（系统工程专业论文）基于DSP的谐波测量仪的研究.pdf

硕l j 学位论文 摘要 随着电力电子技术的发展，越来越多的非线性设备应用到电力系统中，电网 中的谐波污染日益严重，危及电力系统安全，增加了运行的损耗，影响用户的正 常工作。因此，为了保证供电系统安全经济运行和维护用户人身和设备安全，对 电力系统的谐波进行实时检测、分析和监控具有重要的意义。 传统的电能质量分析和监控系统中一般用普通单片机作为核心部件，但由于 普通单片机运算速度有限，无法进行高频率采样和实时分析数据，因此在实际测 量中的采样点数被严重限制，数据分析的精度降低。近年来数字信号处理器 ( d s p ) 的发展使得高速采样、存储和实时处理数据成为现实。d s p 采用先进的 改进型哈佛结构，其程序存储器和数据存储器具有各自的总线结构，可以同时处 理指令和数据，大大提高谐波测量的精度。在谐波测量算法和电子技术进步基础 上，市场上谐波测量设备越来越多。国外研制的仪器精度高，功能强大，但是价 格普遍偏高。国内的仪器大多精度较低，且功能不全。本课题参照相关国家谐波 测量的相关标准、市场所上同类产品的技术指标和实际应用的要求，研制了一种 基于高速d s p 和快速傅里叶变换算法的谐波测量仪。它具有精度高、功能齐全、 价格低廉等优点。 本课题首先在对现有的谐波测量算法比较的基础上，选择最常用的快速傅里 叶变换谐波变换( f f t ) 算法并对其进行了较详细的研究，明确了f f t 的优缺点， 并针对其缺点运用加窗插值方法加以改善。其次，了解市场上同类产品的技术指 标和实际应用的要求，选择合适的电子元器件，设计了谐波测量仪的硬件结构。 测量仪硬件的组成部分包括：信号采集模块、谐波测量模块、人机接口模块和串 口通信模块等。再次，设计了测量仪的软件。软件分为几个子程序：数据采集子 程序、数据处理子程序、通信子程序和上位机软件等。通过合理地调用各个子程 序完成信号采集、数据处理及存储、通信和测量结果的显示等功能。最后，用谐 波产生仪器产生多次谐波，并用设计出来的测量仪进行测量，分析测量结果，找 出误差产生的原因，对系统进行调整，最后测量结果达到了预期效果。 试验表明，本文提出的基于d s p 的谐波测量仪具有较高的测量速度和测量 精度。它具有速度快、精度高和运行稳定等优点，是一个能运用于电力系统谐波 测量的有效装置。 关键词：谐波测量快速傅里叶变换( f f t )加窗插值数字信号处理器 ( d s p ) 琏：d s p 的i 皆波测硅仪的研究 a b s t r a e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r en o n l i n e a r d e v i c e sa r ea p p l i e dt ot h ep o w e rs y s t e m p o w e rn e t w o r kh a r m o n i cp o l l u t i o ni s i n c r e a s i n g s ot h es e c u r i t yo fp o w e rs y s t e m i st h r e a t e n e d t h eo p e r a t i n gl o s si s i n c r e a s i n g t h eu s e r sn o r m a lw o r ki sa f f e c t e d t h e r e f o r e ，a n g l i c i z i n ga n dm o n i t o r i n g p o w e rs y s t e mh a r m o n i c si sv e r yu s e f u lt om a k es u r ep o w e rs y s t e mr u n n i n gs a f e l y t h et r a d i t i o n a lp o w e rq u a l i t ya n g l i c i z i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e m sg e n e r a l l yu s e m c ua sc o d e ，b u ta l lm c ui sn o tf a s te n o u g ht os a m p l eh i 曲l ya n dr e a l - t i m ea n a l y s i s s ot h es a m p l ed a t ai sn o te n o u g h ，a n dt h ea c c u r a c yo fd a t ai sl o w i nr e c e n ty e a r s ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) i su s e d ，s ot h a th i g h s p e e ds a m p l i n g , h i g h s p e e dd a t a s t