電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置采集諧波數(shù)據(jù)的核心流程是 **“模擬信號接入→信號調(diào)理→模數(shù)轉(zhuǎn)換→數(shù)字信號處理→諧波參數(shù)輸出”**，通過硬件電路確保信號精準(zhǔn)采集，再通過算法分解出 2~50 次諧波的幅值、相位、畸變率等關(guān)鍵參數(shù)，整個(gè)過程需滿足國標(biāo) GB/T 19862 對諧波測量精度的要求（B 級及以上）。具體步驟拆解如下：

一、第一步：模擬信號接入 —— 獲取電網(wǎng)原始電壓 / 電流信號

諧波數(shù)據(jù)源于電網(wǎng)的電壓、電流信號，裝置需先通過互感器（CT/PT）將高電壓 / 大電流轉(zhuǎn)換為裝置可處理的小信號，這是采集的基礎(chǔ)。

1. 核心器件：CT（電流互感器）與 PT（電壓互感器）

作用：將電網(wǎng)中的高電壓（如 10kV、220V）、大電流（如 100A、5A）按固定變比轉(zhuǎn)換為低電壓（如 0~100V）、小電流（如 0~5A），避免高電壓 / 大電流損壞裝置內(nèi)部電路，同時(shí)匹配后續(xù)采樣電路的輸入范圍。

電壓信號：通常通過 PT 將 220V/380V 轉(zhuǎn)換為 0~100V（如變比 380V/100V），或直接采集低壓信號（如 220V 通過分壓電阻降至 0~5V）；

電流信號：通過 CT 將 5A/100A 轉(zhuǎn)換為 0~5A（如變比 100A/5A），再通過采樣電阻轉(zhuǎn)換為 0~25mV 的電壓信號（如 5A 電流流過 5mΩ 采樣電阻，產(chǎn)生 25mV 電壓）。

關(guān)鍵要求：CT/PT 的頻帶寬度需覆蓋 2~50 次諧波（如 50Hz 基波的 50 次諧波為 2500Hz，CT/PT 需支持 0~3kHz 頻帶），避免高頻諧波信號被衰減，導(dǎo)致采集失真。

二、第二步：信號調(diào)理 —— 優(yōu)化信號質(zhì)量，抗干擾

電網(wǎng)信號中會(huì)混雜高頻噪聲（如變頻器產(chǎn)生的 10kHz 以上干擾）和共模干擾（如對地噪聲），需通過信號調(diào)理電路過濾干擾、放大有用信號，確保進(jìn)入 ADC 的信號純凈。

1. 核心電路與功能

差分放大電路：采用運(yùn)算放大器（如 AD8221）構(gòu)建差分放大，僅放大電壓 / 電流信號的 “差模分量”（有用信號），抑制 “共模分量”（干擾信號），共模抑制比（CMRR）≥80dB，可有效抵抗電網(wǎng)強(qiáng)電磁干擾（如車間變頻器、高壓設(shè)備產(chǎn)生的干擾）。

低通濾波電路：采用 RC 或有源低通濾波器，截止頻率設(shè)定為 2.5~3kHz（覆蓋 50Hz 基波的 50 次諧波，即 2500Hz），濾除 2500Hz 以上的高頻噪聲（如射頻干擾），避免噪聲進(jìn)入 ADC 導(dǎo)致諧波計(jì)算誤差。

增益調(diào)整電路：根據(jù)輸入信號幅度調(diào)整放大倍數(shù)（如將 25mV 的電流信號放大至 0~5V），確保信號幅度與 ADC 的輸入量程（如 0~5V）匹配，充分利用 ADC 的分辨率，提升小諧波信號的采集精度（如 0.1A 的 5 次諧波電流也能被準(zhǔn)確采集）。

三、第三步：模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）—— 模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號

調(diào)理后的模擬信號需通過ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，才能被裝置的處理器（CPU/DSP）處理，這是 “模擬→數(shù)字” 的關(guān)鍵一步，直接決定諧波采集的精度。

1. ADC 的核心參數(shù)與選擇

分辨率：需選擇≥16 位的 ADC（如 ADI AD7606、TI ADS1256），16 位 ADC 的最小量化誤差為 1/(21?)=1/65536≈0.0015%，可準(zhǔn)確分辨微小的諧波信號（如 220V 電壓中 0.1V 的 3 次諧波）；若用 12 位 ADC，誤差會(huì)擴(kuò)大 16 倍，小諧波信號可能被量化噪聲淹沒。

采樣率：需滿足奈奎斯特采樣定理（采樣率≥2 倍最高諧波頻率），同時(shí)兼顧諧波分析的精度。

常規(guī)諧波采集（2~50 次）：采樣率≥1024 點(diǎn) / 周波（50Hz 電網(wǎng)的周波為 20ms，1024 點(diǎn) / 周波對應(yīng)采樣率 = 1024/0.02s=51.2kHz），可確保每個(gè)諧波周期內(nèi)有足夠多的采樣點(diǎn)，避免波形失真；

