（信号与信息处理专业论文）风电质量dsp监测系统研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着风力发电的发展，大功率电力电子设备馈网电能的份额越来越大。因 此，研究基于d s p 的风电场分布式电能质量监测系统，对确保风力发电质量 以及电力系统安全经济运行具有十分重要的意义。 本文首先分析了风力发电的发展及国内外电能质量监测的现状，对电能质 量国家标准做了简要分析与研究。 其次，对电能质量各个参数的算法做了研究和对比，最终选择合适的计算 方法，并根据系统算法和风力发电电能质量评估方法及实际项目需要，设计了 基于d s p + r s 4 8 5 + p c 机的风力发电电能质量监测系统方案。 再次，根据系统方案设计了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为c p u 的硬件系统。搭建了 嵌入式系统平台，在c c s 3 1 的环境下完成了d s p 的软件设计，并用v c + + 设 计了友好的人机界面应用软件。 最后，调试系统，对计算频率的自相关函数鲁棒算法进行了m a t l a b 仿 真和比较，并用系统进行实际测量和对比，对系统部分参数进行标定。 本文最终完成了基于t m s 3 2 0 f 2 8 12 的用于风力发电的电能质量监测系统 设计，并进行编程调试及下载，达到了预期目的。本系统可适时测量风力发电 电能质量指标，具有掉电保护、报警、通信、保存、显示功能。可为风力发电 用的大功率变流器提供电压电流采样值，同时与p c 机通信并传输电能质量参 数，为风电机组提供动态监测和故障诊断的依据，具有实际应用价值。 关键词：风力发电；电能质量；t m s 3 2 0 f 2 812 ；r s 4 8 5 ；p c 机 a b s tr a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i n dp o w e rg e n e r a t i o n ，m o r ea n dm o r ep o w e r i sn e e d e db yh i g h p o w e re l e c t r i cp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e s t h e r e f o r e ，i t i s i m p o r t a n tt or e s e a r c h ad i s t r i b u t e dd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) b a s e dp o w e r q u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ew i n dp o w e r f i e l df o re n s u r i n gt h ew i n dp o w e r q u a l i t y ，a n ds a f ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no fp o w e r s y s t e m s f i r s t l y ，t h ed e v e l o p m e n to fw i n dp o w e ra n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fe l e c t r i c p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gi na n da b r o a da r ea n a l y z e d ，t h e nt h e n a t i o n a ls t a n d a r d s o ft h ep o w e rq u a l i t ya r eb r i e f l ya n a l y z e da n dr e s e a r c h e d s e c o n d l y ，t h ea p p r o p r i a t ea l g o r i t h m i sc h o s e na f t e rr e s e a r c h i n ga n d c o m p a r i n gd i f f e r e n ta l g o r i t h m so f t h ep o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r s a n da c c o r d i n gt o i t ，t h es y s t e mp l a no ft h ew i n dp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gb a s e do nd s p + r s 4 85 + p ci sd e s i g n e d ，a l s ow i t ht h ep o w e rq u a l i t ya s s e s s m e n tm e t h o d sa n dt h ep r a c t i c a l n e e do fp r o je c t t h i r d