（电力电子与电力传动专业论文）电能质量监测装置的研制.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电能质量监测装置的研制，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力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。 学位论文作者签名： 蜀继 日 期：至2 坯! = “ 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 偿# 密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：渔鳓引罨御 气= r，1 ，厶l 导师签名：望二! ：。尸 f i期：21 里! ：! 侈日 期：础易 华北电力火! 学硕十学位论文 第一章绪论弟一早 三百t 匕 现代工业的高速发展使电网中非线性负荷日益增多，电网波形畸变同趋严重， 给电网的安全、经济运行带来很多问题。随着一些敏感性负荷在电力系统中的广泛 使用，相关电力用户对电能质量的要求越来越高。这使得电能质量越来越受关注， 成为电力系统方面研究的热点。电能质量监测是评估电能质量水平，发现电能质量 问题的主要手段。对电能质量做出精确的监测和分析，才有可能对影响电能质量的 因素做出f 确地分析和判断，为电能质量的改善提供依据。同时，只有对电能质量 做出精确监测和分析，才能为供用电双方的协调，电力市场的规范提供真实的依据。 虽然电能质量问题涉及的内容并不新颖，但随着社会的发展和技术的进步，各种新 型产品在生产和生活中广泛的应用，一方面给电力系统注入新的干扰，一方面又对 电能质量提出更高的要求。因此，当今电能质量问题引起了电力工作者和电力用户 前所未有的重视。 1 1 电能质量的概念及标准 电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 是指公用电网供到用户受电端的交流电能质量。衡量 电能质量的主要指标有：供电频率允许偏差；供电电压允许偏差：电电压 允许波动和闪变；供电电压三相允许不平衡度；电网谐波允许指标；电压暂 降和短时电压中断。 由于电能质量问题关系重大，国外一些发达国家已经进行了多年的研究，取得 了很多重要的理论和应用成果，同时也制定出电能质量的一系列标准。国内对电能 质量的研究起步较晚一些，这主要是因为我国长期以来电力供应比较紧张，人们关 注的焦点在电能的量方面，对电能质量关注不多。通常也只对电压和频率两个指标 进行考核，但近年来随着电力供应紧张局面的逐渐缓解，电能质量的逐渐恶化，用 户对电能质量的要求不断提高，这一问题也引起了电力工业各部门的高度重视。国 家陆续颁布了有关的技术标准，这些标准分别从发电、供电、用电端对电能质量提 出了要求，对我国的电能质量改善起到了很大的促进作用。 从六七十年代开始，世界各国几乎都制定了有关供电频率和电压允许波动的计 划指标，部分国家还制定了限制谐波电压和电流畸变、电压波动等的推荐导则。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 的专业委员会推荐标准及相应的实验条件等一系列规定接轨，逐步实现标准的完善 与统一。迄今为止，我国已经制定并颁布的电能质量国家标准有：g b1 2 3 2 5 1 9 9 0 电能质量供电电压允许偏差、g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波、 华北电力大学硕士学位论文 g b t15 5 4 3 一l9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度、g b tl5 9 4 5 19 9 5 电能质 量电力系统频率允许偏差、g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪变、 g b t 18 4 8l 一2 0 0 1 电能质量暂时过电压和瞬态过电压六项国家标准。这为保证 电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能提供了技术规范， 是实施电能质量监督管理，推广电能质量控制技术，维护供用电双方合法权益的法 律依据。 1 2 电能质量监测的现状和发展趋势 目前，各国研发的电能质量分析装置种类繁多，总体上可以分为固定式和便携 式两种。便携式的主要用于工作现场的测量，线路的巡查以及一些典型用户和某些 大型用电设备( 如电弧炉，轧钢机等) 的监测。目前，国内对便携式电能质量监测 装置的研制和产品化做得还很不够。不管是使用单片机还是定点d s p 芯片的产品， 受运算能力的限制，具有功能简单，监测指标少等缺点，不能为使用者提供完备的 电能质量信息。而固定式的由数据采集卡，工控机，用高级语言编写的数据处理软 件构成，具有测量精度高，功能强，操作界面友好等优点，不足之处也比较明显， 即：体积大，对运行环境要求高，只能对单一节点监测，不能移动，无法实现现场 的实时监测，装置成本较高。 国外由于对电能质量监测的研究起步较早，上述两种类型的装置都已经有非常 成熟的产品，如美国f l u k e 公司生产的f 4 3 手持式电能质量分析仪和r e li a b l e p o w e r m e t e r 品牌的电能质量记录仪，技术水平很高，实用性较强。