PC机电能质量分析仪的设计与实现

2001年4月ElectricPowerAutomationEquipmentApr.2001

PC机电能质量分析仪的设计与实现

王建华,别朝红,王锡凡

(西安交通大学,陕西西安710049)

摘要:介绍了用PC机组成的电能质量分析仪的整体构成,信号预处理卡的基本电路设计,数据采集板的基本软、硬件结构及整个系统的软件设计。它可同时实现多通道信号的整周期采样、存储、分析处理,将结果以图形方式输出,也可存储在数据文件中调用,与常规方式相比,不仅操作简单,性能可靠,且具有较高的精度。该测试系统已成功地用于分频输电系统的动态模拟试验及三倍频变压器的试验研究。

关键词:数据采集;频率合成;谐波分析中图分类号:TM93019　　　文献标识码:B　　　文章编号:1006Ο6047(2001)04Ο0026Ο03

0　引言

近年来随着工业生产的高速发展,电力机车、大型电弧炉、整流装置、变频电源等非线性用电设备越来越多,使得电网谐波“污染”日趋严重,谐波含量已成为衡量电能质量的重要指标之一。因此对其进行准确的测量和分析是目前电力行业普遍关注的课题。

针对上述问题,研制了一套基于PC机的电能质量分析仪。该仪器可以同时实现多通道信号(共16个通道)的整周期采样,测量多点电压、电流、功率等电气量并进行谐波分析。该仪器实现了对输入信号的实时显示和分析,结果以图形和数据文件两种格式输出,不仅操作简单、性能可靠,而且具有良好的人机界面。该仪器已成功地用于分频输电系统的动态模拟试验及三倍频变压器的试验研究。

信号

A/D转换→输→信号预处理→入装置

屏幕显示↑工控机↓数据存储打印机图1　系统硬件结构框图

1　电能质量分析仪的构成

近年来微型计算机和大规模集成电路的发展及

其性能价格比的不断提高,使得采用PC机组成的数据采集系统显示出巨大的优越性:数据处理速度快、精度高;编程简单,维护方便;兼容性强,升级扩展容易;抗干扰性强。文中所介绍的电能质量分析仪就采用了以工业控制计算机为核心的结构,其结构框图如图1。

数据采集与处理系统的硬件由工业控制计算机、信号预处理卡、打印机等组成。工业控制计算机内部采用模块化结构,由工控CPU主板和数据采集模板组成。数据采集模板选用了PCLΟ818L,它是一

收稿日期:2000Ο07Ο31

块集A/D,D/A,D/I,D/O,Timer/Counter于一体的多

功能多通道数据采集板。各点电压、电流信号经电压Ο电压变换器、电流Ο电压变换器进入信号输入装置。为了减少以后数字信号分析时产生泄漏误差和混叠现象,采样频率要大于奈奎斯特频率且满足整周期采样的要求,这就需要在采样前测量输入信号的基波频率。信号测频电路由信号预处理卡的频率合成电路和数据采集板的计数器共同构成。

数据采集系统的工作过程是:在正式运行采集系统前,首先通过激活参数设置对话框和变比设定对话框来选择输入通道数,输入信号范围,增益选择及互感器变比等参数;然后启动测频电路,完成输入信号频率的测量。确定输入信号的频率后,即可开始运行数据采集分析系统。在完成一次数据采集及分析后,就可以通过操作界面查看被测各点信号的瞬时波形、频谱,电压、电流、功率的值或者生成数据文件,打印输出。

2　信号预处理卡的设计

在对输入信号进行采样前,要先测量其基波频率。为了提高测量的精度,将待测信号经信号预处理卡再接入数据采集板进行测频,预处理卡的功能是把输入信号转变为比基波频率高100倍的矩形脉冲信号。

信号预处理卡的电路设计如图2。

第4期　　　　　　　　　　　王建华,等:PC机电能质量分析仪的设计与实现　　　　　　　　　　　　　27

址开始占有16个连续的I/O地址,一个地址对应着

一个寄存器。A/D数据传输的方式和A/D触发方式由控制寄存器决定。该系统选用了DMA传输方式和可编程定时器触发。

数据采集板的控制软件选择了C++语言进行编程,PCLΟ818L以动态连接库的形式为数据采集提供了强大的驱动程序,采集程序和测频程序的编写采用函数库中的接口函数来实现。

数据采集板的软件驱动程序流程图见图4。

　　脉冲整形电路采用ICL7555定时电路组成,ICL7555接成施密特触发器方式工作,其上、下限阈值电压分别为2/3UDD,1/3UDD,具有较高的抗干扰能力。频率合成电路由CD4046数字锁相环与CD4518双4位BCD同步加法计数器组成[1]。其原理框图如图3。被测频率信号送到相位比较器的一个输入端,由压控振荡器产生的频率fo经分频后加到相位比较器的另一个输入端与输入信号进行比较,当锁定后,则有fi=fo/N,即fo=Nfi,也就是输出信号的频率是输入信号频率的N倍。

4　软件设计

411　软件设计

系统软件设计采用模块化编程方法,用BorlandC++410语言编程,系统软件的结构如图5所示。

通道及输入选择参数设定分频输电数据采集及处理

变比设定频谱分析有效值计算功率参数计算谐波参数计算数据管理结果输出帮助存入采样数据存入分析结果数据显示运行参数及功率显示输入信号波形图及频谱图输出分析结果文件频率测量主菜单

