【毕业学位论文】基于ARM-Linux嵌入式电能质量监测仪的研究与设计-控制理论与控制工程

东北电力大学硕士学位论文基于景琦申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：王建国20080301摘要大量的电力电子装置及非线性负荷在电力系统中广泛的应用，使电能质量(题晶盏突出。电能质量问题不仅危害电力系统本身的安全及电网的稳定运行，对系统中用户也造成严重威胁。因此，对电能质量的实时脏测具有十分重要的意义。论文蓄先介绍了电能质量的概念，分析了国内外电能质量监溅的研究现状及开发新型电能质量监测装置的意义，同时对影响电能质量的指标参数的数字测量原理与算法进行了深入的研究。在此基础上，提出了以片为嵌入式文建立了基于成了蒸本的硬件电路设计和软件设计。硬件设计方面，根据电力系统中数据采集和处理的实际特点，在裁雹测量采集模块中，采用了用锁相环保证了多路信号的硬件同步采样；在通讯方式上，除了采用采用了以太网和而提高了装置应用的灵活性。软件设计方面，依据装置所要实现的功能，剪裁并成功移植了嵌入式成了各应用程序的编制，给出了详细的程序流程图：设计了基于基于机交互性好、系统升级简单、还能进行远程监控。在此基础上可进一步开发，向微型化、高度智能化等方向发展，以满足不同场会的需求，具有较大的使用价值和广阔的应用前景。关键词：电能璇量；入式测装置东北电力人学硕十学位论文to a of 0ad in of of a to of is of he of he of of is as as of n is o)as PU as of on ainlto of in in LL of SB on an he is to RM on of to Ae is UI)is ton of n an be to be in t ey RM；呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果：1 交回学校授予的学位证书；2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报；3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害，进行公丌道歉；4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。论文作者签名：雠堕 日期：以年互月。以日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为东北电力大学。论文作者签名：缝毪隰导师签名：盟年土月单日魄地；月孕日第1幸绪论第1章绪论11课题背景及研究意义现代社会中，电力能源的使用程度是一个国家经济发展水平的主要标志之一，而电力系统供电的电能质量也已成为了电力工业产品的重要指标。理想的电力系统应以恒定的频率(50正弦波形，按规定的电压水平(标称电压)对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等，相位互差120。的对称状态。由于系统各元件(发电机、变压器、线路等)参数并不是理想线性或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段的不完善以及运幸亍操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际中并不存在，而由此产生了电网运行、电器设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了电能质量(概念【”。