（电子科学与技术专业论文）基于dsp的电能质量监测仪设计与开发.pdf

硕l ：学位论文 a b s t r a c t a st h ep o w e rq u a l i t yi s s u e sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，t h el o s so fl i f e a n dp r o p e r t yc a u s e db yp o w e rq u a l i t yw a sg r o w i n gu p ，s op e o p l ep a i dm o r ea t t e n t i o n t ot h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g 1 no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g hp r e c i s o n ， r e a l t i m ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g ，t h i sp a p e rd e s i g n e dap o w e rq u a l i t ym o n i t o rb a s e d o nd s p ( 1 ) t h i sp a p e rh a v es t u d i e dt h es i t u a t i o no fp o w e rq u a l i t yd e v e l o p m e n te i t h e r i nd o m e s t i co ro v e r s e a ，m e a n w h il e ，i n t e g r a t e dw i t ht h en a t i o n a ls t a n d a r d ，w eh a v e e s t a b l i s h e dt h er e q u i r e m e n to fh i g hp r e c i s o n ，r e a l - t i m ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g b a s e do nt h i s r e q u i r e m e n t ， t h i s p a p e ri n t r o d u c e dt h et h e o r y o fp o w e rq u a l i t y m o n i t o r i n g ，i n c l u d er m so fv o l t a g ea n dc u r r e n t ，p o w e r ，t h r e e p h a s eu n b a l a n c e ， h a r m o n i ca n df l i c k e r m e a n w h i l e ，w ea i s od e s c r i b e dt h ep r o b l e mw en e e dt oa t t e n t i o n i nt h ep r a c t i c a lu s i n g ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r ，c o m b i n ew i t ht h e p r i n c i p l eo fl o wc o s t ，w ed e s i g n e dt h eo v e r a l lp l a n n i n gf o rp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i t b a s e do nd s pa n dw o u l dd i v i d e di n t of i v em o d u i e s ，i n c l u d ep o w e rs e n s o rm o d u l e ， a n a l o gs i g n a lp f o c e s s i n gm o d u l e ，s a m p l i n gf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nm o d u l e ，a d c o n v e r tm o d u l ea n dd s pa n dp e “p h e r a l sm o d u l e e a c hm o d u l ew a sd e s c r i b e di n d e t a i l s ，i n c l u d et h ec i r c u i ts t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo fo p e r a t i o n ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r ed e s i g n ，w ed e s i g n e dt h es o f ! t w a r eb a s