电能质量监测系统的设计与研究_硕士学位论文.doc

硕士学位论文电能质量监测系统的设计与研究design and research of theelectric power qualitymonitoring system李林哈尔滨工业大学2009 年 6 月国内图书分类号：tm932国际图书分类号：621.3学校代码：10213密级：公开工学硕士学位论文电能质量监测系统的设计与研究硕 士 研究生：李林导师：曲延滨教授申 请 学 位 ： 工学硕士学 科 专 业 ： 电气工程所 在 单 位：信息科学与工程学院答 辩 日 期：2009 年 6 月授予学位单位：哈尔滨工业大学classified index: tm932u.d.c: 621.3dissertation for the master degree in engineeringdesign and research of theelectric power qualitymonitoring systemcandidate:supervisor:academic degree applied for:specialty:affiliation：date of defense:degree-conferring-institution:li linprof. qu yanbinmaster of engineeringelectrical engineeringschool of information science andengineeringjune, 2009harbin institute of technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着国民经济和科学技术的迅速发展，现代电力电子变流装置和非线性设备被大量使用，电能质量问题已经引起电力部门和许多重要商业用户的密切关注，一方面是电网电能质量的下降，另一方面却是用户对电能质量要求的提高，其矛盾日益尖锐。因此，如何提高和保证电能质量己经成为我国电力系统面临的重要问题，对电能质量进行监测与分析具有十分重要的意义。本文首先论述了电力系统参数监测的意义及研究发展现状，介绍了谐波的危害和目前存在的谐波检测方法，并在电能质量和电能计量相关的国家标准的基础上，提出了电力参数监测系统的设计方案，然后从硬件、软件和算法三个方面详细介绍了电力参数监测系统的研制。根据监测系统的需要，本文采用 dsp+mcu 构架，充分发挥 dsp 芯片的数字处理能力和 mcu 的控制功能。采用模块化的设计思路，将系统分为信号采集模块、信号处理模块、人机接口模块等多个功能模块，各模块之间通过信息交换协调工作。硬件方面，本文详细介绍了数据采集和数据处理等模块的具体电路实现，以及相关的系统电路扩展；软件方面，本文着重分析了谐波分析算法，采用了一种针对实输入序列的高效 fft 算法，并对使用 fft 算法带来的频谱泄漏和栅栏效应进行了详细分析，提出了基于窗函数的插值 fft 算法，给出了算法的 dsp 实现方法，并在 matlab 中进行仿真，验证了算法的正确性。同时，对于频谱分析的抗混叠处理，本文设计了基于窗函数的数字滤波器。对于 dsp 自举引导程序的设计、dsp 与 a/d 以及 mcu 的接口编程以及数据的采集，本文也详细的介绍了其实现过程。本系统具有很高的测量速度和测量精度，人机界面友好，易于操作，功能齐全，具有可扩展性，便于系统的硬件和软件升级，具有很好的研究价值和实用价值。关键词电能质量监测；谐波分析；数字滤波器；fft；dspi哈尔滨工业大学工学硕士学位论文abstract with the rapid development of national economy and science technology,various kinds of electric and electronic convertors and other non-linear load arewidely applicated, this can make the voltage and current waveform distor and resultin the serious depravation of electric power quality. so the electric powerdepartments and many important business users now pay more and more attention tothe electric power quality issue. on the one hand, the quality of electric power hasdeclined, on the other hand the users require to improve the quality of electricalenergy. so detecting and analyzing electric power quality is quite significant. in accordance with the need of the monitoring system, we