（控制理论与控制工程专业论文）电力谐波监测仪及其通讯技术的研究.pdf

摘要 近年来，由于电力电子等非线性设备的迅速增长，使得电网中的谐波污染越来越严 重，对各种电力设备、通信设备及线路都带来有害的影响，严重时会损坏设备，造成电 力设备误动作：同时，由于工业自动化水平的提高，微处理器和p l c 等智能器件的大量 应用对电能质量提出了更高的要求。因此，对电网谐波进行监测与研究是限制、消除谐 波危害的前提，也是保证供电系统安全经济运行及保证设备和人身安全的迫切需要。 本文在现有设备的功能和特性的基础上，利用数字信号处理技术和利用a r m 强大的 传输数据能力来实现电力谐波监测和传输电力谐波数据。本系统是建立在双c p u ( d s p 和 a r m ) 和p c 网络的基础上，本谐波监测仪被安装在检测现场，充分运用d s p 强大的数字 信号处理能力对电网电压和电流采样信号进行f f t 等数学运算和处理，然后通过a r m 先 进的嵌入式网络接口技术，将基于t c p i p 协议栈的通信网络接口和基于m o d e m 的r s 2 3 2 c 接口置于本电力谐波监测仪中，这样，本电力谐波监测仪可以作为网络中独立的节点与 中心服务器之间进行通信。电力谐波监测仪可以将处理后的数据传送到上位机，实现电 能质量检测中心服务器上的高级分析软件提供数据，构成一套完整的谐波监测系统。另 外，文章介绍了i e e e 推荐的电能质量数据交换格式( p q d i f ) 的结构及其上层显示界面软 件，并提供了应用实例，提高系统的可扩展性。论文在分析谐波检测领域的发展现状以 及数字信号处理理论知识的基础上，重点介绍了以下几部分：( 1 ) 系统总体方案的设计 及系统硬件结构的介绍；( 2 ) 硬件设计，包括电压电流检测电路、a d 转换、锁相环、a r m 嵌入式控制模块电路、液晶显示和按键输入等原理和电路；( 3 ) 系统软件设计，包括a d 转换、f f t 、数字滤波等程序的原理和算法以及上位机监控界面的设计；( 4 ) 对电能质量 广东工业大学工学碗士学位论文 数据交换格式( p q d i f ) 的结构、优点作了详细的分析。 关键诃：数字信号处理；谐波监测；d s p ；电力系统；p q d i f i i a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo fr a p i dg r o w t ho fp o w e ra n de l e c t r o n i cd e v i c e ， h a r m o n i cp o l l u t i o ni ne l e c t r i c i t yg r i ds y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s i tc a np r o d u c eh a r m f u la f f e c tt oa l lk i n d so fp o w e rd e v i c e ，c o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n ta n dw i r i n g ，e v e ng e n e r a t ea c c i d e n to fp o w e rs y s t e ms ot h a td i r e c t l y e f f e c ts a f e t yp r o d u c t i o na n dn o r m a lr u n n i n go fl i v e s i na d d i t i o n ，d u et o t h ei m p r o v e m e n to fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，s u c hp a r t so fa na p p a r a t u sa sm p u a n dp l ca r ea p p l i e dt oi n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o l s ，w h i c ha r ed i s t u r b e d e a s i l yb ys 2 f r sf r o mp o w e rs y s t e m t h e r e f o r em o d e r ni n d u s t r yn e e d sh i g h e r p o w e rq u a l i t yt h a no l do n ed o e s a sac o n s e q u e n c et om o n i t o ra n ds t u d yp o w e r n e t w o r ki sn o to n l yap r e m i s et oc o n f i n ea n de l i m i n a t eh a r m o n i cb u ta l s oa u r g e n t l yd e m a n dt oa s s u r ep o w e rs u p p l ys y s t e mt or u