o r a g i n ga n dr e a l t i m ep r o c e s s i n go fd a t ac a nb ef i n i s h e dp e r f e c t l y t h ed s pu s e s a d v a n c e dh a r v a r da r c h i t e c t u r e t h ep r o g r a mm e m o r ya n dd a t as t o r a g eh a st h e i ro w n b u s i tc a np r o c e s sp r o g r a ma n dd a t aa tt h es a m et i m e s oi tg r e a t l yi m p r o v e st h e a c c u r a c yo fh a r m o n i ca n g l i c i z i n g w i t ht h em e t h o do fa n g l i c i z i n gh a r m o n i ca n d e l e c t r o n i c sd e v e l o p i n g ，m o r ea n dm o r eh a r m o n i ca n g l i c i z i n ge q u i p m e n ti su s e d h a r m o n i ca n g l i c i z i n ge q u i p m e n t sm a d ei na b r o a da r ep o w e r f u l ，h i g hp r e c i s i o nb u t e x p e n s i v e h a r m o n i ca n g l i c i z i n ge q u i p m e n t sm a d ea th o m ei so p p o s i t e t h es u b j e c t i n t r o d u c e sah a r m o n i ca n g l i c i z i n ge q u i p m e n tb a s e do nh i g h - s p e e dd s pa n dh 吧 w h i c hi sh i g h - s p e e d ，p o w e r f u la n dc h e a p f i r s t l y , v a r i e t yo fh a r m o n i ca n g l i c i z i n ga l g o r i t h mi sc o m p a r e di nt h es u b j e c t t h e f f ri sc h o o s e da n ds t u d i e dd e e p l y w i n d o w sa n di n t e r p o l a t i o ni su s e dt oi m p r o v e 胍s e c o n d l y , a p p r o p r i a t ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa r ec h o o s e dt od e s i g nah a r m o n i c a n g l i c i z i n ge q u i p m e n t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r eo fh a r m o n i ca n g l i c i z i n g e q u i p m e n tt h a ti n c l u d e ss a m p l em o d u l e ，h a r m o n i ca n g l i c i z i n gm o d u l e ，m a n - m a c h i n e i n t e r f a c em o d u l ea n ds e r i a li n t e r f a c em o d u l e ，e t c t h i r d l y , t h es o f t w a r eo fh a r m o n i c a n g l i c i z i n ge q u i p m e n ti sd e s i g n e d ，w h i c h i n c l u d e s p r o g r a m o fs a m p l i n gd a t a ， p r o c e s s i n gd a t a ，c o m m u n i c a t i o n a n du p p e rm o n i t o r , e t c f i n a l l y , t h eh a r m o n i c a n g l i c i z i n ge q u i p m e n ti s u s e dt oa n g l i c i z eh a r m