[发明专利]一种基于STM32F107VCT6的微电网谐波与间谐波检测装置及检测方法

权利要求书

1.一种基于STM32F107VCT6的微电网谐波与间谐波检测装置，包括信号采集模块、信号处理模块和信号的显示输出模块，其特征在于：所述的信号采集模块中采用霍尔电压电流传感器作为采集电网三相电压电流的采集器；所述的信号处理模块包括电压电流的转换电路、抗混叠滤波电路、电平调整电路、核心处理器STM32F107VCT6和处理器外围电路；所述的信号采集模块的霍尔电压电流传感器的采集端与电网连接，输出端接信号处理模块，在信号处理模块中依次经过电流电压转换电路、抗混叠滤波电路和电平调整电路；所述的电平调整电路的输出端接核心处理器STM32F107VCT6的A/D转换器输入端，STM32F107VCT6的外围接入LCD显示屏。

2.根据权利要求1所述的一种基于STM32F107VCT6的微电网谐波与间谐波检测装置，其特征在于：所述的处理器外围电路包括电源电路、复位电路和晶振电路；所述的电源电路通过电压变换提供整个系统工作所需的不同电压的电源；所述的复位电路中采用复位芯片手动复位方式；所述的晶振电路为单片机提供时钟信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于STM32F107VCT6的微电网谐波与间谐波检测装置，其特征在于：所述的输出显示模块包括LCD显示屏、键盘、PC通信模块。

4.根据权利要求3所述的一种基于STM32F107VCT6的微电网谐波与间谐波检测装置，其特征在于：所述的输出显示模块中还包含有键盘电路，键盘与核心处理器STM32F107VCT6的连接是通过键盘电路连接。

5.一种微电网谐波与间谐波检测方法，其步骤为：

（1）在满足奈奎斯特采样定理的情况下，以固定采样频率对电力系统信号进行等间隔采样，即有等式

K·T_s＝P·T₀     （1-1）

成立，其中T_s为采样周期，T₀是信号周期，K为采样点个数，P为信号周期个数，对于非同步采样，显然P不为整数；

（2）采用自适应跟踪数字陷波滤波器滤去采样序列x(KT_s)中的基波分量，得到新的采样序列x'(KT_s)，因此从x(KT_s)中减去x'(KT_s)，即可得到基波分量x₀(KT_s)；与传统的陷波滤波器相比，自适应跟踪数字陷波滤波器由于结合了自适应的滤波方式使得基波频率在50Hz附近波动时也能准确滤除，理想数字陷波滤波器的频率响应为

H(ejωt)=1ω≠ω00ω=ω0---(1-2)]]>

其中e为自然常数，j为虚数单位，ω为频率，t为时间，ω₀为陷波频率；

对于单一陷波频率其传递函数H(z^-1)具有如下对称镜像形式

H(z-1)=1+a1z-1+z-21+a1pz-1+p2z-2---(1-3)]]>

式中，z为复数变量，p是一个接近1但略小于1的常数，a₁为参数，由陷波频率决定，陷波频率表达式为

f0=arccos(-a1/2)2πT---(1-4)]]>

其中T为采样周期，由自适应最小二乘法求出随采样点变化的a₁(n)，则其对应的陷波频率也是随时间变化的，为了实现自适应性，p随采样点变化即为p(n)；

（3）利用线性插值法计算信号的基波周期，设在节点a＝t₀＜t₁＜t₂…＜t_n＝b处的函数值为y₀,y₁,y₂,…,y_n，在每个小区间[x_j,x_j+1]中以直线代替曲线，则信号第i次穿过阈值a的时间t_i为

ti=(a-yj)yj+1-yj+tj---(1-5)]]>

同理可得信号第i+20次穿过阈值a的时间t_i+20，采样序列x(n)的20个周期长度的采样时间的平均值T*为：

T*=120[(ti+20-ti]---(1-6)]]>

则T*即为信号的基波周期；

（4）根据计算所得的基波周期，对原采样序列中的谐波分量进行准同步化，得到重构序列x^*(kλ_s)，非同步采样时P不是整数，会产生频谱泄露，为了实现非同步采样序列的准同步化，对采样周期T_s进行调整，利用T*计算准同步采样周期λ_s

λs=20T*L*---(1-7)]]>

其中L^*为新的准同步采样序列的20个周期内采样点个数，但是可近似取L^*=L，以减小误差，L为原始采样序列20个信号周期内的采样点个数，通过三次样条插值法获得准同步采样序列中的每个采样点，以原采样序列中的采样点为插值节点，T_s为插值节点间隔，令某一信号周期的起始点同时为采样点起点，由于三次样条差值函数K(t)在每个区间[x_j,x_j+1]上是分段三次多项式，知三次样条函数K(t)的二阶导数K''(t)在每个小区间上都是一次多项式，设K''(t_j)＝M_j，K''(t_j+1)＝M_j+1，则K''(t)表达式为

K″(t)=Mjtj+1-thj+Mj+1t-tjhj---(1-8)]]>

其中，h_j＝t_j+1-t_j。

将K''(t)积分两次，并带入边界条件得K(t)的表达式为

K(t)=Mj(tj+1-t)36hj+Mj+1(t-tj)36hj+(yj-16Mjhj2)tj+1-thj+(yj+1-16Mj+1hj2)t-tjhj]]>

(t∈[t_j,t_j+1];j＝0,1,…,n-1)     （1-9）

设第m个准同步采样点位于第j个同步采样点和第j+1个同步采样点之间，则该准同步采样点可由下式计算

K(mλs)=Mj(tj+1-mλs)36hj+Mj+1(mλs-tj)36hj+(yj-16Mjhj2)tj+1-mλshj+(yj+1-16Mj+1hj2)mλs-tjhj]]>

(t∈[t_j,t_j+1];j＝0,1,…,n-1)     （1-10）

重复K(mλ_s)的计算过程，可得到L^*-1个计算值，这L^*-1个准同步采样点和起始点共同组成了长度为T^*的准同步采样序列，至此，得到了重构采样序列x^*(kλ_s)的全部信息，即重构信号的位置和采样值；

（5）利用FIR陷波滤波器分离x^*(kλ_s)中的谐波与间谐波分量，滤波器设置多个陷波频率形成梳状；

（6）对FIR陷波滤波器滤波后得到的间谐波成分x^*I(kλ_s)，使用加Hanning窗的双插值FFT算法计算间谐波的参数；

（7）从准同步采样序列x^*(kλ_s)中减去间谐波成分x^*I(kλ_s)，获得谐波分量x^*H(kλ_s)；

（8）对x^*H(kλ_s)进行DFT或FFT运算，由其结果计算出各次谐波参数。

6.根据权利要求1所述的一种微电网谐波与间谐波检测方法，其特征在于：所述的自适应跟踪数字陷波滤波器为在数字陷波滤波器的基础上增加自适应控制，其接受具有陷波频率的输入信号，通过最小二乘自适应算法求出a₁，利用a₁构成数字陷波滤波器H(z^-1)陷除具有此陷波频率的信号。