ns a f e l ya n de c o n o m i c a l i y a n dd e v i c e sa n dp e r s o n a l s a f e t y t h i sp a p e rp r e s e n t san e wd e s i g no fah a r m o n i ct e s ta p p a r a t u sf o rp o w e r s y s t e ma f t e rr e a dl o t so fi n f o r m a t i o no ft h i sa r e a t h ea p p a r a t u si sm a k e u s eo ft h et e c h n i q u e so fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，a n db a s e do i lt h e t e c h n i q u e so fd s pa n da r m t h ea p p a r a t u so nt h es p o tp e r f o r m sm a t h e m a t i c s a n dn u m e r i c a lp r o c e s s i n gi n c l u d i n gf g ra n ds oo nt ov 0 1 t a g ea n dc u r r e n ts i g n a n dt r a n s f e r sd a t at op c b yt h ea d v a n c e dn e t w o r ki n t e r f a c et e c h n o l o g yo f a r m ，t h i sd e v i c ei sa ne m b e d d e ds y s t e mb yw h i c ht h en e t w o r ki n t e r f a n eb a s e d i i i ：耋三兰盔兰三兰鎏圭茎彗兰兰 o nt h et c p i pa g r e e m e n ta n dt h er s 2 3 2 ci n t e r f a c eb a s e do nt h em o d e mt o t r a n s f e rt h ed a t at op c b e s i d e s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h a tt h ep o w e rq u a l i t y d a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t ( p q d i f ) w h i c hi sr e c o m m e n d e db ys t a n d a r d c o o r d i n a t i n gc o m m i t t e e2 2 ( s c 2 2 ) o np o w e rq u a l i t ya n di e e e1 1 5 9w o r k i n gg r o u p o np o w e rq u a li t ym o n i t o r i n g i to f f e r sas o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fd i f f e r e n t p o w e rq u a l i t yf i l ef o r m a t s t h ep a p e ra r el a i do nt h ef o l l o w i n g ：( 1 ) o v e r a l l p l a nd e s i g na n dh a r d w a r e i n t r o d u c t i o no fs y s t e m ，( 2 ) d e s i g no fh a r d w a r e i n c l u d i n gc i r c u i ta n dp r i n c i p l eo ft h ee x a m i n a t i o ne l e c t r i cc i r c u i to ft h e e l e c t r i cv o l t a g ee l e c t r i cc u r r e n t ，a dc o n v e r s i o n ，p h a s el o c k 。t h e c o m m u n i c a t i o nm o d u l eo fa r m ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ya n dk e y s t r o k ea n ds o o n 。