（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的便携式电能质量监测仪的研究与设计.pdf

基于o s p 的便携式电能质鼍龄测仪的研究与设计 a b s t r a c t w i t ht h es o a r i n go fe l e c t r i z a t i o na n dt h ei n c r e a s i n gc o n s u m p t i o no fe l e c t r i c i t y , t h e p o w e rq u a l i t y ( p q ) h a sb e c o m es oc o m p l i c a t e dt h a ts o l v i n gt h er e l a t e di s s u e sr e q u i r e s t om o n i t o ra n dt or e c o r dc o r r e c t l yo np qi nt h es t e a d y s t a t ep a r a m e t e r si nt h ep o w e r d i s t r i b u t i o ns y s t e mt oi d e n t i f ya n dt oa n a l y z et h ec o l l e c t e dd a t ai nt h et r a n s i e n ts t a t e d i s t u r b a n c e f o c u s i n go nw o r k i n gp e r s o n n e lo ft h ea d m i n i s t r a t i v ed e p a r t m e n to fe l e c t r i cp o w e r , t h i s p a p e rd e s i g n sap o r t a b l ep o w e rq u a l i t ym o n i t o rw i t hs t e a d y , t r a n s i e n tp o w e rq u a l i t y p a r a m e t e r s ，c o m b i n i n gt h et w oo fh i g hi n t e g r a t i o no fa r m a n dd s p c h i p s a st h ec o r e t h eh a r d w a r ei sb a s e do ud s pf o ras p e c i a ld a t ac o l l e c t i o n ，u n i tp r o c e s s i n g ；f o r s t a t i o n a r ys i g n a l ，i tc h o o s e sw i n d o wi n t e r p o l a t i o na n a l y s i sf o r t h ef o u r i e rt r a n s f o r m ；f o r t r a n s i e n td i s t u r b a n c e ，i tc h o o s e sd i f f e r e n tw a v e l e tp r e c i s ea n a l y s i so ft h ea m p l i t u d e ， f r e q u e n c y , a n dr e c o r di t sa c c u r a t es t a r t i n ga n dt e r m i n a t i o nm o m e n t so ft h ed i s t u r b a n c e s i g n a l ；a l s ob a s e do nt h ea r m ，e x c e p tm o n i t o r i n gd a t ap r o c e s s i n g ，i td e s i g n so t h e ru n i t s ， w h i c hi nc h a r g eo ft h ew h o l em o n i t o r , m a i n l yr e a l i z e st h ed i s p l a y , k e y b o a r d ，a n dd a t a t r a n s f e rf u n c t i o no f h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n f o rt h ed e s i g no ft h es o f t w a r e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ew r i t i n go ft h ef u n c t i o nm o d u l e