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摘要 摘要 随着现代电力电子设备和非线性负载的大量使用，造成了电能污染日趋严重，电能 质量监测成为电能质量监控的一个关键环节，在电力系统运行管理和技术监督中起着重 要的作用，同时也是保证电力系统良好供电的必要手段。研发功能强大的电能参数监测 系统，使之能详细记录电力系统运行过程中的电能质量指标、监测电能质量污染源，从 而为电网电能质量的治理和改善提供依据，对保证电力系统的安全、经济及稳定运行有 重要的意义。 市场上使用的电能质量测试装置大致分为两类，一种是性能优良但是价格昂贵，一 般用户很难接收。另一种就是价格便宜但功能简单，不能全面的掌握电能质量各种参数。 因此，本设计就是设计一种功能齐全、适于市场需求的电能参数测试仪。 本文对电能质量概念进行讨论的基础上，从硬件设计、软件设计方面介绍了以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 为核心的电力参数测试仪的研究，主要包括的内容：结合 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的特点进行信号采集、数据分析、人机接口和通讯等模块的软硬件功能 设计与实现。利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 自带的1 0 位a d c 模块进行对电网的电能参数的测 量，给出电压和电流有效值、功率以及电能等电参量的测量原理，比较了谐波测量的几 种常用算法。采用同步锁相技术，实现同步采样，提高了采样的精度。采用数字信号处 理技术进行电参数的测量，在提高精度、实时性和智能化、系统化水平方面都有独特优 势。 关键字：电力参数；d s p ：电能质量；谐波分析；同步采样 大连交通大学- t ：学硕十学传论文 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fm o d e m p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , p o w e rq u a l i t yi s d e t e r i o r a t e di n c r e a s i n g l y p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gi sak e y p a r tf o rt l l ec o n t r o l l i n go f p o w e rq u a l i t y i ta l s op l a ya l li m p o r t a n tr o l ei ns u p e r v i s i n ga n dm a n a g i n go fp o w e r s y s t e m ，a n da tt h es a m et i m ei ti sac e c e s s a r ym e a n sf o rp r o v i d i n gb e t t e rp o w e rq u a l i t y i t i so fg r e a ti m p o r t a n tt or e s e a r c ha n dd e v e l o pap o w e r f u lf u n c t i o n sp o w e rq u a l i t y m o m t o n n gs y s t e m ，w h i c hc a nn o t ei n d e x e so fp o w e rq u a l i t ya n dc a ns u p e r v i s ep o l l u t i n g s o u r c ed u r i n gr u n n i n gi nd e t a i l t h e np r o v i d ee v i d e n c ef o ri m p r o v i n ga n dr e n o v a t i n gt h e p o w e rq u a l i t y , a n de n s u r et h es e c u r i t y , s t a b i l i z a t i o n ，e c o n o m yo ft h ep o w e rs y s t e m a c t u a lu s eo fp o w e r q u a l i t yt e s t i n gd e v i c e sg e n e r a l l yf a l li n t ot w oc a t e g o r i e s o n ei s p e r f o r m a n c ef i n eb u te x p e n s i v e ，g e n e r a lu s e r sc a nn o ta f f o r d ，t l l eo t h e ri ss i n g l eo r i n e x p e n s i v eb u tf u n c t i o n a l t 1 1 ep a r a m e t e r sc a nn o tf u l l yg r a s pt h eq u n a l i t yo