use dsp+mcuarchitecture, and give full play to the digital processing capacity of dsp and thecontrol function of mcu. the thesis firstly discusses the significance of powerquality monitoring system and the development of the meaning of the power qualitymonitoring system, then introduce the harm of harmonic in power system and severalkinds of general analysis methods used in harmonic monitoring. and, the thesisdesigns the system scheme bases on the national and sector standards about electricpower quality. then the author introduce the research method of electric powerquality monitoring system from the two aspects of hardware and software. the author uses the modular design method to design the multifunctionalelectric power quality monitoring system, the system is divided to several modulessuch as signal acquisition module, signal processing module, man-machine interfaceand so on. the modules work in harmony through the exchange of informationbetween them. the author designs the hardware part design method of circuitschematic diagram including the signal acquisition module and the signal processingmodule, and related expansion of the system circuit. the author designed thehardware part focusing on the harmonic analysis algorithm, using a high-efficiencyfft algorithm for a real number input sequence. the author also analyses detailedlythe spectrum leakage and fence effect accompanied by using fft algorithm, bringingforward the interpolated fft algorithm based on window function, and introduceshow to actualize it in dsp. then we give the simulation method in matlab toverify the correctness of the algorithm. simultaneously, the thesis designs the digitalfilter based on window function to deal with spectrum aliasing. in addition, the thesisii哈尔滨工业大学工学硕士学位论文introduces the design method of bootloader function and the interface with otherequipment for dsp. the system has very high measurement speed and the measuring accuracy,friendly interface, easy to operate, multi-function, convenient extension,easy toupgrade the hardware and software. so it has a high value for researching andpractical application.key words electric power quality monitoring system, harmonic analysis, digital filters, fft, dspiii哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘 要 .iabstract . ii第 1 章 绪论. 11.1 本文研究的背景和意义. 