暫態(tài)諧波采集（如沖擊性諧波）：采樣率需提升至 2048~4096 點(diǎn) / 周波，捕捉快速變化的諧波細(xì)節(jié)（如電弧爐產(chǎn)生的短時(shí)諧波沖擊）。

同步采樣：多通道（A/B/C 三相電壓、電流）需采用同步 ADC或通過 FPGA 控制 ADC 同步采樣，確保各通道的采樣時(shí)間差≤1μs，避免因采樣不同步導(dǎo)致諧波相位計(jì)算錯(cuò)誤（如三相電流的諧波相位差誤判）。

四、第四步：數(shù)字信號處理 —— 分解諧波，計(jì)算參數(shù)

轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號需通過處理器（CPU/DSP）運(yùn)行專用算法，分解出各次諧波的參數(shù)，這是諧波采集的 “軟件核心”。

1. 核心算法：快速傅里葉變換（FFT）

算法作用：將時(shí)域的數(shù)字信號（如隨時(shí)間變化的電壓波形）轉(zhuǎn)換為頻域信號，得到各次諧波的 “幅值 - 頻率”“相位 - 頻率” 關(guān)系，從而提取 2~50 次諧波的具體參數(shù)。

關(guān)鍵優(yōu)化：

加窗函數(shù)：直接對時(shí)域信號做 FFT 會(huì)產(chǎn)生 “頻譜泄漏”（如 5 次諧波的能量擴(kuò)散到相鄰頻率點(diǎn)），需先對信號加漢寧窗（Hanning Window）或漢明窗（Hamming Window），減少泄漏誤差，使諧波幅值計(jì)算誤差≤1%；

頻率分辨率：通過調(diào)整 FFT 的 “點(diǎn)數(shù)”（如 1024 點(diǎn)、2048 點(diǎn)）控制頻率分辨率（頻率分辨率 = 采樣率 / FFT 點(diǎn)數(shù)），51.2kHz 采樣率下，1024 點(diǎn) FFT 的頻率分辨率 = 51.2kHz/1024=50Hz，剛好對應(yīng) 50Hz 基波的 1 次諧波間隔，確保各次諧波被準(zhǔn)確分離（如 5 次諧波對應(yīng) 250Hz，不會(huì)與 4 次、6 次諧波混淆）。

2. 諧波參數(shù)計(jì)算

通過 FFT 分解后，處理器會(huì)自動(dòng)計(jì)算以下核心參數(shù)，并按時(shí)間戳存儲(chǔ)：

各次諧波（2~50 次）的幅值（如 5 次諧波電壓 11V、電流 3A）；

各次諧波的相位（如 5 次諧波電壓相位 - 30°，電流相位 120°）；

總諧波畸變率（THD）：THDv=√(U?2+U?2+…+U??2)/U?×100%（U?為基波電壓，U?~U??為各次諧波電壓）；

各次諧波含有率（HR）：HRn=Un/U?×100%（Un 為第 n 次諧波電壓 / 電流）。

五、第五步：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與輸出 —— 供后續(xù)分析使用

采集計(jì)算后的諧波數(shù)據(jù)會(huì)按以下方式處理，滿足監(jiān)測與分析需求：

本地存儲(chǔ)：存入裝置內(nèi)置的工業(yè)級 Flash/SD 卡，保留至少 1 個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)（按 1 分鐘 1 條記錄，1 個(gè)月約 4.3 萬條）；

實(shí)時(shí)輸出：通過以太網(wǎng)、4G 等通信模塊上傳至后臺(tái)系統(tǒng)（如電能質(zhì)量監(jiān)測平臺(tái)），支持實(shí)時(shí)查看諧波波形、趨勢圖；

告警觸發(fā)：若某次諧波的 THD 或幅值超過 GB/T 14549 限值（如低壓系統(tǒng) THDv≤5%），裝置會(huì)自動(dòng)觸發(fā)告警，記錄告警時(shí)間與諧波參數(shù)。

六、關(guān)鍵影響因素與精度保障

時(shí)鐘同步：多裝置組網(wǎng)時(shí)需通過 GPS/PTP 同步時(shí)鐘，確保各監(jiān)測點(diǎn)的諧波數(shù)據(jù)時(shí)間戳一致，便于分析諧波傳播方向；

定期校準(zhǔn)：每年需對裝置的 CT/PT、ADC 進(jìn)行校準(zhǔn)（如用標(biāo)準(zhǔn)信號源輸入已知諧波信號，驗(yàn)證采集誤差），確保精度符合 B 級及以上要求；

抗干擾設(shè)計(jì)：裝置外殼需做電磁屏蔽（如鍍鋅鋼板），內(nèi)部電路需做接地處理（單點(diǎn)接地），避免外部電磁干擾影響采樣。

審核編輯 黃宇