（计算机应用技术专业论文）基于dsp的电力参数测量研究.pdf

摘要 近年来，电能质量问题引起了电力部门和用户的高度重视。一方面由于大量 基于计算机系统的控制设备和精密仪器在国民生产中的广泛应用，它们对电能质 量的要求越来越高；另一方面由于大量电力电子变流系统以及非线性设备的广泛 应用，使得电网中电压、电流波形发生畸变，造成电能质量的严重恶化。一方面 是用户对电能质量要求的提高，另一方面却是电网电能质量的下降，它们之间的 矛盾日益尖锐。因此，为了提高电能质量，首先必须能够准确、完整的对电力参 数进行检测和分析。 本文通过研究电力参数的技术指标、测量和分析方法，结合当前电力参数检 测设备倾向安装于现场的永久性设备这一最新发展趋势，兼顾电力参数检测对于 系统的实时性和支持复杂算法的特殊要求，采用数字信号处理技术研制用于智能 低压配电系统的专用智能化电力参数在线检测设备。该设备同时可以作为整个电 能质量检测网络的底层节点，为上级网络管理层提供数据支持，设备具有在线检 测、实时性、支持复杂算法、远程通信和低成本的特点。 在系统设计部分，本文提出了一种基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的实时硬件系统 解决方案，并详细阐述了系统的硬件设计结构；结合硬件设计，介绍了软件系统 的模块化设计并对之进行了深入的研究。首先分析了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 信号处理器 的特点，然后介绍了系统的硬件框架结构以及各功能模块电路，包括电源模块、 最小系统模块、a d 采集模块。液晶显示模块等。在系统电磁兼容性设计方面， 从硬件和软件方面分别给出了详细的设计方案。在软件程序设计部分，使用了汇 编语言和c 语言混合编程方式，大大提高了编程效率又很好的兼顾了程序的执行 效率。软件设计部分详细介绍了各模块的实现，包括系统主程序、初始化、参数 计算程序等等，并且详细介绍了完成对电压、电流检测的三种实现方法：时域算 法，d f t 算法及f f t 算法。 在实验部分，进行了以上三种算法的验证性试验，实验结果表明本系统性能 良好，达到了设计要求。在误差分析部分，对误差的来源做了分析，并从系统的 硬件和软件角度提出了补偿办法。 关键词：d s p ；电力参数；电压测量；谐波分析；d f r ； f f t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep r o b l e m so fp o w e rq u a l i t yh a v ea t t a c h e dg r e a ta t t e n t i o nb y b o t hp o w e rs y s t e ma n dt h e i rc m t o m e r s o n eo fr e a s o n si st h a ta l a r g en u m b e ro ft h e c o n t r o le q u i p m e n ta n d p r e c i s i o ni n s t r u m e n t sa r ea p p l i e d w h i c ha r es e n s i t i v et op o w e r q u a l i t y t h eo t h e rr e a s o ni s t h a tt h ew i d ea p p l i c a t i o no fv a r i o u se q u i p m e n t so f e l e c t r o n i cc o n v e r t sa n dn o nl i n e a rs y s t e mm a k ev o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r l n d i s t o r t ，f u r t h e rr e s u l ti nas e r i o u sd e t e r i o r a t i o no fp o w e rq u a l i t y o nt h eo n eh a n dt h e u s e rd e m a n dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fe l e c t r i c i t y , o nt h eo t h e rh a n dt h eq u a l i t yo f e l c e t i c i t yi n c r e a s i n g l yd e c l i n e d ，t h ec o n t r o n d a t i o n sb e t w e e nt h e ma r eb e c o m i n gm o r e a n dm o r ea c u t e t h e r e f o r e , t oe n h a n c et h ep o w e rq u a l i t y , f i r s to fa 1 1 w em u s tt e s ta n d a n l y s i st h ep a r a m e t e r so fp o