( 3 ) dd e s i g no fs y s t e ms o f t w a r ei n c l u d i n gd i g i t a lf i l t e r i n g ，f f t ，a d c o n v e r s i o na n d m o n i t o ri n t e r f a c eo fp ca n ds oo n ，( 4 ) m a k ed e t a i l e da n a l y s 如 t ot h es t r u c t u r ea n dm e r ito fp o w e rq u a lit yd a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t ( p q d i f ) k e y w o r d s ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ：h a r m o n i cm o n i t o r ：d s p ：p o w e rs y s t e m p q d i f 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人 或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 哕萍 论文作者签字：尹 定 易7 刁年乃矽 f 第一章绪论 第一章绪论 1 1电力谐波检测的发展及其趋势 电力是当今社会主要的能源之一，对电网电能质量进行监测、管理是保证电网 安全、经济、高质量供电的重要手段。但是目前电能监测和管理方法还存在严重不 足：实时性差，功能单一，效率低，缺乏统计分析功能等一。在电力系统中，理想 的电压和电流波形应当是工频下的正弦波，但是实际的波形总有不同程度的畸变。 尤其是近年来，配电网中换流器、变频调速、电弧炉、电气化铁路、家用电子设备 以及各种电力电子设备不断增加，这些具有非线性的负荷，使电力系统中的电压和 电流波形发生了严重的畸变，给电网注入了大量的谐波，使电力系统的发、供、用 电设备出现许多异常事故i ，删因此谐波污染被认为是电网的一大公害。谐波监测是 谐波治理问题中的一个重要部分，也是解决其他谐波问题的基础。同时，谐波监测 对抑制谐波有着重要的指导作用 6 1 。 谐波测量的历程大致可分为三个阶段f j j ： 第一阶段是从1 9 世纪初至2 0 世纪4 0 年代，谐波分析主要采用傅立叶变换，利 用信号波形的录波图、人工手动等间隔地量取数值，计算过程十分费时费力，精度 很低，分析谐波次数也不高。 第二阶段是二十世纪5 0 8 0 年代，选频测量技术获得了广泛的应用和普及，测 量方式是利用失真度式的仪器测量谐波总畸变率，外差选频式逐项测试各次谐波分 量，带通滤波式逐次选取各次谐波分量。这类谐波分析仪测试的结果只能给出谐波 的幅值，不能测出相位，测试调节也较麻烦。 第三阶段是二十世纪8 0 年代至今，由于集成电路和微处理机及计算机的迅速发 展，出现了一系列基于快速傅立叶变换( f v t ) 的谐波分析仪和频谱分析仪，计算结果 快速准确、可同时进行多路信号的测量。在我国，最早采用f f t 算法和锁相技术的 谐波测量方法的研究始于二十世纪八十年代，测量方案由傅氏变换到快速傅立叶变 换，从模拟式发展到电子式、数字式、智能化谐波测试。 广东工业大学工学硕士学位论文 网络通信技术和信息技术的迅速发展，电能质量监测技术正向着网络化、信息 化、标准化的方向发展【 j ，以适应当代电力系统运行的需要。谐波检测作为电能质量 检测的分支将更好地融合电子技术、计算机与通信技术，谐波检测的未来发展趋势【1 1 大致可有： ( 1 ) 计算机化 电力系统对谐波测量的要求不断提高，除了测量的基本功能外，还应具有大容 量信息和数据的长期存放空间、快速的数据处理功能和强大的通信能力。 ( 2 ) 测量、数据通信一体化 在实现测量计算机化的条件下，计算机可以从电力系统中测量电网运行的参数 和相关数据，将所获得的信息和数据传送给工控机，也可以通过i n t e r n e t 把信息和 数据传送到服务器供用户在线浏览，实时地得到测量所得的数据i s 。因此，测量、数 据通信一体化将是其一大特征。 ( 3 ) 智能化 随着计算机、通信技术的发展，电网谐波灏量装置能够实时监测电网谐波、发 现严重的谐波波形时报警显示、自行记录测量数据并发送到计算机，而且处理速度 快、分析精度高。计算机大容量的存放空间可以储存所测得的信息和数据，组成一 个历史数据库，通过对历史数据库的分析，预测未来谐波波形，实现真正的智能化。 1 2 谐波的集中检测方法 谐波( h a r m o n i c ) 即对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电 网基波频率相同的分量，还得到频率为大于l 的整数倍基波频率的分量，它是由电 网中非线性负荷而产生的。现有的谐波检测方法主要基于以下几种原理： 1 、采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波 采用模拟滤波器测量谐波是最早的谐波测量方法。该检测方法的优点是电路结 构简单，造价低，输出阻抗低，品质因素易于控制。但该方法也有许多缺点，如受 外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性，检测精度不高，而且检测出 的谐波电流中含有较多的基波分量，要求有源补偿器的容量大，运行损耗也大。 