基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的新型智能電能表制造技術

本實用新型專利技術涉及一種基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的新型智能電能表，其構成及原理為：(1)信號調(diào)理部分，將電網(wǎng)系統(tǒng)中電壓電流模擬信號通過電阻分壓網(wǎng)絡和CT電阻取樣網(wǎng)絡，送入6通道同步專用計量芯片；(2)數(shù)據(jù)處理部分，ADC轉(zhuǎn)換數(shù)字量經(jīng)數(shù)字低通濾波、直流偏置校正、比差角差校正后，采用Blackman-harris窗對信號進行加窗FFT處理；(3)數(shù)據(jù)管理部分，包括MCU?芯片及外圍電路，由MCU為核心管理基波、各諧波量及實現(xiàn)分時段、多功能，采用圖形化點陣液晶顯示諧波柱狀分析圖，實現(xiàn)智能電能表更高次諧波分析和更高準確度的電能計量。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本技術屬于電カ計量
,具體涉及ー種基于Blackman-harris窗頻譜校正的新型智能電能表，即ー種基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的新型智能電能表。
技術介紹
隨著中國社會用電量迅速增長，國家電網(wǎng)公司提出“建設堅強的智能化電網(wǎng)”的目標，國家電網(wǎng)相繼推出Q / GDff 356-2009《三相智能電能表型式規(guī)范》、Q / GDff 357-2009《O. 2S級三相智能電能表技術規(guī)范》等相關標準，對智能電表提出更高的技術要求，從傳統(tǒng)普通功能型向高精度、分時段、多功能等高科技含量和高附加值的方向發(fā)展。同時，非線性設備在電カ系統(tǒng)中得到廣泛應用，由此帶來的諧波問題對電カ系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行構成的威脅日趨嚴重，智能電表中的基波電能計量、諧波電能計量越來越被用戶重視。 基波、諧波的檢測技術一般有(I)基于頻域分析的FFT方法，其特點是電網(wǎng)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(jīng)網(wǎng)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(tǒng)中實現(xiàn)。基于FFT的基波、諧波分析算法，易于在DSP (數(shù)字信號處理器)上實現(xiàn)，是當今應用最廣泛的ー種諧波分析方法。在電カ系統(tǒng)中，電網(wǎng)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(zhì)量管理中的難題。涉及諧波計量的已有專利文件包括“測量エ廠諧波的方法和測量儀”(200310105446. 2)，“計量エ廠諧波的方法和計量儀”(200310105446. 2)，“電カ系統(tǒng)諧波定量計量方法和計量儀”(98110414. 2)，等。其專利技術的目的是精確定量地測量電力系統(tǒng)中諧波電壓、電流的動態(tài)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，但由于諧波具有多祥性、隨機性和多態(tài)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，且當面對弱信號提取或復雜信號進行分析時存在較大誤差，因此實時、高精度的基波與諧波測量分析難以實現(xiàn)。
技術實現(xiàn)思路
為克服已有技術的不足，本技術提供一種基于Blackman-harris窗頻譜校正的新型智能電能表，即ー種基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的新型智能電能表，實現(xiàn)高準確度諧波計量、多次諧波參數(shù)統(tǒng)計與分析及分時段、多功能的技術方案。本技術采用的技術方案是本技術的基于布萊克曼-哈里斯窗頻譜校正的新型智能電能表，包括依次連接的電阻分壓網(wǎng)絡和CT電阻取樣網(wǎng)絡、信號調(diào)理專用計量芯片、DSP數(shù)據(jù)處理器、數(shù)據(jù)管理專用芯片MCU及其外圍電路實時時鐘、FRAM與FLASH存儲器、通信接ロ、圖形點陣液晶。上述技術方案中，專用計量芯片和DSP處理器采用專用SPORT ロ相連，DSP處理器和MCU芯片采用異步串行總線UART ロ相連，MCU芯片外部同時連接并控制實時時鐘、FRAM與FLASH存儲器、通信接ロ電路、圖形點陣液晶。上述技術方案中，所述的專用計量芯片為6通道同步采樣專用計量芯片，型號為TDK6513H。上述技術方案中，所述的DSP數(shù)據(jù)處理器芯片型號為TMS320VC5502。上述技術方案中，所述的數(shù)據(jù)管理專用芯片MCU型號為M30624FGPFP。