论文部分内容阅读
【摘 要】本文设计一台精度达标，价廉实用的变压器空载电流谐波测量仪.设计的测量仪研究采用快速傅里叶变换算法，分别设计了系统的硬件和软件，最后验证设计谐波分析算法的正确性。
【关键词】空载电流；谐波；单片机
【中图分类号】 TM41【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0021-02
0 引言
通过对变压器空载电流谐波的测量属于特殊试验项目，试验的目的是通过测量空载电流的谐波构成及数值以检查铁芯的饱和程度，验证设计的合理性。
目前电力系统中谐波的测量仍需采用谐波测量仪，现有的专用谐波测量仪，如日本的HWA-1型、德国的NOWA-1型以及中国的GXF-908型等[2]，价格昂贵，操作复杂。因此，研究设计一台满足精度要求、廉价实用的谐波测量仪十分必要。如果设计合理，该装置除了可以测量变压器空载电流的谐波外，还可以扩展到进行电力系统中谐波的测量。
1 快速傅里叶变换
离散傅里叶变换的理论依据是利用计算机对信号进行频谱分析。但是，如果直接利用离散傅里叶变换来计算信号频谱的话，计算量太大，而且其实际意义也不是很大，因此，需要对离散傅里叶变换算法进行改进 。
快速傅里叶变换算法的提出，使得运算的速度提高了1～2个数量级，使理论变成了实践。
快速傅里叶变换是数字信号处理中最基本的算法，也是对数字信号进行分析和处理强有力的工具。
离散傅立叶变换（DFT）是对信号进行频谱分析的理论依据，快速傅立叶变换（Fast Fourier Transfrom-FFT）是实现DFT的一种高效的计算方法[4]。
2 系统硬件设计
2.1 系统硬件总体设计
根据设计的要求，装置以MCS-51单片机为核心，在外围扩展数据存储器等元件。硬件系统主要由互感器、信号采集和处理电路以及用户接口等模块组成。
2.2 系统硬件选择
（1）单片机选择。单片机作为硬件设计的核心，是数据处理、参数计算以及其他电流的控制中心。本装置中采用STC公司生产的89C516rd+作为核心控制芯片，它完全兼容ATMEL公司的51单片机。
（2）电流互感器选择。
根据试验的要求，选择互感器HCT210A，这是一种精密电流互感器，其主要参数为：输入电流1～10A，输出电流2.5～25mA，精度为0.1%，线性度为0.1%，相移18分。
典型的应用电路，次级并联一个滑动变阻器，可以用来调节输出电压的大小。但输出电压的有效值要求小于等于3.53V，以免失去线性度。
（3）A/D转换模块。本次设计采用的A/D芯片为ADC0804，它采用CMOS工艺20引脚集成芯片，分辨率为8位，转换时间为100us，输入电压范围为0～5V，它是一款单通道逐次渐近型的模/数转换器。
（4）数据存储模块。根据实际需要，本次设计中经单片机FFT处理过的数据要求能够被保存，且其数据量相对单片机自身的数据存储器而言比较大，因此需要外扩数据存储器。考虑到一个周波的电流经FFT处理后数据的大小和芯片的成本，我们选择AT24C32作为数据存储器，其能存储的数据量为32K。
（5）液晶显示器选择。在本次设计中，要求能够显示汉字和数字，因此，我们选用LCD液晶模块作为其显示系统。
LCD（Liquid Crystal Display）是液晶显示器英文名称的缩写，液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点。本设计中选择常用的点阵图形型液晶显示模块12232，单片机和12864液晶模块并口连接。
（6）键盘接口模块。本次设计中，由于目前只考虑设计由按键控制液晶显示的翻页，所以需要的按键比较少，只有下翻页和上翻页，因此采用独立式键盘。
（7）电路板设计。为了避免电路高压部分对电路板的信号干扰，整个硬件电路分为两块电路板进行设计。互感器模块单独作为一块板子，而其它的硬件模块组成另一块电路板。
