（控制理论与控制工程专业论文）电能质量监测仪设计.pdf

摘要 电能质量监测仪是一种用于监测电网运行状态的的工业仪表。它能实时提供电压、 电流、有功功率、无功功率、频率等电能质量的基本参数，而且能对电力系统的谐波、 三相电压不平衡度、电压波动和闪变等电能质量指标进行分析，为电力部门对电能质量 的监测提供了强有力的支持。 本电能质量监测仪主要是以数字信号处理技术为核心，采用更灵活、更准确的数字 信号处理算法进行数据运算，并且使用了新的数据处理方法，实现了对电能质量各种指 标的精确计算和分析，减少了硬件成本，使电能质量监测更符合数字化技术发展的需要。 该监测系统聚用了t i 公司的1 6 位定点d s p 芯片t h s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 、电压和电流精密 互感器、抗混叠滤波电路、六通道同时采样的高速a d 转换器a d s 7 8 6 4 、键盘、图形液 晶显示器、r 5 - - 2 3 2 串行通讯接口等，硬件成本低，简便易用。 关键词：电能质量监测仪；16 位定点d s p ；数字信号处理 a b s t r a c t t h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o ri sak i n do f m e a s u r i n gi n s t r u m e n tm o n i t o r i n gt h eo p e r a t i o n s t a t eo fe l e c t r i cp o w e ri ni n d u s t r y , w h i c hc a np r o v i d et h eb a s i sp a r a m e t e r so f p o w e rq u a l i t y s u c ha sv o l t a g e ，e l e c t r i cc u r r e n t ，a c t i v ep o w e r ，r e a c t i v ep o w e ra n df r e q u e n c y , a n dm o r e o v e r , c a l l a n a l y z et h ei n d e x e so fp o w e rq u a i l t ys u c h a s p o w e rh a r m o n i c ，t h r e e p h a s ev o l t a g e a s y m m e t r ya n dg r i dh a r m o n i cv o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e rf o rt h ef a k eo fp r o v i d i n gt h e b e t t e rs u p p o r tf o re l e c t r i cp o w e r d e p a r t m e n tm o n i t o r i n gp o w e rq u a l i t y i no r d e rt oc a l c u l a t ea n da n a l y z ea c c u r a t e l yt h ei n d e x e so fp o w e rq u a l i t y , t h i s p o w e r q u a l i t ym o n i t o r i sa c c o r d i n gt ot h ec o r eo f d 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 ym o s t l y ，a d o p t s t h em o r ea g i l ea n da c c u r a t ea r i t h m e t i co f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dm o r e o v e ru s e st h en e w d a d a p r o c e s s i n gm e t h o d s ，w h i c h c a nr e d u c et h eh a r d w a r ec o s ta n da c c o r dw i t h t h e r e q u i r e m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h em o n i t o rs y s t e mi sm a d eb yt h e16 - b i t f i x e d p o i n td s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，t h e p r e c i s ep o t e n t i a l t r a n s f o r m e r sa n dc u r r e n t t r a n s f o r m e r s ，a n t i a l i a sf i l t e r ，6 - c h a n n e l s i m u l t a n e o u s s a m p l i n ga n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r t o r a d s 7 8 6 4 ，k e y b o a r d ，g r a p h i c sl c d ， r s 一2 3 2i n t e r f a c ee t c w h i c hi sc h e a pi nc o s ta n de a s yt oc o n t r 0 1 k e yw o r d s p o w e rq u a li t y m o n i f o r ：16 - b i tf ix e d p o in t d s p ；d i g i t a f s ig n a p r o c e s s in g 电能质量监测仪设计 0 前言 随着我国电力市场的逐步建立，对电能质量提出了越来越高的要求。电力用户也要 求高质量的电能来保证其设备、仪器和系统的正常运行。但是，随着现代科学技术的迅 猛发展，方面，由于电力电子设备的应用领域越来越广，特别是各类冲击负荷和非线 - 睦负荷容量的不断扩展，使得电网中电压波形发生畸变，电压波动、闪交和三相不平衡 等问题时：舒发生，严重地影响了电能质量：另一方面，由于人们越来越多地使用精密和 复杂的电子设备，如计算机、通信设备以及各种过程控制系统来处理和管理工作过程和 事务。这就要求高质量和高可靠性的配电系统，以提供与之相适应的电能。而且，随着 电力工业的飞速发展以及电网的不断扩大，电力运行对电力调度自动化水平的要求和安 全性的要求越来越高，电力调度需要各种功能更为齐全、操作更为简便的各种电力检测 仪器仪表。但是，目前为止用于监测电网用户端电能质量的仪器仪表并没有普及使用， 而日。随着电力工业的发展和电能质量概念的逐步深化，电能质量监测发生了新的变化。 以前用单片机组成的电能质量监测仪不仅计算能力不强、运算速度慢，且不太适合镘数 字信号处理用。基于此，为了能对新形势下电力系统的电能质量进行监测与测量，研制 了基于d s p 的电能质量监测仪。它的主要应用对象包括变电所、用户变电站、公用变电 站和设备配电线路等终端，并可以作为电能质量分布式数据采集系统的测量装置终端， 适用于地理比较偏远、环境比较险恶的地方。 所谓电能质量，是指将发电厂发出的电能看作一种商品，从而对它的各种技术指 标作出规定，以判断其是否合格。在理想的交流供电系统中，三相交流电压是平衡的， 电压和电流的波形呈正弦波都处于无畸变状态。然而，在实际情况下，电能在输送过程 中会受到各种用电负荷的影响，到达用户的电可能会偏离正弦波形而发生畸变。由于高 压直流输电系统、变频器、可控整流器、电弧炉和电动机车等的应用，使得电压及频率 的稳定会受到负荷波动的影响，使电网中的谐波污染、三相电压的不对称性以及电压波 动和闪变目趋严重。同时，由于上述负荷的存在，使得电力系统中的供电电压即便是正 弦波形，其电流波形也将偏离正弦波形而发生畸变。当非正弦波形的电流在供电系统中 传输时，将迫使沿途电压下降，其电压波形也将受其影响而产生不同程度的畸变。这种 电能质量的下降会给电力系统和用电设备带来严重的危害。电网中谐波含量的增加，将 导致电气设备的寿命缩短，电网损失加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，严重时会 造成危险的过电压、过电流。同时还可能引起继电保护和自动装置误动作、仪表指示和 电度计量不准、使通信系统受干扰等一系列问题。由于电能质量关系重大，引起世界各 国的广泛重视。美国、欧洲等发达国家己进行了多年的研究，获得了大量的数据，并取 得了重要的理论和应用成果”。“。“”1 。我国对电能质量的研究正处于起步阶段，但也 取得了较大的进展。 早期的电能质量问题主要局限在频率偏移和电压偏移两个方面”1 。但是，二十世纪 八十年代以来，随着新兴负荷的出现对电能质量的要求更高，还需要设法解决诸如失去 电压、电压跌落和开关暂态等多方面的电能质量问题。目前，美国电气电子工程师协会 工业应用协会( i e e ei a s ) 和电力工程协会( i e e ep e s ) 、国际电工委会( i e c ) 、国际 大电网会议( c i g r e ) 等学术组织都开始对这些问题进行了专门的研究。在国内，电能 质量问题也已引起电力工作者的，+ 泛重视。由于出发点不同，电能质量存在很多不同的 电能质量啦测仪设计 定义：电力公司常将电能质量定义为供电可靠性并用统计数字来表示，而设备制造商则 将电能质量定义为能使设备正常运行的供电特征，因此不同的设备制造商往往采用不同 的电能质量指标。从用户方面考虑，电能质量定义为：导致用户设备失效或不能正常工 作的电压、电流或频率偏移。电能质量是其实质是电压质量，主要描述供电电压偏离其 理想状态的程度。其内容”“主要涉及以下几个方面： ( 1 ) 频率偏移 频率偏移是电能质量的一个重要指标。它定义为电力系统基波频率偏离额定频率的 程度。大容量负荷或发电机的投切以及控制设备不完善都有可能导致频率偏移。我国电 力工业技术管理法规规定，大容量电力系统的频率偏移不得超过o 2 h z 。