数据采集处理3　数据采集板PCLΟ818L简介

311　PCLΟ818L性能指标

A/D部分:16通道单端/8通道差分输入;分辨

率为12bits;精度为±0101%;采样频率可达40kHz;输入电压范围分别为±01625V,±1125V,±215V,±5V,并可由软件编程决定;过压为±30V;触发方式为软件指令触发、可编程定时器触发、外部触发;数据传输方式为软件查询方式、中断方式、DMA方式。

可编程定时/计数器8254:定时/计时器1,2构成32bits定时器,用于产生A/D转换定时触发脉冲,对输入信号等间隔采样,这是快速傅里叶变换(FFT)所要求的。定时/计时器0供用户使用,用来测量信号的频率。312　软件配置

图5　软件体系结构图

本系统采用Windows操作平台进行图形化用户

界面设计,形成多文档界面,主窗口是整个软件的管理窗口,也是系统的启动窗口和多文档界面MDI的框架窗口,主要用于系统的基本管理、子窗口管理、用户热键管理、系统数据管理等,均为全汉字显示。参数设定窗口、变比设定窗口、频率测量模块、波形显示及频谱图等均为对话框类子窗口。412　基本算法

数据采集及处理模块封装了所有对输入信号进

控制数据采集板的工作要通过读写PC机的I/O端口地址来实现。PCLΟ818L在PC机上从基地

　　　　　　　　　　　　　　　　　　电28力自动化设备　　　　　　　　　　　　　　　2001年

行处理所需的算法。频谱分析是信号处理的核心,电力系统的谐波分析为频谱分析的一种。分析连续信号频谱时,目前普遍采用快速傅里叶变换[2]。这种方法的原理如下:

众所周知,满足Dirichlet条件的函数x(t)在

[0,T]区间上可以将其展为傅里叶级数,即

∞

畸变率等的计算。

5　结论

用PC机组成的电能质量分析仪可以同时实现多通道信号的整周期采样、存储、分析处理,结果以图形方式输出,也可以存储在数据文件中调用。和常规方式相比较,不但操作简单、性能可靠,而且具有较高的精度。该仪器的研制成功,为电力线路的谐波测量提供了获得准确试验数据的有力工具。此外该仪器已成功地用于分频输电系统的动态模拟试验和三倍频变压器的试验研究,经日本生产的HIOKI3195电能质量分析仪校验,测试结果均符合要求。参考文献:

[1]　宗孔德,胡广书.数字信号处理[M].北京:清华大学出

x(t)=

k=-∞

∑

j

X(ω)e

π2kT

t

因为X(ω)仅在ω的整数倍上取值,所以它在

频率轴上取离散值。X(ω)可由下式求出:

π2k1T-jtT(ω)()X=xtedt

T

∫0

由于实际的信号是经过等间隔采样的离散信

号,设Δt为采样的时间间隔,T=NΔt,x(t)在tn=Δt时的采样值为xn,用各个xn代替上式中的n

x(t),即用求和代替积分,就得到了离散傅里叶变换DFT的公式:X󰁦(ω)=

版社,1987.

[2]　亻余翠薇.计算方法引论[M].北京:北京高等教育出版

1N

N-1

n=0

∑

xne

-jkn

π2N

社,1985.

[3]　陈奎孚,焦群英,高小榕.改善FFT精度的2种算法比

若要完成整组的DFT运算,即计算出n=0,…,

N-1对应的所有频段的傅里叶变换结果,需要进行N次复数乘法和N(N-1)次复数加法,计算量太

2

较[J].中国农业大学学报,1996,1(6):74-79.

[4]　谢明,丁康.频谱分析的校正方法[J].振动工程学报,

1994,7(2):172-179.

[5]　王国定.CMOS模拟集成电路的应用[M].上海:上海科

大,为此后来发展了利用蝶形递推公式的快速傅里

叶变换,它可将计算量减少到NlbN次复数乘法和复数加法运算。

为了提高FFT算法的精度,该系统用抛物线型求积公式代替了常用的矩型求积公式[3],另加窗函数校正[4]。由文献[2,3]可知,抛物线求积公式算法的截断误差为ΔT4,而常规矩形求积算法的截断误差为ΔT2,使得频谱分析的精度提高了1～2个数量级。另外该模块还包括各种电力参数如电压、电流有效值,有功、无功、视在功率,功率因数,谐波,波形

技出版社,1985.

(责任编辑:柏英武)

作者简介:

),男,山西曲沃人,副教授,从事电力系统王建华(1951Ο

分析及电子测量与控制方面的研究;

),女,山东潍坊人,讲师,博士,从事电力别朝红(1970Ο

系统可靠性方面的研究;

),男,河北安平人,教授,博士研究生导王锡凡(1936Ο

师,长期从事电力系统分析与规划方面的科研与教学工作。

DesignandImplementationofPowerLineHarmonicAnalyzerBasedonIndustrialPC

WANGJian2hua,BIEZhao2hong,WANGXi2fan(Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)

Abstract:ApowerlineharmonicanalyzerbasedonindustrialPCisintroduced.Thesystemstructure,thebasiccircuitdesignofsignalpre2processingcard,thebasicHWandSWcompositionofdataacquisitioncard,andthesystemsoftwaredesignaredescribed.Basedonthebasefrequencyitcansampleseveralsignalsonmultichan2nels.Itstores,analyzesandprocessesthem,theresultscanbedisplayedindiagrams,orsavedasdatafileforfurtheruse.Comparedwiththetraditionalanalyzer,itissimpleinoperation,reliableinperformanceandexcel2lentinaccuracy.Theanalyzerissuccessfullyusedinthedynamicsimulativetestsoffractionalfrequencytrans2missionsystemandthetriplertestandstudy.

Keywords:dataacquisition;frequencycomposition;harmonicanalysis