【正文】 轉(zhuǎn)換器，提供了多種電壓測(cè)量量程，甚至可以測(cè)量高于供電電壓的模擬電壓信號(hào)，也可以測(cè)量低于系統(tǒng)地電壓的模擬電壓信號(hào)，使用靈活方便。如果進(jìn)行12位的數(shù)據(jù)編碼，根據(jù)采樣定理，理=60Kbps，而 MAX197的數(shù)據(jù)吞吐量轉(zhuǎn)換為相同單位時(shí)，為100Kx12=1200KbP、考慮到采樣并不能在理想情況下進(jìn)行，提高3至5倍的采樣頻率，吞吐量依然會(huì)有很大的冗余。課題選用美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的8通道刀D轉(zhuǎn)換器MAX197。%，響應(yīng)時(shí)間小于1μs，工作頻帶寬度是0到100KHZ。電流傳感器使用該公司的NT100S(T)，其主要電氣參數(shù)為:測(cè)量范圍是0200A(對(duì)于供電線路，這個(gè)范圍可以進(jìn)行多數(shù)情況的電流測(cè)試，如果電流超過(guò)范圍，可以通過(guò)電路的并聯(lián)分流，降至測(cè)量范圍內(nèi))，準(zhǔn)確度是177。%，非線性度≤177。 3 硬件設(shè)計(jì) 主要芯片的選擇 傳感器的選擇根據(jù)上一章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖，首先要使用傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本課題采集的電力信號(hào)以220V有效電壓的市電的諧波為采集對(duì)象，依據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)指標(biāo)的要求，傳感器選用南車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的NCV4A電壓傳感器，其主要技術(shù)指標(biāo)是，測(cè)量范圍是0到177。一般情況下，設(shè)備在沒(méi)有總線活動(dòng)3ms后進(jìn)入掛起狀態(tài)，掛起后設(shè)備的用電消耗將不超過(guò)500A。掛起又分為兩類，全部的和選擇性的。 總線供電HUB在主機(jī)沒(méi)有進(jìn)行配置前，USB設(shè)備所提供的電流最大不超過(guò) 100mA，而在配置后，可以根據(jù)配置情況，為外設(shè)提供更大的電流。但是，總線供電集線器只能從向上傳輸線上得到電源，這嚴(yán)重限制了他們?yōu)楫?dāng)前連接的外設(shè)提供全面能量的需要。HUB和外設(shè)可以自己接供電電源，也可以使用USB提供的電源。低速傳輸時(shí)使用的是無(wú)屏蔽電纜，可以降低成本。傳輸?shù)碾娎|可以長(zhǎng)達(dá)5米，而低速傳輸時(shí)，電纜只能有3米長(zhǎng)。主機(jī)只支持A型的連接，而HUB則有A型和B。連接主機(jī)或上端HUB的連接頭叫做A型連接器，它的形狀是長(zhǎng)方形式的。對(duì)于USB的HUB和外設(shè)來(lái)說(shuō)，連接接口只有兩種類型。此外。獨(dú)立集線器通常只有上行和下行端口(上行即數(shù)據(jù)從外設(shè)傳送到主機(jī)，下行傳輸方向相反)，而復(fù)合型則是除了具有集線器的功能外，還具有其它的外設(shè)功能，像顯示器和鍵盤這樣的HUB設(shè)備。作為中繼器使用時(shí)，把信息包上傳到連接的上一級(jí)主控制器(或上一級(jí)HUB)，或者下傳到所接的下一級(jí)外設(shè)。由于HUB能連接下一級(jí)的HUB，所以可以建立外設(shè)的多級(jí)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。外設(shè)或Hub可以連接到已經(jīng)與主控制器連接的HUB上，構(gòu)成多級(jí)星型結(jié)構(gòu)。外設(shè)可以直接連接到主控制器端口，更多的情況下，是使用USB集線器(Hub)直接連接到主控制器端口，這樣可以連接更多的外設(shè)。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB系統(tǒng)中，只有一個(gè)主控制器控制全部系統(tǒng)，主控制器負(fù)責(zé)處理各種外設(shè)的數(shù)據(jù)輸入輸出的傳輸。此外，鼠標(biāo)和鍵盤這樣的低速設(shè)備不需要全速的12Mbps帶寬，這樣的低速設(shè)備可以共用帶寬，從設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)化和USB的易用性中獲得好處。同時(shí)也支持時(shí)實(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，如音頻、語(yǔ)音及壓縮視頻。由于各種外設(shè)都可以使用USB接口進(jìn)行連接，而且連接方式非常簡(jiǎn)單，原先一般用戶很難完成連接的外設(shè)現(xiàn)在可以方便的接在計(jì)算機(jī)上了。因?yàn)槭褂昧薝SB接口，計(jì)算機(jī)內(nèi)也就不會(huì)再有DIP開(kāi)關(guān)、跳線、IRQ沖突和DMA沖突。不管是連接顯示器、打印機(jī)，還是連接大容量磁盤存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器，只需要使用USB一種電纜就可以了。 