（控制科学与工程专业论文）基于dsp的电力系统谐波检测的研究.pdf

独创性声明 y i 8 7 芍型百。 本人声明，所呈交的论文是本人在导师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，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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。 签名：趔e l 期：丝! ! ：篁：! 垒 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：马闺美 导师( 签名) ：旁仲雄日期沙l l 歹、l 6 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 摘要 近年来，随着现代工业的迅速发展，电力电子器件的应用日益广泛，随之 带来的谐波污染也越来越严重，已经严重的影响到了电能质量，而且对各种用电 设备的正常运行带来了消极影响。因此，对电网的谐波进行有效的治理，具有明 显的社会和经济效益，谐波检测是实现谐波治理的前提条件。本课题就电力系统 中谐波电流检测方法进行了研究。 首先，介绍了电能谐波的定义及测量指标，系统地分析了小波变换的原理、 小波分析的实现方法、瞬时无功功率理论，在此基础上研究了基于瞬时无功功率 理论的小波变化谐波检测方法，该方法具有良好的检测谐波和无功电流的能力， 而且该检测算法具有较好的快速性和实时性。 其次，设计了基于d s p 的谐波检测硬件系统，采用了t i 公司的定点处理器 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 作为数据处理核心和八通道2 4 位a d s l 2 7 8 作为数据转换单元， 具有很高的实时运算能力，提高了系统采样的速度和测量精度；此设计实现了多 路电力信号的同步采样和快速转换，具有很好的实时性。硬件电路设计上采用了 锁相环倍频技术，可实现每周期1 2 8 点的同步采样，a d 和d s p 之间的通信采 用d s p 的多通道缓冲串口m c b s p ：为了优化系统性能和功能扩展，设计了液晶 显示模块，以及外部通信单元，提高了其效率。 最后，完成软件设计，采用集成开发环境c c s 完成编辑、编译链接、调试 和数据分析等工作，给出了各模块的程序流程，实现了各个功能模块的调试运 行。在c c s 中采用对卷积抽样算法实现了小波变换并对d s p 系统程序进行了 仿真和调试，从结果可以看出，新型的电能谐波参数检测系统，其数据处理功 能强、精度高、实时性好，具有很强实际使用价值。 关键词：谐波检测，小波变换，瞬时无功功率理论，d s p ，c c s 仿真 a b s t r a c t r e c e n t l y , h a r m o n i cp o l l u t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r eg r a v ea st h ed e v e l o p m e n t o fm o d e r ni n d u s t r ya n di n c r e a s i n g l yw i d ea p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e i t a f f e c t st h ep o w e rq u a l i t ys e v e r e l y , a n di ta l s ob d n g ss o m en e g a t i v ee f f e c to nt h e n o r m a lr u n n i n go fv a r i o u sp o w e r e dd e v i c e s t h e r e f o r e ，e f f e c t i v em a n a g e m e n tf o r p o w e rs y s t e mh a r m o n i ch a sn o t a b l es o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s b e c a u s eh a r m o n i c d e t e c t i o ni st h ep r e c o n d i t i o nt oi m p l e m e n th a r m o n i cm a n a g e m e n t ，as y s t e m a t i c a l s t u d yi nt h i sa r t i c l ei sm a d eb yt h em e t h o do fh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o ni np o w e r s y s t e m ，i ti sf a s t e ra n dm o r er e a l - t i m