電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀中數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計

摘 要： 討論了一種電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀的數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計方法。結(jié)合鎖相環(huán)同步技術(shù)改進(jìn)數(shù)據(jù)采集模塊，加入鎖相環(huán)頻率跟蹤電路，實現(xiàn)同步等間隔采樣，減小了非同步采樣引入的誤差；針對快速傅里葉變換(FFT)算法的柵欄效應(yīng)和頻譜側(cè)漏提出了加窗插值FFT算法，并把算法移植到ARM內(nèi)核的微控制器LPC2138中，精確實現(xiàn)了電網(wǎng)各次諧波幅值頻率和總諧波畸變率的計算。
關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集； 傅里葉變換； 鎖相環(huán)； 諧波； ARM

近年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)控制和日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛。這些非線性負(fù)荷設(shè)備大量涌入電力系統(tǒng)，導(dǎo)致電網(wǎng)中的諧波分量大大增加，電網(wǎng)波形畸變?nèi)遮厙?yán)重，對電力系統(tǒng)中的發(fā)變電設(shè)備、繼電保護(hù)裝置、通信設(shè)備和測量儀器等造成了不同程度的危害。因此，實時可靠地監(jiān)測和分析電網(wǎng)及非線性用電設(shè)備的諧波，將有利于電能質(zhì)量的評估，為諧波污染的治理提供依據(jù)。
電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀廣泛用于變配電站、智能型配電盤/開關(guān)柜、智能建筑和能源管理系統(tǒng)中等，借助一定的通信規(guī)約，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集與控制。目前存在的電力參數(shù)測量儀表多以專用測量芯片和DSP芯片為核心，但大多數(shù)專用測量芯片不具備測量諧波的功能，且移植性差,不利于擴(kuò)展和升級；高端的監(jiān)控儀集成了ADC+DSP+ARM結(jié)構(gòu)，雖測量精度大幅度提高，但增加了硬件成本和復(fù)雜度,不利于數(shù)字化監(jiān)控儀的推廣使用。本文所設(shè)計的電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀采用了高精度ADC與ARM結(jié)合的模式，利用LPC2138芯片的高性能多資源的特點,實現(xiàn)高準(zhǔn)確度電量參數(shù)計量和實時諧波分析。ARM芯片具有高性價比、高可靠性和低功耗等特點，易于大范圍推廣使用。
　 數(shù)據(jù)采集模塊是保證諧波測量精度的基礎(chǔ)，本文在用FFT做諧波測量的工程應(yīng)用中對傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀的數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行了改進(jìn)。文中采用6通道16 bit的高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5451,加入鎖相環(huán)頻率跟蹤電路，基于改進(jìn)的加窗插值FFT算法，使諧波分析的精度在工程應(yīng)用中大幅度提高。
1 加窗插值基-2FFT算法原理
主要的諧波分析檢測方法有快速傅里葉變換(FFT)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、奇異值分解、小波變換[3]等。其中FFT算法因計算高效性而在諧波分析中得到廣泛的應(yīng)用。
　 采用FFT算法進(jìn)行電力系統(tǒng)諧波分析時很難做到同步采樣和整數(shù)周期截斷,存在泄漏現(xiàn)象和柵欄效應(yīng)，使算出的信號參數(shù)不準(zhǔn)，尤其是相位誤差很大，無法滿足準(zhǔn)確的諧波測量要求。通過加窗插值算法可以消除柵欄效應(yīng)引起的誤差[5-7]，提高電力系統(tǒng)基波與各次諧波的分析精度。
在實際測量中應(yīng)用最多的窗是矩形窗、Hanning窗和Blackman窗。其中Hanning窗的窗口在邊界處平滑衰減到0，可有效減小諧波間泄漏，且幅值分辨率和頻率分辨率精度較高,因此本文選用Hanning窗。

FFT算法流程圖如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設(shè)計
DFT或FFT都是建立在同步采樣條件之上的，存在同步偏差時，基于DFT或FFT的諧波分析會產(chǎn)生同步誤差。減少或者消除同步誤差的方法是使用同步采樣技術(shù)。本文在系統(tǒng)中采用同步采樣環(huán)節(jié)，使采樣點均勻分布在電網(wǎng)的一個整周波內(nèi)，實現(xiàn)同步采樣。
　 目前同步采樣的實現(xiàn)方法主要有軟件同步采樣法和硬件同步采樣法兩種。但由于電網(wǎng)工頻信號的頻率并不穩(wěn)定，如果采用軟件定時來采樣，雖然采樣點之間的時間間隔相等，但因信號周期長度的變化，使得每個周期內(nèi)的采樣點數(shù)不固定，且不同周期的采樣點對應(yīng)的相位也是隨機(jī)改變的。一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)越少，這個問題就越嚴(yán)重也就無法對采樣信號進(jìn)行快速傅里葉變換。因此本文中采用硬件同步采樣法實現(xiàn)同步采樣。
2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
　 電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀的硬件結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：電源板、主板、CPU板和液晶顯示模塊。如圖2所示。