w e ra c c u r a t e l ya n dc o m p l e t e l y t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h et e c h n i c a li n d i c a t o r s m e a s u r e sa n da n a l y s i sm e t h o d so ft h e p o w e rp a r a m e r e r s ，c o m b i n i n gw i t ht h et e n d e c yo fe l c e c t r i c a ld e t e c t i o ne q u i p m e n t s w h i c hi si n c l i n et oi n s t a l li nt h ej o bs i t e 弱t h ep e r m a n e n te q u i p m e n t s ， c o n s i d e r i n gt h e s p e c i a ld e m a n do fr e a l - t i m ea n ds u p p o r t i n gc o m p l i c a t e da l g o r i t h m ，t h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gt e a c h n o l o g yw e r ea d o p t e dt od e v e l o pt h ei n t e l l i g e n tp a r a m e t e rd e t e c t i o n e q u i p m e n tf o rs m a r tl o w - v o t a g ed i s t r i b u t i o ns y s t e m ，t h i se q u i p m e n ti su s e da st h en o d e o fb o t t o ml a y e ro fw h o l em o n i t o r i n gn e t w o r ko ft h ep o w e rq u a l i t ya n dp r o v i d e sd a t a f o rt h ep a r e n tm a n a g i n gl a y e r 。n l i se q u i p m e n th a st h ec h a r a c t e r i s t i e so f0 1 1 1 i n ea n d r e a l - t i m ed e t e c t i o n ，s u p p o r t i n gc o m p l i c a t e da l g o r i t h m ，l o n gr a n gc o m m u n i c a t i o na n d l o wc o s t i nt h es e c t i o no fs y s t e md e s i g n ，t h ep a p e rp r e s e n t e dar e a - t i m eh a r d w a r es y s t e m s o l u t i o n sb a s e dl f 2 4 0 7 ad s p ，a n de l a b o r a t et h ed e s i g nm e t h o do fh a r d w a r es y s t e m a s o f t w a r em o d u a ld e s i g nw a si n t r o d u c e dw i t ht h ec o n c e r no ft h eh a r d w a r es y s t e m a r c h i t e c t u r e n l i s p a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed s p2 4 0 7 a p r o c e s s o r , t h e n ，d e s c r i b et h ef r a m e w o r ko fh a r d w a r es y s t e ma sw e l ia st h ed i f f e r e n t f u n c t i o n a lm o d u l ec i r c u i t s u c ha st h ep o w e rs u p p l ym o d u l e t h em i n i n l u ms y s t e m m o d u l e ，a dc o l l e c tm o d u l e ，l c dm o d u l ea n ds o0 n a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra l s e g a v et h es o l u t i o n so ft h ee m c ( e l e g m a g n i cc a p a c i t y ) d e s i g nw h i c hd e s c r