fe l e c t r i c a l e n e r g y t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a lt od e v e l o paf u n c t i o n a la n ds u i t a b l ef o rt h ep r o m o t i o no f e n e r g y - q u a l i t yt e s t i n gd e v i c e s b a s e do nd i s c u s s e ro ft h e p o w e rq u a l i t y e o n c e p t i o n ，t h et h e s i si n t r o d u c e ss o m e r e s e a r c hf i n d i n g so fp o w e rp a r a m e t e rt e s t i n gd e v i c eb a s eo nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7t h a t a u t h o rd e s i g na n dd e v e l o p sf r o ms o f t w a r ea n dh a n d w a r e t h e ya r em a i n l ya sf o l l o w s ：t h e t h e s i sd e t a i l e d l ya n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i co ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，a n dt h er e a l i z a t i o no f h a r d w a r e & s o f t w a r ef u n c t i o no ft h ed e v i c e ss i g n a ls a m p l i n g ，d a t aa n a l y s e ，m a n m a c h i n e m o d u l ea n dc o n m m u n i c a t i n gm o d u l e i tu s e10 - b i ta d cm o d u l et om e a s u r e p o w e r p a r e m e t e r sa n dg i v e st h em e a s u r i n gp r i n c i p l eo fs o m ee l e c t r i cp a r a m e t e r s ，e f f e c t i v ev a l u e o fv o l t a g ea n dc u r r e n t ，p o w e ra n de l e c t r i c e n e r g y , e t c c a m p a r i n g t h eh a r m o n i c m e a s u r e m e n to fs e v e r a lc o m m o n l ya l g o r i t h m s 1 1 1 es a m p l i n gf r e q u e n c yc a nt r a c kt h e f u n d a m e n t a lf r e q u e n c ya u t o m a t i c a l l yb yu s i n gp h a s el o c k i n gs y n c h r o n o u ss a m p l i n g t e c h n o l o g y t h a tw i l lb ei m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h es a m p l i n g m e a s u r i n ge l e c t r i cp o w e r p a r a m e t e r sb yd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a ss u p e r i o r i t yi n i m p r o v i n g m e a s u r e m e n tp r e c l s m na n dr e a l t i m e a tt h es a m et i m e ，d i g i t i z a t i o n gm e a s u r e m e n t m a k e st h em e a s u r e m e n ts y s t e mm o r ei n t e l l i g e n ta n ds y s t e m a t i s m k e y w o r d s ：p o w e rp a r a m e t e r s ；d s p ；p o w e rq u a l i t y ；h a r m o n i a n a l y s i s ；s i m u l t a n e o u s s a m p l i n g h 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整交通太堂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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：纭孑岛 日期：加汐年z 月，夕日 大连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太蓬塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属大整交通大堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。