專利名稱：基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電力系統領域，涉及一種電能表，具體涉及一種基于Kaiser 窗雙譜線插值FFT的諧波電能表。
背景技術：
隨著電力電子技術的發展，非線性設備在電力系統中得到廣泛應用，非線 性設備帶來的諧波問題對電力系統安全、穩定、經濟運行構成的威脅日趨嚴重。 基波與諧波的精確測量可為電網電能計量、諧波潮流計算、設備入網檢測、電 力系統諧波補償與抑制等提供科學依據。
基波與諧波分量檢測技術一般有(1)基于頻域分析的FFT方法，其特點 是電網頻率波動時，檢測精度較低；(2)濾波器檢測諧波方法，其特點是難以 獲得理想頻率特性；(3)基于瞬時無功功率理論的方法，其特點是計算量大， 處理復雜；(4)基于神經網絡理論和小波變換的方法，其特點是計算量大，難 以在嵌入式系統中實現。
基于FFT的基波、諧波分析算法，易于在DSP (數字信號處理器)上實現， 是當今應用最廣泛的一種諧波分析方法。在電力系統中，電網電壓、電流畸變 導致基波頻率變化，由于非同步采樣造成FFT算法存在頻譜泄露和柵欄效應等 問題，使得基波與諧波檢測的精度受到影響。減少FFT算法的頻譜泄露和柵欄 效應影響、提高電測量中基波和各諧波檢測精度是電測量信號分析和電能質量 管理中的難題。
已有專利文件"測量工廠諧波的方法和測量儀"(200310105446.2)，"計量 工廠諧波的方法和計量儀"(200310105446.2),"電力系統諧波定量計量方法和計量儀"(98110414.2)等。其發明的目的是精確定量地測量電力系統中諧波電 壓、電流的動態特性。已有技術的不足之處是己有技術提供了一些基波與諧 波測量的電氣設備設計方法，但由于諧波具有多樣性、隨機性和多態性等特征， 基波頻率波動造成的頻譜泄露和柵欄效應依然存在，因此實時、高精度的基波 與諧波測量分析難以實現。 發明內容
為克服已有技術的不足，本實用新型的目的在于提供基于Kaiser窗雙譜線 插值FFT的諧波電能表，提供能實現高準確度諧波計量、多次諧波參數統計與 分析的發明方案。
本實用新型的技術方案是
1系統構成
該基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表，主要由三部分組成
(1) 信號調理部分，將系統中額定值為110V或1.5A的電壓電流模擬信號， 通過電阻分壓網絡和CT電阻取樣網絡，變成《800mV的交流小信號送入6通 道同步采樣ADC。
(2) 數據處理部分，采樣數據通過專用接口送入DSP數據處理部分，ADC轉 換數字量經過數字低通濾波、直流偏置校正、比差和角差校正后，采用可自由 選擇主瓣與旁瓣衰減之間的比重、旁瓣電平低、衰減速度快的Kaiser窗對信號 進行加窗FFT處理，運用雙譜線插值和多項式擬合技術檢測被測信號中的基波 和各諧波量。
(3) 數據管理部分，包括MCU芯片、實時時鐘、FRAM與FLASH存儲器、 通信接口電路、圖形點陣液晶，由MCU為核心管理基波和各諧波量，采用圖形 化點陣液晶顯示諧波柱狀分析圖。2工作原理
基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表中ADC轉換器和DSP處理器 采用專用SPORT 口相連，DSP處理器和MCU芯片采用異步串行總線UART 口 相連，MCU芯片外部同時連接實時時鐘、FRAM與FLASH存儲器、通信接口 電路、圖形點陣液晶，由MCU芯片控制完成工作。
基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表選用的Kaiser窗是可自由選擇 主瓣與旁瓣衰減之間的比重的一類最優化窗函數，在非同步采樣情況下，不加 窗的FFT運算將存在嚴重的頻譜泄露和柵欄效應，檢測精度低，加Kaiser窗雙 譜線插值FFT算法的頻譜泄露和柵欄效應能顯著降低，能有效提高基波與諧波 檢測精度，且設計實現靈活。
基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的哮波電能表，采用的雙譜線插值FFT算法 是指在非同步采樣情況下，離散譜線與真實頻率譜線存在偏差，通過尋找真實 頻率點附近的兩根峰值譜線，采用多項式擬合的方法，求出實用的插值計算式， 由此求取真實譜線處的頻率值、幅值和初相位。
本實用新型的有益效果是，不受專用計量芯片性能和功能的限制，可基于 自身開發的優良算法，實現更高次的諧波分析和更高準確度的電能計量。
圖1是本實用新型的原理框圖2是信號調理部分電路圖3為數據處理部分電路圖； 圖4為數據管理部分電路圖5為本實用新型的基于Kaiser窗雙譜線插值FFT方法示意圖； 圖6為本實用新型的基于Kaiser窗雙譜線插值FFT處理基本流程圖；具體實施方式實施例-本實用新型的原理框圖如圖1，各部分如圖2、圖3、圖4所示，包括6通 道同步ADC轉換器、DSP處理器、單片機及各外圍電路。ADC選用16位高速 6通道同步采樣芯片AD73360L， DSP處理器選用ADSP-BF533、單片機選用 M30624FGPFP，諧波檢測最高次數為21次。
三相電網電壓、電流模擬信號分別經過電阻分壓網絡和CT電阻取樣網絡進 行信號調理，得到S800mV的交流小信號。后級接入參數相同的RC低通濾波器 (截至頻率1591Hz，滿足21次諧波采樣)，保持采樣前后電壓、電流間的相位 差一致。CT后端接入開關二極管1SS123限幅，防止電流互感器CT 一次側電 流過大損壞器件。選用高精度和高熱穩定性的基準電源ADR127為AD73360L 提供+ 1.247V的外部參考電壓Kref，保證采樣電路有較高的精度和熱穩定性。