i b ef r o mt h e h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g nt op r e v e n tt h ee m i ( e l a g m a g n i c ) i i lt h es e c t i o no f s o f t w a r ed e s i g n ，t h es o f t w a r ea d o p t e dt h em o d u l ed e s i g nm e t h o d s ，u s e dt h ea s s e m b l e r l a n g u a g ea n dcl a n g u a g et or e a l i z em i xp r o g r a m m i n g ，t h e s em e t h o d si m p r o v e dt h e e x e c u t i o ne f f i c i e n c y i nd e b u gp r o c e s s i n g ，t h es o t h a r ed e m o n s t r a t e de f f i c i e n c ya n d r o b u s t s p a p e r a l s od i s c u s s e dt h es o f t w a r em o d u l e s ，f o r e x a m p l e t h em a i n p r o c e d u r e ，d a t ac o l l e c tp r o c e d m e ，t h ec o m p u t a t i o np r o c e d u r ee t c i nt h i ss e c t i o n ，t h e p a p e ra l s ot h r e em e t h o d so ft e s t i n gt h ev o l t a g e i nt h es e c t i o no ft h ee x p e r i m e n t ，s o m ef u n c t i o ne x p e r i m e n th a v eb e e nd o n e 1 1 1 e i v e x p e r i m e n tr e s u l tp r o v e dt h a tt h ed e s i g nh a v eag o o dp e r f o r m a n c ea n dr e a c h e st h e e x p e c t i n gd e s i g nr e q u i r e m e n t ss u c c e s s f u l l y i nt h ee r r o ra n a l y s i s ，t h e s o u r c e so ft h e e r r o r sa r ea n a l y z e di nd e t a i l sa n ds o m ee r r o rc o m p e n s a t i o nm e t h o d sb a s e do i lh a r d w a r e o rs o f t w a r ea r ea l s oi n t r o d u c e d k e yw o r d s ：d s p ；e l e c t r o n i cp a r a m e t e r ；v o l t a g et e s t ；h a m o n i ca n a l y s i s ；d f t ；f f t ； v 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。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作品成果。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 结果由本人承担。 学位论文作者签名：失醋交日期：d 7 0 年4 - 月q 日 重庆交通大学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。本人授权重庆交通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人学位论文收录到中国学位论 文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网 络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：夫对强 指导教师签名：朱嘭儿 日期：山如年牛月上) e t日期：莎卅汐年垆月叫日 言嘉淼耄芎素乒酝言翥笏耋熟v 日期：必加年牛月土1 日日期渺年f 月 日 f 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 近年来，由于大量采用电力电子技术的工业设备和家用电气设备的应用，致 使电能质量恶化的现象越来越严重，由此引起电力部门、工业生产、人们生活多 方面的关注。有数据表明，用户最多的低压3 8 0 v 2 2 0 v 电网的电压合格率是最低 的。