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及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：狱；幺 日期：硼年2 ，月，厂日 导师签名：窖辑 日期：删年胗月，厂e l 学位论文作者毕业后去向：六世机孕扬雨胁习 工作单位：久近扮分铷确m 司 通讯地址： 电子信箱：严心力7 穆矽，瑶h 电话：l ；6 i 蝌 邮编： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 电能质量的定义 在我国电力工业蓬勃发展、电力负荷急剧增长的同时，非线性和冲击性负荷也在不 断的增长，这些负荷对供电系统电能质量造成了严重的污染。另一方面，现代高度自动 化和智能化的工业用电设备也对供电质量提出了更高的要求，现代电力系统的特征赋予 了电能质量新的内涵和意义。 对于“电能质量”这个术语本身，从提出到确定费了很大周折。现在，一国际电气 电子工程师协会( i e e e ) 己正式采用“p o w e rq u a l i t y ”这一术语，在我国国家标准中也 沿用了这个术语【l j 。 但对于“电能质量仍没有一个公认的、全面的严格定义。比较著名的是由国际电 工委员会( i e c ) 提出“电磁兼容”这一概念，并定义了一些与电能质量相关的标准。 国内的一些高校与研究机构，也对电能质量的定义、包含内容等进行了大量的研究。 ( 1 ) 电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) ：即用实际电压与额定电压间的偏差( 电压幅值， 波形和相位的偏差) ，反映供电企业向用户供给的电力是否合格。 ( 2 ) 电流质量( c u r r e n tq u a l i t y ) ：即对用户的取用电流提出恒定频率、正弦波形要 求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行，这个定义有助于 电网电能质量的改善，并降低网损。 ( 3 ) 供电质量( q u a l i t yo fs u p p l y ) - 包含技术含义和非技术含义两个方面。前者指 电压质量和供电可靠性，后者指服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，包括供电企业对用户投 诉的反应速度和电力价格等。 ( 4 ) 用电质量( q u a l i t yo f c o n s u m p t i o n ) 包括电流质量和非技术含义。其中，非技 术含义包括用户是否按时、如数缴纳电费等，它反映供用双方的相互作用与影响以及用 电方的责任和义务【2 j 。 电能质量标准 到2 0 0 1 年为止，我国已颁布了6 项电能质量指标的国标，如下： 1 电能质量供电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 1 9 9 0 ) 2 公用电网谐波( g b i 1 4 5 4 9 9 3 ) 3 三相电压不平衡( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 4 ，电网频率( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 5 电压波动和闪变( g b t1 2 3 6 2 2 0 0 0 ) 大连交通大学下学硕十学位论文 6 暂时过电压和瞬态过电压( g b t2 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 1 1 2 电能质量问题的研究现状 在电力系统中，正常的电压和电流波形应当是工频下的正弦波，但是实际的波形总 有不同程度的畸变。尤其是近年来，配电网中换流器、变频调速、电弧炉、电气化铁路、 家用电子设备以及各种电力电子设备不断增加，这些负荷的用电特性( 非线性、冲击性 和不对称性) 使电力系统中的电压和电流波形发生了严重的畸变。因此，电能质量直接 关系到国民经济的总体效益。早期，人们对此认识比较简单，主要局限在保持电网频率 和电压水平上。自2 0 世纪8 0 年代以来，随着新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质 量的要求不断提高，特别是计算机设备、自动化生产流水线的大量应用，电能质量才逐 渐成为电力企业和用户共同关心的问题。国外有学者对此进行了大量调查、研究，并提 出了改进意见。