（电力电子与电力传动专业论文）电网综合参数测试仪的研制.pdf

江苏失学硕士擘垃论文 a b s 墨警c 零 w i t ht h ed e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m y , m o r er e q u i r e m e n t sa r en e e d e dt op o w e rq u t i t yo f p o w e rd e p a r t m e n t ，w h i l ep o w e rn e t w o r k sm e a s u r e m e n ti st h en e c e s s a r yc o n d i t i o no fi m p r o v i n g p o w e rq u l i t y d u et ot h eb r o a da p p l i c a t i o no fe l e c t r i cp o w e re q u i p m e n t s ，t h i sp r o b l e m h a sd r a w nm u c ha t t e n t i o nn o to n l yf r o mp o w e re n t e r p r i s e sb u ta l s of r o mm a n a g e m e n t s e c t o r sa sw e l l ，a n dp r o m o t e dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fr e l a t e dp r o d u c t s i nt h e m e a nt i m e ，t h er a p i dp r o g r e s si nc o m p u t e rt e c h n o l o g y , s i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r ya n d m e t h o d sa n dt h es h a r pd e c l i n ei nt h ep r i c e so fd s pc h i p sa n dc p l dh a v el e dt h e a p p l i c a t i o no f d s pa n dc p l dt oa m o r ep r o f o u n de x t e n t i no r d e rt om o n i t o rp o w e rn e t w o r k a n dw a r r a n tt h e e l e c t r i ce q u i p m e n t st o o p e r a t ep r o p e r l y , t h i sp a p e rc o m b i n e dd s pa n dc p l dt od e s i g nag e n e r a lp o w e r p a r a m e t e rt e s ti n s t r u m e n t i tc a nm e a s u r et h r e ep h a s ev o l t a g e 、c u r r e n ta n dt h e i rh a r m o n i c s 、 t h r e ed i s e q u i l i b r i u m 、a c t i v ep o w e r 、r e a c t i v ep o w e r 、p o w e rf a c t o r 、f r e q u e n c y 、p o w e r o f f t i m ea n d p o w e ro nt i m ec t c ，t h ed a t aa r es a v e de v e r yo n em i n u t ef o r6 4d a y s ，h a v er e a l t i m em o n i t o ra n d d a t aa c q u i s i t i o n 、a n a l y s i s 、p r o c e s s i n gf u n c t i o n sw i t hp cs o f t w a r e ；h a v ei n t e r f a c eo fr s 2 3 2 4 8 5a n d m o d e m , c a nc o n 3 m u n i e a l i o nr e m o t e l yt h r o u g hp u n i cp h o n en e t w o r k ， e m p h a s i so ft h ep a p e ra r el a i do nf o l l o w i n g ：t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d so f p o w e rp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ；d e s i g no fh a r d w a r e ，i n c