影响电能质量主要是电力网络上的电气干扰。网络上的干扰主要有电压跌落 和骤增、电压的谐波分量、过电压、电压波动、三相不平衡等，这些骚扰会造成 用户的负载或系统中的设备损坏。为了电力系统的安全运行，电力终端用户的安 全用电，以及达到电力设备的要求，更为了降低损耗，提高用电效率，改善电气 环境，增加国民经济总体效益，了解电能质量，改善电能质量是必不可少的。而 要想了解电能质量乃至改善电能质量，我们一方面要采取种种可能的技术措施， 抑制电能质量的恶化或进行负荷调整；另一方面我们还需要在供电系统中的特殊 点处装设监测装置来检测电网中的各个参数。只有准确、及时地检测电网中的各 个指标，对其分析、统计后才能找出电能质量方面存在的问题，分析其严重程度， 从而得出处理的方法。所以我们需要对多个电能质量指标进行监测，也需要在越 来越多的点安装监测仪，同时，还要研制一个放在监控中心的监测系统软件平台， 能对多个监测站点进行管理，对各项监测指标进行分析、统计、显示。所以，电 力参数的准确、快速测量对于实现电网调度自动化、保证电网安全与经济运行具 有十分重要的意义。 1 2 国内外研究动态 国际上电力参数测量技术大致经历了三个阶段：第一个阶段主要是对模拟量 进行测量；2 0 世纪5 0 年代以来，随着数字电子技术和微电子技术的发展，电力 参数测量技术涿渐向数字化方向发展，早期的模拟式点测试逐渐被数字式测试代 替，在这一阶段，以微计算机、独立操作系统、各种标准总线结构为特征，可互 相通讯、扩展式仪器和自动测试系统及相应测量技术得到快速发展，并逐步走向 成熟；第三阶段，即2 0 世纪8 0 年代以来，大规模集成电路技术一方面使得控制 芯片运算能力大大增强，另一方面使的芯片体积大幅度缩小，可以方便的植入仪 器内部，从而使电力参数测量系统性能和便利性得到了巨大的提高。 现阶段电能质量仪器的研究方面，高端市场主要被美国、瑞士、瑞典等电能 知名企业占据；他们的产品功能强大，能测量包括稳态、暂态在内的绝大部分参 2 一 第一章绪论 数，并且具有良好的存储、联网与图形显示功能；相对国外而言，国内对电力参 数检测的开发研制比较落后，大多数厂家采用的是单片机结构，在功能、实用化 等方面还是不够理想，还存在许多问题。 1 处理能力较差、可扩展存储空间较小、运算速度较慢，难以用精确严格的 算法进行大量的实时数据处理，不满足电力监测高实时性的要求； 2 电力系统中最常见微处理器包括5 1 系列和9 6 系列等控制型器件，但随着 电力系统对实时性、数据量和计算要求的高精度测量，这些器件在计算能力方面 已不能很好的适应电力系统的要求，使电力系统的高精度测量、实时监控和先进 算法的运用受到了限制； 3 有的产品虽然直接引进了国外的技术模块，功能较强，可是价格较高，且 不完全适合我国市场； 4 有的产品无通讯和控制输出功能，不能满足电力系统网络化、自动化的发 展方向； 5 人机交互性不好。 1 3 本论文主要内容 本文通过研究电力参数的概念和技术指标、测量和分析方法，结合当前电力 参数检测设备倾向安装于现场的永久性设备这一最新发展趋势，兼顾电力参数检 测对于系统的实时性和支持复杂算法的特殊要求，采用数字信号处理技术研制用 于智能低压配电系统的专用智能化电力参数在线检测设备。具体内容包含以下章 节： 第一章：为绪论，介绍了课题研究的意义及国内外的研究动态，并给出了论 文的主要内容。 第二章：电力参数参量的信号处理理论。一方面对电力参数的范围和测量技 术做了详细的论述；另一方面对信号处理的主要理论之一傅里叶变换做了具体的 介绍，并给出了相关理论在电力参数测量中的应用。同时从电网质量标准、电力 系统谐波的测量技术、频谱泄露及抑制方面对电力系统谐波做了系统的阐述。 第三章：电力参数实时测量系统的研究。本章为本论文的重点章节，从硬件 设计、软件设计、抗干扰性三方面对系统进行了探讨。具体内容包括： ( 1 ) 电力参数测量系统的硬件设计，包括d s p 芯片的选择、电源电路的设 计、存储芯片的设计、时钟电路的设计、j t a g 接口设计、液晶显示电路、上位 机通信电路设计，并给出了具体的原理图。 ( 2 ) 对系统的抗干扰性进行了初步的探讨，主要是从电源抗干扰设计、接地 第一章绪论 抗干扰设计、布线规则和屏蔽应用以及软件设计方面做了论述。 ( 3 ) 系统的软件设计：主要包括系统的软件流程图、各模块软件设计，包括 a d 采样模块、数字滤波器设计，并且给出了三种测量电压的算法：时域算法、 d f t 算法、f f t 算法。 第四章：电力参数实时测量系统的调试及分析。对系统的软件调试环境c c s v 2 做了简要的论述，结合开发板与实验室开发装置，给出了系统的硬件调试和系 统调试。同时利用装置进行了市电电压的采集，并对相关数据进行了误差分析和 补偿论述。 第五章为总结与展望。提出了进一步提高系统能力需要做的努力。 4 一 第二章电力参数测量的信号处理理论 第二章电力参数测量的信号处理理论 2 1 电力基本参数及其测量技术 电力参数的测量主要包括：电压有效值、电流有效值、视在功率、有功功率、 无功功率、功率因数、频率等。根据被采集信号方法的不同，交流电参量的采样 测量方法主要有两种：直流采样法和交流采样法。 直流采样法，即采集经过变送器整流后的直流量。此方法软件设计简单，计 算简便，对采样值只需做一次比例变换即可得到被测量的数值。