11.2 电力监测装置的国内外研究现状 . 21.3 论文研究的主要内容. 4第 2 章 电力参数的测量原理. 62.1 基本电参量的测量原理及方法 . 7 2.1.1 三相交流电压电流有效值的测量. 8 2.1.2 功率的测量 . 82.2 电能质量指标的测量. 9 2.2.1 电压偏差的测量. 9 2.2.2 频率及频率偏差的测量 . 102.3 谐波测量理论综述 . 10 2.3.1 谐波的定义及其产生原因 . 10 2.3.2 现存谐波测量方法的比较 . 112.4 本章小结. 12第 3 章 电力参数测量算法的分析研究及仿真. 143.1 基于傅里叶变换的谐波分析算法 . 14 3.1.1 按时间抽取(dit)的基-2fft 算法原理 . 15 3.1.2 按时间抽取的 fft 算法的特点. 17 3.1.3 实序列 fft 的高效算法 . 183.2 谐波分析中 fft 算法存在的问题及解决办法 . 203.3 基于加窗插值的 fft 算法的分析与研究. 23 3.3.1 常用窗函数及其特性. 24 3.3.2 基于窗函数的插值 fft 算法原理. 25 3.3.3 基于窗函数的插值 fft 算法的 matlab 仿真分析. 283.4 本章小结. 30第 4 章 电力参数实时测量系统的硬件设计. 314.1 系统硬件总体设计方案. 314.2 多通道数据采集模块的硬件设计 . 32 4.2.1 信号调理单元的设计. 32 4.2.2 a/d 数据采集模块的设计. 344.3 dsp 数据处理模块设计. 37iv哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4.3.1 dsp 处理器芯片的选型 . 37 4.3.2 外部存储器的扩展以及存储空间配置 . 38 4.3.3 dsp 与 mcu 的接口设计 . 414.4 mcu 人机接口模块设计. 42 4.4.1 mcu 的选型及芯片介绍 . 42 4.4.2 液晶显示电路的设计. 43 4.4.3 键盘接口电路设计. 44 4.4.4 串行通讯接口电路设计 . 454.5 本章小结. 45第 5 章 电力参数实时测量系统的软件设计. 465.1 ccs 集成软件开发环境与设计原则. 465.2 系统软件的总体设计. 47 5.2.1 系统软件功能综述. 47 5.2.2 系统软件设计主流程图 . 485.3 系统自举启动的软件实现. 49 5.3.1 bootloader 的 16bit eprom 的并行引导模式. 49 5.3.2 dsp 的 bootloader 设计 . 515.4 数据采集模块的软件设计. 53 5.4.1 mcbsp 的初始化. 54 5.4.2 ad73360 的初始化. 555.5 dsp 数据处理模块的软件设计 . 56 5.5.1 数的定标 . 57 5.5.2 fft 算法在 dsp 上的实现 . 585.6 dsp 与 mcu 的 hpi 通信设计 . 615.7 低通 fir 数字滤波器的设计 . 61 5.7.1 窗函数法 fir 数字滤波器的设计原理 . 62 5.7.2 基于凯泽窗的低通 fir 数字滤波器的设计 . 645.8 本章小结. 68结论 . 69参考文献 . 71攻读学位期间发表的学术论文. 74哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明. 75哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书. 75致谢 . 76v哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章 绪论1.1 本文研究的背景和意义现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。现代社会对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。随着科学技术和国民经济的发展，一方面为电力系统的发展和进步提供了空间和新的技术手段，另一方面也给电网的安全运行带来许多负面影响，由此也给电力工作者和研究者带来许多新的研究课题：电力系统中各重要节点的电压、电流、用电量等都对电力系统的安全稳定运行起着关键作用，所以要对电网的各种运行参数进行实时监测，并根据检测的数据分析电网的运行质量，预防因供电质量引起的用电设备故障。一直以来，供电线路的电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率等参数的检测是掌握供电线路和设备运行状态的基础，有些参数还是保证功率补偿有效性和合理性的决策依据。