谐波电压测试装置设计方案思考

电能计量是电网核算的依据，计量设备的精度关系到电力供需双方的经济利益，分析研究谐波对电能计量的影响具有重要意义。电力系统各个电压等级电网中，均存在各种不同含量的谐波电压。根据国标要求，在 110kV 电压等级中，奇次谐波电压含有率限值为 1.6%，偶次谐波电压含有率限值为 0.8%。大量监测数据显示，在 110kV 电压等级中，谐波电压含量超标现象并不严重，但部分地区也会出现 5、7、11、13 或 23、25 等典型次谐波超标现象。CVT 作为 110kV 及以上等级电网的主要电压测量设备，其测量准确性对电能计量和继电保护均具有重大影响。本文对基于 CVT 的谐波电压测量给出了硬件设计方案。

设计系统图

针对关于电容式电压互感器测量谐波电压的新方法，设计了测试装置系统的硬件方案，硬件方案系统设计如图1 所示，图中标出的电流互感器 1 和电流互感器2 为电流测试点的位置。

电力系统中的一次电压接入 CVT 中，CVT 对基波频率下的电压有准确的传递变比，对谐波频率下的电压信号发生不同程度的畸变。在这个测量方法中，C1、C2 阻抗值大小随频率变化而变化，所以计算公式适用于任何频率任意时刻下电压的求取。

在低压电容支路上及内部电路接地支路上装设两个不同规格的电流互感器，将电流互感器输出的电压信号转送到数据采集装置中，数据采集装置中的采样模块对电压信号进行采集后，经过 FFT 处理和分析，对分析后的信号进行相量运算，最终得到计算电压 U1cal，送到计算机端以便后续处理和利用。

硬件设计方案

整个系统的硬件设计框图如图2 所示：

系统工作流程为：CVT 接地回路上的电流信号由电流互感器采集，信号转换为电压信号，然后经滤波隔离及相应的信号调理电路，再经过 A/D 转换器进行模数转换，然后 DSP读取转换结果并进行相应的数据运算处理。DSP 再将运算结果通过RS232 总线发送到ARM系统，ARM 系统接收来自 DSP 的相关数据，按照事先设定的程序进行本地存储或通过显示屏显示。

电流互感器

这两个电流测量点都是接地端，因此不需要高绕组绝缘，可以用具有足够带宽和精度的其他电流测量设备，此处选择电流互感器。测量设备的一个重要因素是确保本身在这条支路上的阻抗最小， 对 CVT 的传递特性影响不大。所以选择的电流互感器型号为 M2022-ALB，这是电流型电流电压互感器，它可以将外部采集到的电流信号转化为 0-5V的电压信号。因为 A/D 转换器的输入信号只能为电压信号，所以选择此型号电流互感器。

信号调理模块

被采集的电流信号是测量电能质量的其指标的原始数据来源，它的测量精度将直接影响到所有指标的测量精度，因此需要有特别高的测量精度。而信号调理电路处于数据采集电路的前端，该电路的精度是保证装置测量精度的非常重要的环节。输入的信号通过一个跟随电路后，加入一个二阶低通滤波电路来滤除采样信号中的高频干扰信号。

DSP 模块

DSP 数字信号处理器是一种高速专用的微处理器，DSP 芯片建立在数字信号处理的各种理论和算法基础上，专门完成各种实时数字信息处理。DSP 运算功能强大，专门处理以运算为主、实时性要求高的信号；有特殊的寻址方式，可高效地进行 FFT 运算；有灵活的 I/O 接口和片内 I/O 管理；有高速的并行数据处理算法的优化指令集，修改、升级方便；灵活地使用 C 语言或汇编语言编程；集成化程度高，成本低，可靠性好，硬件简化，有完整的开发和调试工具，开发周期短。

ARM 模块

ARM 是功能比 MCS-51 单片机更强大的 32 位单片机。ARM 微处理器的最大优势在于速度快、低功耗、高性能、芯片集成度高和外围接口丰富，并且目前 ARM 芯片的价格也只略高于单片机。在此系统设计中，ARM 主要用来统计、存储数据。ARM 还执行远程通信功能，服务于整个信息管理系统，将数据提供给计算机以供后续处理。

本装置采取 DSP 和 ARM 双核，可以让 DSP 专注于数字信号的处理，让 ARM 分担部分实时性要求不高的系统任务，如系统配置管理、人机交互、通信等，更大程度上满足了电流采样实时性和高精度的要求，采用这种设计方案，在满足处理大运算量实时任务要求的同时，系统的设计成本也相对较低。

A/D 转换器

A/D 转换器是模数转换电路中的核心器件，该器件在整个电气测量系统中占有重要地位。如果模数转换的位数低时，将引起较大的测量误差。假设最大测量为 50 次谐波，频率要求就是 2.5kHz，所以 AD 转换模块的输入信号频率要在 2.5kHz 以上。根据采样定理

ws > 2wmax ，所以采样的速率至少为 5kHz。

软件设计流程图

电流互感器输出电压信号，数据采集装置中的采样模块对电压信号进行采集后，经过 FFT 处理和分析，对分析后的信号进行谐波电压相量运算，最终得到计算电压 U1cal，送到计算机端以便后续处理和利用。

现场数据的采集、FFT 分析和谐波电压计算主要由DSP 部分完成，数据存储与通信由 ARM 部分完成 ，DSP 部分实时响应ARM 子系统的控制命令，并将采集数据和谐波电压计算结果回传给 ARM 子系统；ARM 子系统执行整个系统的管理和控制，且向 DSP 子系统发出控制命令，要求回传各种数据和信息。ARM 子系统与 DSP 子系统之间通过RS232串行总线进行通讯。在该系统构架下，实时采样和数据处理计算与系统的管理和控制可以并行执行，并且通过双方的通信使两个子系统在任务执行上实现了同步。这种基于双 CPU结构的系统在很大程度上保证了对于实时性和高精度，并且 ARM 子系统还可以将数据上传到计算机进行进一步分析处理。

注意的问题

FFT 分析

傅里叶变换是时域到频域互相转换的工具。从物理意义上讲，傅里叶变换的实质是把这个波形分解成许多不同频率的正弦波的叠加和。在运用 FFT 时，必须满足以下条件：

满足采样定理的要求，即采样频率必须是最高信号频率的 2 倍以上;

被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的。

当采样频率或信号不能满足上述条件时，利用 FFT 分析就会产生“频率混叠”和“频率泄漏”的现象，给数据分析带来误差。解决频率混叠的方法就是使采样频率的选取满足时域采样定理的要求，即采样频率必须大于被测信号最高频率的两倍。为提高其检测精度的关键在于减小泄漏和其它误差，可以采用加窗算法来解决。

电网频率发生偏差

当电能供需不平衡时，电网频率会发生偏差，频率偏差会导致运算结果与实际结果不符，解决这一问题可在信号进入 A/D 转换器之前设置锁相环PLL，锁相的意义就是相位同步的自动控制。锁相环能够完成两个信号相位同步的自动控制。

1.5 小结

伴随着各类新型电气设备的兴起，日益严重的电力谐波的问题也不容小视，解决电力波首先要对电力谐波监测和测量。电容式电压互感器本身体积小，成本低，重量轻，绝缘可靠性高，不易发生铁磁谐振，在高电压电网中占据了大部分市场，但是电容式电压互感器只适合于基波电压的测量，所以寻找一种 CVT 测量谐波电压的新方法十分必要。本文在基于 CVT 的谐波电压测量方法的基础上给出了谐波测量装置的硬件设计方案和软件流程图，对装置的每个模块进行了阐述，并提出了装置设计方案中应注意的问题。