同时，由于采样 的模拟量变化慢，采样频率比较低，对采集系统的硬件要求不高。例如，可采用 低速的模数转换芯片或不需保持电路等。由于这些特点，在微机引入电气测量的 初期，此方法得到广泛的应用。但是直流采样方法存在一些问题，如：测量准确度 直接受整流电路的准确度和稳定性的影响；整流电路参数调整困难，而且受波形因 数的影响较大等。目前，随着电网中非线性负责应用的增多，所产生的高次谐波 电流大量注入电网中，使得电网电压、电流波形发生了很大的畸变，这样以来， 采用直流采样方法就会带来较大的误差! 交流采样是按一定的规律对被测交流电气信号的瞬时值进行采样，获得用数 字量表示的离散时间采样序列，并通过对采样值序列进行数值分析计算获取被测 信号的信息。与直流采样相比，交流采样说用变送器只需将交流信号进行简单的 幅值变换，其价格低、体积小、反应快【l j 。 交流采样理论上可包含交流信号中的全部信息，因而可通过不同的算法获取 我们关心的多种信息( 如有效值、相位、谐波分量等) 。但它要求采样速率高，并 且测量结果必须通过一定的数值算法求出来，计算量相对较大，对微处理器的计 算速度要求较高。近年来，a d 转换芯片和微处理器芯片性能显著提高而价格大 幅度下降，为交流采样的普遍应用提供了有利得条件。目前，在电气信号检测包 括计算机监控等领域，交流采样已普遍取代直流采样，占有绝对的优势地位。本 文讨论的采样，均指交流采样 为了分析带有许多不同频率的复杂信号，过去的多年研究中提出了许多数学 算法，其中采用傅里叶级数对非正弦连续时间周期函数进行分析是谐波分析的最 基本方法。然而，需要在微处理器上再现它的数学步骤是很难做到的。因此，更 合理的处理方法是离散傅里叶变换( d f t ) 或者快速傅里叶变换( f f t ) ，且在实 际中他们具有可行性，应用也比较广泛。 第二章电力参数测量的信号处理理论 2 2 基于f f t 的电力基本参数测量技术 2 2 1 连续函数的傅里叶变换 设x ( f ) 为一连续非周期性时间信号，若它满足狄里赫利条件即： e i x ( ，) d ，l 2 5 2 ( i ) 1 3态过电压包括操 u 所 2 5 2 ( i i ) 1 4作过电压和雷击 1 1 0 及2 2 01 3 过电压； 3 5 6 6压 2 、工频过电压 暂 3 l o1 1 压 1 0 p u 2 时 过 注：l ：u 册指工频峰值电压 u 肘互谐振过 电 压 2 ：u 所 2 5 2 ( i ) 和u 席 2 5 2 ( ) 电压和操作过电 和 瞬 分别指线路断路器两侧变电所线路 1 0 p u = 态 励m | 矗； 过 3 ：操作过电压限值 电 压空载线合闸、单相重合闸、成功 3 、除统计过电压 的三相重合闸、非对称故障分闸及震 ( 不小于该值的 荡解列过电压限制 概率为0 0 2 ) 外， 电压等级( k v ) 过电压限值 凡未说明的操作 ( p u ) 过电压限值均为 5 0 02 0 最大操作过电压 3 3 02 2 ( 不小于该值的 概率为0 0 0 14 ) ； l l m 之5 03 0 第二章电力参数测量的信号处理理论 1 3 _ 一 指该过电压相对地统计操作过压4 、瞬态过电压还 对空载线路分闸 过电压、断路器 开端并联补偿装 置及变压器等过 电压限值做出了 规定。 g b l 2 3 2 5 1 9 9 0 供电电3 5 0 k v 及以上为正负偏差绝对值之和衡量点为供电产 压允许不超过1 0 权分界处或电能 偏差1 0 k v 及以上三相电压+ 7 计量点 2 2 0 v 单相供电为+ 7 ，1 0 g b12 3 2 6 2 0 0 0 电压波电压变动d 的限值和变动频率r 有关： l 、衡量点为公共 动和闪当r 1 0 0 0 h 一1 时，对于低压( l v )连接点p c c ； 变和中压( m v ) ，d - - 1 2 5 - 4 ；对于高压 2 、p 盯每次测量 ( h v ) d = 1 0 0 旷3 0 ：周期为1 0 m i n ， 系统电压等l vm v h v取实测9 5 概率 级 值：p h 每次测量 p 汀 1 0o 9 ( 1 o )0 8周期 g b1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 电压波 p 0 8o 7 ( 0 8 )0 6 动和闪括号中的值仅适用于所有用户为同电2 h ，不得超标；3 、 变 压等级场合；尸盯为短时间闪变值， 限值分三级处理 n 为长时间闪变值 原则 g b 厂r 1 4 5 4 9 1 9 9 3 公用电各级电网谐波电压限值( )l 、衡量点为 网谐波电压( k v )彻奇次偶p c c ，取实测 次9 5 概率值； 0 3 854 o2 02 、对用户允许产 6 1 0 4 3 21 6 生的谐波电流提 3 5 6 632 41 2 供计算方法。 1 1 021 6o 8 1 、2 2 0 k v 电网参照1 1 0 k v 执行 2 、表中t h d 为总谐波畸变率 g b 厂n 5 9 4 5 1 9 9 5 电力系l 、正常允许正负0 2 h z ，根据系统容对测量仪器提出 统频率量可以放宽到正负0 5 h z ；2 、用户冲 了基本要求 1 4 第二章电力参数测量的信号处理理论 允许偏击引起的频率变动一般不得超过正负 差 0 2 h z 。 