eo nt h e d s p b i o sr e a l t i m ek e m e l t h es o f t w a r ew o u l dd i v i d e di n t ot h r e em o d u l e ，i n c l u d e m a i np r o g r a mm o d u l e ，d r i v e ra n di n t e r r u p tp r o g r a mm o d u l ea n dm o n i t o r i n ga l g o r i t h m p r o g r a mm o d u l e e a c hm o d u l ew a sd e s c r i b e di nd e t a i l s ( 4 ) a c c o r d i n g t ot h eh a r d w a r e a n ds o r w a r e d e s i g n ， w eh a ds u c c e s s f - u l l y d e v e l o p e dt h es a m p l em o n i t o r ，a n dw e 厅n i s h e dt h et e s to ni t t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h e d a t ao fp o w e rq u a l i t yp r e c i s i o nt e s t i n ga n de m ct e s t i n g ，a n dw ea n a l y s i st h ee r r o r r e s o u r c e t h en n a lr e s u l to ft e s t i n gh a ds h o wt h a tt h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o rw h i c hw a s d e s i g n e di nt h i sp a p e rw a sa b l et om o n i t o r i n gv a r i o u sp a r a m e t e r s ，i n c l u d er m so f v o l t a g ea n dc u r r e n t ，p o w e r ，v o l t a g eh a r m o n i c ，c u r r e n th a m o n i c a n ds oo n k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t ym o n i t o r ；f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nm o d u i e ；h a r m o n i c ； f l i c k e r 硕 ：学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景和研究目的 电能作为现代社会生产力发展的重要保证，人民群众的同常生活的必需品，受 到了越来越多的重视，电能也有其质量的好坏。电能质量是指通过公用电网供给用 户端的交流电的品质。一个理想的电力系统应该以恒定的频率( 5 0 h z ) 和标准的正 弦波形，按规定的电压水平( 标称电压) 对用户供电。 在三相电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等，相位互差1 2 0 。 的对称状态【lj 。然而，在实际中，这种理想的情形往往不存在。电力系统中往往存 在着各种不同的问题，例如谐波、三相不平衡、电压波动、闪变等，这些因素严重 危害电力系统中设备的运行，尤其是那些高敏感负荷。例如，一个计算中心失去电 压2 s 就可能毁掉几十个小时的数据处理结果，造成巨大的经济损失【2 l ；电力系统 中如果谐波含量超标就会诱发继电保护装置或其他自动化设备的误动作；三相电压 不平衡的存在会引起电机附加振动力矩以及发热。 随着我国经济不断的发展，越来越多的精密加工、芯片制造、高新科技企业在 各个工业园孵育出来，这样带来的效应是对供电电能质量的要求也是越来越高。伴 随着这种效应，电能质量污染所带来的危害日益凸显出来，并呈现越来越严重的势 态，给人们的生产和生活造成的损失也越来越大，带来了诸多不利，基于此，有必 要对电能质量各项指标进行有效的监测和研究，这样不仅对现场电能质量问题的治 理具有重要意义，也对于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性方面起着重 要的作用。 1 电能质量的定义 i e c 标准对于电能质量的定义：电能质量是导致用电设备故障或不能正常工作 的电压、电流或频率偏差。其内容涉及电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、频率偏 差、波形失真、电压波动和闪变以及三相不平衡度等【3 1 。 