l u d i n gs i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i t ，a dt r a n s f e rc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，d a t as a v i n gc i r c u i t 、t h el o g i c c i r c u i t 迅c p l d ；d s pc o d ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h ep r o g r a m m i n go fa dt r a n s f e r 、t h e p r o g r a m m i n go ff f t ，t h ep r o g r a m m i n go fk e y b o a r d l c ds e r v i c ee t c ；d e v e l o p m e n to f p c s o f ，t w a r e ，i n c l u d i n gi n t e r f a c ed e s i g n 、f u n c t i o nm o d u l e sd e s i g n 、d a t a b a s ed e s i g n 、 s o f t w a r ep a c k a g i n g ；t h e nt h ep a p e rs h o w sh a r d w a r et e s t sa n ds o f t w a r et e s t s ，t h e r e s u l t sa r es a t i s f i e d ，t h ee r r o ro fh a r m o n i ct e s t i n gr e a c h e sn a t i o n a ls t a n d a r db ， m e a n w h i l ew ea n a l y s i st h er e a s o n so fe r r o ra n dp r o v i d em e t h o dt oc o r r e c te r r o r f i n a l l yt h ep a p e rg i v e st h es u m m a r i z a t i o na n dp r o s p e c t s 岛r & f u t u r et r e n d s d i f f e r e n tf r o mo t h e rs y s t e m sw h i c ho f t e nu s ed u a lc p ui nt h e i rp r o j e c t s ，t h em a i n f e a t u r eo f # h i ss y s t e mi st h a ti tc o m b i n e sc p l dw i t hd s p t o g e t h e ra s 鑫s o l u t i o n ，t h u s i tn o to n l ye n h a n c e st h es y s t e m ss t a b i l i t y ，b u ta l s ou s er e s o u r c e so fd s pf u l l y m o r e o v e r , w ec o m b i n e ds o f t w a r ew i t hv i r t u a li n s t r u m e n tc o n t r o lt om a k ei n t e r f a c em o r e f r i e n d l ya n de n h a n c et h ef u n c t i o no fs o f t w a r e 1 i 江苏走拳磺士学位论文 k e y w o r d s ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) ，h a r m o n i ca n a l y s i s ，p o w e rs y s t e m ， f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) ，c p l d ，m o d e m ，d a t a b a s e i i 江苏大学硕士学位论文 1 1 电网参数监测的意义 第1 章绪论 随着现代科学技术的发展，一方面，造成电能质量问题的因素不断增长，如以 电力电子装置为代表的非线性负荷的使用、各种大型用电设备的启停等；另一方 面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质 量及可靠性的要求越来越高。上述问题的矛盾越来越突出，这使得电能质量问题 对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也越来 越大。电能质量直接关系到国民经济的总体效益【1j 。 对供电质量及可靠性的要求日益提高是和用户的工艺过程水平的发展相联 系的【2 1 。