s o fs u b r o u t i n e si nd s pa n da r m ，i n c l u d i n go n e p a r tp r o g r a m m i n ga l g o r i t h ma d o p t st h e a d v a n c e dl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g ea sf a ra sp o s s i b l et oi m p r o v et h ee x e c u t a b l e c o d e f i n a l l y ，t h i sp a p e ru s e st h ed a t aa n a l y s i sa n do t h e rm e t h o d st os i m u l a t ei nm a t l a ba n d c c s ，t h r o u g ht h es e c o n dc h a p t e ro ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h er e s u l t st h r o u g hf i f t h c h a p t e ro ft h es i m u l a t i o nv e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h m k e yw o r d ：p o r t a b l e ；p o w e rq u a l i t y ；w i n d o wi n t e r p o l a t i o na n a l y s i sf 骶w a v e l e t 硕十学位论文 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 插图索引 系统原理框图2 4 电压信号检测原理图2 4 电流信号检测原理图2 5 信号偏置电路原理图2 6 抗混叠滤波设计原理图2 7 a d s 8 3 6 4 与c 5 4 0 9 连接电路图2 8 锁相环工作原理图2 9 c d 4 0 4 6 引脚图2 9 锁相环电路原理图。3 0 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 原理图。3 1 d s l 2 c 8 8 7 时钟芯片原理图3 2 a r m s 3 c 2 4 1 0 原理图3 3 d s p 与a r m 通信原理框图。3 4 f l a s hk 9 f 5 6 0 8 与a r m 连接电路原理图3 5 l c d 工作原理图3 6 p d i u s b l 2 与$ 3 c 2 4 1 0 接口电路原理图3 7 电源电路原理图3 8 实验平台示意图4 1 软件主流程图。4 2 a d 转换流程图4 3 稳态电能质量指标计算流程图4 4 动态电能质量指标检测流程图4 6 a r m 主流程图4 8 数据传输中断服务程序流程图5 1 输入信号5 8 信号的3 层分解5 8 信号重构5 9 输入信号与消噪结果5 9 输入信号6 0 d b 4 的4 层分解检测第一类间断点6 0 d b l 的第二类间断点检测6 1 电压骤升检测6 1 电压骤降检测6 2 电压中断检测6 2 i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 储答名：1 溉 醐p 哗钥蛐 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，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。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： 1 仳 伽男 日期：矽，啕三月8 日 日期：拗旷年6 月o o 日 硕十学位论文 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 电能，定义为一种经济实用、易于传输、转换、控制且清洁方便的能源形式； 质量，对产品或服务的总体特征和特性的描述，并基于此能力来满足明确或 隐含的需要。将这二者的定义联系起来，则是自从电力部门将电能这种特殊的 商品引入市场化管理以来供用电双方一直高度关注的对象电能质量。 长期以来，人们习惯的把电能质量与供电的可靠性相提并论，这是由于以往 的电力负荷多为线性、对电磁干扰敏感度低的负荷，如照明、电动机等，数量和 功率均有限的电子设备被忽略不计。因为这些传统负荷设备对短时间的电压变化 基本没有反应，所以多用供电可靠率和每户年均停电次数等指标来评价和计算电 能质量。