i e e e 认为合格的电能质量的概念是指：给敏感设备提供的电力和设置的接地系 统是否均适合于该设备正常工作( 在很多情况下，接地系统对电能质量的影响很大， 以往对其认识不足) 1 4 j 。 迄今为止我国颁布电能质量系列标准有：g b t 1 5 5 4 3 一1 9 9 5 电能质量三相 电压允许不平衡度1 5 j ；g b t 1 4 5 4 9 一1 9 9 3 电能质量公用电网谐波【6 】；g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪变i g b l 2 3 2 5 2 0 0 3 电能质量供电电压允许 偏差【8 j ；g b t 1 8 4 8 卜一2 0 0 1 电能质量暂时过电压和瞬态过电压1 9 j ；g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差i 旧】。国标将反映电能质量的6 个主要指 摹十d s p 的l 乜能质量监测仪设计j 开发 标包括在内，这些指标和电力系统正常运行状态密切相关l 。 2 电能质量污染所带来的危害 电能质量问题对电力系统、供电部门以及系统用户带来严重的危害，其主要 表现在以下几个方面1 1 2 】： ( 1 ) 谐波使公用电网系统下的设备元件产生了附加谐波损耗，降低了发电， 输电和用电设备的效率( 导致用电量大大增加) ，大量的3 次以上的谐波流过中性 线路时，会使线路过热损坏甚至发生火灾造成巨大的损失。 ( 2 ) 谐波还影响各种电气设备的正常工作，谐波对电机的影响除了引起附加 损耗以外，还会引起机械振动、噪声的增加和过电压；使变压器，电容器、电缆 等设备发热。加速设备绝缘老化、减少使用寿命甚至设备损坏报废。 ( 3 ) 当电机承受三相不平衡电压时，将产生和正序电压相反的旋转磁场，在转 子中感应出两倍频电压，从而引起定子、转子铜损和转子铁损的增加，使电机附加 发热，并引起二倍频的附加振动力矩，危及安全运行和正常出力。有数据显示，当 电动机在额定转矩下负序电压为4 运行时，仅根据附加发热，其绝缘寿命就会缩 短一半。 ( 4 ) 如果在电力系统中有较大的不平衡电压，特别是对一些动态的非线性不 平衡负荷( 如电弧炉、电气化铁路、电焊机等) ，则将在其附近电网中出现较高的负 序和谐波( 电压和电流) 。在其共同作用下，就会造成以负序滤过器为起动元件的继 电保护和自动装置的误动作。 ( 5 ) 电压波动和闪变会使照明设备产生频闪引起使用者视觉疲劳、偏头痛， 使电动机转速不均匀，影响产品质量。 3 电能质量监测的目的 电能质量监测对于研究电能质量问题，改善供电质量，减少工业生产和居民生 活中的因电能质量问题引起的危险以及损失方面起了很重要的作用。因此电能质 量监测成为电力系统中研究的热点问题，其监测的意义以及目的如下l b l ： ( 1 ) 通过对电能质量的监测，可为电力部门提供电力系统运行的基本状态和 性能情况，据此了解公用电网电能质量的水平和存在的问题，从而对公用电网的 性能做出正确和全面的评估。为电力技术工作者，提供了治理电能质量问题的重 要参考。 ( 2 ) 为供电公司和用电企业之间就电能质量问题引起的纠纷，提供了确实可 靠的证据。 ( 3 ) 增强和提高整个电力系统的电能质量。通过电能质量的实时监测，可进 一步研究各种增强和提高系统运行质量的方法和技术，在此基础上，通过实施网 络的改进，从而使电能质量得以优化。 硕1 ：学位论文 1 2电能质量监测仪国内外研究现状及发展趋势 1 国外研究现状 近年来，电能质量问题在发达国家的电力公司已被提上议事日程，他们十分重 视电能质量的影响，成立专门负责电能质量管理的机构，做了大量工作来解决用户 的电能质量问题。国外发达国家对电能质量进行了多年的研究，取得了许多重要的 理论和应用成果。掌上型电能质量分析仪表的代表美国f l u k e i l 4 j 公司宣称：您的配 电系统将无秘密可言，可见该类型产品其监测功能是相当强大的，概括起来：该 产品监测的参量多而且全面，它能够时时刻刻监控所有传输线上的电能质量，甚至 电能质量的每一个参数。具有9 个通道，可以监控零线和地线，可以监控3 相配 电系统中电能的各个方面，没有盲点或问隙。瞬态电能问题处理能力很强。自 适应门限功能，该功能优化了事件的捕获，不用担心丢失事件或是存储器中充满噪 声。所有这些功能的实现，都必须有强大的软硬件技术支撑，尤其是暂态扰动的监 测，首先需要有非常高的采样频率，其次要求有相当成熟的信号处理算法。 f l u k e 电能质量监测产品还配备有电能质量分析软件和s c e n a r i o 软件，两个软件 包均可以和电能质量记录仪进行数据通信，以图形的方式显示电力系统的参数，同 时具有数据管理工具。有两个可选的软件包可用于电能质量分析：报告编写器软 件，该软件可以分析收集柬的所有数据， 并在m i c m s o rw o r d 中插入图形的功能， 可以利用其对事件进行分类、概括数据， 方便的创建文档和报告；轮询和报警 ( p o l l i n 2a n da l a 姗) 软件，该软件可以从多个监控点自动收集数据，通过运行报 警程序，可以向工程技术人员报告严重的事件。s c e n a r i o 软件包可以进行预示分析、 管理数据，提前发出警告，避免停工：可以在一个时间标尺上绘制多个测量时段 的数据，包括了用于比较多个数据库中的趋势的工具，计算电能质量指标，可 以表征电力系统的总体性能的参数，利用电能质量指标，可以表征系统性能的趋势。 