毕业设计（论文）-电力系统高速数据采集系统设计.doc

毕业论文(设计)题 目 名 称 ： 电力系统高速数据采集系统设计 题 目 类 型 ： 毕业设计 学 生 姓 名 ： 院 (系)： 电子信息学院 专 业 班 级 ： 电气10803 指 导 教 师 ： 辅 导 教 师 ： 时 间 ： 至 目录 长江大学毕业设计(论文)任务书学院(系) 电子信息学院 专业 电气工程及其自动化 班级 电气10803班 学生姓名 翁学娇 指导教师/职称 唐桃波/讲师 1.毕业设计(论文)题目: 电力系统高速数据采集系统设计2.毕业设计(论文)起止时间: 2012 年3 月21日2012年 6月10日3.毕业设计(论文)所需资料及原始数据(指导教师选定部分)1. 奥本海姆编.信号与系统.西安交通大学出版社2. 徐爱钧编. 单片机原理实用教程. 电子工业出版社3. 何仰赞，温培银 著电力系统分析.华中科技大学出版社4. 张洪润 、 刘秀英等编. 单片机应用设计200例. 北京航空航天大学出版社 5.张卫宁tms320c2000系列dsp原理及应用m北京：国防工业出版 6.王道宪cpldfpga可编程逻辑器件应用与开发m北京：国防工业出版社 7.李光辉，陈志英dsp技术在电力系统谐波测量中的应用j福州大学学报(自然科学版)8.赵飞，梁志瑞，牛胜锁基于dsp和gps的异地交流电量同步采集系j电测与仪表 9.赵伟，鲍慧，刘云峰基于dsp的高速数据采集系统设计j.电力科学与工程10. 张毅刚，彭喜元主编.单片机原理及接口技术. 人民邮电出版社4.毕业设计(论文)应完成的主要内容(1)查阅资料，学习相关元器件的工作原理(2)选择芯片，制定方案，然后利用protuse画出硬件电路原理图(3)编写程序并进行仿真(4)在日志上记下每天的设计活动5.毕业设计(论文)的目标及具体要求(1)完整硬件设计电路(2)软件框图及部分程序清单6.完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求上机时数80小时任务书批准日期 年 月 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 完成任务日期 年 月 日 学生（签名） 长江大学毕业设计(论文)开题报告 题 目 名 称 电力系统高速数据采集系统设计 题 目 类 别 毕业设计 院 （系） 电子信息学院 专 业 班 级 电气工程及其自动化 学 生 姓 名 翁学娇 指 导 教 师 唐桃波 辅 导 教 师 唐桃波 开题报告日期 : 2012年3月14日 电力系统高速数据采集系统设计学生：翁学娇，电子信息学院 指导教师：唐桃波，电子信息学院1 题目来源来源于生产/社会实际2 研究目的和意义 电已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分，但是安全、稳定、有效的电才是人们所需要的，因此我们必须对电力系统各种数据进行有效采集和分析，时时刻刻监控着它们，从而为人们提供安全、有效、稳定的电能。为了保证电力系统的正常运行,我们需要对电力线上的电压、电流和功率等各种参数进行实时或频繁的测量和监控。随着科学技术的发展，雷达、通讯、电子对抗、航天测量、图象、多媒体等诸多领域对数据采集系统提出了更高的要求。随着一些新的高性能的电子芯片的推出，电子系统设计有了更多的选择和更方便的条件，使交流电量同步采集得到了快速发展。实现多路并行数据的高速数据采集，并且使系统具有良好的可扩展性，是数据采集发展的重要方向。3 阅读的主要参考文献及资料名称1. 奥本海姆编.信号与系统.西安交通大学出版社2. 徐爱钧编. 单片机原理实用教程. 电子工业出版社3. 何仰赞，温培银 著电力系统分析.华中科技大学出版社4. 张洪润 、 刘秀英等编. 单片机应用设计200例. 北京航空航天大学出版社 5.张卫宁tms320c2000系列dsp原理及应用m北京：国防工业出版 6.王道宪cpldfpga可编程逻辑器件应用与开发m北京：国防工业出版社 7.李光辉，陈志英dsp技术在电力系统谐波测量中的应用j福州大学学报(自然科学版)8.赵飞，梁志瑞，牛胜锁基于dsp和gps的异地交流电量同步采集系j电测与仪表 9.赵伟，鲍慧，刘云峰基于dsp的高速数据采集系统设计j.电力科学与工程10. 张毅刚，彭喜元主编.单片机原理及接口技术. 