一些工业 发达国家规定频率偏移不得超过0 1 h z 。 ( 2 ) 长时电压偏移 长时电压偏移是衡量电能质量的另一个重要指标。它定义为持续时间超过1 分钟， 稳态工频电压有效值超过规定限值的所有电压偏移，包括过电压、欠电压和持续失去电 压三种情况。常用电力网中各节点电压值对其额定值的偏移大小来表示，般规定长时 电压偏移的大小应在额定值的1 0 之内。 ( 3 ) 短时电压偏移 短时电压偏移包括电压跌落、电压升高和失去电压。电压跌落是指工频电压或电流 降低到0 1 p 0 9 p u 之间，持续时间在0 5 个周波到1 分钟之间的电压质量问题。电压 升高是指工频电压或电流有效值上升到i 1 p p 1 8 p p 之闻，持续时间在o 5 周波到1 分钟之间的电压质量问题。失去电压指的是供电电压或电流降到0 1 p p 以下，持续时间 不超过1 分钟的电能质量问题。 ( 4 ) 电磁暂态 电磁暂态是指电力系统从一个稳定状态过渡到另个稳定状态时，电压或电流数值 的暂四性变化。产生电磁暂态的主要原因有雷电波冲击和电力系统故障等。电磁暂态可 分为冲击暂态和振荡暂态两类。冲击暂态定义为电压或电流在稳态下的突然的非工频变 化，变化是单方向的。振荡暂态定义为电压或电流在稳态下的突然的非工频变化，变化 是双向的。 ( 5 ) 三相不平衡 不平衡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。在三相电 力系统中，三相不平衡的程度常用负序分量与正序分量有效值之比来表征。根据 g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度的规定，电力系统公共连接点正 常电压不平衡度允许值为2 ，短时不得超过4 。 ( 6 ) 波形失真 波形失真定义为理想工频正弦波的稳态偏移，常用其频谱含量来描述。波形失真主 要包括五个方面的内容：直流偏移、谐波、间谐波、陷波和噪声。交流电网中如果出现 壹流电压或电流，则称为直流偏移。谐波定义为具有供电系统基波频率整数倍频率的正 弦电压或电流。间谐波定义为具有供电系统基波频率非整数倍频率的正弦电压或电流。 陷波是由于换流器换相而产生的周期性电压干扰。噪声是指叠加在每相电压或电流、中 性线或信号线上的频率超过2 0 0 k h z 的不希望的电气信号。 ( 7 ) 电压波动和闪变 2 电能质量监测仪设计 电压波动是指电压包络线的规则变化或电压的一系列随机变化，但其变化范围在额 定值的1 0 之内。闪变指的是电压波动对照明设备产生影响，这个影响被人眼主观感 觉到了。 对于这些电能质量基本量的测量，以往的一般感应式电压表、电流表、瓦特表、功 率因数表以及相位表都不能做出精确的测量，所以对上述基本量的检测需采用数字式采 样原理，充分利用数字信号运算以及微处理器的长记忆和运算能力，对多种量值作出较 为精确的测量。随着单片机或d s p 等微处理器为基础的实时数字信号处理技术的迅速发 展，并得到“泛应用，采用模拟控制量的电能质量控制装置正用数字量控制代替。这有 如下优点：可以程序控制，改变控制方法或算法不必改变控制电路；提高了系统稳定性、 可靠性和灵活性，系统不受温度影响；可重复性好，易调试和批量生产；易实现并联运 行和智能化控制。单片机和d s p 的高可靠性、高稳定性以及它们的很强的处理能力，由 单片机或d s p 组成电能监测系统“是简便易行的途径，有着广泛的应用前景。 本电能质量监测仪主要是以数字信号处理技术为出发点，对电能质量各种指标进行 计算和监测，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，减少硬件的 成本，使电能质量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、实数快速傅立叶变换( 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，本电能质量监测仪能比较准确的测出电恻中的谐波，计算分析出电压波动的大小， 以及闪变的大小和电网中电压的偏差，频率变化的大小等各种电能质量指标的数值。然 后分析计算得到各次谐波电压含有率、各次谐波电流含有率、电压总谐波畸变率、基波 电压和电流、电压和电流有效值、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数等参数的 大小，反映出电能质量的水平。通过这些数据分析电网的状态，以此了解公用电网电能 质量的水平和存在的问题，找出电网受哪些因素影响，找出产生电网电能质量下降的部 门，为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。这样我们可以通过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。同时，向用户汇 报和提供报告，以便用户了解电能的性能情况，正确选择适应于电能的用户系统。总之， 此电能质量监测仪必须比较真实准确的反映出电网和用电部门中电能质量的当前实际 状态和电能质量水平，以此作为标准和依据对电网中的电能进行监测和维护。 