在线式电能质量监测仪的供电系统也是相当重要的，f l u k e 内部配备有镍镉电池， 通电后自动充电，断电后对设备供电5 分钟，然后停电，恢复供电后自动恢复监测。 类似于f l u k e 公司，u n i p o 、e r 产品的监测功能也较强。其现场数据自动存储在 仪器内部的f l a s h 存储器内，存储容量可以达到2 3 周的数据，然后通过p c o n l i n e 软 件上传到p c 机，或者使用p q s e c u r e 软件自动下载到s q l 数据库。 i o n 7 5 5 0 和i o n 7 6 5 0 【”j 是加拿大p o 、v e rm e a s u r e m e n t ( 现在s c h n e i d e r 公司的 p o w e r l o g i c 部门) 公司最新推出的集谐波分析、闪变、波形采样与电压上冲下陷记录、 电压不平衡度测量、故障录波、事件记录、测量、控制等多功能为一体的分布式在 线电能质量监测装置，应用于监测电能质量是否符合五项国标或i e c 标准。 i o n 7 5 5 0 从l o n 7 6 5 0 发展而来，i o n 7 6 5 0 从l o n 7 6 0 0 发展而束。在前者基础上， i o n 7 5 5 0 和l o n 7 6 5 0 有3 点提高：采样分辨率增加，以捕获更快速的瞬念电能质 基于d s p 的电能质量豁测仪设计与开发 量扰动；增加了数据采集板上的内存容量；增加了更多的通信功能。 国外的电能质量监测产品，功能完善、测量精确，具有很大的市场份额。同时 这些产品的技术功能，测量精度对本文设计的电能质量监测仪有很强的指导和参考 意义。 2 国内研究现状 由于近些年来，国内电力部门对电能质量的高度重视，越来越多的研究力量、 资本力量投入到了电能质量的研究中去。其中具有代表性的企业是宝钢安大和安 徽振兴。宝钢安大电能质量监测产品1 1 6 】经历了p q l 0 6 i i p q l 0 6 i i i p q l 0 4 的演变 过程。p q l 0 6 i i 电能质量远程监测仪是安装在变电站用以监测用户受电端电能质量 的现场监测仪器。它可以监测电能质量是否符合国家标准，并在超标时输出报警 信号。分布在各监测点的p q l 0 6 l i 通过网络与电能质量监督管理中心主机构成电能 质量监督管理网络，以实现区域内电能质量监测、控制与管理的要求，是p q l 0 6 的 第二代产品。p q l 0 6 l i i 电能质量远程监测仪是一套安装在现场，对现场各供电回路 电压、电流信号，开关状态进行在线的监测，分析各回路电能质量和基本电力参 数的智能仪器。除了常规电能质量监测功能以外，主要增加了故障录波、电容器 组不平衡电流故障预报功能。p q l 0 4 是p q l 0 6 i i 的升级产品，除了常规电能质量监 测，增加了暂时过电压、电压跌落与凹陷、电压中断监测功能，监测回路最多可 扩展到2 3 相电压、2 3 相电流。 类似于宝钢安大，安徽振兴的产品i j 7 】演变路线为：p s 2 一p q n e t p q n e t 2 。p s 2 电能质量分析仪是依据我国目前公布的电能质量五个国家标准、 并参考了有关国际标准，针对电力、化工、冶金、电气化铁路等行业的具体情况 而研制开发的电能质量综合测试分析仪器。p s n e t 电能质量监测系统主要是在 p s 2 基础上增加网络功能，并对原装置的操作进行简化，专门针对变电站设计的 新一代电能质量监测装置。它既可作为单独监测仪安装于各个变电站( 或其它监 测点) ，也可通过网络与电能质量监测管理部门( 如谐波监测站等) 联接，构成监 测网络系统。 通过对国内市场上产品的调查，了解了本文设计产品的产品定位，确立产品 的功能需求，对本文起了很好的借鉴作用。 3 发展趋势 电能质量监测仪的发展方向是利用已经建立的信息网络更广泛的获取电网的 运行数据，对电能进行实时监测、实时分析与识别、事故诊断处理和信息反馈， 实现对电能质量各项指标的综合评价，达到准确预测电能质量的目标，提出优质 可靠的供电方案，建成全面质量管理系统。随着网络通信技术和信息技术的迅速 发展，电能质量监测技术正向着网络化、信息化、标准化的方向发展1 1 8 j 。 4 顾l ：学位论文 1 3 作者的研究工作和论文主要内容 1 作者的主要研究工作 该课题来源于湖南大学与深圳华力特电气股份有限公司的校企合作项目，由作 者和同学及公司有关技术人员共同完成。作者承担的主要研究工作如下： ( 1 ) 项目实施的可行性论证，整体构架和设计方案。 ( 2 ) 电能质量监测仪的模拟电路设计与调试，d s p 硬件电路设计与调试，d s p 程序设计与实现。 ( 3 ) 电能质量监测仪的测试与分析。 2 论文的结构和主要内容 本文主要包括以下几个方面： ( 1 ) 第l 章绪论。通过跟踪国内外电能质量监测仪的研究状况，详细研读电 能质量国家标准，瞄准国外领先技术，分析国内市场产品现状，给本文设计的电 能质量监测仪提出了详细要求和具体任务。 ( 2 ) 第2 章电能质量参数监测方法分析。