2 、基于神经网络的谐波测量 第一苹绪论 在理论上，神经网络在提高计算能力、对任意连续函数的逼近能力、学习理论 及动态网络的稳定性分析等方面都取得了丰硕成果。目前，神经网络应用于电力系 统谐波测量尚属起步阶段。它主要有三方面的应用：( 1 ) 谐波源辨识；( 2 ) 电力系统 谐波预测；( 3 ) 谐波测量。将神经网络应用于谐波测量，主要涉及网络的构建、样本 的确定和算法的选择。 3 、利用小波分析方法进行谐波测量 将小波分析作为调和分析已有重大进展。它克服了傅立叶变换在频域完全局部 化而在时域完全无局部性的缺点 9 1 ，即它在频域和时域都具有局部性。利用小波变换 能将电力系统中产生的高次谐波变换投影到不同的尺度上能较好地反映出高频、奇 异高次谐波信号的特性，特别是小波包具有将频率空间进一步细分的特性，从而为 谐波分析提供了可靠依据。 4 、瞬时空间矢量法 在瞬时无功功率理论基础上，有人提出了两种谐波电流的检测方法：p - q 法和 i p i q 法。这2 种方法都能准确地测量对称的三相三线制电路的谐波值。i p i q 法适 用范围广，不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效，而使用 p - q 法测量电网电压畸变时的谐波会存在较大误差。这两种方法的优点是当电网电 压对称且无畸变时，各电流分量( 基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量) 的测量电路比较简单，并且延时较小。 5 、f v r 变换法 利用f f t 变换来检测电力谐波是一种以数字信号处理为基础的测量方法，其基 本过程是对待测信号( 电压或电流) 进行采样，经h o 转换，再用计算机进行傅立 叶变换，得到各次谐波的幅值和相位系数。 本谐波监测系统是出于电力部门对电网谐波进行管理的需要而研制的，要求通 过对电网监测，得到各次谐波的指标，使用目前在电力系统谐波检测中应用最广泛 的分析方法一一f f t 变换法，使用此方法测量谐波具有精度较高、功能较多、使用 方便的特点，且能够实现整数次谐波的精确分析和检测。 3 广东工业大学工学硕士学位论文 i 3课题的研究意义及其来源 现代社会的发展对供电的高可靠性，高电能质量要求越来越高，而电网的谐波 则给电网带来了负面的影响，主要表现在 ，- 5 d i 删： ( 1 ) 增加发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利 用率： ( 2 ) 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性； ( 3 ) 使测量和计量仪器的指示和计量不准确，谐波会影响感应式电能表的正常工 作，还使线性负荷性能变差和电能计量不准确； ( 4 ) 干扰通信系统的工作，严重时会威胁通信设备和人员的安全： ( 5 ) 影响用电设备，可能使某些用电设备误动作甚至缩短其使用寿命。 因此，电力系统中对谐波进行监测是非常重要 6 j 4 ，它是改善“电力系统”环境 的基础和重要依据。 电力通讯事业正处在高速发展时期，通讯能力迅速增强i t s ，同时，随着对电能质 量问题的研究与重视，对电能质量进行持续永久、全面广泛的监测己在国内外电力 行业达成共识m m ，建立一个电能质量在线监测网，及一套统一开放的监控和管理平 台，能够及时分析和反映电网的电能质量水平，以便找出电网中影响电网质量的原 因，并且采取相应的整改措旌，改善现有供电系统的供电质量、降低电能损耗、保 证电网的安全、可靠、经济运行具有重要意义。同时也为电网的进一步完善和事故 分析提供准确的历史数据啤- 9 1 。一直以来，有关减少电力谐波影响的研究从没停止过 ，然而，电力谐波监测仪器多种多样，不同厂家装置的数据存储格式、转换格式 自成体系，互不兼容 2 1 1 ，这使得电能质量管理信息系统没有统一的数据录入格式，难 以实现数据共享2 升。针对上述问题，i e e e 标准委员会于1 9 9 0 年代中期起草了 i e e e l l 5 9 3 文件p q d i f ( p o w e rq u a l i t yd a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t 电能质量 数据交换格式) 草案 2 4 i ，经过多次修改，到2 0 0 2 年已形成比较成熟的d r a f t9 号文 件。p o d i f 数据格式从推荐使用开始就是作为一种标准出现，为数据的共享与管理 提供了一个很好的通用平台，适于电能质量监测系统向标准化发展的需要m - 。从高效 性和经济性的角度看，可以避免各种不同数据源编写底层程序，使应用开发的人力 投入大幅降低和各种数据处理效率得到提高。这种基于i n t e r n e t 采用p q d i f 格式储 4 第一章绪论 存和传输数据的电力谐波监测系统，在国内尚在研究当中，但尚未投入使用。因此， 本课题的研究是必要的和及时的。 本课题名称是“电力谐波检测仪及其数据的传输”，现为广东省电力试验研究所 的科技项目。