l y ，t h eh a r d w a r es y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h es y s t e mp l a n ，w h i c h u s e st h et m s 3 2 0 f 2 812a sc p u ap l a t f o r mo fe m b e d d e ds y s t e mi sa l s ob u i l t ，t h e s o f t w a r ed e s i g no fd s pi sc o m p l e t e du n d e rt h ee n v i r o n m e n to fc c s 3 1a n da f r i e n d l yh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sd e s i g n e dw i t hv c + + f i n a l l y ，t h es y s t e mi sd e b u g g e d t h e r o b u s ta l g o r i t h mo ft h ea u t o c o r r e l a t i o n f u n c t i o nf o rc a l c u l a t i n gt h ef r e q u e n c yi ss i m u l a t e da n dc o m p a r e di nm a t l a b ，a n d a c t u a l l ym e a s u r e da n dc o m p a r e dw i t ht h es y s t e m ，t h r o u g hw h i c hs o m ei m p o r t a n t p a r a m e t e r sa r ec a l i b r a t e d t h ed e s i g no ft h ew i n dp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nd s p i s c o m p l e t e d ，w h i c ha c h i e v e dt h ep u r p o s eb yp r o g r a m m i n g ，d e b u g g i n ga n dd o w n l o a d t h i ss y s t e mc a nn o to n l yt i m e l ym o n i t o rt h ew i n dp o w e rq u a l i t yi n d i c e s ，b u ta l s o h a st h ef u n c t i o no fp o w e r d o w np r o t e c t i o n ，a l a r m ，c o m m u n i c a t i o n ，p r e s e r v a t i o n a n dd i s p l a y i tc a np r o m p ts a m p l i n gv a l u e so ft h ev o l t a g ea n dc u r r e n t f o rt h e h i g h - p o w e rc o n v e r t e ri nw i n dt u r b i n e ，m e a n w h i l ec o m m u n i c a t ew i t hp c ，t r a n s m i t t h ep o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r sa n dp r o v i d et h eb a s i sf o rt h ed y n a m i cm o n i t o r i n g a n dd i a g n o s i s t h i ss y s t e mh a sap r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：w i n dp o w e r ；p o w e rq u a l i t y ；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；r s 4 8 5 ；p c 西南交通大学四南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 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 人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密0 ，在年解密后适用本授权书； 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 一虢王孵记 球芍 ， - 、 日期：ao l o 多1日期： 0 2d 肼多。尹 i 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： l 、设计了基于t m s 3 2 0 l f 2 8 12d s p 的分布式风力发电质量监测系统方案 及部分硬件电路。 