人民邮电出版社 4 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向电力系统监控技术在我国的研究和应用已经有50多年的历史。近年来,随着计算机技术、通讯技术和人工智能技术的快速发展,智能电力监控系统在电力行业及其他相关行业得到了越来越广泛的应用,具有较高的可靠性和连续性。交流采样是不经过电量变送器，按一定规律直接将二次侧的电压、电流经高精度的ct、pt变成计算机可测量的交流小信号，然后经a/d变换后送入计算机进行处理，计算出电压、电流有效值及有功，无功功率等电气参数。由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。同时用微机取代传统的变送器充分发挥微机功能强大、灵活可靠、使用方便等优点。随着微机技术的不断发展，交流采样必将以高速度、高精度、高性能，逐步取代传统的直流采样方法。我国目前电力系统较多地采用由单片机实现的交流采样遥测装置，这种装置在采样速率及实时性和精度要求不是很高的场合得到了广泛的应用。随着我国电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，实时监控、调节的自动化显得尤为重要；特别是在以监控为目的的电力调度自动化系统中，如何快速、准确地采集各种电气参数显得尤为重要。在实现自动化的过程中，首要环节是数据采集。数据采集系统近年来获得了迅速发展，主要是因为：一是需要，即科学实验与工业控制向高度自动化发展；而是可能，即微电子技术如大规模和超大规模集成电路技术的发展提供了良好的物质基础，从而使器件向模块化和单片机发展，使仪器本身向智能化发展（即微处理机为基础），使用软件向实时高级语言和软件模块化发展。此次研究的主要内容是对电力系统的各种数据进行采集，然后通过傅里叶分解数据并进行数模、模数转换，让它们通过显示电路显示出来。5 主要研究内容，关键问题的解决思路 1.研究内容电力系统使用高速度ct,pt采样，采用快速傅立叶变换算法，计算高达15次谐波，完成功率、电度、功率因数、电压、电流、频率等的计算。2.硬件设计 系统主要由dsp、cpld、a/d采样保持器、网络接口等部分组成。从一次设备ct,pt过来的电压及电流经隔离互感器隔离变换后输入，经过二阶滤波器至模数变换器。dsp采样后对数字进行处理，构成各类监测数据和计算各种遥测量在存入内存的同时送到can总线等待取值。系统的结构框图如图1.1所示。 图1.1硬件结构框图6 完成毕业设计(论文)所需具备的工作条件串口通信、proteus6 professional软件、keil软件、can总线、plc、modem集成电路、计算机7 工作的主要阶段，进度与时间安排34周：写开题报告。 56周：查阅相关技术资料，熟悉单片机语言及传感器的基础知识 78周：英文翻译 910周：硬件设计与资料搜集 1112周：设计程序 1314周：调试与修改 1516周：写毕业论文8 指导老师审查意见长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目指导教师职 称评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章) 电力系统高速数据采集系统设计 学 生：翁学娇 电子信息学院 指导老师：唐桃波 电子信息学院摘要 近年来，随着社会和经济的发展，社会对电力的需求量与日俱增，电力供应局面日趋紧张。而且，由于非线性负荷的大量应用，导致在电力系统中产生大量的高次谐波，对电力系统造成了很大的危害。在这种情况，就需要对电力参数和谐波情况进行准确、实时地检测。为了消除电压、电流的波形畸变产生的危害，就必须对电力系统进行谐波抑制和无功补偿，因此对电力系统中的电气参数进行测试和分析就显得尤为重要。本文介绍的这套电力系统参数交流采样系统是采用tms320vc33型高速数字信号处理器 (dsp)和两片16位高速a/d转换器ads8364实现快速、精确地采集和计算各种电力系统参数。本文所设计的基于dsp tms320vc33的多通道数据采集系统是一个高精度的数据采集与信号处理系统。论述了系统的总体设计方案、硬件构成原理和软件设计思路,完成了硬件电路的设计,实现了数据处理平台的调试。该系统以ti公司生产的tms320vc33 dsp为核心处理器,通过可编程逻辑器件cpld实现对dsp外围设备的逻辑控制,并设计了模拟电路模块。在dsp的软件编程上,本文完成了多通道数据采集算法在tms320vc33上的实现 。