近代科技进步又促进生产过程的自动化和智能化，对电能质量提出了更 高更新的要求。一个计算中心失去电源2 s 就可能破坏几十小时的数据处理结果或 上百万元的经济损失。在大型机器制造厂，0 1 s 的电压突降就可能造成异常的生 产状况和质量破坏。当今自动化设备控制的连续精加工生产线，它们对配电系统 中的干扰异常敏感，几分之一秒的不正常供电就可能在工厂内部造成混乱，其损 失是难以估量的。这些用户对不合格电力的容许度可严格到只有i 2 周波。现 代化的商贸中心、银行、医院也是如此。谐波的严重危害和所造成的损失经常被 人们所提及，而无人值守变电站中计算机系统突然出现的死机现象，大多属于电 能质量问题。 在我国，虽然总体经济和技术水平还比较落后，但在部分经济发达地区电能 质量问题的影响已比较突出。而且，由于各种原因，在供电可靠性和电网电压幅度 的稳定水平等指标上，我国的情况尤其落后。如何提高和保证电能质量，已成为国 内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一。而建立和实施电能质量综合监测系 统是提高电能质量的一个重要技术手段。国际上，许多发达国家和地区已就此课 题作了大量的研究，并取得了实际的经验。如美国、加拿大等均进行了全国范围 的电能质量的监测和调查研究，对配电网络的运行状况和电能质量的提高和改善 具有重要的意义。 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外跑网参数测鼗装置的研究及发展状况 1 。2 t 几秘攀间电网参数黧测系统的毙较 国内对龟能质量问题的研究起步较晚，使用的电能质量测量装鼍功能单一， 风能实现对浆种电能质量指标的测量，多数不具备综合测量、分析、判断功能， 对电质量豹在线监测没蠢褥到广泛应髑，电能质量黥舅霞现象不裁及时发现， 而产生严重酾焉果。必须袋用先进的技术手段，对多种电能参数进行综合监测。 电能质量照测仪的传统设计大多采用工业计算机配铸数据采集卡来实现电 能质量的数据采集和分聿厅，主要针对稳态攒标进行鉴测，悉统的实时梭难醛保迂， 智能化和网络化水平也不裔。蟊前电能瓒爨监测设备主簧存在戬下浆不足1 3 j ： ( 1 ) 由于采用备种计算机作为现场监测分析工具，导致设备成本偏高：( 2 ) 设备配 鬟的灵活性、遇用性差，锾往只自 用于特定的操作环境：( 3 ) 远程通信能力有限， 不荔实现远稳靛控数据焚枣和长甥评嵇及预测；( 4 ) 辩干扰的分类和敬漳的辩 识能力有限，不具备智能分析功能，不能掇供给用户可点接用于决策的信息；( 5 ) 实时性差，时频分析手段落瓣，不具各对璐辩扰动和暂态谶波的跟踪秽捕获能力； ( 6 ) 褒场设备不具备实露分聿螽能力，大量袋样数据都要佼送给专门豹分褥工兵去 处理，导致对现场设备的存储容量要求很大。 随着集成电路技术和计算枫技术的飞遽发展，网络技术和嵌入式寅时系统技 寒蠢盏藏熬黧宠善，毫经被写 入羁亳能矮爨菠溺疆域，馋统豹设诗方法氇逐灏被 摒弃。文献 3 ( 意大利) 撮出了一种基于w e b 的电能质照监测系统的设计实例， 并且采用小波变换技术作为分析手段，整个系统的设计然本上顺应了目前的发展 方彝，毽文献【3 】孛主要奔鬃了系统静钵系缮狡窝毒滚变羧技术豹痰瓣，未薅现 场的实时监测设备做具体介绍。文献【4 】( 美国) 提出了一种基于数字信号处理 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 的察时系统解决方案，该方案浆用d s p 和 f ) 。瓠熬双楚璞器结掬，d s p 懿理实霹任务，踅辊鼹予秘蕉户交互，辩凌了电藐 质量监铡的察时性问题，但还没有达到智能化和网络他的程度，而鼠p c 机的采 用加大了设备的成本，不邋于作为永久憔在线监测设备大量安装在现场。 文献1 5 】楚疆蠹提出的一耱基予双c p u 黥主扶式结捻，盎予设诗孵阙魄较旱， 采用比较早的t m s 3 2 0 i o 型d s p ，性能上已经落后，系统的设计也没有考虑到远程 江苏大学硕士学位论文 通信，分析手段也只局限于采用f f t 进行稳态谐波分析，同时在设计上也没有提 出实时性要求；文献【6 】也是一种基于双c p u 的主从式结构，使用了新型d s p 和 m c u 协同处理，具有远程通讯功能。文献【7 卜【9 虽然使用单个d s p 完成电网参数 的测量，但其通讯接口单一，且不能本地存储大量数据；文献 1 0 】 1 1 】使用工控 机和数据采集卡构成测量系统，设备成本偏高；文献 1 2 1 1 5 使用p c 机作为虚拟 仪器进行电网监控，其本质与文献 9 1 1 0 相同；文献 1 6 - 2 8 均使用双c p u 实现 电能质量监测仪，其原理与文献 6 类似。 通过查阅大量的文献资料，发现目前电能质量监测装置的结构主要分为以下 5 a 类： ( 1 ) 以单个d s p 为核心的简单测量仪，其功能有限，存储的数据量小，不具 备跨地区远程通讯的功能。 ( 2 ) 工控机加数据采集卡的专用测量系统，功能较强，主要存在的问题是设 备成本偏高，体积庞大，不适合大量应用的场合。 ( 3 ) 以p c 机为载体的虚拟仪器，原理类似于第二类，但是由于使用了专业的 组态软件( 女n l a b v i c w ) ，要比第二类更为先进。 ( 4 ) 以主从双c p u 为核心功能较完备的测量仪，体积小巧，功能较丰富，成 本不高，适合大量应用的场合。 ( 5 ) 以嵌入式系统为平台的手持式和便携式设备，功能丰富多样，携带方便， 但毕竟是一种临时的故障诊断，排错和评估设备，而且实时性指标也不 一定满足要求。 在以上所列的5 大类中，其中以主从双c p u 为核心的系统尤为普遍。 本文的设计以电能质量监测发展的最新趋势为出发点，采用先进的技术手 段，在保证其功能与性能均不低于以主从双c p u 为核心的系统前提下，提出了一 种基于d s p 和c p l d 的嵌入式实时系统硬件平台的解决方案。与文献【4 】中所提的 d s p 和p c 机的双c p u 系统比较，本文方案由于没有采用p c 机，所以有明显的成本优 势，在网络化方面，相对于文献【4 】中的方案也有更多的考虑。与文献【5 】方法相 比，单机性能更高，系统功能更全面，它除服务于现场外，还服务于企业级的电 能质量分析与管理系统，还能服务于将来的智能系统。与文献f 6 的方法相比， 本设计使用d s p 和c p l d 相结合的方法主要体现在以下几个方面的特点： 江苏走学颈士学位论文 ( 1 ) 从硬件结构上看更趋含理，仅使用单个c p u ，外围绝大部分的逻辑电路 均徽在c p l d 内，大夫雅缩小了体积，由于c p l d 内部究全是密硬件逻辑 电路所构成，相当于一块专用芯片，所以抗干扰能力要比采用穰序运行的 单片机高，不存在程序跑飞的现象，从而提高了电路酌可靠性； ( 2 ) 从软件设计角度上着，本设计只需要把主要耩力放在d s p 程序的设计上， 而如采用双c p u 刚需簧对d s p 和m c u 分别编程并且还努考虑c p u 之间的 互捆配合、协同工作等问题邀黠软件设计的要求就比较裹，如麟有巯怨， 可能会给整个系统豹运行带来隐患，从而降低了系统的可靠性； ( 3 ) 扶资源的台理使用上番，双c p u 存在一定的资源浪费瑷象，铡翔霉会 造成c p u 的内部定时器、串口、i o 口替资源使用上的剩余，而使用单个 d s p 剿霹充分发挥d s p 蠹擦丰寓懿资源； ( 4 ) 从硬件成本上看，虽然c p l d 臻比单片机的价格稍高，但是却省去了不少 壤碟攀冀瓿毖嚣豹癸滠逻辑嚣释+ 鲡辘蓬译璃器、慧绫开关、奄平转换芯 片等，而且可以有效的节省p c b 板布线的复杂度和面积，因此从整体上考 虑，傻焉c p l d 著不会增加硬传豹意俸成本，穗反疆有霹艉还会降糕藏零。 综上所述，使用d s p 和c p l d 相结合的方法在系统的可靠性和资源的使用率 上均其畜一定的优势。 1 。2 2y l 熟毫网参数测量方法 较“” 近年来，在电能质量分析领域中广泛应用的基于变换的方法主要有傅立叶变 换、，l 、滚变换、享睾经瓣络、二次交换窝p r o n y 势叛等5 秘方法。 ，傅立叶变换的优点是算法简单、快速，但缺点也怒明显的。应用f f t 时，若采 样频率或籍号不能清楚藏翔条徉对，f 疆势橱会产生“旁瓣”和“频谱渣露”现 象。此外，由于f 甜变换是对整个时间段的积分，时间信息得不到充分利用， 信母的任祷狰突，箕频谱将散布予整个频带。勇矫馋立盱交换强能适瘦子确定犍 的平稳信号( 如谐波) ，对时变非平稳信号难以充分描述。 舔波交换是一种多昃度分轿，辩时间序翔过程获粗到细绷以分析( 从低分辨 率剐高分辨率) ，既能显示过程变化的全貌，又能剖毫旰局部变化特征，很适合对 电携质量辙城的菲平稳时间j 葶剜进行时域分析。小波技术不但能对信号进行时域 分析，还能对信号进譬亍信号去礤、信号识另4 秘数据压缀、还原餐，在电缝质量分 江苏大学硕士学位论文 析中应用范围很广。近年来，国内外许多学者都利用小波变换对电能质量问题进 行研究。在实际的应用中，小波变换的缺点是运算量比较大，应用在实时系统中需 要价格较高的高速运算芯片，如d s p 。另外就是小波分析有“边缘效应”，在边界 上要进行数据处理，如对称延拓边界数据点等方法，这占用了不少时间，也会引起 一定的误差。 神经网络是一种从不同角度、功能来模拟动物神经系统的技术，由大量处理 单元广泛互联而成，基于现代神经生物学和认知科学对人类信息研究成果的网 络，其优点是不必对被研究对象建立明确的数学模型。而只关心对象的输入输出 关系。此外，神经网络还具有多输入和多输出，便于用超大规模集成电路( v l s i ) 或光学集成电路系统实现，或用现有的计算机技术实现，以及能进行学习，以适应 环境的变换等优点。当前应用神经网络的缺点是：( 1 ) 存在局部极小问题，造成网 络的局部收敛，影响系统的控制精度：( 2 ) 理想的训练样本提取困难，影响了网络 的训练速度和训练质量：( 3 ) 网络结构不易优化，特别是隐层节点数的选取常常 带有盲目性。 二次变换是一种基于能量角度来考虑的时域变换方法。信号的能量函数可分 别用时间和频率的函数来表示，同时信号的能量函数必须能用基于时间和频率的 能量密度函数来表示。也就是说，信号的能量分布是时间和频率的双线性函数， 它构成了时域二次变换的基础。仿真计算结果表明，这种二次变换不仅可以准确 地测量基波和谐波分量的幅值，而且能够准确地检测到信号发生尖锐变化的时 刻。