电能质量在线监测装置是如何采集谐波数据的？

电能质量在线监测装置采集谐波数据的核心流程是 **“模拟信号接入→信号调理→模数转换→数字信号处理→谐波参数输出”**，通过硬件电路确保信号精准采集，再通过算法分解出 2~50 次谐波的幅值、相位、畸变率等关键参数，整个过程需满足国标 GB/T 19862 对谐波测量精度的要求（B 级及以上）。具体步骤拆解如下：

一、第一步：模拟信号接入 —— 获取电网原始电压 / 电流信号

谐波数据源于电网的电压、电流信号，装置需先通过互感器（CT/PT）将高电压 / 大电流转换为装置可处理的小信号，这是采集的基础。

1. 核心器件：CT（电流互感器）与 PT（电压互感器）

作用：将电网中的高电压（如 10kV、220V）、大电流（如 100A、5A）按固定变比转换为低电压（如 0~100V）、小电流（如 0~5A），避免高电压 / 大电流损坏装置内部电路，同时匹配后续采样电路的输入范围。

电压信号：通常通过 PT 将 220V/380V 转换为 0~100V（如变比 380V/100V），或直接采集低压信号（如 220V 通过分压电阻降至 0~5V）；

电流信号：通过 CT 将 5A/100A 转换为 0~5A（如变比 100A/5A），再通过采样电阻转换为 0~25mV 的电压信号（如 5A 电流流过 5mΩ 采样电阻，产生 25mV 电压）。

关键要求：CT/PT 的频带宽度需覆盖 2~50 次谐波（如 50Hz 基波的 50 次谐波为 2500Hz，CT/PT 需支持 0~3kHz 频带），避免高频谐波信号被衰减，导致采集失真。

二、第二步：信号调理 —— 优化信号质量，抗干扰

电网信号中会混杂高频噪声（如变频器产生的 10kHz 以上干扰）和共模干扰（如对地噪声），需通过信号调理电路过滤干扰、放大有用信号，确保进入 ADC 的信号纯净。

1. 核心电路与功能

差分放大电路：采用运算放大器（如 AD8221）构建差分放大，仅放大电压 / 电流信号的 “差模分量”（有用信号），抑制 “共模分量”（干扰信号），共模抑制比（CMRR）≥80dB，可有效抵抗电网强电磁干扰（如车间变频器、高压设备产生的干扰）。

低通滤波电路：采用 RC 或有源低通滤波器，截止频率设定为 2.5~3kHz（覆盖 50Hz 基波的 50 次谐波，即 2500Hz），滤除 2500Hz 以上的高频噪声（如射频干扰），避免噪声进入 ADC 导致谐波计算误差。

增益调整电路：根据输入信号幅度调整放大倍数（如将 25mV 的电流信号放大至 0~5V），确保信号幅度与 ADC 的输入量程（如 0~5V）匹配，充分利用 ADC 的分辨率，提升小谐波信号的采集精度（如 0.1A 的 5 次谐波电流也能被准确采集）。

三、第三步：模数转换（ADC）—— 模拟信号转数字信号

调理后的模拟信号需通过ADC（模数转换芯片）转换为数字信号，才能被装置的处理器（CPU/DSP）处理，这是 “模拟→数字” 的关键一步，直接决定谐波采集的精度。

1. ADC 的核心参数与选择

分辨率：需选择≥16 位的 ADC（如 ADI AD7606、TI ADS1256），16 位 ADC 的最小量化误差为 1/(2¹⁶)=1/65536≈0.0015%，可准确分辨微小的谐波信号（如 220V 电压中 0.1V 的 3 次谐波）；若用 12 位 ADC，误差会扩大 16 倍，小谐波信号可能被量化噪声淹没。

采样率：需满足奈奎斯特采样定理（采样率≥2 倍最高谐波频率），同时兼顾谐波分析的精度。

常规谐波采集（2~50 次）：采样率≥1024 点 / 周波（50Hz 电网的周波为 20ms，1024 点 / 周波对应采样率 = 1024/0.02s=51.2kHz），可确保每个谐波周期内有足够多的采样点，避免波形失真；

暂态谐波采集（如冲击性谐波）：采样率需提升至 2048~4096 点 / 周波，捕捉快速变化的谐波细节（如电弧炉产生的短时谐波冲击）。

同步采样：多通道（A/B/C 三相电压、电流）需采用同步 ADC或通过 FPGA 控制 ADC 同步采样，确保各通道的采样时间差≤1μs，避免因采样不同步导致谐波相位计算错误（如三相电流的谐波相位差误判）。

四、第四步：数字信号处理 —— 分解谐波，计算参数

转换后的数字信号需通过处理器（CPU/DSP）运行专用算法，分解出各次谐波的参数，这是谐波采集的 “软件核心”。

1. 核心算法：快速傅里叶变换（FFT）

算法作用：将时域的数字信号（如随时间变化的电压波形）转换为频域信号，得到各次谐波的 “幅值 - 频率”“相位 - 频率” 关系，从而提取 2~50 次谐波的具体参数。

关键优化：

加窗函数：直接对时域信号做 FFT 会产生 “频谱泄漏”（如 5 次谐波的能量扩散到相邻频率点），需先对信号加汉宁窗（Hanning Window）或汉明窗（Hamming Window），减少泄漏误差，使谐波幅值计算误差≤1%；

频率分辨率：通过调整 FFT 的 “点数”（如 1024 点、2048 点）控制频率分辨率（频率分辨率 = 采样率 / FFT 点数），51.2kHz 采样率下，1024 点 FFT 的频率分辨率 = 51.2kHz/1024=50Hz，刚好对应 50Hz 基波的 1 次谐波间隔，确保各次谐波被准确分离（如 5 次谐波对应 250Hz，不会与 4 次、6 次谐波混淆）。

2. 谐波参数计算

通过 FFT 分解后，处理器会自动计算以下核心参数，并按时间戳存储：

各次谐波（2~50 次）的幅值（如 5 次谐波电压 11V、电流 3A）；

各次谐波的相位（如 5 次谐波电压相位 - 30°，电流相位 120°）；

总谐波畸变率（THD）：THDv=√(U₂²+U₃²+…+U₅₀²)/U₁×100%（U₁为基波电压，U₂~U₅₀为各次谐波电压）；

各次谐波含有率（HR）：HRn=Un/U₁×100%（Un 为第 n 次谐波电压 / 电流）。

五、第五步：数据存储与输出 —— 供后续分析使用

采集计算后的谐波数据会按以下方式处理，满足监测与分析需求：

本地存储：存入装置内置的工业级 Flash/SD 卡，保留至少 1 个月的历史数据（按 1 分钟 1 条记录，1 个月约 4.3 万条）；

实时输出：通过以太网、4G 等通信模块上传至后台系统（如电能质量监测平台），支持实时查看谐波波形、趋势图；

告警触发：若某次谐波的 THD 或幅值超过 GB/T 14549 限值（如低压系统 THDv≤5%），装置会自动触发告警，记录告警时间与谐波参数。

六、关键影响因素与精度保障

时钟同步：多装置组网时需通过 GPS/PTP 同步时钟，确保各监测点的谐波数据时间戳一致，便于分析谐波传播方向；

定期校准：每年需对装置的 CT/PT、ADC 进行校准（如用标准信号源输入已知谐波信号，验证采集误差），确保精度符合 B 级及以上要求；

抗干扰设计：装置外壳需做电磁屏蔽（如镀锌钢板），内部电路需做接地处理（单点接地），避免外部电磁干扰影响采样。

审核编辑 黄宇