关键词:电力系统参数、dsp、数据采集 high-speed data acquisition system design for power system student :weng xuejiao electronics & information college tutor: tang taobo electronics & information college【abstract】： in recent years,with the development of society and economythere is a great improvement in the demand of power,and the situation is increasingly serious.furthermore,more and more nonlinear ioad are used，there are a lot of harmonic in power system.it is harm to power system badly. so it is necessary to measure power parameters and harmonic reliablely and in real time. in order to eliminate the voltage, current waveform distortion harm, it must give the power system harmonic suppression and reactive power compensation , so the electric parameters test and analysis appears particularly important in electric power system. in this paper, an ac sample system of electrical parameter based on tms320vc33 dsp and two a/d conversions of 16bit is introduced. this system can acquire electrical parameters rapidly and precisely. the mufti-channel parallel data acquisition system which is based on dsp tms320vc33 designed in the paper is a high precise data sampling and signal processing system. the design ideas of the whole system and the design methods of the hardware and software of the system,together with the structure and function of the main components have been discussed in detail.the design of hardware circuit has been completed and the debugging result of the data processing platform has been given. the system takes tms320vc33 as a core processor, with the complex programmable logic device-cpld implementing the logic control of the peripherals of the dsp. and analog modules have been designed in this thesis.in the dsp software programme, the thesis accomplished the mufti-channel data acquisition algorithm on the dsp tms320vc33. 【key words】: power system parameters，dsp，data acquisition 前言 目前，随着技术进步，电力系统新投运的220kv及以下变电站试运行24时正常后即按无人值班模式运行。