g b 厂rl5 5 4 3 1 9 9 5 三相电正常允许2 ，短时不超过4 ；各级电压要求一 压允许每个用户一般不得超过1 3 。样 不平衡 度 2 3 2 电力系统的谐波及其测量技术 电力系统的谐波主要是因为电压波形发生畸变导致。谐波的主要来源总体来 说可以分为两大类，一类来自电力系统本身，主要是直流输电中的换流站、高磁 密的电力变压器和改善功率因数的s v c 组等；另一类则来自用户，主要有电气化 铁路、静止补偿电容、交直流整流设备、电弧炼钢炉等。 谐波的相关定义为： 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： 咿蜃 ( 2 4 2 ) 其中u | j i 是第h 次谐波电压。 谐波电流含量为： 驴辱 眨4 3 ， 其中，| i i 是第h 次谐波电流。 2 、谐波含有率( f i 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 0 w 百分数表示) 。第h 次谐波电压含有率为 h r 即瓷川晰 组4 4 ， 其中u l 为基波电压。 第h 次谐波电流含有率为： h r i 一= 鲁灯0 0 其中i - 为基波电流 第二章电力参数测量的信号处理理论 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： t d h i i = 业1 0 0 ( 2 4 5 ) u l 电流总谐波畸变率： r t d i i i = 丝1 0 0 ( 2 4 6 ) l 而当前谐波检测技术主要有以下几种： ( 1 ) 基于瞬时无功理论的谐波分析【1 5 】 三相电路瞬时无功理论首先于1 9 8 3 年由日本学者赤木泰文提出，赤木最早提 出的理论被称为p q 法。此后，该理论经不断研究涿渐完善。1 9 9 2 年西安交通大 学王兆安教授基于该理论提出了以瞬时有功电流z p 和瞬时无功电流厶为基础理 论体系，被称为z p - f g 法。这两种方法都能准确地测量对称的三相三线电路的谐 波值。f p 一厶法适用范围更广，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。而使用p - q 法测量电网电压畸变时谐波会存在较大误差。这两种 方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量的测量电路比较简单，并 且延时小。虽然因被测量的电流中谐波构成和采用滤波器的不同会有不同的延时， 但延时最多不超过一个电源周期，该方法虽然就有很好的实时性，但硬件多，。花 费大，实现起来比较繁琐，并且，该方法用于三相电路的检测。 ( 2 ) 基于神经网络理论的测量方法【1 6 j 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成果，已应用于许多重要领域， 如模式识别与图像处理控制与优化、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，主要应用于谐波源辨识、电力系统谐波预测和谐波 测量三个方面。将神经网络应用于谐波测量，主要涉及网络构建、样本的确定和 算法的选择，目前已有一些研究成果。但由于神经网络技术本身也不断发展完善， 很多知识正处于验证与完善阶段，且其对样本进行训练需要时间较长，不适合在 线运算，故实际的谐波测量装置使用不多。 ( 3 ) 基于小波变换测量技术 1 6 第二章电力参数测量的信号处理理论 小波变化在时频域同时具有良好的局部化性质，被称为“数学显微镜 。它 可以根据信号不同的频率成分，自动调节取样密度，从而可以很好地处理信号突 变等情况彻。电网谐波是由各种频率成分合成的，随机的，在应用离散傅里叶变 换进行处理受到局限的情况下，可充分发挥小波变换的优势，即对谐波采样离散 后，利用小波变换对数字信号进行处理，从而实现对谐波的精确测定。小波变换 可以对谐波变化进行实时跟踪，在时域分析中具有突出优点。但小波变换在频谱 分析方面并没有显现出较高的优越性，经小波变换后得到的是小波系数，而不是 频谱，缺乏直观性，且其是正在研究的新方法、新理论，具有许多不完善的地方， 目前在要求不是很高的谐波测量装置上不太常用。 ( 4 ) 基于傅里叶变换的测量技术【1 8 l 基于傅里叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛地一种方法，它有离 散傅里叶变换方法( d f t ) 、快速傅里叶变换( f f t ) 的基本原理构成。使用此方 法测量谐波，精度高，功能较多，使用方便，缺点是需要一定时间的电流值，且 需要进行2 次变换，计算量大，时间长，从而使得检测时间长，检测结果实时性 较差。而且在采样过程中，当信号频率和采样频率不一致时，使用该方法会产生 频率泄露和栅栏效应，使计算出的信号参数( 频率、幅值、相位) 不准确。但是 我们可以通过运算能力强的d s p 来减少f f t 算法的计算时间，提高实时性，通 过数字滤波技术解决频谱混叠现象，提高测量精度。经综合分析，我们在后面的 系统设计中采用f f t 算法作为谐波测量的方法。 