该电能质量监测仪所有设计的指标必须符合国家技术监督局从1 9 9 0 年至2 0 0 0 年制 定并颁布的五个电能质量标准【l 副：g b l 2 3 2 5 9 0 供电电压允许偏差、g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 电压波动和闪变、g b t 1 4 5 4 9 9 3 公用电网谐波、g b t 1 5 5 4 3 9 5 三相电压允许不 平衡度和g b t1 5 9 4 5 9 5 电力系统频率允许偏差。在这五个国家标准范围之内进行 设计和研制电能质量监测仪。 本文在借鉴了很多已有设备的功能和特性的基础一k ，利用数字信号处理技术设计开 发了电能质量监测仪。该监测系统采用了1 6 位定点d s p 芯片，三相电压和电流输入通 道、高速六通道同时采样a d 转换模块、键盘、图形液晶显示、串行通讯等。输入电压 范围为0 1 0 0 v ，输入电流范围为0 5 a 。软件部分包括同步采样算法、f f t 算法、数字 滤波、键盘控制、图形液晶显示等，通过编程手段尽量降低硬件成本。 由于本人水平有限，本文难免存在不当之处，还望得到各位领导、老师、同学以及 关心本课题的所有人的指导。谢谢大家的关心! 电能质量监测仪设计 1 电能质量测量原理 电能质量的五个主要指标为：电力系统谐波、电压波动和闪变、电压允许偏差、电 力系统频率允许偏差和三相电压允许不平衡度。电能质量虽然只有五个指标，但是需要 计算的量却很多。这些量主要包括：三相电压、电流的有效值；电网的系统频率；电压、 电流的各次谐波分量及谐波总畸变率；三相有功功率；三相无功功率：三相视在功率； 功率因数：各次凿波含有率；波形及波峰因数；电压、电流中的负序和正序分量；电压 波动值；在出现电压闪变的情况下，对闪变的性质进行分析，并记录闪变暂态过程中的 电压波形；三相电压不平衡系数等。 由于电能质量的检测信号大都是有一定程度的畸变，在这种情况下，般感应式电 压表、电流表、瓦特表、功率因数表以及相位表都不能作出精确的测量。所以对上述基 本量的检测目前常采用数字式采样原理的仪表，以充分利用数字信号运算法及微处理器 的长记忆和运尊能力，对多种量作出较为精确的测量。 1 1 电能质量基本量的测量 j 1 1 电压偏差的测最 为检测电压偏差，需要进行电压有效值的计算。 输入电压的瞬时值和电压有效值可用下式表示： 一生 “= 4 2 ：u k s i n ( k o ) t + 最) 女= i 式中队表示第k 次谐波电压的有效值； 目 为第七次谐波电压的初相角； 为所含谐波的最高次数，现取为3 2 。 电压有效值( 即均方根值) 的定义为： u 。=陲广“f 2 d t vt 七 考虑到输入信号中含有谐波分量 ( 1 2 ) 由该定义式可以导出有效值的两种计算方法。第一种方法就是直接把( 卜1 ) 代入 ( 卜2 ) 式中并离散化，可以求出： u ；= 、以 vk = l ( 卜3 ) 而各次谐波有效值巩可以由f f t 算法求出。 第j 种方法就是直接把( 卜2 ) 离散化，用离散求和的方法代替积分运算，可以得到： = 捂扣s ， 式中为每周的采样点数，在此取为6 4 点； “为电压口在第s 个采样点处的采样值。 4 ( 卜4 ) 电能质量监测仪设计 在求出电力系统各相电压的有效值值后，利用电压偏差计算公式，就不难得到被测 的电压偏差值。 1 1 2 频率偏差的测量 电网频率的测量计算通常都是通过测量周期的方法来实现的。该方法是通过硬件检 测输入波形的过零点，控制计数器计数的方法以实现频率偏差的测量，这种方法的优点 是编程比较方便，其主要缺点是，需要较大的硬件开销，并且当输入信号中含有谐波较 多时，测量误差较大。 另外还有一种测量方法，该方法提出了一种首先对用交流采样法得到的采样数据信 号进行数字滤波，滤出其中的基波后，通过插值求波形过零点的时刻，进而求其相应周 期的方法。在此基础上，只要求出t 的倒数就可以得到电网的频率。只要保证采样速率 足够高，即可以使测营和算法具有很高的精度和效率。两种方法都有一定的优点，可以 根据实际情况结合使用。 1 、1 3 各种功率及功率因数的测量。 电能质量标准中虽然不包含各种功率及功率因数的检测指标，但有功功率、无功功 率、视在功率以及功率因数作为电力系统的重要参数，在各种电能质量监测装置中总是 要相应求出并加以显示。 1 1 3 。l 有功功率 有功功率p 的定义为： p = - 争e + 7 p ( ，) a t = 争【0 7 “。) f 9 ) d r ( 1 5 ) 若每周期采样点，则将( 卜5 ) 离散化为： p = 寺“( 月) f ( n ) ( 1 6 ) 这要求电流和电压必须同时采样才能保证尸的正确性。 1 1 3 2 视在功率 视在功率s 的定义为： s u 卑i 扶，分别为电压、电流的有效值。 1 1 3 3 无功功率 h 琦交波形下的无功功率目前还没有统一的计算方法，其中一种方法为 q = 亭( f ) f o ) a t 其中i 例为将电流顺时针旋转9 0 。得到的量。 将式( 卜8 ) 离散化可得： q = 寺“( n ) f ( n ) v h = o ( 卜7 ) ( 卜8 ) ( 1 - 9 ) 电能质量监测仪设计 其中f 俐为将电流采样值顺时针旋转9 0 。得到的量。 