e f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h em e a s u r i n ga l g o r i t h ma b o u tt h eh a r m o n i cp a r a m e t e r so f e l e c t r i c a le n e r g y , a n dt h e n , i ts y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e sw a v e l e tt r a n s f o r mt h e o r y , i m p l e m e n t sm e t h o do fw a v e l e ta n a l y s i sa n di n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y o n t h eb a s i so fa b o v e ，i ts t u d i e st h eh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o do fw a v e l e tt r a n s f o r m b a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y a sf o rt h i sm e t h o d ，i th a sg o o d d e t e c t i o ns k i l l sf o rh a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e r s e c o n d l y , i td e s i g n san o v e lh a r m o n i cp a r a m e t e rd e t e c t i o ns y s t e mf o re l e c t r i c a l e n e r g y , w h i c hu s i n gd s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2o ft ic o m p a n yw i t h3 2b i tf i xp o i n ta s m a s t e rc o n t r o l l e r a n df o rt h i sd e t e c t i o ns y s t e m ，i tf o c u s e so ns a m p l i n gv o l t a g ea n d c u r r e n ts i g n a l s ，c o m p l e t i n gw a v e l e ta n a l y s i sa n dr e l e v a n tm a t h e m a t i c a lo p e r a t i o n ，a n d b r i n g i n gi n t of u l lp l a yt h ea d v a n t a g eo fs t r o n gc o m p u t i n gc a p a b i l i t y t h i sd e s i g n i m p l e m e n t ss y n c h r o n i z a t i o ns a m p l i n ga n dq u i c ks w i t c h i n gf o rm u l t i p l ep o w e rs i g n a l s ， w h i c hh a sg o o dr e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i c f o rh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，i ti m p l e m e n t s s y n c h r o n i z a t i o ns a m p l i n gf o r1 2 8p o i n t sp e rc y c l eb yu s i n gs h gt e c h n i q u eo f p h a s e l o c k e dl o o p ，a n dc o m m u n i c a t i o n b e t w e e na da n dd s pi s u s i n gd s p m u l t i c h a n n e lb u f f e rs e r i a lp o r t a f t e rt h a t ，i ti n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no fd s pb a s e d o nw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，w h i c hu s i n gc o n v o l u t i o ns