（电力电子与电力传动专业论文）单相谐波检测装置的研究.pdf

s u b j e c t：s t u d yo nt h ee q u i p m e n to fc h e c k i n g & m e a s u r i n gh a r m o n i e s i ns i n g l ep h a s ep o w e rs y s t e m s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i c s p o w e rd r i v e s n a m e ：z h a n gb o i n s t r u c t o r ：s h a n gl i q u n f uz h o u x i n g a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) t h ep r o b l e m so np o w e rs y s t e mh a r m o n i c sh a v eb e e na t t a c h e dw i d e s p r e a di m p o r t a n c ea l l o v e rt h ew o r l df r o mo n ed e c a d et ot h en e x t e l e c t r i f i e dr a i l w a yw h i c hh a sd e v e l o p e dr a p i d l y , t h ee q u i p m e n t so fp o w e re l e c t r o n i c s & p o w e rd r i v ew h i c hh a v eb e e na p p l i e dl a r g e l yi nt h e d e p a r t m e n t so fc h e m i c a li n d u s t r y , m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y , c o a li n d u s t r y ，m a k e t h e p r o b l e m so np o w e rs y s t e mh a r m o n i c ss e r i o u sd a yb yd a y t h e r e f o r e ，t oc o n t r o lh a r m o n i c s ， t oi n s p e c ta n dt oh a r n e s sh a r m o n i c sh a v eb e e ns e tt oa ni m p o r t a n tp o s i t i o n a th a r m o n i c sd e t e c t i o na n g l e t h ep a p e rs t u d i e do nt h et e c h n o l o g yo fc h e c k i n g & m e a s u r i n gh a r m o n i c si ns i n g l ep h a s ep o w e rs y s t e m ，a n dm a i n l yb a s e do na n a l y z i n gt h e t e c h n o l o g yo fh a r m o n i c sd e t e c t i o n ，t h eh a r m o n i c sd e t e c t i o nd e v i c eh a sb e e nd e s i g n e dt os u c h ah a r d w a r es y s t e mw h i c hh a si n c l u d e dak e r n e lt m s 3 2 0 f 2 0 6 & a d 7 3 3 6 0 ，a n dt h eh a r d w a r e s y s t e mc a nd e t e c tt h ef r e q u e n c yo ff u n d a m e n t a lw a v e ，a n dc a na c c o m p l i s hs a m p l i n gd a t a ， t h i ss y s t e mc a nc a r r yt h r o u g ht h em e t h o do fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s ，a n dt h i ss y s t e mi n c l u d e d s e r i a lp o r t sw h i c hc o m m u n i c a t eb e t w e e nt h eh a r d w a r es y s t e mb o a r da n du p p e rp c i nt h e s o f t w a r ea r i t h m e t i co nt h es y s t e mw a si n c l u d e ds p