近年来，随着我国电力事业的迅猛发展和电力系统规模的不断扩大，用电紧张的情况已经逐步解决，于是潜在的电能质量问题越来越受到重视，同时又出于上世纪中后期开始使用大量的电力电子装置，使诸如电压、电流谐波、电压闪变等电能质量的问题变的更为突出：另一方面，随着现代工业的发展，计算机信息系统、精密的加工工具、自动生产线、变频调速驱动器等对电能特性变化敏感的高科技设备的广泛使用，也使得电力用户对电能质量的要求在不断提高，供电电能质量的恶化可能使产品质量下降，造成重大损失。随着各国电力市场的逐步建立、成熟，电能作为一种特殊的商品已经不可避免地迈入市场化的大门，在电力市场这个开放竞争的环境中，电能的质量与其经济效益结合得更加紧密。电能质量问题已不仅仅是电力行业的专业技术问题，还是重要的经济问题，对各国经济的发展起着重要的作用，逐渐成为了供、输、用电部门共同关注的重要问题121131。为了电力系统的安全运行、电力用户的安全用电、满足各种电力设备的要求，以及提高用电效率从而增加国民经济效益，改善电能质量势在必行。要解决电能质量问题，首先需要对电能质量各项指标进行准确的监测和分东北电力人学硕士学位论文析，保证对电能系统基本运行工况的观测、记录；然后根据各质量指标的具体特征对电能质量问题进行分析，完成对多种扰动信息的识别、提取和分析，为制定改善电能质量和治理电网污染具体措施提供可信的依据：进而完整了解电网安全、稳定、优质运行的技术经济条件，对电能质量各项指标进行综合评价，优化整个系统的监测体系，实现数据共享与交流【41。无疑，测量和分析是解决这一问题的第一步，而采取的治理和改善方法是否有效也需要通过测量的手段做出分析，并利用测量结果来验证。电网的电能质量水平过低会对电网和用户造成很大的危害，改善电能质量对于电网的安全、经济运行，保障工业产品质量和科学实验的正常进行以及降低能耗等均具有重要的意义，电能质量关系到国民经济的总体效益，尤其是大城市电网的电能质量，更要加以重视，这对于提高城市的国际形象及创造经济和社会效益有更重要的意义。具体改善电网电能质量的意义表现在以下几个方面15】：(1)它是电力系统安全(包括用户设备的用电安全)稳定、经济运行的必要条件，是电网运行水平高低的重要标志，同时也是电力企业用电管理水平考核的重要指标。(2)它是提高国民经济总体效益，用电效率(节能、降耗)和改善电气环境，以及工业生产可持续发展的技术保证。(3)它是面向电力市场、适应竞争机制强有力的手段。(4)它便于通过建立和健全电能质量的全面管理，保障各行各业的正常用电秩序，为千家力2国内外发展及研究现状121电能质量指标及标准过去对电能质量分析和研究主要集中在对谐波的分析。电网中谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，严重时会造成危险的过电压、过电流。同时还可能引起继电保护和自动装置误动作、仪表指示和电度计量不准、使通信系统受干扰等一系列问题。第仅用谐波作为电能质量唯一的指标是不全面的，而且是不准确的。现今电能质量指标还包括电压波动、电压三相不平衡度、电压闪变以及频率偏差等，这些指标根据不同的电能质量问题进行了分类定义。不同的电能质量问题会对用电设备的正常工作产生不同的危害，因此对于不同的现象能够采取更有针对性的措施来改善电能质量已经成为当今电力系统非常必要的研究课题61。在工业发达国家，电能质量问题已被视作电力系统的一个重要问题。自1992年7月，欧洲电工标准化委员会发布公用配电系统的供电特性草案，该草案在广泛吸收中、低压配电系统用户供电端的电能质量作了全面规定。包括频率、电压(电压偏差、电压波动及闪变、短时和长期停电、暂态过电压)、电压不平衡、电压波形以及电源的信号电压等)。19931995年，美国到了大量的电能质量数据。1996年，更名为电力谐波与电能质量学术会议(把电能质量提高到一个新的高度来认t【”。近十几年来，许多工业发达国家已经制定和颁布实施了更加完备的电能质量系列标准。