USB的特點(diǎn)USB提供了最簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)外設(shè)連接方式。對(duì)于一般用戶而言，它使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接外部設(shè)備變得更為方便和容易了。更糟的是用戶不知道從哪下手解決問(wèn)題，為此我們不得不為等待幫助而擔(dān)擱數(shù)小時(shí)。在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，選擇合適的開(kāi)發(fā)工具，可以達(dá)到事半功倍的效果，極大地降低開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集程序所需要的時(shí)間及成本。軟件在數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，起著非常重要的作用，它負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)采集硬件和計(jì)算機(jī)結(jié)合成一個(gè)完整的系統(tǒng)，并控制完成數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示等任務(wù)。 對(duì)于計(jì)算機(jī)的選擇可以根據(jù)使用情況來(lái)確定，要實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，要選用高速的處理器或?qū)Ｓ玫牟迦胧教幚砥鳎鐢?shù)字信號(hào)處理(DSP)板卡，而對(duì)于只采集或簡(jiǎn)單換算處理的數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)，則選用一般微機(jī)就可以滿足。選定使用某一類傳送方式，必須使用支持這類傳送的設(shè)備。 計(jì)算機(jī)現(xiàn)在都有可編程I／O傳送、中斷傳送及DMA傳送方式。使用RS232或RS485串口，數(shù)據(jù)采集的吞吐量會(huì)受到一定的限制，在采集速率要求較高時(shí)，就不能滿足需要了。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)從成本上講，更多使用的是微機(jī)，它的性能和連接總線有可能直接影響數(shù)據(jù)連續(xù)采集的速度。 圖2 波形數(shù)字化信號(hào)對(duì)比示例編碼寬度在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中反映了最小可探測(cè)的電壓變化，其定義是數(shù)字化后，數(shù)據(jù)最低位有效位1(LSB)代表的電壓變化范圍，從定義可知，用電壓范圍除以增益和2的分辨率次冪的乘積來(lái)進(jìn)行計(jì)算。比如分辨率增加到16位時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換的編碼數(shù)從8增加到216(65536)個(gè)，在取值范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)描述更加精細(xì)。從圖中可以明顯的看出，數(shù)字表示的階梯圖形與原始信號(hào)有著明顯的不同，這些不同就是由于模／數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，數(shù)字信號(hào)丟失了部分信息造成的。用來(lái)表示數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)越多，分辨率越高，信號(hào)范圍內(nèi)被分割成的區(qū)間數(shù)目越大，所以能探測(cè)到的電壓變化情況就越細(xì)微。奈奎斯特定理是一種理想的采樣定理，是在完全沒(méi)有噪聲干擾情況下的理論值，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往要保持理想采樣信號(hào)最高頻率的3—5倍。 奈奎斯特采樣定理告訴我們?cè)诶硐肭闆r下，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，采樣頻率只要是信號(hào)最高頻率的二倍，就能夠保證經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)保留著相應(yīng)頻率內(nèi)完整的原始信息。采樣速率越高，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也越大，對(duì)信號(hào)的描述越仔細(xì)，但是對(duì)于一些信號(hào)而言，以一定的采樣頻率采樣后，其數(shù)據(jù)已經(jīng)滿足了我們對(duì)信號(hào)分析的要求，如果再提高采樣速率，對(duì)信號(hào)的描述也不會(huì)有顯著的提高，所以選取合適的采樣速率是一種既經(jīng)濟(jì)又不會(huì)影響到分析結(jié)果的好方法。 采樣速率就是每秒種進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。如果信號(hào)達(dá)不到這些標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該使用差分輸入。