研究了电能质量参数的监测理论， 详细了解了电能质量的监测原理，钻研数字信号处理理论，分析了监测算法的不 足并加以改进。 ( 3 ) 第3 章电能质量监测仪总体结构与硬件设计。根据需求分析，结合现有 硬件条件以及市场需求，设计了电能质量监测仪的硬件方案，该方案包括五大模 块：信号传感器模块、信号调理模块、信号频率同步模块、a d 模块、d s p 及外 围模块。 ( 4 ) 第4 章电能质量监测仪的软件设计与实现。本文在基于d s p b i o s 实时 操作内核的基础上进行了软件模块的设计。软件模块分为主程序模块、驱动及中 断程序模块、测量程序模块。本文详细的阐述了各个模块的程序流程，并给出了 程序流程图。 ( 5 ) 第5 章电能质量监测仪测试与分析。根据硬件与软件设计，本文成功研 制出样机，通过样机完成了精度测试、电磁兼容性测试和安全性能测试，并对测 试中发现的问题加以改进。 最后进行总结与展望。 基于d s p 的咆能质量雌测仪设计j 开发 第2 章电能质量参数监测方法分析 本文设计的电能质量监测仪测量电流电压有效值、有功功率、无功功率、功率 因素、三相电压和三相电流不平度、电压以及电流谐波等参数。由于本文所设计 的电能质量监测仪是基于d s p 的数字化测量技术，所以每种参数的测量方法均给 出数字信号处理的方法。 2 1 电流电压有效值的检测 由于在实际测量中考虑到输入信号中含有直流分量以及谐波分量，则 三相电压的数学表达式为： u 一( ，) = u _ 。+ u 砌研 ( ，删，+ 。) ( 2 - 1 ) ”= l u 口( ，) = u 肋+ u 砌锄( 删，+ 5 c ，砌) ( 2 - 2 ) u ( o ) = u c 。+ u ( h 玎( m w + l l c ，( _ ) ( 2 3 ) ”= l 三相电流的数学表达式为： ，。( r ) = ，月。+ ，一。跏( 疗w f + ) _ ，= j j 8 ( ，) = ，肋+ ，肌研疗( 门w f + ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ，r ( ，) = t o + ，( _ 跏( 肟w ，+ ) ( 2 6 ) = l 式中u 砌，【，砌，u _ ，l 。，k ，厶_ 分别表示彳，b ，c 三相电路第胛次谐波电压、 第刀谐波电流的幅值，式中沙一。，砌，鲵。，经_ 分别表示么，b ，c 三相 电路第刀次谐波电压、第”次谐波电流的初相角。( 底数为0 和1 分别代表直流分 量和基波分量) 现有两种方法计算有效值。第一种方法就是用各次谐波的峰值计算有效值， 公式如下： 三相交流电压有效值 嬲= y b 嘲s 2 6 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 一 2 砌 一 2 砌 一吒 一吆 一。脚一。脚后压 硕一j ：学位论文 三相交流电流有效值 k 辱 ia r 憾2 jb 邮= i c 懈= ( 2 9 ) ( 2 一l o ) ( 2 一l1 ) ( 2 1 2 ) 第二种方法是根据有效值定义，将u ( f ) ，( ，) ，( r ) ，l ( ，) ，口( r ) ，七( f ) 离 散化，用离散求和的方法来计算有效值，可得： 三相交流电压有效值 r - _ 可一 圪嬲2 专善吖o ) ( 2 - 1 3 ) f 面一 2 专善“u ) - 1 4 ) f 一 2 持善嵋u ) - 1 5 = 相交流电流有效佰 l = 斯 i = 踺而 k 旷氍焉 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 式中为每次计算有效值时采样的点数，个点的采样周期长度必须是电网 基波周期的整数倍。( 假设电网频率为5 0 h z ，则采样周期可以为2 0 m s ，4 0 m s ，6 0 m s 等等) 式中( z ) ，( ，) ，u j ( ，) ，l ( ，) ，厶( ，) ，( d 分别为电压、电流在第j 个采 样点的采样值。由于第二种方法直接方便，避免了谐波分量的计算，本文采用第 二种方法。 基于d s p 的咆能质量骼测仪设计与开发 2 2 功率的检测 2 2 1 有功功率的检测 在任意单相电路中所称的有功功率，一般是指平均的有功功率，其定义为： 尸= 专知坝咖 若电压甜( ，) 和电流f ( f ) 为正弦波，则有尸= c o s 口，u 和，分别为电压和电流的 有效值，口为“( f ) 与f ( f ) 的初相位差。 由2 1 9 式，有功功率的计算为： 只= 专善矿“d ( 2 2 0 ) b = 专姜吲旷以f ) ( 2 - 2 1 ) 圪= 专缸( f “f ) ( 2 2 2 ) 其中为采样一个完整的电流或电压周期的采样点数，电流和电压必须同时采 样才能保证计算的正确性。 