l l - s o f t w a r ep h a s el o c k e dl o o pw h i c h c a nc o n t r o lt h es y n c h r o n o u ss a m p l i n go fa d ，a n dt h e na d v a n c et h ep r e c i s i o no ft h ee v e r y h a r m o n i c sf r e q u e n c y 、s c o p ea n dp h a s em e a s u r e db yf ft t h ep a p e rs t u d i e do nt h em e t h o d sw h i c hh a v eb e e na p p l i e dt od e t e c t i n gs t a b l es t a t e h a r m o n i c s & a s t a b l es i g n a l si ns i n g l ep h a s ep o w e rs y s t e m f o rs t a b l eh a r m o n i c sd e t e c t i o n ， b a s e do nt h em e t h o do fc h e c k i n ga n dm e a s u r i n gi nt i m ef i l e d t h et e c h n o l o g yo ff i r f i n i t e i m p u l s er e s p o n s ew i t hw i n d o wd a t af i l t e ra n d2 5 6c o u n to u td i t - - d e c i m a t i o ni nt i m e r a x i d - o n 一2 一f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma r i t h m e t i c ) ，w h i c hc a nf u l f i l ld e t e c t i n gt h ev o l t a g e a n dc u r r e n th a r m o n i c ss i g n a l sw h i c hc a nd e t e c t5 0 mh a r m o n i c s t h er e s u l to fe x p e r i m e n t v a l i d a t e st h e8 9s t a g e sf i rw i t hh a n nw i n d o wc a nm e e tt h i sd e s i g nr e q u e s t f o ra s t a b l es i g n a l sd e t e c t i o n ，t h ei n s t a n t a n e o u s 。p o w e r - d e t e c t m e t h o dw a ss t u d i e do n d e t e c t i n gt h o s ea s t a b l es i g n a l s ，t h e3s t a g e si i r ( i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) d i g i t a lf i l t e rw h i c h w a sa p p l i e di n t od i s t i l l i n gf u n d a m e n t a lw a v ec u r r e n ts i g n a l sw a sc h o s e db ys i m u l a t i o no f m a t l a b t h en u l l i f i c a t i o np o w e rc u r r e n t s & h a r m o n i c sc u r r e n t sw i l lb eg a i n e di nt h em e t h o d m e a n t i m e t h o s es i g n a l sg a i n e dt h r o u g ht h em e t h o dc a nc o n t r o lc o m p e n s a t e d & r e s t r a i n e d e q u i p m e n t s t h ed a t u mo fe x p e r i m e n to nt h ee q u i p m e n to fs i n g l ep h a s eh a r m o n i c sw a sv e r i f i e dt o d e t e c tt h es t a b l eh a r m o n i c si np o w e rs y s t e mb yt e s t i n gt h ed e s i g n e de q u i p m e n t k e y w o r d s ：h a r m o n i c s d e t e c t i o n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g s t e a d ys t a t e a s t a b l es t a t e t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h s o f t w a r ep h a s el o c k e dl o o p 参 1 绪论 1 1 选题的背景和研究意义 1 绪论 随着全球工业化进程的不断加快，对地球环境的污染和破坏也空前加剧。