其不足之处是无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值，以及不具有时域分 析功能。 p r o n y 分析衰减的思想类似于小波。该方法中，认为信号总是可以由一系列的 衰减的正弦波构成。这些衰减正弦波类似于小波函数( 但不满足容许性条件，所以 不能构成小波函数) 。也就是信号s ( t ) 可分解成： s ( t ) = k = a i e b i t s i n ( ( ) i t + v i ) 仅仅由这个公式就可以想象，当分解结果求出来后，信号中各个频率的信号 及其幅值和相角就一览无遗了。从这个意义上，这种分析方法和小波一样，可以做 多尺度的信号分析，用来做电力系统的数据分析十分有用。p r o n y 分析的缺陷就 是计算时间太长，以至于不可能在实时系统中应用，但用来做离线的数据分析确 江苏太霉硕士警往论更 实是相当好的一个工具。 1 3 本文的主要研究工 乍 本文在研究电力系统电能质量指标及测爨方法的基础之上。研制了一种性价 比较高静毅塑电溺练合参数涟测与分褥系统。 本文的主要研究工作包括： ( 1 ) 对近几年国内外相关研究工 蕈进行了小结，对比了几种不同的电能质量盗测 系统与分析方法，并指出了其存在的缺陷。 ( 2 ) 研究了电网参数测量原理与钡4 量方法，并蛤出了参数测量公式。 ( 3 ) 基于d s p 靼i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 技术，设计了电网综合参数监测 与分析系统的下位帆软件与硬件。 ( 4 ) 以m sa c c e s s 数据库系统为基勰，梅建了电卿综合参数数据库，使忍c * b u i l d e r 开发了上位机软件平台。 ( 5 ) 软l 譬测试、硬 牛测试与实验缝果分辑，讨埝了如辩键毫溅爨精度。 ( 6 ) 绐出了结论和系统进一步改进的方法。 6 江苏大学硕士学位论文 第2 章电网参数测量原理 通过第1 章对几种不同测量方法的比较，可以看出f f t 算法简单快速，对 于一般应用均能达到测量精度的要求，因此本文使用快速傅立叶变换作为采样信 号处理的核，t l , 算法。 2 1 快速傅立叶变换原理 是 非周期连续时间信号xf f j 的傅立叶变换可以表示为： x ( c o ) = e x ( 1 ) e - j 。 d t ( 2 - 1 ) 设采样得到了n 点采样值( z ( n r ) ，1 1 = 0 , 1 ，n 一1 ，那么其频谱取样的谱间距 2 n 。5 而 由此对( 2 1 ) 式离散化可得到 ( 2 2 ) x ( t 。) ：n - ix t ) e - ， ( 2 3 ) 令：e 一，百2 a 并省略符号和r ，则( 2 3 ) 式可写为 x ( ) = x ( n ) 阡玄 ( 2 4 ) 其中x ( t ) 是时间序列x 0 ) 的频谱，阡，称为蝶形因子。对于n 点时域采样值 经过式( 2 4 ) 的计算，就可得到n 个频谱条，这就是离散傅立叶变换( d f t ) 。 可以看出，d f t 需要计算2 次复数乘法和n ( n 1 ) 次复数加法，在n 较大时， n 计算量将会变得非常巨大。利用的对称性咛+ i = 一时和周期性 w 2 0 = 阡蛩“= 形舻“ ，可将n = 2 ”点的d f t 分解为m 个2 点的d f t ，称为 基2 的f f t ，这样计算量可减为( n 2 ) l o g ： 个加乘运算，比d f t 的计算量大大 地减轻。 f f t 算法通常可分为按时间抽取的f f t 运算( d f f ) 和按频率抽取的f f t 运算( d i f ) 两种方法【3 0 】， 7 江苏太拳硕士学位论文 2 11 时间擒取基2f f t 算法( o t ) 设序列长度n 是2 的憋数幂次方，n = 2 m 。则有 一l 盖渤= 嬲扛( 群) 】= x 嘭 ( 2 - 5 ) n = 0 将x ( n ) 分解为偶数( e v e d ) 与奇数( o d d ) 两序列之和，当n 为偶数时，令 n = 2 r ，n 隽奇数骑，令n = 2 r + l 缮垂 盟一t盟一1 工( ) = 艺x ( 2 r ) 嚼“七窆x ( 2 r 十1 ) 暇2 ”m ，4 0 ，# o ：窆* ( 2 r ) ( 孵) 一十蝶z ( 2 ，+ 1 ) ( 孵) “，一o ，i ，n 1 ( 26 ) 盎予暇；e 。丽= 峨，露 些一i n i x ( ) = x ( 2 r ) 岔+ 暇艺x ( 2 r + 1 ) 唆 ( 2 7 ) ，# 0，r ；o， 菩一， 令五( ) = x ( 2 r ) 哪* d f r x ( 2 r ) 和 i n l 五( 妨= x ( 2 ，+ l 暇= d f t x ( 2 r + 1 ) 1 代入( 2 7 ) 式，即得 爿( 女) 。并l ( 女) + 蝶爿2 ( 女) ，女：o ，l ，n _ 一l ( 2 8 ) 其中x j ( k ) 和墨( ) 韵粥期均为n 2 ，籍夏计算从n 2 到n i + 点的f f t ，可荆 辫 阶的对称性吼k n + 了= 一时，代入( 2 8 ) 式得： 盖蹲+ n = 置( 妁残五) ，= 0 , 1 ，i n 一 ( 2 辨 由于要。