但价格比较贵，不利 于大范围的推广使用。 在监测技术发展方面，在电能质量监测仪器和设备的研制及系统的构建研究 中，国际上越来越多的采用先进的软、硬件技术，网络技术以及各种数学方法，具 体主要有以下几个方面： ( 1 ) 在分析手段上，将加窗傅立叶变换、 变换技术用于暂态扰动信号的检测， 测结果的精度。 人工神经网络应用于谐波分析，将小波 克服了传统分析手段的缺陷，提高了检 ( 2 ) 借助于集成电子技术的发展，采用高性价比的d s p 芯片作为c p u ，不仅为复杂 分析算法的展开提供了平台，也大大提高了监测仪器的实时性。 ( 3 ) 开发应用虚拟仪器技术建立高速、高效、大容量、多功能、智能化的电能质 量监测系统。 ( 4 ) 在线式的监测设备设计具备强大的通信功能，能方便的集成到企业信息管理 系统和互联网上，为电能质量的深入分析、时间统计、长期评估和预测提供 华北电力火学硕士学位论文 方便。 上述对相关的国内外产品的性能指标，功能特点，最新技术动态和发展方向的 了解，使我们受到了很多启发，对研究目标的准确定位，软硬件方案的形成，起到 了至关重要的作用。 1 3 本课题的研究意义 随着经济发展和高科技设备的普及，尤其是计算机，现代控制技术和精密测量 技术的应用，使得敏感电力负荷所占比重日益增大，社会对电能质量的要求越来越 高。而社会电气化程度的提高，现代电力电子设备等非线性负荷大量使用，使得电 能质量不断恶化。电能质量对生产和生活的重要影响日益显现。 功能完备，精度高的电能质量监测设备对掌握电能质量的实际状况起着至关重 要的作用。随着用户和电力部门对电能质量问题的重视，对电力系统一些中大型用 户的电能质量监控将成为大势所趋，因此，研究便携式或可以改装为悬挂式的电能 质量监测仪器的设计与实现方法具有非常重要的意义。文献 1 6 对我国的电能质量 监测的实际状况作了一些调查，调查结果认为这个领域确实还有很多工作要做，所 以本课题即以此为研究目标展开。 1 4 课题的主要研究内容 本课题通过分析和研究监测电能质量各项指标的基础理论，初步构建便携式电 能质量监测装置硬件平台，编制出一套功能完备的软件，为研制出一台便携式的功 能完善、运行可靠、高精度的电能质量监测装置奠定基础。装置的监测指标包括： 三相电压、电流有效值，1 5 0 次谐波有效值，真功率因数，基波功率因数、有功功 率、无功功率、视在功率、频率、三相电压不平衡度、短时间闪变值和长时间有效 值。论文的具体工作主要有以下几个方面： 1 对电网电压、电流谐波的各种分析计算方法进行深入地研究，通过仿真分 析探索频谱混叠的规律和频谱泄漏产生的根本原因，总结加窗插值快速傅立叶变换 实现的条件，确定本课题从硬件和软件两方面减小误差，提高精度的措施。 2 对i e c 推荐的闪变监测模型进行研究，搭建闪变监测的模拟和数字仿真模 型，通过仿真确定最优的采样频率，探索闪变监测在嵌入式系统中的数字化实现方 法。 3 根据仿真研究的结果用c 语言编写全部功能的实现程序，为了提高程序的 执行效率，设计一种快速开平方算法，并在评估板上借助必要的外部电路完成全部 程序的调试。 4 兰塑奎堂堡圭堂堡笙茎 4 为保证系统输出结果实时、准确，工作可靠，选择一浮点d s p 芯片做分析 计算，一定点d s p 芯片实现与外设间信息交互的双d s p 系统硬件解决方案，设计出 硬件平台的原理接线图和p c b 图。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章基本测量原理与算法仿真 和电能质量分析有关的理论与方法主要有三方面，分别是谐波分析理论，电压 瞬时扰动的跟踪和闪变的分析方法，各个电能质量质量指标可以由以上三方面的分 析得到。数字信号处理中各基本参数的表达式分别如下： 电压、电流有效值： u r m s = 辱h s = 骶 电压、电流总谐波畸变率： 舢u ：巫圳。一暨圳。 其中m 是最高谐波次数，u h 、i h 是电压、电流第h 次谐波的有效值。真功率因数： p f = 寻c o s 缈l 其中c o s o l 是基波功率因数又称相移功率因数，根据谐波分析的结果得到电压、 电流的基波分量及有效值后可用下式算出： 唧- = 学 式中u l s 、u l 为某相电压基波的实部和虚部，i s 、，l x 为对应相电流的实部和 虚部，u l ，1 1 分别为基波电压和电流的有效值。单相有功功率，无功功率和视在功率 分别用以下三式计算： p = i 1 m c o s o i = i 1 m tslrlzuqe us i n 咿is = 厢q p = i i lit = i i ii；p i= 0p 2 + z zf = lzf = l 式中u i ，i i 分别为某次谐波电压和电流的有效值， c , oi 为功率因数角。 2 1 电网谐波测量的理论分析 国际公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波 频率的整数倍”。谐波畸变是由于电力系统中的非线性设备引起的，流过非线性设 备的电流和加在其上的电压不成比例关系。