在国内，目前电能质量中某些问题己成为电工领域的前沿性课题，吸引 了许多高等院校、科研院所的一大批科技人员投入其中进行研究。目前的研究主要基于 以下几个方面1 3 j ： 1 电能质量评价体系的建立 主要研究电能质量的定义、综合评价体系及在电力市场、智能建筑中的应用。 2 电能质量暂态信号的分类 主要研究各种暂态电能质量现象，如电压暂降、电压闪变、电压波动等产生的原因、 信号识别及抑制等。目前使用的分析方法较多，如小波变换、d q 变换、最优小波包基、 粗糙集、s 变换等。 3 谐波分析 谐波分析是电能质量中的重要研究内容，国内研究人员在这方面关注较多，主要研 究内容包括谐波、间谐波的产生、信号识别及抑制、谐波分析方法、谐波测量装置开发 笙 寸o 4 电能质量测试装置的开发 国内现阶段电能质量测试装置的开发，正进入一个澎渤发展期，各种测量装置层出 不穷。硬件方面有基于d s p 芯片、基于单片机、基于双c p u 系统、基于a v r 系统等， 软件方面充分利用了l a b v i e w 技术、c a n 总线、l o n w o r k s 总线、w e b 技术等技术， 实现在线检测。此外还有一些专f - i n 量电压闪变等暂态量的测量装置。 5 算法的开发 软件算法是电能质量研究的重要内容，国内外目前相关的算法研究主要致力于利用 f f t 算法、小波分析、窗函数等工具，进行信号去噪、信号提取以及谐波分析等方面的 处理，这方面的参考文献较多。 6 电能质量控制技术及控制装置 2 第一章绪论 电能质量控制技术及控制装置的研究涉及面也较广。为减小频率和电压偏差，应实 施电网调度自动化、无功优化、负荷控制等装置的开发和应用。在抑制谐波、降低电压 波动和闪变以及解决三相不平衡方面，目前已有几种装置可供选择，例如技术已相当成 熟的无源滤波器、静止无功补偿装置( s v c ) 等。美国著名的电力专家n g h i n g o r a n i 于1 9 8 6 年首次提出灵活交流输电系统( f a c t s f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) ，也 称为柔性交流输电系统，以及作为f a c t s 技术在配电系统应用的延伸d f a c t s 技术( 又 称c u s t o mp o w e r 技术) ，都已成为改善电能质量的有力工具。中国已成为继美、日、德 之后第4 个在大容量f a c t s 装置研制与应用方面拥有自主知识产权的国家【l 】。 1 1 3 现阶段电能质量测试装置的调查 1 电能质量测试分析与评估主要内容 作为大型的电能质量测试分析与评估，主要包括以下五个方面：公用电网公共供电 点( p p c ) 的电能质量监测、干扰负荷测试与评、估电能质量纠纷测试、电力设备电磁 兼容测试、电能质量控制装置对电能质量改善效果的测试和评估。 对于公共供电点，电能质量测试的具体项目有：干扰负荷不运行的情况下，测量频 率偏差、谐波电压、谐波电流、电压偏差、三相不平衡度、电压波动与闪变等电能质量 参数。接入干扰负荷情况下，测量公共供电点电能质量参数、测量干扰负荷的干扰参数、 注入电网的主导谐波电流、注入电网的负序电流无功波动和无功冲击、有功变化趋势和 有功冲击。 2 测试方法 测试时间长度：应能包含干扰负荷运行的全部工况。 测试间隔：根据干扰负荷运行时，功率变化的频度确定，一般选择5 s 5 m i n 。 测试信号：三相电压，三相电流。 3 产品化电能质量测试装置现状 传统的供电方案中，包含有对电能质量的监测，如对p p c ( 公共连接点) 电压、频 率等的监测。近年来兴起的变电站综合自动化技术，甚至将保护控制和部分电能质量的 监测集成到了一起。然而，传统的电能质量监测方法和手段仍然无法满足供用电双方对 电能质量更高的监测要求。这主要表现在以下几个方面口j ： 第一，传统的电能质量监测方法一般不能实现或不能完全实现对电能质量的实时监 测。一般只是在需要时才对电能质量进行检测，而这对于电能质量波动较大的情况，如 系统中存在大功率的电弧炉和整流设备时往往不能得到全面的电能质量信息。 第二，传统的电能质量监测不能综合考虑上述国标规定的五项电能质量的监测。由 于重视程度不够以及实现的困难，传统的电能质量测量、监测装置往往只能监测五项电 能质量中的一项或者几项，并不能实现五项电能质量的同时监测。 3 大连交通大学t 学硕十学位论文 第三，传统的电能质量装置一般都只是考虑稳态电能质量的监测，很少有对动态电 能质量比较综合的监测装置。因为动态电能质量持续时间很短，监测难度比较大。 第四，传统的电能质量监测装置多采用模拟元器件，受器件性能和信号处理方法的 限制，精度往往不能达到要求p 引。 就目前市场上成熟的电能质量相关产品来看，可以分为两大类：一类是电能质量监 测产品，另一类是电能质量治理产品。前者主要包括电能质量监测仪、电能质量分析仪 等后者包含的种类较多，如无功补偿装置、调谐滤波装置、有源滤波装置、无源滤波装 置、电压发生器等。在电能质量监测产品领域，高端产品的市场份额被美国f l u k e ( 福禄 克公司) 、瑞士l e m ( 莱姆公司) 、瑞典u n i p o w e r 公司等国际电能质量领域的知名公 司占据。