随着工业规模的扩大以及科学技术的发展，电气化程度越来越高，用电 量与日俱增，越来越多的用户采用了性能好、效率高但对电源特性变化敏感度也 高的新设备，根据敏感度及其带来的经济上的损失、社会影响等因素，将负荷分 为了三类：普通负荷( c o m m o nl o a d ) 、敏感负荷( s e n s i t i v el o a d ) 和重要负荷 ( c r i t i c a ll o a d ) ，后两类负荷的大量接入，使得电网里偶尔微乎其微的一次电压扰 动、暂降、特性的变化都可能影响到整个控制系统的正常工作n ，。同时，这些新型 的电气设备在其运行过程中也会将其工作时产生的电磁干扰反馈到电力系统中， 例如交流电机变速驱动装置、大容量并联电容补偿装置、带有功率冲击性、波动 性、非线性的负荷接入电网后都会导致电力系统电能质量的污染。 电能质量问题正随着电力系统构成的变化、多样性而日趋复杂，同样也需要 随着电力系统的完善而逐步化解。解决这个问题的前提首先需要对电能质量污染 有一个较为全面的认识，进行详尽的划分与归类：其次，既要能对平稳运行电网 中电能质量稳态参数按各项计算方法进行准确的监测、记录，与各项质量指标比 对、分析，也要能对电网中多种暂态扰动信息迅速识别、提取，单独分析；最后 依据监测、分析的结果进一步完善或制定电能质量的相关标准，为确定治理电能 质量污染的措施提供准确的依据。 1 2 电能质量检测与分析的发展现状 电能质量检测与分析的发展集中在三个方面，一是对电能质量标准的划定不 断深入细致，各项参数的测量精度要求在不断提高：二是电能质量的检测手段随 着电子技术的发展不断多样化，检测的采样精度、信息辨识、数据保存技术有了 大的飞跃，检测系统的总体构成方式也按被测主要对象的变化而侧重点不同，功 能日趋完善；第三点，也是比较重要的一点，数据的分析能力越来越强，分析方 基于d s p 的便携式电能质晕临测仪的研究与设计 法越来越多，效果越来越好。下面从这三个方面对国外、国内的发展现状做简单 的叙述。 在国外，电能质量的分析与研究起步比较早，欧洲电工标准化委员会在1 9 9 2 年的7 月发布了公用配电系统的供电特性( 草案) ，该草案广泛吸收了i e c 标 准，对中、低压配电系统中的用户供电端的电能质量问题作出了系统和全面的规 定，其中包括的内容有电压频率、电压偏差、暂态过电压、电压不平衡、电压波 动及闪变、短时和长期停电、电压波形以及电源的信号电压等圆。美国e p r i 于1 9 9 5 年在全国范围内进行了多次大规模的电能质量普查，这也为标准的制定积累了大 量的电能质量参数方面的数据。到了1 9 9 6 年，i e e e 将每年召开一次的电力谐波国 际学术会议( i c h p s ) 更名为电力谐波与电能质量学术会议( i c h q p ) ，这也把电 能质量的认识提高到了另一个新的高度。随着电气化程度的提高和负载类型的增 加，越来越多的工业发达国家逐步制定、颁布并实旌了适合本国的电能质量系列 标准，各国制定的这种种电能质量标准也正在与国际权威专业委员会推荐的标准 和一系列的规定相接轨，逐步实现标准的全球统一与日臻完善。截止目前，各国 通用的电能质量相关标准主要有国际电工委员会( i e c ) 标准、欧盟e n 5 0 1 6 0 标 准以及美国i e e e 标准1 。 监测技术发展方面，重点集中在了电能质量监测仪器和设备的研制及监测系 统的构建上，国际上越来越多的国家采用了先进硬件技术，针对各种电能质量问 题研发并生产了专业的检测分析仪器或系统，目前较为知名的有以色列研制的电 能质量监测系统，分为在线监测、便携式两种，参数分析功能由基于p c 机的上层 软件实现。在美国比较有影响力的是f l u k e 的f 4 3 手持式电能质量分析仪和r e l i a b l e p o w e r m e t e r 品牌的电能质量记录仪，还有德国m e t r e l 的2 3 9 2 手持式电力分析仪， 瑞典u p 2 2 1 0 在线式电能质量监测仪，加拿大p o w e rm e a s u r e m e n t 公司的电能质量 在线监测系统等等。这些具有高集成度、高可靠性、智能化和网络化的电能质量 监测仪器或检测系统具有检测精度高、检测指标多、功能丰富等优点，既可对电 能质量参数进行在线实时测量、显示，也可对这些参数按天、按月进行累计后加 以分析，有基于p c 机上层软件的系统基本都具备了谐波分析功能。但受制于电子 元器件的价格、集成度，大部分产品仍然存在构成复杂、价格昂贵无法大范围的 推广使用等问题。 数据处理及分析方面，网络技术以及各种数学方法的提升与普及应用使得参 数的分析越来越趋于细致化，从单一的傅立叶变换到加窗傅立叶变换，有些还将 人工神经网络应用于谐波分析，或将各种小波变换技术用于暂态扰动信号的检测， 这样一来，克服了传统分析手段匮乏的缺陷，提高了分析结果的精度h 3 。但由于这 些数据的处理分析较复杂，运算量大，大多数系统仍是依赖于上位p c 机的软件进 行，计算精度虽然高，但基本无法在基础设施不完善的配电站以及更低一级数量 2 硕十学位论文 曼曼曼曼曼曼! ! 曼! ! 曼曼曼! 