a m p l i n ga l g o r i t h mt oc o n f i r m m u l t i s c a l ew a v e l e td e c o m p o s i t i o nc o e f f i c i e n t sa n dr e c o n s t r u c t i n gc o e f f i c i e n t s f i n a l l y , i tm a k e ss i m u l a t i o na n dd e b u g g i n gf o rc o n v o l u t i o ns a m p l i n ga l g o r i t h m a n dd s p s y s t e mp r o g r a mi nc c ss o f t w a r e t h er e s u l ts h o w st h a tt h en o v e lh a r m o n i c p a r a m e t e rd e t e c t i o ns y s t e mf o re l e c t r i c a le n e r g y h a sp o w e r f u ld a t a p r o c e s s i n g f u n c t i o n s ，h i g hp r e c i s i o n ，g o o dr e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i ca n ds t r o n gv a l u ef o rp r a c t i c a l u s e k e yw o r d s ：h a r m o n i cd e t e c t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r y , d s p , c c ss i m u l a t i o n h i 目录 第1 章绪论。1 1 1 课题研究的目的及研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 l 2 2 国内研究现状5 1 3 论文研究的主要内容6 第2 章基于瞬时无功功率理论的小波变换的谐波检测7 2 1 谐波的基本概念。7 2 1 1 谐波的定义7 2 2 2 谐波的指标8 2 2 小波变换的定义9 2 2 1 连续小波变换9 2 2 2 离散小波变换1 0 2 3 小波分析的实现方法1 1 2 3 1 多分辨率分析1 1 2 3 2m a l l a t 算法。1 1 2 4 谐波信号的小波分析1 2 2 4 1 谐波分析的小波方法1 2 2 4 2 谐波参数的测量方法1 2 2 4 3 瞬时无功功率理论1 4 2 4 4 基于瞬时无功功率理论的小波变换1 6 2 5 小结1 8 第3 章系统硬件设计1 9 3 1d s p 最小系统设计1 9 3 1 1t m s 3 2 0 g f 2 8 1 2 处理器概述1 9 3 1 2 电源部分2 3 3 1 3 时钟电路设计2 4 3 1 4 “看门狗电路的设计2 5 3 1 5 系统r a m 的外扩。2 5 3 1 6j t a g 接口电路。2 7 3 2 前端信号调理电路2 7 3 2 1 电流、电压互感器选择2 7 3 2 2 抗混叠低通滤波电路与过零比较器2 8 3 2 3 同步采样电路2 9 3 3a d 采样模块。3 0 3 4 液晶显示和按键模块。3 1 3 4 1 液晶显示模块。3 1 3 4 2 按键系统3 2 3 5r s 2 3 2 通信模块3 3 3 6 j 、结3 4 第4 章系统软件设计3 5 4 1 软件集成开发环境c c s 2 0 简介。3 5 4 2 软件总体设计3 6 4 2 1 主程序设计3 6 4 2 2 数据采集程序设计3 9 4 2 3 基于小波变换的谐波检测子程序设计4 0 4 2 - 4 液晶显示模块程序设计4 2 4 3 实验仿真。4 3 4 4 ，j 、结。4 5 第5 章总结与展望4 6 5 1 本文总结4 6 5 2 工作展望4 6 参考文献4 8 攻读硕士期间发表的学术论文5 0 致j 射。5 1 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及研究意义 电力是现代社会中不可缺少的重要能源，但是随着科技的发展，大量的非线 性电力电子设备出现在现代电力系统中，使电网中的高次谐波愈来愈严重。其对 电力系统的影响的直接表现是电流和电压波形产生周期性畸变1 1 l 【2 l ，在这些电流 和电压的波形中出现了一系列频率为基波频率整倍数的正弦波分量( 高次谐波分 量) ，高次谐波分量称为电力谐波。电力谐波对电力系统安全、稳定、经济运行 构成了潜在威胁，给周围电气环境也带来了极大的影响，同时还阻碍了电力电子 技术的发展。谐波作为是电网的一大公害引发了人们对电力系统谐波问题的关 注。谐波测量作为研究谐波问题的出发点和依据【3 】，成为人们研究谐波首要面对 的课题。 