o n i ct h a tp r o d u c e db ya n o t h e r e q u i p m e n t t h ep a p e ri n t r o d u c e sr e a s o no fa n g l i c i z i n ge r r o ra n dt h ew a yo fr e d u c e d e r r o ri si n t r o d u c e d t h er e s u l ta c h i e v e st h ed e s i r e dr e s u l t s t h ef i n a lr e s u l ti sa sg o o d a se x p e c t e d t h ea n g l i c i z i n gr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eh a r m o n i ca n g l i c i z i n ge q u i p m e n tb a s e d o nd s pi sh i g h s p e e da n dh i g h a c c u r a c y i tc a nb eu s e di np o w e rs y s t e m k e y w o r d ：h a r m o n i cm e a s u r e m e n t ；f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f 网；w i n d o w e d i n t e r p o l a t i o n ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) i i 硕i ：学位论： 插图索引 图1 - 1 模拟并行滤波式谐波测量装置框图。6 图1 2 用i p 、i q 运算方式检测谐波电流框图6 图2 1 周期的离散序列1 4 图2 2 快速傅里叶变换运算流程图1 7 图2 3n = 8 的三级蝶形图1 8 图2 4 描述倒位序的树状图1 9 图2 。5 倒位序的变址处理2 0 图2 6f f r 与d f i 所需乘法运算量与采样点数n 的关系曲线一2 1 图3 1 系统设计原理框图。2 6 图3 2 电压电流互感器电路图2 7 图3 3 低通、电流电压转换和箝位电路2 7 图3 4a d 7 3 3 6 0 内部结构简图2 8 图3 5a d 7 3 3 6 0 模拟输入通道的电路设计。2 8 图3 - 6a d 7 3 3 6 0 输入范围与编码对应关系2 8 图3 7 电压抬升电路2 9 图3 8a d 7 3 3 6 0 与t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的接口电路3 0 图3 - 9d s p 外问题存储器扩展接口电路3 1 图3 1 0 通信接口电路图3 2 图3 1 1l c d 电路3 3 图3 1 2 电源电路3 3 图3 1 3j t a g 接口电路3 4 图4 1 软件程序模块的线程规划3 9 图4 2 主程序流程图5 3 图4 3b o o t l o a d e r 程序流程图5 5 图4 4 采集程序流程5 5 图4 5m c b s p 中断程序5 5 图4 6 基2 按时间抽选f f t 算法流程图。5 6 图4 7 加窗插值f f r 算法流程图5 7 图4 - 8 a 数据接受程序流程图5 8 图4 8 b 数据发送程序流程图5 8 图4 9 键盘扫描流程图5 8 图4 1 0 显示程序流程图5 8 图4 1 1 上位机分析结果图形界面5 9 i i i 基fd s p 的谐波测量f ：z 的研究 附表索引 表1 - 1 谐波测量仪器的允许误差4 表2 1 码位的倒位序1 9 表3 - 1 系统的性能指标2 5 表4 1 余弦窗的组合系数表。4 2 表4 2 常用窗函数性能比较4 2 表4 3 采用不同的窗进行加窗分析时所必须采样的周期数4 3 表4 4r t u 消息帧一5 7 表5 - 1 谐波测量结果和测量误差( 谐波幅值为基波幅值的1 ) 6 0 表5 2 谐波测量结果和测量误差( 谐波幅值为基波幅值的3 ) 6 1 表5 3 谐波测量结果和测量误差( 谐波幅值为基波幅值的5 ) 6 1 表5 4 谐波测量结果结果和测量误差( 谐波幅值为基波幅值的1 0 ) 。6 1 表5 5 电流测量结果6 2 表5 6 电压测量结果6 2 表5 7 有功功率、无功功率和功率因数的测量结果6 2 i v 硕十学位论文 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 菘锦群 日期：础年j ，月灯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：哨蚺 导师签名：于哆埠 日期：讪年 e t 期：圳。