舅曼! 曼! 曼曼曼曼皇曼! i i = l i =。i 曼曼鼍曼毫舞皇曼舅曼皇曼蔓皇曼皇曼曼皇曼蔓曼曼曼曼皇! 曼曼曼蔓! 毫 众多的电力用户中充分应用。 在国内，我国也相继出台了适应于本国供用电环境电能质量的一系列标准， 而且这些标准仍在不断的修订和完善中，以此来适应我国大规模电力系统的迅速 发展和复杂变化晦儿引。截止2 0 0 9 年底，我国在结合国内外的研究成果和实际情况 的基础上，对本国的电能质量相关标准进行了多次的修改、细化( 最新标准及详 细分类参考第二章叙述) ，但现状是从整体上来看，电能质量标准还远不够完善， 跟不上本国电力系统的升级速度，其科学性、可操作性和指标的划分原则与标定 还有待提高。另一方面，国际上对电压暂降和短时中断等暂态电能质量问题尚无 统一的规范和标准，但由于问题的突出性使得很多科研人员对其预测计算和相关 的技术措施正在做大量深入的研究，而这些电能质量研究前沿方向的工作，我国 处在刚起步的阶段，进一步完善和制定全面的电能质量国家标准需要做大量的工 作。 国内致力于电能质量产品研究的企业较多，仅保定一个市小有规模的厂家就 有数十个，北京、深圳、上海等地更是不胜列举，上海宝钢安大电能质量有限公 司是国内对电能质量产品开发较有成果的一家企业，其研制的一系列产品如p q l 0 2 电力谐波分析仪、p q l 6 1 电能质量分析仪、p q l 0 6 电能质量远程监测仪、p q i 电力 设备状态监测系统等成功的在冶金、卫星发射实验基地及小规模的市、区、县电 力系统中得到了应用。从总体来看，目前国内广泛采用的还是较为传统的电压质 量检测模式，电压、电流、频率分别都选用各自的检测装置，采用集中抄送方式 收集数据，对于谐波和电压波动、闪变的测量则用便携式测量仪器，然后对测量 到的数据进行人工汇总、上位机统计分析，最后对两方面得到的数据进行总结， 依此来综合评估电网的电能质量水平。这种电能质量监测手段和管理模式存在实 时性差、测量指标分散、效率低等滞后性。 从监测方式以及系统构成的角度来说，随着数字信号处理( d s p ) 技术的迅速 发展和应用，采用数字化方式检测、实时分析电能质量多种参数已成为现今和未 来电能检测技术发展的一个新方向。而目前能够用于电能质量分析的处理器更新 速度很快，不同的用户对电能质量中的指标测量精度、侧重点要求不尽相同，如 果能有一只表可以代替以前的若干只测量仪表，而且用软件升级的办法就能实现 产品的升级的话，将给电能质量的测定以及污染的及时治理带来极大的方便。所 以，采用性能好集成度高速度快的处理器，加以软件的方法实现功能的扩展与产 品的升级，是电能质量检测的发展趋势。目前，电能质量分析仪的传统设计方案 大多采用的是工业计算机配备数据采集卡的方式来实现口】【引，此方法多用于大中型 发电、配电站，主要针对稳态指标的长期在线监测，由于采集卡的分散导致系统 中各参数采集的实时性难以保证，智能化和网络化水平也不是很高。总结了一下， 这些监测设备主要存在以下一些不足：由于采用p c 机作为现场监测数据的分析 3 基于d s p 的便携式电能质量监测仪的研究与设计 工具，导致系统架构的成本偏高且应用场合很受限；往往只能用于特定的电网 环境下，需要特定的人员操作，譬如大型发电站、变电所，设备配置的灵活性和 通用性变差；远程通信能力有限，要实现远程监控、数据共享、电网的总体评 估和预测，变得比较困难；最为重要的是实时性比较差，用于现场测定的仪器 或仪表时频分析手段还比较落后，且多数的设备不具备对瞬时扰动和暂态谐波的 跟踪、捕获能力；多数采集设备不具备参数实时分析能力，大量采样的数据都 需要传送给专门的上层分析软件去处理，这样的分析方法在精度上虽然能做的比 较好，但工作效率却下降了很多。 从监测仪的设计角度讲，针对目前现有的发展现状也有几点需要改进的方面t 电力信号的频率是不断变化的，在电能监测装置采样过程中由于采样同步误差 的影响，很多监测仪仅仅选择快速傅立叶变换，存在了频谱泄漏，影响测量和分 析的精度，如何选择更好的数据提取、分析方式，减少频谱泄漏是提高谐波测量 和电能质量监测的精度主要解决的问题；对于小型监测装置，数据采集、分析 处理和运算量比较大，c p u 还需要控制外围设备以及处理其他一些任务，单c p u 的系统结构无法保证实时连续不问断采样，且采样过程中断会导致部分数据丢失， 对频率跟踪也会产生影响，不利于获得较高的测量精度；电能质量监测工作不 再是只停留在发电厂、变电站、供电公司这样的大型输变电场所，更需要对工厂 生产、民用生活用电进行监测和管理，为了方便工作人员及时获取精确的数据， 提高工作效率，监测仪的设计应该在保证更高的测量精度基础上功能更完善，为 解决中低压环境下电能质量的污染治理问题提供有力依据。 1 3 本文的主要内容 本文围绕“电能质量监测”这一课题，系统地学习了最新修订的电能质量标 准，研究了各个参数的多种测定方式、计算方法，查阅多种谐波分析算法，学习 了与电能质量相关的方方面面的知识，大量的参考了目前电能质量监测科研领域 的各种先进方法、论述和专著，在这些工作的基础上，提出了适合本课题的基于 d s p 的谐波检测与分析、暂态电能质量参数的计算与评定方法。