随着电力电子技术的发展，电力系统负载的复杂程度增加了，整流器、变频器以及电弧炉等各种非线性负载在工农业生产和输用电设备中得到了广泛的应用，电力线上传输的已经不再是纯净的 50hz 交流电了，而变成包含着谐波和各种干扰的复杂的供电系统，这些负载的非线性、冲击性和不平衡性使得电网的供电质量日趋恶化，造成诸多的稳态、暂态电能质量问题，如浪涌干扰，高压尖峰干扰，电压跌落和骤变，电压的谐波影响，电压波动，三相不平衡等，所有这些带来了许多新的问题，如电网中存在的大量谐波电压和谐波电流会导致电机转子过热，导致系统元件产生附加谐波损耗，降低用电设备的使用效率，缩短使用寿命；瞬变干扰引起计算机和单片机系统的死机，还可能引起自动装置、继电保护装置误动作和工业生产电子控制装置失灵，使重要的生产过程中断；功率因数降低导致损耗增加等等。所有的这些问题将会造成巨大的经济损失和生产事故，产生严重的安全隐患。基于以上各种因素，为了电力系统的安全运行，电力终端用户的安全用电，以及达到电力设备的要求，更为了降低损耗，提高用电效率，研究能够在用户设定的工作方式下（包括单项、三相三线和三相四线），对电网各项参量进行检测，同时实现电能质量各项指标的测量和结果显示的电力系统综合测量装置，进行电网监测和电能治理成为近年来电力行业研究的新热点。只有充分的了解-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文电网的运行状况，及时地监测电网中的各个指标，对其分析、统计后，才能找到问题的根源，分析其严重程度，从而得出处理的方法，进一步解决这些问题。1.2 电力监测装置的国内外研究现状电能质量的标准和技术是随着电力系统的发展和用户需求的变化而变化和发展的。大量电力电子设备的使用是新技术的运用，同时也是电能质量恶化的制造者和受害者。近四十年来全球范围内因电能质量而引起的重大电力事故已达二十多起，每年电能质量扰动和电力环境污染引起的国民经济损失高达两千亿元。供电质量问题不仅对大型企业的正常运作影响较大，同时对重大活动的安全供电影响较大。我们需要监测分析电力系统动态和稳态两大电能质量问题，为预防和减少电能质量引起的故障，从统计数据方面提供采取措施的依据。电力参数监测装置的发展经历了三个阶段1：第一代是指针式仪器，如模拟万用表、电压表、电流表等，这些仪器仪表的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静电式、电热式等。由于这类仪表本身的机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般精度较低，稳定性差，应用场合有一定局限性，但由于其原理简单、坚固耐用、成本低廉，目前还在被广泛使用；第二代是数字式测量仪器，这类仪表的基本原理是将被测量的模拟信号通过电子线路变为数字信号，进行计算并显示出来。这类仪器同指针式仪器相比，精度有了很大提高，能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用。但电子线路比较复杂，不能自动适应测量环境的变化，而且仪器的校准复杂。第三代是智能仪器。某些参考资料认为：所谓智能，意味着仪器中含有一定的人工智能，即是利用电子线路代替人的一部分脑力劳动，然而至今智能仪器中所具备的人工智能并不多。这类仪器内部含有微处理器，通过微处理器来控制数据的采集，并对数据进行处理。因此能够用软件的方法实现信息的采集、处理和存储，大大简化了仪器的整体结构。这类仪器的硬件基础是采集技术和输入输出技术，而软件基础在于数据的采样和处理方法。国外对电能质量研究起步较早，目前有关电能质量控制的研究正掀起高潮，从所使用的理论到电能质量评价指标体系的建立，从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义，各种电能质量问题分析方法的提出，以及“用-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文户电力技术”等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。1996 年，ieee 决定将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议（ichps）更名为电力谐波与电能质量学术会议（ichap），讨论的主题包括利用先进的电能计量的分析方法开发新型实用的电能计量装置，把电能质量提高到一个新的认识高度。在从事电能质量产品的企业中，美国的 fluke 公司和瑞士的 lem 公司的产品在全球都有广泛的应用。在国内，目前电能质量中的某些问题已成为电工领域的前沿性课题，吸引了许多高等院校和科研机构的一大批科技人员投入其中进行研究。理论研究方面，正致力于电能质量的界定方法和评估体系的建立、国家电能质量标准的完善和电能质量分析相关算法的研究。其中电能质量评价体系的建立主要涉及电能质量的定义、综合评价体系及其咋电力市场、智能建筑中的应用等方面；2006年 4 月，经国家发改委批准组建的电力行业电能质量计柔性输电标准化技术委员会，正进一步完善国家的电能质量标准体系；算法分析是电能质量研究的重要内容，目前相关的算法研究主要致力于利用 fft 算法、小波分析、窗函数等工具，进行信号去噪、信号提取以及谐波分析等方面的处理。在电能质量的监测及应用仪器的和设备的开发方面，国内正进入一个蓬勃发展期，各种参数检测装置层出不穷。