基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的智能計量系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的智能計量系統及方法，由三部分構成：(1)信號調理部分，將電網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，送入6通道同步專用計量芯片；(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Blackman-harris窗對信號進行加窗FFT處理；(3)數據管理部分，包括MCU芯片及外圍電路，由MCU為核心管理基波、各諧波量及實現分時段、多功能，采用圖形化點陣液晶顯示諧波柱狀分析圖。本發明能實現智能電表的更高次諧波分析和更高準確度的電能計量。
【專利說明】基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的智能計量系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電力計量【技術領域】,具體涉及一種基于Blackman-harris,窗頻譜校正的智能計量系統及方法，即一種基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的智能計量系統及方法。
【背景技術】
[0002]隨著中國社會用電量迅速增長，國家電網公司提出“建設堅強的智能化電網”的目標，國家電網相繼推出Q / GDff 356-2009《三相智能電能表型式規范》、Q / GDff 357-2009《0.2S級三相智能電能表技術規范》等相關標準，對智能電表提出更高的技術要求，從傳統普通功能型向高精度、分時段、多功能等高科技含量和高附加值的方向發展。同時，非線性設備在電力系統中得到廣泛應用，由此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，智能電表中的基波電能計量、諧波電能計量越來越被用戶重視。
[0003]基波、諧波的檢測技術一般有:(I)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。
[0004]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。
[0005]涉及諧波計量的已有專利文件包括“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:已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，且當面對弱信號提取或復雜信號進行分析時存在較大誤差，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】
[0006]為克服已有技術的不足,本發明提供一種基于Blackman-harris窗頻譜校正的智能計量系統及方法，即一種基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的智能計量系統及方法，實現高準確度諧波計量、多次諧波參數統計與分析及分時段、多功能的技術方案。
[0007]本發明采用的技術方案是:
本發明的基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的智能計量系統，包括依次連接的電網電壓電流互感器、電阻分壓網絡和CT電阻取樣網絡、信號調理專用計量芯片、DSP數據處理器、數據管理專用芯片MCU及其外圍電路實時時鐘、FRAM與FLASH存儲器、通信接口、圖形點陣液晶。
[0008]上述技術方案中，專用計量芯片和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，M⑶芯片外部同時連接并控制實時時鐘、FRAM與FLASH存儲器、通信接口電路、圖形點陣液晶。
[0009]上述技術方案中，所述的專用計量芯片為6通道同步采樣專用計量芯片，型號為TDK6513H。
[0010]上述技術方案中，所述的DSP數據處理器芯片型號為TMS320VC5502。
[0011]上述技術方案中，所述的數據管理專用芯片MCU型號為M30624FGPFP。
[0012]本發明的基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的智能計量方法為:
(1)信號調理，將電網系統中額定值為220V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≤250mV的交流小信號送入具有原始ADC轉換數據輸出的6通道同步采樣專用計量芯片；
(2)數據處理，采樣數據通過計量芯片專用接口送入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Blackman-harris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。
[0013](3)數據管理，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、各諧波量及實現分時段、多功能，采用圖形化點陣液晶顯示諧波柱狀分析圖。
[0014]工作原理:
基于Blackman-harris窗頻譜校正的智能計量系統中專用計量芯片和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。
[0015]基于Blackman-harris窗頻譜校正的智能計量系統選用的Blackman-harris窗對弱信號提取或復雜信號分析具有優良的性能，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Blackman-harris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，且計算量很低、設計實現方便。
[0016]基于Blackman-harris窗頻譜校正的智能計量系統,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。
[0017]本發明的有益效果是，集合高性能專用計量芯片的高精度實現和高速DSP的數據處理功能，基于Blackman-harris窗頻譜校正的優化算法,實現智能電表的更高次的諧波分析和更高準確度的電能計量。
【專利附圖】
【附圖說明】[0018]圖1是本發明的原理框圖；
圖2是信號調理部分電路圖；
圖3為本發明的基于Blackman-harris窗頻譜校正方法示意圖。
【具體實施方式】
[0019]本發明的原理框圖如圖1，包括專用計量芯片、DSP處理器、單片機及各外圍電路。專用計量芯片選用具有ADC原始數據輸出通道同步采樣的TDK6513H，DSP處理器選用TMS320VC5502、單片機選用M30624FGPFP，諧波檢測最高次數為21次。
[0020]本發明的信號調理部分電路圖見圖2，三相電網電壓、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< 250mV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。
[0021]將取樣后的電壓電流信號和溫度信號以及電壓監視輸入信號經多路復用器MUX順序輸入到TDK6513H的ADC采樣輸入端。TDK6513H自帶高精度帶隙+1.195V參考電壓VKEF，其溫度系數<10ppm/°C，保證采樣電路有較高的精度和熱穩定性。
[0022]采樣數據A/D轉換(模數轉換)后通過TDK6513H的專用SPORT接口送至TMS320VC5502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TMS320VC5502完成構建離散 Blackman-harris窗，進行加窗雙譜線插值FFT處理，得到各次諧波參數。
【權利要求】
1.一種基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的智能計量系統，其特征在于:包括依次連接的電網電壓電流互感器、電阻分壓網絡和CT電阻取樣網絡、信號調理專用計量芯片、DSP數據處理器、數據管理專用芯片MCU及其外圍電路實時時鐘、FRAM與FLASH存儲器、通信接口、圖形點陣液晶。
2.根據權利要求1所述的基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的智能計量系統，其特征在于:專用計量芯片和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芯片外部同時連接并控制實時時鐘、FRAM與FLASH存儲器、通信接口電路、圖形點陣液晶。
3.根據權利要求1所述的基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的智能計量系統，其特征在于:信號調理專用計量芯片為6通道同步采樣專用計量芯片，型號為TDK6513H。
4.根據權利要求1所述的基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的智能計量系統，其特征在于:所述的DSP數據處理器芯片型號為TMS320VC5502。
5.根據權利要求1所述的基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的智能計量系統，其特征在于:所述的數據管理專用芯片MCU型號為M30624FGPFP。
6.一種基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的智能計量方法，其特征在于:(1)信號調理，將電網系統中額定值為220V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≤250mV的交流小信號送入具有原始ADC轉換數據輸出的6通道同步采樣專用計量芯片；(2)數據處理，采樣數據通過計量芯片專用接口送入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Blackman-harris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(3)數據管理，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、各諧波量及實現分時段、多功能，采用圖形化點陣液晶顯示諧波柱狀分析圖。
【文檔編號】G01R22/10GK103454490SQ201210169336
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年5月28日 優先權日:2012年5月28日
【發明者】羅志坤, 徐先勇, 向華 申請人:湖南省電力公司科學研究院, 湖南省湘電試驗研究院有限公司, 國家電網公司