年 j 月玎日 f 月4 日 硕- 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 电能已经成为人们日常生活和工业生产的主要能源。随着我国经济的高速发 展，越来越多的谐波注入电网中。谐波对用电设备、变电站设备和电网电力运输 带来严重的影响。最大程度地减少电网中谐波的含量，降低谐波的危害，已经成 为电力系统的高度关注的问题。要解决这一问题关键在于准确快速地测量电网中 的谐波的各个参数。这正是我们进行谐波测量的主要目的。现代工业、商业及居 民用户的用电设备对供电质量要求越来越高。所以对电网中谐波进行抑制和补偿 势在必行。而谐波抑制和补偿的前提是要明确知道电网中谐波的含量，这才能配 置相应的抑制和补偿设备。同时，谐波测量又是检验谐波抑制和补偿是否达标的 检证【1 1 。现在全世界都在关注环境保护，我国更是极力推广节能减排。谐波的存 在使得电能传输和使用上都增加了不少能量损耗，因此谐波研究更具有保护和节 能减排的现实意义。 1 2 电力系统中的谐波 1 2 1 谐波的定义和性质 国际上公认的谐波定义1 2 】是：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频 率为基波频率的整数倍 。 从其定6 - - f 以看至t t 3 l t 4 i t 5 l ： 1 、谐波次数必须是个正整数。 2 、在波形畸变和有关电磁兼容的标准中有几个易于与谐波混淆的名词，则 间谐波、次谐波和分数谐波。这些名词的含义和谐波完全不同。间谐波是指频率 不是工频整数倍的谐波分量。次谐波是频率低于工频基波频率的谐波分量。分数 谐波是频率不是基波频率整数倍的谐波分量。 3 、谐波和暂态现象也有区别。谐波是在每一个周期波形保持不变。而暂态 现象是指每个周期波形都会变化。 4 、短时间谐波和暂态现象中的谐波分量。这是指设备工作时产生的短时间 突发电流脉冲，这种突发的脉冲包含着暂态分量和谐波分量。 1 2 2 谐波产生的原因 在理想的干净的电力系统中，电流和电压都是正弦波。在只含有线性元件( 电 堆一丁二d s pf ni 斤放洌l j 五! 仪j 彬f ，c 阻、电感和电容) 的简单电路里，流过的电流与施加的电压郜有是正弦波。在实 际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在；当流过负荷的电流与所加电压不呈 线性关系时，电网电压的波形会发生畸变，就产生为非正弦电流。 造成波形畸变的原因如下1 6 j ： 1 、电力系统本身存在着周期性的非正弦独立电源由不同频率的正弦电流分 量叠加而成，当它注入线性时不变的电力系统后，产生的电压、电流将仍然是由 这些频率的正弦分量组合，输入的畸变直接造成了输出的畸变。 2 、非线性负载作用于工频电压或电流，产生谐波电压和谐波电流。 3 、电力系统中存在时变负载，也产生谐波电压和谐波电流。 1 2 3 电力系统的主要谐波源 在电能的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。电力系统中 谐波主要来源有以下几方面： 1 、来源于发电机【7 l 由于发电机制造工艺问题，致使电枢表面的磁感应强度分布偏离正弦波，因 此产生的感应电动势也会偏离正弦，即所产生的电流偏离正弦。当这样的电流并 入电网时，总电流也偏离正弦电流。另外，在制作中发电机三相绕组很难做到绝 对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致，发电机会产生一些谐波。 2 、来源于输配电系统 在输配电系统中主要是电力变压器产生谐波。变压器含有铁心，铁心具有磁 饱和性，而铁心饱和后是非线性的。变压器铁心经常工作在磁通密度较高的区段， 很容易产生谐波。 3 、来源于电气设备【8 j ( 1 ) 电力电子整流设备 闸管整流装置采用的是移相控制，它从电网吸收缺角的正弦波，留给电网的 也是缺角的正弦波，这部分缺角正弦波中含有大量的谐波。 ( 2 )电弧炉 由于三相电弧炉的各相电阻不可能同步变化，造成三相电流不对称。电弧炉 的电阻是非线性的，随着电弧炉的电压瞬时值的变化而变化。因此，电弧炉是一 种冲击性、不对称、时变和非线性负荷，是系统中另一种主要的谐波源。 ( 3 ) 变频装置 变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成 份极其复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波。 ( 4 ) 气体放电光源【9 j 气体放电光源是非线性的，使用时会产生了大量的谐波，也成为供电系统中 不可忽视的谐波源。 2 顾 j 学化沦文 曼皇曼曼曼曼! 曼! 曼i i i 曼量曼曼曼曼曼曼曼 1 2 4 谐波的危害 电力系统中谐波含量迅速增多，引起电压波形畸变，增加了输电线路的损耗 和用电设备的损耗，降低了电能质量，损害用电设备。在电力系统中谐波的危害 是多方面的，主要有以下几个方面1 0 1 1 1 l ： 1 、对供配电线路的危害 在谐波影响下可能会引起电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器误动 作，不能全面有效地起到保护作用。