本文由以下几部分组成： 第一章、绪论； 第二章是数字信号处理的理论基础，阐述了本系统所需要的相关理论基础； 第三章是系统整体方案与硬件设计，从整体上对系统的结构进行了介绍，并详 细的阐述了系统硬件各个组成部分，并对其中的原理进行了分析； 第四章是系统的软件设计； 第五章是详细介绍电能质量交换格式( p q d i f ) ，并且在实际检测当中得到了 术p q d 文件； 第六章是结论和展望，对本文作以总结，讨论了有待进一步研究的问题。 1 。4主要参数计算方法 在数据采集及预处理基础上，通过f f t 变换，得到基波和谐波各次分量、有功 分量和无功分量，从而计算出装置所监控的各种电气参数。参数的计算方法参照国 家标准陋卅： 电能质量供电电压允许偏差g b l 2 3 2 5 9 0 电能质量电力系统频率允许偏差g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电压允许波动和闪变g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量公用电网谐波g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 1 5 小结 本章是本文的总起部分，首先分析了谐波测量的发展概况和趋势以及谐波检测 的基本方法；然后说明了本课题研究的意义和课题来源以及本文各章节的研究内容， 最后列出本系统的参数计算方法的依据一一相关国家标准。 奎三兰查兰三= 罂：耋竺兰三 第二章数字信号处理的理论基础 2 1 时域离散信号和系统 2 1 1 时域离散信号一序列 信号是传递信息的函数。按照信号特点的不同，信号可表示成一个或几个独立 变量的函数。一维变量可以是时间，也可以是其它参量，习惯上将其看成时间。信 号有以下几种： ( 1 ) 连续时间信号：在连续时间范围内定义的信号，但信号的幅值可以是连续数 值，也可以是离散数值。当幅值为连续这一特定情况下又称为模拟信号。 ( 2 ) 离散时间信号：时间为离散变量的信号，即独立变量时间被离散化了。而幅 度仍是连续变化的。 ( 3 ) 数字信号：时问离散化而幅度量化的信号。 离散时间信号只在离散时间上给出函数值，是时间上不连续序列。一般离散时 间的问隔是均匀的，以r 表示，故用工“，) 表示此离散时间信号在n t 点上的值，珂 为整数。由于可以将信号放在存储器中，供随时取用，加之可以对其进行处理，因 而可以直接用工( ”) 表示第厅个离散时间点的序列值，并将序列表示成 工( 玎) 。为了方 便起见，就用j g ) 表示序列，其中x 缸) 只在疗为整数时才有意义。 离散时间信号序列一可以用图形来描述，如图2 - l 所示。横轴虽为连续直线， 但只在咒为整数是才有意义。纵轴线段的长短代表个序列值的大小。 l “) 图2 - 1 序列的图形表示 f i g2 - 1g r a p hr e p r e s e n t a t i o no f s e q u e n c e 6 第二章数字信号处理的理论基础 序列的运算包括移位、和、积、累加、差分、时问尺度变换、卷积和等。序列工o ) 可以表示成单位采样序列的移位加权和，即 x ( 打) = j ( t ) 艿o 一七) i t o 2 1 2 时域离散系统 ( 2 1 ) 将输入序列x 如) 映射成输出序列y o ) 的唯一性变换或运算定义为时域离散系统， 记为y o ) = r k o ) 】。对变换r 【】加上适当的约束条件就可以形成线性、时不变、因果、 稳定时域离散系统。对于线性时不变系统，当输入j 白) = 万时，其输出，o ) 定义为 系统的单位采样响应_ | o ) ，郎砌) = r a f ) l 。线性移不变系统的输入、输出满足卷 积【”关系，即 y o ) = 工伍) o j ) = x 0 ) 矗o ) ( 2 2 ) 式中，“ ”表示卷积和运算，上式表明，线性移不变系统可被单位采样响应办g ) 完全描述。 表达线性移不变系统常用线性常系数差分方程 陬y 0 一七) = 6 ，七一r ) k = o，卸 解此方程就可以知道系统的输出_ ) ，o ) 是如何响应于输入善0 ) 的。 2 2 离散傅立叶变换 非周期连续时间信号x d ) 的傅立叶变换州可以表示为： 石 ) = 工( ，) p 1 “a r t ( 2 3 ) ( 2 4 ) 以上式计算出来的是信号趣) 的连续频谱，但是在实际的系统中我们能得到的是 信号x ( f ) 的离散采样值x o r ) ( r 是采样周期) 。因此以离散信号x o 丁) 来计算其频谱具 有实际意义。如果采样得到了n 点采样值 如r ) ，n = o ，1 , - - n - l ，那么其频谱采样 的谱问距是 7 蛮三兰銮兰三耋堡圭兰垒兰兰 2 万 ( 0 0 3 n 。t 这样可得到式( 2 4 ) 的离散形式为： 2 口 令辟，= p 1 万并省略国。和l 则式( 2 6 ) 可写为： ( 2 5 ) ( 2 6 ) 删。萎砌嬲 娜， n 1( 2 一7 ) 一o k = 1 0 。n 1 式中x 任) 是时问序列x o ) 的频谱，降r 称为蝶形因子。对于n 点时域采样值， 经过上式计算课得到n 个频谱条，这就是离散傅立叶变换( d f t ) 。 2 3 快速傅立叶变换 离散傅立叶变换( d f t ) 当多点采样( 较大) 时，计算量非常大，利用蝶形因 子阡0 的下列特性，可以改善d f t 的运算效率。 