[實用新型]基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表

無效

• 申請號: 200820159518.X
• 申請日: 2008-12-02
• 公開（公告）號: CN201352236Y
• 公開（公告）日: 2009-11-25
• 發明（設計）人: 滕召勝;高云鵬;周良璋;溫和;曾博;楊步明;王一;王璟珣;毛群輝;張紅瑛;李聰聰;賀靜丹;魏雙雙
• 申請（專利權）人: 湖南海興電器有限責任公司
• 主分類號: G01R23/16
• 分類號: G01R23/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型屬于電力系統領域，涉及一種電能表，具體涉及一種基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表。

背景技術

隨著電力電子技術的發展，非線性設備在電力系統中得到廣泛應用，非線性設備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。基波與諧波的精確測量可為電網電能計量、諧波潮流計算、設備入網檢測、電力系統諧波補償與抑制等提供科學依據。

基波與諧波分量檢測技術一般有：(1)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。

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。

已有專利文件“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，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

為克服已有技術的不足，本實用新型的目的在于提供基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表，提供能實現高準確度諧波計量、多次諧波參數統計與分析的發明方案。

本實用新型的技術方案是：

1系統構成

該基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表，主要由三部分組成：

(1)信號調理部分，將系統中額定值為110V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≤800mV的交流小信號送入6通道同步采樣ADC。

(2)數據處理部分，采樣數據通過專用接口送入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，采用可自由選擇主瓣與旁瓣衰減之間的比重、旁瓣電平低、衰減速度快的Kaiser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。

(3)數據管理部分，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為核心管理基波和各諧波量，采用圖形化點陣液晶顯示諧波柱狀分析圖。

2工作原理

基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表中ADC轉換器和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。

基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表選用的Kaiser窗是可自由選擇主瓣與旁瓣衰減之間的比重的一類最優化窗函數，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Kaiser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，且設計實現靈活。

基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波電能表，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。

本實用新型的有益效果是，不受專用計量芯片性能和功能的限制，可基于自身開發的優良算法，實現更高次的諧波分析和更高準確度的電能計量。

附圖說明

圖1是本實用新型的原理框圖；

圖2是信號調理部分電路圖；

圖3為數據處理部分電路圖；

圖4為數據管理部分電路圖；

圖5為本實用新型的基于Kaiser窗雙譜線插值FFT方法示意圖；