谐波对公用电网以及周围的其它系统的危害大致有以下几个方面： ( 1 ) 谐波使公用电网中的组件产生了附加的谐波损耗【4 【5 1 【6 1 ，降低了发电、 输电以及用电设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生 火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗 外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、 电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至于损坏。 ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大， 这就使上述提到的危害大大增加，甚至引起严重事故。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护、自动装置和计算机系统的误动作，并会使电气测 量、计量仪器不能准确指示和计量。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重 者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 谐波产生的原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的 电压与产生的电流不成线性关系而造成的波形畸变【7 】【8 】【9 】。电力系统谐波主要的 来源是各种非线性负荷用户，主要分为以下三类：电子开关型，主要为各种交直 流换流装置、变频装置以及双向晶闸管可控开关设备等；铁磁饱和型，各种铁芯 武汉理工大学硕士学位论文 设备，如变压器、电抗器等；电弧型，各种炼钢电弧炉、交流电弧焊机等。 谐波检测是研究分析谐波问题的出发点和主要依据。准确、快速地检测系统 中的谐波成分，是保证谐波抑制有效性的关键。谐波检测的主要作用有如下几点： ( 1 ) 鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定，包括 对所有谐波源用户的设备投运时的测量。 ( 2 ) 电气设备调试、投运时的谐波测量，以确保设备投运后电力系统和设备 的安全及经济运行。 ( 3 ) 谐波故障或异常原因的测量。为了分析各种谐波故障或异常原因以及采 取相应的对策的各种测试和分析。 ( 4 ) 谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等。 谐波检测研究的意义重大： 第一：是因为谐波的危害比较严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率 降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至 发生故障或烧毁。如上节所述，谐波引起的危害繁多，严重影响人们正常工作。 第- - 还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学 技术发展的重要支柱，但是电力电子装置所产生的谐波污染己经成为电力电子技 术的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的 研究。 第三：还可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力 系统这个环境来说，无谐波就是“绿色的主要标志之一。 综上所述，谐波检测是保证电力系统安全、稳定、经济运行的重要技术，谐 波研究对国民经济的发展具有十分重要的研究意义。本文希望通过对谐波检测及 其相关技术的研究，来改进和完善谐波测量，为谐波测量技术的发展提出一些新 的想法。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 目前国际上所采用的谐波分析方法主要有以下几种： ( 1 ) 模拟滤波器法早期的谐波检测方法都是基于频域理论，采用模拟滤波原 理。该方法的优点是速度快，实时性好、实现电路简单、造价低、输出阻抗低、 品质因素易于控制。该方法突出的缺点是：实现电路的滤波中心频率对元件参数 2 武汉理工大学硕士学位论文 十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性；电网频率波 动不仅影响检测精度，而且检测出的谐波中含有较多的基波分量；当需要检测多 次谐波分量时，实现电路变得复杂，电路参数设计难度随之增加；运行损耗大。 由于频域理论存在上述较严重的缺陷，随着电力系统谐波检测要求的提高以及新 的谐波检测方法日益成熟，该方法己不再优先选用。 ( 2 ) 时域仿真方法该方法主要用途是利用各种时域仿真程序对谐波进行研 究。目前通用的时域仿真程序主要有e m t p 、n e t o m a c 、b p a 队等系统仿真程 序和s p i c e 、p s p i c e 、m a t l a b 等电力电子仿真程序。