單端輸入中，輸入信號(hào)均以共同的地線為基準(zhǔn)。這些指標(biāo)在模／數(shù)轉(zhuǎn)換是都要加以考慮，其主要原因是信號(hào)在模／數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)有損失，對(duì)上述指標(biāo)的考慮，可以把這種損失控制在合理的范圍內(nèi)，這樣就不會(huì)影響到后期的分析處理。在設(shè)計(jì)調(diào)理電路時(shí)，要了解測(cè)量的信號(hào)特性、前后電路的輸出輸入范圍(用于測(cè)量信號(hào)的配置調(diào)整)和系統(tǒng)使用的周邊環(huán)境，根據(jù)這些信息，才能確定是否使用調(diào)理電路，及實(shí)現(xiàn)那些功能。模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路若進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集，則每個(gè)通道的有效采樣速率和采樣的通道數(shù)呈反比[4]。 調(diào)理電路部分在需要時(shí)還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。 此外，隔離也是調(diào)理電路的主要責(zé)任，其目的是為了把傳感器的信號(hào)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行隔離，以防止外部電路產(chǎn)生有害信號(hào)，造成對(duì)計(jì)算機(jī)的損壞。此外，一些傳感器需要加電才能進(jìn)行正常工作，調(diào)理電路也要為其提供合適的電源。直接轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)是和它所檢測(cè)的物理量呈比例的模擬信號(hào)，不能直接被計(jì)算機(jī)使用，并且?guī)ж?fù)載能力差，這些問(wèn)題都需要調(diào)理電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?數(shù)據(jù)采集概述一般的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要由傳感器、調(diào)整電路、接口電路和裝有相關(guān)軟件的計(jì)算機(jī)組成，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。諧波的產(chǎn)生與功率轉(zhuǎn)換器的脈沖數(shù)相關(guān)，脈沖數(shù)越高，諧波分量的頻率次數(shù)就越高，而一般的功率消耗設(shè)備，其脈沖數(shù)都不是很高，且隨著諧波分解的次數(shù)增高，諧波分量的振幅值越來(lái)越小，其在總電量中所占的成份也越來(lái)越小，當(dāng)諧波次數(shù)高到一定值時(shí)，它的振幅值己經(jīng)非常小了，可以忽略它的存在，這并不會(huì)影響到分析的結(jié)果。 標(biāo)準(zhǔn)同樣對(duì)公共連接點(diǎn)允許注入的諧波電流值也做了規(guī)定，分析電流的情況，同樣也需要對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，以便于檢測(cè)各次諧波量，判斷是否符合規(guī)定。 根據(jù)國(guó)家 GB/T1454993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的公用電網(wǎng)諧波電壓限值要求，需要知道電路的標(biāo)稱電壓，得到電壓的總諧波畸變率及各次諧波電壓含有率。例如，是基波頻率3倍的波稱為三次諧波，另外，如果是基波頻率的奇數(shù)倍，稱為奇次諧波。 若電壓不是上述波形，而是畸變的周期性波形，則可以看成是基于上述標(biāo)準(zhǔn)的基波與頻率若干倍于基波的各個(gè)余弦波疊加的結(jié)果。 a表示初相角，在三相電力系統(tǒng)中，其相互間的差值是120186。此外，現(xiàn)在配置了USB接口的計(jì)算機(jī)體積越來(lái)越小，價(jià)格越來(lái)越低，相對(duì)于基于微處理機(jī)的專業(yè)工具，成本和性能上反而更有優(yōu)勢(shì)。我們相信，隨著人們對(duì)諧波的研究日漸深入，會(huì)針對(duì)不同的諧波類型，采取更有效的針對(duì)性的措施進(jìn)行治理，而這種識(shí)別和治理的主角還是計(jì)算機(jī)，前提條件是計(jì)算機(jī)能獲得電網(wǎng)當(dāng)中電壓、電流的有效數(shù)據(jù)。再者，手持式的設(shè)備只是對(duì)一個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，要實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)，還是采用計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更方便。國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品在價(jià)格上有優(yōu)勢(shì)，但性能上與國(guó)外有一定差距。為解決這些問(wèn)題，又開(kāi)發(fā)出多種嵌入了微處理芯片的諧波測(cè)量?jī)x器，其特點(diǎn)是體積小，可以手持，有一定的存儲(chǔ)能力，可以記錄測(cè)量的多個(gè)參數(shù)，并可以安指定的計(jì)算方式，進(jìn)行電力諧波的一些固定方式的分析計(jì)算。