嘲∞—工 ¨ 薯—五1r ．．丛． I‘ ■^一 W■口-11‘ ■^一贬峨 甲m w赫H'Im戈㈣ ．．．▲==：=二甚压啦率习一竺婴卜 -^m口mUU‘曼爿一 图2 数据采集电路原理图 Fig．2Schematicofdataacquisitioncircuit 电压、电流模拟信号的调理分别由电阻分压网 络和TA电阻取样网络来实现，得到适中的调理信 号，根据～D输入要求，调整信号应<飞800mV．为有 效抑制高频电磁干扰信号对数据采样的影响，电压、 电流调理通道的后级接入参数相同的RC低通滤波 万方数据 第9期 高云鹏等：三相多功能谐波电能表设计 55 器(截止频率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．同时为防止因 TA一次侧电流过大而造成器件损坏，TA后端接人 开关二极管1SSl23限幅． 为保证采样电路有较高的精度和热稳定性，选 用高精度和高热稳定性的基准电源ADRl27为 AD73360L提供+1．247V的外部参考电压VR球． 舢)73360L有编程、数据和混合3种工作模式． 编程模式下只接收控制字，输出无效的转换数据；数 据模式下，输入的控制字被忽略，输出有效的转换数 据；混合模式下，允许在数据转换过程中接收控制 字．AD73360L串行接口(SPORT)能够轻松连接到 工业ADSP设备上，串121的连接速率可以由 ADsP接口编程设定． 1．2数据处理单元 √虹)SP书F533为16位定点DsP，借助移位能较 快地处理浮点数据，最高1200MMAC的处理速度 完全满足谐波电能计量要求．离散化后的三相电网 电压、电流值，通过数字滤波、FFT运算、谐波信号 提取，完成谐波电能计量、数字化电参数测量等任 务．数据处理电路原理如图3所示． 图3数据处理电路原理图 Fig．3Schematicofdataprocessingcircuit B硝33处理器用于高速数字信号处理，将完成 所有的电能计量工作．考虑到代码安全，将数据处理 各程序放置在片外AT45DB041B中，上电复位后， ADsP书F533将固化在片外Flash存储器 AT45DB041B中的程序引导到内部高速洲存储 区．同时，为实现与谐波电能管理部分(5．0V系统) 数据交换，采用MAX3373E电平转换芯片与管理单 元MCU异步接口相连． 选用高精度复位芯片心708S，保证ADSP— BF533上电和掉电过程的工作电压．当系统电压低 于2．93V时，司贾础产生200ms脉宽的复位信 号，同时在系统工作异常时，管理MCU通过MR置 低来控制ADSP-BF533完成复位操作． 2谐波电能计量 2．1基于Harming窗双峰插值FFr的谐波分析 采用传统H叮方法进行谐波分析时会产生频 谱泄漏和栅栏效应，影响谐波分析准确性．采用加窗 和插值修正算法可以明显提高基于F盯的谐波参 数计算结果的准确性，消除频谱泄漏和栅栏效应引 起的误差b。8]．为此，本文设计采用了基于Hanning 窗+双峰插值的FFT谐波分析算法． 具有良好旁瓣性能的Hanning窗是一种余弦 窗，其离散时间的定义式为 叫(，z)=口一(1一n)cos(备)．(1) 式中：a为系数，取O．5；，z=0，1，⋯，N一1(N为采 样点数)． 根据FFT理论，Hanning窗的频谱函数为 硼(叫)=0．5D(∞)一0．25[D(∞·1)+D(ccJ+1)]． (2) 式中： D(cc，)=e一皑蔫揣．。 (3) 设包含多次谐波的时域信号为 H z(t)=∑A^d但岷H纠． (4) i=j 式中：H为所含谐波的总次数；h为谐波次数；fo为 基波频率；A。，巩分别为h次谐波的幅值和初相角． 信号z(t)经过采样率为^的数据采集系统 后，得到离散序列 H z(t)=∑A^ei‘2啦“，o+¨． (5) h=l 信号z(咒)经过Planning窗W(咒)截短为N点 序列，进行H叮得到离散频谱 X(kAf)：万Aoe,e。w[型等型]．(6) 式中：离散抽样间隔为Af=^／N． 对信号非同步采样时，峰值频率g。=koAf不 处于离散谱线频点上．设峰值点k。附近幅值最大和 次最大的谱线分别为k。和k2，显然忌。≤k。≤ k：(=k。+1)，该两谱线的幅值分别为Yl= x(klAf)J和Y2=Ix(k2Ⅳ)I，设 万方数据 湖南大学学报(自然科学版) 2008定 p2多}{专}，口2愚。一愚·一o．5． 可知口取值范围为[一0．5，0．5]，fl拭(6)得 p= w(矾一铲5’)w(瓤一口N一0·5)) w(h‘一铲5’)+ w(h(一口N一0·5)) 肛餐一=厩写≯2旷(yl+厣Y2)翮’(9)w(掣)阳w(掣)ru7 A=掣(口)=虹≯(2．