为此，在 全世界范围内掀起了环境保护的热潮。电力系统在工业上也是一种环境，也会面临污染。 公用电网中的谐波就是对电网环境最严重的一种污染，尤其在冶金、矿山、电气化铁道、 电力输送等工业系统中，大量应用了电力电子装置整流设备和换流逆变设备。由这 些装置构成的非线性负荷会在电力系统中注入大量的谐波，从而恶化电能质量并导致很 大的经济损失。谐波对电力系统的影响主要有以下几个方面l lj ：造成电力系统中各种电 气设备如并联电抗器和旋转电机的过热和损坏；引起电力系统内局部谐波共振；对继电 保护和自动化装置产生误动；对通讯系统产生干扰；使电力计量仪表出现计量误差；引 起有功损耗急剧增大；影响用户的测量控制、加工过程以及产品质量；同时谐波对人体 生理也会产生影响。 电力系统谐波定义为一个周期性的非正弦信号，该信号按照傅立叶级数分解，得到 一系列大于电网基波频率的分量，一般认为是基波的整数倍的信号【2 j 。在电力电子装置 普及以前，变压器是主要的谐波源。随着电力电子装置的推广，变压器产生的谐波己退 居次要位置，各种电力电子装置成为公用电网中最主要的谐波源，造成电网中日益广泛 的谐波污染。电力系统的谐波主要来自以下3 个方面：( 1 ) 发电厂发出质量不高的电力所 产生谐波；( 2 ) 输配电系统产生谐波；( 3 ) 用电设备产生谐波【3 j 。 电力系统谐波问题，近年来越来越多地得到电力等部门的重视，对电力系统谐波的 管理、监测和治理是电力系统研究与发展的一个重要组成部分。国内外对谐波问题的研 究已经有许多年的发展。随着电子技术的发展，体积小、速度快、功能强大的处理器大 量涌现以及数字信号处理技术的发展，采用新技术、新器件为谐波检测技术的提高提供 了更加方便的研究与设计途径。传统的谐波检测装置，多采用的是性能不高、处理速度 不快的单片机作为处理器使用，有的甚至是采用模拟电路进行设计的，这成为谐波检测 精度提高和谐波数据处理发展的一个瓶颈。而随着d s p 的出现以及基于d s p 的处理算 法( f f t 算法及数字滤波技术) 发展，为谐波检测技术的提高提供了条件。单相电网是一 种最普通的电网，它广泛存在于人们的日常生活中，如家用电器，其大部分都是以单相 形式进行供电的。在电力系统中，最典型的单相供电负载是电力机车，其运行时会产生 大量的谐波。因此，对单相供电线路和负载的谐波检测，尤其在电力机车牵引变电站中 进行谐波检测是十分重要和必要的。此外，谐波在单相电网中的存在，不仅影响单相系统 的工作，且易通过变流装置回馈并污染三相供电系统，进一步使整个电力系统产生更多 西安科技大学硕士学位论文 的零序、负序及谐波分量。同时，由于单相电网分布广泛，若不进行有效的检测与治理， 会影响局部电网，波及其他用户。 本论文主要在总结现有的谐波检测方法的基础上，针对实时性要求高和实时性要求 不高的单相电网或负荷的谐波检测，研究了检测方法，并设计了检测装置。图1 1 ( a ) 、 ( b ) 分别是单相谐波检测装置检测负荷和电网的示意图。 图1 1 ( a ) 为装置检测负荷谐波( b ) 为装置检测电网谐波示意图 1 2 谐波检测装置的发展现状及检测方法概述 按照信号处理方法的不同，实现谐波检测有两种基本方法 3 】：频域测量方法和时域 测量方法。 ( 1 ) 频域测量方法的原理如图1 2 所示： 伍砰圈一匦圈! 出 j 匿圆 图1 2 频域测量原理示意图 ( 2 ) 时域测量方法的原理如图1 3 所示： 图1 3 时域测量的原理不蒽图 谐波检测装置出现的种类有很多，包括手持式谐波检测仪、便携式多功能谐波分析 仪以及谐波远程分析仪等，这些谐波检测装置所采用的检测方法一般有以下5 种【4 j ： 早期的检测方法采用模拟滤波器滤波，即采用陷波器将基波成分滤除，得到谐波 分量；或通过带通滤波器滤波得出基波分量，与被检测的电流相减得到谐波分量。原理 如图1 4 所示。 1 绪论 图1 4 早期模拟电路实现的谐波检测方法原理示意图 基于傅立叶变换方法是一种当今应用最多、最广泛的检测方法。设计时考虑到时 实性要求，一般应用快速傅立叶变换实现谐波检测。使用此方法实现谐波测量精度较高， 但在处理非平稳信号时，其时间分辨率低。因此，对于非平稳信号的检测有时会应用短 时傅立叶变换( s t f t ) 的方法，以提高时间分辨率。使用f f t 或s t f t 都会产生频谱泄漏 效应和栅栏效应【l3 1 ，使检测到的信号参数( 频率、幅值和相位) 不准确，尤其是相位的误 差很大，无法满足测量精度的要求。对于栅栏效应，只要在时域内的连续谱上，多抽取 频率样本，就可以大大减少栅栏效应。