近年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)控制和日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛。這些非線性負(fù)荷設(shè)備大量涌入電力系統(tǒng)，導(dǎo)致電網(wǎng)中的諧波分量大大增加，電網(wǎng)波形畸變?nèi)遮厙?yán)重，對電力系統(tǒng)中的發(fā)變電設(shè)備、繼電保護(hù)裝置、通信設(shè)備和測量儀器等造成了不同程度的危害。因此，實(shí)時可靠地監(jiān)測和分析電網(wǎng)及非線性用電設(shè)備的諧波，將有利于電能質(zhì)量的評估，為諧波污染的治理提供依據(jù)。

    電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀廣泛用于變配電站、智能型配電盤/開關(guān)柜、智能建筑和能源管理系統(tǒng)中等，借助一定的通信規(guī)約，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集與控制。目前存在的電力參數(shù)測量儀表多以專用測量芯片和DSP芯片為核心，但大多數(shù)專用測量芯片不具備測量諧波的功能，且移植性差,不利于擴(kuò)展和升級；高端的監(jiān)控儀集成了ADC+DSP+ARM結(jié)構(gòu)，雖測量精度大幅度提高，但增加了硬件成本和復(fù)雜度,不利于數(shù)字化監(jiān)控儀的推廣使用。本文所設(shè)計的電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀采用了高精度ADC與ARM結(jié)合的模式，利用LPC2138芯片的高性能多資源的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度電量參數(shù)計量和實(shí)時諧波分析。ARM芯片具有高性價比、高可靠性和低功耗等特點(diǎn)，易于大范圍推廣使用。
　    數(shù)據(jù)采集模塊是保證諧波測量精度的基礎(chǔ)，本文在用FFT做諧波測量的工程應(yīng)用中對傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀的數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行了改進(jìn)。文中采用6通道16 bit的高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5451,加入鎖相環(huán)頻率跟蹤電路，基于改進(jìn)的加窗插值FFT算法，使諧波分析的精度在工程應(yīng)用中大幅度提高。
1 加窗插值基-2FFT算法原理
    主要的諧波分析檢測方法有快速傅里葉變換(FFT)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、奇異值分解、小波變換[3]等。其中FFT算法因計算高效性而在諧波分析中得到廣泛的應(yīng)用。
　 采用FFT算法進(jìn)行電力系統(tǒng)諧波分析時很難做到同步采樣和整數(shù)周期截斷,存在泄漏現(xiàn)象和柵欄效應(yīng)，使算出的信號參數(shù)不準(zhǔn)，尤其是相位誤差很大，無法滿足準(zhǔn)確的諧波測量要求。通過加窗插值算法可以消除柵欄效應(yīng)引起的誤差[5-7]，提高電力系統(tǒng)基波與各次諧波的分析精度。
    在實(shí)際測量中應(yīng)用最多的窗是矩形窗、Hanning窗和Blackman窗。其中Hanning窗的窗口在邊界處平滑衰減到0，可有效減小諧波間泄漏，且幅值分辨率和頻率分辨率精度較高,因此本文選用Hanning窗。

    FFT算法流程圖如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設(shè)計
    DFT或FFT都是建立在同步采樣條件之上的，存在同步偏差時，基于DFT或FFT的諧波分析會產(chǎn)生同步誤差。減少或者消除同步誤差的方法是使用同步采樣技術(shù)。本文在系統(tǒng)中采用同步采樣環(huán)節(jié)，使采樣點(diǎn)均勻分布在電網(wǎng)的一個整周波內(nèi)，實(shí)現(xiàn)同步采樣。
　 目前同步采樣的實(shí)現(xiàn)方法主要有軟件同步采樣法和硬件同步采樣法兩種。但由于電網(wǎng)工頻信號的頻率并不穩(wěn)定，如果采用軟件定時來采樣，雖然采樣點(diǎn)之間的時間間隔相等，但因信號周期長度的變化，使得每個周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)不固定，且不同周期的采樣點(diǎn)對應(yīng)的相位也是隨機(jī)改變的。一個周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)越少，這個問題就越嚴(yán)重也就無法對采樣信號進(jìn)行快速傅里葉變換。因此本文中采用硬件同步采樣法實(shí)現(xiàn)同步采樣。
2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
　 電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀的硬件結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：電源板、主板、CPU板和液晶顯示模塊。如圖2所示。

    電源板主要是實(shí)現(xiàn)由交流電到直流電的轉(zhuǎn)換，滿足不同器件所需的供電電壓；CPU板主要完成對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的電壓電流均值計算和諧波分析并完成相應(yīng)數(shù)據(jù)儲存；主板采用鎖相環(huán)倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)交流同步采樣，并通過串口與上位機(jī)通信。本文重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計。
　 本文設(shè)計利用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步等間隔采樣，即硬件同步采樣法。硬件同步采樣法是采用鎖相環(huán)頻率倍增技術(shù)來控制采樣的定時和速率：鎖相環(huán)組成的倍頻器的輸出可以用作采樣脈沖，與待測信號保持同步，由此觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行等間隔同步采樣。即可在每個信號周期內(nèi)，使輸出的脈沖間隔相等、個數(shù)固定，且在不同周期采樣對應(yīng)點(diǎn)的相位角相同，而脈沖信號之間的時間間隔隨輸入信號頻率的波動而改變。
2.2 鎖相環(huán)頻率跟蹤電路
    如圖3所示的電路是一典型的鎖相環(huán)頻率跟蹤電路。鎖相環(huán)路是一個相位反饋?zhàn)詣涌刂葡到y(tǒng)。它由相位比較器、濾波器和振蕩器幾個基本部件組成。壓控振蕩器的輸出經(jīng)采集并分頻后，與輸入信號同時輸入相位比較器。相位比較器通過比較上述兩個信號的頻率差，然后輸出一個直流脈沖電壓，控制振蕩器，改變它的頻率，電路自動跟蹤并鎖定，經(jīng)過一個很短的時間，振蕩器的輸出就會穩(wěn)定于某一期望值，達(dá)到鎖相狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)同步采樣。

    基于鎖相環(huán)的同步采集模塊采用六通道并行同步采樣的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，可大大提高交流電各種參數(shù)的測量精度。利用ARM片內(nèi)豐富的硬件資源和高速處理能力，植入嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，將諧波算法程序作為任務(wù)之一，使功能模塊化，易于功能的擴(kuò)展和軟件的升級，對同類儀器有一定的參考價值。
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