当前，电力系统中的谐波源，就其非线 性而言主要有三大类8 】： 1 ) 铁磁饱和型：各种铁心设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现 非线性。 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 电子开关型：主要为各种交直流换流装置、双向晶闸管可控开关设备以及 p w m 变频器等电力电子设备： 3 ) 电弧型：交流电弧炉和交流电焊机等。 含有谐波成分的电压和电流可以表示如下： m ，一 “( f ) = u o + 2 u s i n ( h c o l r + a h ) ( 2 1 ) h = l f ( ，) ：，。+ m 压， s i n ( 办国l ，+ p h ) ( 2 2 ) = i 式中的u o 、i o 为电压、电流的直流分量，m 为最高谐波次数。 谐波问题的分析采用频域的分析方法来解决。目前，基于数学变换的分析方法 很多，主要有傅立叶变换，短时傅立叶变换，矢量变换以及近年来出现的小波变换 和人工神经网络的分析方法。短时傅立叶变换将信号的不平稳过程看成是一系列短 时平稳过程的集合，从而将傅立叶变换用于不平稳信号的分析。小波变换具有时域 和频域局部化的特点，克服了傅立叶变换的和短时傅立叶变换方法的缺点，特别适 用于突变信号和不平稳信号的分析，因而在电能质量的扰动识别中得到广泛应用。 矢量变换具有运算量小、实时性好等优点，但必须用于三相电路，对于同时需要对 电压和电流的谐波进行分析的情况，延时比较大。所以，实用并且成熟的谐波分析 方法仍是傅立叶变换，作为经典的信号分析方法它具有j 下交、完备等许多优点，而 且还有f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 这样的快速算法，所以本装置选用f f t 来做 谐波分析。 2 1 1 快速傅立叶变换及其应用 信号的傅立叶变换有其明确的物理意义，并且具有工程应用价值的快速傅立 叶变换，这使其成为谐波分析的主要理论工具。基于f f t 的数字化分析方法通过 f f t 将监测到的周期信号进行分解，得到各次谐波的幅值和相位。下面对其做简 单介绍。 对于一个连续的周期为t 的信号f ( t ) ，如果满足狄里赫利条件，可以分解为傅 立叶级数的形式： f ( t ) = c o + ( 口 c o s h c o l ，+ b s i n h c o l f ) ( 2 - 3 ) 向= l 1 一 式中l = 等为周期函数的基波角频率，其第h 次谐波的系数a 、b hn - - i 由下式 进行计算： 6 华北电力大学硕士学位论文 铲洳c o s 呐， ”洳s i 岫r ( 2 4 ) 对于等间隔采样得到的离散序列 f k ，若离散时间点为，= 尼毛( n 为每周期的 采样点数) ，在此时间点的采样值为f k ，则根据离散时间序列 f k 的数据，可以由式 ( 2 - 9 ) 导出计算第h 次谐波系数的离散表达式： ( 2 5 ) j w c o o l e y 和j w t u k e y 于1 9 6 5 年根据正余弦函数的周期性和1 2 周期的反对 称性提出了快速傅立叶变换，使n 点d f t 的乘法计算量由n 2 次降为竺l o g ，n 次。 2 。 这一重要的发现成为公认的数字信号处理发展史上的里程碑，使傅立叶变换在工程 实际中的应用成为可能。 采样得到的信号都是离散的实数序列，设某相的电压和电流分别为 u k ) 和 i k ) ， 其频谱序列分别为 u k ) 和( i k ) ，分别求 u k ) 和 i k ) 需要做两次f f t 。但工程应用中已 有这样的算法：可以使两个序列一个做实部，一个做虚部，进行一次f f t 同时得到 两个实数序列的分析结果【2 1 。具体过程如下： 令 = “女+ j i 女 ( k = 0 ，1 ，n 1 ) 根掘 f h ：n - 1 z f , w 肼 ( h ：o ，1 ，n 1 ，w 肼：p 一- ，等m ) = 7 7 ( h = 0 ，-，肼= p 。扩。) k = 0 对 以) 利用f f t 计算 f k ) 。由式( 2 - 6 ) 可知，式( 2 7 ) 的计算结果为： i 警尝谤汕 由一= w - h ：w + h 及n + 一：w + - ： 可得： 融髓羔 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 厶厶凡 堡 soc 以 脚 2 一 = 吼 而七 幼一 n吼 一脚w 2 一 ， i i q 1 1 华北电力火学硕士学位论文 于是有： f n h = u n 一 一，j v 一 = g 一日 ( 2 1 0 ) 由式( 2 8 ) 和式( 2 1 0 ) 可得： ”丢( 吒+ 氘) 铲专( 瓦一 ( 2 1 1 ) 这样，即可实现一次做两个实数序列的f f t ，最后经简单的加减运算就可以将 结果分离丌来。但是，实际中f f t 严格成立必须具备两个条件：一是要满足香农 ( s h a n n o n ) 定理，即采样频率( f s ) 和信号最高的频率( f m ) 要满足正 2 f m ，否则会产 生频谱混叠，另外一个是采样频率和信号频率要严格同步否则会产生频谱泄漏和栅 栏效应，给分析结果带来误差。 2 1 2 频谱混叠研究 当六2 厶时，特定频率的谐波分量就会混叠在一起。