由于电力系统主要由r 、 l 、c 等元件组成，这些程序在求解用微分方程描述的电力元件方程时，通常采 用简单易行的变阶、变步长、隐式梯形积分法。利用隐式可保证求解过程中的数 值稳定，采用变阶、变步长技术可缩短迭代计算的时间，采用时域仿真方法的缺 点是仿真步长的选取决定了可以模仿的最大频率范围，因此必须知道其频率的范 围。 ( 3 ) 频域分析方法该方法主要用于谐波问题的分析，包括频率扫描、谐波潮 流计算等。考虑到一些非线性负载的动态特性，近年来又提出一种混合谐波潮流 的计算方法，即在常规的谐波潮流计算基础上，利用e m t p 等时域仿真程序对 非线性负载进行仿真计算，可求出各次谐波电流矢量，从而得到谐波潮流。因此 可以精确描述其动态特性，缺点是计算量大，求解过程复杂。 ( 4 ) 基于变换的方法这里主要指快速指傅立叶变换( f f t ) 方法、短时傅立叶 变换方法( s f t ) 和小波变换( w t ) 方法。经典的信号分析方法傅立叶变换具有正 交、完备等许多优点，离散傅立叶( d f t ) 变换算法构成了现代频谱分析的基础， 已经成功地应用于非静态信号，在电能质量仿真分析得到了广泛的应用。但运用 f f r 必须满足以下条件：满足n y q u l s t 采样定理要求，采样频率必须是信号最高 频率的两倍以上；采样窗口与被采样信号周期严格同步；进行f f t 变换的点数 要满足2 n 个( n 为整数) 。当采样频率获信号不满足要求时，利用f f t 分析会产 生“旁瓣”和“频谱泄漏现象，给分析带来误差。此外，由于f f t 变换是对 整个时间段的积分，时间信息得不到充分的利用，信号的任何突变，其频谱将散 布与整个频带。 为解决上述问题，g a b o r 利用加窗，提出了短时f o u r i e 变换方法，将不平稳 过程看成一系列短时平稳过程的集合。由于这种时频窗口不具有自适应性，因而 只适合分析特性尺度大致相同的过程，不适合分析多尺度过程和突变过程，而且 这种方法的离散形式没有正交展开，难以实现高效算法。 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 小波变换具有良好的时频局部化特性，可以同时提取信号的时频特性， 克服了傅立叶变换无局部化特性的缺点，适合于突变信号和不平稳信号的分析。 小波用于电力系统谐波检测的研究相对小波其它应用较晚，近几年才有较大进 展。小波变换被称为“数学显微镜”，由于小波变换的正交性、紧支撑，将小波 变换用于电能质量非稳定信号的分析具有f f t 无法比拟的优点。其中有用m o r i e t 小波对电力系统扰动进行分析，对扰动进行检测和定位【1 0 l ；有对电压骤降、短 时停电、电容器投切暂态进行模拟，并用小波重构对模拟信号进行重构【1 1 l ；使 用小波变换对电力系统暂态、谐波进行分析【1 2 l ；还提出了用小波变换标准曲线 来区分电压骤降、电压骤升和短时停叫1 3 】f 1 4 1 。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尺度上会明显地表现出高频、奇异高次谐波信号的 特性【1 5 1 ，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 供了可靠的依据。通过对含有谐波的电流信号进行正交小波分解，分析了电流信 号的各个尺度的分解结果，并利用多分辨率的概念将低频段( 高尺度) 上的结果看 作不含谐波的基波分量【1 6 l 。基于这种算法，可以利用软件构成谐波检测环节， 且能快速跟踪谐波的变化。 ( 6 ) 基于瞬时无功功率理论的谐波检测瞬时无功功率理论突破了传统功率理 论在“平均值基础上的功率定义，使谐波及无功电流的实时检测成为可能，对 治理谐波和研发无功补偿装置等起到了很大的推动作用。基于瞬时无功功率理论 的谐波检测方法是目前应用广泛、技术成熟、数据最可靠、实时性最佳的方法。 基于瞬时无功功率理论有3 种谐波检测方法：p q 法、i p i q 法和d q 法。p q 法仅适 用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测，在测量电网电压畸变时的谐 波会存在较大误差；i p i 口法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。由于此理论是基于三相三线制电路的，因此对于单相电路，首先要将 三相电路分解，然后根据式( 1 1 ) u 7 l 构造基于瞬时无功功率理论的单相电路谐波 测量框图。其检测性能优于以往的单相谐波电流的测量方法。 压吃= 。压勺= = 一v j 7 p v i 7 9 ( 1 - 1 ) 文献【1 8 j 提出一种能适用于任意非正弦、非对称三相电路的基于d q o 坐标系 的广义瞬时无功功率谐波电流测量方法。该方法较好地解决了前两种方法中存在 的问题，但由于耗费大而限制了该方法的实际应用。d q 法可在电网电压不对称、 畸变情况下精确地检测出谐波电流，其优点是当电网电压对称且无畸变时，各电 4 武汉理工大学硕士学位论文 流分量( 基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量) 的检测电路比较简单。 