这些公司的产品代表了国际最先进的技术水平，但价格也不菲其他较有影响力 的企业还包括深圳领步科技有限公司、上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽振兴科技 股份有限公司等在电能质量治理产品领域，g e 、a b b 、s i e m e n s 公司都有相关产品，特 别是高端产品如s v c 、s v g 、a p f 、d v r 、s t a t c o m 等，这些国际电气巨头在市场上 占据着主导地位。芬兰诺基亚电容器有限公司、国内的中国电力科学院电力电子公司、 鞍山荣信电力电子公司、时代集团，以及前述的深圳领步科技有限公司、上海宝钢安大 电能质量有限公司等，其产品在市场上都占据着一定的份额1 2 。 1 2 本课题的提出和研究意义 由上面分析可知，现在国内的电能质量分析产品，有一种两极分化的现象：一类是 高端产品，主要由国内外知名企业生产，价格昂贵，但是产品功能强大，能够测量包括 稳态、暂态量在内的绝大部分电能参数，并且有着良好的存储、联网与图形显示功能。 由于价格昂贵，这些产品大部分都用于电力公司、电力研究部门，应用范围不是太广。 另一类是中低档产品，主要由国内中小企业生产，产品价格相对便宜，但产品性能稍差， 测量的参数较少，精度低，不能很好的再现故障，且大都没有联网测量功能。这些产品 能够适合大部分普通用户的需求，但对于要求测量要求比较高的场合，有点力不从心。 基于上述认识，根据电能质量的定义及应用，本课题提出研究一种基于t i 公司 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的电能参数测试仪，该装置以数字信号处理技术为出发点，采用 更灵活、更准确的数字信号处理算法程序进行数据处理，减少硬件成本，使电力参数监 测符合数字化技术发展的需要。这些数字信号处理技术包括同步技术、实数快速傅里叶 变换( f f t ) 技术、各种数字滤波技术等。通过这些数字技术的应用，本监测仪能比较 准确地测量分析出电压和电流有效值、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、3 1 5 次谐波电压和电流含量、总谐波畸变度、尖峰平谷分时电能等。同时，可根据要求不 同应用于低压开关柜、配电盘及电能综合管理系统、工厂能源管理系统和分布式综合电 4 第一章绪论 力参数采集、控制系统，能够单独工作，具有较高精度，也能相互间实现联网测量，形 成一个大型测量网络，实现单个仪器难以实现的功能，使本监测仪的开发具有较强的现 实意义。 通过对装置采集到的多个电力参数进行监测分析，可以了解公用电网电能质量的水 平和存在的问题，找出电网受哪些因素影响以及产生电网电能质量下降的部门，为相关 电力部门提供电力系统运行的基本状态和性能情况，从而对公用电网的性能做出正确和 全面的评估。这样，我们可以根据测试仪的结果，对电网产生干扰和影响的地方进行检 查和维修，避免电力部门和用电厂家电力设备的损耗，提高用电效率和用电质量。 本章小结 本论文的内容包括5 章，第一章为绪论，介绍了本课题的研究背景、研究意义以及 全文主要工作和内容安排。 第二章介绍了交流常用的几种方法，着重讨论了电力参数测量的方法，并给出了相 应的计算公式。 第三章为硬件的系统设计。详细说明了电流、电压传感器、a d c 采样、液晶显示 及按键，通讯等各个硬件部分设计思路、器件选择以及电路原理图。 第四章为软件设计开发环境。主要介绍了c c s 集成发开环境的介绍以及相关使用 方法，如何使用c 语言进行d s p 开发。 第五章为系统软件设计。主要阐述了系统的初始化设计、各种算法的实现以及外围 设备的控制，并给出了主要子程序的源代码。 大连交通大学t 学硕十学位论文 第二章电力参数测量及谐波分析原理与算法 电力系统的电压、电流的理想波形是标准的正弦波，正弦波供电能够提高效率。然 而正弦波形只是一种理想状态，实际上是不可能完全实现的。对于一个畸变的非正弦周 期函数，可以用傅里叶级数表示： f ( t ) = a o + 4 所c o s ( w l f + q 1 ) + + a h 所c o s ( p 胁+ p 矗) + 其中，4 为直流分量，为周期分量的峰值，吼是响应周期分量的初相角。由于电力 系统中的非正弦周波都是不规则的畸变波形，所以无法从函数解析式转化为上式，进而 获得谐波参数。常用的方法是对该种波形的连续时间信号进行等间隔采样，并把采样值 转化为数字序列，然后借助相关算法进行谐波分析【i 6 1 。 电力参数的测量主要包括：电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率、视在 功率、功率因数、频率等。而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。直流采样法是把交流电压、电流信号转化为直 流电压，采样经过整流后的直流量，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数 值，这种方法的主要优点是算法简单，便于滤波。但直流采样法存在一些问题：测量精 度直接受整流电路的精度和稳定性的影响，整流电路参数调整困难且受波形因素影响较 大。此外，用直流采样法测量工频电压、电流是通过测量平均值来求出有效值的，当电 路中谐波含量不同时，平均值与有效值之间的关系也将发生变化，给计算结果带来了误 差。因此，要获得高精度、高稳定性的测量结果，必须采用交流采样技术1 1 9 】。 