主要作了以下几 方面的工作： ( 1 ) 对电能质量标准中提到的几大参数逐一进行较为精确的测定。有针对性 的选择了常用八个指标做为主要研究对象，从分析电网构成与标准要求入手，选 取最新硬件电路资料，设计本着检测精确度完全满足或高于标准中的要求为原则 展开。 ( 2 ) 研究了以a r m 与d s p 相结合的方式实现数据的采集、分析、以及其他 输出功能。根据收集掌握的材料，目前已歼发研制的测量仪或系统大都是以上层 p c 机作为数据处理终端，不便于随时使用，更不便于携带检测，处理突发事件。 4 硕+ 学位论文 所以本课题在保证测量高精度的基础上，选用新型器件与软件编制相结合的手段 提高测量仪器的集成度。用d s p 做为数据处理单元，针对平稳信号，选用加窗差 值傅立叶变换对整个时间过程中的变化情况予以分析，针对暂态中不同的扰动状 态，选用小波变换分析得到了精确的幅值、频率，并且检测出扰动准确的发生和 终止时刻。其次，用集成度、可靠性、输入输出功能都较为完备的a r m 做为外围 单元，负责整个测量仪的除数据处理外的全部工作，实现了显示、键盘操作、数 据传递等人机交互功能。 ( 3 ) 深入研究了快速傅立叶变换( f 田、短时傅立叶变换( s 耵唧、小波变换、 s 变换、加窗的n 叮等等多种算法，针对稳态、暂态的电能质量数据的特点选用 了不同的算法，并在m a t a l a b 或者d s p 实验平台上予以仿真和验证。 论文内容提要： 第一章中简要介绍了本课题的研究目的、国内外研究现状、意义，本课题的 主要研究内容。 第二章里首先对电能质量的相关标准予以概述，然后针对本课题涉及到的检 测参数的提取与计算作出详细介绍，重点陈述本课题针对稳态、暂态两类参数提 出的计算方法。 第三章对基于d s p 和a r m 的监测仪硬件电路构成的研究与设计进行了阐述。 将硬件电路的设计分为两大部分，基于d s p 的数据采集、分析单元和基于a r m 的显示、存储、传输等人机交互单元，给出了电路原理图并对每一模块的设计思 路作出详尽说明。 第四章为系统软件设计部分。系统软件主要包括三大组成部分：数据采集和 处理部分、数据传递部分、人机交互部分的研究与设计。介绍了软件的整体设计 思路，重点陈述了数据采集与分析部分的算法编译程序、d s p 与a r m 间数据传递 程序等部分。 第五章主要对本设计中提到的目前应用在电能质量分析方面的算法在m a t l a b 中予以仿真，通过第二章中的理论描述和本章的仿真分析来说明本课题采用的针 对各项参数的算法是精确度完全满足要求，且易于在d s p 中实现。 结论与展望部分综述了论文所做的工作，重点指出了几方面本课题还需进一 步解决的问题。 5 基于d s p 的便携式电能质鼍监测仪的研究与设计 第2 章电能质量参数的测量与计算方法 2 1 电能质量标准 从上世纪8 0 年代开始，电网负荷结构发生了很大的变化，电能质量问题日益 突出，我国标准主管部门将制定电能质量系列标准做为了重点项目。首先引进了 i e c6 1 0 0 0 系列的先进国际标准，有了这一参考值，便可以采用适当的方法和裕度 来确定干扰源发射限值、电网电能质量标准以及电气设备的抗扰限值。美国在电 能质量领域标准化工作方面涉及面较广，与i e c6 1 0 0 0 系列标准在内容上形成一定 的互补性，针对敏感负荷供电发布了多项标准，对电能质量测量也给予了相当的 关注，对谐波标准补充了实施导则，对主要的电能质量改善措施也制定了规程和 导则，包括电能质量术语、分析和关键的理论问题也详细制定了一些导则和标准。 至2 0 0 9 年底，我国在广泛收集上述资料和信息的基础上结合本国实际已由国内标 准化技术委员会及相关行业标委会组织多次制定和完善了电能质量方面的标准， 目前，最近一次的新标准主要有以下几类脚： ( 1 ) 、“电能质量指标”国家标准7 项： 供电电压偏差g b t1 2 3 2 5 2 0 0 8 ； 电压波动和闪变g b t1 2 3 2 6 2 0 0 8 ； 公用电网谐波g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 ； 三相电压不平衡g b t1 5 5 4 3 2 0 0 8 ； 暂时过电压和瞬态过电压g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 ； 电力系统频率偏差g b t1 5 9 4 5 2 0 0 8 ； 公用电网间谐波( 报批稿) 。 ( 2 ) 、“电能质量测量 国家标准1 项： 电能质量监测设备通用要求g b t1 9 8 6 2 2 0 0 5 。 ( 3 ) 、电能质量相关设备的国家标准1 项： 半导体变流器与供电系统的兼容及干扰防护导则g b t1 0 2 3 6 2 0 0 6 。 ( 4 ) 、“电能质量治理设备( 装置) ”国家标准3 项： 静止型无功功率补偿装置( s v c ) 现场试验g b f r2 0 2 9 7 2 0 0 6 ： 静止型无功功率补偿装置( s v c ) 功能特性g b t2 0 2 9 8 2 0 0 6 ： 输配电系统静止无功补偿器用晶闸管阀的试验( 报批稿) 。 ( 5 ) 、“电能质量”行业标准有1 0 项： 高压静止无功补偿装置d 叩1 0 1 0 1 - 1 0 1 0 5 2 0 0 6 ； 电能质量测试分析仪检定规程d 阴1 0 2 8 2 0 0 6 ； 电能质量技术监督规程d 坍1 0 5 3 2 0 0 7 ； 电能质量术语( 报批稿) ； 6 硕士学位论文 曼曼! 曼曼曼皇! 蔓! 曼曼曼! 曼! ! ! 曼曼! 曼曼e li ；：一 i i i_ i i ! 曼! ! ! ! ! 鼍 电能质量监测装置运行规程( 报批稿) ； 电能质量监测装置技术规程( 送审稿) ； 串联电容器补偿装置一次设备预防性试验规程( 送审稿) ； 串联电容器补偿装置控制保护系统现场检验规程( 送审稿) ； 低压有源电力滤波装置( 征求意见稿) ； 链式s t a t c o m 系列标准( 制定中) ； 以上这些指标中，1 2 项国家标准中有4 项是2 0 0 8 年修订的，修订的宗旨是要 全面提高标准的科学性、实用性和可操作性，做到既向国际先进标准靠拢、又符 合我国国情。其余国家标准中，公用电网问谐波标准( 报批稿) 已于2 0 0 9 年年 初完成，公用电网谐波标准修订工作预计2 0 1 0 年初完成。本课题在研究过程 中随时关注最新的标准动态，紧密围绕标准中对电能质量各指标的要求，包括测 量方式、测量方法、测量精度、计算标准，对每一个被测量力求做到符合或者略 高于标准要求。 2 2 稳态电能质量指标 2 2 1 供电电压偏差 1 、电压偏差的定义 电压是电能质量的基本指标之一，其中电压偏差是衡量供电系统正常运行与 否的一项主要指标。电压偏差定义为正常运行方式下，系统中某一节点的实际电 压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差n 们，即 6 u ：。u s - u x 1 0 0 u v ( 2 1 ) 其中 6 【，一电压偏差 c 一实测电压 乩一标称电压 通过对电压偏差的计算，确定偏差值是否在允许范围内，国标中规定的电压 偏差允许值见下表2 1 表2 - 1 不同电压等级下电压偏差允许值 电压等级上限允许偏差下限允许偏差 3 5 k v + 1 0 1 0 l o k v+ 7 7 2 2 0 v+ 7 7 2 、电压偏差的测量与计算 在交流采样方式下，如果输入信号含有谐波分量，不同的计算方法对谐波存 7 基于d s p 的便携式电能质黾峪洲仪的研究与设计 在状态的反映也会不同，其中，有的算法是预先假定输入信号为纯正波导出，但 谐波的存在必然导致计算误差，有的算法则是对提取到的信号先进行谐波信号的 滤除，然后用基波结果代替实际计算结果，此做法由于选用的滤除方式不同也会 有计算误差。 电压、电流的真有效值为： u = f 吼渺 ， 1 2 拄f 坪渺 ( 2 2 ) 有功功率为： p 。瓤“( f y ( f ) 出 ( 2 对各信号进行离散化，即 u = 际- - u 2 三相总有功功率为 一际- - i 2 ， p ；手孙， 眩4 ， p = 亭( ( 。) ( 。) + h 聊) f 聊) + m c o ) f c ( 。) ) ( 2 5 ) 视在功率为 s = u a i a + u b i b + u c i c ( 2 6 ) 功率因数为 c o s 妒一詈 眨7 ， 以上计算公式是由各参量的定义得出的，与被采样的电压、电流信号的频率 无关，因此，无论采集到的信号是否为标准的5 0 h z 的正弦交流信号，或是否为叠 加了高次谐波的非正弦周期信号，运算都能得到准确的结果n 。 最后，通过对所监测电压超出上、下限的累计时间和总的电压检测时i 日- j 来计 算电压合格率，可判断出电压是否达标，较为直观，这对本监测仪表的主要适用 对象中低压用电用户电能质量的评价有关键作用。 电压合格率计算公式： 电压合格率( ) = ( - 一芸譬器) 。0 9 6 电压超上限率( ) = ( 1 一詈主搿) 1 。 电压超下限率( ) = ( 1 一鼍篆勰) 1 。o 2 2 2 电力系统频率偏差 1 、频率偏差的定义 频率做为电能质量中的重要指标，在系统负荷特别是发电厂厂用电负荷中对 8 硕十学位论文 频率的要求非常严格，要保证用户和发电厂的正常运行就必须严格控制系统频率。 频率偏差的定义为电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值的差 称之为系统的频率偏差n 幻，即 ；氏一， ( 2 8 ) 2 、频率偏差的测量与计算 通常所采用的频率测量方法有周期法、解析法、误差最小化原理算法、f f r 算法及其改进算法、正交调制等n 劓。