2 2 2 视在功率、功率因素和相位的检测 正弦波电压和j 下弦波电流产生的视在功率定义为： s = ( 2 2 3 ) u 和，分别为电压和电流的有效值，采用功率直角三角形定理有： r _ = s 月= 、群+ 彰 ( 2 - 2 4 ) & = 厮 ( 2 2 5 ) & j = 厮 ( 2 2 6 ) 功率因素为： = 妾 ( 2 ：打 = 妾 弦2 8 ， 8 硕十学位论文 腿2 嚣 相位的计算 p o ，q o ，伊= a 1 c c o s ( 尸s ) p o ，妒= a 1 c o s ( 尸s ) p o ，q 0 ，q o ，妙= 2 万一铷- c c o s ( p s ) 2 2 3 无功功率的检测 正弦波电压和正弦波电流产生的无功功率定义为： q = m s i n 口 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 31 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) u 和j 分别为电压和电流的有效值，口为“( ，) 与f ( f ) 的初相位差。无功功率的计 算比较复杂，目前还没有统一的算法，本文采用式2 3 5 、式2 3 6 和式2 3 7 来计算无 功功率。 奶2 亩善u ) 吖+ ，4 ) ( 2 - 3 5 ) 昕专善吲矿以“4 ) ( 2 - 3 6 ) 鲸2 专善u c ( 矿t ( “4 ) ( 2 - 3 7 ) 其中为采样一个完整的电流或电压周期的采样点数，则4 为石2 个周期 的相移，电流和电压必须同时采样才能保证采样的正确性。 2 3 频率的检测 频率的测量一般采用周期法。首先对电网电压信号进行过零检测，在三个过零 点之间的时问问隔内，用计数器对某固定频率信号( 时标信号) 进行计数( 时标 信号要远远大于电网基波频率) ，设时标信号的频率为厂，三个过零点之间( 一个 完整的周波) 的计数个数为，则电网电压频率为厂。 2 4 三相不平衡度的检测 三相不平衡度是指三相电力系统三相不平衡的程度，也有定义为相电压或相电 流对于三相电压或电流平均值偏移的最大值。常用电压或者电流负序分量与正序 分量的均方根值的比的百分比来表示f5 1 。 正序分量：口，6 ，c 三相幅值相等，相位为口相超前6 相1 2 0 度，6 相超前c 相1 2 0 度。 9 基于d s p 的电能质量豁测仪设计与开发 刚圈 亿删 阱豳 亿 式中，口= 脚= 一三+ f 鲁，彳= 一撕= 一三一f 害，u ，分别代表正序分量、负 式中：吼一在3 s 内第七次测得的不平衡度； m 一在3 s 内均匀间隔取值次数( m 6 ) 。 l o ( 2 - 4 2 ) 硕l ：学位论文 对于特殊情况，也可由供用电双方另行商定每次测量的取值方法。 2 5 闪变的检测 2 5 1 闪变检测的基本参量 国家标准g b l 2 3 2 6 1 9 9 0 电能质量电压允许波动和闪变 1 中定义，闪变是 灯光照度不稳定造成的视感。因此，对闪变的评价是依照光源的照度变化为基础 的，它可理解为人对白炽灯明暗变化的感觉，包括了电压波动对电工设备的影响 和全部有害作用，但不能以电压波动来代替闪变，因为闪变是人对照度波动的主 观视感。电压闪变检测的有关参量如下： ( 1 ) 闪变觉察率f ( ) 为了解闪变对人的视觉反应程度，i e c 推荐采用不同频度、相位、幅值的调幅 波和工频电压作为载波向工频2 3 0 v 、6 0 w 的白炽灯泡进行供电照明，经过对观察 者的抽样调查，闪变觉察率f ( ) 的统计公式为： f ：二尘l 1 0 0 ( 2 4 3 ) 式中彳一没有觉察的人数； 曰一略有觉察的人数： c 一有明显觉察的人数； d 一不能忍受的人数。 ( 2 ) 瞬时闪变视度感s ( t ) 电压波动引起的照度波动对人的主观视觉反应程度称为瞬时闪变视感度。通常 以闪变觉察率为5 0 作为瞬时闪变视感度的衡量单位，即定为s = 1 觉察单位。周 期性或近于周期性的电压波动对照度波动的影响很大。 ( 3 ) 视度感系数k ( f ) 人的脑神经对照度变化需要有一个最低的记忆时间，高于某一频率的照度波 动，一般人就觉察不到，这一频率称为停闪频率。根据统计，人的眼和脑对白炽 灯照度波动的视感，对于2 3 0 v ，6 0 w 白炽灯的闪变觉察频率范围约为l 2 5 h z ， 而闪变敏感的频率范围约为6 1 2 h z ，正弦调幅波在8 8 h z 的照度波动最为敏感。 人对照度波动的最大觉察范围不会超过0 0 5 3 5 h z ，这两个频率限值均称为截止 频率。截止频率的上限值即是停c i 4 频率。闪变是经过灯一眼一脑环节反映人对照 度波动的主观视感，s = l 觉察单位的正弦电压波动的特性曲线反映该环节的频率 特性。引入视度感系数k ( f ) 可以更为本质的描述灯一眼一脑环节的频率特性。l e c 推荐的视度感系数为： k = 等鬻怒勰舞畿辫 亿4 4 ， 基于d s p 的咆能质量峪测仪设计与开发 2 5 2 电压闪变的测量方法 1 电压闪变测量理论基础 本论文采用i e c 推荐的平方解调检波法进行分析与研究n 引。要对闪变进行检 测，首先就是要准确提取出电力信号中的波动信号 2 刚托。可以把工频额定电压信 号视为载波信号，该载波的幅度受到频率范围为o 0 5 3 5 h z 的电压波动信号调制。 波动的电压中提取出调幅波的方法很多，l e c 推荐采用平方解调检波法检测波动电 压乜纠，设电压一般表达式可写成： ”( ，) = 彳( 1 + m c o s q ) c o s 纠( 2 - 4 5 ) 式中彳工频载波电压的幅值； 彩工频载波电压的角频率； 肌调幅波电压的幅值系数； q 调幅波电压的角频率。 