因此谐波会严重威胁供配电系统的稳定与安 全运行。相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功 率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。 2 、对电力设备的危害 当电网存在谐波时，使电容器损耗功率增加。如果谐波含量较高，使电容器 异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。在谐波严重的情况下， 还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。谐波使变压器的铜耗和铁耗增大，以上两方面 的损耗增加，减少变压器的实际使用容量，还导致变压器噪声增大。谐波频率上 升，加上电缆导体的集肤效应，导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过 电流减小。 3 、对用电设备的危害 谐波增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。负序谐波减 少电动机的输出。另外谐波使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。会使全电 磁型的断路器发热，使脱扣困难，可能因谐波产生误动作。谐波通过电磁感应、 静电感应与传导方式耦合到弱电设备中，产生干扰。使电力测量仪表产生计量混 乱，测量不准确。 1 2 5 谐波测量的国家标准 国家标准g b 厂r 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波中对谐波测量的条件和 内容、数据处理和测量仪器作了如下规定i 阍： 1 、谐波电压( 或电流) 测量应选择在电网正常供电时可能出现的最小运行 方式且应在谐波源工作周期中产生的谐波量大的时段内进行( 例如：电弧炼钢 炉应在熔化期测量) 。当测量点附近安装有电容器组时，应在电容器组的各种运 行方式下进行测量。 2 、测量的谐波次数一般为第2 到第1 9 次，根据谐波源的特点或测试分析结 果，可以适当变动谐波次数测量的范围。 3 、对于负荷变化快的谐波源( 例如：炼钢电弧炉、晶闸管变流设备供电的 轧机、电力机车等) 测量的间隔时间不大于2 m i n ，测量次数应满足数理统计的 3 艇十d s p j r j 肯波州置仪的珂f 冗 曼曼蔓皇曼蔓曼! 皇曼皇蔓! ! ! ! 曼! ! ! 皇曼蔓曼曼曼曼曼! 曼! 皇! 曼曼曼皇i i i i ! 曼曼曼曼曼曼喜曼! 曼皇 要求，一般不少于3 0 次。对于负荷变化慢的谐波源( 例如：化工整流器、直流 输电换流站等) 测最间隔和持续时间不作规定。 4 、谐波测量的数据应取测量时段内各相实测量值的9 5 概率值中最大的一 相值，作为判断 皆波是否超过允许值的依据。但对负荷变化慢的谐波源可选五 个接近的实测值，取其算术平均值。 注：为了实用方便，实测值的9 5 概率值可按下述方法近似选取：将实测 值按由大到小次序排列，舍弃前面5 的大值，取剩余实测值中的最大值。 5 、谐波的测量仪器。 ( 1 ) 仪器的功能应满足本标准测量要求。 ( 2 ) 为了区别暂态现象和谐波，对负荷变化快的谐波。每次测量结果可为 3 s 内所测值的平均值。推荐采用下式计算： u = 式中巩一s 内第k 次测得的h 次谐波的方均根值； 膨一3 s 内取均匀间隔的测量次数， 胁6 。 ( 3 ) 仪器准确度。 谐波测量仪的允许误差见表1 - 1 。 表1 - 1 谐波测量仪器的允许误差 等级被测量条件允许误差 u h 1 u n 5 u a 电压 a u h 1 u n0 0 5 u h i h 3 i n 5 i h 电流 l h 3 i n0 1 5 l h u h 3 u n5 u h 电压 b u h 3 u n 0 1 5 u h i h l o i n 5 l h 电流 l h 1 0 i n0 5 0 l h 注：观为标准电压，以为谐波电压；知为额定电流， 为谐波电流。 a 级仪器频率测量范围为0 2 5 0 0 h z ，用于较精确的测量，仪器的相 角测量误差不大于5 。或1 。；b 级仪器用于一般测量。 ( 4 ) 仪器有一定的抗电磁干扰能力，便于现场使用。仪器应保证其电源在 标称电压1 5 ，频率在4 9 - - 5 1 h z 范围内电压总谐波畸变率不超过8 条件下能 正常工作。 6 、对刁 符合第2 条规定的仪器，可用于负荷变化慢的谐波源的测量。如用 于负荷变化快的谐波源的测量，测量条件和次数应分别符合第1 条和第3 条的舰 定。 4 硕士掌何论义 7 、在测量的频率范围内，仪用互感器、电容式分压器等谐波传感设备应有 良好的频率特性，其引入的幅值误差不应大于5 ，相角误差不大于5 。