无人值班变电站是变电站一种先进的运行管理模式。它是指借助微机远动等自动化技术， 值班人员在远方获取相关信息，并对变电站的设备运行进行控制和管理。远处值班人员需要获得及时准确的相关信息，才能正常安全的采取相应的措施控制和管理变电站，这就需要更快更精确的设备系统。 而众所周知，在工业生产和日常生活中，电力对社会和个人有着密切的关系和重要的意义，因为电流、电压过低过高，及设备寿命，严重的还会危及人身安全；均能影响各种电器设备的正常使用功效并且，对电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数和频率等电力参数的准确、快速地检测、监控可以及时掌握供电线路和设备运行状态，及时发现电网中的故障或隐患，进而采取合理和有效的措施，保证电力系统及设备运行良好。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，在化工、冶金、电力传送、电气化铁道等行业，以及家用电器中非线性负荷的使用日渐增多，特别是一些大功率整流设备和电弧炉等的大量应用，导致在电力系统中产生大量的谐波，进而引起电压、电流波形发生畸变，电力谐波不仅会严重危害供用电设备和电气仪表，使供电质量不断下降，影响计量设备的测量控制，不能准确地反映电力系统运行的情况，损害用户的利益，也会对电力系统本身造成不良的影响和危害。在很长一段时间来我们还没有一套完整的指标来衡量电能质量，通常关心的是电力供应量方面，较少关心电能质量和谐波情况，并且现有的一些检测器件还依赖于有百年历史的动圈式仪表和交流互感器之类的电工仪表，这些仪表只能显示电力参数的有效值和模拟值，误差大，精度低，不能满足实际测量的要求，有些也仅考虑了测量基波分量的情况，较少考虑对谐波的测量，那么电力参数的实时准确的测量成了必须要解决的问题。 从以上研究可见，研制一种多功能的电力参数检测装置对于变电站的远距离监控具有非常重要的意义，它不但要能对如电压、电流、功率、功率因数和频率等重要的电力参数进行实时检测，还要对电力系统中的高次谐波进行实时分析，从而使远处值班人员采取进一步的措施，减少谐波污染，保证电能质量，保证电力系统安全、可靠、经济地运行。1 绪论1.1课题来源 来源于生产/社会实践1.2国内外发展现状、趋势以及面临的挑战在电力工业发展初期曾用电解化学原理进行参数测量，1890年，发明了感应式电磁原理电能表，沿用至今。早期的电力参数检测大都采用的是模拟电子技术，测量装置的体积庞大、功能单一、自动化度较低和数据测量精度不高，难以进行谐波分析，不具备综合分析和判断功能，一般也不具备异常报警功能。不能及时发现电力系统中的异常现象，并且依赖运行人员定时巡回手工抄表来记录电耗情况，工作强度大，效率低。50年代出现数字式仪表，电力系统参数测量进入一个新的阶段：数字式仪表采用数字电路进行信息的数字化处理，与早期的模拟仪表相比，可以得比较高的精确度，灵敏度提高，价格低，但整体应用范围较窄，功能比较单调，移植性较差，难以适合高速实时信号处理。随着电子技术和微机技术的飞速发展，微机广泛地应用于电力系统测量中，使得电力系统的测量、监控技术得到了快速发展，精度和实时性有了很大的提高。但是电力系统对检测装置的实时性，计算能力及大数掘量运算速度等各方面要求的不断提高，采用一片cpu或双cpu微机式的电力参数检澳4仪器，需要同时完成电力参数和谐波的大数据量的计算，再加上ad转换、数据采集、数据传送等系统内容的影响，致使系统测量精度和准确度越来越不能满足日益提高的性能要求。dsp技术的高速发展为电力参数测试技术带来了新的变革，特别是在电力系统电压和电流的高次谐波的测量和分析中，dsp以其运算速度快、精度高、显著的计算能力与实时性、数据输入输出能力强等特点而被广泛应用，并且采用dsp开发的测量装置体积小，集成度高t随着dsp芯片的性价比不断提高，开发工具越来越完善，dsp的应用成为目前电力参数测试丁f发的最新趋势，在电力参数测量领域大有取代单片机的趋势。我国对电力系统参数的研究和开发起步较晚，测量仪器整体测量水平较低，存在着实时性不强，检测指标少，效率低等局面；目前国内还在使用一些模拟式和数字式测量仪表，虽然一些专门的测量装置已经在一些部门投入使用，但是多数是一些功能比较单一的测试仪和分析仪，多功能、精度高的测量装置在市场上比较少见；近年来我国的不少厂家通过借鉴国外的测量仪器以及通过与外国公司的合作，不断研制和推出了各种系列的高性能测量仪器。