为求电压的波动只需提取出调幅分量朋c o s q f 。将上式平方得： 材2c ，= 等c - + 譬，+ 刚2 c 。s q + 竿c 。s 2 q + 等( 1 + 车) c 。s 2 缈f + 华c 。s 2 ( 缈+ 卿 2 、2 7 4 、7 + 竿c 。s 2 ( 功删h 等c o s ( 2 国删，+ 等c o s ( 2 国删r ( 2 - 4 6 ) 平方后的信号，多了许多分量，为了提取计算闪变需要的删2c o s q r 信号，平 方后的信号“2 ( ，) 经过0 0 5 3 5 h z 的带通滤波器滤去直流分量和工频以上的分量， 便可检测出调幅波即电压波动分量，其输出为： 蒯2c o s q ，+ 堂c o s 2 q f ( 2 4 7 ) 4 由于m 远远小于l ，所以上式中的第二项分量很小，可略去，这样就得到了调 幅波。为了将频率为扬的正弦波电压换算到等效的8 8 h z 的正弦波电压，对解 调出来的删2c o s q ，信号进行视度感加权滤波，根据视度感系数公式2 4 4 ，滤波输 出为七，删2 c o s q 。 视度感加权滤波后，将信号再次平方 ( 1 蒯2c o s q f ) 2 = 去2 m 2 彳4 ( 1 + c o s 2 q f ) ( 2 4 8 ) 信号平方后分为两个部分，直流分量和谐波分量。计算闪变需要的是直流分 量，所以我需要将高次谐波分量滤除。采用平滑加权滤波器将谐波分量滤除，然 后得到的信号就是j | ，2 朋2 彳4 ，最后通过闪变统计就能得到闪变的数值。 1 2 硕十学位论文 2 电压闪变监测的实现方法 1 9 8 6 年，国际电工委员会( i e c ) 依据1 9 8 2 年国际电热协会( u i e ) 的推荐， 给 出闪变的检测规范，见图2 1 。 图2 1 l e c 推荐的闪变仪框图 框l ：将信号进行平方。 框2 ：解调滤波提取平方信号中的调幅分量。这里带通滤波器由截止频率 o 0 5 h z 的高通滤波器和截至频率3 5 h z 的低通滤波器构成，去除信号的直流分量 和工频及以上的频率分量。 截止频率为o 0 5 h z 的一阶高通滤波器的传递函数为： ( s ) = j 弩 ( 2 4 9 ) 1 + 三 式中国= 2 万o 0 5 5 。 为了提高一阶高通滤波环节的收敛速度，信号在进入一阶高通滤波器之前应先 滤除其中的直流分量，即将信号减去“2 ( f ) 的均值。 截止频率为3 5 h z 的低通滤波器选择6 阶巴特沃斯滤波器，其传递函数为 = 瞧峥 - i 协5 。， 式中彩= 2 万3 5 s 一，6 l = 3 8 6 4 ，6 2 = 7 4 6 4 ，良= 9 1 4 1 ，包= 7 4 6 4 ，良= 3 8 6 4 ，魄= 1 0 。 框3 ：视度感加权滤波器的中心频率为8 8 h z ，传递函数为： l + 三 蕊 q 。5d 毡 咄 式中的七= 1 7 4 0 8 2 ，a = 2 万4 0 5 9 8 1 ，q = 2 7 r 9 15 4 9 4 ，哆= 2 万2 2 7 9 7 9 ， 皑= 2 万1 2 2 5 3 5 ，红= 2 万2 1 9 0 。 根据公式2 4 4 ，加权滤波的特性是将频率为他的正弦波电压波动换算成等 效的8 8 h z 的j 下弦波电压波动。 基十d s p 的电能质量监测仪设计与开发 框4 ：将信号平方。 框5 ：平滑加权滤波由一阶低通滤波器组成，其截止频率为o 5 3 h z 。采用这个 滤波器的目的在于提取信号中的直流分量。其传递函数为： ( s ) = 二一 、7 1 + o 3 s 框6 ：统计分析，将框5 输出的s ( t ) 值从最小到最大值进行分级， 应该不少于6 4 级，对于第i 级，累积概率a 下( f ) 定义如下： 研= 型笔黼笋 闪变评价常用的一个指标是短期( 1 0 分钟测量时间) 闪变值乞， 电工委员会定义，是一项重要的电能质量指标，只，由下式求得： ( 2 - 5 2 ) 通常情况下 ( 2 - 5 3 ) 该值由国际 只= 瓶面而汀面砸耳而丽酉而赢孓丽 ( 2 5 4 ) 式中：昂。、鼻、只、分别为十分钟测量时间内，累积概率c p f 值超 过0 1 、1 、3 、1 0 和5 0 的视感度值。 长时闪变值易( 2 个小时) 可由个连续的乞按下式计算得到： 乞= 辱 ( 2 5 5 ) 2 6 谐波的检测 在工业生产中，电能质量问题往往是由于谐波引起的，因此电能质量监测仪 要特别注意监测谐波问题。首先介绍一下谐波的相关术语。 谐波：对周期性非正旋信号进行傅立叶级数分解，除了得到与基波频率相同 的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这些分量称为谐波。谐波与基 波频率的比值( 刀= 五z ) 称为谐波次数。 谐波含量：通常用某次谐波幅值相对于基波幅值的百分数来反应该次谐波的 含量。 总谐波畸变率( t h d ) ：谐波总有效值对基波有效值的比的百分数。设【，。为七 次谐波电压值，七= 0 ，1 。 瓜- 一 吼2 d ：! 