瞬时无功功率理论方法的实现电路比较简单，并且延时小，具有很好的实时性， 能够适应任意情况下的谐波检测，是目前主要的谐波检测方法。 ( 7 ) 基于神经网络的谐波检测，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 的成果，己应用于许多重要领域，如模式识别与图像处理【1 9 1 2 0 l 、控制与优化、 预测与管理、通信等。神经网络应用于电力系统谐波测量尚属起步阶段。主要有 三方面的应用：谐波源辨识、电力系统谐波预测、谐波测量。将神经网络应用于 谐波测量，主要涉及网络构建、样本确定和算法选择，目前己有一些研究成果。 世界各国和地区都相应研制和开发了一系列的电能谐波分析装置和仪器。典 型的有意大利s k y l a h t 公司s k y l a b h 1 9 0 3 0 频谱谐波分析仪，台湾茂迪 ( m o t e c i - i ) 电力谐波分析仪m t l 0 1 0 ，日本日置公司( h i o k i ) 开发的3 1 9 x 系列谐 波测试分析仪，美国福禄克公司生产的功率及谐波分析仪f 3 9 和三相电能质量 分析仪f 4 3 3 ，瑞典联合电力公司开发的u 9 0 0 f 便携式电能质量分析仪等，这些 仪器多是采用硬件d s p 技术对电信号进行分析处理。随着数字信号处理技术的 迅速发展和广泛应用，采用数字化检测电能质量己成为当今和未来电能检测技术 发展的一个新热点。而目前能够用于电能谐波分析的处理器更新速度很快，通过 处理器的升级来实现产品的升级会使得开发周期加长，导致产品跟不上市场的变 化。另一方面，不同的用户对电能质量中的指标测量要求不尽相同，采用相同的 硬件电路，利用软件很容易扩展电压、电流、有功、无功、视在功率、波动测量、 瞬变测量、谐波分析、负荷平衡分析等测量与分析功能，一只表可以代替以前几 只测量仪表，而且用软件升级的办法更容易实现产品的升级【2 1 l 【2 2 1 。所以，采用 高性能的处理器，用软件的方法实现功能的扩展与产品的升级，是未来电能质量 检测的发展趋势。 1 2 2 国内研究现状 在我国对电能谐波分析装置研制的起步阶段，国内生产厂家的测控装置大多 是采用单片机来实现的【2 3 1 ，其主要优点是构成简单，实现方便，价格低廉。随 着上个世纪九十年代以来数字信号处理芯片技术的快速发展，数字处理芯片以其 强大的数字运算能力被越来越多地用于电力信号地检测。我国出现了应用数字处 理芯片的热潮，数字处理芯片也被用到了电能谐波分析的领域【纠。由于数字处 5 武汉理工大学硕士学位论文 理芯片的控制功能不如单片机，有些仪器也采用单片机和数字处理芯片相结合的 双c p u 结构1 1 2 6 1 。当前国内的电能质量分析仪主要分成三类【2 7 】【矧，分别是手持 式电能质量分析仪、便携式多功能电能质量分析仪、电能质量远程监测仪。手持 式电能质量分析仪主要测量谐波，多数功能单一，实时性不高，无法对电网谐波 和无功电流进行实时补偿。便携式多功能电能质量分析仪，可分析多个电能质量 指标，但多用于专项测量，监测不连续，多为定时测量，对数据的自动统计分析 和历史数据的对比功能不强，人机交互性不好。电能质量远程监测仪多应用于对 公共连接点电能质量的连续测量，统计和对比功能有限，给出的测量结果不直观， 缺乏超标报警、自动诊断等综合控制功能。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。以上三类仪器对谐波 的检测有很大的局限性，特别是对谐波检测和补偿的实时性没有得到很好的处 理。因此，开发一种实时处理功能强、保存历史数据量大、人机交互性好、特别 是能实现对电网谐波和无功电流进行实时检测和补偿的电能谐波参数检测系统 势在必行。 1 3 论文研究的主要内容 本文研究的主要内容是设计了一个基于d s p 的谐波检测系统，谐波检测方 法采用的是基于瞬时无功功率理论的小波变换。 本论文章节安排： 一 第1 章主要介绍了课题研究的意义，谐波研究方法国内外的概况等相关内 容。 第2 章主要介绍了小波变换及基于瞬时无功功率理论的小波变换谐波检测 方法。 第3 章进行了谐波检测系统的硬件设计，包括d s p 最小系统设计、前端信 号调理电路设计、显示和按键模块电路设计、通信模块电路设计，并给出了具体 的原理图。 第4 章主要进行了系统软件部分的设计，先对系统的软件调试环境c c s 2 0 做了简要的论述，接着介绍了系统的软件流程图、各模块软件设计，包括数据采 集模块、谐波检测模块、液晶显示模块、r s 2 3 2 通信模块设计。并进行了仿真实 现。 第5 章进行本文的小节，更加细致的介绍所做的工作，以及不足的地方，为 今后的工作做铺垫。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于瞬时无功功率理论的，j 啵变换的谐波检测 2 1 谐波的基本概念 2 1 1 谐波的定义 国际上公认的谐波含义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为 基波频率的整倍数。