如杭州远方仪器有限公司的pf9800系列测量仪器，兰州胜利仪器公司的智能型电力参数采集测控仪表系列，青岛青智仪器公司的电参量测试仪表等。这些测量仪器其性能比较先进，功能也比较齐全，可以测量有效值、功率和谐波、闪变和三相不平衡度等所有参数，具有rs232、rs-485等通讯方式，显示方式美观大方，可以实时显示数值、波形、频谱图等：虽然在技术上看，我国的测量仪器有了不少的进步，但在一些性能指标、可靠性和智能化程度方面与国外的同类产品还有一定的差距。国外对电力系统参数的研究和开发起步较早，早在70年代就出现了可以测量多个电力参数的多功能测量仪表；80年代，随着当前的电子技术的发展，测量仪器已经进入智能化时代；90年代来，计算机技术、微电子技术、控制技术特别网络通讯技术的发展，使得测量装置得到空前发展；国外各大公司把这些技术应用于测量装置上。研制推出了众多在世界范围内处于领先的测量仪器，如美国fluke公司推出的f43b电能质量分析仪，瑞典unipower公司的up系列电能质量测量仪等，可实时检测电力系统中的所有参数，计算高达51次的谐波，可以捕捉电压瞬变和骤升骤降及浪涌电流的显示，具有强大的网络功能，还具有全中文操作软件，显示方式多样，硬件全电子化等特点。随着各种性能要求的提高，测量仪器将在使用微机技术的基础上，融合计算机控制、网络技术、总线技术和虚拟仪器相关技术，将测量、控制、分析集成于一体；这种装置体积小，测量精度较高，具有较强的网络化和自动化功能，可以测量电压、电流、功率因数、频率、无功功率、视在功率、谐波及其他电力参数值的测量，而且可以进行多条记录存储、可与计算机进行数据交换、可进行远程实时测量等。当前，电力系统参数检测仪器正朝着以下方向发展：1、体积小型化、功能多样化、功耗减小，维持电流降低化、采用新器件更高可靠性、显示方式普遍更新。2、实现网络化智能、在线监测。随着传感器技术、计算机技术、信息技术等发展，系统监测技术广泛采用这些先进的科研成果，使在线监测逐步走向实用化阶段；监测装置可作为接入访问平台进入网络，可以实现设备资源和数据资源共享及远程操作。3、虚拟化。虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件和软件平台上的完全开发的系统，结合电力系统的应用，开发应用虚拟仪器技术建立的高速、高效、大容量、多功能、智能化的实时监测系统。1.3研究的目的、意义及主要内容 交流采样是不经过电量变送器，按一定规律直接将二次侧的电压、电流经高精度的ct、pt变成计算机可测量的交流小信号，然后经a/d变换后送入计算机进行处理，计算出电压、电流有效值及有功，无功功率等电气参数。由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。同时用微机取代传统的变送器充分发挥微机功能强大、灵活可靠、使用方便等优点。随着微机技术的不断发展，交流采样必将以高速度、高精度、高性能，逐步取代传统的直流采样方法。 我国目前电力系统较多地采用由单片机实现的交流采样遥测装置，这种装置在采样速率及实时性和精度要求不是很高的场合得到了广泛的应用。随着我国电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，实时监控、调节的自动化显得尤为重要；特别是在以监控为目的的电力调度自动化系统中，如何快速、准确地采集各种电气参数显得尤为重要。在实现自动化的过程中，首要环节是数据采集。 国际电工委员会（iec）标准iec61850对采样速率有明确的要求，由表1可知对220kv及以上电压等级输电系统的监测装置和仪表应达到m2级和m3级，交流采样的遥测装置每周期(0.02秒)采样点数分别要求大于80和240点。由单片机实现的交流采样遥测装置很难达到此要求，而dsp具有高速度、高精度、并行性、高集成度和高性能价格比等优点，非常适合应用于交流采样遥测装置。本文介绍的这套系统使用高速度ct,pt采样，采用快速傅立叶变换算法，计算高达15次谐波，完成功率、电度、功率因数、电压、电流、频率等的计算，具有高精度，高稳定性。其采样速率为12khz,完全能达到iec61850采样速率的要求。 