通过在m a t l a b 中的大量 仿真分析发现频谱混叠对f f t 分析结果的影响有如下规律： r 口 = 口 + 口+ + 口2 n + + 一口一 一口2 n 一 一 ( 2 1 2 ) 【7 = + b n + h + b 2 n + + 一b n _ h b 2 u h 一 其中，a 打7 、b j t 7 为发生混叠后的分析值，a 、b 矗为实际值。从上述规律中看出， 只要信号中的最高谐波次数m 满足：m 1 规定为对应闪变不允许水平。 通过对闪变的实验研究发现。，人对闪变的视觉反映还与照度波动的频率特性有 关，其频谱分布规律可以概括为以下几点： ( 1 ) 闪变的_ 般觉察频率范围：1 2 5 h z ： ( 2 ) 闪变的最大觉察频率范围：o 0 5 3 5 h z ( 其上下限值称为截止频率，上限 值又称停闪频率，即高于这一频率的闪变是人眼感觉不到的) ； ( 3 ) 闪变的敏感频率范围：6 1 2 h z ： ( 4 ) 闪变的最大敏感频率：8 8 h z 。 在电力输配过程中，既要 限制电压波动也要限制c j j 变， 并且将限制发生闪变干扰放 在首位。u i e i e c 建议进行闪 变监测时，对于运行时间较长 的一类波动性负荷( 如电弧炉 等) 般用短时间闪变值( p s t ) 和长时间闪变值( p i t ) 两个指标 作为闪变严重度的判据，分别 用来确定一段时间( 1 1 5 m i n ) 的闪变强弱和整个工作周期 的( 1 h 一7 天) 的闪变严重度， 并且给出了闪变评估的数学 方法和测量方法。这种评估方 f ( h z ) 图2 - 3 视感度频率特性曲线 华北电力大学硕士学位论文 法反映了电压波动与闪变的统计特征量，其科学性和正确性已经得到国际电工界的 普遍认可。 在观察期内( 如取典型值t s h o r t = 1 0 m i n ) ，对瞬时闪变视感度s ( t ) 作递增分级处 理( 标准规定，实际分级应不小于6 4 级) ，并计算各级瞬时闪变视感水平所占总检 测时间长度之比，可获得概率直方图。进而采用i e c 推荐的累积概率函数( c p f ) ， 即水平分级状态时问计算法，对该段时间的闪变严重度作出评定。实际应用时常用 5 个概率分布p k 测定计算出短时问( 1 0 m i n ) 闪变平滑估计值p s t ，p s t 表示实际检 测到的短时间闪变水平严重度。其近似计算公式为： p s t = 4 k o i p o 14 - k l 鼻- t - k 3 b + k l o 墨o + k 5 0 b o ( 2 1 8 ) 式中，k = o 0 3 1 4 ，k l = o 0 5 2 5 ，k 3 = o 0 6 5 7 ，k , o = o 2 8 ，k s o = o 0 8 ，5 个测定值p o 1 、 p l 、p 3 、pj o 、p s o 分别为1 0 m i n 内累计概率c p f 超过0 1 、l 、3 、1 0 、5 0 时间 比的视感度值。 长时间闪变的统计时间需在l h 以上，国标中规定为2 h 。p i t 的分析计算方法有 好几种，按照u i e i e c 推荐的计算方法，对于已顺序测得的n 个l o m i n 短时间闪变 值p s t ，k ( k = l ，2 ，3 ，n ) 数据，长时间闪变值p l t 可由这n 个p s t ，k 的立方和求立方 根得到： 只= 污1 荟n 本文采用这种计算方法，在闪变评估时， 时间闪变值的测定时间。 可以根据被测对象的工作周期调整长 2 2 2 闪变的检测方法及数字化实现 根据i e c6 1 0 0 0 4 1 5 制造的i e c 闪变仪是目前国际上通用的测量闪变的仪器， 其简化的原理框图如图2 - 4 。 框1框2 框3 框4 框5 0 0 5 3 0 h z 平方一阶 平方检波 蛙 闪变的 i 滤波器 带通，视感度+低通滤波 加权滤波器器 统计评定 灯眼脑反应链的模拟 图2 4i e c 闪变仪模型的简化框图 框1 为输入级，将输入的电压调整为适合仪器内部参照水平的数值，并能发出 标准的调制波做仪器自检用。 框2 至框4 为对灯眼脑反应链的模拟。框2 模拟灯的作用和特性，通过平方 解调器分解出与调幅波幅值成比例的电压波动量。该量反映了灯照度变化与电压波 华北电力大学硕士学位论文 动的关系，可采用被测信号自乘求平方来实现。 框3 模拟人眼的视觉频率选择特性。它由两个级连滤波器构成，即带通滤波器 和视感度加权滤波器。其中带通滤波器的作用是消除平方解调后信号中的直流分量 和载波倍频分量，而视感度加权滤波器模拟人眼视觉系统在白炽灯受到正弦电压波 动影响下的频率响应。简而言之，即按照幅频特性对视感度频率范围内的调幅波信 号分别乘以不同的加权系数( 如对应8 8 h z 调幅波信号增益为l ，而其他的频率信 号加权系数小于1 ) 。 带通滤波器的通频带为0 0 5 3 5 h z ，具体设计时，采用一阶高通滤波器抑制直流 分量，并采用截止频率为3 5 h z 的6 阶巴特沃斯低通滤波器滤除载波工频成分及其 以上的频率分量。 其中，一阶高通滤波器的传递函数为： 胛( s ) ：堕( 2 2 0 ) l + s 国。 式中缈，= 2 n o 0 5 。