在曩昔，谐波剖析仪不只十分贵重，并且难以集成到大规模制作的电表中。因而，对电网进行谐波污染剖析是一件十分困难的作业，只能偶然由专业操作员在某些特定方位进行。现在，芯片不只能够集成更多的信号处理功用，并且尺度更小、价格更低价，能够完成对电网的高效运用和监控。
曩昔几十年来，电源体系呈指数式添加，其非线性特性引起了严峻的谐波污染。这或许带来多方面的晦气影响，例如：电气设备过热和过早老化，传输线路损耗添加，以及继电器维护失灵等。因而，业界越来越重视谐波污染问题，并采取了各项措施以完成更好的电网办理。其间，最佳的一个办法是在电网内设置更多的观测和剖析点，并且延伸监控时刻。跟着智能电表在全世界范围内的加速布置，满意上述要求的最佳器材会被用于其间。用于智能电表的ASIC集电能计量特性与谐波剖析功用于一身，或许是最适合当下的抱负解决方案。请牢记，考虑到一块芯片内要嵌入很多DSP资源，一同又有必要廉价、尺度小、功耗低，可想而知频谱剖析绝非易事。本文将评论一种测验满意一切这些需求的DSP架构解决方案。
基频预算和频谱成分提取
电网上不断改变的负载与相对稳定的发电输出之间存在一种动态的平衡联系，这导致在负载较高时，主电源频率会稍微下降，而在负载较低时，主电源频率会稍微进步。在电网高度发达并遭到亲近监控的国家，频率偏移量适当小，但在电网操控欠安的区域，频率偏移量或许大到足以影响电气设备。为此，业界已进行很多研究作业，企图找到经过优化各种参数，如精度、速度、噪声和谐波抗扰度等，来完成盯梢频率的最有用办法。
就电源体系的安全性、稳定性和功率而言，电网的频率是与电流和电压平等重要的作业参数。牢靠的频率丈量是有用的进行电源操控、负载减轻、负载康复和体系维护的先决条件。
检测和预算频率的办法有许多种。例如，过零办法经过丈量两个相继过零点之间的时刻距离来检测频率，这种办法的长处是十分简单完成，缺陷是精度较低，并且易受谐波、噪声、直流成分等影响。依据DFT的算法能够运用采样序列来预算频率，但它对输入信号中的谐波十分灵敏。针对本文所述的DSP架构，咱们调查了一种依据数字PLL的办法，发现它很有用，具有高抗扰度，一同还能供给准确的频率预算。
知道了要从频谱中所提取成分的准确频率后，咱们就能够调查各种用于提取的选项。谈到采样体系的频谱剖析，咱们自然会想到运用离散傅里叶改换(DFT)这个东西将信号从时域映射到频域。有多种数值算法和处理架构专门用于完成这种改换，FFT是其间最著名的一种。比照考虑提取的信息量和所需的DSP资源量，每种办法都有其长处和缺陷。
有一种交流电源体系理论运用复平面中的相量来代表电压和电流，该理论与一种以相似格局供给频谱成分的DFT改变办法相一致。从根本上说，在方针频率直接完成DFT公式也能到达相同的作用。可是，为使丈量具有实时性，咱们选用了一种从DFT公式取得求和元素的递归办法。施行办法有多种(取决于可用的DSP资源)，但有必要牢牢操控一个重要方面，这便是最大程度地下降频谱走漏和噪声引起的差错。
某一相的采样电压和电流与基波频率值一同经过一个核算模块，该核算模块以相量办法供给核算成果。针对每个基波频率和某些用户可选的谐波频率，都会供给一对相量(电压和电流)。有了这些重量之后，咱们就能够运用电源理论中的已知办法来提取RMS值和功率。RMS值适当于这些相量的起伏，视在功率则等于这些起伏的乘积。将电流相量直接投影到电压上并将二者相乘，就能够取得有功功率。分化电流的另一个正交元素与电压相乘就得到无功功率。
提到这儿，咱们要评论一下选用实时办法的或许长处(动机)。例如，这种架构能够很好地监控变压器中的浪涌电流。这种电流发生在变压器通电期间，由磁芯的部分周期饱满引起。初始起伏为额定负载电流的2到5倍(然后渐渐下降)，并具有极高的二次谐波，四次和五次谐波也会带着有用的信息。假如只看总RMS电流，浪涌电流或许会被误认为短路电流，因而或许过错地让变压器退出服务。为了辨认这种景象，有必要取得二次谐波起伏的准确实时值。当咱们只需求几个谐波的信息时，运用完好的FFT改换或许不是十分有用。
这种有挑选地核算几个谐波成分的办法或许比FFT办法更有用率，所谓三次谐波序列便是另一个很好的比如。有时需求特别注意三次谐波的奇数倍谐波(3、9、15、21…)。在接地Y型体系中，当电流在零线上活动时，这些谐波就会成为一个重要问题。它会引起两个典型问题：零线过载和电话搅扰。有时候，零线的三次谐波序列压降导致线路到零线电压严峻失真，致使某些设备发生毛病。本文提出的解决方案能够只监控零线电流以及一切相位电流之和上的这些谐波。
顶层DSP架构
上述DSP模块已添加到一个依据根本公式核算总RMS值和功率的现有架构。咱们还加入了一个用于核算多个电源品质因数的元件。首要，咱们核算谐波失真(HD)，以便依据基波RMS值归一化一切谐波RMS值。然后，运用总RMS值和基波RMS值，咱们依据规范界说核算总谐波失真加噪声(THD+N)。最终，依据有功功率与视在功率的比值，提取一切功率因数。
经过核算谐波功率因数，能够找出电网中的谐波源。尽管业界依然对查找首要谐波源的最佳办法存在争议，可是其间一种传统办法是依据“有功功率的活动方向”。这适当于承认该特定谐波频率在体系某一点或多个点上的有功功率符号。在失真电压下作业时，线性负载会针对每个谐波发生有功功率，并且假如客户端存在非线性元件，该功率会进入网络。经过丈量污染谐波电压和电流的相位视点，然后核算其差值，能够确认该值。而在此架构中则不用如此，由于谐波功率因数能够供给该信息。
这种DSP架构已在三相电能计量器材上成功完成，它具有如下硬件资源：单MAC架构，作业时钟频率为16MHz，信号采样速率为8kHz，具有1k字的数据存储器。一切三相的基波丈量成果接连核算，谐波剖析仪则能从给定相位(A、B或C)接连提取三个随机谐波值。该架构是可扩展的，某些性能参数已依据已知的电网作业条件进行了优化。
尽管不能一次性供给一切谐波值看起来像缺陷，但咱们要记住，电网中的谐波污染最重要的影响仍是在于准稳现象。实际上，关于工业和商用负载，主张剖析至少一周内的谐波污染，而应防止任何零散的丈量。在上述前提下，凭仗该架构的多功用性，用户能够经过扫描一切三相上的一切可用谐波内容来获取近似FFT的成果。
结束语
在曩昔，谐波剖析仪不只十分贵重，并且难以集成到大规模制作的电表中。因而，对电网进行谐波污染剖析是一件十分困难的作业，只能偶然由专业操作员在某些特定方位进行。将更多信号处理功用集成到小型且经济的芯片中将彻底改变这一现状，为更有用地了解和运用电网翻开方便之门，让电力公司和顾客均将从中获益。本文介绍的DSP架构现已集成到ADI公司的一款器材中，该器材是ADI电能计量部分针对多相商场推出的最新器材之一。