2 3 3 交流信号的频谱泄漏及抑制 一般地，我们在实际处理信号时把所观测的信号x ( 疗) 往往要限制在一定时间 范围内，也就是从原来无限长信号x ( 刀) 取出一个时间段j c 。( 玎) ，这个过程就是截断 数据的过程。这实际上就是通常所说的“加窗 处理，即对原始信号采用加窗截 断获取数据。如果窗函数是一个矩形函数，那么会造成信号中数据的突然截断， 但在窗内的波形并不改变。这种在时域的截断相当于原始信号与窗函数相乘，即： x l ( 1 ) = x ( 刀) c p ( 疗) 其中缈( 疗) 为矩形窗函数。根据卷积定理，这种时域中的乘积运算，相当于在 频域中为所研究波形x ( n ) 的频谱x ( e ，m ) 与矩形窗函数的频谱形q p ) 做卷积运算， 即： x l ( e ，珊) = r ( p j 口) 事w ( e j 毋) 这样一来，卷积的结果所形成频谱x 1 ( ，与相应时间段内的x 伽) 的频谱 有所不同，造成了失真，这即称为频谱泄露【1 9 】。 第二章电力参数测量的信号处理理论 在谐波测量中，所要处理的信号均是经过采样和a d 转换得到的数字信号。 设待测信号为x ( t ) ，采样间隔为a t 秒，采样频率厂。= 以，满足采样定理，即f 。大 于信号最高频率分量的两倍。则采样信号为x n - - x n a t ，并且采样信号总是有限 长度的，即n = 0 ，1 ，n 1 。也就是说，所分析的信号的持续时间为t = n a t ，这 相当于对无限长的信号做了截断，因而造成离散傅立叶变换的泄漏现象。为减小 频谱泄露，国内为学者采取了各种方法，主要包括【2 0 】： ( 1 ) 利用加窗插值算法对f f t 进行修正。该方法可减少泄漏，有效地抑制谐波 之间的干扰，从而可以精确测量到各次谐波电压和电流的幅值及相位，但要增加 软件的负担。实际中有不同的窗函数( 如矩形窗、海宁窗、哈明窗、布莱克曼窗、 布莱克曼窗一哈里斯窗等) 的插值算法。布莱克曼窗一哈里斯窗插值算法的测量精 度最高，尤其是相位计算准确。实际应用中，选择海宁窗插值算法就能满足测量 要求。 ( 2 ) 修正理想采样频率。该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。修正公式如下： x 0 = x ( 刀) + 三( x ( 聆) 一x ( n + ) 刀= 0 ，1 ，2 ，m n 该方法计算量不大，不需要添加任何硬件，实时性好，但只能减少5 0 的泄漏 ( 3 ) 采样锁相环技术( p l l ) 。利用锁相环电路实现信号频率和采样频率同步来 减少频谱泄漏现象，如图2 2 所示。相位比较器把取自系统的电压信号的相位和 锁相环输出的同步反馈信号进行相位比较。当失步时，相位比较器输出与二者相 位差和频率差有关的电压，经滤波后控制并改变压控振荡器的频率，直到输入频 率和反馈信号频率同步为止。一旦锁定，便将跟踪输入信号频率变换，保持二者 的频率同步，输出的同步信号去控制对信号的采样和加窗函数。这种方法实时性 好，但需要增加硬件。 图2 2 频率同步锁相装置结构 f i 醇2l o c k i n g s t r u c t r u eo ff r e q u e n c es y n c h r o n i z a i o n 第二章电力参数测量的信号处理理论 2 4 数字滤波器的设计 与模拟滤波器相比，数字滤波器具有很多突出的优点，如它可以满足滤波器 对幅度和相位特性的严格要求，可以避免模拟滤波器无法克服的电压漂移、温度 漂移和噪声等问题。用d s p 芯片实现数字滤波器除了具有稳定性好、精度高、不 受环境影响等优点外，还具有灵活性好的特点。用可编程d s p 芯片实现数字滤波 可以通过修改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的特性。 2 4 1 数字滤波器的类型选择 对于一般的数字滤波器，按照单位冲激响应分为无限长冲激响应i i r ( i n f i n i t e i m p u l s er e s p o n s e ) 系统和有限长冲激响应f i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o l l s e ) 系统【2 1 1 1 2 2 1 。 在i i r 系统中，用有理分式表示的系统函数来逼近所需要的频率响应，即其 单位冲激响应h ( n ) 是无限长的；而在f i r 系统中，则用一个有理多项式表示的系 统函数去逼近所需要的频率响应，即其单位冲激响应h ( n ) 在有限个n 值处不为零。 i i r 滤波器由于吸收了模拟滤波器的结果，有大量的图表可查，可以方便、简单、 有效地完成设计，效果很好，但是其相位特性控制困难，必须用全通网络进行复 杂的相位校正，才能实现线性相位特性的要求。f i r 滤波器则可在幅度特性随意 设计的同时，保证精确、严格的线性相位特性。这在要求相位线性信道的现代电 子系统，如图像处理、数据传输等波形传递系统中，具有很大的吸引力。而且， 其单位冲激响应是有限长的，不存在不稳定的因素，并且可用因果系统来实现。 f i r 滤波器具有如下几个特点： ( 1 ) 可以在幅度特性随意设计的同时，保证精确、严格的线性相位，而i i r 滤波器则做不到这一点，i i r 滤波器选择性越好。则相位的非线性越严重。 ( 2 ) f i r 滤波器的单位脉冲响应是有限长序列，因此f i r 滤波器是稳定的。 ( 3 ) 由于f i r 滤波器一般为非递归结构，因此在有限进度运算下，不会出 现递归型结构中的极限震荡等不稳定现象，误差较小。 因而，一般的数字滤波器多采用f i r 滤波器设计方法来达到滤波效果。本文 采用f i r 滤波器设计了电力系统谐波分析中所用的抗混跌低通滤波器。 2 4 2f i r 的原理结构 f i r 能提供理想的线性相位响应，从而在整个通频带上获得参数群延时，而 且它可以采用十分简单的算法进行实现。由于这两个特点，r i r 滤波器常为数字 滤波器设计的首选。 f i r 滤波器的基本结构 ：z 3 l ，是一个分界的延时线，每一节的输出加权累加， 第二章电力参数测量的信号处理理论 1 9 得到滤波器的输出。数学上可以表示为 y 【k 】= e h i x k 一习 ( 2 4 7 ) 其结构图如2 3 所示。在式( 2 4 7 ) 中，x ( k ) 是最近舻的输入信号，缸七一f 】 是延时了f 个采样周期的输入信号，h q 是第i 个延时节的加权值( 也就是滤波器 系数) ，y k 】是t = k t 时滤波器的输出信号。 由式( 2 4 7 ) 可知，f i r 滤波器的单位冲激响应只能持续有限的n 个采样周 期。因此将式( 2 4 7 ) 做z 变化，得 r ( z ) = h o l x ( z ) + h 0 z 一1 x ( z ) + + 厅 一l 】z 一一1 x ( z ) ( 2 4 8 ) 从而可得传输函数 酢，= 罴= 势扩1 泣4 9 ， 由式( 2 4 9 ) 可知，日( z ) 只在z 平面上的原点处有极点，因此，它是稳定地； 除此点以外，线性相位特性也是f i r 滤波器的突出优点。常用的线性相位f i r 滤 波器，其单位脉冲响应均为实数，且满足偶对称或奇对称的条件。 2 4 3f i r 的设计方法 图2 3f i r 滤波器结构 f i 9 2 3t h es t r t c u t i o no ff i rw a v ef i l t e r 设计f i r 滤波器的基本方法之一，是用一个有限项傅里叶级数来逼近所希望 的响应。所希望的响应日d ( p ) 可以展开为一个傅里叶级数： 第二章电力参数测量的信号处理理论 ( 胪羔yc n 枷 ( 2 5 0 ) 其中矽是归一化频率兀，六是采样频率，a , r = 2 刀f l = 2 n 0 。c 的选取由 传递函数h ( z ) 的最小均方逼近日d ( z ) 来决定。 c t l = i 1j 1 lh d ( 秒) p ，2 砌口d p ( 2 5 1 ) 设俐 - - 0 ( 2 5 2 ) 且c - 。= q 。 理想的传递函数巩( p ) 要求无限个系数q 。实际的滤波器只能有有限多个系 数，因而只能将( 2 5 0 ) 中的无限项级数截断，以得到一个近似的传输函数h 。( d h a ( 0 ) = 。呈n c ke - 2 捌( 2 5 3 ) 2 七笔c 瑚 ) 其中俐 1 ，q 有限的正整数。令z = g j 2 x o , 得 h a ( 口) - t 曼z k 一 ( 2 5 4 ) ( 口) - 七笔 ( 2 5 4 ) 然而，( 2 5 4 ) 中z 的正幂意味着一个非因果滤波器，他在输入加上之前就有 输出。因此，引入q 个采样周期的延时得【2 4 】： 日( z ) = z - q h 口( z ) = 七邑c 七z k 旧 眨5 5 )= 参 叫 ( 2 七= 一d “ 作变量置换i = - ( k - q ) ，得 日( z ) = c q 一， o f 2 q( 2 5 6 ) j ：o 令h f f 2 c q - i ，n = 2 q ，得 k 日( z ) = 办 f 】z 一7 0 i n ( 2 5 7 ) i = 0 m o 】= c q h 1 】= c 口一i 第三章电力参数实时测量系统的研究 第三章电力参数实时测量系统的研究 2 1 本设计中，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为中心，在其外围扩展程序和数据存储器等。 硬件包括互感器、信号调理电路、a d 转换电路，液晶显示，j t a g 接口，r s 2 3 2 接口和d s p 最小系统等，系统结构如图3 1 所示 图3 1 系统结构图 f 追3 1s y s t e r ms t r u e t i o n 3 1 d s p 芯片的结构与选择 d s p 是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信号处理的目 的，d s p 的总线结构大都采用了程序和数据分开的形式，并具有流水线操作的功 能，单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理运算的指令集。基 本结构如下： 3 1 1 d s p 芯片的基本结构 ( 1 ) 程序和数据分开的哈弗结构 程序与数据存储器空间分开，各有独立地地址总线和数据总线，取值和读数 可以同时进行，从而提高速度。 ( 2 ) 流水线操作 执行一条指令，总要在、经过取指、译码、取数、执行运算，需要若干个指 令周