以上的各值都是单相情况，若是对称三相情况，姗可按单相情况处理 三相系统，视在功率的定义还没有明确，这里建议采用“系统视在功率”： s = 3 + u 4 用相电压表示时，v匿亚 v3 i ：浮 用线电压表示时，u ：平 l 1 乞+ j t + i ：， v9 若是不对称 ( 卜1 0 ) ( 1 1 1 ) ( 1 - 1 2 ) ( 卜1 3 ) ( 卜1 4 ) 1 1 3 4 功率凶数 功率因数定义为：c o s = p s 。 ( 卜1 5 ) 1 2 谐波的测量5 1 谐波测量通常是先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，然后由相应的公式可以方便的求出，e 2 , i 皆波畸变率t h d 、谐波功率只和谐波阻抗 z ，j 等值。 1 2 。1 谐波分析方法 谐波分析的目的就是求出各次谐波的幅值和相角，针对不同类型的谐波，有相应的 分析方法。对于稳态谐波通常使用f f t 算法，此外，还有f h t ( 快速h a r t l e y 变换) 算 法，离散变换等等；对于暂态谐波，有改进的f f t 分析，小波变换等。 傅氏变换有着明确的物理意义：变换域反映了信号的频率成分，因此它是最常用的 变换。而且经过多年的发展，现在无论从理论上还是现实上都已很完备，介绍它的文献 和书籍”“也很多。需要注意的是若使用顺序采样，即采样间隔固定，则采样频率不一定 能与输入信号同步，这应在采样后加窗函数，以减少由谱泄漏造成的误差，此外，还有 插入算法，采样序列的重组算法，这些算法都是以牺牲了计算量为代价的，即使如此， 也1 i 能完全消除谱泄漏造成的误差。如要完全避免这种误差，可采用数字锁相等技术使 采样频率与信号基频同步。 f f t 算法只适用于稳态谐波，而对于暂态谐波目前为止是没有明确的分析方法。 1 2 2 谐波含戥j n n ：啪8 1 在实际应用中要获得准确的f f t 运算结果，还必须防止频率混叠的发生，否则会增 皇鐾星墨些型堡堡望： 加运算误差。解决频率混叠的方法就是使采样频率的选取满足时域采样定理的要求，即 采样频率必须大于被测信号最高频率的两倍。如果一个周期内采样6 4 点，则需要滤除 掉3 1 次以上的谐波才能避免频率混叠的产生。 在交流系统中，如果电压和电流( 都用f ( t ) 表示) 是发生畸变的周期性非正弦波形， 则可以将它们分解为傅里叶级数： 饨) = 4s i n ( h o o t + o 。) = + ( 口。c o s h c o t + b 。s i n n c o t )( 卜1 6 ) 月2 u n = i 其中：a 。为直流分量，4 。和吼为7 次谐波的幅值和初相角： 和包为力次谐波的余弦项系数和正弦项系数。 铲去1 1 。他伽 = 去r 。他r ) c o s n c o t m r ) 吃= 妻r 。厂( 珊f ) s i n 一耐( ，) 在将电压电流波形进行离散采样的条件下，计算公式如下式所示： 铲专薹细s c 等n ， 屯= 万2 刍n - i 倒n 等”) ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) ( 1 1 9 ) 其中：n 为采样点的个数， 为采样点的数值( 谐波次数n = l ，2 ，竺一1 ) 。 z 谐波含量可用如4 f 的方法进行计算：首先利用6 4 点f f t 算法，计算出基波和各次 谐波的实部和虚部，进而可以求出其幅值和相位，幅值求出后，就可以求出各次谐波的 含量和谐波总含量。以电压量为例，若用f f t 算法求出的第k 次谐波( k = 2 ，3 2 ) 的 实部和虚部分别为u 倒和m 倒，则第k 次谐波电压的幅值魄和相角0 分别为： = 晖( e ) + w ( 女)( 卜2 0 ) o k = a r c t g 踹 z - ) 基波电压的幅值和相位也可以用类似的方法算出。 电力系统中，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 餐，即： 【，：堡x 1 0 0 “ u ( 卜2 2 ) 用总谐波畸变t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 来反应总的谐波含量，其定义为 电能质量监测仪设计 m ：蒸阶 ( 1 2 3 ) 式中n 为检测谐波的最高次数，此处假定为3 2 。 除瓯和t h d 外，电力系统中有时还可以用波形系数( f o r mf a c t o r ) 和波形因数 ( c r e s tf a c t o r ) 来反应电网谐波污染的情况，它们的定义和计算公式分别为： r ， 波形系数：f f = 三2 ( 卜2 4 ) u 0 盘v r ， 波峰因数：c f = 兰坠( 12 5 ) u 式中阮。为均方根值，即有效值；l 0 。为平均绝对值；砜。为最大瞬时值。 1 3 电压波动和闪变的测量汹怕m 2 拼“ j 3 1 电压波动的测量 电压波动的测量通常采用以下方式：在l m i n 内测量各个周波( 2 0 m s ) 的有效值，然 后对上述有效值进行比较( 相减) ，取得最大的差值( u 。一。) 再乘以互，再除以额 定电压，即是电压波动值。 