随着工业经济国际化的发展，世界各国制定的电力系统电能质量标准正在与国际权威专业委员会推荐标准及相应的试验条件等一系列规定接轨，逐步实现标准的完整与统一。目前电能质量相关国际标准有国际电工委员会(准，欧盟国也制定了相应的电能质量标准，并不断修订以适应电力系统的发展变化，至2003年底我国结合国内外的研究成果和实际情况分别制定并修改了六个国家电能质量系列标准：003供电电压允许偏差：169451995电力系统频率允许偏差；000电压允许波动和闪变；1454993公用电网谐波；1554395三相电压允许不平衡度：但是我国整体电能质量标准还远不够完善，包括其科学性、可操作性和指标的完善性均还有待于进一步提高【8】I 91。目前国际上对电压暂降和短时中断问题十分关注，虽然尚无标准，但对其预测计算和相关的技术措施已作了大量研究。这方面工作我国还刚起步，进一步完善电能质量国家标准还有大量工作要做。北电力人学硕十学位论文1。22电能质量监测及装置电能质量污染的治理离不开电能质量的监测，准确完整地对电能质量进行监测是进行电能质量管理的必要手段之一。同时，对电能质量指标的监测也可以被用来作为准确确定故障的类型、解决故障的正确方法。对电能质量的监测因目的和监测对象的不同，所采用的监测方式和监测装置也不同。国内外对电能质量的监测方式主要有三种1)在线监测，也称为连续监测、全过程监测或日常监测。一般对重要的变电站的公共供电点的电能质量实行连续跟踪监测，监测的主要技术指标：供电频率、电压偏差、三相电压不平衡度、有功功率、电网谐波、功率因数。控制内容主要是当电压偏差、三相电压不平衡度、电网谐波等指标越限时，发出报警或控制指令。连续在线监测任务主要由安装在变电站内的电能质量监测仪完成。(2)定期或不定期测量，即针对普通电力干扰源，根据干扰的大小、危害程度和需要等采取定期或不定期的监测方式。定期监测多用于电网电能质量的定期普查，根据重要程度一般一个月或一季度检测一次。主要目的是全面了解电网的电能质量水平和干扰源的特性。不定期监测主要是针对电力用户的特殊电能质量问题进行监测分析。主要由便携式电能质量分析仪或手持式谐波分析仪完成。(3)专项测量，即对各种干扰负荷或补偿设备在接入电网前后，测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响，用以确定电网电能质量指标的背景状况和干扰发生的实际量或验证技术措施效果。再通过与国家相关标准相对照，决定此类设备或负荷是否可投入运行。此项监测任务一般由便携式电能质量分析仪完成。目前国内外电能质量监测装置种类非常繁多，就其性能来说，可以分为高、中、低档电能质量监测装置。国外高档电能质量监测装置的特点突出表现在功能丰富和精度高两个方面，如美国的福禄克公司、加拿大电力测量公司、瑞典联合电力公司、美国测指标多、功能丰富等特点。其中瑞典联合电力公司(产的基本电力参数测量有电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电度、无功电度等；电能质量第0次的谐波和间谐波、率谐波及谐波方向、闪变分析(瞬时闪变、短时闪变、长时闪变)、电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度等，能检测目前几乎所有的电力和电能质量参数，基本精度达01。但是，瑞典联合电力公司的2不能代表国际最先进的水平。当前国际上最先进的电能质量监测装置已经集高精度电能计量、多功能电力测量、电能质量分析、保护与监控、智能逻辑控制、事故记录与分析、数据记录和波形记录等仪表于一身，功能多达数百种，精度达到001级以上。此外，国际测控技术工现了“网络就是仪器”的概念，利用网络实现电能质量的远程监测和网络化管理。瑞典联合电力公司开发的司开发的(域网等)实现电能质量网络化监测。