6 阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为： ( s ) 2 五丽瓦毒i i 鬲( 2 - 2 1 ) 式中，a = ( 2 1 9 9 1 ) 6 ，b = 8 4 8 8 5 ，c = 3 6 0 7 6 8 6 4 ，d = 9 1 4 x ( 2 9 1 9 1 ) 3 ，e = 7 4 6 x ( 2 1 9 9 1 ) 4 ， f = 3 8 6 x ( 2 1 9 9 1 ) 5 。 视感度加权滤波器就是觉察率为5 0 的闪变视感度一频率特性的具体实现。 i e c 推荐的传递函数如式( 2 2 2 ) ，乘积的第一项对应二阶带通滤波，第二项为含有 二个零点和两个极点的补偿环节，即 邵，= 志两( 2 - 2 2 ) k = 1 7 4 8 0 2 ，旯= 2 7 c 4 0 5 9 8 l ，缈l = 2 j r 9 15 4 9 4 ，国2 = 2 n 2 2 7 9 7 9 ，c 0 3 = 2 7 c 1 2 2 5 3 5 ， 缈4 = 2 ：r 2 1 9 框4 模拟人脑神经对视觉反映的非线性和记忆效应，由平方和积分滤波两个环节 构成。其中，平方器模拟了人眼脑觉察过程的非线性，而具有积分功能的一阶低通 滤波器起着平滑平均作用，模拟人脑的存储记忆效应。一阶低通滤波器的传递函数 l p ( 沪点( 2 - 2 3 ) 式中f = 3 0 0 m s 。框5 为在线统计分析结果输出级。 从模拟系统到数字系统的变换，常用的以模拟滤波器设计数字滤波器的方法有 脉冲响应不变法和双线性变换法。前者变化简单且能保持频率的线性化，但会产生 频谱的周期延拓失真。后者变换稍复杂但不会产生频谱的周期延拓失真j 2 6 1 。本课题 采用双线性变换i f 利用m a t l a b 内置函数b i l i n e a r ，由己知的模拟滤波器得到数字滤 华北电力大学硕士学位论文 波器的各参数： 【n dd d = b i l i n e a r n d f ；】( 2 - 2 4 ) 式中，n 、d 署e i n d 、d d 分别为模拟滤波器和数字滤波器的分子、分母系数矩阵， 按降幂排列，f 。为采样频率。 采样频率的确定是个非常关键的问题。本文在m a t l a b 中分别搭建了闪变监测的 模拟和数字化模型，取连续信号，采样频率为4 0 0 h z 、2 0 0 h z 的数字信号，对式( 2 2 0 ) ( 2 2 3 ) 的四个滤波器的频率特性曲线作了比较，发现耿4 0 0 h z 的采样频率时， 频率特性曲线和模拟滤波器的基本相同，取2 0 0 h z 时曲线的上升、下降趋势都比模 拟滤波器的更陡一些。按照i e c 推荐的校验标准( 当调幅波为矩形波，电压变化频 度和波动幅值为表2 一l 规定值时，要求风芒在1 0 0 5 的范围内。) ，对上述三种不 同情况分别进行仿真，取s t 的分级为1 0 0 0 级，得到p s t 的仿真结果如下表： 表2 1 三种不同情况下p s t 的仿真结果 电压变化电压波动模拟系统4 0 0 h z2 0 0 h z 频度m i n幅值 1 2 7 21 0 0 9 51 0 1 1 21 0 1 4 2 22 2 l1 0 1 7 31 0 2 0 51 0 2 1 8 7 1 4 60 9 9 9 70 9 9 9 51 0 0 5 3 3 90 9 0 51 0 1 7 51 0 2 8 71 0 4 9 3 1 10 0 7 2 51 0 1 8 71 0 2 9 81 0 3 5 7 l2 6 00 4 0 20 9 9 2 80 9 9 0 60 9 9 6 2 由上表可以看出，取4 0 0 h z 或2 0 0 h z 采样频率都满足校验标准的要求，2 0 0 h z 时误差稍大一些。考虑到实际工作情况和仿真的差异，本系统取采样频率为4 0 0 h z 。 虽然理论上提高采样率可以更加逼近c p f 曲线，得到更精确的风芒值，但仿真结果 表明提高采样频率并不能显著地提高分析结果的精度，却会大大增加整个过程的运 算量。下面给出采样频率为4 0 0 h z 时，各个数字滤波器的参数。 滤波器1 是式( 2 - 2 1 ) 的6 阶低通滤波器的数字形式，其参数为： n d = 0 15 0 70 9 0 4 02 2 5 9 93 013 22 2 5 9 9o 9 0 4 00 15 0 7 】 d d 2 1 e 3 - 3 9 3 1 9 e 36 6 9 2 8 e 3 - 6 2 5 3 l e 33 3 6 4 2 e 3 - o 9 8 4 6 e 30 1 2 2 1 e 3 】 滤波器2 是式( 2 2 0 ) 的1 阶高通滤波器的数字形式，其参数为： ，n d 2 0 9 9 9 6 - 0 ：9 9 9 6 l 一“ d d 2 【1 0 0 0 0 一o 9 9 9 2 】 滤波器3 是式( 2 2 2 ) 的视感度加权滤波器的数字形式，其参数为： n d = 【0 9 3 5 00 0 3 2 9 1 8 3 7 1 - 0 0 3 2 9 0 9 0 2 1 】 ： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 d d 2 1 0 00 0 0 0 3 5 4 8 7 514 71 4 5 4 0 2 7 7 6 0 0 2 61 0 3 2 2 】 滤波器4 是式( 2 - 2 3 ) 的一阶低通滤波器的数字形式，其参数为 n d 2 0 4 1 4 9o 4 1 4 9 d d 2 【1 0 0 9 9 1 7 0 1 】 搭建的数字闪变仪的仿真模型如图2 5 。 