2 、研究了数据采集与电能质量参数计算方法，设计编写d s p 程序、个人 计算机串口收发程序。 3 、在模拟环境下，完成系统调试，实现了监测系统对电能质量参数在线 适时计算，数据传输、显示和保存功能。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名：王砒埠辛色 日期：, io lo 易7 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 曼鼍皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼- -i 毫曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼! 量曼皇曼邑曼曼皇曼! 曼曼皇! 曼曼曼皂曼曼! 曼! ! 曼曼曼! ! ! ! 曼曼曼! 曼曼! 曼! 曼曼曼 第1 章绪论 风电是一种新的电能形式，正迅猛发展。本章就风力发电电能质量监测的 意义，必须遵循的标准以及分布式监测系统发展的现状进行论述。 1 1 选题背景及意义 随着人类对生态环境的重视和对能源的需要，风能的开发日益受到重视， 风力发电技术也日趋成熟，风电行业蒸蒸日上。德国、丹麦、西班牙、英国、 加拿大等国风机的生产企业占据了全球大部分市场，使风力发电设备的生产集 中度越来越高【l 】。他们在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力物 力，充分综合利用空气动力学、新型电机、电力电子技术、计算机及通信技术 的最新成果开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，采用新型风力 机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型 发电机。在此基础上，许多国家建立了众多中型或大型风力发电场，形成了一 整套有关风力发电场的规划方法和运营机制。 随着越来越多的风电机组的并网运行，风力发电对电网质量产生的影响越 来越大。风资源的不稳定性及风力发电系统本身的特性使风电机组的输出功率 呈波动性，直接影响电网的电能质量。风力发电系统的作用是将不断变化的风 能转化为频率、电压恒定的电功率；高效率地实现能量转换，以降低每度电的 成本【2 1 ；稳定可靠地同电网、柴油发电机及其他发电装置或储能系统联合运行， 为用户提供稳定的电能。 风力发电系统常采用变速运行的风力发电机。由于风速的不稳定性，风力 发电机容易产生频率和电压变化的电功率。理论上可通过电力电子方法如变流 器，将发电机的电能进行交流一直流一交流转换来解决这个问题。但由于输出 的正弦波实际上由p w m 波形合成，受系统运行情况复杂性影响，使转换结果 经常不稳定、不理想。这就需要对输出的电能质量进行实时在线监测，确认系 统输出的三相电流和频率是否恒定，波形畸变率是否满足要求，为发电质量的 改善和风力发电系统的故障诊断及管理提供依据。 在风力发电中，电能质量的监测存在以下几个方面的问题：其一，目前大 多数风机只提供了简单的电压有效值、电流有效值、功率等电能质量的稳态数 据，而实际风机的运行特性对电网影响的分析，需要通过对风机输出电能质量 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的一段时间的动态监测来获得；其二，各种风机几乎都不提供对电压、电流谐 波、风速、有功和无功的关系等电能质量的分析功能；再者，随着风力发电规 划装机容量的不断增加，风力发电场对接入网的影响和电力谐波将不容忽视， 不稳定风速造成的频率波动对接入网品质造成直接影响，严重时还会影响用户 的电力系统正常工作，间接造成经济损失。 总之，研究具有长期动态监测记录功能的电能质量检测系统对风电机组的 电能质量进行监测具有重要意义。不仅有利于促进深入分析风电机组的特性和 研究风机对电网的影响，而且可以改进风电机组的控制策略，完善风电机组的 动态监测和故障诊断功能【3 】。此外，由于一个风电场有很多台风力发电机，为 了对整个风电场进行监测，必须采用分布式系统，即在每台发电机的机舱内安 放在线监测装置，经通信设备和后台系统组成电能质量监测系统，对整个发电 场进行集中式管理和监视。 1 2 电能质量标准 1 2 1 电能质量的概念 电能质量是指对发电厂送出电能的各种技术指标做出的规定，以判断其是 否合格。i e c 标准 4 - 5 】对电能质量的定义为：电能质量是指供电装置在正常工 作情况下，不中断和不干扰用户使用电力的物理特性。i e e e 技术协调委员会 对它的定义为：合格电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设施的接地 系统适合于设备正常工作的电能。我国对电能质量的定义为：从普遍意义上讲， 电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 是指优质供电。包括电压质量、电流质量、供电质量 和用电质量。其又可定义为导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或 频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡 度、暂时或瞬态过电压、波形畸变( 谐波) 、电压暂降、中断、暂升以及供电 连续性等。