阡，的对称性：畋”帕= 陟# “= 哼) - 瓯的周期性：时= 孵“) = 时“p 利用黟0 的对称性和周期性，可以将点的d f t 分解为两个n 2 点的d f t ，这 样二个n 2 点的d f t 总的计算量只是原来的一半。这样的分解可以继续下去，将 n 2 点的d f t 再分解为n 4 点的d f t 。最小的分解点数称为基数( r a d i x ) ，基2 的 f f t 就是最小变换为2 点d f t ，下面分别给出按时问抽取( d e c i m a t i o n - i n - t i m e ，缩 写为d i t ) 的f f t 算法和按频率抽取( d e c i m a t i o n - i n - f r e q u e n c y 。缩写为d i f ) 的f f t 算法。 2 3 t 按时间抽取( d i t ) 的f f t 算法 设= 2 ”，将时间序列工“) 分为偶序列和奇序列，可得 8 b 堡 吖 k ， o x m l i 哪 鹰 弦 r以 玎 = 、j忙 r 誊三耋蝥耋堡：兰垩箜罂鎏量型 n - ln 1 2 - 1n 2 一i 掷) = x ( 嚣) 咛= x ( 2 r ) w ；4 + 工( 2 ，+ 1 ) 孵 n 1 2 - i ”“7 。一i 7 。 (28n2 ) 一l 、， = x ( 2 r ) ( r v ：) + 孵x ( 2 r + l x w d ) = 托( 七) + 五( 七) r f f i 0 2 # z f 由蝶= p 一铲= e 1 而= ：，可得 凰 ) = x 噱 “ k = 0 。i 。n 2 1 2 一l x 。传) = 艺x ( 2 ，+ 1 躲 i f 町，1 ，n 2 1 可以看出，x o ( k ) g x l 任) 正好是z 幻) 的偶序列和奇序列的d f t ， 子的周期性，即嗓= 缈圳，所以有 , v 1 2 一， r 2 l x o ( 2 + _ j ) = 谁，耽夥2 “= 艺x ( 2 ，砾= x o ( k ) r f f i 0r - - o 同理，x ，( n 2 一j | ) = x ) 。综上可得x ) 的前半部分： x ) = 瓦 ) 十畋z - o ) k = 0 1 。n ，2 i 后半部分为： ( 2 9 a ) ( 2 9 b ) 考虑到蝶形因 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) x q | 2 + k 、= x 。吣+ w ：| “k x 。蚺 = 凰g ) 一孵x - 狂)k = 0 ，l ，n 2 1 f2 1 2 ) 按照这个原理，可以继续将n 2 的子序列再按偶序列和奇序列分解为二个n 4 点的子序列。持续这样分解，最后可以得到2 点的d f t 。 2 3 2 按频率抽取( o i f ) 的f f t 算法 按频率抽取( d i f ) 的f f t 算法不是将时间序列硝九) 分解，而是将代表频域的输 出序列) | g ) ( 也有n 4 。a ) 按其顺序是属于偶数还是奇数分解为越来越短的序列。 先将式( 2 6 ) 分为前后两半，即 9 奎三兰堑三兰璧圭兰垒鎏兰 。 x ) = 艺x o 胖+ x 0 嘭 = 芝x 0 弘嘭+ 艺x o + 2 萝嘴卅2 = 芝k 0 ) + x ( n + n 2 ) w f 2 橛 = 誊1 w 小+ 2 腑 删，- l 汜 将上式按_ j 是偶数还是奇数分解得到： x ( 2 ，) ：n 2 - 1 扛o ) + x o 十2 汁瑶m = n 萎2 - 1 h o ) + x o + n 2 慨 例，1 ，2 ( 2 1 4 。) ，2 - l j ( 2 r + 1 ) = 艺k 如) 一x 0 + 2 ) 附”咖 = n 萎1 - 1 阢) 一x o + n 2 黼嗽 ，：o ，1 ，n 2 一l ( 2 1 4 b ) 与按时间抽取的算法类似，按频率奇偶的分解可以持续下去直到求2 点的d i f 为止。按频率抽取的计算量与按时间抽取的是一样的。 2 4 数字滤波器 滤波函数的数学基础是卷积，数字滤波器的输出y 0 ) 与输入x o ) 和单位冲击响应 矗0 ) 的卷积例有关。 y 如) = x o ) m ) 2 蚤( m 胁一川( 2 如果数字滤波器的单位冲击响应而o ) 为有限长，输入z o ) 也是有限长，求两者卷 积即可完成滤波。 数字滤波器的输出y 0 ) 的z 变换形式】，( z ) 与输入工如) 的z 变换形式留) 之间的 关系如下： 1 0 柞日( z 嘲= 装糕若等簪删 汜 这里z ( z ) 就是线性系统建模中提到的传递函数。常数6 ( f ) 和口【f ) 是滤波器系数， m a x ( h a ，n b ) 为滤波器阶数。 由于本系统只采用f i r ( 有限长单位冲激响应) 数字滤波器，下面简单介绍一下 f i r , f i r 在满足同样的系统要求时，其阶数比i i r 数字滤波器的阶数高、延迟大，但 f i r 数字滤波器具有严格线性相位特性滤波器的特性通常用它的频率响应来描述， 而且由于它的单位抽样响应是有限的，滤波器一定是稳定的。