1 3 2 电压闪变的测量 我国于1 9 9 0 年颁发的电能质量电压允许波动和闪变，采用了n d 标准，即把 电压波动的调幅波进行f f t 分析后，分别乘以相应的视感度系数，化为电压波动调幅波 在l o h z 时的僮。而实际上，人眼对电压波动频率在8 8 h z 时最为敏感，因此i e c 标准 推荐使用8 标准，该标准目前以逐渐被国际社会认可，我国目前己对原有的标准进 行了修改，使之符合i e c 标准，并由此产生相应的检测方法。 ( 1 ) i e c 闪变指标的说明 电压波动引起的照明变化，若人群中有5 0 的人察觉出闪变时，称视感度s = l ，即 察觉出和未察觉出的人数之比。根据再l o m i n 期间s ( t ) 的测试数据，用按时分级法得到 累积概率函数c p f 。其纵坐标的变化值即为该级所占的时间之和与总测量时间的百分数。 在c p f | ：】线上采用超过0 1 、1 、3 、1 0 和5 0 时间的s ( t ) 的闪变觉察单位值( 分别 为p d 卜p 、乃、p 小岛d ) 来计算短时内闪变严重度： i 疡= ( o 0 3 1 4 昂l + o 0 5 1 5 p , + 0 2 8 4 - o o s g o ) ” ( 卜2 6 ) 若更长时间( 几十分钟、几小时) 内闪变严重度p ，可由多个只，求出： 咒= ( i 一2 7 ) 电能质量监测仪设计 ( 2 ) 调幅谐波的检波方法 闪变的测量离不开对调幅波的检测，目前有几种常用的检波方法：平方检波、整流 检波和有效值检波。平方检波是使电网电压u ( t ) 经过平方后，再通过滤波器去直流分量 和2 倍工频分量。可以提取出调幅波u ( t ) 。由于白炽灯的照明与电压平方成正lb ，平方 检波与其它两种检波方法相比，它的直流分量和2 倍工频分量与调幅波之比均小于l ， 因而i e c 推荐使用平方检波方法。 ( 3 ) 闪变检测的实现 图l ，1i e c 闪变检测流程图 f i g u r e 1 1t h ef l o wc h a r to fi e c f l i c k e r m e t e r 幽i i 是i e c 给出闪变仪的设计标准，但这个标准适用于模拟方式，对数字方式没 有具体的指导。由于闪变被测信号的动态范围较大，模拟技术对电路要求较高，实现起 来难度较大，而采用数字化技术则可以妥善解决这类问题，并能保证有足够的精度。 目前，一种方法是对调幅波进行f f t 分析，求出其平均幅值，并与闪变觉察曲线相 比较，若超过此曲线则判断为闪变。另种方法是把i g c 标准的模拟电路均用数字信号 处理方法( 数字滤波、f f t ) 来实现，而且采用多采样速率算法( m u l t i r a t ea r i t h m e t i c ) 。 由于凋陌波的频率成分一般在0 0 5 3 5 h z 内，在计算闪变时就可以对采样点进行抽取， 即减少采样率以去掉多余数据( 但在计算u 、i 、p 时不能这样) ，从而提高了计算效率。 1 4 三相电压不平衡的测量 对于三相电压不平衡系统的检测，常用方法是利用对称分量法把三相量分解为三组 对称的正序、负序、零序分量，并以负序分量爿。与正序分量爿，之比作为三相不对称度 f 。 计算三相不平衡之前应先对被测三相电压进行滤波得到相应电压的基频分量，然后 利用对称分量计算出负序和正序分量，从而得到三相不对称度毛( 电压计算正序及负序 分量公式推倒从略) 。 电能质量监测仪设计 吒= 等圳。 其中u i 电压正序分量的有效值：u 2 为电压负序分量的有效值。 其中计算三相电压不对称度也可以由下面简化算式求得： 爿，卜, 3 6 气。盲2 苏= 了面 卢= 糕 式中叱、。和u 。分别为三个线电压幅值。 ( 1 2 s ) ( 1 - 2 9 ) 电能质量监测仪设计 2 电能质量监测中的关键问题 2 1 频谱混叠的抑制 为了避免频谱混叠产生，电能质量监测系统中引入了抗混叠滤波器。抗混叠滤波电 路实质就是迫使信号通过一个有限带宽的低通滤波器，该滤波器的截止频率为奈奎斯特 频率( 采样频率的一半) 。本谐波测量系统在信号每个周期采样6 4 点即采样频率为 6 4 x 5 0 = 3 2 0 0 h z ( 电力信号的基波频率为5 0 h z ) ，所以抗混叠滤波器的截止频率为采样 频率的一半即为1 6 0 0 - - 7 。而在实际应用中，截至频率应适具体情况而定。 2 2 同步采样技术陉” 对于周期信号的谐波分析，通常采用的是同步采样技术。因为在理论上当满足每周 期采样点n 2 m ( m 为周期信号的最高谐波次数) 和实现了严格的同步采样，才能够准 确的求出各次谐波的幅值和相角并复现原波形。当对有限带宽的周期信号采样后的截断 长度不准确是信号周期的整数倍时，就产生了同步误差，即产生了所谓的泄漏效应。为 了减少泄漏误差，必须尽可能使采样频率与电力信号基波频率同步的技术。 采用的同步采样技术有着不同的方法，其中一种方法如图2 1 所示这种方法的基本 原理是：把过零检测器用于检测电压波形的负向过零点，并向系统中的微处理器申请中 断，根据两次中断之间的时间，计算出电压波形的周期，然后按预置的采样点数，计算 出两个采样点之间的时间间隔，通过软件设置给出启动采样的同步脉冲。这种方法的特 点是硬件简单、速度快，但对于畸变波形的信号过零检测器容易产生误动作，而且抗干 扰能力差。