2 ”1 1 仍然是偶数，可类似地将n 2 点序列蒋分解为两个点的n 4 序列，继续这樽躲分解过程，直到最后怒2 点序列的d f t 。由于每次分解均涛 序翔筑对域上接偶数奇数提取，所阻称为时闽抽取，且每次都是一分为二，联阻 称基数为2 的算法。 江苏大学硕士学住论文 2 1 2 频率抽取基2f f t 算法( d l f ) 对于n = 2 ”序列，频率抽取不是按偶、奇分解，而是按前后对半分解，并 按一定规则组成两个点n 2 序列，它们的d f t 分别是五( r ) 和x 2 ( r ) ，它们分别 对应于原序列n 点序列的d f t 的偶数部分和奇数部分。和时间抽取一样，由于 n 2 仍是偶数，继续上面的分解过程，直至最后剩下2 点的d f t 。这种分解方法， 由于每次都是按输出x ( k ) 在频域上顺序属于偶数还是奇数分成两组，故称基数 为2 的频率抽取法。和时间抽取基2f f t 算法一样，频率抽取基2f f t 算法运算 工作量比普通d f t 算法大大减小。 在基数为2 的f f t 中，设n = 2 ”，则总共有l o g ： = m 级运算，每级中有n 2 个2 点f f t 蝶形运算，因此n 点f f t 中总共有芸l o g ；个蝶形运算，n l o g ? 次复 数加法。 s t a g e ls t a g e 2 i s t a g e3 珥一一 ；一- i 一 l 里兰登旦一盐曼竺j 图2 1 基数为2 的f f t 流程图( 8 点) ( f i g 2 if f t f l o wo f r a d i x2 ) 协 渤 m 御 啪 州 啪 州 郴 娜 帅 泖 懈 僻 x x x x x x x x 江苏犬学颈士学位论文 2 2 三榴电压、电流、有功功率、无功功率及功率因素的计算 随着大型电力电子设备的不断投入，日e 线性负荷的不断增加，电网谐波污染 霹盏严重，天翻辩毫力系绕豹篮测装藿提磁了更高翡要求：溉麓蓝筏龟丽的谐波 含量，又能在谐波超标的情况下精确测量电气参数。在交流采样方式下，不阎的 计算方法对结果精度的影响也不一样。有的算法是基于纯正弦波导疆 的，妇莱含 肖谐波，郑就会裔误差，如半波积分法。迸有的算法把谐波分量去除，直接用基 波的结暴来计算，也会有较大的误差。 在正弦波的情况下，有功功率定义为p = u l c o s o ，含商谐波的情况下，此时 的有功功率定义为 尹：一1f “i d t 2。lo)t 七 、 电压电流的均方根值定义为 相电压的有效值：= j 亭r u 2 d t ( 21 1 ) 相电流的有效值：，= j 亭r f 2 础 ( 2 1 2 ) 对信号u ( t ) ，“f ) 进行离散化采样，褥到离散化序列 蚝 ， ，则 酣* 忭刍y - 1 “；瓦 f 2 1 3 ) 其中，盎爨稳韶嚣次懿采群润疆：n 是一个群麓肉熬采样点数：燕筹k 个时间间隔的电臌采样辫时值。 若捆邻两次采样的时闻闻隔相等，即a t 为时问常数a r ，= 吾，剐 一i 队持酽2 嗣理霹褥电浚毒效公式： ，z 鼯n - i 单相k 次谐波的有功功率和无功功率分别为 o f 2 。1 4 ) ( 2 1 5 ) 塾生查塑主鲎些堡查 只= 吾k c 。“q 觑) ( 2 1 6 ) g 。言e ，m ks i n ( a k - 孱) ( 2 1 7 ) 其中表k 次谐波戆堍蓬螽壤，魏k 次谐波麴宅浚蠖蓬，壤一霞麓j c 次谐波的电压和电流的相位差。由于c o s ( a ，一屈) = c 。s 口tc o s 屈+ s i 弱啦s i n 屈， 3 1 n ( 口* 一麒) 2s i n a * c o s 9 k c 0 8 6 r * s i n f l , ，闳此利用f f t 运黧后得到的实部和虚 部可方便的计算c o s p 。一f l k ) j f d s i n ( a , 一孱) 。 ， 萃裙蠢功凌率：只 。= 最 2 ，1 8 ) t = i 荤籀无功功率；& n = gf 2 1 9 ； 荤鞠功率因鼗：c o s ( 0 啪，。：1垒：坚 p n b c 1 七q “b 。? 三稳有功功率：尹= 只+ 毫+ 只 三楣光功功率：q = 见+ g + 建 三相平均功率因数：c o s ：星 尹2 + q 2 单相肖功电度：a a ，6 ，。( f ) = p 以6 ，。( t ) d t 单相咒功电度： 。q ) = g 。( t ) d t 三档鸯功毫度： 三相冤功电度： a = 磊+ 4 + 4 n ；n 口+ nb 士n1 2 3 谐波分量及其舍荫率的计算 q 2 6 ) ( 2 2 7 ) 时域专的采榉序列 善( n ) ，= o 1 ，_ v i ) 经f f t 变换后成为频域中的复序 剐，式( 2 2 8 ) 中置 ) 为实部，置( 印为虚部。 蕊 驾 竭 均 拗 渤 汹 蝴 江苏太擎磋士擎柱论文 z ( ) = 翼：( ) 十媾( ) ，k = o 1 ，一1 j x ( k ) l 2 = j ；( ) + 工? ( ) ，k = 0 1 ，n l ( 2 。2 8 ) ( 2 2 9 ) 由予输入静罴实序列( 虚部兔0 ) ，函藏输密酌整序歹 l 怒共辘对称薛：事实 上n 点聚样值经f f t 变换后只能得到婴个相互独立的结果，所以如果一个周期 z - 采样1 2 8 点的话，疆高只畿计算出6 3 次谐波分量( 本设计中根据企渡技术要求只 嚣计算到2 5 次谐波含量即可) 。