任丽棉

（唐山学院 信息工程系，河北 唐山063000）

0 引言

电能已经成为现代社会中不可缺少的重要能源，但是，随着科技的发展，大量的非线性电力电子设备被广泛应用于现代电力系统中，使电网中的电压电流波形产生畸变并伴随着各种干扰。因此电网谐波对电力系统安全、稳定、经济运行构成了潜在威胁，给周围电气环境也带来了极大的影响［1］。电网谐波的抑制以谐波检测和分析为前提。准确、快速地检测系统中的谐波成分，可以鉴定电力系统及谐波源用户的实际谐波水平是否符合标准的规定。在电力设备调试、投运时进行谐波测量，可以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运行，因此谐波检测的意义重大。本文基于FFT和相位差校正法设计一种较高精度的电力谐波测试仪，硬件设计采用目前在电力系统中比较流行的基于Cortex－M3内核的STM32芯片为主要处理器，结合电流互感器、A／D采样电路、液晶显示屏等构成。

1 电力谐波测试仪的硬件结构

本文中电力谐波测试仪的硬件设计由以下几部分构成：STM32处理器、电流互感器、A／D采样电路、LCD液晶显示屏等，其中STM32处理器内部包含电源、储存器、复位和时钟电路。系统的总体设计思路是首先将高电压的电力信号经电流互感器转换成低电压信号，然后经A／D采样电路，将这些数据传输到STM32上进行数据处理，经谐波参数测试得到的各次谐波的幅值和频率显示在液晶显示屏上。硬件设计总体框图如图1所示。

图1 硬件设计总体框图

1.1 互感器处理电路

本设计最终要测量的是电网中的电信号，而电网中的电信号是电压有效值为220V的高电压信号，该信号在进入采样电路之前，需经过互感器处理电路转变为低电压信号，而且波形保持不变。本设计采用的是1∶1的电流互感器，它的一端串联一个330kΩ电阻，产生一个小电流，然后另一侧感应出一个小电流，并且并联一个500Ω的电阻，产生一个小电压，这就实现了高电压向低电压的转换，但是这时的信号仍不能接在采样电路上，它还需要与一直流小信号相加，将整个波形都上移到x轴的上侧，使电压值在0～3.3V之内。电网电信号转换为低电压信号框图结构如图2所示。

图2 电网电信号转换为低电压信号框图

1.2 数据采样处理部分

经电流互感器处理后的低电压信号为模拟信号，需经过A／D转换电路变换成数字信号后，方能进入控制器进行相应的运算。对输入信号采样时，采样频率应满足奈奎斯特采样定理，一般来说，采样频率越高，得到的离散信号就越好，然后把得到的离散信号量化，将十进制的信号转换成二进制的信号。STM32F103ZET6处理器中的ADC为12位，内部参考电压为3.3V。

核心控制处理芯片STM32F103ZET6是一款基于Cortex－M3内 核 的 处 理 芯 片，封 装 为 LQFP－144。 速 度 为90MIPS，运行速度快，能快速地处理数据，闪存为512K，SRAM为64K，容量大、方便储存大量数据，有2个12位的ADC，能够更好地采集数据，具有体积小、功能强大和性能稳定等优点。其包含CAN，12C，SPI和USB等通信外围接口，也便于以后系统的扩展。

2 电力谐波测试仪的软件实现

软件系统主要有五大模块。分别为系统初始化模块，ADC（包括AD采样和数据处理）模块，FFT和相位差校正模块，结果计算模块以及液晶显示模块。软件设计的整体程序框图如图3所示。

图3 软件程序框图

软件处理中，利用FFT进行信号频谱分析，并利用相位差校正法对所测参数作进一步的校正。相位差校正法一般有三种［2，3］：第一种做法是采连续两段长为N的样本并分别进行FFT，利用对应谱线的相位差值校正出谱峰处的准确频率和相位；第二种做法是只采样一段时域信号，对这段序列分别进行N点和N／2点的FFT，利用其相位差校正出峰值谱的准确频率和相位；第三种做法是先将原时域序列前N／2点平移N／4点，再将前、后的N／4点置零形成一新序列，分别对原序列和新序列进行FFT分析，利用对应峰值谱线的相位差进行频谱校正，这些相位差校正方法各有特点，可应用在不同的工程实际中。经实验发现，后两种相位差法的频率校正精度远不如第一种方法［4］，而且第一种方法的实时性并不比其他两种差，因此本设计采用传统的第一种校正法。其校正流程如图4所示。

图4 第一类相位差法的频率校正流程

3 仿真、实测验证与结果分析

表1 实测结果与理论结果对比表

从表1可以看出，前10次谐波（包括直流成分）的误差均在1%左右，表明此系统误差非常小。系统的准确性验证后，就要测电网中的电信号。电网电信号经过互感器处理电路接入到设计所用开发板上，液晶显示屏上能够正常显示出各次谐波的参数值。因为谐波产生的原因及其特点，决定了谐波并不是一成不变的，它是随时随地变化的，测试的地点不同，结果就不同，唯一大致不变的是基波成分，其电压幅值为311 V，而测量的结果与这个值大致相等，并且谐波成分都非常地小，证明电网中的谐波成分含量很小，这也很符合实际，所以此系统测试电网中的电信号是比较准确的。

系统在测试的时候首先选用信号发生器产生的三角波信号去验证系统的准确性和精度，同时与该实际值相比较的理论值是利用Matlab仿真测得的。由于电网中的电信号的基波频率为50Hz，谐波频率为50Hz的整数倍，而三角波的频谱是由基波和很多次谐波组成，因此设计中用峰值3.3V，频率50Hz的三角波信号来代替。信号发生器产生的三角波信号输入到本测试仪所测结果与Matlab仿真结果按照对应谐波进行对比，如表1所示。

4 结论

针对电网谐波的检测和分析，设计了基于STM32的电力谐波测试系统，可以较高精度检测谐波的频率和幅值。系统利用多通道的并行AD进行信号采集，采用频谱分析的方法提取信号的幅值和频率信息，并采用相位差校正法对其作进一步校正以提高精度。相位差校正法在硬件平台上易于实现，且实施硬件结构简单，所得结果准确性较高，有一定的参考实用价值。

［1］ 刘晨曦.电力系统谐波检测全相位频谱分析研究［D］.沈阳：东北大学，2012.

［2］ 丁康，罗江凯，谢明.离散频谱时移相位差校正法［J］.应用数学和力学，2002，23（7）：729－735.

［3］ 谢明，张晓飞，丁康.频谱分析中用于相位和频率校正的相位差校正法［J］.振动工程学报，1999，12（4）：454－459.

［4］ 王兆华，黄翔东.数字信号全相位谱分析与滤波技术［M］.北京：电子工业出版社，2009：52－53.