关于IDT90E36A的谐波表设计方法研究-安科瑞 郭海霞.pdf

基于IDT90E36A 的谐波表设计方法研究-安科瑞 郭海霞 1 2 2 2 3 王健 ，吴勤卫 ，张新慧 ，蔡磊 ，张明 （1.中国轻工业成都设计工程有限公司 四川成都 610015） （2.江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏江阴 214405） 摘 要：介绍了谐波的危害和对电能计量的影响及谐波监测的重要性。并针对该需求介绍了基于 IDT90E36A宽动态范围芯片的谐波表设计，详细介绍基于该芯片的谐波分析功能，分析汉宁窗对谐波 计量的影响，并给出谐波测试数据。 关键词：90E36A，谐波分析，DFT，汉宁窗 1 引言 随着科学技术的发展，工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量应用。 造成了电网的谐波分量占的比重越来越大，它不但增加了电网的供电耗，而且干扰电网的保护装置与 自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网及电气设备的安全运行。 除了影响电力系统正常运行，电力谐波会使得电能计量仪表失准。从电磁感应式电能表的角度来 看，谐波使得电压线圈的阻抗和旋转盘阻抗出现变化，进而使得磁通量出现变化，从而导致电能计量 出现误差。从电子式电能表的角度看，电能表记录的数值是基波有功能量和谐波有功电能的总和，因 此其记录数值要比起负载消耗的基波点小。 鉴于此，加强对电网谐波监测和谐波电能计量很有必要的。针对这一需求，本文设计一款基于 IDT90E36A和STM32F103的谐波网络仪表。 2 总体设计 硬件设计以IDT90E36A和STM32F103为核心。采用高清晰度LCD作为显示，采用UART作为通讯 接口，采用大容量铁电作为数据存储。IDT90E36A特有的DFT计算引擎使得谐波分析更加简便和高效。 本文着重分析该仪表的谐波分析功能。 3 芯片介绍 IDT90E36A是IDT公司的一款三相电能计量芯片,该芯片集成了7个单独的2阶Σ-Δ型ADC，可 实现三相四线系统中的三个电压通道(A,B,C相)和四个电流通道(A,B,C相和中性线)的测量,90E36A 三相计量芯片拥有6000:1的业界最宽动态范围，结合了专有温度补偿技术的最低温度系数，其可在 各种应用和环境条件下能保持极佳性能，并符合IEC62052-11, 、IEC62053-22、IEC62053-23、ANSI C12.1及ANSI C12.20标准。IDT90E36具有带总谐波失真 (THD) 检测的片上离散傅立叶变换 (DFT) 分析引擎，且能实现高达32次的谐波分析。图1为IDT90E36A外围电路。 图1 4 谐波计量和汉宁窗 IDT90E36A 内置的离散傅立叶分析(DFT)计算引擎可完成6个通道2-32次的谐波分析功能。 图2是一种典型的信号识别系统框图。 图2 对数字信号进行快速傅里叶变换，可得到数字信号的分析频谱。分析频谱是实际频谱的近似。傅 里叶变换是对延拓后的周期离散信号进行频谱分析。如果采样不合适，某一频率的信号能量会扩散到 相邻频率点上，出现频谱泄漏。 所谓频谱泄露，就是信号频谱中各谱线之间相互干扰，使测量的结果偏离实际值，同时在真实谱 线的两侧的其它频率点上出现一些幅值较小的假谱。产生频谱泄露的主要原因是采样频率和原始信号 频率不同步，造成周期的采样信号的相位在始端和终端不连续。简单来说就是因为CPU 的 FFT 运 算能力有限，只能处理有限点数的 FFT，所以在截取时域的周期信号时，没有能够截取整数倍的周 期。信号分析时不可能取无限大的样本。只要有截断不同步就会有泄露。 为了减少频谱泄漏，通常在采样后对信号进行加窗处理。常见的窗函数有矩形窗 （即不加窗）、 三角窗、汉宁窗、汉明窗、高斯窗等。除了矩形窗外，其他的窗在时域上体现为中间高、两端低特征。 傅里叶分析的频率分辨率主要是受窗函数的主瓣宽度影响，而泄漏的程度则依赖于主瓣和旁瓣的 相对幅值大小。矩形窗有最小的主瓣宽度，但是在这些最常见的窗中，矩形窗的旁瓣最大。因此，矩 形窗的频率分辨率最高，而频谱泄漏则最大。不同的窗函数就是在频率分辨率和频谱泄漏中作一个折 中的选择。 在IDT90E36A 中采用汉宁窗