表1 iec 61850对测量仪表的生数据要求数据类型级别精确度级和谐波分辨度(幅值)bit采样速率每秒采样次数每周期采样次数（50hz）电压m10.5级(iec60687)12150030电流m10.2级(iec60044)最多5次谐波14150030电压m20.2级(iec60687)14300080电流m20.1级(iec60044)最多13次谐波16300080电压m30.1级164000240电流m3iec未定义最多40次谐波184000240 针对表1的要求，本文介绍的这套电气参数交流采样系统是采用tms320vc33型高速数字信号处理器 (dsp)和两片16位高速a/d转换器ads8364实现快速、精确地采集和计算各种电气参数。该系统还具有性能价格比高、维护方便的特点。 由前面讨论知，利用先进的技术手段，采用精确合理的计算方法，研制功能齐全、性能优良、使用方便的电力参数测量系统，是十分必要的。电力参数测量和谐波分析涉及到大量的数据计算，加上系统其它的任务，采用单片cpu甚至双cpu的装置显得力不从心，将dsp芯片应用于电力系统设备，有着传统的单片机所不可比拟的优势。在借鉴众多电力参数测量仪器的功能和特性的基础上，设计了基于tms320vc33 dsp为核心的电力参数测量装置，其主要功能为：进行实时采样，完成电压电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数的计算；完成谐波参数的计算，完成谐波分析；具有网络通讯功能，可完成与外部计算机的数据传送；通过人机交互功能，让用户了解电力系统的运行状况，并作出决策。本文的主要工作包括：l、首先分析了电力参数测量的重要意义，对电力参数检测的发展概况作了简单的回顾，并总结了当前国内外对电力参数的研究现状，简要的讨论了电力参数检测中的主要测量方法以及它们的优缺点。 2、分析了电力系统谐波的问题及危害，并应用基于无功功率理论谐波测量法和fft方法用于谐波的检测，并对fft作了通过加窗和插值改进，来提高测量的精度，对这两种方法作了仿真试验，达到了检测谐波的可行性研究。3、基于dsp技术，采用了新一代的浮点处理器tms320vc33为处理核心，围绕tms320vc33我们设计了电力参数测量系统，并对此系统进行了相应的硬件设计和软件设计，包括了数据处理单元、ad转换单元、通讯单元、存储单元等，并应用面向对象语言设计了下位机平台。4、对本装置的设计作了总结，并提出了对未来工作的展望。2. 电力系统参数及谐波测量方法2.1交流采样过程、算法及系统的特点2.1.1交流采样过程 从一次设备ct、pt过来的电流、电压经高精度小ct、pt隔离变换成弱电信号后输入，经二阶滤波器的增益调整电位器变成5v5v的信息，至模数变换器，dsp采样后对数字进行处理。图2.1是采用三表法的采样原理图，dsp处理后就计算出了各种遥测量，存入存储器同时通过can总线上传。 其中二阶滤波器的作用主要是补偿ct、pt的相移，同时滤除16次以上的谐波，以满足交流采样算法之要求。 图2.1采样原理图（三表法） 目前，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，软件设计简单，计算方便。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。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，从而获得被测量的测量方法。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高的采样速度和数据处理速度。目前，高速单片机、dsp及高速aid转换器的大量涌现，为交流采样技术提供了强有力的硬件支持。交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非同步采样法等几种，本文介绍的是同步采样法。同步采样法就是整周期等间隔均匀采样，要求被测信号周期t与采样时间间隔及一周内采样点数n之间满足关系式t=n，即:采样频率为被测信号频率的n倍。根据提供采样信号方式不同，同步采样法又分为软件同步采样法和硬件同步采样法两种。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。利用锁相频率跟踪原理实现同步等间隔采样的电路如图2.2所示。 图2.2倍频锁相同步电路 在相位比较器pd、低通滤波器lp、压控振荡器vco构成的锁相环内加入n分频器，输入f,为被测信号的频率，作为锁相环的基准频率，输出fo为采样频率。fo经n分频后与fi相比较，根据锁相环工作原理，锁定时fo/n=fi，即:fo=nfi。