f i r 数字滤波器有以 下几个特点： ( 1 )系统的单位冲激响应甩( 哪在有限个n 值处不为零； ( 2 )系统函数日( z ) 在h o 处收敛，在h o 处只有零点，有限z 平面只有零 点，而全部极点都在z = 0 处( 因果系统) 5 ( 3 )机构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中( 例 如频率抽样结构) 也包含有反馈的递归部分。 设f i r 滤波器的单位冲激响应 ( 刀) 为一个n 点序列，0 - 刀一i ，则滤波器的 系统函数为 日( z ) 2 善悱” ( 2 1 7 ) n - u z i ， f i r 滤波器有以下几种基本结构： 1 、横截型( 卷积型、直接型) 式( 2 1 7 ) 的系统差分方程表达式为 y ( 一) = h ( m ) x ( n 一加) 很明显，这就是线性移不变系统的卷积和公式。 2 、级联型 将t - ( z ) 分解成实系统二阶因子的乘积形式 - i 2 日( z ) = 矗( 甩) z 一= n ( 属t + 届t z 1 + 尼t ：- 2 ) r 2 t s ) f 2 1 9 ) 3 、频率抽样型 频率抽样型总结构有以下两部分： 当n 为偶数时 1 4 ( z ) = o - r - n ) - 专 等+ 筹+ 卟；电f l o k 伊+ f l l k z - 1 万 = o z 1 i i h o ( z ) + h n ：2 + 挚 当n 为奇数时 日。) = ( 1 - r u z - u ) 1器+ 苫2 矗莓舞 ：o z 1 舭+ 饕 2 5小结 本章主要介绍了系统设计中需要的相关理论知识一一数字信号处理理论。介绍 了时域离散信号、离散傅立叶变换、快速傅立叶变换以及数字滤波器的基础知识， 为本文设计系统的数据处理提供理论依据。 第三章系统的整体方案和硬件设计 第三章系统整体方案与硬件设计 3 1系统的整体方案设计 随着时代的进步，网络通信和信息技术的飞速发展，电能质量监测技术正在向 网络化、信息化、标准化的方向发展川。为适应电力电子新概念的提出，保证电网的 安全运行和了解电网运行状况，本系统设计一台电力谐波监测仪，要求该监测仪把 电能质量指标按特定的格式( p o d i f ) 向监测中心传输数据，使监测中心能够对电网 各种参数实现实时监测，系统结构如图3 1 ： 图3 - 1 系统体系框图 f i g3 - ls 帆j c t u m ld i a g r a mo f s y s t e m 系统监测终端完成电力谐波的数据采集和本地分析瞄】，将实时数据转换成为通用 数据格式p q d i f ( p o w e rq u a l i t yd a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t 电能质量数据交换格 式) ，中间接口单元可以把这些数据上传到本地监测主机上传到监测中心服务器或者 直接通过网络把数据上传到监测中心服务器，如图3 - 1 所示。本系统分为三部分： 电力谐波监测终端装置、网络、电能质量监测中心服务器。 电能质量监测终端装置，以d s p 和a r m 为核心构成，实现的功能有：数据采集 与处理、完成数据标准化转换和网络数据的处理与发送。 由于监测装置安装的现场大多是变电站、配电房，各个现场监测装置与服务器 之间需要进行数据交换。近年来随着计算机网络技术的迅猛发展，许多5 0 0 k v 和 2 2 0 k v 变电站都通过光纤技术接入网络，在这个平台上可以将监测装置( 内置t c p i p 广东工业大学工学硬士学位论文 端口) 接入 n t e r n e t ，有些地方没有安装a d s l ，也可能通过m o d e p d q 利用长途电话 的方法接入i n t e r n e t 。本项目在设计开发时将这两种技术网络接口都加以综合考虑， 留下相应的接口网络硬软件模块以便在使用中加以选择。 电能质量监测中心服务器主要功能是进行数据存储( 包括本电力谐波监测仪测 量的数据和其他仪器所测得的电能质量数据) 、处理、归档功能，这些工作可以由开 发的后台软件直接来完成处理。系统数据流程如图3 - 2 所示。 图3 - 2 系统数据流程框图 f i g3 - 2d i a g r a mo fs y s t e md a t at e c h n o l o g i c a lp r o c e s s 3 2系统硬件整体设计 该谐波监测仪的硬件主要由两部分构成：( 1 ) 数据信号采集及处理；( 2 ) a r m 嵌 入式控制模块。 l 、数据信号采集及处理 该部分主要有数字信号处理器( d s p ) 、a d 转换芯片以及运放电路和滤波等，构 成了一套数据采集系统，可以对三相电流信号、三相电压信号进行采集，利用d s p 强大的数据运算能力对所采集的信号进行处理，实现对电流、电压信号的检测。该 部分的信号流程如图3 - 3 。 图3 - 3 信号流通过程 f i g3 - 3c i r c u l m i o np r o c e s so fs i g n a l 主要完成功能： 信号检测及预处理，利用电流互感器( c t ) 、电压互感器( y t ) 经高频滤波预 处理和高速a d 转换芯片，把c t 、v t 输出的模拟信号转换为数字信号并进行数字 第三章系统的整体方案和硬件设计 滤波。 