国内电能质量监测装置的性能与国外先进水平存在着明显的差距。最初国内生产厂家的前沿测控装置大多是采用单片机柬实现的，直到上世纪九十年代，出现了数字处理芯片应用的热潮，有强大数字运算能力的数字信号处理芯片才被应用到电能质量领域。当前国内致力于电能质量产品研究的企业还不多，生产电能质量监测仪水平较高的厂家有深圳领步科技有限公司、上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽振兴科技股份有限公司、保定方长电子有限公司等等，他们生产的电能质量监测仪产品代表着我国电能质量监测装置的先进水平。如上海宝钢安大电能质量有限公司开发的金及电力系统中得以应用。但是由于国内在电能质量研究上相对国外较晚，又由于电能质量所涉及的指标众多，并且部分指标在没有相关制造标准的颁布，因此电能质量问题研究的深度和广度远不及国外先进水平，国内众多厂家和科研院所研制的电能质量监测仪的性能、功能及工艺与国外先进水平也存在着明显的差距。123电能质量监测存在的主要问题随着电力系统运行管理的系统化、网络化、自动化和智能化，单一功能的东北电力人学眵十学位论空电能质量监测仪己经不适合现代化电能管理的需要。新型高精度在线式电能质量监测装置展示了很好的优越性能和广阔的应用前景。但是由于我国工业基础薄弱，电子行业与世界先进水平相比差距较大，虽然我国专家学者已进行多方面的研究，并取得了很大成绩，但是在测量手段和装置上与国外先进水平相比，还有很大距离，还有很多问题有待解决。归结起来有以下几方面的主要问题尚待解决和研究。(1)国内对电能质量各项指标的监测大多数还处在专门监测和定期或不定期监测阶段，不能完全形成对电能质量的长期连续监测。这种电能质量监测手段和管理模式存在着实时性差、工作量大、效率低等明显的局限性。(2)国内的电能质量监测装置存在着功能单一、通用性和扩展性差、开发和维护相对复杂等问题，综合测量、分析、判断功能不强，人机交互性不好。一般不对电压闪变进行测量，需要另外的闪变仪进行专门的检测。有的产品虽然直接引用了国外的技术模块，功能较强，但是价格较高，且不完全适合我国市场。(3)由于采用各种计算机作为现场监测分析工具，导致设备成本提高：(4)远程通信能力有限，不易实现远程监控、数据共享和长期评估与预测；(5)现场设备不具备实时分析能力，大量采样数据都要传送给专门的分析工具去处理，导致对现场设备的存储容量要求很大。随着集成电路技术和计算机技术的发展，网络技术和嵌入式实时系统技术的日益成熟和完善，电能质量监测装置正在朝着在线监测、实时分析、网络化和智能化的方向发展。因此，开发一种实时处理功能强、系统升级简单、保存历史数据量大、与实施远程监控、入机交互性好的电能质量参数监测装置势在必行。13本论文的主要工作基于上述对电能质量及其监测的重要性的认识，在总结国内电能质量监测装置开发经验的基础上，论文对各个电能质量指标参数的算法进行了深入研究，引入嵌入式1 计实现了多功能，交互性好的基于采用嵌入式C、c+语言对电能质量各项指标的监测第1章绪论方法进行了程序编写。论文的工作主要有以下几个方面：(1)芯片和操作系统的选择。选取三星公司基于入式)作为软件开发平台，学习基于2)开发环境的建立。针对自己设计研究的需要剪裁嵌入式剪裁好的内核与根文件系统(植到作针对建立开发环境。(3)硬件电路的设计。根据电力系统信号特点，设计了前端数据采集电路，调理电路，锁相环电路和基于转换电路，实现了对六路电压、电流信号的高速同步采样。(4)数据处理程序编制。研究了电能质量各指标参数的算法，并编制程序对采集到的三相电路数据进行数据处理，从而得到电能质量各指标的测量、分析结果。(5)软件移植调试。将电能质量各指标的监测分析程序在行实际三相电网信号采集，实现数据分析，电能质量的监测、存储等功能。