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称它为高次谐 波。 根据i e e e 标准中的定义为：谐波是指一个周期波或量的正弦波分量，其频 率为基波频率的整数倍。 从频域的观点，在这些电流和电压的波形中，不仅包含与供电电源同频率的 正弦量，称为基波分量，而且出现了一系列频率为基波频率整倍数的正弦波分量 ( 谐波分量) 。 对谐波概念的理解必须注意如下三点： ( 1 ) 谐波次数n 必须为正整数。 例如，我国电力系统的额定频率为5 0 h z ，则基波频率为5 0 h z ，二次谐波频 率为1 0 0 h z ，三次谐波频率为1 5 0 h z 等。n 不能为非整数，因此也不能有非整数 次谐波。 ( 2 ) 谐波和暂态现象必须加以区别 通常认为，谐波现象的波形保持不变，而暂态现象则在每周的波形都发生变 化或有衰减现象等。 为了对暂态现象和谐波加以区别，国际大电网会议工作组一致同意在计算电 压( 或电流) 畸变率时，采用谐波电压( 或电流) 的平均有效值或平均总畸变率， 其时间区间段甜取3 s ，即取3 s 中的测量和计算的平均有效值或平均值。以电压 为例，即 虬一辱 7 ( 2 - 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 见一1 0 0( 2 - 2 ) 式中，m 为将尉分成的区间数；玑为第n 次谐波电压的3 s 平均有效值；见 为电压总畸变率的3 s 平均值；为第k 个区间测出的基波电压有效值；为 第k 个区间测出的第1 1 次谐波电压有效值。 ( 3 ) 短时间谐波和暂态现象中的谐波分量 这是指晶闸管控制的轧钢机等设备工作时产生的短时间的突发电流脉冲。这 种突发脉冲包含着暂态分量及谐波分量。如果这类电流脉冲及其引起的电压畸变 是间断性质的，也就是说电流脉冲的持续时间不超过2 s ，而且这种暂态分量和 谐波分量是允许的。关键问题是防止对其他电力设备的损坏和电子设备的干扰， 对这类用电设备，控制的因素是在其生产过程中造成的电压波动所引起的闪变 ( f l i c k e r ) 。 2 2 2 谐波的指标 ( 1 ) 谐波含量 谐波含量为从周期性交流量中减去基波分量后所得的量。谐波电压含量： 其中是第h 次谐波电压。 谐波电流含量为： u h i h = ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 其中厶是第h 次谐波电流。 ( 2 ) 谐波含有率f 3 3 i ( h r ) 周期性交流量中含有的第h 次谐波分量的方均根与基波分量的方均根值之 比( 用百分数表示) 。第h 次谐波电压含有率为： r ， 舰- 1 0 0 ( 2 - 5 ) u 1 其中u l 为基波电压。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第h 次谐波电流含有率为： ， h r i h x x o o g ( 2 - 6 ) 1 其中i t , 为基波电流。 ( 3 ) 总谐波畸变率( t h d ) 周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比( 用百 分数表示) 。 电压总谐波畸变率： ，r t d h u = t ，j ，1 i 1 0 0 ( 2 - 7 )rr、， u l 电流总谐波畸变率： ， t d h i = 孚x 1 0 0 ( 2 - 8 ) l 电力系统谐波问题涉及面很广，包括谐波检测、谐波分析、谐波源分析、电 网谐波潮计算、谐波抑制、谐波标准以及在谐波情况下各种电气量的测量和分析 等。谐波检测是谐波问题中的一个重要分支，是解决其他谐波问题的基础。电力 系统的谐波由于受随机性、分布性、非平稳性等因素影响，对其进行准确检测并 非易事，因此人们在不断探索更为有效的谐波检测方法及其实现技术【2 9 】【刈【3 l l ， 为有源电力滤波- 器( m v o 提供有效、准确的补偿电流。目前电力系统使用较广泛 的谐波检测方法有模拟滤波器法、快速傅立叶变换法、小波变化法口2 3 等。本文提 出了一种基于瞬时无功功率理论的小波变换谐波检测法。 2 2 小波变换的定义 2 2 1 连续小波变换 定义：设妒( t ) r 似) ，其傅立叶变换为妒( ) ，当妒 ) 满足允许条件( 完全 重构条件或恒等分辨条件) i 1 2 陟 ) i q 2 正甘纵( 2 - 9 ) 时，称l f ，o ) 为一个基本小波或母小波。将母函数妒( f ) 经伸缩和平移后得， 9 武汉理工大学硕士学位论文 m 南妒( t - 口b ) a , b r ；a , j 0 ( 2 - 1 0 ) 称其为一个小波序列。其中a 为伸缩因子，b 为平移因子。对于任意的函数 f ( t ) e l 2 ( r ) 的连续小波变换为 哆 6 ) 肿l - 1 7 2 舭) 殍p ( t - b ) d t 其重构公式( 逆变换) 为 埘2 如j ：c 加以6 渺牮姗 2 2 2 离散小波变换 在实际运用中，尤其是在计算机上实现时，连续小波必须加以离散化。