在没 有确切的频率响应误差特性时，电流互感器和低压电压互感器用于2 5 0 0 h z 及以 下频率的谐波测量：6 - 1 1 0 k v 电磁式电压互感器可用于1 0 0 0 h z 及以下频率测 量；电容式电压互感器不能用于谐波测量。在谐波电压测量中，对谐波次数或测 量精度有较高需要时，应采用电阻分压器( u j c l k v ) 。 1 3 国内外谐波测量的研究现状 电力系统谐波一出现就引起科学家和工程师们的注意。早在1 9 世纪末，当 交流电以一种新兴的动力形式出现时，人们就发现了电压、电流的波形畸变问题， 并研究如何才能使畸变限制在可接受的范围内。至于电力系统的谐波问题则是在 2 0 世纪2 0 年代才引起了人们的广泛注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流 器而造成了电压、电流波形的畸变1 1 3 】。到了5 0 年代和6 0 年代，研究人员发表了 有关变流器引起的电力系统谐波问题的大量论文。而7 0 年代以来，由于电力电 子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用 日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分的关 注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，很多国家和国际学术组织都制 定了限制电力系统和用电设备谐波的标准和规定。近十几年间电力谐波的研究， 已经越过了电力系统的范畴，形成特有的理论体系。目前，谐波研究是一个非常 活跃的领域。国际电工委员会( u e c ) 和国际大网会议( c i g r e ) 相继组成了专 门的工作组，开展了这方面的工作【1 4 。 我国对谐波问题的研究起步较晚。吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐 波一书是我国有关谐波问题较有影响的著作。夏道止等1 9 9 4 年出版的高压 直流输电系统的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作。此外，唐统一等人 和容键纲等人分别独立翻译j a r r i l l a g a 等的电力系统谐波一书，也在国内 有较大的影响。为了保证我国的电能质量，自1 9 9 0 年以来，我国发布了谐波国 家标准：g b f r l 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波。这个标准分别从发电、供 电、用电端对电能质量提出了要求，这些标准的发布无疑为提高我国的电能质量 水平起到了促进作用。如今我国许多科研和生产单位，相继开展了谐波研究工作， 并在学术会议上交流了一些这方面的成果。目前，我国在谐波研究领域主要有： 谐波源的特性、谐波的危害、电力系统模型及其精度、谐波电流和电压的计算方 法、谐波的测量仪器设备及测试方法、谐波管理与标准l l 5 。 根据电力系统谐波自身的特点，常规的谐波检测方法主要有1 1 6 j ：模拟滤波器 检测方法、基于瞬时无功功率检测方法、基于神经网络检测方法、基于小波变换 检测方法和基于傅里叶变化检测方法等。 5 旌j rd s p 的浙p 2 测量仪的研e 曼! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼! 曼曼皇曼曼曼皇皇皂i i 蔓曼曼量曼曼曼曼曼曼皇篁 1 、采用模拟滤波器的谐波测量方法【1 7 】【1 8 】 最早的谐波测量是采片j 模拟滤波器实现的。图1 - 1 为模拟并行滤波式谐波测 量装置框图【1 9 l 。由图可见，输入信号经放大后送入一组并行连接的带通滤波器， 滤波器的中心频率口、f 2 、f n 是固定的，为工频的整数倍，且户啦 n 时，才将原存放x 似，及存放石似的存储单元的内容互换。这样 就得到输入所需的倒位序的顺序。可以看出，其结果与图2 3 的要求一致。 存储单元a ( 0a ( 2 ) a ( 3 ) a ( 4 ) a ( 5 ) a ( 6 ) a ( 7 ) a ( 8 ) 燃= 。f h 一回x f 7 变址k l i l j 时， 2 詈l o g ：，从而f 盯算法比d f t 算法的运算次数大大减少。图2 - 6 为f f r 与d f t 所需乘法运算量与采样点数n 的关系曲线。由此图更直观地看出f f t 算 法的优越性。显然，越大，优越性就越明显。 顾_ 学位沦丈 乘 法 姿 三 晷 图2 - 6f f r 与d f f 所需乘法运算量与采样点数n 的关系曲线 2 7f f t 算法存在的问题及解决方法 使用f f r 进行电力谐波分析时一般涉及三个过程：( 1 ) 对连续时间信号进 行采样，变换为离散序列。在谐波测量中，所要处理的信号都是通过采样和进行 a d 转换后得到的数字信号。( 3 ) 建立数据窗，忽略数据窗前后信号波形。由 于理想傅立叶变换要求时域信号是无限长的，而在实际的谐波测量中，f f r 只能 对有限长的采样信号进行变换，相当于使用数据窗对无限长连续信号进行截断。 ( 3 ) 应用f 兀得到谐波分析结果。通过f 兀 算法获取谐波信号的参数( 频率、 幅值和相位) 。以上步骤的操作过程会不同程度为谐波测量结果带来一定的误差。 其误差来源主要有：连续波形离散化时引入的误差、采样周期变动引入的误差、 a d 转换时的量化误差、数据处理中的运算误差、同步误差等，其中同步误差对 谐波分析结果的准确度影响最大1 3 1 1 。 1 、频谱混叠【3 2 1 【3 3 l ( 1 ) 混叠产生原因 在对连续信号的频率谱进行分析时首先要对其采样，变成时域离散信号后才 能用f f t 进行谱分析。根据采样定理，只有当采样频率归2 ，时，才能得到各 次谐波对应的频谱。当f s 2 f 时谐波频率最高只能得到频率低于f s 2 的谐波频谱。 由于频谱的周期性，其它各周期中原有的频率高于f s l 2 的谐波频谱都将混叠到该 周期频率低于f m 2 的谐波频谱中去，造成频谱混叠而产生误差。厂越低则产生的 频谱混叠误差越大。 ( 2 ) 改进方法 减小频谱混叠的方法一般有两种： 模拟滤波：该方法通过在信号输入通道上加截止频率为f s 2 的前置滤波器 ( 防混叠滤波器) 对信号进行预处理，能有效的抑制频谱混叠。但由于模拟滤波 器的幅频特性不可能是理想的矩形，从而导致信号的幅值和相位产生了失真，给 谐波测量带来一定的误差。 数字滤波：该方法在对信号采样后，用数字滤波的方法对信号进行滤波。 其处理精度高、滤波特性好，可以通过改变参数来方便的针对信号处理要求改变 2 1 驻+ rd s p 的潴波测量 文的研究 滤波器特性。但运算量较大，对系统要求较高。 现在经常采取的方法有：前置模拟滤波器和前置模拟滤波器+ 数字滤波器， 可根据实际应用进行选择合适的方案。 2 、泄漏效应p 4 1 ( 1 ) 产生原因 频谱泄漏是由于采样周期与信号周期不同步时出现的频谱泄露误差。用f f t 对其进行谱分析时，使用数据窗使无限长连续信号截断成有限长序列，被截断后 的信号谱线由原来的离散谱线向附近展宽，造成频谱泄漏，使谱分辨率降低。当 对周期信号进行谐波分析时，只有当各次谐波成分对应的谱线位于f f t 的计算 点上时，才能准确的计算出各谐波的频谱值，否则由于频谱泄漏的原因，计算出 的将是泄漏谱，引入较大的误差。频谱泄漏包括长范围泄漏和短范围泄漏两部分， 长范围泄漏是由于信号截断造成的信号频谱旁瓣之间的相互干扰；短范围泄漏是 指由于离散频谱的栅栏效应导致的信号峰值点观测上的偏差。 ( 2 ) 改进方法 利用加窗插值法或其改进算法对n 叮进行修正的方法：加窗插值算法通 过加窗减小频谱泄漏，通过插值消除栅栏效应引起的误差。因此算法中涉及两方 面的内容，即窗函数的选择和插值( 修正) 算法的选择。 在加窗插值方法中，窗函数的选择非常重要，可以通过选择适当的窗函数来 抑制长范围泄漏。在频谱分析时要求窗函数主瓣窄、旁瓣低且跌落速度快，但对 同一窗函数，这几个要求很难同时满足。在信号处理时，应根据信号特征和研究 目的来选择窗，目前，常用的窗函数有2 0 余种。主要包括余弦窗闭和卷积窗1 3 研。 一般电网信号主要含有整数次谐波，因而常采样基于余弦窗的组合窗，这类窗只 要选取观测时间是信号周期的整数倍，其频谱在各次整数倍谐波频率处幅值为 零，因而谐波之间不发生相互泄漏1 3 7 1 。即使信号频率作小范围波动，泄漏误差也 较小。窗的项数越多，主瓣宽度越大，从而引起频谱分辨力的降低。但同时较多 项数的窗函数能够产生较大的旁瓣衰减，有利于提高频谱计算精度，但组合窗的 项数一般不大于4 刚。 窗函数不同，各插值算法对应的参数也不同，有基本的插值算法、单峰谱线 修正算法、双峰谱线插值修正算法等，其中双峰谱线插值修正算法等基于两根潜 线的加权平均来修正幅值。双峰谱线修正算法通过结合多项式逼近方法解决了修 正算法的数值计算问题，简化了算法的实现。 同步采样法：同步采样的实现包括硬件和软件两种方案。 基于软件( 算法) 的改进方法：软件同步法，通过测量信号周期来适时调整 采样问隔，从而保证信号频率和采样频率的同步。这类方法实时性较硬件方案稍 差，但其硬件电路简单，较易实现。 基于硬件( 同步装置) 的改进方法：包括采用过零比较器、锁相环同步采样 硕卜学位论文 硬件装置实现同步采样。过零比较器这种方法硬件简单、速度较快，但对于畸变 波形的信号容易产生误动作，而且抗干扰能力差，且测量周期用波形和实际采样 的波形不一致，当被测信号频率发生抖动时将会产生很大的误差，适用于被测波 形畸变小且较稳定的地方。锁相环同步采样装置用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。缺点是同样存在测量畸变波形时存在较大误差， 由于锁相环对频率的跟踪是动态的跟踪，其误差不稳定，而且延迟、漂移等可引 入新的误差，且硬件较复杂。由于全部由硬件完成，速度快，实时性好，但同时 也增加了成本和硬件的复杂度。 总的来说，软件方法可以灵活地应用，在很大程度上提高了精度，但是实时 性不能得到很好的保证，硬件方法通过优化每周采样点数或采样周期来逼近信号 频率，实时性得到保证，但精度受到了一定的影响。 