采樣數據A/D轉換(模數轉換)后通過SPORT接口送至ADSP-BF533數據處 理單元，經過數字低通濾波、直流偏置校正、比差和角差校正后，由ADSP-BF533 完成構建離散Kaiser窗，進行加窗雙譜線插值FFT處理，得到各次諧波參數。
本實施例中離散Kaiser窗的表達式如下
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中，IoW)是第1類變形零階貝塞爾函數，y9是窗函數的形狀參數，為任意正數 值；W為FFT運算的數據長度，也是窗函數的長度(w-l,2,…7V-l)。
'本實施例中雙譜線插值算法的示意圖如圖5所示，^和^分別表示真實頻 率點附近的兩根譜線，以基頻厶-50Hz為例，則A^和^將位于40 60Hz頻率
范圍內，找出該范圍內的兩根峰值譜線，則真實頻率點位于兩根譜線之間。兩 條譜線的幅值分別為；/尸^r(MA/)l和少HZw^24/)1，設義=(y2-^)/(y2+y!)、 " = &(2)
(3)
一 A:n—0.5，，可知a取值范圍為[-0.5， 0.5]。 Kaiser窗的頻譜幅度函數為
<formula>formula see original document page 7</formula> 如)<formula>formula see original document page 7</formula>可得
進行多項式擬合逼近，得到基于Kaiser窗的計算公式為 <formula>formula see original document page 7</formula>頻率計算公式為
<formula>formula see original document page 7</formula>
幅值計算公式為
<formula>formula see original document page 7</formula>
相位計算公式為
<formula>formula see original document page 7</formula>
通過基于Kaiser窗雙譜線插值處理頻譜分析，分離出基波分量及2 21次 諧波分量，憑借ADSP-BF533實時高速性完成電參量測量、諧波分析、諧波電 能計量等任務。處理結果通過異步串口發送至MCU管理單元，由M30624FGPFP 配合各外圍模塊實現諧波電能數值和柱狀圖顯示，以及數據統計、存儲、通信 等工作。
權利要求1、一種基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表，其特征在于，它由三部分組成(1)信號調理部分，將系統中額定值為110V和1.5A的電壓電流模擬信號，通過電阻分壓網絡和CT電阻取樣網絡，變成≤800mV的交流小信號送入6通道同步采樣ADC；(2)數據處理部分，采樣數據通過專用接口SPORT口送入DSP數據處理部分；(3)數據管理部分，包括MCU芯片、實時時鐘、FRAM與FLASH存儲器、通信接口電路、圖形點陣液晶，由MCU為核心管理基波和各諧波量，采用圖形化點陣液晶顯示諧波柱狀分析圖。
2、 根據權利要求1所述的基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表，其特征 在于ADC轉換器和DSP處理器采用專用SPORT 口相連，DSP處理器和MCU 芯片采用異步串行總線UART 口相連,MCU芯片外部同時連接實時時鐘、FRAM 與FLASH存儲器、通信接口電路、圖形點陣液晶:，由MCU芯片控制完成工作。
3、 根據權利要求1所述的基于Kaiser窗雙譜線i值FFT的諧波電能表，其特征 在于，所述的6通道同步采樣的芯片型號為AD73360L。
4、 根據權利要求1所述的基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表，其特征 在于，所述的DSP芯片型號為ADSP-BF531/2/3或TMS320VC5501/2。
5、 根據權利要求1所述的基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表，其特征 在于，所述的MCU芯片型號為M30624FGPFP。
專利摘要本實用新型涉及一種基于Kaiser窗雙譜線插值FFT(快速傅立葉變換)的諧波電能表，屬于電力系統領域。它主要由三部分構成(1)信號調理部分，將系統中電壓電流模擬信號通過電阻分壓網絡和CT電阻取樣網絡，變成mV級交流小信號送入6通道同步采樣ADC；(2)數據處理部分，ADC轉換數字量經數字低通濾波、直流偏置校正、比差角差校正后，采用可自由選擇主瓣與旁瓣衰減之間的比重、旁瓣電平低、衰減速度快的Kaiser窗對信號進行加窗FFT處理，運用雙譜線插值技術檢測被測信號中的基波和各諧波量；(3)數據管理部分，包括MCU芯片、實時時鐘、FRAM與FLASH存儲器、通信接口電路、圖形點陣液晶，由MCU為核心管理基波和各諧波量，采用圖形化點陣液晶顯示諧波柱狀分析圖。
文檔編號G01R23/16GK201352236SQ200820159518
公開日2009年11月25日 申請日期2008年12月2日 優先權日2008年12月2日
發明者周良璋, 張紅瑛, 博 曾, 李聰聰, 楊步明, 毛群輝, 和 溫, 滕召勝, 一 王, 王璟珣, 賀靜丹, 高云鵬, 魏雙雙 申請人:湖南海興電器有限責任公司