本文采用周期法，即通过c p u 定时器的控制 来测量两个电压正向过零点之间的时间长度来实现，由于采集到的电压信号是经 过低通滤波处理之后的信号，所以不需要担心电压信号过零时噪声对过零正确判 断的影响。系统的频率表达式为： 厂2 瓦1 ( 2 9 ) 其中n 为电压信号两次正向过0 区间内定时器溢出次数，t 0 为定时器工作周期 最终的频率偏差值的确定方法采用了欧洲发电联盟推荐的方法来进行统计分 析，从概率统计的角度来考虑，将f 视为随机变量，他的数学期望值为标称频率f n ， 用i f - f n l 或( f - f n ) ：来衡量f 与f n 的靠近程度，用均方差来表示两者的离散程度，即 a = 瓯而 1 1 为参与计算的频率样本数，每秒采样一次，每1 0 分钟计算一次 2 2 3 电压三相不平衡 ( 2 1 0 ) 1 、电压不平衡度的定义 在理想的三相交流电力系统中，三相电压应有同样的数值，且按a 、b 、c 顺 序互成1 2 0 。角，这样的系统为平衡或对称系统。不平衡因素被归结为事故性、正 常性两类，事故性的不平衡是由于三相系统中某一相或两相出现故障所致，例如 一相或两相断线、单相接地故障等，这种不平衡一般由继电保护自动装置切除故 障，正常性的不平衡则是由系统三相元件或负荷不对称引起的。当三相电源电压 发生畸变、出现不对称的情况时，对于三相四线制的电路，电路中除含有谐波分 量外，也会含有正序、负序、零序分量。若是在三相三线制供电系统，则只含有 正、负序分量。参照标准中对不平衡度的定义，这种偏差可以用负序分量均方根 值与正序分量均方根值之比来表示n 射，即 勺4 瓦u lx 1 0 0 ，f ，。a ，2 l 。畅 ( 2 1 1 ) 其中u l 、u 2 为电压正、负序分量的均方根值，1 1 、i ：为电流正、负序分量的均方根值。 2 、电压不平衡度的测量 9 基1 二d s p 的便携式电能质龉临测仪的研究与设计 曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼量! ! ! ! 曼_ im 一_i i 曼罡皇曼! 曼曼曼曼曼曼! ! 曼! ! ! ! ! 曼! 蔓! ! ! 曼曼! 鼍曼! ! 曼! ! ! 曼曼曼! 曼! 曼曼曼! 鼍曼! 曼 在实际测量中，对于不含零序分量的三相系统，可在知道三相电量值的基础 上计算不平衡度。已知三相电量为a 、b 、c ，由下式可得 扣生磐丝1 0 0 1 十3 6 卢 ( 2 1 2 ) 其中 r ，兰 尸 似2 + b 2 + c 2 ) 2 不平衡度的统计分析则按照每3 s 均方根取值， 用下式进行计算，即 c ：一 扣去 2 2 4 谐波、间谐波的检测与分析方法 ( 2 1 3 ) 对于离散采样的测量仪器，采 ( 2 1 4 ) 在电能质量谐波分析的领域中，目前主要采用的算法有快速傅立叶变换 ( f f t ) 、短时傅立叶变换( s n 可) 、小波变换等。各种算法都存在各自优缺点， 不同的电能质量指标的检测与分析需要选用不同的算法来实现。在谐波分析中存 在频谱混叠、频谱泄漏、栅栏效应这三个主要问题，所以对谐波、间谐波的检测 和度量问题的研究主要集中在了如何解决好这三个问题上。傅立叶变换算法是分 析谐波的主要工具，然而该方法在信号中含有间谐波的情况下很难实现信号的同 步采样，使得分析时存在严重的频谱泄漏，导致结果有较大误差n 引。针对傅立叶 变换存在的问题，本课题选用了快速傅立叶变换的同时又利用加汉宁窗函数和双 峰插值修正的方法进行谐波分析，此方法的优点在于容易在d s p 中实现，且能够 减少检测周期，提高实时性，尤其适用于小型在线检测端或手持式装置。本文在 最后一章将对这里提到的分析方法在m a t l a b 里逐一进行仿真、对比，证实本课题 采用的方法具有一定的准确、实用、快速的特点。 1 、定义 在电力系统中，希望得到的是交流电压和交流电流均为工频的正弦波形，以 正弦波电压为例，可表示为： u o ) = 4 2 us i n ( a ) t + 臼)( 2 1 5 ) 其中u 为电压的有效值，0 为初相角，为角频率，( i ) = 2 p f = 2 p t ，f 为频率，t 为 周期。正弦电压作用在线性元件上所产生的电流和电压仍为同频率的正弦波，但 当理想电压施加在某些非线性负荷上时，电流就会发生变化，这样的电流流经线 路会产生一定的压降，这个压降与原来的电压波形叠加后会使得原电压波形发生 畸变。 国际规定，定义周期性的电气量按傅立叶级数分解后得到的次数 1 的分量为 1 0 硕十学位论文 曼i i i i i _ ie l ：曼曼皇曼蔓曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼! 曼! 曼鼍 电网谐波，其余非整数倍的则为间谐波。将电网中的电气量近似的看做一个周期 函数，根据傅立叶级数的性质，若能满足狄里赫利条件，周期函数均可以在其周 期区间上展开为傅立叶级数，因此，可对电压函数在其周期 0 ，t 上展开为： “( f ) = 口。