基于快速傅立叶变换的在线电网谐波分析仪

0 引言

由于大量非线性负载(如开关电源、电弧焊机、电力变频器等)的应用，导致电网高次谐波含量增加，也就是谐波污染。如果不对谐波污染进行严格的限制会造成很大的危害。高次谐波含量超标对于电子设备会引发电磁兼容问题，导致半导体器件误动作；对于配电系统，会造成中性线电流过大以至发热甚至燃烧；对于电力传输系统，由于功率因素下降造成大量的能量消耗在电网电力传输线上。因此电力谐波分析治理对电网的管理有重要的意义。

1 电力谐波分析技术

1．1 电力谐波分析标准
　　电力谐波分析技术主要是分析电网电压波形的频域振幅特性，国际电工委员会(IEC)陆续颁布了IEC 61000电磁兼容(EMC)谐波电压规划值和兼容值，国家质量监督局于1993年颁布了国标《电能质量公用电网谐波》(GB／T14549-93)，分别对电网谐波规划值做出相关规定。可知对高次谐波的限制比对低次谐波的严格，而且3的倍数的谐波含量限制严格于非3的倍数的谐波。

1．2 频谱分析技术

频谱分析技术实现方法主要有扫频法和傅立叶变换法，采用扫频法实现的频谱分析仪也称为扫描调谐频谱分析仪，主要采用模拟信号处理技术，只能实现显示观察功能，其灵活性较差。采用傅立叶变换实现的频谱分析仪也称为实时频谱分析仪，主要采用数字信号处理技术实现。将数字信号处理算法用C语言实现并下载到数字信号处理器(DSP)，由数字信号处理器和各种输入输出模块共同构成的嵌入式系统，能够实现灵活的调整设置，并且很容易通过数字通信技术实现数据远传。在线电网谐波分析仪采用的是基于快速傅立叶变换(FFT)的频谱分析技术。

2 在线电网谐波分析仪的硬件设计

2．1 系统设计框图

系统设计框图如图1所示，通过工频同步方波电路、锁相倍频电路、模拟信号调理电路把电网电压信息引入到DSP中，利用傅立叶变换对电网信息进行分析。LCD分屏显示电网电压波形、频域上电压振幅谱，通过按键来实现电压波形和频谱显示来回切换。RS-485实现频谱分析结果数据远传，RS-232接口与PC机通信，通过Windows XP操作系统超级终端访问分析仪，对RS-485接口通信波特率、分析仪器的本机通信地址、各次谐波上限报警进行设置。

2．2 采样电路

2．2．1 模拟输入前端通路

采用高精度电压互感器检测电网的电压波形。电压检测电路如图2所示，电压互感器输出电压峰峰值为12V交流电压。其中R1起限流作用。

2．2．2 抗混叠滤波电路

抗混叠滤波采用二阶巴特沃斯响应滤波器实现。由于本分析仪器要对2～31次谐波进行分析，所以对高于31次谐波频率的信号可以通过滤波器滤除。通过设计该滤波器截止频率为5kHz。

2．2．3 工频同步方波产生电路

为了得到与电网电压频率一致的方波信号，本文设计了如图3所示的电路。电路工作原理是电网电压信号通过限流电阻R1后再通过两个反并联IN4007二极管得到了幅值为0．7V的方波。幅值为0．7V的方波通过电压比较器LM393得到幅值为5V的方波。

2．2．4 锁相倍频电路

锁相倍频电路由CD4046和双4位计数器CD4520构成。

2．2．5 电压调理电路

电压互感器输出电压通过滤波后得到的电压波形是-6v到+6V之间变化的正弦波，而A／D转换器输入电压范围是0～3V，所以需要通过模拟运放进行电压调理。运放U1是加法器，而U2是反相器，U3产生基准电压使电压信号提高到0V以上。电压调理电路原理如图4所示。