、图2 5 数字式闪变仪仿真模型 取两个信号： “) w a v e l = l + 1 - 1 0 3 i 1 0 - 3c o s ( 2 4 , r k 0 0 0 2 5 ) 工2 ) w a v e 2 = 3 1 1 c o s ( 1 0 0 1 r x k 0 - 0 0 2 5 ) 作为仿真模型的输入信号。二者相乘得到的输入波形为受到频率为1 2 h z 的正弦调 幅波调制的，波动为o 3 1 2 的正弦波。按照i e c 推荐的检测方法，上述电压引起的 瞬时视感度s ( t ) = 1 。输入为上述信号时，s t 的输出波形为： 图2 - 6 受1 2 h z 正弦调幅波调制波动为o 31 2 的正弦波电压视感度曲线 从图2 - 6 可以看出，由于滤波器的延迟，大概需要将近1 0 s 的时间后，s t 才稳 i5 媚剧 罾型 颢笋纛昌 h 洲 一r 丹卧 华北电力大学硕士学位论文 定在l ，从输出的数据文件也可以看出，最大误差不超过1 。根据参考文献【8 】中 表4 2 列出的使瞬时视感度是1 的不同频度的电压波动数据，改变输入电压的波形 得到的仿真输出波形基本和图2 - 6 相同。 输出到数据文件d a t a s t m a t 的s t 数据用单独的程序作统计处理，首先寻求其最 大值s t m a x 和最小值s t m i n ，然后对整个区间做1 2 8 分级： g r a i ( s t m a x s t m i n ) 12 8( 2 2 5 ) 然后，对所有的数据进行从大到小分级，并确定p o i 、p l 、p 3 、p p 5 0 所在的 区问，根据落在相应区间的数据总数用线性插值法近似计算p o 1 、p l 、p 3 、p p 5 0 的值，以p 3 的计算为例说明插值公式的应用，设p 3 落在第i x i 1 ，x i 】个区间，则有： b ：尘尘垡g r a + x i ( 2 - 2 6 ) 门f 一门f - l 。 其中，n i 1 和n i 分别为将所有s t 数据从大到小排序对应的第i 个区间的上下边 界数据的序号，n 为总的采样点数，本文中n = 2 4 0 0 0 。依此类推，可以得到p o i 、 p l 、p l o 、p s o 的值。然后根据式( 2 18 ) 和式( 2 19 ) 可以分别得到短时间闪变值p 。 和长时间闪变值p i f o 2 3 三相不平衡度测量方法 对称三相系统是指三相电压、电流数值相等、频率相同、相位互差1 2 0 0 的系统。 不同时满足这三个条件的系统为不对称三相系统。电力系统在任意时刻，三相瞬时 总功率与时间无关，这样的系统为三相平衡系统；如果三相瞬时总功率随时间变化， 这样的系统称为不平衡三相系统。系统在某一时间t 吸收的总瞬时功率为三相瞬时 功率之和，即 p z = p , 4 + p 口+ p c = u a i a + u b i b + u c i c ( 2 - 2 7 ) 对称三相系统一定是平衡三相系统。三相系统的不对称直接导致不平衡，实际 二者是的等价的。在实际电网中由于供电不平衡、用电不平衡或事故的影响经常不 能达到理想的三相平衡。三相电压不平衡度成为传统的衡量电能质量的重要指标之 一。下面介绍三相不平衡度的定义以及本系统采用的分析方法。 根据对称分量法，三相系统中的电压、电流可分解为正序分量、负序分量和零 序分量三个对称分量，电力系统在正常运行方式下，某电量的负序分量均方根值与 正序分量均方根值之比定义为该电量的三相不平衡度；用符号占表示。 = 鲁x 1 0 。( 2 - 2 8 ) i 华北电力火学硕士学位论文 占，= 兰1 0 0 ( 2 2 9 ) l 式中eu 、ei 一一三相电压不平衡度和三相电流不平衡度： u l 、u 2 一一电压f 序、负序分量均方根值； i l 、1 2 一电流正序、负序分量均方根值。 由式( 2 - 2 8 ) 、式( 2 2 9 ) 可见，要计算三相系统的不平衡度，必须首先计算三 相系统的正序和负序分量。一般只以电压不平衡度来对电能质量加以衡量。本系统 利用电压谐波分析的结果，首先式( 2 3 0 ) 和( 2 3 1 ) 计算出电压正、负序分量的矢 量d 、矽： d ，= ；( 如+ ? 扬+ 二2 晚) 矽：= 了1 ( 沈+ 口2 扬+ 口晓) ( 2 3 0 ) ( 2 31 ) 式中沈、叻、沈分别为三相基波电压的矢量，可直接利用谐波分析的结果得 到，口= 1 2 + ，木3 2 。根据上述d 、d ，的计算结果很容易得到电压正序、负序分 量均方根值u 1 、u 2 ，从而可以得到三相电压不平衡度占，。 国标g b tl5 5 4 3 19 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度对电力系统中的三 相电压不平衡度作了如下规定：电力系统公共联结点正常电压不平度允许值为2 ， 短时不得超过4 ，接于公共联结点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许 值一般为1 3 。 