再者，测量周期用波形和实际采样的波形不一致，中间要隔过几个周期，此 时若有被测信号的频率的抖动，将会产生很大的误差，适用于被测波形畸变较小且较稳 定的地方。 图2 1 过零检测示意图 f i g u r e2 1t h ed i a g r a mo fa c r o s s z e r oe x a m i n a t i o n 另一种方法是锁相环路来控制采样的定时和速率，从而达到同步采样的目的。如图 2 2 所示。这种方法的基本原理是：锁相环路中的压控振荡器的输出经分频器分频，变 成一。种接近输入同步基频的参考脉冲，在相位比较器的输入端直接跟输入同步信号进行 比较，相位比较器的输出是比例于参考信号和输入同步信号之间的相位差的直流分量， 用于控制压控振荡器的振荡频率，当达到锁相状态时，即可实现同步采样。它的优点在 于微处理器摆脱了对同步采样的干预，且能实时地跟踪采样。缺点是，同样存在测量畸 变波形时存在较大误差，而且锁相环对频率的跟踪是动态的跟踪，其误差不稳定。再者， 些堕垄燮型二 由于延迟、漂移等可引入新的误差，且硬件较复杂。 图2 2 锁相环路示意图 f i g u r e2 2 t h ed i a g r a mo fp h a s e l o c k e di o o p ，瓣掣鬈黧燃禚攀裹黧蒜孺鼎翥簇 黧差鞴黧篙羹篙弩：i ；墨篓覆磊粪茎筹篙磊曩昊嚣善篙鍪墨耄磊掣翥薹 差限制存一个比较小的范围内，需要较长的运算时i 卣i 和颚天酮仔储脊里聪影1 。“。2 的买譬蓑。环右一种简停、高精度、误差稳定的同步采样方法一定频采样方法。它包括 邓茎婪彖募躲蒸髫乞言翥蕊耋冒麓君篆疋f f 嚣嚣珐一刚6 = 个丰兽部分：( 1 ) 数据的采集；( 2 ) 周期的测量( 3 ) 线性摘值放 。舁珐3 芸：骛篓：薹筹微扑理器以工频5 0 h z 为基砥 ，根据设定的采样点数预先计算好时 鞣黥缎鬻蒿糕嚣耋慧嚣禚筹：禚袅 雯熏由纂嬖簇纛麓嚣篙藩囊霉妻为篙募蛊霸磊裳凳麓喜夏鬟赫震蓁茹荔 等组成的数据采集系统，连续等间隔采样大约两个剧别驸裂琚趣悬以怵壮川以米刘叫 等：黑篙括两部分：( 1 ) 过零点寻找；( 2 ) 周期开始与结束的判断。 黧翟茎篓p 襄霁雾盆嚣鬟纂惫毒警霹霎翥嚣 5 嚣茎淼据转换的 氟隧篙篙喜的言蓑晶等翼薷霎篙蓄蒜。蒜棠笺磊篙纛淼气3 蒹蒜： 采样间隔内，具体的过零点的位置如图所示，其中为幅值，为周期幻列术忏一州珂。 f 1 ：旧删十) ，f 2 = 1 删f 删+ 1 z 4 1 ) 2 1 ) 依次方法可以找到所采集的数据断中的所有过零点a 二 一 -， 。1 。卜_ t 。ll l ， t 2 ： 岬点誊l 臻i f l 。 ；1 ” j 两1 ；j 笛而：w 一! 图2 ，3 寻找渡形过零点示意图 f i g u r e2 3 ，r h e d i a g r a m 。f5 e a r c h i n f f w a v e 。8 8 一z 8 。p 。i “t 1 2 电能质量监测仪设计 周期开始与结束的判断：对于一个理想的正弦波，在三个过零点之间就是一个整周 期，但对畸变严重的波形有可能在一个周期内出现三个以上的过零点，通过判断相邻过 零点之间数据的累加和，可以准确的找到周期开始与结束，因为周期开始处的两个相邻 的过零点之间的波形和周期结束处的两个相邻过零点的波形是重复的。具体方法是：将 第一个过零点作为周期的开始，并计算第- , n 第二个过零点之间的数据的累加和，记作 s u m l ；从第二个过零点开始，依次计算相邻的过零点之间的数据的累加和，例如第二和 第三、第三和第四，记作s u m 2 ，比较s u m l 和s u m 2 的差值，若差值在一个很小的范围内， 说明波形重复开始，则认为累加和s u m 2 的起始点过零点就是周期的结束位置。经计算 机仿真，给出判别公式： ( s u m l s u m 2 ) s u m l o 0 5 整个周期的计算公式为： t = t l + f 2 + ( m 一1 ) f n ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 线性插值及f f t 算法：f f t 算法要求一个周期内的采样点数是2 ”，但定频采样所得 到的一个周期内的采样点数吖可能不是2 “，为了满足f f t 算法的需要，软件通过测得 的周期重新计算采样问隔：t j = t i n ，然后对一个周期内的m 个数据等间隔线性插值 成n = 2 “等效数据。 本监测器考虑到为了使仪器具有更好的灵活性，特采用了锁相环路法和定频采样算 法结合使用，以保证同步采样的准确性和实时性。 2 3 实序列快速傅里叶变换( f f t ) 算法。”陋” 快速傅里叶变换( f f t ) 并不是一种新的变换，而是离散傅里叶变换( d f t ) 的一种快速 算法。因此，我们为了很好地理解和掌握快速傅里叶变换，必须首先对离散傅里叶变换 有充分的理解和掌握。 设x ( ) 为n 点有限长序列，其d f t 为 一l x ( 女) = x ( n ) 暇， k = o h l 一, n - 1 n = o ( 2 - 4 ) 一般来说，x ( ) 和件都是复数，z ( 女) 也是复数，因此每计算一个( t ) 值，需要 n 次复数乘法( x ( n ) 与蝶。