3 系统软件设计
本次设计所使用的开发软件为Keil C51。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
3.1 软件主程序设计
主程序初始化之后，采集信号，存储到外接的数据存储器里，达到所需要的点数之后，对其进行FFT计算，将计算后的参数存入数据存储器。若整个过程中有按键操作（即复位键）执行中断。
3.2 FFT算法子程序设计
FFT程序包括倒位序和L级递推计算两部分，倒位序采用三个嵌套循环构成了整个L级的递推过程。
层循环控制不同种蝶形结的运算。
4 算法验证及装置实验
为了验证设计进行的谐波分析算法的正确性，同时也暂时出于本设计初次使用的安全考虑，只是先对华北电力大学动模实验室的试验变压器进行了实验。并将测得的电流通过中国电力科学研究院研制的DF1024波形记录仪进行了录波，然后将波形数据导入matlab，然后用matlab软件进行快速傅里叶分析，并与本设计所分析的结果进行对比。
试验用的变压器是用三台单相变压器组成的变压器组，采用的接线方式是Y，d11。每台单相变压器基本参数见表4-1所示：
DF1024便携式波形记录仪是与PC机相连，采样频率为5000Hz。
我们对变压器b相的一个周波空载电流数据进行了分析，将录波仪录到的数据导入matlab，在matlab中进行了fft分析，同时，将同样的数据样本在单片机中进行了运算，算得的结果如表5-2所示。
总体来看，单片机运行的数据结果和matlab运行的数据结果走向是一致的。尽管误差的最大达到20%，但那是占分量很小的高次谐波，而对于对变压器铁心的性质判断影响比较大的前五次谐波，其误差都在工程上允许的10%以内。
两个运算结果存在一定程度的偏差是必然的，这是由于单片机运算速度和有限资源限制了运算的准确性和精度。
5 总结
本文设计的基于单片机的变压器空载电流谐波测量仪采用FFT算法分析谐波，通过实验对比，验证了所设计的谐波分析算法的正确性。
【关键词】空载电流；谐波；单片机
【中图分类号】 TM41【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0021-02
0 引言
通过对变压器空载电流谐波的测量属于特殊试验项目，试验的目的是通过测量空载电流的谐波构成及数值以检查铁芯的饱和程度，验证设计的合理性。
目前电力系统中谐波的测量仍需采用谐波测量仪，现有的专用谐波测量仪，如日本的HWA-1型、德国的NOWA-1型以及中国的GXF-908型等[2]，价格昂贵，操作复杂。因此，研究设计一台满足精度要求、廉价实用的谐波测量仪十分必要。如果设计合理，该装置除了可以测量变压器空载电流的谐波外，还可以扩展到进行电力系统中谐波的测量。
1 快速傅里叶变换
离散傅里叶变换的理论依据是利用计算机对信号进行频谱分析。但是，如果直接利用离散傅里叶变换来计算信号频谱的话，计算量太大，而且其实际意义也不是很大，因此，需要对离散傅里叶变换算法进行改进 。
快速傅里叶变换算法的提出，使得运算的速度提高了1～2个数量级，使理论变成了实践。
快速傅里叶变换是数字信号处理中最基本的算法，也是对数字信号进行分析和处理强有力的工具。
离散傅立叶变换（DFT）是对信号进行频谱分析的理论依据，快速傅立叶变换（Fast Fourier Transfrom-FFT）是实现DFT的一种高效的计算方法[4]。
2 系统硬件设计
2.1 系统硬件总体设计
根据设计的要求，装置以MCS-51单片机为核心，在外围扩展数据存储器等元件。硬件系统主要由互感器、信号采集和处理电路以及用户接口等模块组成。
2.2 系统硬件选择
（1）单片机选择。单片机作为硬件设计的核心，是数据处理、参数计算以及其他电流的控制中心。本装置中采用STC公司生产的89C516rd+作为核心控制芯片，它完全兼容ATMEL公司的51单片机。