为了减小频谱泄露效应，可有以下措施：( a ) 应 用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正的方法；( b ) 修正理想采样频率法。这种方 法的主要思想是对每个采样点进行修正，得到理想采样频率下的采样值，修正公式如1 1 所示，该方法只能减少5 0 的泄漏 4 1 ；( c ) n 用硬件锁相环或软件锁相环。锁相环一旦锁 定基波相位，将跟踪输入信号频率变化，由输出的同步信号去控制信号采样，这种方法 实时性较高。 正r x o ( 七) = x ( 后) + ( x ( 尼) 一x ( k + ) ) 胛= o 、1 、2 、m ( 1 1 ) v 基于白适应神经网络检测方法【6 】。该谐波检测方法的原理主要是根据自适应噪声 抵消原理的。自适应噪声抵消原理可以把信号s ( t ) 和噪声n ( t ) 分离开来。系统的输入信号 包括原始输入s ( t ) + n ( t ) 和参考输入n ( t ) ，参考输入n7 ( t ) 经自适应滤波器调整后的输出为 y ( t ) 。s ( t ) 与n ( t ) 和n 7 ( t ) 都不相关，但n ( t ) 和n ( t ) 具有相关性。当y ( t ) 在最小均方误差意义 下最接近主通道噪声n ( t ) 时，n ( t ) 得到了最佳抑制。此时，系统输出z ( t ) 在最小均方误差 意义下也最接近信号s ( t ) ，从而把信号s ( t ) 检测出来。同时，z ( t ) 作为误差反馈信号( e ( t ) ) 用来调整自适应滤波器的参数。自适应噪声抵消法只需要很少或根本不需要任何关于信 号和噪声的先验统计知识，就可以从混合信号中检测出所需要的信号。其原理如图1 5 所示。 基于上述白适应噪声抵消原理进行谐波电流检测原理如图1 6 所示。用白适应噪声 抵消法进行谐波检测，取i l 作为原始输入，若将i = i l + i 2 + + i n 看作“噪声干扰电流”， 则其它更高次谐波的总电流i h 就是需要检测的“信号”，i 和i h 不相关；取s i n o ) t ，c o s o ) t 以及它们的2 、3 、n 次等倍频谐波作为参考输入，它们和i 对应的各次正弦和余 弦分量分别相关，而和i h 不相关。可以看出，上述条件满足白适应噪声抵消法的要求， 西安科技大学硕士学位论文 当选用适当的多路自适应滤波器并采用最小均方算法后，可以通过多路自适应滤波器得 到“噪声干扰电流”i 的各分量以及“信号”i h 的最小均方误差意义下的最佳逼近值。 原始信号 s ( t ) + 城t ) 一系统输出 圈畜斟 n ( t ) l 1 _ 一 基于小波窗的谐波检测方法。将小波函数作为调和分析非平稳信号有其显著的特 点，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，它在频域和 时域都具有局部性，即时间分辨率和频率分辨率都能得到满足。通过对含有谐波的电流 信号进行正交分解，将电力系统中产生的高次谐波变换投影到不同的尺度上会明显地表 现出高频、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， 为谐波分析提供了可靠依据。 基于瞬时功率的谐波检测方法【2 儿6 | 。瞬时无功功率理论即p - q 、f 。一i qd - q 变换理 论提出目的是为解决电流的无功功率的快速补偿问题，它突破了传统的基于平均值为基 础的功率定义。由于解决了谐波和无功功率的瞬时检测和不用储能元件就能实现抑制谐 波和无功补偿等问题，使得电力有源滤波理论由实验室的理论研究转为实际的应用。 以上5 种谐波的检测方法各有优缺点。方法存在设计难度大、误差大、对电网频 率波动和电路元件参数十分敏感的缺点。方法所应用的频率窗是固定的，不能随时间 变化进行调整，对于非平稳信号时间分辨率和频率分辨率的矛盾无法克服。自适应神 经网络方法，通过对样本的学习，可以完成较高的精度的检测，但其应用于电力系统谐 波测量尚属起步阶段。方法虽然小波窗可以根据频率和时间窗都可以进行调整，但应 用构造合适的小波窗来检测谐波，在工程实践中还没有发展成熟。方法可以满足系统 实时性的要求，即能够检测到信号的突变和非平稳信号。但要检测任一次谐波比较困难。 因此，针对不同形态的电力系统信号，本论文对平稳信号采用的方法进行检测，对非 平稳信号的谐波信号的检测采用的方法进行。 有关电力网谐波检测技术的发展在国内已经有近二十年的历程，从早期的便携式检 测模式发展为以工控机为核心的集中式在线监控模式。近年来，随着d s p 技术、a r m 嵌入式技术的出现，新一代单元化、全数字化、网络化的谐波监测装置得到迅速发展。 目前的谐波检测装置，主要是以d s p 为核心的现场实时监测装置和便携式谐波检测装 置。近几年随着计算机网络技术的飞速发展，还出现了电力网谐波远程检测装置p 】。 国外在谐波检测方面技术比较先进、成熟。如美国的f l u k e 公司、瑞士的l e m 公 4 ， 1 绪论 司、日本日立公司等，他们生产的谐波检测仪技术先进，发展成熟；国内也出现了一些 专门研究、生产谐波检测产品的公司。 1 3 本论文研究所做的工作 ( 1 ) 在总结目前谐波检测方法的基础上，对电力系统的信号进行了分类，研究了稳态 谐波信号和非稳态信号中谐波信号的检测方法。 ( 2 ) 应用时域抽取基一2 f f t 算法和数字滤波技术，对稳态谐波信号的检测方法进行了 研究与设计，通过m a t l a b 6 5 仿真，选择了适合谐波测量要求的f i r 数字低通滤波器。 ( 3 ) 研究了基于瞬时功率理论检测谐波信号的方法对非稳态信号进行检测。通过 m a t l a b 6 5 对该算法建立仿真模型，通过仿真实验，选择了检测谐波精度高的i i r 低 通滤波器。 ( 4 ) 设计了软件锁相环( s p l l - - s o f t w a r ep h a s el o c k e dl o o p ) ，以控制a d 的同步采样 和提高f f t 检测各次谐波的频率、幅值和相位的准确度。 ( 5 ) 设计了满足稳态谐波信号检测要求的单相谐波检测装置的硬件系统和软件流程。 ( 6 ) 最后，通过对装置进行实验测试，记录和分析了谐波的测试数据。 西安科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 单相谐波检测装置总体设计方案及可行性论证 对电力系统信号的处理属于信号处理的一种，将电力系统信号进行数字化处理亦属 于数字信号处理的范畴。电力系统的信号按照不同的方法有以下分类： ( 1 ) 按照电网的运行方式，文献 5 指出，电力系统信号可分为稳态信号和暂态信号。 注意，谐波和暂态现象是不同的u 。在进行谐波分析时，傅立叶变换级数要求的波形是 周期信号，而电力系统的电压、电流和频率实际上都不是固定不变的，但在一段时间内 ( 若干周期内) ，可以近似的认为是周期信号，因此可以用傅立叶变换求得，这样的谐波 信号认为是稳态谐波信号。而暂态信号是由于电力系统受到一个扰动或出现故障时，出 现了电压电流的波动所产生的信号。暂态现象包括了许多种类：电磁瞬态( 冲击和振 荡) ；短期电压变动( 即时、瞬间和暂态) ；长期电压变动( 持续中断、欠电压和过电压) 等暂态现象，对于暂态现象出现的信号，可认为是非稳态的信号。 ( 2 ) 谐波信号按照其变化形态的特征，分为近似的周期性谐波信号( 准稳态谐波信 号) 、波动谐波信号和快速变化的谐波信号。这3 类谐波信号都是以一定规律出现的， 可认为是稳态谐波信号。工业用电的负荷，如大功率换流设备、变频设备、轧机、电焊 机、电弧炉和电力机车等，是产生谐波的主要来源。城市供电5 0 以上为工业用电，但 居民用电的谐波负荷也不容忽视。在居民用电设备中，电视机、洗衣机、收录机、电冰 箱和电扇等家用电器已相当普及。虽然单台电器的谐波电流不大，但由于家用电器的数 量大，而且单台谐波畸变率高，所以其对配电网的谐波污染也是不容忽视的，这些负荷 产生的谐波都会以上3 种形态的某种出现。 因此，对电力系统信号进行分类，可将电力系统信号分为稳态谐波信号和非稳态信 号。系统的暂态变化诸如涌流、各种干扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范畴，其 分析不能直接应用基_ 2 f f t 的检测算法来实现【7 儿8 j 【9 j ；但可以应用分析谐波的其他方法 对包括暂态电力系统信号在内的信号进行分析，即应用改进的瞬时功率的检测算法对非 稳态信号检测。在讨论信号检测算法时，将电力系统暂态过程出现的信号按照非稳态信 号处理，以下是对稳态谐波信号和非稳态信号检测的总体设计方案。 2 1 1 单相谐波检测装置的总体设计方案 根据电力系统信号分类，要实现稳态谐波及非稳态信号中谐波信号的检测，我们给 出了图2 1 所示的总体设计原理图。 6 2 单相谐波检测装置设计的总体方案及可行性论证 图2 1 单相谐波检测装置对稳态和非稳态信号的处理示意图 ( 1 ) 根据总体设计，有如下的要求： 和一般的电量检测系统设计一样，本装置设计的单相谐波检测装置包括了软件设计 和硬件设计部分。总体设计是根据g b t1 7 6 2 6 7 1 9 9 8 供电系统及设备谐波、谐间波 的测量和测量仪器导则规定的标准设计的，即： 同时测量l 通道电压信号和1 通道的电流信号，电压测量范围为0 - 2 5 0 v ，电流 为0 - 6 a ，额定电压u = 2 5 0 v ，额定电流为5 a ；电压信号是从电压互感器二次侧取， 而电流信号是用电流钳取； 设计检测5 0 次谐波的幅值和相位，精度达到g b t1 7 6 2 6 7 1 9 9 8 的指标，如表 2 1 所示： 表2 1g b s t l 7 6 2 6 7 1 9 9 8 其中，u 。、，。为测量值，u 、“为测量仪器各量程的额定输入值。 频率测量精度达n 士o 0 1 h z ； 处理后的数据通过串口r s 2 3 2 与上位机实现通信； 按照国标g b t1 4 9 5 4 9 3 电能质量公用电网谐波，设计的装置能够满足检测 西安科技大学硕士学位论文 按照国标g b t1 4 9 5 4 9 3 电能质量公用电网谐波，设计的装置能够满足检测 电压为1 1 0 k v 及以下电网谐波； 同步误差要求，同步回路的频率l 正。一zl f , 3 1 0 。= 0 0 4 ； 对于稳态谐波的测量，据文献 2 对于不同形态的稳态谐波的测量，建议使用不同 的窗的宽度和排列方式。