35619403+ 3 谐波电能计量的误差与校正 电压信号、电流信号分别采用电阻分压电路、仪 用TA与电阻取样电路采集与调理，再经同步～D 转换实现同相电压、电流采样．计量结果准确性除了 同电压、电流信号采集通道的比例误差有关外，还与 通道间相位误差有关．据此，确立谐波电能计量比 差、角差模型与修正方法． 3．1 比差校正 由于电阻分压网络、TA与取样电阻网络的实 际值与标称值存在偏差，因此，需要对系统进行比差 补偿． 比差的补偿方法比较简单，在特定输入条件下， 将测量值与实际输入值进行比较，即可得到校正系 数gain． 以电压信号为例， ． ． U galn 2 galno矿‘ (16) 式中：U为标准值；U7为测量值；gaino为原始校正 系数，默认为1．求出校正系数gain后，对每次测量 结果乘以校正系数加以修正即可． 3．2 基波角差校正 由于电压和电流信号采集选用参数相同的RC低 通滤波器，因此忽略通道间参数引起的误差，重点分 析由TA引起的角差．TA的角差不会对电流、电压有 效值和视在功率的计量产生影响，但其通过改变电压 电流间的相角影响有功、无功功率的计量结果． 电网电压、电流信号经过比差校正后频谱分析 得出基波电压、电流的有效值分别为【，j和Jj．标准 源示值分别为【，。和，，，相位差为臼，，基波角差为 9，，则基波有功功率标准值P。与测量结果Pj分 别为 Pl=U1JlCOS0l， (17) Pl=U1J『lCOS(0I+妒1)=U1J100s(0l+9)． (18) 由式(17)和式(18)，可得基波有功误差err：掣×100％： f1 堕盟生事型×100％．(19／o)n 7、 ‘ ， CUbL，I 角差校正的输入条件选取功率因数为1．0与 0．5L两点．在功率因数1．0时完成比差校正，0．5L 时用0t=n／3代入式(19)，有 9l=oOS。1(P1／2P1)一7c／3= 00s‘1[0．5(1+elT0．5L)]一7c／3．(20) 式中·．erl-05。为基波有功功率因数为0．5L时的误差 率，该值可由校表台获得． 万方数据 第9期 高云鹏等：三相多功能谐波电能表设计 57 3．3 谐波角差校正 角差可等效以电压采集通道角度偏移为基准， 引起电流采集通道的附加时延△￡，将该值代入电流 模式如式(4)，有 H z(t)=∑A^QEz“h：o“他’+％1= h=l H ∑Ahej心蛳升2％甜纠． (21) h=1 对于h次谐波，由角差造成角度滞后2nhfoAt， 而基波(^=1)时角度滞后27rfoAt，即各次谐波角 差与基波角差成倍数比例关系．由此，可得谐波电能 计量的角差关系式 ％=h91． (22) 式中：仇是h次谐波的角差． 因此，进行角差校正时，先在标准源条件下求出 基波角差，再由式(22)修正谐波角差． 4检验结果 基于本文研究方法设计的三相多功能谐波电能 表研制成功后，在湖南省电力公司计量中心进行了 大量的试验与测试检验． 由于谐波次数越高，系统误差越大，因此，实验 选择基波功率叠加15次谐波功率为例．其中基波电 压为220V，基波电流为1．5A，15次谐波电压幅度 为基波电压10％，15次谐波电流幅度为基波电流 1096，谐波电压、电流的初相角分别为20。和10。，标 准源采用JCD4060三相精密谐波源．表1，表2和表 3分别给出了比差、角差校正后的基波功率误差数 据、15次谐波幅值与相位测量结果． 表1基波功率误差 Tab．1Errorsoffundamentalpower 检表点 5％lb10％Ib50％lb lb ，，一 差0．5L0．83 O．72 O．64 0．39 0．65 0．8C 0．81 0．79 0．64 0．41 0．69 表2 15次谐波幅值测量数据墅堕鱼M～easurementresultsof15thharmonicamplitude 标准值／v 10．02lO．0810．11 9．15 10．07 9．96 实测值／V 9．97 9．99 10．00 8．74 9．59 9．51 迟羞丛=Q：§Q=Q：墨2=!：Q2=!：塑=垒：Z!=生：§! 表3 15次谐波相位测量数据 么UA—IA 么U0一IB 么uf—Ic 由上表可见谐波电压测量误差≤2％，谐波电流 测量误差≤5％，谐波相位测量误差≤5。，满足G吲T 14549--93的A类谐波测量仪器标准． 5结束语 本文设计的三相多功能谐波电能表规格为电压 3X220V／380V，电流1．5(6)A．经湖南省电力公司 计量中心检验表明，仪器的测量准确度达到基波有 功测量误差≤0．2％，基波无功测量误差≤1％，2～ 21次谐波电压测量误差≤2％，谐波电流测量误差 ≤5％，谐波相位测量误差≤5。，满足GB／T14549— 93的A类谐波测量仪器要求． 参考文献 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