交流采样技术是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值 处理，从而获得测量方法。该方法的理论基础是采样定理，即要求采样频率为被测信号 频谱中最高频率的2 倍以上，这就要求硬件处理电路能提供较高的采样速度和数据处理 速度。目前，高速单片机、d s p 及高速a d 转换器的大量涌现，为交流采样技术提供 强有力的硬件支持。 2 1 交流采样的实现方法 交流采样法，即直接对连续的模拟信号进行等间隔采样，再用特定的数值算法( 如 d f t ) 进行处理得到谐波结果。但由于存在栅栏效应和频谱泄漏，采样前常需要采取同 步措施校准。根据校准措施不同，交流采样法可分为同步采样法、准同步采样法、非整 周期采样法等。 2 1 1 同步采样法 同步采样法是指采样时间间隔z 、被测交流信号周期t o 和一个周期采样点数之间 6 第二章电力参数测量及谐波分析原理与算法 满足关系式t o = n z 。但实际采样中暇不一定是一个整周期，故同步采样法需要保证 采样截断区间等于被测连续信号整周期的整数倍。同步采样法的实现方法有两种：硬件 同步采样法和软件同步采样法。软件同步采样法一般实现方法是：由d s p 提供同步采 样脉冲，首先测出被测信号的周期，用该周期除以一周期内采样点数，得到采样间 隔，进而确定定时器的计数值，利用定时中断方式实现同步采样。硬件同步采样法是： 由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲，它能克服软件同步采样法存在截断 误差等缺点，测量精度高。硬件同步采样一般是利用锁相频率跟踪原理实现同步等间隔 采样的，原理框图如图2 1 所示。 图2 1 倍频锁相同步电路 f i g 2 1l o c k f r e q u e n c ys y n c h r o n o u sc i r c u i t 在相位比较器p d 、低通滤波器l p 、压控振荡器v c o 构成的锁相环内加入分频， 输入被测信号的频率z ，作为锁相环的基准频率，输出五为采样频率。五经分频与z 相比较，根据锁相环工作原理，锁定时f o n = z ，即f o = m 。由于锁相环的实时踪性， 当被测信号频率，变化时，电路能自动快速跟踪并锁定，始终满足f o = n f , 的关系，即 采样频率为被测信号频率的整数( ) 倍，从而实现一周期内等间隔采样点，从本上克 服了软件同步采样法存在的上述问题j 。 此外，还可以将分频系数设计为程控可调，则可以根据不同频率的被测信号及 d s p 、a d 转换器的速度，动态改变值，以达到最好的效果1 2 ”。 本文采用硬件同步采样法，利用锁相电路来构成频率跟踪电路，然后通过分频电路 来控制a d 转换的触发信号，从而实现同步等间隔采样。 2 1 2 准同步采样法 实际采样测量中，采样周期经常不能与被测信号周期实现严格同步，即次采样不 是落在执区间上，而是落在拥+ 区间上( a 称为同步偏差或周期偏差) ，产生了同步 误差。为解决该项误差，在八十年代初，清华大学戴先中教授提出了准同步采样法，即 7 大连交通人学t 学硕十学何论文 在l i 不太大的情况下，当满足n ) ( 2 n + ) m 2 r e ( m 为最高谐波次数) 时，通过增加 采样数据量和增加迭代次数来提高测量准确度。它不要求采样周期与信号周期严格同 步，不要求同步环节，对第一次采样的起点无任何要求。准同步采样降低了对信号频率、 采样时间间隔和振荡器频率的要求，因此可以用要求低的振荡器代替同步采样中要求高 的同步环节，使测量装置简单，简化电路。 准同步采样法的不足之处在于，它需要通过增加采样周期和采样点数，并采用迭代 运算的方式来消除同步误差，所需数据较多，计算量较大，运算时间长，不适合多回路、 多参量、实时性要求高的交流测量系统，而且受短暂突发性干扰的影响可能性比同步采 样法大。 2 1 3 非周期采样法 由于同步偏差会对谐波分析造成误差，人们采用准同步采样、加窗技术等来抑制频 谱泄漏误差，但在原理上，它们多少存在着测量方法上的误差。因此，哈尔滨工业大学 的张剑秋等提出了一种“非整周期采样理论”，所谓非正周期采样就是采样时间间隔 z = k ( 1 一, ) r u ( i a i 为同步偏差，丁为信号周期，为采样次数，k 为采样周期 数) ，对连续周期信号进行采样。非正周期采样谐波分析方法所需要的数据可以仅约为 一个周期，从而使谐波分析有可能跟踪信号的波动，且不管实际采样是否同步，均能准 确地分析谐波。该方法适合于快速测量，但采样保持误差、a d 转换器误差、外部或 内部随机干扰以及计算机舍入误差等对非整周期采样谐波分析方法的影响，还有待于进 一步研究。 对于分析样本值获取结果来说，谐波检测方法也可以划分为傅里叶变换法、瞬时无 功功率理论法、小波变换法、神经网络方法等，其详细的内容可以参考相关文献，本文 不进行论述。考虑到数字信号处理在电力系统测量方面的优势及用可算法的成熟程度， 本文设计的电力参数测量模型及实时测量系统采用传统f f t 算法，并通过锁相同步硬 件技术修正其测量误差【3 0 】。 2 1 4 几种交流采样方法的比较 1 、同步采样法在理论上只需一个周期的数据即可，但要求有同步触发脉冲需与被 测信号严格同步，软件同步采样法要求的时钟频率要高。 2 、非同步采样法不需同步环节，但要求更高的采样频率，测量频率范围宽了。 