具体建议如下：对于准稳态谐波的测量要求不需要连续测量， 即窗口与窗口之间允许有一定的时间间隔。与3 d b 等价的带宽b 对于矩形窗近似有 b = 0 9 ，对于汉宁窗近似为：b = i 4 乃；当b = 1 0 h z - 3 h ：时，则矩形宽砀= 0 1 - 0 3 s ， 汉宁窗瓦= o 1 5 0 5 s 。波动谐波的测量要求连续实时采样分析，即窗口之间不允许有 间隔。对矩形窗不允许有重叠，对汉宁窗，允许有一半接一半的重叠。矩形窗口砀= o 3 s ， 汉宁窗乙= 0 4 s 0 5 s ，即窗口大小为1 6 z ( 矩形窗) ，2 0 互2 5 互( 汉宁窗) ，这样规定使频 域与时域测量波动谐波结果是等效的。快速变化谐波测量要求取的窗口排列与上面的 一致，巧= 0 0 8 s 0 0 6 s ，则巧= 4 互8 互。其中瓦= 万互( 万为正整数、互为基波周期) ， 采样频率和窗口宽瓦，应与基波频率万严格同步。 据文献 2 、 1 3 ，稳态谐波的评估一般取测量时段内测量值的9 5 概率值，9 5 概 率大值采用累计概率函数通过统计方法获取。文献【2 1 3 】还指出，对于非稳态信号的检 测，一般为电压“有效值”及持续时间来考虑，本装置研究了使用瞬时功率检测的方法， 可以检测非稳态信号，并能够获得瞬时的补偿信号。 ( 2 ) 根据信号检测的总体设计要求，检测的方法是嵇甩数字信号处理技术来餐饿的。 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g - - d s p ) 技术是涉及了许多学科而又广泛应 用于许多领域的新兴技术。2 0 世纪6 0 年代以来，随着信息技术的发展，数字信号处理 技术应运而生并得到了飞速发展，在过去短短的二十多年，数字信号处理技术已经在通 信、自动化、电力、军事、航天、航海、航空、农业、医疗、能源以及工业、电子消费 品等各个领域都得到了广泛的应用。数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r - - d s p ) 是微电子学、数字信号处理、计算机技术这3 门学科的综合研究成果。 自然界的模拟信号( 如声音、图像、电量) 通过采样，转换为数字信号。对数字信号 需要进行变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，这一过程可由图2 2 简单的描 述。这一过程可用数字信号处理算法以及软件( f f t 、卷积、数字滤波) 实现。实现这些 算法的器件就是数字信号处理器。数字信号处理技术能够得到大的发展和广泛应用，在 很大程度上是由于数字信号处理器的性价比的大大提高有关。 1 唑肼- 团_ 圈- 圆斗l f 臀i y o 刁 图2 2 数字信号处理的过程示意图 2 单相谐波检测装置设计的总体方案及可行性论证 2 1 2 谐波源判据 由于电力系统的信号具有多样性和多变性，测量的方法必须根据被测对象有所区 别。对于负荷变化快、慢的不同谐波源，测量时间间隔应有不同的选择。本装置将准稳 态谐波信号、波动谐波信号和快速变化的谐波应用稳态谐波信号检测的方法检测，可采 用3 s 6 次( 这个窗长度就是5t 1 2 5 正；快速变化的谐波选择的窗的大小按照国标中的建 议观察窗为4 t 1 8 t 1 ) v r t 变换测算信号的频谱；对暂态过程出现的信号，用非稳态信号 检测的方法处理。由于非稳态信号危害较大，持续时间很短，因此对非稳态信号的测量 应用实时性高的瞬时功率法可以进行检测，检测出的谐波信号还可为快速谐波补偿装置 ( 如s v c 装置) 提供控制电流。因此，对信号进行检测时，必须提出一个判断稳态谐波信 号和非稳态信号的判据。参考波形畸变法、小波变换奇异值法、幅值上升法等方法并在 这些方法的基础上，应用幅值法作为判据是比较简单和可行的。 2 1 3 国标中对谐波检测装置的测量间隔、持续时间的规定建议 ( 1 ) 负荷变化快的谐波源。对炼钢炉、晶闸管变流设备供电的轧机、电力机车等负荷 变化快的谐波源，测量间隔时间不小于2 m i n ，测量的次数( 持续时间) 不少于3 0 次。 ( 2 ) 变化慢的谐波源。对化工整流装置、直流输电换流站等负荷变化慢的谐波源，可 选五个接近的实测值，取其算术平均值。对供电系统的电压谐波水平做普查时，一般应 该持续2 4 h ，测量间隔可取5 15 m i n 。 ( 3 ) 采样窗口。对采样窗口按g b t 1 7 6 2 6 7 1 9 9 8 标准选取窗口。 ( 4 ) 3 s 平均。为区别暂态现象和谐波，对负荷变化快的谐波测量取3 s 内所测值的平 均值，即在3 s 内等间隔采样m 次，做m 次谐波分析，由式2 1 计算各次谐波m 次测量 结果的均方根值。 斤j _ 2 、考( ) 2 ( m 6 ，h = 2 ，3 ，) ( 2 1 ) y ”k = l 其中：u 。3 s 内第k 次测得的h 次谐波的方均根值有效值。 2 1 4 总体的软、硬件设计 根据上述对电力系统检测的信号类型分类及数字信号处理技术的特点的介绍，本论 文按照时域谐波检测的原理对系统软、硬件有如下设计： 硬件系统设计，主要考虑是应用处理性价比较高、功能强的定点d s p 和精度高、 开发调试方便的模数转换器为核心器件搭建系统硬件。