对于各个电能质量参数，各国都制订了相应的衡量标准。 1 2 2 电能质量国家标准 电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电器环境、保障电器用户正 常使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监管，推广电能质量控制技术， 维护供电双方合法权益的法律依据。经过几十年的发展，许多工业发达国家已 西南交通大学硕士研究生学位论文笔3 贾 4 , - - - - 一 经制定和颁布实施了相当完备的电能质量系列标准。如国际电工委员会( i e c ) 制定的e m c 6 10 0 0 系列标准和国际电气与电子工程协会( i e e e ) 指定的s t d 标准。 从2 0 世纪8 0 年代到2 0 0 8 年，我国技术监督局先后组织制订并颁布了六项电能质 量国家标准。这六项标准的摘要如表1 1 所示。 表1 1 六项电能质量国家标准 标准标准 允许值说明 编号名称 g b l2 3 2电能质量 1 3 5 k v 及以上正负偏差绝对值之和s 1 0 衡量点为供电产权分界处 供电电压2 1 0 k v 及以下三相电压为标称系统电压的士7 5 2 0 0 8 或电能计量点( p c c ) 允许偏差3 2 2 0 v 单相供电为标称系统电握的1 0 + 7 电压变动d 的极限和变动频率r 有关：当r s l 0 0 0 h 。 时，对于抵押( l v ) 和中压( m v ) ，d = 1 2 5 4 ； 1 衡量点为公共点 对于高电压( h v ) ，d = 1 0 3 ；对于随机不规则 2 p s t 每次测量周1 0 m i n ，取 g b l2 3 2电能质量 的变动d = 2 ( l v ，m v ) 和d = 1 5 ( h v ) ，即 其9 5 概值；p i t 每次测量 电压波动 闪变电雎 l vm vh v 为2 小时 6 2 0 0 8 和闪变 p s t1 o 9 ( 1 0 ) 0 8 3 限值分三级处理原4 提供 p i t0 8 o 7 ( 0 8 1 0 8 预测计算方法规定测量仪 注：1 括号中的值仅适用于同电压等级 器 2 p s t 为短时间闪变值；p i t 为长时间闪变值 g b t 1 5 电能质量 9 4 5 2 0 电力系统1 正常允许士0 2 h z ，根据系统容量可以放宽到士o 5 h z对测量仪器提出了具体要 频率允许2 用户冲击引起的频率变动一般不得超过o 2 h z 求 0 8 偏差 各级电网谐波电压限值( ) 1 衡量点为p c c ，取实测 电压( k v ) t h d奇次偶次 9 5 概率值 g b t 1 4电能质量 0 3 854 02 0 2 对用户允许产生的谐波 5 4 9 - 1 9公用电网 6 1 043 21 6电流，提供计算方法 3 5 6 6 32 41 23 对测量方法和测量仪器做 9 3 谐波 1 102 1 60 8 出规定 注1 2 2 0 k v 电网参照1 1 0 k v 电网执行 4 对同次谐波随机性合成 2 表中t h d 为总谐波畸变率 提供算法 g b t 1 5 电能质量 1 各级电压要求一样 5 4 3 2 0 三相电压 1 正常允许2 ，短时不超过4 2 衡量点为p c c ，取实测 允许不平 2 每个用户一般不得超过1 3 9 5 概率或日累计超标不 0 8 超7 2 r a i n ，且每3 0 r a i n 中超标 衡度 不超过5 m i n 1 系统t 频过电压限值 电压等级( k v )过电乐限值( p u ) 1 暂时过电压包括工频过 u m 2 5 2 ( i )1 3 电压和谐振过电压。瞬态过 u m 2 5 2 k v ( i ) 和u m 2 5 2 k v ( i i ) 分1 o p u = 2 + u r n 3 0 l 别指线路断路器两侧变电所的线路 3 除统计过电压外，凡未说 过电压 3 操作过电肚限值明的操作过电压均为最大 电压等级( k v )过电慷限值( p u ) 操作过电压 5 0 0 2 0 4 瞬态过电压还对空载线 3 3 02 2 路分闸过电压，断路器及其 ll o 2 5 23 o 它限值作出了规定 表示该过电压相对地的统计操作过电压 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 1 3 电能质量监测国内外现状 电能质量监测的要素是：概念、指标定义及监测仪器系统。监测技术是随 着人们对电能质量认识的深入和新概念及指标的更新而发展的。 1 3 1 电能质量研究的近况 电能质量一直受到人们的关注，人们对它的早期认识比较简单，主要局限 于保持电网频率和电压水平上。自2 0 世纪8 0 年代以来，随着新型电力负荷迅速 发展以及它们对电能质量的要求不断提高，特别是计算机设备、自动化生产流 水线的大量应用，电能质量的监测才逐渐成为电力企业和用户共同关心的问 题。国外有学者对此进行了大量调查和研究，并提出了改进意见【6 。7 】。在国内， 电能质量中一些问题也已成为电工领域的前沿性问题，吸引了许多高校、科研 单位的人员投入研究。目前的研究主要基于以下几个方面： 1 、电能质量暂态信号的研究【8 9 】 电能质量暂态信号对电力系统的稳定性影响较大，人们越来越重视对它的 研究，主要研究各种暂态电能质量现象，如电压暂降、电压闪变、电压波动等 的产生原因、信号识别及抑制。 