2 4 小结 本章主要对谐波、闪变、三相电压不平衡度分析计算的理论基础进行了深入地 分析。仿真验证了频谱混叠的规律。通过分析频谱泄漏产生的根本原因和几种减小 频谱泄漏的措施，确定了本系统地解决方案。搭建了闪变监测的模拟和数字化仿真 模型，通过仿真确定了最优的采样频率。建立了最佳逼近p o 1 、p l 、p 3 、p l o 、p 5 0 的 插值公式。本章是整个系统软件设计的理论基础，本课题的最终目标即将上述分析 方法应用到嵌入式系统中实现对各个指标的在线监测。 华北电力大学硕士学位论文 3 1系统性能需求分析 第三章方案设计弟二早力茱阪订 本项研究的目标是设计一个便携式的多功能综合电能质量监测设备。设计实现 的监测指标有：三相电压、电流有效值，1 5 0 次谐波有效值，真功率因数，基波功 率因数，有功功率，无功功率，视在功率，频率，三相电压不平衡，长时间闪变值 和短时间闪变值。作为一个便携式的仪器，对其通信功能不做要求，但要能较长时 川地对电网中某一节点的电能质量状况进行监测，并能提供进一步分析用的监测数 据。要具有强大的数据存储能能力，能将监测数据定时存储，并具有越限报警功能 和友好的人机界面。由这些要求可以看出，系统应具备如下性能： 系统应具有强大的运算和数字信号处理能力，能实时完成f f t 运算和频繁的 数字信号滤波运算，为减小运算过程中的截断误差的累积，避免溢出问题带 来的麻烦，系统c p u 应具备浮点运算能力； 系统应具有强大的硬件资源，进行实时数据处理的同时还要完成和液晶显示 器、键盘、外部存储设备、实时时钟、报警器等外设的信息交换； 为了保证输出数据的实时性，数据交换、传递的过程应具有最小的延时： 为了进行谐波和闪变分析，系统应具有足够的数据存储空间，同时外部可以 连接大容量的存储设备，以便能储存较长时间的检测结果； 系统应具有良好的抗电磁干扰性能，即使在恶劣的电磁环境下也能保证性能。 3 2 总体设计方案 经过对系统的性能要求和设计目标进行分析，确定了总体设计方案。该系统采 用t i 公司的两款性价比极高的d s p 芯片：3 2 位浮点芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 和1 6 位定 点芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 构成双d s p 硬件系统。具体配置如下： 采样环节：为了保证采样精度，采用高速、低功耗、六通道同步采样1 6 位模 数转换器a d s 8 3 6 4 。a d s 8 3 6 4 采用+ 5 v 工作电压，并带有8 0 d b 共模抑制的 全差分输入通道以及六个4 p s 连续模数转换器、六个差分采样放大器。因此， 不仅采样精度高，而且抗干扰能力很强，可以充分保证采样精度。 中央处理单元和任务分配：t m s 3 2 0 v c 3 3 和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 分工协作共同 完成从数据采集到计算结果输出的全部数据处理过程，用双口r a m 实现二 者的并行高速通信。t m s 3 2 0 v c 3 3 对a d s 8 3 6 4 转换的数据进行计算分析，经 过各种计算和数字信号处理得出被采样信号的电压、电流有效值，谐波值， 华北电力大学硕士学位论文 功率因数，功率，闪变值等分析结果，送到双口r a m ，然后给t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 发中断请求信号。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 响应中断后将数据读走，连同其计算得到 的频率一起送给液晶显示器，并将所有数据和实时时钟的时间保存到外部的 u s b 存储设备中。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 还要随时响应按键中断，根据按键情况 执行相应数据的显示。这样就可以利用t m s 3 2 0 v c 3 3 信号处理速度快、浮点 运算精度高、编程方便的优势，使其专注于处理运算量大的实时计算任务。 而t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 负责系统配置管理，人机交互，分析结果的存储控制等。 这样的任务分配可以使两个d s p 的特长都能充分发挥，保证计算结果的精确 度和实时性。 硬件的逻辑控制：所有的逻辑控制由一片c p l d 完成，这样既可以减小硬件 系统的复杂性，又利于系统的改进或升级。 外设：本系统的外设包括：键盘，液晶显示器，实时时钟和一个u s b 接口。 所有外设及外部接口如前所述都由t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 控制。适时时钟一方面 可以控制监测数据定时向外部存储器存储，一方面为以后系统扩展监测电压 暂态扰动做准备。 3 3小结 图3 。