丝_ _ 一1 0 0 u 1 ( 2 5 6 ) 1 4 硕 ：学位论文 2 6 1f f t 算法 谐波的测量目前主要使用传统的f f t 算法【2 3 儿2 4 1 ，以a 相电压为例，为了书写 方便，采用复数指数的方法，电压的离散f o u r i e r 变换如下： u 。：羔1u ( 啪一- ，令：e 一一，则u 。= u ( f ) p 。| ，令= e ，则 一l u 。= u f = o ( f ) 形 基2 时分f f t 算法如下： 一l u 。= yu 一 ，= o ，2 一i = 【 ( f ) 形 u ( 2f ) 肜? 睹+ ，= 0 ，2 一l = 【 j = o ，2 一l u ( 2f + 1 ) 2 “】 ，= o 己r ( 2f ) 肜2 + 形芦 ，2 一l ，= o = 胛7 1 ( 2 偶数) + 噼别叮( 2 奇数) u ( 2f + 1 ) 2 】 由嘴州陀= 吲佗峨= 一孵的性质，继续推导： u + ，2 2 一i u ( f ) f = o 2 一i f ( 七+ | ，2 ) | v = 【u ( 2f ) “川2 ，= 0 _ ，2 一l = + ，2 一l o ( 2 - 5 7 ) ( 2 - 5 8 ) u ( 2f + 1 ) 形| i j 2 1x “川2 】 u0 2i 、) ww ；n j2 1 七w ；枷 ，= 0 _ ，2 一l = 【 ，= 0 u ( 2f ) ，2 一形# 2 一l ，= o = 别叮( 2 偶数) 一蚍引叮( 2 奇数) 2 一l ，= o u ( 2f + 1 ) 分川2 】 u ( 2f + 1 ) 缈0 卢2 + 川2 】 ( 2 5 9 ) 根据上面推导，可以发现2 个相差2 次的谐波计算只是其中奇数项符号的改 变。这样，可以进一步把2 点子序列再按其奇偶部分分解为两个4 点的子序 列，如此反复，由此可以推出快速傅立叶算法。基2 时分解示意图见图2 2 ( = 8 ) ： 1 5 p 基于d s p 的电能质量雌测仪设计与开发 x 【o 】 x 【4 】 x 【2 】 x 【6 】 x 【刀 x 【5 】 x 吲 科7 】 图2 2 基2 时分f f t 算法结构图 石【o 】 虹j 】 x 【2 】 虹3 x 【4 】 x 【5 】 虹6 】 虹7 】 f f t 算法使用中要特别注意频谱泄露以及栅栏效应担引，以下两节将详细介绍这 两个问题。 1 频谱泄露 在实际使用f f t 算法进行谐波测量的时候，所要进行运算的信号是经过采 样，保持和量化后的有限长度的数字信号，这就相当于用一个矩形窗对原始无限 长信号进行截断。根据数字信号处理中的卷积理论，时域相乘对应于频域中卷积， 所以截断后的信号的频谱为原始频谱和矩形窗的频谱做卷积。图2 3 为频谱为6 4 点矩形窗的频谱，可以清楚的看到，矩形窗的频谱分布在整个频域。由于矩形窗 在时域中为有限信号，则其频谱为无限信号，这样截断后的信号的频谱就“泄露” 到了整个频域中。同时泄露也会造成混叠，因为泄漏将会导致频谱的扩展，从而 使最高频率有可能超过折叠频率：2 ，造成频率响应的混叠失真。减小泄露的方 法，一种是加大矩形窗的长度，这样造成的结果就是f f t 的运算量激增，这是设 计中不想看到的；另一种就是加窗，使数据不会突然截断，而是缓慢的截取，窗 函数频谱的旁瓣能量比较小，卷积后造成的泄露也会更小。 2 栅栏效应 在数字信号处理中，时域和频域信号都是离散的，那么在非同步采样的时候， 由于实际信号的各次谐波分量并未能正好落到频率的分辨点上而是落在了2 个离 散的频率分辨点之间，这时，f f t 就不能得到各次谐波分量的准确值，而是该谐 波分量临近的频率分辨点的值，真正的谐波被遮住了，同时看到的也只是一些“栅 栏 上的值，这就是通常所说的栅栏效应。减小栅栏效应的方法是采用同步采样， 是采样频率始终保持为信号频率的整数倍。 1 6 硕+ t 学位论文 图2 3 矩形窗函数频谱图 2 6 2 谐波的测量方法 工业中用于计算谐波与间谐波的方法一般是采用经典的快速傅立叶变化，在 使用f f r 算法时候，必须注意几点。首先，采样频率必须大于n y q u i s t 频率，同时 为了消除栅栏效应，采样的时问必须是采样的信号周期的严格整数倍，但是电网 的频率是不断波动的，采用固定频率采样就必然带来很大的栅栏效应，本文采用 硬件锁相环跟踪电网信号频率，并通过同步信号来控制采样频率以达到同步采样 的目的，这样就有效的减小了栅栏效应。 对于频谱泄露问题，可以通过加窗1 2 5 2 7 】来进行解决。 数值实验表明若用矩形窗对信号进行截断，主瓣对旁瓣的泄露最大可达 1 3 d b 。为了减少频谱泄露本文采用汉明窗，该窗的旁瓣最大泄露为一3 l d b ，对于 远隔旁瓣以幽i b 个的速度下降。该窗的函数表达式为： ( 以) = 【o 5 一o 5 c o s ( 罢) 】 ( 2 6 0 ) v l 其时域和频域的图形见图2 4 。 对于完全相干的等幅度正弦信号，不同的窗函数对离散傅立叶变换输出信号幅 度有不同的影响，相干增益6 就是度量该影响的指标。 篁， 乙【以) 艿= 生生一 j ( 2 6 1 ) 对于矩形窗和汉明窗，相干增益分别为l 、0 5 1 25 1 。在加窗f f t 后要对幅值除 以相应的相干增益。 基十d s p 的t 乜能质量监测仪设计j j 开发 图2 4 汉明窗的时域