2 、在线电能质量测量手段 国内现阶段电能质量测试装置的开发正进入一个蓬勃发展期，各种测量装 置层出不穷。硬件方面有基于d s p 芯片 1 0 - 1 4 】、基于单片机【1 5 舶】、基于双d s p 系统【17 1 、基于d s p + a r m 系统【1 8 1 9 】等；软件方面充分利用了p c i 总线【2 0 2 、 c a n 总线【2 2 1 、l a b v i e w 2 3 1 技术、w e b 【2 4 1 技术等技术，实现在线监测；此外还 有人利用j a v a 的强移植性和对数据库的支持，开发了基于j 2 e e 的电能质量在 线监测系统【2 5 j 。 3 、新型算法的研究【2 6 3 0 】 算法的研究是电能质量研究的重要内容，它的研究主要致力于使结果更精 确，计算速度更快。常用的方法有k a l m a n 滤波、f f t 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。 1 3 2 电能质量监测装置的国内外现状 目前各国相继研发了大量监测风力发电电能质量的仪器。在国外已经有人 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 将电能质量与i n t e r n e t 3 1 】无线网络【3 2 】结合起来。用于监测电能质量的仪器可分 为便携式和在线检测装置两种。 便携式监测装置大多由较权威的公司开发，精度高，指标全。国外有美国 f l u k e 公司的三相电能质量分析仪f l u k e4 3 4 、瑞士l e m 公司的p q p t l 0 0 0 和 p q p t l0 0 1 、瑞典联合电力u n i p o w e r 公司的u 9 0 0 f 等；国内有上海宝钢安大 电能质量有限公司研发的p q l l6 、北京西金仪器仪表有限公司的l e c o m 手持式 三相电能质量分析仪3 p q c 、陕西双正电子有限责任公司的电能质量分析仪 k e w 6 31o 。这些仪器是对干扰源设备介入电网前后的专项测试，测量通道多， 动态范围大，可记录分析电能质量全部指标，信息功能强，有良好的软件平台。 因为其成本高，适合一机多处使用，不适合组成分布式在线监测。 在线监测装置大多精度相对较低，使用量大，多采用一般的c p u 芯片为 主控芯片，价格相对较便宜。国外有瑞士l e m 公司电能质量在线监测装置 p q f i x 、瑞典联合电力u n i p o w e r 公司的u p 2 2 1 0 、美国e i g 公司的n e x u s l 2 5 0 等；国内有上海宝钢安大电能质量有限公司的p q l0 6 和p q l 0 6 i i 电能质量远程 监测装置、p q l 3 2 电力设备状态监测系统等。这些仪器适用于公共电网电能质 量的连续监测和多点监测组成区域电能质量监测网，可测量电能质量各个参 数，具有电能质量指标超限报警、数据录取故障分析和通信等功能，且只能进 行固定监测点测量。 表1 2 列出几种常用的电能质量监测仪，并对它们的主要特点做简要说明。 表1 2 国内外几种常用电能质量检测仪特点 产品型号及名称仪器主要特点及功能 可测量电压和电流的真有效值、频率、功率、功耗( 电 f 蛾l u k e4 3 4 析z 仪相麓鬻垂鬻萋鬻蓑鬻霏锶磊 可测量电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视 k e w 6 31 0 便携式 在功率、有功电能、无功电能、视在电能、功率因数； 电能质量测量仪 可进行谐波、电压波动设闪变分析 固定式安装、免维护运行监测三相电压和三相电流； 可监测分析频率、电压和电流有效值、谐波( 2 5 0 次) p q f i x 电能质量 及间谐波、电压波动和闪变、电压不平衡度、电压上 在线监测仪 涌和下陷、有功、无功、功率因数等电能质量相关指 标；现场数据可被设置为定时发送 输出2 2 5 次谐波电压，波形数据保留；谐波测量精度 p q 0 6 电能质量 符合g b t 1 4 5 4 3 9 3 规定、b 级精度；r s 4 8 5 、m o d e m 、 远程监测仪双向传输；数据文件以波形、频谱、趋势图及报表形 式输出；可波形数据分析 直壹耋鎏銮茎要吉里塞兰耋堡鎏耋墓2 蚕 1 4 论文主要工作 结合某公司的项目需求，研究开发了适用于风力发电的分布式电能质量在 线监测系统，其系统仿真实物图如图1 - l 所示。论文主要完成的工作如下： 1 、研究了风电质量监测的意义，必须遵循的电能质量标准以及分布式监 测系统发展的现状。 2 、根据电能质量参数评估对数据采集与信息处理的要求，设计了基于 t m s 3 2 0 l f 2 $ 1 2 + r s 4 9 5 + p c 帆的分布式风力发电质量监测系统方案。 3 、设计了以d s p 和r s 4 8 5 模块为核心的监测装置部分硬件电路原理图； 4 、设计编写d s p 程序、个人计算机串口收发程序。 5 、在实验室允许的条件下，完成系统调试，并测试和标定系统。 硬什电路板、2 仿真器、3u s b 转串口、4 电压变换器 图1 一i 系统仿真实物酗 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 曼曼曼曼曼曼舅曼量曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼! 