1 硬件系统结构图 本章在对所设计的电能质量监测系统的目标功能进行分析的基础上，通过对目 前的一些主流微处理器的性能特点进行比较，确定了本系统的设计方案，即以3 2 位浮点芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 和1 6 位定点芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 构成双d s p 的硬件系 统，并给出了系统的总体硬件结构图。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 第四章硬件平台设计 下面分模块对硬件电路的各部分功能和设计情- 况进行详细说明，硬件电路中的 所有逻辑控制都是由c p l d 芯片e p m 7 0 6 4 a e 完成的。 4 1 锁相倍频电路设计 虽然我国电网的频率规定为5 0 h z ，但实际电网的频率受供用电负荷不平衡的 影响会有一些波动。我国国标g b t 15 9 4 5 19 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差 规定：电力系统频率偏差允许值为o 2 h z 。当系统容量较小时，频率偏差值可以 放宽到0 5 h z 。由此可见，实际电网的频率并非是恒定不变的。如果以定步长对 电力系统的信号进行采样，会使实际每个工频周期内采样点的起止时刻、采样点个 数出现差异，这种差异将导致栅栏效应和频谱泄漏，使信号频谱分析的结果产生误 差。为了尽量减小这种误差，设计了锁相倍频电路跟踪系统频率的波动，同时根据 我们设计的每周期采样点数用一个计数器对系统频率进行倍频，倍频后的信号直接 触发a d 芯片采样。该电路如下图所示： 图4 1 采样触发信号生成电路 采样触发信号生成电路的设计是保证采样数据精度的关键，在利用锁相环进行 锁相倍频时，电网电压信号在过零点的扰动会使采样触发信号产生非常大的误差， 致使采样数据根本不能用。本系统采取了非常严格的措施来防止这种扰动的产生。 取a 相电压信号作为生成触发采样信号的原始输入信号，首先经一个中心频率为 5 0 h z ，带宽为1 0 h z 的带通滤波器，很大程度上对直流分量和高频分量有效衰减： 然后经过一个电压比较器，该电压比较器具有迟滞比较的功能，通过设置比较器电 路中的参数，可使输出的矩形波信号不是在正弦电压信号的过零点而是在大于零的 某个值处跳变。本系统选择的参数如图4 1 ，v c c = 1 2 v ，则跳变电压阈值 u t s = 1 2 2 ( 2 + 1 5 ) = 1 4 v ，该比较器的输入、输出波形如图4 2 所示曲线2 是输入波 形，曲线1 是输出波形。由图可见只要电压的扰动小于1 4 v ，输出信号就可以不受 扰动的影响。虽然该电路使信号跳变的时刻产生了滞后，但采样数据处理只要求整 2 0 华北电力大学硕士学位论文 周期采样即可，对分析数据的起始时刻没有要求，所以不会对分析结果产生影响。 光耦可以隔离两侧的电信号，一方面可以隔离强电信号的串入系统，另二方面可以 方便的将信号的电平转换为适合a d 芯片输入信号的范围。为了保证输入锁相环的 方波信号上升沿的陡度，本系统选高速光耦。光耦的输出分成两个支路，一路做锁 相环的输入，以生成采样触发信号；一路作t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 捕获单元1 的输入， 以计算电网的频率。 图4 2 迟滞比较器的输入、输出波形 锁相倍频电路由一个锁相环和一个计数器组成。电路图如图4 一所示。计数器 实际起到一个分频器的作用，将锁相环压控振荡器的输出信号( 即4 脚的输出信号) 按照设定的分频系数( 1 2 8 ) ，分频后送至比较信号输入引脚3 。锁相环内置一个鉴 相器，可以生成一个与输入信号、比较输入信号的相位差成比例大小的电压，该电 压可以控制压控振荡器的输出频率，即可以控制比较输入信号的频率，使其向输入 信号( 由1 4 脚输入) 的频率靠拢，直至二者相等，进入锁定状态。这就达到了所 谓“锁相倍频”的目的。所以当系统的频率出现变化时，锁相环会根据比较输入信 号和输入信号的相位差，按设定的响应时间快速调整压控振荡器的输出频率，使其 跟踪系统频率的变化。在对锁相环的输入频率范围没有要求的情况下，输出中心频 率范围受电容c16 、电阻r 2 2 大小的影响，这两个参数的选择参考c d 4 0 4 6 的数 据手册。 图4 3 锁相倍频电路 2 l 华北电力大学硕士学位论文 本系统要求输出中心频率为6 4 k h z ，选c 1 6 = l n f ，r 2 2 = 1 0 0 kq ，锁相环4 脚的 输出波形如图4 - 4 所示。由输出波形可以看出该电路成功实现了锁相倍频的功能， 输出方波信号经过一个稳压管稳压后，送给模数转换芯片a d s 8 3 6 4 的h o l d a 、 h o l d b 、h o l d c 引脚做采样触发信号。 4 2 采样电路设计 图4 - 4 锁相倍频电路输出波形 4 2 1 信号调理电路 电能质量监测仪对互感器的要求较高，本系统采用霍尔电压、电流传感器。霍 尔传感器的输出信号和原信号相位相同、大小成比例，硬件平台所处理的信号全部 为电压信号，所以在入口处采用六个精密电阻，将传感器的输出电流信号转换为 5 v + 5 v 的电压信号。模数转换芯片a d s 8 3 6 4 的模拟信号输入范围为0 5 v ，所 以必须采用合适的信号调理电路将输入