(6)用东北电力大学顾能质量是指电力系统通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。针对我国目前对电能质量的研究与分析，电能质量的指标主要包括供电电压偏差，电力系统频率偏差，三相不平衡度，公用电网谐波以及电压波动与闪变。21基本交流电参数的测量211电压、电流有效值的测量正弦波交流电的电流、电压的大小通常用其有效值(均方根)来计量。按照电工理论的基本定义，在连续的时问域电压有效值：电流有效值：U=1=旷厮西(21)(22)式中u(t)是交流电压瞬时值，i(t)是交流电流瞬时值，将连续信号离散化，在周期电压、电流有效值的计算方法如下：电压有效值：电流有效值：u=露巧=悔T 2章电能质量指标发其测量计算I=氍确=瓣24)式中： 酢一个周期内第一个周期内第12功率及功率因数的测量正弦波交流电的功率测量包括：有功功率测量、无功功率测量和视在功率测量【11l。(1)有功功率有功功率即平均功率，由定义可得其计算公式如下：尸=吉)中 “O)电压瞬时值；以)电流瞬时值；丁电压、电流的变化周期。若以采样周期流一个周波采样离散的有功功率的计算方法如下：肚专酗& (：相总有功功率：1 ；一1 Nl2专(荟k+善“也) (2_7)(2)视在功率由视在功率定义可知其计算公式：S=28)式中u电压的有效值；I电流的有效值三相总的视在功率：Sm=Ul七+2一跳(3)无功功率由于有功功率P、视在功率s、无功功率s=2 (210)即无功功率计算公式：Q=211)(4)功率因数尸 2)213频率的测量电工学定义交流电在1单位为赫兹，记为用的频率测量的方法有频谱测量法和频率计数法【12】。频谱测量法对本文的应用并不适用，所以下面只讨论计数法。计数法是最常用的测量频率的方法，分为频率计数与周期计数两种。对周期信号而言，每一次正向(或负向)过零便代表了一个新的周期。频率计数法就是通过测量标准时基t。内被测信号的正向过零点数11来求得频率，的。f=n“。 q13)周期计数法则是通过测量被测信号两个相邻同向过零点这段时间内某一频率为，。的参考脉冲信号的计数而求得信号的频率。f=工珂 (214)这两种方法，前者宜于测量较高频率的信号，时基越准、越长，测量精度越高；而后者则适宜于测量较低频率的信号，参考源频率越高、越准，测量精度越高。考虑到本文所要测的交流电的工频为50此选用周期计数测量法，以提高系统效率。第2章电能质量指标及姐测量计算22电压偏差和频率偏差的测量221电压偏差的测量供电电压偏差是指实际电压与系统额定电压之差。根据电能质量供电电压允许偏差(232590)的规定，。电压偏差公式为31： 电压偏差()=塞型皂墨耄警10096(2贝疋电j=11频率偏差的测量电力系统频率允许偏差是指系统频率的实际值和标称值之差【14l。根据电能质量电力系统频率允许偏差( 159451995)的规定，电力系统正常频率偏差允许值为02系统容量较小时，偏差值可以放宽到05率偏差=频率实测值一频率标称值23三相不平衡度的测量三相供电系统中，三相相量大小相等、频率相等、相位依次相差120。时，称为三相对称，否则称为三相不对称。三相不平衡系统的检测采用对称分量法把三相量分解为三组对称的正序、负序、零序分量，并以负序分量与正序分量之比定义为三相不平衡度或不对称度，用符号占表示【5l【1 61。三相电压电流不平衡度的表达式为：“：生。q=鲁100 (217)式中： 2三相电压正序、负序分量均方根值；、厶三相电流正序、负序分量均方根值。东北电力大学颂I学位论文任何不对称的三相相量均可用对称分量分解为三组对称的正序、负序、零序分量，在三相系统中，若三相相量为j，击，亡则【17】【l 8】：正序分量负序分量零序分量4=(一+口B+口2c)，墨=口2一l，c：=(+口2台+口6)，毫=口互，t：口：丘 (219)4=岛=c；=喜(彳+口+c) (2中口叫埘；一三+，譬2“=，孚在有零序分量的三相系统中，采用对称分量法。