基于單片機的諧波檢測儀的設計

摘 要：為改善以電弧爐為負載的電網諧波問題，對以單片機為核心的諧波檢測儀進行了研究，能夠檢測電網諧波及電網各參數計算顯示。主要闡述了精度較高的加窗插值的FFT算法，提出了單片機控制的硬件和軟件設計，包括單片機及其外圍電路、電流與電壓采樣電路和驅動電路等硬件結構，以及軟件流程和部分源程序。

關鍵詞：電網諧波；諧波檢測；FFT；電弧爐

中圖分類號：TM933，TP3681 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)06-161-04

Design of Harmonic Measurer Based on MCU

BI Ying，LIU Xiaohe

(Beijing Information Technology University，Beijing，100085，China)

Abstract：To improve the problem of power system harmonic loaded on arc furnace，a design of harmonic measure basedon MCU is studied，which power system harmonic is detected and the value of each calculated parameter is displayed.Mostly the high precision of windows and interpolated FFT is expatiated.The MCU control hardware and software are designed，which consist of peripheral circuit，current and voltage sampling circuits，driving circuit，control strategy ，software flow and part of programme.

Keywords：power system harmonic；harmonic detection；FFT；arc furnace

隨著各種電力電子變流裝置的廣泛應用，產生的諧波已成為污染電力系統的一大公害，準確、實時地對電力系統諧波進行檢測有著重要的意義。諧波檢測是諧波問題中的一個重要分支，準確、實時檢測出電網中瞬態變化的畸變電流、電壓，對抑制諧波有著重要的指導作用，是進行繼電保護、判斷故障點和故障類型等工作的重要前提。

目前，電力系統諧波檢測主要是通過諧波電流的測量來實現，他主要有以下幾種方法： 帶通濾波是早期模擬式諧波檢測裝置的基本原理；瞬時無功功率理論可用于諧波的瞬時檢測和無功補償等諧波治理領域；傅里葉變換是目前諧波檢測中應用最多、應用最廣泛的基本理論依據；神經網絡理論和小波分析方法應用于諧波測量是目前正在致力研究的新方法和新理論，他可以提高諧波測量的實時性和精度。

根據不同情況合理選擇諧波檢測方法，為諧波分析提供詳細、準確、實時的數據和信號，是提高檢測效果、改善電能質量的重要一步。國內外對這方面的研究都比較重視，在線諧波檢測的理論和應用正在不斷發展。隨著各種先進技術和理論的應用，特別是計算機在諧波檢測中的具體使用，諧波檢測的實時性和精度要求一旦解決，相信電網諧波檢測技術將逐漸得到發展和完善^[1，6]。

電弧爐系統是三相不對稱系統，在電弧爐運行時會產生負序電流。同時伴有電流幅值的波動，諧波的影響比較顯著。因此，諧波的檢測和治理成為了一個迫切需要解決的問題。為了實時檢測更加方便進行諧波補償，本文介紹一個基于單片機的諧波檢測儀的設計。以單片機為核心的設計，配以適當的硬件電路和軟件的設計，實現對三相諧波電流和電壓的基波和各次諧波、功率因數、有效值、有功、無功參數的計算，并顯示在液晶屏上。

設計的諧波檢測儀主要檢測電弧爐為負載的電網副端的電流電壓信號及諧波的分析。

1 基本原理

傳統的諧波測量方法一般都是將離散化的被測信號用經典的快速傅里葉變換(FFT)處理，獲取信號各次諧波的幅值、頻率和相位。假定測量時間是信號周期嚴格的整數倍，并且采樣頻率大于Nyquist頻率，該方法是可以獲得較高的測量精度的。但是，由于電網頻率不斷波動，被測信號中除了含有基波和整數次諧波之外還可能含有非整數次的諧波，因而即使采用跟蹤鎖相技術，也難以實現嚴格的同步采樣，使傳統FFT在頻譜分析時產生泄漏誤差，難以獲得高精度的諧波測量結果^[3，4]。

加窗插值FFT理論正是針對這一背景而提出的。他的基本內容包括加窗和插值算法2個部分。利用加窗算法可以很好地解決由于采樣頻率不是信號頻率的整數倍而產生的頻譜泄漏現象，從而改進計算信號參數準確性，基本滿足準確的諧波測量要求。一般電網信號主要含有整數次諧波，所以在實際應用中選取基于余弦窗的組合窗^[5]。

選用余弦窗的一個主要原因在于他便于進行頻譜計算。通常信號加窗都是在時域進行，即xw(t)=x(t)w(t)，然后進行傅里葉變換。而對于余弦窗，可以先對信號進行傅里葉變換，然后在頻域進行處理。設離散信號x(n)的頻譜為x(θ)。用公式表示為：

2 硬件實現

2.1 互感器處理單元

互感器單元的主要功能是將輸入信號線性變換為-5～+5 V電壓信號。根據電網的數據選取適合的傳感器。本裝置電流傳感器選用HCT210A。額定輸入1 mA，輸出2.5 mA。HCT210A的使用電路如圖2所示，副邊輸出電壓接口電路。

圖2 HCT210 接口電路

2.2 信號預理模塊

由于傳感器、放大電路本身的影響，造成在信號進入采樣保持器之前，所采信號中混有各種頻率的信號。為保證諧波分析的精確性，采用MAX293進行抗混疊濾波，用輸入時鐘頻率控制輸出轉角頻率的方式實現對信號的濾波，濾去諧波中的高頻成分，使輸入到模數轉換器的信號為有限帶寬，防止信號的頻譜發生混疊及高頻干擾。電路如圖3所示。