由于锁相环的实时跟踪性，当被测信号频率fi变化时，电路能自动快速跟踪并锁定，始终满足fo =nfi的关系，即采样频率为被测信号频率的整数(n)倍，从而实现一周内等间隔采样n点，从根本上克服了软件同步采样法存在的上述问题。 此外，还可将分频系数n设计为程控可调，则可根据不同频率的被测信号及dsp,a/d转换器的速度，动态改变n值，以达到最好的效果。2.1.2交流采样算法 本系统高速测量输入遥测信号的周期，进行频率跟踪，将一个工频周期等分成240或者80点进行采样，然后对采样点进行快速傅立叶分解，计算出115次谐波并进行数字滤波，从基波开始一直计算到15次谐波分量的有效值和总有效值。 假设输入信号为一周期性信号，即输入信号中，除基频分量外，只包含恒定的直流分量和各种整次谐波分量，输入信号可表示为：x (t)=x + （21）x是直流分量，为基频角频率，x、为第n次谐波分量的幅值和相位，将（21）式展开：x(t)=x + （22）其中x=xcos为第n次谐波分量实部，x=xsin为第n次谐波分量虚部。由三角函数在区间0，t上的正交性特点，不难证明xdt xdt （23）在数字计算中x xn为每个周期内采样点数。 n1则基频分量的实部和虚部分别为：x和x幅值为x= 相角为arctg()当nk时由x x x arctg()将k代入算式就可以求出各次谐波的实部、虚部、幅值、相角等值。1、交流电压、电流有效值的测量在计算某一周期电压信号有效值时， (2-4)式中u一一为t时刻的电压信号瞬时值u(t)；t一一该电压信号波形的周期：u一一交流电压信号有效值。如果将式(2-4)离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替电压函数，则 (2-5)式中 相邻两次采样的时间间隔； 第m个时间间隔的电压信号采样瞬时值；n一个周期的采样点数。若相邻两次采样的时间间隔都相等，为常数。因为则： (2-6)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信号有效值的公式。同理，记im为第m个时间间隔采样得到的电流瞬时值，该电流有效值i为： (2-7)2、平均功率t的计算 （2-8）其中n为电压电流的周期，当一个周期内采样点数越多时，用此式的误差越小，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p=ui，但是在电流、电压含有各种谐波的情况下，此时的有功功率为。那么单相有功功率离散化后可得： （2-9）,为三相电压、电流的瞬时采样值。视在功率为:s=ui (2-10)无功功率为： (2-11)对于三相功率: (2-12) (2-13)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，故功率因数可表示为： (2-14)当信号为电压时，电压的总有效值为u=2当信号为电流时，电流的总有效值为i=2有功功率p为pui+uicos+ uicos+ 式中u= ，i，k1，2 u、i为最大幅值。21.3此交流采样系统特点1.测量高达15次谐波，采样速率大范围可调，可以在100hz12khz间调节，完全能达到iec 61850的要求，可广泛应用于各种采样速率比较高的交流采样遥测装置。2.可接入16路pt/ct信号，进行高精度、高速度采样、高速运算。 3.采用双16位a/d构架、能进行快速模数转换。4.调试方便，通过rs232接口可以连接pc机，从而给调试带来了很多方便。还可以将eeprom中数据转入pc机存盘并利用pc机离线对数据进行分析。5.具有越上限及越下限保护告警功能，当电压电流等发生突变时能实时上传告警信号。2.2 频率 信号观测模型就是对于电力系统频率概念及其测量技术所基于的物理信号的数学描述。电力系统频率测量概念的引申和扩展，关键在于信号对象x(t)的选取及其观测模型的确立。信号观测模型的复杂化过程集中体现了这一领域的不断发展：从简单的纯恒幅正、余弦信号，到周期和非周期信号的傅立叶分解，进而引入信号动态，直至分布式随机模型的应用。常见的信号模型及频率定义如下：(1) 基于纯恒幅正、余弦信号的传统频率概念： 或 (2-15)定义 (2-16)其中x(t)普遍取单一的相(线)电压或电流。(2) 考虑有限整次谐波污染，在傅立叶分解模式下：或 (2-17)定义基波频率 (2-18)(3) 进一步考虑衰减直流分量影响，在观测模型下： 或 (2-19)电力系统频率测量的实质是信号观测模型的动念参数辨识问题。