3 、准同步采样法不要求采样周期与信号周期同步，但增加了运算量和运算时间， 不适于实时在线测量1 2 4 j 。 2 2 电力参数算法 8 第二章电力参数测最及谐波分析原理与算法 从有效值的定义可知，有效值是按照功率来定义的，即被测电压( 或电流) 与一直 流电压( 或电流) 在同相阻止的电阻上，在相同时间发热相等，就认为被测电压( 或电 流) 的有效值等于该直流电压( 或电流) 的幅值。 l 、交流电压、电流有效值的测量 设输入电压、电流为甜( ，) 和f ( ，) ，计算某一周期电压、电流信号有效值如式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 。 u = 晒 i = 阿 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中，甜、z 一为f 时刻的电压、电流信号瞬时值材( ，) 、i ( t ) ；丁一该电压信号波形 的周期；u 一交流电压信号有效值，一交流电流信号有效值。如果将式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 离散化，以一个周期内有限个( n 个) 采样电压、电流数字量来代替电压、电流函数， 则 u = i = 式中，丁一相邻两次采样的时间间隔：、一分别为第n 个时间间隔的电压、 电流信号瞬时采样值；一一个周期的采样点数。 若相邻两次采样的时间间隔都相等，丁为常数。因为= 面t ，则有 u = 晤n - i i = = ( 2 3 ) ( 2 4 ) 这就是根据一个周期内采样瞬时值及每周期采样点数计算电压、电流信号有效值的 公式。 2 、平均功率w 的计算 形= 寺”厶 ( 2 5 ) 急”“ 其中，为电压、电流的一个周期的采样点数，当一个周期内采样点数越多时，使 9 石石 石脚l_脚 厅盯厅盯 大连交通大学t 学硕十学位论文 用式( 2 5 ) 的误差越小，精度越高。 3 、有功功率p 、无功功率q 和视在功率s 的测量 正弦波情况下，有功功率为尸= v l c o s 巾，但是在电压、电流含有各种谐波的情况下， 此时的有功功率为尸= 毒j ：；材( r ) f ( f ) 破。那么单相有功功率离散化后可得： 尸= 专 ( 2 6 ) n = 0 其中，为三相电压、电流的瞬时采样值。使用该公式的最大优点就是省去了 测量各次谐波的电压和电流之间的相角。但电压和电流的采样值必须是同时进行采样， 这里面隐含了电压和电流是每周期内等间隔采样的。如果没有同时采样和等间隔采样这 两点要求，则计算结果就会存在很大的误差。 对于视在功率，我们可以采用当前的电压有效值和电流有效值相乘来计算： s = u i( 2 7 ) 根据有功功率、无功功率、视在功率之间的关系来计算无功功率为： p ：s 2 一p 2 ( 2 8 ) 另一种计算无功功率的方法是使用电压的瞬时采样值和当前的电压采样值相差n 4 点的电流采样值相乘，即 1 一1 q = 吉。 ( 2 9 ) n = 0 这种方法可以通过原始数据直接计算出无功功率，减小了传递误差。其算法原理是： 一v ，。相当于与电压波形相差兀4 的电流采样值，假设原电压、电流之间的相位差为咖， 通过将电压和移相兀4 的电流值对应相乘，有功功率的公式p = u 1 c o s 巾移相兀4 后， 公式变为尸= u i c o s ( 巾一9 0 ) ，也就变成了无功功率的公式q = u is i n e ，但这种算法还是 存在很大的缺陷，如果波形中含有高次谐波，那么采用移位n 4 点相乘的算法就不能计 算出此时的无功功率了。 三相功率为： 吃= 只+ 最+ 只， 绒= 9 + 绋+ q ( 、 ( 2 1 0 ) 由于采用的功率算法仍然属于实时算法，也就是说每读入一格新的采样值后，都要 进行一次功率计算。 4 、功率因数的测量 由于前面已经测出了电压、电流的有效值以及平均功率，故功率因数( p o w e rf a c t o r 第二章电力参数测鼍及谐波分析原理与算法 用符号p f 代表) 可表示为： p f = c o s t # ( 2 1 1 ) 式中，p f 为功率因数；s 为视在功率；尸为有用功率。q 为电压和电流之间的相 位角，对于q 可以通过测量电压波形和电流波形的过零点之间的时间差来获得。但在有 谐波的情况下，电压和电流之间的相位角q 就不再是单纯的基波之间的相位角了，而是 波形叠加后的一个综合值。而且电压和电流之间的相位角也不容易直接测量，其原因是 电压和电流的波形中不但含有直流分量，还含有基波分量、高次谐波分量。也就是说此 时功率因数不仅仅是基波电压和电流之间的相位交的余弦值，而应该是基波和各次谐波 相位角余弦的折算值。从功率因数的定义式出发，来对其进行计算，于是有 p f = c o s t p = i p 利用式( 2 1 1 ) 可计算出9 = a r g c o s p f ，其中叩为相位角。因为公式使用了反余弦 函数，这里的叩的取值范围应该在 0 ，兀】之间，怎样得出电流是超前还是滞后于电压呢， 具体的相位角应该在那一个象限，算出这个值才能计算出电路是容性还是感性的，这在 进行无功补偿中具有重要的意义。可以用公式( 2 9 ) 来计算得到无功功率q ，并用它 同有功功率的符号来共同确定相位角所在的象限，进而同功率因数的余弦值一起来计算 出电压、电流的相位角。