曼曼曼皇! 曼蔓曼曼曼! ! ! 曼曼皇曼曼曼i i i i i 曼! 曼曼曼曼舅舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼罡曼曼曼! 曼鼍 第2 章风电质量监测方法及系统方案设计 如绪论所述，风力发电机的电压电流受到电力电子变流器的影响，其波形 与标准正弦波的差别较大，其电能质量的评定需要采取较为复杂的算法进行信 号处理。本章首先分析电能参数的适时算法，然后设计与之相适应的系统方案。 2 1 电网频率计算 风力发电电网频率是整个监测系统的核心，它的准确性直接影响到系统其 他参数的计算。常用的计算电网信号频率的方法有：周期法、解析法( 傅里叶 算法) 、误差最小化原理类算法、正交去调制法、谱分析法等。由于本系统采 用非同步取样，基于硬件复杂度、算法复杂度和精度需求的考虑，采用在过零 检测( 即周期法) 的基础上，利用信号自相关函数的特点，采用非同步取样精确 测量信号周期的鲁棒算法计算信号频率【33 1 。此算法完全由软件实现，不需要繁 杂的数学计算，具有较好的抗干扰能力，算法分析如下： 取一简单理想无噪声周期正弦波信号经取样可表示为： x ( ，z ) = s i n ( o r e + 缈) ，n = 0 ，1 ，2 ，n - 1( 2 1 ) 其中为一个周期内的取样点数，即信号x 0 ) 的周期。n = t o t s ，t o 为信号周 期，为采样周期，0 3 为周期信号的角频率，缈为周期信号的初相。x ( n ) 自相 关函数定义为 ( 咖专砌) 砌训，m = 0 ，1 ，2 ，n l ( 2 - 2 ) 将x ( ，2 ) = s i n ( a m + 妒) 带入( 2 - 2 ) 式得 r x ( 肌) = 号s i n ( 搠+ 9 ) s i n 【烈栉+ m ) + 妒】= 了lc o s o j l n ( 2 3 ) 在非同步取样时，设信号x ( n ) 的周期为1 = t 。t s ，n 点的非同步取样序列 仍表示为x ( n ) = s i n ( a m + 缈) ，式中n = 0 ，l ，2 ，- 1 ，此时为取样长度，= 2 n t ，t i 为 周期信号的角频率，妒为周期信号的初相。将x ( n ) 带入( 2 2 ) 式计算得到相应的 自相关函数为 (所)2专荟sin(con+tp)sin姒斛所)+纠。嘉善cos(硎)+专善cos姒2n+m)+2训(2-4)n n - in1 ， 一1 令= 一1 ，上式进一步化简为 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 ( 肌) 。三ic 。s ( o g r e ) 一面l 缶x y 一1 c 。s ( 2 a m + o 曩n + 2 e p ) ( 2 - 5 ) 与( 2 3 ) 式相比( 2 - 5 ) 式多了第二项。一般有a 2 n ，因此( 2 5 ) 式中的 第二项约定于0 ，( 2 5 ) 式可表示为 ( m ) c o s ( 功啪)( 2 6 ) 因此，由( 2 3 ) 、( 2 6 ) 式可知周期信号x ( n ) 的自相关函数有两个特点：自相关 函数仍然是周期信号，且与原信号的周期相同；正弦信号的自相关函数r a m ) 与初相位无关，即自相关函数与信号的初始采样时刻无关。 由以上分析得出如下结论，非同步取样时计算周期信号的周期可以通过计 算其自相关函数的周期得到。对于含有谐波和噪声的风电电网电压信号和电流 信号，本文采用这种方法计算信号周期。首先将采样出来的离散信号取2 0 0 个 点，并计算这2 0 0 个点对应的信号的自相关函数。再用线性插值法找出一周期 内首尾两个零点，通过计算零点之间采样点的个数来求得信号的周期和频率。 插值法计算信号零点分析如下。 对于离散信号r ( n ) ，首先寻找满足r ( k ，) 0 及r ( k ，+ 1 ) 0 条件的毛点；接着搜 索第二个具有同样过零点特性x ( k 2 ) 0 及x ( k 2 + 1 ) s0 的k 2 点。以前大多人都直 接以这两个点作为信号过零点计算，这样存在很大的误差。原因在于，k 。，k 2 不 是信号的真正过零点，用它们计算仅仅取得了信号过零点的整数点部分。除了 整数点部分，我们还应该考虑非整数点部分。在k l ，k l + 1 两点之间和在k 2 ，k 2 + l 这两点之间分别存在两个自相关信号的真正过零点，即信号的周期首尾两个零 点。由图2 一l ，根据线性插值法可计算出信号的首位两个零点t z l ，t _ - 3 。即 铲毛+ 揣 ( 2 7 ) f ：3 咄+ 两削习 弘8 ) 因此自相函数信号的周期应为 7 = t ：3 - t ：l( 2 9 ) 自相关函数对应的原模拟信号的频率如式( 2 10 ) 所示，其中工为a d 采样频率。 = s | ntq 一、0 、 信号的周期为 t = 1 厂 ( 2 - 1 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 i i r6 n ) 0 x ：爪罢。 三，vr 三蟛 图2 1 过零检测插值法原理图 2 2 电压电流有效值及其偏差计算 对于含最高次为k 次谐波的单相连续交流信号f ( t ) ，不论是电压还是电流 信号，它的有效值可定义为： f = 厢忑或者f = 辱= 羼 其中t 为信号的周期，a i 表示各次谐波的幅度。 