圖3 MAX293設計電路

2.3 A/D轉換模塊

A/D轉換使用高速采樣芯片MAX125，是一組可以同時對4路輸入信號同步采樣的采樣/保持電路。MAX125每一個采樣/保持電路前有一個2選1的選擇開關，允許8路信號輸入。在A/D轉換過程中，首先采集A相電壓、電流，B相電壓、電流這4路信號，轉換結束后，產生一個中斷信號給單片機，單片機讀取4路采樣值并發控制字給MAX125，使其選擇C相電壓、電流進行采樣。其轉換電路如圖4所示。

2.4 單片機系統及顯示通信單元

核心芯片AT89C55WD是ATMEL公司生產的51系列單片機芯片，雙列直插40引腳封裝，內置20 kB FLASH存儲器，保證一般用戶的程序存儲的需要，一般不用外擴程序存儲器，擦寫操作簡單，可反復擦些至少上千次。

液晶選用CM12864，是128×64的點陣型液晶顯示器，具有專用指令集，配合按鍵的功能顯示要求的測量值。

2.5 外擴程序存儲器和數字存儲器

由于數據量較大，單片機外接兩片62256的64 k的數據存儲器。和一片EPROM27256的32 k片外程序存儲器。圖5所示27256的CE接地，為常選通，地址為0000H～7FFFH或8000H～0FFFFH。2片62256通過74F139譯碼器擴展，P27為0時通芯片U3，他的地址為0000H～7FFFH；P27為1時選通U2，地址為8000H～0FFFFH。如圖5所示。

圖4 A/D轉換電路

圖5 外擴EPROM和RAM接口電路

3 軟件設計

軟件的設計主要用C語言編程。系統總體軟件結構流程圖如圖6所示。

主程序開始初始化之后，采集6路信號，存儲到外接數據存儲器里，78 μs檢驗1次，看是否采到所要求的點數，若沒有，則繼續采；若達到所需點數則對其進行FFT算法，計算出電參數，將數據存入存儲器。將計算得出的電參數進行顯示，1 s刷新1次。若過程中有按鍵操作則執行，則轉去執行按鍵所對應的指令。

A/D轉換和采集程序流程如圖7所示，三相電壓輸入和三相電流輸入分別經A B兩組進行轉換，控制字分別為0010 0110。啟動轉換，等待讀轉換的數據，將數據分為高低為分別送到2個鎖存器(MAX125與總線相連需要外接鎖存器)然后組合高低位數據分別將電壓和電流的數據分別送到2個外接存儲器當中，將存放他們的數據地址+1，等待對這些數據的運算和處理。

圖6 主程序流程圖

圖7 A/D轉換流程圖

采集程序程序的部分源代碼如下：

void ad_data()

{

uchar i=0，ad_dataL=0，ad_dataH=0；

int buf_data=0；

MAX125_CS=0；//選擇125轉換通道123三相電壓

MAX125_WR=0；

INT_MAS125=1；

CS_U=1；

MAX125_wr=0X02；//寫控制字

MAX125_CON=0；//啟動轉換，等待讀轉換的數據

MAX125_WR=1；

for(；；)

if(INT_MAS125==0)

{

[WB]for(i=0；i<3；i++)//循環讀

{

MAX125_CS=0；//讀轉換以后的數據

MAX125_RD=0；

INT_MAS125=1；

CS_U=1；

ad_dataL=MAX125_wr；//低位數據

ad_dataH=MAX125_rd；//高位數據

buf_data=(int)ad_dataH；//組合高位和低位數據

buf_data=buf_data<<8；

buf_data=buf_data|(int)ad_dataL；

buf_iu[i]=buf_data；

MAX125_CS=1；

MAX125_RD=1；

break；

}

}

按鍵和控制顯示程序的流程如圖8所示，主要完成的功能為：按鍵1，程序復位；按鍵2，控制液晶LCD顯示計算結果的下一頁信息；按鍵3，控制液晶LCD顯示計算結果的上一頁信息；按鍵4，將結果通過串口發送至上位機，實現通信功能。

圖8 按鍵和顯示程序的流程圖

4 結 語

該系統以單片機作為控制和數據處理分析中心，充分利用單片機接口便利的特點，由傳感器、信號采集和處理，按鍵顯示接口電路組成。對電網三相電流、電壓實時采集，對產生的諧波檢測分析。為電力諧波問題和電弧爐的模型的辨識及控制提供有效的分析裝置。

另外對于電弧爐為負載的電網諧波分析及無功功率補償有待進一步的研究

參考文獻

[1]鄧霏，周有慶，李新平.電弧爐諧波電流的產生和抑制\\[J\\].電氣開關，2005，43(1)：1-3.

[2]郝坷.電力系統諧波檢測與治理\\[J\\].中國測試技術，2005，31(6)：64-67.

[3]潘文，錢俞壽.基于加窗插值FFT的電力諧波測量理論窗函數研究\\[J\\].電工技術學報，1994(2)：53-56.

[4]楊潤賢，鄭恩讓.基于嵌入式和DSP的電力諧波分析儀的設計\\[J\\].計算機測量與控制， 2006，14(10)：1 380-1 383.

[5]張伏生，耿中行，葛耀中.電力系統諧波分析的高精度FFT算法\\[J\\].中國電機工程學報，1999(3)：64-67.

[6]周國偉，石新春，工良清.基于單片機的濾波檢測觸發電路設計\\[J\\].電氣傳動自動化，2006，28(4)：39-41.

[7]劉燕燕，亓躍峰.電網諧波危害分析及在煤礦生產中的應用\\[J\\].現代電子技術，2005，28(18)：96-98.

作者簡介

畢 瑩 女，1982年出生，北京信息科技大學碩士研究生。研究方向為自動控制裝置。

劉小河 男，教授，博士生導師。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。