（2）电流互感器选择。
根据试验的要求，选择互感器HCT210A，这是一种精密电流互感器，其主要参数为：输入电流1～10A，输出电流2.5～25mA，精度为0.1%，线性度为0.1%，相移18分。
典型的应用电路，次级并联一个滑动变阻器，可以用来调节输出电压的大小。但输出电压的有效值要求小于等于3.53V，以免失去线性度。
（3）A/D转换模块。本次设计采用的A/D芯片为ADC0804，它采用CMOS工艺20引脚集成芯片，分辨率为8位，转换时间为100us，输入电压范围为0～5V，它是一款单通道逐次渐近型的模/数转换器。
（4）数据存储模块。根据实际需要，本次设计中经单片机FFT处理过的数据要求能够被保存，且其数据量相对单片机自身的数据存储器而言比较大，因此需要外扩数据存储器。考虑到一个周波的电流经FFT处理后数据的大小和芯片的成本，我们选择AT24C32作为数据存储器，其能存储的数据量为32K。
（5）液晶显示器选择。在本次设计中，要求能够显示汉字和数字，因此，我们选用LCD液晶模块作为其显示系统。
LCD（Liquid Crystal Display）是液晶显示器英文名称的缩写，液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点。本设计中选择常用的点阵图形型液晶显示模块12232，单片机和12864液晶模块并口连接。
（6）键盘接口模块。本次设计中，由于目前只考虑设计由按键控制液晶显示的翻页，所以需要的按键比较少，只有下翻页和上翻页，因此采用独立式键盘。
（7）电路板设计。为了避免电路高压部分对电路板的信号干扰，整个硬件电路分为两块电路板进行设计。互感器模块单独作为一块板子，而其它的硬件模块组成另一块电路板。
3 系统软件设计
本次设计所使用的开发软件为Keil C51。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
3.1 软件主程序设计
主程序初始化之后，采集信号，存储到外接的数据存储器里，达到所需要的点数之后，对其进行FFT计算，将计算后的参数存入数据存储器。若整个过程中有按键操作（即复位键）执行中断。
3.2 FFT算法子程序设计
FFT程序包括倒位序和L级递推计算两部分，倒位序采用三个嵌套循环构成了整个L级的递推过程。
层循环控制不同种蝶形结的运算。
4 算法验证及装置实验
为了验证设计进行的谐波分析算法的正确性，同时也暂时出于本设计初次使用的安全考虑，只是先对华北电力大学动模实验室的试验变压器进行了实验。并将测得的电流通过中国电力科学研究院研制的DF1024波形记录仪进行了录波，然后将波形数据导入matlab，然后用matlab软件进行快速傅里叶分析，并与本设计所分析的结果进行对比。
试验用的变压器是用三台单相变压器组成的变压器组，采用的接线方式是Y，d11。每台单相变压器基本参数见表4-1所示：
DF1024便携式波形记录仪是与PC机相连，采样频率为5000Hz。
我们对变压器b相的一个周波空载电流数据进行了分析，将录波仪录到的数据导入matlab，在matlab中进行了fft分析，同时，将同样的数据样本在单片机中进行了运算，算得的结果如表5-2所示。
总体来看，单片机运行的数据结果和matlab运行的数据结果走向是一致的。尽管误差的最大达到20%，但那是占分量很小的高次谐波，而对于对变压器铁心的性质判断影响比较大的前五次谐波，其误差都在工程上允许的10%以内。
两个运算结果存在一定程度的偏差是必然的，这是由于单片机运算速度和有限资源限制了运算的准确性和精度。
5 总结
本文设计的基于单片机的变压器空载电流谐波测量仪采用FFT算法分析谐波，通过实验对比，验证了所设计的谐波分析算法的正确性。