设“( f ) 和i ( t ) 经离散采样后信号为分别为u ( n ) 和f ( 刀) ， 为： u 膦= 污，2 电流真有效值计算公式为： k 后麴2 电压有效值计算公式 ( 2 - 1 2 1 ( 2 - 1 3 ) 其中n 为一个周期内交流信号的采样点数。 在实际测量过程中，由于风机产生的电压信号和电流信号很不稳定，频率 会产生波动，即一个周期内的采样点数有波动。故根据不同的采样方法，计算 出来的频率有偏差，根据频率计算的电压电流有效值就会有所不同。而常用的 采样方法有同步采样和非同步采样。 同步采样，即在信号的一个周期内的采样点数不变，采样频率随着信号频 率的改变而改变。实现同步采样的方法有两种，_ 种是硬件同步，即由同步电 路向c p u 提出中断请求，实现采样同步，如常见的锁相环同步电路；另一种 是用软件同步。首先测量电网周期，然后根据电网周期和每周期采样点数确定 采样定时器的定时值。由( 2 12 ) 、( 2 13 ) 知，同步采样时，由于一周期内采样的 点数始终不变，计算出来的电压电流有效值误差也很小。但这种硬件同步和软 件同步实现起来有点困难，且具有一些缺陷。如在实现硬件同步的锁相环同步 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 电路中，由于c p u 对中断请求响应的分散性会使采样间隔不完全相等，从而 产生较小的不同步误差，且会增加硬件电路的复杂性。软件同步首先要测量电 网周期，在实际应用中，电网频率测量的滞后性和c p u 对定时器的中断响应 时间也都会产生一些误差。 异步采样，即定频采样，当信号频率不同时，一个周期内的采样点数也有 所不同。计算信号幅度时如果一直用一个不变的n 值，会产生很大的误差。但 如果根据频率的变化取相应一个周期内的采样点数作为信号该周期内的采样 点数来计算信号幅值，这样误差就会小很多。这种方法就是所谓的定频采样自 适应点数计算法1 3 4 】。 这种方法的使用前提也必须知道信号的周期，根据周期计算出在一周期内 的采样点数。在实际应用中，先根据上节信号周期的计算方法计算出一个周期 内的采样点数，然后再根据公式( 2 1 2 ) 、( 2 13 ) 计算电压电流有效值。采用这种 方法时，由于频率的变化，不能保证在一个周期内采得的点数是整数值。而在 计算电压幅值时又只能用整数点，因此就必须把一个周期内采到的点数取整再 用做计算。然而采样点数的舍入部分会产生舍入误差，给计算结果带来舍入误 差，这也是这种方法的主要误差来源。本系统采用定频采样法，尽量采用较大 的采样频率，以增大一个周期内的采样点数，减小舍入误差，从而减小计算误 差。 2 3 功率、功率因素及电能计算 2 3 1 功率及功率因素计算 设电压信号为“( f ) ，电流信号为f ( f ) ，对于连续信号，有功功率定义为： 肚寺弘) 。o ) a t ( 2 - 1 4 ) 或者 p = u i c o s g o( 2 1 5 ) 对于离散信号，单相有功功率的计算公式为： 尸：吾艺“脚乙= 专窆甜脚i m t = 吉兰材肼吒 ( 2 6 ) m = 0 上m = 0m = 0 其中n 为一个周期内的采样点数。分别将a 、b 、c 三相在一周期内的电压电 流采样值及采样点数代入公式( 2 16 ) ，就可计算出a 、b 、c 三相的有功功率 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 p a 、p b 、p c 。从而根据以下公式算出有功功率的总和。 1n 一1 芝= 寺 一。+ 材砌b m + “伽) = 只+ 乓+ 圪 ( 2 - 17 ) m = 0 信号的视在功率为各单相视在功率之和，即： s = u 1 月+ u 占i 口+ u c i c ( 2 - 1 8 ) 其中u a 、u b 、u c 、i a 、i b 、i c 分别为三相电压电流有效值。 无功功率计算公式为： q = 扣2 一巧 ( 2 1 9 ) 功率因素计算公式为： e o s ( 妒) = 芝s( 2 - 2 0 ) 2 3 2 电能计算 电能是表示电流做功多少的物理量。风机发电电量的多少，要用电能来衡 量。在这里，采用以下公式计算电能。 形= p z 灯 ( 2 2 1 ) 其中t 表示一段时间。尸：根据公式( 2 17 ) 计算得出。从上式可以看出，要计算电 能，首先必须知道时间参数。在系统设计时，分析了三种方案。 第一种方案是不在目标板上求电能，采用在p c 机上求得时间参数，既而求 电能。即通过v c 编程，用定时器中断定时一段时间。再用目标板上传过来的电 功率参数乘以这段时间，就得到这段时间的电能，然后再累加到总电能上即可。 这种方案在p c 机上存在计算，达不到计算和显示的分离，且有延时。 第二种方案是在目标板上用一块时钟芯片计时，获得该时刻的时间参数。然 后再减去前一个时刻的时间参数，就等于这段时间内的时间参数。然后再根据电 能计算公式计算得这段时间的电能，再累加到总电能上。这种方案最直接，但精 度跟时钟芯片的精确度有很大关系，而且涉及到多加一块时钟芯片，增加了硬件 系统的复杂度。 第三种方案是在d s p 目标板上直接用软件定时，获得一段时间参数。然后 再做计算。这种方案的精确度依赖于d s p 时钟的精确度，编程算法简单。 