相乘) 以及( 一1 ) 次复数加法。而z ( 尼) 一共有个点( 七从0 取 到n 一1 ) ，所以完成整个d f t 运算总共需要i v - 次复数乘法及f 一 次复数加法。我 们知道复数运算实际上是由实数运算来完成的，( 2 - 4 ) 式可以写成 x ( ) ：n - i 。( 。) 暇t ：n - i , r e 【x ( n ) + j i m x ( n ) ) r e 暇1 + j i m 1 v ：v j i m j i m w ： x ( ) = x ( ”) 暇= r e 【x ( n ) +x ( n ) j r e 暇1 +j 月= 0 ；o 电能质量监测仪设计 = r e x ( ”) 】r e 蝶卜i n l ( x ( n ) 】i n l p 嘴 n = o + ( r e 卜o ) j i mj 蝶l + i i n x ( n ) r e w 。】) ( 2 5 ) 由此式可见，一次复数乘法需要四次实数乘法, n - - 次实数加法；一次复数加法则需 ：二次实数加法。因而每运算一个朋砂需4 n 次实数乘法及2 + 2 门怛 = 2 门n - 1 ) 次实数加法， 所以整个d f t 运算总共需要? 次实数乘法和n x 2 ( 2 n - 1 ) = 2 n ( 2 n - 1 ) 次实数加法。 冈此，直接计算d f t ，乘法次数和加法次数都是和成正比的，当很大时，运算 量是很大的。例如当= t 0 2 4 时，d f t 所需乘法次数为1 0 4 8 5 7 6 ，即百多万次乘法运 算，这对实时性很强的信号处理来说，对计算速度要求是太高了，因而需要改进对d f t 的计算方法，以大大减少运算次数。 我们仔细观察d f t 的运算就可看出，利用系数w 的以下固有特性，就可以减少 d f t 的运尊量： ( 1 ) 崂。的对称性( 蝶) = “ ( 2 j 的周期性 ( 3 ) 胂带的可约性 暇= 降亨“批= 蝶”“ w ：= w 裟，w 寸= w ：m j n 由姗i 得出睇m “= 哕1 ”= “，略“= 一l ，嘴“) = 一蟛 这样，( 1 ) 利用这些特r 圭，使d f t 运算中有些项可以合并；( 2 ) 利用肝学的对称性、 周期性和可约性，可以将长序列的d f t 分解为短序列的d f t 。而前面已经说到，d f t 的运算量是与_ 扩成正比的，所以 ，越小越有利，因而小点数序列的d f t 比大点数序列 的d f t 的运算量要小。 快速傅里叶变换算法正是基于这样的基本思路而发展起来的。它的算法基本上可以 分成两大类，即按时间抽取( d e c i m a t i o n i n t i m e ，缩写为d i t ) 法和按频率抽选 f d e c i m a t i o n i n f r e q u e n c y ，缩写为d i f ) 法。我们在此监测仪中采用了前者。 序列点数为2 的整数幂的f f t 称为基一2 f f t 。 将n = 2 犯为整数) 的序列倒( n = o ，1 ，妒1 ) 先按n 的奇偶分成以下两组： “2 7 j 翟奠、 删，1 ，等一1 ( 2 - 6 ) x ( 2 r + 1 ) = z 2 ( r ) j 一7 2 则可将d f t 化为 。学一，学一t x ( ) = d f t x ( 一) 1 = z ( n ) 蝶= x ( 2 r ) 暇“+ x ( 2 r + 1 ) 吸2 ” 1 4 电能质量崎测仪设计 一l型一l 22 = 一( r ) ( 蝶) “+ 崂屯( r ) ( 峨) “ r = or = o 利用系数暇t 的可约性，即嚼= e 一，塑n “：。中：( 詈l ：，2 ，上式可表示成 ( 2 7 ) 爿，( 七) 十陟葛叉j ( ) ( 2 - 8 ) 式中爿( ) 与置( ) 分别是x 。( r ) 及x 2 ) 的n 2 点d f t 一( ) = ( ，) 嘣：= 。( 2 r ) 吲： r = n，= o ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 由( 2 。8 ) 式可看出，一个n 点d f t 已分解成两个n 1 2 点的d f t ， 9 1 l 按( 2 8 ) 式又组 合成一个n 点d f t 。但是，x 1 何，n 钐以及蜀倒，为f 秽都是n 2 点的序列，即r ，七满 足f k = o ，n 2 一j ，而田动却有n 点，而用( 2 8 ) 式计算得到的只是田矽的前一半项数的 结果，要用鼻，俐，彪倒来表达全部的田矽值，还必须应用系数的周期性，即嘴：= 嘁：+ 7 。 这样得到 旦一1生一1 一( 罢+ t ) ：艺一( r ) 哌拿“：( ，) 嚼：= x l ( t ) ( 2 - 1 1 ) 同理可得 托( 芸+ t ) = x d k ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 1 ) 式、( 2 1 2 ) 式说明了后半部分k 值( j v ，2 蔓n 一1 ) 所对应的蜀，为何分别等于前 半部分女值0 女兰n 2 1 ) 所对应的局倒，x 2 倒。 再考虑蛾的以下性质 争) ：蝶，z 蝶：一 碟 (