修改理想采样频率法：这种方法的主要思想是对每个采样点进行修正，得 到理想采样频率下的采样值。该方法不需要添加任何硬件，实时性好，适合在线 测量，但它与前两种方法相比较误差稍大一些，只能减少5 0 的泄漏。 自适应调整采样率等角度采样法：自适应调整采样率等角度间隔采样原 则，根据当前频率随时调整采样率，可有效地消除由于信号频率变化所带来的各 种误差，但算法是建立在谐波分析基础上实现的，每一步都必须作f f t 运算， 因此计算量大。 准同步采样法：这种方法是在同步采样的基础上，通过适当增加采样点及 采用相应的算法进行数据处理的一种新技术，它比较好的解决了同步误差对测量 准确度的影响问题。用准同步法来测量电网参数，能有效地抑制谐波对测量参数 的影响及减小未完全同步产生的误差，获得较高的测量精度。但是这种算法需要 处理的数据量非常大，实时性不够理想，而且相位误差较大。 3 、栅栏效应【3 9 】 ( 1 ) 产生原因 谐波分析时只能观测到基波频率整数倍处的谐波频谱，而不是连续频率 谱，这就像通过一个栅栏分观看一个景象一样，只能在离散点的地方看到真实景 象，把这种现象称为“栅栏效应 。 ( 2 ) 改进方法 减小“栅栏效应”的一个方法就是使频域抽样更密，即保持采样频率不变， 增加频域抽样点数n ，这样可使“栅栏 更密，使采样点间距离更近( 单位圆上 样点更多) ，谱线更密，谱线变密后原来看不到的谱分量就有可能看到了。有学 者提出要减小f f t 的“栅栏效应 ，提高谐波分辨率，需要延长采样区间的方 法，这种方法效果较好，但是实时性差。目前经常使用的方法是通过插值算法来 消除栅栏效应对谐波分析引起的误差，这种方法也取得了很好的效果。 琏j fd s p 的晰波钡4 基f z 的研究 第3 章谐波测量仪的硬件设计 本章首先根据算法的要求并结合实际应用提出了系统的需求，分析了仪表的 功能，介绍了测危仪的核心芯片，给出系统的硬件整体实现框图。然后详细介绍 了仪表各个功能电路。 3 1 系统功能需求分析 本系统的主要功能是测量电力网络中的各种电力参数，特别是电网中的谐波 畸变率及各次谐波含有率。作为测量仪表，必须要具备测量精度高、安全可靠的 特点；而且要求具备较快的通信速率，以便将现场的测量数据实时传送到上位机 上。 本系统的目标是设计出一款数字式谐波测量仪，实现测量电力参数的功能， 实时处理、显示、储存电力系统的数据和状态，并通过r s 2 3 2 串行通信接口传 送到上位机。因此，其功能概况起来应该包括下面几个方面1 2 4 】： ( 1 ) 测量功能 测量是本系统的最基本功能。本系统要求测量的电力参数包括：相电压、线 电压、相电流、线电流、基波电压、基波电流、基波频率、有功功率、无功功率、 功率因数、总谐波畸变率以及1 5 1 次谐波含有率等。 ( 2 ) 设定功能 为了适应不同的电网和通信需要，需要为系统增加设定功能。设定的参数包 括：c t 比、p t 比、电流报警值、电压报警值、通信地址和通信波特率。 ( 3 ) 报警功能 作为测量仪表，当测量的电力参数超过设定报警值时，应该能够向设备管理 者报警提示。这样不仅可以保护设备免受损坏，而且可以保障仪表的正常工作。 ( 4 ) 显示功能 由于系统测量参数较多，不可能将所有测量参数同时显示出来。采用中文液 晶显示模块可以在一个屏幕上显示多个电力参数，而且可以与按键配合，实现对 系统参数的设定功能。 ( 5 ) 通信功能 为了能够把现场仪表测量的数据传送到监控计算机上，需要增加通信功能。 通过设置不同的通信地址，可以将测量参数显示在上位机的监控界面上。 ( 6 ) 存储功能 仪表需要在掉电后能够保持当前的各种数据，如设定的参数，c t 比、p 1 r 比、 报警值，设定的通信地址和通信速率等。这样，重新上电之后，系统从存储器中 读取没定的参数信息。 硕 ：学位论文 3 2 系统性能指标 表3 - 1 系统的性能指标 量程 o 5 0 0 0 v 电压 测量误差( 1 + 1 0 个字) 量程 0 5 0 0 0 a 电流 测量误差( 1 + 1 0 个字) 量程2 5 0 w 2 5 0 k w 功率基波功率 ( 4 + 4 个字) 测量误差 总功率( 2 + 6 个字) 量程o 1 o 功率因数 测量误差 0 0 4 量程基波到5 1 次谐波 电压、电流 基波( 3 + 2 个字) 测量误差1 至3 1 次谐波( 5 + 3 个字) 3 2 至5 1 次谐波( 1 5 + 5 个字) 量程电压( v ) 、电流( a ) ( 基波对谐波) 谐波 相位 测量误差3 0 至1 5 0 量程o 0 0 9 9 9 9 总谐波失真 测量误差 ( 3 + 8 个字) 量程 4 0h z 至7 0h z 基波频率 测量误差 0 2 5h z 3 3 系统硬件结构 系统的工作原理是：从电压互感器和电流互感器的二次侧引入信号，并进行 信号调理和滤波，然后送入a d 转换模块进行模数转换，将其输出的数字信号 送入到d s p 芯片进行运算。d s p 信号进行实数序列的f f t 变换计算出各次谐波 的幅值、相位、有效值以