本系统采用第三种方案，具体实现方案是用d s p 的e v 定时器1 中断定时， 每隔10 秒钟，发生一次定时中断，在中断程序里面用当时的功率乘以定时时间 便得到这一段时间内的电能，再和之前的电能相加得到总电能。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 2 4 三相不平衡度计算 我国电能质量国家标准中对计算三相不平衡度的方法进行了详细的分析， 这里不再赘述。以下分析两种国际标准。 国际电工委员会( i e c ) 制定的有关计算电压不平衡度是采用电压的负序 分量与电压的正序分量的百分比值。即 = 罟1 0 0 ( 2 2 2 ) rp 其中 巧= 二1 宰k + 宰c o s 锄2 + 1 2 d ) + k 幸c o s 幻2 + 2 4 d ) 2 + k 牛s i 鲲2 + 1 2 d ) + k 水s i n 锄3 + 2 4 0 ) 2( 2 2 3 ) 一二1 水k + k 水c o s 锄2 + 2 4 1 j ) + v 3 * c o s c q 2 + 1 2 6 ) 2 + k 木s i n ( q 2 + 2 4 ( j ) + v 2 幸s i n 锄3 + 1 2 0 ) 2 ( 2 2 4 ) k 、砭、圪为三相电压基波有效值，仍：、仍，为基波电压相角。 这种算法跟我国国家标准的算法一样。它的有优点是可以评价三相基波的 幅值和相角情况。但在计算三相基波的序分量时不包高次谐波，且电网必须处 于额定运行频率。 国际电气与电子工程协会( i e e e ) 标准测量方法是先计算相电压有效值与 三相平均有效值的最大偏差，再用该偏差与三相电压平均有效值的比值表示电 压不平衡度。计算公式如下： 磁 ：竺堕墨坐墨业兰业( 2 - 2 5 ) v 稚 加 其中：半。 这种算法计算简便，包括高次谐波的影响，适用于畸变波形情况；且没有 限定基波频率范围。 本系统采用i e e e 标准算法计算电压电流三相不平衡度。对于风机发电系 统来说，由于风速的不稳定和风机系统本身的限制，产生出来的电信号不可能 一直维持在一个额定频率范围内，可能含有多个高次谐波，有时还有可能发生 严重的波形畸变。因此采用这种方法能很好的衡量三相不平衡度，更能体现当 时电信号的属性。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! ! 曼! ! 曼m i lm m 皇量曼曼曼曼曼曼曼曼曼毫曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼皇曼曼曼 2 5 谐波分析 由于风速的不稳定性，风力发电机会输出频率和幅度变化的电信号。当系 统很不稳定时，产生的电信号波形畸变严重，就会导致电网的不稳定，对用电 系统造成很大的危害，因此需要时刻监视和反馈电信号的质量。这就要求对风 机发电系统产生的电信号进行谐波分析，算出高次谐波的含量。 在实际计算中，常用的分析方法有离散傅里叶变换( d f t ) 分析法和快速 傅立叶( f f t ) 分析法。这两种方法的共同点都是对采集出来的离散电信号进 行傅立叶变换，求出在频域内各次谐波对应的含量。d f t 和f f t 的原理可参 考文献【3 5 3 7 】，这里对二者的计算复杂度做一个简单的分析。对于n = 2 m 的采 样点，采用d f t 分析法需要n 2 次乘法和n 次加法i 4 。当采用f f t 分析法时， 由于蝶形因子的对称性和周期性，需要的复数乘法次数减小到( n 2 ) l o g ：n 次， 加法次数为n l o g ：n 次，两种算法需要的复数乘法次数比较如图2 2 所示。由 图2 2 知，采用f f t 的方法对信号进行谐波分析比d f t 方法可以很大程度的 减小计算量。且对于一个周期内的取样点数越多的信号，更体现出这种方法的 优越性。本系统采用f f t 谐波分析法分析谐波。 签6 】2 e 铒 o 6 尊1 2 8 历e5 1 21 0 2 4 啪噼意披l 图2 - 2f f t 算法与直接计算d f t 所需乘法次数的比较曲线 由于风力发电系统产生频率不稳定的信号，非同步采样法不能保证在一个 周期内采得整数点，故用f f t 算法进行谐波分析就很容易产生栅栏效应和频谱 泄露，从而产生较大误差。为了减小误差，本系统采用加窗插值法进行 f f t 3 8 - 39 1 。所加余弦窗为b l a c k m a n h a r r i s 窗，其表达式为： o口lx一鲁嚣攥 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 w 加) = 笔( - 1 ) 酬等刀) ( 2 - 2 6 ) w 加) = ( - 1 ) 酬等刀) ( 2 - - 0 其中，k 为余弦窗的项数，这里取k = 3 。且口。= 0 3 58 7 5 ，口。= 0 4 8 8 2 9 ，口：= 0 1 4 12 8 ， 口3 = 0 0 1 1 6 8 。 采用加窗插值f f t ，得到各次谐波含量后，根据以下公式计算电压电流总 谐波畸变率。 t h d 。= 争( 2 - 2 7 ) t h d i = 孚 ( 2 2 8 ) 其中，u h 为电压谐波含量，i h 为电流谐波含量。计算公式为u h 2 n = 2 c ，：， u 。，。表示电压电流第n 次谐波的幅度。 2 6 系统方案研究 在风电场中，对风力发电电能质量的监测是一个长期的过程。由于现场监