这个硬件系统需要设计电源电 路、信号调理电路、模拟滤波器电路、串口通信电路、看门狗和复位电路以及根据d s p 开发的特点，设计扩展s r a m 存储器的电路等。 9 软件系统设计，基于d s p 的软件开发平台，设计启动硬件系统的各个接口程序( 包 括系统自检、初始化、启动a d 的软件、串口通信接口程序) 和软件锁相环以及数字滤 波、f f t 算法等簋法。 1 鳅墨姒曼 2 2 方案可行性论证 2 2 1 采用d s p 的单相谐波检测装置特点 d s p 的特点 7 】 8 】【9 】 1 ：o ) 晗f 弗( h a r v r r d ) 结构及改进的哈佛结构体系，d s p 芯片采用 程序总线、数据总线分别独立并具有多条总线的哈佛结构。程序存储器和数据存储器是 两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，用独立的程序总线、数据总线或多条总 线分别进行访问。对哈佛结构的改进在于数据总线和程序总线之间进行局部交叉连接， 允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。 流水线操作，一般的c p u 在执行一条指令时，总要通过取指令、译码、访问操作数、 执行等几个步骤，需要若干个机器周期才能完成。d s p 的流水线结构是将其几个阶段在 执行的过程中是重叠的，第一条指令译码时，第二条指令取指令，第三条指令访问数 据即在一个机器周期内，可以同时执行1 6 条不同的指令，每一条指令都处在不同 的阶段。这样大大增加了d s p 中的c p u 处理数据的吞吐量。硬件乘法器，在d s p 中有硬件连线逻辑的高速“与或”运算器，取两个操作数到乘法器中进行运算，并将结果 放到到累加器中，这些操作都是在单个周期内完成的。d s p 中设置的硬件乘法器及其 m a c ( 乘法并累加) 指令可以大大提高运算速度。多处理单元，d s p 内部一般包括多个 处理单元。特殊的d s p 指令，在d s p 的指令系统中，有多条指令是多功能指令1 条指令可以完成几种不同的操作或者在1 条指令中具有多条指令的功能。 d s p 的强大的运算功能为设计开发单相谐波检测装置提供了条件。d s p 最强大的功 能是实现数字滤波技术和f f t 变换，其内部硬件有专门的乘法累加器，使卷积和位倒序 指令算法处理数据更快【4 3 j 。 2 2 2 有限字长效应及分析 应用d s p 实现信号处理算法时，必须考虑到有效字长对算法的影响。本装置采用 的数字信号处理算法及a d 器件，它们的有效字长效应都会影响处理数据的精度。 数字系统中有三种因有限长的影响而引起误差的因素【1 2 】： ( 1 ) a d 变换将模拟输入信号变为一组离散电平时产生的量化效应； ( 2 ) 把系统用有限二进制数表示时产生的量化效应； ( 3 ) 数字运算过程中，为限制位数而进行尾数截止和舍去处理，以及为防止溢出而压 缩信号电平的有限字长效应。包括低电平极限环振荡效应及溢出振荡效应。 1 0 2 单相谐波检测装置设计的总体方案及可行性论证 本装置的设计采用了1 6 位定点d s p 和1 6 位的a d ，它们的有效字长效应分析如 下： a d 量化误差分析 由于t m s 3 2 0 f 2 0 6 是定点d s p ，所以，在应用的所有软件算法中，所有运算结果的 绝对值都不能超过1 。当数字很大时，需要乘一个比例因子，使整个运算中数的最大绝 对值都不能超过1 。运算完成后，再除以同一比例因子还原为真值输出。但相乘时，需 要对尾数进行处理，一般对尾数的处理会有两种形式：“截尾”和“舍入”。硬件系统设计 中选用的a d 已经对这部分进行了处理。因此考虑系统整体设计时，选择的a d 量化 误差是影响整个系统精度的重要指标。 基2 f f t 算法有限字长效应分析 对于基2 f f t 算法，用定点d s p 实现算法时，只有相乘才有舍入，假定每个蝶形运 算单元都引入一个误差( 每个复乘包括四个实乘，每个定点的实数相乘会产生一个舍入 误差源) ，可以分析得到每个误差叠加在f f t 算法上的总误差s ( 七) 的方差为：( b 为定点 数尾数的有效位数，为f f t 计算的点数。 ，) 一2 b，) 一2 b7 、， e 占( 尼) 】= 三- _ 一( 一1 ) 竿 ( 2 2 ) jj 对于基2 d i t 的f f t 有： m a x ( x 。( f ) l ，i x 。( 刮m a x ( i x 川( f ) i ，l x 。+ 。( 驯) 2m a x ( x 。( 洲x 。( 刮) ( 2 3 ) 式2 3 表明从前一级到后一级，最大模值是逐级非减的，只要最后一级不出现溢出，则 前一级计算一定不会溢出。由于碟形输出的最大模值小于等于输入最大模值的2 倍，对 于l 级蝶形，f f t 最后输出最大值小于等于输入最大值的n 倍，即： m a x l x ( k ) i 2 lm a x i x ( n ) l = nm a x i x ( n ) l ( 2 4 ) 要使x ( 七) 不发生“溢出”，必须使m a ) ( 1 x ( 尼) i 1 ，即要求 i x ( 门) l 万1 ，o ，2 一1 对于每次蝶形运算单元，都乘以1 2 的比例因子就可以保证蝶形运算不会发生溢出。 