根据式( 2 2 9 ) 就可求出h 次谐波电压、电流的 幅值瓯。和o 。 单稳次诸液避压有效毽；= 而1 ，自= 2 ，3 ，n ，一l ( 2 3 。) v 苹鞠 次谐滚电流有效德：磊= 去 v t 榭，3 ，譬一l ( 2 3 1 ) 单相 次谐波电压含肖率：h r u h = 擎l o o ，矗= 2 3 ，等一l ( 2 3 2 ) 单相 次谐波电流含有率：捌弛= 争l o 。，a = 2 3 ，i n l ( 2 3 3 ) 式( 2 3 2 ) 、( 2 3 3 ) 中u t 、为蒸波电压、电流的有效值。 单相谐波电压含量；u 。= 单相谐波电流禽量；如= 单梗谐波电压总跨变率：t h d # 2 鲁l o o 单相谐波电流惑疃变窭：t h d l 2 誓l 。 ( 2 - 3 4 ) 岔3 5 ) 挖3 6 ) f 2 3 7 ) 一 u 一 外镰 藤巨 江苏大学硕士学位论文 2 4 三相正负序电压、电流及不平衡度的计算 电力系统的三相不平衡是由于三相负载不平衡以及系统兀件参数的不对称 所致，三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电路中除含有谐波分 量外，还含有正序、负序、零序分量。在三相三线制供电系统中，只含有正、负 序分量。我们把负序分量有效值与正序分量有效值之比称为不对称度或不平衡 度，用符号表示，即 电压不平衡度： 旬= 鲁1 。 ( 2 3 8 ) 电流不平衡度：晶= - 鲁1 0 0 ( 2 3 9 ) 式中，u ：、厶一电压、电流的负序分量方均根值； u 、， 电压、电流的正序分量方均根值； 从电工原理知道：任何不对称的三相相量均可用对称分量法分解为三组对称 的正序、负序和零序分量。若知道三个相量的大小，可根据相量三角形计算出j 下 序分量和负序分量的有效值川。 舶，= 以瞻+ 畦_ 2 c 。s ( 6 0 0 + 口) ( 2 4 0 ) ，煎。，。= j ；p ：+ u ；一2 u 。u c 。s ( 6 。一a ) 】 ( 2 4 1 ) 热a 一叫糍，心饥、帅乩c 相电脯艚 ，正吼 。= j ；p ：+ ，；一2 ，。t c 。s ( 6 0 。+ a ) ( 2 4 2 ) ，负m 。= j p ：+ ，；一2 ，。c 。s ( 6 0 。一口) 】 ( 2 4 s ) 江苏大学硕士学位论文 2 5 频率的测量方法 在使用f f t 计算各次谐波时，为了尽可能的提高计算精度和减少频谱泄漏 误差，需要进行同步采样，因此频率测量的精确度将直接影响到计算结果误差的 大小。一般方法是将输入信号经整形后，再通过锁相环倍频对产生的脉冲序列信 号离散化实现同步采样。但是采用这种方法会增加硬件的投入和硬件系统的复杂 程度，由于本文所使用的d s p 芯片具有脉冲边沿捕获功能，因此可以很容易地 使用该功能实现频率的精确测量和软件同步采样。 1 频率测量 图2 2 整形电路( f i g 2 2s h a p i n gc i r c u i t ) 交流信号经施密特触发器整形后得到方波，整形电路如图2 2 所示，然后送 给d s p 芯片的捕获引脚，d s p 会自动的对该方波的上升沿进行捕获，并给出前 后2 个上升沿之间的定时器计数值，即可计算出信号周期t ，定时器时钟频率越 高，则计算出的周期精度越高。由于d s p 的时钟频率最高可达4 0 m h z ，因此对 5 0 h z 的工频计算精度是很高的。 2 软件同步采样 计算出信号周期t 后根据采样点数( 1 2 8 点) 算出采样周期t s ，用t s 对信 号进行采样即可。以后每次采样之前均重复上述过程。 江苏大学硕士学位论文 第3 耄系统硬件设计 3 。 系统曩蠢壤用戆d s p 芯冀会缨汹1 ” 硬件电路经用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 这款d s p 芯片为逡冀处理核心，时 钟频率4 0 m h z ，单周期指令执行时间为2 5 n s ，具有相当快的处理速度。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 吴蠢t m s 3 2 0 系列d s p 豹基本功能，逐具有以下特点； ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电鹰降为3 + 3 v ，减小了控制器 幻功耗：4 0 m i p s 躲执行速度镬缮撂令髑翅缩短戮2 5 n s ( 4 0 m h z ) ，照恧提 高了控制器的宓时控制能力； ( 2 ) 基予t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核，傺涯了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 谯弱秘 t m s 3 2 0 系列代码兼容： ( 3 ) 片蠹青高这3 2 k 字1 6 位豹f l a s h 稷净存储器( e e p r o m ，4 糍区) ；簿 达2 + 5 k 字1 6 位的数据程序r a m ；5 4 4 字双端口r a m ( d r a m ) ：2 k 字的革墨r a m ( s r a m ) ： ( 4 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个均包括如下资源：两个1 6 位通 用定时器；8 个1 6 位的脉窝调制( p w m ) 通道，可以实现三三糟反稻器 控制、p w m 的中心戏边缘校正及当外部引脚p d p i n t x 出现低电平时快 速关闭p w m 通道：防止击穿故障的可编程的p w m 惩区控制：对外部 事件进行定珏雩撼获的3 个撼获单元；片内光电编码器接口电路；1 6 通道 的同步a d c 。