电压和电流基波频率的检测。其测量的准确性也直接影响系统的测量性能和 精度。为了提高基波频率的监测精度，在这里结合p l l 技术的周期法和f f t 变换技 术来实现。 基波和各次谐波分量的分解，采用离散快速傅立叶变换( d f t ) 完成。 电网的三相电压、电流，有功功率，无功功率，功率因数、谐波畸变率等参 数的计算。 数据信号采集及处理部分结构图如图3 4 所示： 图3 - 4 信号采集及处理结构图 f i g3 - 4d i a g r a mo fs i g n a la c q u i s i t i o na n dp r e p r o c e s s i n g 2 、a r m 嵌入式控制模块 该模块主要通过m o d e m 或网卡实现p c 机与d s p 构成的数据信号采集及处理部分 的通讯。本模块中，利用t c p i p 协议嵌入一个网页，通过网页可观测和分析采样的 数据。其结构图如图3 5 所示。 图3 - 5a r m 通讯模块结构框图 f i g3 - 5s t r u c t u r a ld i a g r a mo f a r m c o n u n u n i c a t i o nm o d u l e 本模块与d s p 构成的数据信号采集及处理部分一起组成了一个完整的电力谐波 监测系统，该系统可以很好地取代目前被大量使用的基于工控机的电力谐波监测系 广东工业大学工学颈士学位论文 统，并能依靠互联网将数据处理结果向上位机传送，同时支持远端客户通过 w e b s e r v e r 的访问和监测，从而方便地实现分布式监测。 3 3 数据信号采集及处理部分硬件设计 3 3 。1d s p 芯片的选择 本系统中的数据处理芯片主要完成的工作是数据的采集与变换、数字信号处理 与计算，这部分的设计是影响系统性能的主要因素。系统采用了t i 公司的d s p ( t m s 3 2 0 f 2 0 6 ) 作为数据处理芯片，它除了具有d s p 的计算能力强、精度高、总 线速度快、i o 吞吐量大等突出特点外，价位还比较便宜、开发和应用比较简单方便， 满足本系统的需要。 t m s 3 2 0 f 2 0 6 是t m s 3 2 0 c 2 x x 中的一个品种，它具有片内f l a s h 存储器。 t m s 3 2 0 f 2 0 6 是采用高性能静态c m o s 集成电路工艺制造的，采用了改进的哈佛结 构，其主要特性是 2 9 1 ： 1 、速度 单周期指令执行时间为5 0 n s 、3 5n s 或2 5n s ： 2 0 m i p s 、2 8 5 m i p s 或4 0 m i p s 。 2 、存储器 可寻址的存储器空间为2 2 4 k 字( 程序空间6 4 k 字，数据空问6 4 k 字，i o 空间6 4 k 字，还有3 2 k 字的全局存储空间) ； 片内双访问r a m 为5 4 4 字( 2 8 8 字用于数据，另2 5 6 字可用于程序，数据) ； 片内闪速存储器3 2 k 字。 3 、c p u 3 2 位算术逻辑单元( c a l u ) ； 3 2 位累加器； 1 6 位1 6 位并行乘法器； 3 个比例移位器； 用于间接寻址数据存储器的8 个辅助存储器，并有专用的算术单元。 4 、程序控制 1 6 第三章系统的整体方案和硬件设计 4 级流水线操作； 8 级硬件堆栈： 用户可屏蔽的终端线。 5 、指令集 单指令重复操作； 单周期相乘累加指令； 存储器块移动指令，可更有效地管理程序，数据； 变址寻址能力； 适于基于f f t 倒位序变址寻址能力。 6 、片内外设 软件可编程的定时器； 适用于程序、数据和i o 存储空间的软件可编程等待状态发生器； 振荡器与锁相环，可实现时钟的选择：x 1 ，x 2 ，x 4 和2 ； c l k 寄存器，可控制c l k o u t l 引脚的开启和关闭； 同步串行口； 异步串行口。 7 、电源 5 v 或3 3 v 静态c o m s 工艺； 降低耗模式以减少功率消耗。 3 3 2 电压和电流检测电路 要对电压和电流进行采样，必须先将电网电压和电流变换成适合于a d 采样的 电压和电流，目前电流和电压互感器的类型比较多，本系统采用d v d i 一0 0 1 型卧式 穿芯小型精密交流电压电流通用互感器，其工作频率范围是2 0 i - i z - 2 0 k h z ，绝缘电 阻在常态时大于1 0 0 0 m q ，其实物外型图如图3 - 6 。 它的特点如下： 1 既可作电压互感器使用，又可作电流互感器使用； 2 全封闭，机械和耐环境性能好，电压隔离能力强，外形美观； 3 卧式穿芯，印刷线路板直接焊接安装； 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 4 引出脚间距按2 5 4 m m 网格排列，适应计算机布板要求： 5 小巧轻便，精度高，采样范围宽，应用灵活。 图3 - 6d v d i 一0 0 1 实物外型图 f i g3 - 6o u t l o o ko f d v d i - 0 0 1 通过不同的连线方式，与运算放大器一起组成测量电网电压和电流的电路，测 量电压电路如图3 7 ，测量电流时，要在互感器中心孔内穿1 匝母线作为输入线圈， 电路如图3 8