硬件方面有基于 dsp 芯片、基于单片机、基于双 cpu 系统、基于 arm 系统等；软件方面充分利用了 labview 技术、can总线、lonworks 总线、web 技术等实现在线监测；此外还有一些专门测量电压闪变等暂态量的测量装置。国内致力于电能质量产品研究的企业也很多。国内广泛采用统计型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪只能监测电压合格率，需要人工抄表，缺乏统计分析功能，而谐波和电压波动、闪变的测量则用便携式测量仪器，分别对变电站的各级母线电压、主变压器各侧的谐波电流、电容器组的谐波电流进行测量，对大中型非线性负荷用户和电厂以及低压配电网电流进行测量，然后根据测量数据进行汇总、统计分析，对电网的电能质量水平进行评估。这种电能质量监测手段和管理模式存在着实时性差、测量指标少、工作量大、测量误差大、效率低等明显的局限性。总体来看，国内对电能质量装置的研究起步晚，随着电力系统运行管理的系统化、网络化、自动化和智能化，单一功能的电能质量监测仪已经不适合现-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文代化电能管理的需求。综观国内目前采用的各种电能质量监测设备和手段，主要存在以下一些不足：1、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；2、设备配置的灵活性、通用性差，往往只能用于特定的操作环境；3、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；4、对干扰的分析和故障的辨识能力有限，不具备智能分析功能，不能提供给用户可直接用于决策的信息；5、实时性差，时域分析手段落后，不具备对瞬时扰动和暂态谐波的跟踪和捕获。1.3 论文研究的主要内容本论文紧密结合导师的电力参数监测装置的实际开发项目，在借鉴同类装置的基础上，研制和开发一种实用、完全脱离仿真器、低成本的便携式电力参数监测仪表，从测量装置的硬件设计、软件设计、算法分析等角度进行研究，重点是对现有的 fft 谐波分析算法进行研究和仿真，通过比较选择了合适的窗函数和插值算法进行误差修正，有效的抑制频谱泄漏和栅栏效应。论文的章节安排如下：第 1 章提出了论文的选题背景和意义，国内外电能质量问题和电力参数监测装置的研究现状，介绍了论文的主要研究内容第 2 章介绍了基本电参量和电能质量指标的定义及其测量原理和测量方法，包括三相交流电压、电流、功率和功率因数的测量，电压偏差、频率及频率偏差的测量。本节着重介绍了目前电力谐波的测量理论，包括快速傅里叶变换、瞬时无功功率理论、小波变换等，通过对其的比较，选择快速傅里叶变换作为本系统的谐波测量方法。第 3 章作为本文的主要研究内容，介绍了基于傅里叶变换的谐波分析算法。对按时间抽取（dit-fft）的基-2fft 算法的原理和特点进行了详细地分析，并采用了一种针对电力参数采集中实序列输入的高效 fft 算法。采用 fft 算法进行谐波分析时伴随有频谱泄漏和栅栏效应的影响，本章对其产生原因进行理论分析，并针对这些问题提出了一种基于加窗插值的 fft 算法，通过在 matlab中的仿真验证，证明了算法的正确性。-4-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 4 章介绍了系统硬件的设计方法。系统构建了 dsp+mcu 的硬件结构，采用模块化的设计思路，将系统分为信号采集模块、信号处理模块、人机接口模块的等多个功能模块，详细介绍了个模块的设计方法和电路原理图。各模块之间通过信息交换协调工作。第 5 章介绍了基于 ccs 的系统软件设计方法。为了实现系统的脱机运行，设计了 dsp 的 bootloader。介绍了数据采集模块、数据处理模块的程序设计方法和流程图。重点介绍了 fft 算法在 dsp 上的实现方法以及基于窗函数设计法的低通 fir 数字滤波器设计方法。结论是对本论文的总结和展望。-5-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章 电力参数的测量原理电力系统基本电参量的测量主要包括：电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率等。根据被采集信号的不同，数据采集可分为直流采样和交流采样两大类。直流采样是把交流电压、电流信号转化为 05v 的直流电压，这种方法的主要优点是算法简单，便于滤波，但投资较大，维护复杂，无法实现实时信号采集，因而在电力系统中的应用受到限制。交流采样是把交流电压、电流信号转化为+5v-5v（或 05v）的交流电压进行采集，主要优点是实时性好，相位失真小，投资少，便于维护，其缺点是算法复杂，精度难以提高，对 a/d 转换速度要求较高。随着微机技术的发展，交流采样以其优异的性能价格比，有逐步取代直流采样的趋势。交流采样的应用范围非常广泛，根据应用场合的不同，其算法也有很多，按其模型函数的不同，大致可分为正弦模型算法、非正弦模型算法。正弦模型算法主要有最大值算法、单点算法、半周期积分算法、两点算法、导数算法、和快速三点算法。