+ ( c o s ，l 研+ 吃s i n n w t ) = a + 4 ls i n o 耐+ ) ( 2 1 6 ) 其中 4 = 知“( t i l t ，= 知喇c o t d t ，吃；瓤啪s i n n w t d t ( 2 1 7 ) 4 = 2 + 屯2 ，吼= t a n d ( 2 1 8 ) 为信号中直流分量，a 1 为基波的幅值量，a n ( n 1 ) 为信号中所含有的n 次谐波的幅值量，n 为第n 次谐波的初相角。对于纯净的工频信号，a n ( n 1 ) 很小，但是电网中存在的谐波叠加会使该信号发生畸变，可采用以各次谐波含量 及谐波总量大小表示的下列波形畸变指标定量表示出畸变的程度： ( 1 ) 谐波含有率( h r ) ： h 次谐波分量的有效值( 或幅值) 与基波分量的有效值( 或幅值) 之比： 第h 次谐波电压含有率h r 阢；丛1 0 0 ( 2 1 9 ) ” k 第h 次谐波电流含有率h r h ，生1 0 0 ( 2 2 0 ) 一 j l ( 2 ) 总谐波畸变率t h d ： 谐波总量的有效值与基波分量的有效值之比： 一几一 谐波电压总量 l u ：2 + 以2 + + 2 + 。荟2 ( 2 2 1 ) 一_ 谐波电流总量 i ，z 2 + ，3 2 + + 厶2 + 。磊l 2 ( 2 2 2 ) 谐波电流总量 y 侵 ( 2 硼。；挚1 0 0 电压总畸变率 u - ( 2 2 3 ) 嗍，孕1 0 0 电流总畸变率 o - ( 2 2 4 ) 谐波的测量通常是通过利用谐波分析的方法求出信号的各次谐波( 电压或电 流) 的幅值和相角，然后由相应公式求出总谐波畸变率t h d 、谐波功率p h 以及谐 波阻抗z h n 引。 2 、谐波检测中存在的问题及解决方法 上文提到过，在选用f f r 进行谐波分析时，由于采样或者算法的精度问题， 会产生混叠现象、泄漏效应、栅栏效应等，从而影响f f t 的运算精度n ”。以下详 基于d s p 的便携式电能质锯监测仪的研究与设计 细介绍这三种现象以及本设计中采取的解决措施。 ( 1 ) 、频谱混叠 假定原信号的最高谐波频率为f c ，若采样频率能够满足& f c ，则能够得到 各次谐波对应的全部频谱，即采样定理。但当f x 2 f c 时，谐波频率最高仅能得到 f x 的l 2 ，& 2 被称为n y q u i s t 频率。由于频谱具有周期性，其它各周期中原有的 频率高于f ) 【2 的部分将混叠到该周期频率低于仅2 的部分中去，造成频谱混叠， 从而产生误差。如果采样频率越低，则产生的频谱混叠误差就会越大。防止此类 频谱混叠的有效方法可以是在采样前向通道中选用模拟器件构成抗混叠低通滤波 器，譬如，假定系统采样为每周期等间隔1 2 8 点，测量谐波最高次数就为6 3 次， 假定的基波频率为5 0 h z ，如果系统中可能出现的最高谐波频率为3 1 5 0 h z ，就将模 拟抗混叠低通滤波器的截止频率设定为3 1 5 0 h z ，这样以来保证了3 1 5 0 h z 以下频 率的信号成分不受干扰，也阻止了3 1 5 0 h z 以上频率的信号成分进入采样保持单元， 有效防止了频谱混叠现象的发生。 ( 2 ) 、频谱泄漏 假定采样过程是在一个有限的时段内进行，即对无限连续的周期信号设置观 测窗口，认定原信号与所测量信号一样，在做同周期变化，如果窗口采样不适当， 即窗口的宽度t w 与被测信号的周期t 无法匹配，则频谱除了含有原信号频率的分 量外，还会产生与原信号频率不一致的成分，即形成了频谱泄漏的误差。所以， 对于具有周期性的波形信号来说，只有当窗口的宽度t w 是被测信号周期t 的整数 倍时，就不会产生频谱泄漏误差，所得到的频谱才能是被测信号的真实谐波成分。 对于本课题的研究对象电网基波，其频谱泄漏产生主要是由于电网频率上下 波动引起的，因此，如果只是以固定的采样频率对信号进行采样，一旦电网频率 发生波动，采样频率无法与输入信号保持同步，产生了频谱泄漏。一般解决频谱 泄漏方法有两种：对周期信号作整周截取或增加观测窗口，后一种方法可以减少 由频谱泄漏造成的误差，长范围泄漏是由于信号截断造成的信号频谱旁瓣之间的 相互干扰，短范围泄漏是由于离散频谱的栅栏效应导致的信号峰值点观测上的偏 差，长范围泄漏通过加合适的窗函数加以抑止，短范围的泄漏通过插值算法进行 修正，本文采用的方法是对采样信号加h a n n i n g 窗后再通过插值修正的方法来抑 制频谱泄漏。另外，从硬件电路的角度分析，如果对周期性信号选用适当的硬件 电路实现信号的整周截取，即使采样的频率为被测信号频率的整数倍，也就是通 常所说的频率跟踪，这样可以使采样的频率随信号的频率变化而变化，这样以来， 采样频率与输入信号保持了同步，有效的抑制了频谱泄漏。 ( 3 ) 、栅栏效应 假定x 的离散傅立叶变化中，频域中各次谐波频率处的谱线为x ，如果