本技術的基于Blackman-harris窗頻譜校正的新型智能電能表 ,主要由三部分組成(I)信號調(diào)理部分，將電網(wǎng)系統(tǒng)中額定值為220V或I. 5A的電壓電流模擬信號，通過電阻分壓網(wǎng)絡和CT電阻取樣網(wǎng)絡，變成彡250mV的交流小信號送入具有原始ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出的6通道同步采樣專用計量芯片；(2)數(shù)據(jù)處理部分，采樣數(shù)據(jù)通過計量芯片專用接ロ送入DSP數(shù)據(jù)處理部分，ADC轉(zhuǎn)換數(shù)字量經(jīng)過數(shù)字低通濾波、直流偏置校正、比差和角差校正后，采用Blackman-harris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(shù)據(jù)管理部分，包括MCU芯片、實時時鐘、FRAM與FLASH存儲器、通信接ロ電路、圖形點陣液晶，由MCU為核心管理基波、各諧波量及實現(xiàn)分時段、多功能，采用圖形化點陣液晶顯示諧波柱狀分析圖。工作原理基于Blackman-harris窗頻譜校正的智能電能表中專用計量芯片和DSP處理器采用專用SPORT ロ相連，DSP處理器和MCU芯片采用異步串行總線UART ロ相連，MCU芯片外部同時連接實時時鐘、FRAM與FLASH存儲器、通信接ロ電路、圖形點陣液晶，由MCU芯片控制完成工作。基于Blackman-harris窗頻譜校正的智能電能表選用的Blackman-harris窗對弱信號提取或復雜信號分析具有優(yōu)良的性能，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Blackman-harris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，且計算量很低、設計實現(xiàn)方便。基于Blackman-harris窗頻譜校正的智能電能表,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。本技術的有益效果是，集合高性能專用計量芯片的高精度實現(xiàn)和高速DSP的數(shù)據(jù)處理功能，基于Blackman-harris窗頻譜校正的優(yōu)化算法,實現(xiàn)智能電表的更高次的諧波分析和更高準確度的電能計量。附圖說明圖I是本技術的原理框圖；圖2是信號調(diào)理部分電路圖；圖3為本技術的基于Blackman-harris窗頻譜校正方法示意圖。具體實施方式本技術的原理框圖如圖1，包括專用計量芯片、DSP處理器、單片機及各外圍電路。專用計量芯片選用具有ADC原始數(shù)據(jù)輸出通道同步采樣的TDK6513H，DSP處理器選用TMS320VC5502、單片機選用M30624FGPFP，諧波檢測最高次數(shù)為21次。本試驗新型的信號調(diào)理部分電路圖見圖2，三相電網(wǎng)電壓、電流模擬信號分別經(jīng)過電阻分壓網(wǎng)絡和CT電阻取樣網(wǎng)絡進行信號調(diào)理，得到< 250mV的交流小信號。后級接入?yún)?shù)相同的RC低通濾波器(截至頻率1591Hz，滿足21次諧波采樣)，保持采樣前后電壓、電流間的相位差一致。CT后端接入開關ニ極管1SS123限幅，防止電流互感器CT 一次側(cè)電流過 大損壞器件。再將取樣后的電壓電流信號和溫度信號以及電壓監(jiān)視輸入信號經(jīng)多路復用器MUX順序輸入到TDK6513H的ADC采樣輸入端。TDK6513H自帶高精度帶隙+1. 195V參考電壓Vkef，其溫度系數(shù)<10ppm/°C，保證采樣電路有較高的精度和熱穩(wěn)定性。采樣數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換(模數(shù)轉(zhuǎn)換)后通過TDK6513H的專用SPORT接ロ送至TMS320VC5502數(shù)據(jù)處理單元，經(jīng)過數(shù)字低通濾波、直流偏置校正、比差和角差校正后，由TMS320VC5502完成構建離散Blackman-harris窗，進行加窗雙譜線插值FFT處本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種基于布萊克曼？哈里斯窗頻譜校正的新型智能電能表，其特征在于：包括依次連接的電阻分壓網(wǎng)絡和CT電阻取樣網(wǎng)絡、信號調(diào)理專用計量芯片、DSP數(shù)據(jù)處理器、數(shù)據(jù)管理專用芯片MCU及其外圍電路實時時鐘、FRAM與FLASH存儲器、通信接口、圖形點陣液晶。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：羅志坤，徐先勇，向華，
申請(專利權)人：湖南省電力公司科學研究院，湖南省湘電試驗研究院有限公司，國家電網(wǎng)公司，
類型：實用新型
國別省市：