这也要求每读入一个新的采样值就要进行一次功率因数和相位 角的计算【3 l 】。 5 、电能的计算 对于一个负荷，在时段 n ，t 2 】内消耗的电能可以表示为 j t r r = 肛( q ( o d t 对上式离散化可得 w = 乙 ( 2 1 2 ) _ ” ”。 其中，z = 可t 2 - t l ，则上式( 2 1 2 ) n - l 改为 w = ( t 2 一t 1 ) - 专x “。乙= ( t 2 - t 1 ) p ( 2 1 3 ) r a = 0 其中，尸为有功功率，则上式即为所求的有功电能，( t 2 一t 1 ) 为计算的时间差。 2 3 傅里叶变换 数字信号处理算法的特点是对大量数据进行相同的操作、实时性强。作为数字信号 处理的一种算法，快速傅立叶变换同益广泛的应用于工业控制和信号处理等各个领域。 大连交通大学t 学硕十学位论文 f f t 比d f t 的计算量减少了很多，但f f t 要做到多点、实时运算，对于普通单片机 来说还是一件比较困难的事。 进行有限离散傅立叶变换的快速算法，简称f f t 。一个复杂的波形可以分解为一系 列谐波。针对这一物理现象，在数学上建立并发展了一套有效的研究方法，这就是傅立 叶分析。利用电子计算机进行傅立叶分析，主要处理离散函数的傅立叶展开，也就是三 角函数的插值问题。一维d f t 所作的工作主要是把一个n 元数组a ( i ) ( i = 0 ，l ， n 1 ) 通过一种线性变换变成另一个n 元数组x ( i ) ( i _ o ，l ，n 1 ) 。如果直接计 算全部数组元素大约需要进行2 次的乘法和加法运算，当n 很大时其计算量是很惊人 的。1 9 6 5 年美国人库利和图基提出一种能大幅度减少运算次数的快速算法，即f f t 算 法，它的基本原理是将一个变换分解为两个变换的乘积，并利用三角函数的周期性质， 将原先的变换公式重新组合为新的公式，从而把运算次数减少到l o g ；的量级。这就是说， f f t 算法比d f t 算法提高工效n l o g 多倍，例如n = 2 2 0 时，约提高5 万倍速度，可见 当n 很大时，这是一个了不起的提高。f f t 技术在谱分析、数字滤波、结构分析、系 统分析、图像与信号处理，以及物探、天线、雷达、卫星、医疗等众多技术领域已获得 成功的应用【捌。 频谱分析的主要理论基础是傅立叶变换。从信号分析的理论可知，任何信号只要满 足傅立叶变换条件，总可以分解为不同的谐波分量，而每一个谐波分量可由其振幅和相 位来表征。各次谐波可以按其频率高低依次排列起来成为谱状，按照这样排列的各次谐 波的总体称为频谱。信号中所含的各次谐波幅度( 振幅) 值的全体成为幅度( 振幅) 谱， 它表征信号的幅值随频率的分布情况，各次谐波相位值的全体成为相位谱，它表征信号 的相位移随频率的分布情况。而表达各次谐波能量( 或功率) 的全体成为能量谱( 功率 谱) ，利用频谱分析方法，找出该信号的频谱或功率谱，并且可以根据测量得到的信号 谱来分析检测信号的特征。 傅立叶变换是一种将时域信号转变为频域信号的变换形式，是数字信号处理中对信 号进行分析时经常采用的一种方法。离散傅立叶变换( d f t ) 是数字信号处理领域的工 具之一。但由于d f t 的计算量太大，应用受到限制。后来快速傅立叶变换( f f t ) 的出 现，使得d f t 在实际中得到了广泛应用。如果采用常规的傅立叶变换，则该算法的运 算量会特别大，不适于需要高速运行的嵌入式控制系统中采用，而通常方法是采用快速 傅立叶变换( f f t ) ，实现f f t 通常有两种方法：第一，按时间抽取( d i t ) 的f f t 算 法。第二，按频率抽取( d i f ) 的f f t 算法。 对点序列戈( 玎) ，其d f t 变换定义为： _ 一1 x ( k ) = x ( 刀) 嘭 n = 0 1 2 第二章电力参数测母及谐波分析原理与算法 z 矗 七= 0 ，l ，n 一1 ；w n e 一百 式中x ( k ) 是时间序列x ( 船) 的频谱；为蝶形因子，其具有如下性质： 形o = 1 ， w 陀= 一1 皑 = k ， w 川( 2 + ，) = 川 其基本运算单元如图2 2 所示。 xm ( p ) m ( q ) 图2 2 第m 级蝶形单元 f i g 2 2 m b u t t e r f l yu n i t x m + l ( p ) x m + l ( q ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 蝶形信号流图中的输出序列x ( k ) 是按七由小到大顺序排列，而输入序列x ( ，z ) 是按 码位倒序排列【2 3 1 。 2 3 1 时间抽取f f t 时间抽取f f t 是将n 点的输入序列矗按照偶数和奇数分解为偶序列和奇数列两个 序列： 偶序列：x ( o ) ，x ( 2 ) ，z ( 4 ) ，一，x ( n - 2 ) 奇序列：x o ) ，x ( 3 ) ，x ( 5 ) ，x ( n - 1 ) 因此，x ( 玎) 的点f 刀可以表似乎为： x ( 七) = x ( 2 n ) 昭础+ x ( 2 n + l 渺v ( 2 肿1 弦 ( 2 1 6 ) 根据： 暇= p 2 矧 2 = p 印叫蚴h ( 2 可得到： x ( j j ) = x ( 2 ，z ) 蟛：+ 畋x ( 2