对于l 级运算，相当于设置了( 圭) l = 土n 的比例因子。这样的处理，其输出噪声比 直接乘以i 1 比例因子小的多，因为大部分噪声已经在多次妻变换被消除掉了。 n2 数字滤波运算中有效字长效应 ( 2 5 ) 西安科技大学硕士学位论文 ( a ) f i r 数字滤波运算中的有效字长效应 在f i r 数字滤波器系统中，不存在反馈环节，因而没有极限环振荡。在有限精度( 有 限字长) 下f i r 滤波器的方程为： 一l y ( ，2 ) = y ( 船) + p ，( ，? ) = o ， 办( 聊) x ( ，2 一聊) ( 2 6 ) m = 0 每一次相乘后字长都增加，因而会有舍入误差，有： o r 而( 肌) x ( ，2 一，卵) = h ( m ) x ( n m ) + e 。( 刀) ( 2 7 ) 从式2 7 中可以得到输出噪声为： 一l p ，( ，z ) = e 。( ，2 ) ( 2 8 ) m = 0 在舍入误差情况下，输出噪声的方差为： ， - 2 b 占2 ：三一 ( 2 9 ) 1 2 为了防止溢出，必须考虑动态范围问题，为了满足数据不溢出，对所有n 都应满足 i y ( 即) i 1 ，则在输入端引入衰减因子： 么 丢一 x m a x i 办( 玎) n = 0 i 丽1 ( 2 1 0 ) ( b ) i i r 数字滤波运算中的有效字长效应 第3 章对i i r 滤波器的介绍，选择直接i 型、i i 型级联结构是设计时选择的滤波器 的形式。设y ( n ) 是理想的没作尾数处理的输出，则经定点舍入处理后的实际输出为： y ( n ) = y ( n ) + er ) ( 2 1 1 ) 对于定点补码形式的运算，采用补码截尾，则截尾误差e ( n ) 的均值不为零，即： m ，= m 。办( 胛) = m 。h ( e j 。) ( 2 1 2 ) 为了减少运算过程出现“溢出”，必须缩小信号的幅度。为了提高输出信号与量化噪 声的比值，又要增大信号的幅度。因此，要同时保证溢出和滤波器输出与量化比值的范 围与特点。为了保证每一次加法器输出不发生溢出，就要使其节点值小于1 ，这时乘上 个比例因子，可以保证其运算过程中不会发生溢出，这就要求： 1 x 。 二一 ( 2 1 3 ) i h k ( m ) i 2 单相谐波检测装置设计的总体方案及可行性论证 因此，为了保证第k 节点上不会出现溢出时的最大输入值上限。把输入信号乘一个 适当的比例因子来衰减输入信号幅度，就可以不会发生溢出。 2 2 3 小结 根据信号检测的总体设计要求，本装置设计的核心为一块d s p 加一块a d 的硬件 系统。根据选用的器件( 1 6 位定点d s p 和1 6 位a o ) 和数字信号处理过程中有效字长效 应，设计了减小发生“溢出”的方法。 西安科技大学硕士学位论文 3 装置中信号处理的关键算法设计与分析 3 1 引言 本章将详细俊馏和分析对稳态谐波信号和非稳态信号的处理算法。对稳态谐波信号 的处理，需要将采集到装置的电压电流信号通过数字低通滤波器滤波，以得到包含5 0 次谐波的信号，将滤波处理后的数字序列进行f f t 和i f f t 变换，可计算出1 5 0 次谐 波的频谱。对非稳态信号中谐波信号的检测，应用瞬时功率检测谐波法检测谐波信号。 直接应用陷波器可检测谐波信号，但在设计陷波器检测基波频率时，往往设计的阶数很 高，且相位偏差很大，设计困难。因此，对非稳态谐波信号的检测是应用低通滤波器去 检测的。 文献 1 3 】、 1 4 】中采样定理提出采样频率必须大于或等于模拟信号的最高频率无的2 倍。为了确保采样过程中不会产生混叠现象，必须加适当的滤波器对模拟信号进行预处 理，将频率分量大于0 5f 的高频成分滤除，在进行数字信号处理前，模拟信号应该采 用过采样的方式处理，一般选择的采样频率是检测最高次信号频率的3 4 倍，本装置中 选择的过采样频率为厶砘= 8 k h z ，它是最高次谐波( 5 0 次) 的3 2 倍，满足过采样技术 的要求。 3 2 数字低通滤波器 抗混叠模拟滤波器是前向模拟通道的重要部分。没有它，采集进来的数字序列进行 f f t 运算时会出现混叠现象，在本装置设计中，除了设计a d 前端的模拟滤波器外，在 稳态谐波信号检测算法中还应用了数字滤波技术，以提高谐波检测的精度和减小混叠频 谱混叠效应。 数字滤波器与模拟滤波器相比，有以下优点【l5 j ： 数字滤波器的频率特性容易控制，性能指标优良； 数字滤波器可在极低的频率进行滤波，也可以设计模拟滤波器难以实现的线性 相系统； 数字滤波器的滤波特性稳定，一致性好，一般不会受到外部环境的影响； 数字滤波器可以通过编程随时修改或调整滤波器的特性，设计周期短。 数字滤波器是一个l t i ( 线性时不变) 系统，其数学模型可用z 域系统函数h ( z ) 表示如式 3 1 所示： 1 4 数字滤波器一般包括两种，即f i r ( 有限冲击响应数字滤波器) 和i i r ( 无限冲击响应数字 滤波器) 。 3 2 1f i r 数字滤波器简介 f i r 滤波器的差分方