而为了简化计算，在不含零序分量的三相系统中，(如三相线电压、线电流、线系统中三相相电压、相电流时)，只要给出三相量a、b、c，即可由下式求出不平衡度占119：式中， 三= 口4-1型!三竺10011+厕”不平衡度的统计分析按电能质量155431995)规定的测量要求。每次测量，样的测量仪器，按下式计算：弘仁善(221)三相电压允许不平衡度(GBT般按3于离散采式中：矗在3m在3m6)。(222)24谐波分析测量国际公认的谐波含义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为第2章电能质量指标及其测量计算基波频率的整数倍。”在中华人民共和国国家标准中，谐波的定义是：“谐波是对周期性的交流量进行傅立叶级数分解，得到的频率大于1的整数倍分量”【20】。241电力系统谐波参数指标检验谐波对一个电力系统的影响，可以按许多种因素建立标准并规定适当的限额。其中，涉及到的指标参数有谐波含量、谐波含有率、总谐波畸变率。1454993标准中各参数指标的定义如下【21】：谐波电压含量2中：玑第第谐波最高次数。)和)分别定义为：，导(2=争，10。惭) (2_26)式中以第均根值)；U基波电压(方均根值)；L第均根值)：基波电流(方均根值)。电压总谐波畸变率电流总谐波畸变率四j。蜃医百UHl。惭)阅=等枷。()(22。4。2谐波分析方法谐波分析的方法有缀多种，如傅立叶变换、卡尔曼滤波、小波分析等。傅里叶变换作为经典的信号分析方法已经比较成熟。特别是快速傅里叶变换(应用，有效地提高了信号处理的实时性231。本文利用。利用傅立时变换进行谐波分析电力系统中，实际的电信号都能满足狄里赫利条件，可以分鳞为如下形式的傅立叶级数。甜(，)=帆f)+k (2m=角频率，印=等为直流分跫；aI，l、b。分别为谐波的余弦项系数和正弦项系数。利用三角函数的正交性，即可从式229)得到ao、am、吾rw(t)或=；知)2 f“31)2u(t)=Cm (2m=量计算式中： =b22果每周期的采样次数为N，则采样时间间隔t=TN，u(t)的第)表示(0nN1)，将规格化归入中，则可得到傅立叶计算式的离散形式如下：=号胁t：一m=号坷呱等ml， 陋s，于是可以求出第位等参数。幅值公式：=d：+醒 (2位公式：。) (2流的各次谐波的相应参数的计算方法类似于电压的各次谐波的相应参数的计算【24l【25l【261。2基于复序列快速傅立叶变换(是离散傅立叶变换(一种快速算法。因为庞大的运算量是实际应用难以接受的。1)充分利用变换核2)由于直接计算成正比，因此将长序列的按时间抽取(和按频率抽取(。本文利用的是基2时间抽取里以8点的输入序列为例简单介东北电力人学硕士学位论文绍一下基2 流程图如下图：w： -1 w； 1 w； =8时称为蝶行运算，每个蝶行运算需要一次复数乘法和两次复数加法。直接2)，可见其是点数于实际上采集的电压u(n)、电流f(”)值是实序列信号，直接用实际处理序列时，可以将两个同长度的实序列分别作为复序列的实部和虚部组成一个新的序列来进行变换处理，这叫做基于复序列的81。本文将同一相的电压和电流分别作为复序列的实部和虚部来进行傅立叶变换，即定义：x(胛)=“(甩)+ji(n)On于复序列x(n)经过傅立叶变换可得X(七)=x(n)=U(_j)+)(2x+(n)为x(n)的共轭复数，X+(X(Nk)的共轭复数。则可得电流、电压的频谱为挪砌37蚺蝌螂邢圳耶邢印第2章电能质量指标及其测量计算u(七)=丢J(七)+x(一七)，丢r。c一七， 担42由此可见只需一次复序列43频谱泄漏及加窗插值修正算法1频谱泄漏所谓频谱泄漏就是信号频谱中各谱线之间的相互影响，使测量结果偏离实际值，同时在真实谱线两侧其他基波整数倍频率点上出现一些较小的假谱【291。