事件管理器模块适用予控制交、瀛异步电动机、无制直流电 动枫、开关磁阻电动机、步遵电动机、多级电动规秘逆变器； ( 5 ) 可扩展的外部存储器总共具肖1 9 2 k 字1 6 位的空间，分别为6 4 k 字程 痒资镳器空翊、6 4 k 字豹数掇存镁空闽积6 4 k 字熬瓣空闯； ( 6 ) 1 0 位a d c ，最小转换时间为5 0 0 n s 、8 个或1 6 个多路复用的输入通邋、 可选择由嚣个辜舞瓣理器寒触发两令8 透逢输入a d c 或一个1 6 逶遵簸 入a d c ： f 7 ) c a n 2 0 b 模块，帮控嗣区域潮模块； ( 8 ) 串行通信接口( s c d 模块；1 6 位串行外部设备接口( s p i ) 模块； 江苏走学硕士学位论叉 ( 9 ) 基于锁相环( p l l ) 的时钟发生器：看门狗定时器模块： ( 1 0 ) 商达4 1 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚； f 1 1 )5 令努郝中裁( 2 个驱魂撩护、1 令复经释2 令可羼蔽中辑) ； ( 1 2 )电源管理，爨有3 种低功耗模式，能独立的将外围器件转入低功耗 工作模式。 “ l d a r a 酣懈。 p 魄a 跳tl2 s 6w o r d s e l u t o p e 0l d c 艉0 6 - a c 屹w ，0 ”p 霹 ：鎏。鍪萝饕鬓i ； j 。 “ 、 v c a ；a 。 1 d + b # a d c 一 v s s a 奠勰唧飘f 矾一 v r e f h i 碱删幛# 靛6 庳n 曲4 9 0 0 i _ f - n , 啦f 。 d a r a m c b 2 ) v r e f l o 3 2 w o r d sx i n t 2 ，a d c s o c , q o 眺 s c i t x o ，i o p a 0 v o d 辖。艟 s c i s c l r x 0 n o p # p 0 2 v s s s 4 m f w o r d s ) “s p i s p c l k t l o p c 4 s p i s t e f i o p c 5 一a s h 、o _ 洳il v c c p ! s v ) ( 3 2 k w o o d s ： 4 k 1 1 2 k 1 l 黜4 k 谨bl p 能 f 0 _ 7 f o p a 档，班 lp o m8 o _ 7 1 0 p b r 0 ：7 1 d i g i t a li o l ， p i n s ) l p or t0 f 0 ) 1 0 p d 渤 h e f d - 7 l o p e 擗州 翼西 f ? o 薯i 。 帐戢， o p f p ：越 ， 可雨 ，? 鼍篙鬻螂、 珀0 t o m s j y a g p o t c k e m u 0 m u p d p + n t a c p 1 船e p l i l o p a 3 0 c a p 2 ，q e p 2 t o p a 4 + ! 一 置i 薯i j j c a p 5 m e p 4 t l o p f 0 c a p 刘o p a 5 p n m l n o p a 8 刚 舱t i o p a 7 一e v e n tm a n b g e r a 警薯 | _ e v e n t m a n a g e r 8 粥蝌# 3 p b 8 。； 巷i 釜i ；蕊，? j j3 x c , b t _ l c e 嘲 p w p , t 4 p 8 器o 渊犟舯醐蝴黻- 奄k o 啪8 啪摊醛 p w 野i o p 8 2 o u l w u t o u t ，l n _ | t p w m “l o p b 3 2 g pt i m e 2 x 钟t i m e r s t p w m t 1 p w h t n l c m p e o p 8 t 3 p w m 丌3 c m p t l 0 p f 2 忍p w m 2 0 m 刚 o 靼5 t 4 p w m n 4 c m p i i o p f 3 t o i r o t o i r b _ 3 0 , p f 4 e “w m o 7 t c “l 拍 t o p f 5 。 一； ” ： 陶3 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的功能结构( n 9 3 is t r u c t u r eo f t m s 3