即利用真实系统物理信号输入，通过一定的信号处理和数值分析过程，实现对预定模型参数的较好估计。从操作对象来看，主要是数字信号处理问题：从测量目标来看，是灰箱辨识问题：从实现测量所借助的工具来看，是数值算法(软件)和借以实现的各种模拟、数字装置(硬件)的设计问题。由于对频率的理解和应用的实际要求不同，频率测量在上述各方面存在较大的差异，虽然其实现的策略不同，但仍有一些共同的基本要求： (1)反映电力系统的物理真实性和实施控制的有效性。即不会由于模型和算法的差异而导致脱离电力系统真实物理本质的测量结果，且基于实时频率估计的控制作用应是正确而可靠的。 (2)精度要求。即达到减少误差、精确测量的目的，这取决于观测模型与真实信号的符合程度、数值算法及硬件实现等多方面因素，一般以对抗噪声、谐波、衰减直流等非特征信号分量的能力来衡量。 (3)速度要求。要求具有较快的动态跟踪能力，测量时滞小。 (4)鲁棒性。在电力系统的正常、异常运行乃至故障条件下，均能可靠响应。(5) 实现代价小。这一要求往往与上述要求相冲突，在实践中应酌情考虑，在达到应用要求的前提下，力求较高的性能价格比。2.2.1 周期法 原始的周期法(或称零交法：zerocr08singa igorithm)基于如式(215)所示的简单的信号模型，通过测量信号波形相继过零点间的宽度来计算频率。该方法物理概念清晰、易于实现，但精度低，受谐波、噪声和非周期分量的影响，实时性不好，因此，实际的测量装置很少单一地应用原始的周期算法。需要对其测量精度和实时性进行改进，典型的改进算法有水平交(1evel crossing)算法高次修正函数法和最小多项式曲线拟合法，它们以计算量和复杂度为代价来提高算法的精确度和响应速度(原始周期算法的时延决定于信号的特征而非计算量)，一定程度上丧失了原有零交算法的简明性。2.2.2 解析法 对信号模型进行数学变换，将待测量f或of表示为样本值的显函数来估计。解析法侧频的特点是：涉及复杂的数学推导，为了简化分析和计算，只能选用简单的观测模型，难以考虑谐波、非周期分量和噪声的影响：算法简明，计算量不大，比传统的周期法有所改进，但难以适应非稳态频率的测量，即使在稳态条件下，也必须有严格的前置滤波环节，算法推导有近似化过程，精度总体不高。该方法可以应用于速度和精度要求都不高且信号的非特征分量可以忽略的场合。2.2.3 dft(fft)类算法及其改进 dft(fft)是一种典型的数字滤波技术，对于所示的观测模型(假设=0)，在采样率和数据窗选择合适的情况下，滤波算法能正确求出模型参数；考虑到真实侧量偏离理想条件，利用前后窗dft(fft)的结果估计系统的基频。dft(fft)算法具有内在的不敏感于谐波分f的特性，但对信号的周期延拓引入的频率混益，实际应用中需要精细设计前里抗混益滩波。利用dft(fft)过程求取模型参数进而计算频率偏移的方法过于简单粗糙，不具有实用性；利用fft算法在频率偏移工频时固定抽样频率导致的泄漏效应来估计系统频率，其中后者采取递推fft法以减少计算f；该方法测t范围窄(大约为额定频率的2l1000)，且敏感于噪声和信号幅值变化：对它的改进包括自适应采样间隔和自适应调整数据窗长度，前者的优点是提高了测量范围、精度和算法稳定性，后者的定点采样方法易于硬件实现。2.3 谐波231 谐波的定义 在电力系统中，人们总希望电网的稳态电压、电流是理想的萨弦波，正弦电压可以表示为： 式中u-电压有效值；-初相角；-角频率，；f-频率；t-周期。一个理想交流电源的电压波形应是单一恒定频率的余弦波，而实际电力系统，不但频率会在一定范围内变动，而且波形不会发生畸变，可以分解为不同频率不同幅值的正弦波。按照国际上的通行定义谐波就是指频率为基波频率整数倍的正弦波，亦称高次谐波。电网谐波源产生的谐波，既有仅含特征次的周期、稳态谐波，如具有固定脉动数的整流、换流设备等产生的谐波，在工程实际中，还存在频率低于工频基波频率的分量，称为次谐波。频率为基波频率的分数倍，称为分数谐波。此外，在某些情况下，电网中的波形在很小部分上发生畸变。这种暂态现象有时也可看作是重复的周期量或有衰减的周期量，对它按傅立叶级数展开也可获得相应的谐波量，故有时也称为暂态谐波；还会有暂态时变、非周期、非整数次谐波产生，如电弧灯、感应炉、荧光照明设备等产生的谐波。目前电力系统谐波的测量一般基于这样的假设：波形是稳态和周期的；采样的周波数是整数；只考虑频率是