简言之，造成频率泄漏的原因是因为采样频率与信号频率不同步，造成周期采样信号的相位在始端和终端不连续。如果采样是同步的，泄漏频谱在整数次谐波点上的幅值为零，则不会造成分析的误差。但是如果采样是非同步时，泄漏频谱在整数次谐波点上的幅值不为零，这时泄漏频谱将引起频谱分析误差。频谱泄漏包括长范围泄漏和短范围泄漏两部分30】。长范围泄漏是由于信号截断造成的信号频谱旁瓣之间的相互干扰；短范围泄漏是指由于离散频谱的栅栏效应导致的信号峰值点观测上的偏差长范围泄漏通过加合适的窗函数加以抑止，短范围的泄漏通过插值算法进行修正本文对信号加海宁窗函数后再通过双峰插值修正的方法来抑制频谱泄漏，使谐波分析结果更加精确。2加窗插值修正算法1)窗函数在数据采集时，既使采样频率满足了采样定理，但如果不是同步采样，就将带来泄漏误差以及栅栏效应误差，使得算出的信号参数如幅值和相位等不准确，尤其是相位误差很大，从而无法满足谐波测量要求；对信号进行际上就是对信号进行了加矩形窗后再就是说在存在同步偏差时加矩形窗再是选择合适的窗函数(该窗函数指除了矩形窗以外的其它窗函数，称之为特殊窗)则可能使泄漏误差减小，从而提高谐波测量的准确度。因为用不同的窗函数截断无穷序列，其频谱的变化是不同的。其特点是：时域截断越突然，则频域波动越大(即频谱图中旁瓣大，如矩形窗截断)，南北电力大学硕上学位论文反之，则频域截断越突然，则时域波动越大(如理想滤波器)。所以选择合适的窗函数可以减小旁瓣，从而使频谱泄漏减轻p”。一般来说，窗函数中旁瓣衰减较大，高频衰减快的有利于减小截断过程中产生的频谱泄漏问题。但是具有这两个特性的窗函数，其主瓣宽度较大，相应会带来一些副作用。所以应用中，要根据具体情况选择合适的窗函数。电网信号主要含有整数次谐波，因而常采用余弦窗函数，只要选取观测时间是信号周期的整数倍，其频谱在各次整数倍谐波频率处幅值为零，因而谐波之间不发生相互泄漏。即使信号频率作小范围波动，泄漏误差也较小。余弦窗函数一般可以表达为(w=万1毳M。2，。N(2删余弦窗根据所取项数的不同、各项系数的不同，则窗的名字也不一样，常用窗所对应得各项系数取值如表21【32】：所以，本文所用的海宁(函数表达式如下：w(H)=05一O5) n=0，1，Nl(2)插值修正算法表21各余弦窗的系数表窗名称 n 啦 口35 一O554 一O4642 一O5 008窗 035875 048829 000f)，在经过了采样率为=崩“2万要斛口) (，其连续频谱为出(2万，)，则加窗后该18第2章电能质量指标及其测量计算信号的连续傅立叶变换为：砌=砌坂谢砌 =专桦，一哗，2删如果忽略负频点一五处频峰的旁瓣影响，在正频点磊附近的连续频谱函数可以表达为：i(伊鲁墨!掣)(2上式进行离散抽样，即可得到它的离散傅立叶变换的表达式为：i(七，)=(x(Z)(2中离散频率间隔为V=ZN，值频率石=很难正好位于离散谱线频点上，也就是说，ko kk：一般不是整数设峰值点左右两侧的谱线分别为第两条谱线也应该是峰值点附近幅值最大和次最大的谱线显然，毛ko十1令这两条谱线幅值分别是：M=I x(毛)l，儿=l x(也，)，所以可以引入一个辅助参数口=毛一南一05显然，05，05这样必：2x(05)N)2x(-a-o5焉)N)2+妇 x(一a+o5)I+l(2石(一do5)1)l 令=(儿一Y1)f(1)，通过多项式逼近的方法得到海宁窗函数所对应的修正公式如式(250)。综上所述，基于海宁窗函数的插值修正31：选取适当周期长度截取实域数据：对实域信号数据加海宁窗；作到频谱数据；东北电力人学预十学位论空寻找各次谐波峰值点附近幅值最大和次最大的谱线；利用修正公式得到各次谐波的幅值和相位。删c(2)(n=0,1,“j N1)a=f)+号一n(1y，2)=2)(2356194+3873a?