电力网络监控仪中数据采集模块的设计

摘 要： 讨论了一种电力网络监控仪的数据采集模块的设计方法。结合锁相环同步技术改进数据采集模块，加入锁相环频率跟踪电路，实现同步等间隔采样，减小了非同步采样引入的误差；针对快速傅里叶变换(FFT)算法的栅栏效应和频谱侧漏提出了加窗插值FFT算法，并把算法移植到ARM内核的微控制器LPC2138中，精确实现了电网各次谐波幅值频率和总谐波畸变率的计算。
关键词： 数据采集； 傅里叶变换； 锁相环； 谐波； ARM

近年来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业控制和日常生活中的应用越来越广泛。这些非线性负荷设备大量涌入电力系统，导致电网中的谐波分量大大增加，电网波形畸变日趋严重，对电力系统中的发变电设备、继电保护装置、通信设备和测量仪器等造成了不同程度的危害。因此，实时可靠地监测和分析电网及非线性用电设备的谐波，将有利于电能质量的评估，为谐波污染的治理提供依据。
电力网络监控仪广泛用于变配电站、智能型配电盘/开关柜、智能建筑和能源管理系统中等，借助一定的通信规约，实现了远程数据的采集与控制。目前存在的电力参数测量仪表多以专用测量芯片和DSP芯片为核心，但大多数专用测量芯片不具备测量谐波的功能，且移植性差,不利于扩展和升级；高端的监控仪集成了ADC+DSP+ARM结构，虽测量精度大幅度提高，但增加了硬件成本和复杂度,不利于数字化监控仪的推广使用。本文所设计的电力网络监控仪采用了高精度ADC与ARM结合的模式，利用LPC2138芯片的高性能多资源的特点,实现高准确度电量参数计量和实时谐波分析。ARM芯片具有高性价比、高可靠性和低功耗等特点，易于大范围推广使用。
　 数据采集模块是保证谐波测量精度的基础，本文在用FFT做谐波测量的工程应用中对传统电力网络监控仪的数据采集模块进行了改进。文中采用6通道16 bit的高精度A/D转换芯片CS5451,加入锁相环频率跟踪电路，基于改进的加窗插值FFT算法，使谐波分析的精度在工程应用中大幅度提高。
1 加窗插值基-2FFT算法原理
主要的谐波分析检测方法有快速傅里叶变换(FFT)、人工神经网络、奇异值分解、小波变换[3]等。其中FFT算法因计算高效性而在谐波分析中得到广泛的应用。
　 采用FFT算法进行电力系统谐波分析时很难做到同步采样和整数周期截断,存在泄漏现象和栅栏效应，使算出的信号参数不准，尤其是相位误差很大，无法满足准确的谐波测量要求。通过加窗插值算法可以消除栅栏效应引起的误差[5-7]，提高电力系统基波与各次谐波的分析精度。
在实际测量中应用最多的窗是矩形窗、Hanning窗和Blackman窗。其中Hanning窗的窗口在边界处平滑衰减到0，可有效减小谐波间泄漏，且幅值分辨率和频率分辨率精度较高,因此本文选用Hanning窗。

FFT算法流程图如图1所示。

2 数据处理模块的硬件设计
DFT或FFT都是建立在同步采样条件之上的，存在同步偏差时，基于DFT或FFT的谐波分析会产生同步误差。减少或者消除同步误差的方法是使用同步采样技术。本文在系统中采用同步采样环节，使采样点均匀分布在电网的一个整周波内，实现同步采样。
　 目前同步采样的实现方法主要有软件同步采样法和硬件同步采样法两种。但由于电网工频信号的频率并不稳定，如果采用软件定时来采样，虽然采样点之间的时间间隔相等，但因信号周期长度的变化，使得每个周期内的采样点数不固定，且不同周期的采样点对应的相位也是随机改变的。一个周期内的采样点数越少，这个问题就越严重也就无法对采样信号进行快速傅里叶变换。因此本文中采用硬件同步采样法实现同步采样。
2.1 系统总体结构设计
　 电力网络监控仪的硬件结构主要由四部分组成：电源板、主板、CPU板和液晶显示模块。如图2所示。