從開(kāi)始的手工測(cè)量計(jì)算，到后來(lái)的使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。我國(guó)政府也非常重視電力諧波的控制，在1984年由水利電力部頒布了SD12684《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》，之后在結(jié)合國(guó)情，吸取國(guó)外諧波標(biāo)準(zhǔn)研究成果的基礎(chǔ)上，又于1993年由能源部組織制定并經(jīng)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局批準(zhǔn)發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1454993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了電網(wǎng)的諧波允許量，以保證用電的質(zhì)量及電網(wǎng)的安全。但隨著社會(huì)的進(jìn)步，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家電力工業(yè)高速發(fā)展，使用的電器設(shè)備從種類到數(shù)量呈爆炸性的超前增漲，其中非線性負(fù)載的也隨之大量增加，其結(jié)果是造成電網(wǎng)內(nèi)諧波所占成分快速增加，由此引起的危害和造成的損失越來(lái)越多，引起了工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，開(kāi)始了對(duì)電力諧波的研究，并從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上采取手段限制電力網(wǎng)中的諧波成分，并制定頒布了電力系統(tǒng)諧波限制標(biāo)準(zhǔn)[3]。 課題研究的現(xiàn)狀及意義 電力諧波的問(wèn)題，最早是德國(guó)在上個(gè)世紀(jì)二十年代發(fā)現(xiàn)的，隨后對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，也發(fā)表了許多的文章，但是當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起很大的關(guān)注。與正 EE1394接口相比，其普及率大大超過(guò)了IEEE1394接口。隨著高版本的USB接口的開(kāi)發(fā)，在保持了對(duì)低版本兼容的同時(shí)，最大傳輸速率可以達(dá)到5GbPs。很多原先使用其它接口的計(jì)算機(jī)外設(shè)，現(xiàn)在都在使用USB接口。雖然IEEE1394接口有諸多好處，但是，現(xiàn)在絕大多數(shù)主流的計(jì)算機(jī)沒(méi)有配置IEEE1394接口，要使用該接口必須外購(gòu)相應(yīng)的接口卡。它有兩種工作模式，、25Mbps和50Mbps。并行口即 IEEE1284接口，也叫centronies接口，最大的傳輸速率是2MBPs，但連接電纜的長(zhǎng)度不能超過(guò)2米，也不支持熱插拔[2]。此外還有成本低，采集效果好，靈活實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。其二，由于所使用的接口均具有即插即用功能，所以，采集電路安裝方便。與機(jī)箱內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比通過(guò)接口連接的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的。但是PCI總線并行總線無(wú)法連接太多設(shè)備，總線擴(kuò)展性較差，加之位于機(jī)箱內(nèi)，具有線間干擾可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作的缺點(diǎn)，也使得PCI總線在一定場(chǎng)合內(nèi)使用受到了限制。與ISA總線相比，PCI總線是與系統(tǒng)總線并行的總線，其上連接的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，不需要CPU的介入，極大的提高了CPU的利用率。數(shù)據(jù)帶寬得到了很大的提高。其工作頻率早期為33MHZ，后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的主頻提高，PCI的總線頻率也提升到了66MHZ，數(shù)據(jù)總線為32位。取而代之的是PCI總線。其工作頻率為SMHZ左右，最大的傳輸速率可以達(dá)到16MBPs，數(shù)據(jù)總線為16位，曾經(jīng)是微機(jī)的主流配置，但是由于ISA總線占用的CPU資源太高，總線帶寬相對(duì)所使用資源的占用率又太低，使用成本過(guò)高。 因?yàn)樗俾时扰渲玫拇谒俣纫咭恍?，早期機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多使用ISA插槽。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以以板卡形式集成在計(jì)算機(jī)主機(jī)箱內(nèi)，也