通常 把连续小波变换中尺度参数a 和平移参数b 的离散公式分别取作a 一， b 一础6 0 ，这里_ ，z ，扩展步长一l 是固定值，为方便起见，总是假定口0 l ( 由 于m 可取正也可取负，所以这个假定无关紧要) 。所以对应的离散小波函数缈，j o ) 即可写作： v 伊j , k o ) 町，劬( 掣) 。a o j 2 妒( a j o t - 蛾) ( 2 - 1 3 ) “ 而离散化小波变换系数则可表示为： q 。正厂。渺 ( ，) 出s ( 2 1 4 ) 其重构公式为： ( , ) - c y , eq ，缈j o ) ( 2 _ 1 5 ) 、c 是一个与信号无关的常数。 为了使小波变换具有可变化的时间和频率分辨率，适应待分析信号的非平稳 性，很自然地需要改变a 和b 的大小，以使小波变换具有“变焦距”的功能。换言 之，在实际中采用的是动态的采样网格。最常用的是二进制的动态采样网格，即 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 a o = 2 和b o = 1 ，每一个网格点对应的尺度为2 j 了，而平移为2 j k 。由此可得小波 妒 ( f ) 。2 一- ，：妒( 三三笔三与。2 一t ，：t p ( 2 j t - 七) ( 2 - 1 6 ) 称为二进小波( d y a d i cw a v e l e t ) 。 二进小波不同于连续小波的离散小波，它只是对尺度参数进行了离散化，而 对时间域上的平移参量保持连续变化。因此，二进小波不破坏信号在时间域上的 平移不变量，能够广泛应用于模式识别和信号的奇异性检测中。 2 3 小波分析的实现方法 2 3 1 多分辨率分析 多分辨率分析( m u l t i r e s o l u t i n na n a l y s i s ，m g a ) 是构造离散小波基的基本框 架，也是信号在小波基下进行分解和重构的基本理论保证，在小波的发展中起着 非常重要的作用。形象一点说，多分辨分析就是要构造一组函数空间，每组空间 的构成都有一个统一的形式，而所有空间的闭包则逼近l 2 ( r ) 。在每个空间中， 所有的函数都构成该空间的标准化正交基，而所有函数空间的闭包中的函数则构 成l 2 ( r ) 的标准化正交基，那么，如果对信号在这类空间上进行分解，就可以得 到相互正交的时频特性。而且由于空间数目是无限可数的，可以很方便地分析我 们所关心的信号的某些特性。 2 3 2m a l l a t 算法 1 9 8 8 年，m a u a t 在b u t t 和a d c l s o n 的图像分解和重构的塔形算法启示下， 基于多分辨分析框架，给出了信号与图像( 或函数) 分解为不同频率通道的算法及 其重构算法一m a l l a t 算法，大大提高了小波变换的计算速度，其重要性相当于傅 里叶变换中的f f r 算法。 m a l l a t 分解算法的公式为： f q 一2 u 2 q + 1 魂一知 1 l ) is2 1 2 ：莹c ? 钉一如o s s 一1 疗z 2 - 1 7 ) 【 7 重构算法是分解算法的逆过程。此时已知数据c ；和d ；，0s ，sn 一1 ，希 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 望利用这些数据能快速准确的重构 c ? ) 数据。在信号分析处理中人们无需尺度 函数和小波函数的具体形式，只有求它们存在，只要找出，就可以顺利地进行分 解和重构处理了。 2 4 谐波信号的小波分析 2 4 1 谐波分析的小波方法 连续小波变换和离散小波变换之于连续傅立叶变换和离散傅立叶变换，因连 续信号和离散信号的不同性质，两种变换也各自具有不同的性能和特殊的实现算 法。用到谐波分析当中，区别在于算法实现的复杂度、信号处理耗费的时间和硬 件系统实现的要求等方面。连续小波变换由于其尺度的连续变换，需要处理大量 数据，算法实现也相对复杂，一般的硬件系统难以实现。由于连续小波变换天生 的抗混叠特性，近年来，能够实现连续小波变换的专用电子器件多为模拟电路， 虽然有所发展，但终因技术不够成熟，应用到谐波检测方面实在难以达到相关要 求。现今基于连续小波变换的谐波分析研究大多停滞在理论分析和仿真试验上， 一直未见相关试验机成功的报导。离散小波变换对连续尺度参数a 和连续平移数 b 进行离散化，能够有效降低信号处理的数据量。离散小波变换作为一种实可行 的方法，在小波分析中占主体地位，快速离散小波变换m a l l a t 算法的出现，使 小波分析更加实用化。多分辨分析对信号的频带划分是指数等间隔的( 具有等q 结构) ，基于多辨分析的谐波分析是一种计算谐波总量的方法，其尺度按二进制 变化，频带分不均匀，在高频频段其频率分辨率较差，在低频频段其时间分辨率 较差，不能精确的分离出各次谐波分量，但是由于它在低频频段具有较高的频率 分辨率能力，对含有谐波的信号进行正交小波分解，就可以将高尺度上的结果近 似看作是不谐波的基波分量，用采样值减去基波值，就可以得到该时刻总的谐波 值。 2 4 2 谐波参数的测量方法 假设u ( t ) 和i ( t ) 分别表示电压