+5电压波动及闪变251电压波动与闪变的定义本文所研究的电压波动和闪变是电能质量的重要指标之一。它主要反映在稳态运行的状况下，波动性负荷引起供电系统的电压波动，该电压波动可能危害电气设备并引起照明闪变。1电压波动根据电压波动与闪变的国家标准000，电压波动是指每半个基波电压周期均方根值的一系列变动或连续的改变。在配电系统中，这种电压波形现象有可能多次出现，变化过程可能是规则的、不规则的，亦或是随机的。为了更具体地描述电压波动的特征，在1分钟内，测量各个周期(20电压有效值，取其最大的差值(u。一c，m)根据下式求出波动大小341。d：坠二坠100 (25”U式中2U。额定电压2电压闪变广义的电压闪变包括电压波动的全部有害作用，但是，不能以电压波动来代替闪变，因为闪变是人对照度波动的主观视感。闪变主要由下面几个因素决定：1供电电压波动的幅值、频率和波形。第2章电能质量指标及其测量计算明装鼹，以对自炽灯的照度波动影响最大，而且与自炽烀的瓦数和额定电压有关。3入对闪变的主观视感。由于人们视感的差异，需对观察者的闪变视感作抽样调查。为了了解人对闲变的视觉反应程度，率、幅值的调幅波和工频电压作为载波向工频230V、60观察者抽样(500入)调查闪变觉察率F()的统计公式为：F： 竺望 100 2，A+B+没有觉察的人数： 卜略有觉察的人数；不能忍受的人数；电压波动弓超人对照发波动的主观视觉反应称为瞬时阆变视感度s。通常以闪变觉察率为50作为瞬时闪变视感度的衡量单位，即定为S=的，见表22觉察单位的电压波动值频率f(电毯被动 频率f(电压波动 频率f(电艇被动() () ()O5 2340 65 0300 14O 03881O 1432 7O 0280 15O 0462l。5 1080 75 O266 16O O48020 0，882 80 0256 170 O53025 0754 88 0250 180 05843O 0654 95 0254 190 064035 0568 100 0262 20O 07004。0 0500 0270 210 076045 0，445 110 0282 220 08245O 0398 115 0，296 23O 089055 0360 12O 0312 240 09626O 0328 13O 0348 25O 1042东北电力人学硕士学位论文人脑神经对照度变化需要有最低的记忆时间，高于某一频率的照度波动普通人便觉察不到，这一频率称为停闪频率。根据统计，人的眼和脑对230V、605变敏感的频率范围约为612弦调幅波在88对照度波动的最大觉察频率范围不会超过O0535两个频率限值均称为截止频率。闪变是经过灯一眼一脑环节反映人对照度波动的主观视感，引入视感度系数七(，)可以更为本质地描述灯一眼一脑环节的频率特性。甓需糕器”7 产生同样视感度的 电压d() ”71090 8OT，、06呈0500120图中可以看出，k(f)随着频率=88f)达到最大值1，这时如果厂再继续增加，则k(f)的值将不断减小。从这条曲线就可以反映出厂=88上所述，闪变就是电压波动引起自炽灯照度变化在人脑内的主观感受，是用来表明电压波动大小和影响的一种数值特征。第2章2闪变值的计算方法1际电工委员会出闪变仪的功能和设计规范，其框图如图2992年国际电热协会2输入的被测电压适配成适合仪器的电压数值，并能发生标准的调制波电压作仪器自检用。框2至框4，为对灯一眼一脑环节的模拟。框2，模拟灯的作用，用平方检测方法从工频电压波动中解调出反映波动的调幅波。闪变仪要求在相对电压变动为5的范围最为灵敏，解调调制波的幅值变动必须不小于1的范围，其对二倍工频120衰减须在90个衰减作用要平方检测滤波器和框3的加权滤波器来完成。框3，模拟人眼的频率选择特性。由质上是用传递函数K(s)逼近图22所示的觉察率为50的视感度曲线。K(s)以乘积形式表述，乘积的后一项所对应于二阶带