其中，如果采集三相对称正弦信号，单点算法不失为理想算法，对采样时刻没有要求，既准确有快捷，并且可以同时测量得到电压、电流、有功功率和无功功率，但这种算法对采样信号要求较高，硬件较为复杂；半周期积分算法的数据窗长度虽然要半个周期，但它的运算量非常小，只涉及加减运算，另外它有一定的滤除高频分量的能力。非正弦模型算法主要有：有效值算法、傅里叶及改进的傅里叶算法、最小二 乘 算法 （ least error square algorithm） 卡尔曼滤波算 法 （ kalman filter、algorithm）、小波变换算法等。其中，有效值算法的计算精度与采样点数 n 和采样的同步度有关，在系统允许的情况下，可以增加采样点数来提高运算精度。该算法实时性好、简单，在不需要测量基波和各次谐波参数的情况下，可以选用此方法；傅里叶及改进的傅里叶算法是目前应用最多的算法，可以一次算出信号中所用的谐波，应用方便，已经才电力系统测量中得到了广泛的应用；小波变换算法因其在时域频域都具有较好的分辨率，在电力系统测量中有很好的研究价值2。考虑到数字信号处理在电力系统测量方面的优势以及 fft 算法的成熟程度，本文设计的电力参数测量模型及实时测量系统是基于改进的 fft 算法，并-6-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文通过相应修正其测量误差，取得较好效果。电能质量的五个主要指标为：电力系统谐波、电压波动和闪变、电压允许偏差、电力系统频率允许偏差和三相电压允许不平衡度。电能质量虽然只有五个指标，但是需要计算的量却很多。这些量主要包括：三相电压、电流有效值；电网的系统频率；电压、电流的各次谐波分量及谐波总畸变率；三相有功功率，三相无功功率和三相视在功率；功率因数；各次谐波含有率；波形及波形因数；电压、电流中的负序和正序分量；电压波动值3。在出现电压闪变的情况下，对闪变性质进行分析，并记录闪变暂态过程中的电压波形；三相电压不平衡系数。2.1 基本电参量的测量原理及方法电力系统的电压、电流理想波形是标准的正弦波，正弦波供电能够减少铁损并提高效率。然而正弦波形只是一种理想状态，实际上是不可能完全实现的。对于一个畸变的非正弦周期函数，可以用傅里叶级数表示为：f (t ) = a0 + a1 cos(1t + 1 ) + a2 cos(2t + 2 ) + . + an cos(n t + n ) + .(2-1)其中， 0 是直流分量， n 是周期分量的峰值；n 是响应周期分量的初相角。aa由于电力系统中的非正弦周期波都是不规则的畸变波形，所以无法从函数解析式转化为上式，进而获得谐波参数。常用的方法是对该波形的连续时间信号进行等间隔采样，并把采样值转化为数字序列，借助相关算法进行谐波分析。电力参数基本量主要包括：三相电流有效值、三相电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率等。而根据被采集信号方法的不同，交流电参量的采样测量方法主要有两种：直流采样法和交流采样法。直流采样法是把交流电压、电流信号转化为直流电压，采样经过整流后的直流量，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，这种方法的主要优点是算法简单，便于滤波。但直流采样法存在一些问题：测量精度直接受整流电路的精度和稳定性影响；整流电路参数调整困难且受波形因素影响较大；此外，用直流采样法测量工频电压、电流是通过测量平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同时，平均值与有效值之间的关系将发生变化，给计算结果带来误差。因此，要获得高精度、高稳定性的测量结果，必须采用交流采样技术。交流采样技术是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法-7-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文进行数值处理，从而获得被测信号信息的方法。该方法的理论基础是采样定理，即要求采样频率为被采样信号频谱中最高频率的两倍以上，这就要求硬件处理电路能够提供较高的采样速度和数据处理速度。目前，高速单片机、dsp 及高速 a/d 的大量涌现，为交流采样技术提供了强有力的硬件支持4。2.1.1 三相交流电压电流有效值的测量对于周期为 t 的工频信号来说，不论其波形是否为正弦，通过对电压电流在一周期内均匀采样 n 点，得到离散采样序列 i(n)、u(n)。当满足采样定理时离散采样序列 i(n)、u(n)将包含工频交流信号中有关电参量的信息，由数值积分理论可计算出工频交流电信号的电参量。交流电压、交流电流有效值公式： 1u= tt0 1u (t )dt i = t2t0i 2 (t )dt(2-2)若对交流电压信号在一周期内均匀采样 n 点，只要 n 足够大，且选取适当，将式(2-2)离散化后，以一周期内的采样序列来代替连续变化的电压值。根据数值积分中的矩形算法，有： 1 n 1 2u= un t t n =0 1 n 1 2i= in t t n =0(2-3)t ，可得到交流采t若相邻两次采样时间间隔 t 都相等，则 t 为一常数： n =样电压电流有效值的计算公式：u=1nun =0n 1