WPE-0603电能质量分析仪的研制

　　0　引言

　　随着现代工业的发展,一方面,影响电能质量的因素不断增加,使电能的质量问题日趋严重,如大中型企业中,各种非线性设备的广泛应用,各种大型用电设备的频繁启/停,使得电网中的电压波形发生畸变,造成电网的电能质量严重恶化;另一方面,不断普及的用电设备既复杂又精密并且对供电质量敏感,如应用于工业过程控制的微处理器和PLC等智能器件,这些器件容易受电力系统扰动的影响,可能造成重大的经济损失,因此,人们对电能质量及可靠性的要求越来越高,电能质量问题日益引起人们的关注,电网电能质量检测成为当前国际上研究的热点之一。上润精密仪器有限公司研制了WPE20603电能质量分析仪,它能实时提供电压、电流、有功功率、无功功率等电能质量的基本参数,而且能对电网的谐波、三相电压不平衡度、电压波动和闪变等电能质量指标进行分析,为电力部门对电能质量监测提供强有力的支持。

　　1　工作原理

　　1.1　概述

　　本设计对交流电压、电流量进行同步采集,送入定点DSP(TMS320F2812)处理器进行数字滤波高速运算后,采用了改进型FFT算法,对电压、电流波形进行频谱分析,分离出基波分量及50次谐波分量,再由DSP计算出电压、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素以及电压、电流参数中的THD(总的谐波含量)等电量参数;电压信号经信号调理、整形处理成方波,并由CPLD构成硬件锁相环,自动调整A/D采样的频率,并送给DSP的捕获引脚检测得到电网的频率。DSP将所有检测结果送给大屏幕彩色液晶显示器,并可以由微型打印机输出电能质量各项指标的分析报表。系统的硬件结构如图1所示。

　　1.2　FFT运算

　　电力输电线路中的电压和电流的正弦信号,受非线性负载的影响,电网的波形会发生畸变,畸变后仍然为周期函数,且满足狄里赫利条件,可以用傅里叶级数分解法把电压和电流分解成基波和一系列谐波的迭加,即:

　　式中:U0、I0为电压、电流的直流分量;Un、In为各次谐波幅度的峰值;αn、βn之差为谐波相位差。

　　对电网的连续时间信号进行实时采样得到离散的采样序列,用FFT算法对其进行时频域转换,可以分析基波和各次谐波的幅度和相位情况,以实现谐波的测量。另外,电网中每一路的相电压和相电流之间存在相位差,对电压和电流信号同步采样并进行FFT变换,就可以算出各次谐波的相位差,准确地测出各次谐波的有功和无功功率。

　　对于采样点数的确定,根据时域取样定理,本系统要求分析出50次谐波,因此在一个周期内最少的采样点数为100点, FFT蝶形算法本身要求采样点数为2的幂时,计算速度最快,装置的采样频率为基波频率的256倍。由于电网频率会在50Hz左右上下波动,因此在硬件实现上,不可以用固定频率对电压、电流信号进行采样,而要根据电网的频率,实时地调整采样频率。