电力谐波分析系统设计毕业设计（论文）

1、毕业设计（论文）论文题目：市电谐波分析系统设计摘 要谐波测量在电力系统中占有重要的地位和作用。及时、准确地掌握电网中谐波的实际状况对于电力系统的安全、运行具有重要的意义。由于谐波具有非线性、随机性、非平稳性和复杂性等特征，所以难以对谐波进行准确测量。本文针对谐波的特征，并根据电力系统谐波测量的基本要求，阐述了谐波测量的主要方法和谐波测量装置的分类，以及基于c8051f005的cpu电力系统谐波测量的硬件实现和海明窗插值fft应用于谐波测量中的算法分析和研究。最后对电力系统的谐波测量的发展趋势提出了看法。关键字 c8051f005单片机 , 快速傅立叶变换, 电力系统谐波测量。abstracth

2、armonic measurement occupies an important position and play an important role in the electrical power system. control real time and accurately the actual condition of the harmonic is very important to the safety and operation of the electric power system. because harmonic has inherent non-linear, ra

3、ndom, instability, complex influence factors and so on, it is very difficult to measure the harmonic accurately. according to basic request of the harmonic measurement in the electrical power system, this paper elaborates the main harmonic measurement method, and has outlined hardware realization an

4、d the software algorithm flow of the harmonic which is based on the c8051f005 cpu electrical power system, and the algorithmic analysis and research that hamming window interpolation fft applied in the harmonic measures. key words: c8051f005 mcu, hamming window interpolation fft, harmonic measuremen

5、t in the power system目录一 引言4 二 电力系统谐波测量的基本要求5 三 谐波测量分类 5 四 电力系统主要测量方法 6 1、采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波8 2、基于傅立叶变换的谐波测量8 3、基于瞬时无功功率的谐波测量9 4、基于神经网络的谐波测量8 5、利用小波分析方法进行谐波测量7 五 基于c89051f005 快速离散傅立叶变换的谐波分析的方案111、谐波分析系统设计框图和工作原理 111.1、 c8051f005单片机的特点121.2、隔离电路131.3、调整电路131.4、 键盘和显示单元（人机交换接口）151.5、 控制单元151.6、电源152、基于c

6、8051f005傅立叶变换谐波测量算法研究162.1 、fft 算法162.2 、fft 加窗的插值算法172.3、仿真182.4、fft 加窗修正算法变换结果 193、同频率修正194、软件设计19六谐波测量的发展趋势20七 结束语21参考 文献21附录 122附录 223附录 324附录 425一 引言 随着现代工业的高速发展，电力系统中的非线性负荷日益增多，电力系统谐波污染问题受到了广泛的重视。电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响。谐波被认为是电网的一大公害，同时也阻碍了电力电子技术的发展。谐波问题涉及面很广，包括对畸变波形的

7、分析方法、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制标准以及谐波测量及在谐波情况下对各种电气量的测量方法等。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点和主要依据。谐波测量的主要作用有：鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定。电气设备调试、投运时的谐波测量，以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运行。谐波故障或异常原因的测量。谐波专题测试，如谐波潮流、谐波谐振等。由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征，难以对谐波进行准确测量，为此许多学者对谐波测量问题进行广泛研究。本文论述了电力系统谐波测量的基本要求和谐

8、波测量装置，对谐波测量方法进行了综述，并阐述利用c89051f005为cpu实现采样256点的快速离散傅立叶变换的电力谐波分析的方案。 二 电力系统谐波测量的基本要求1、谐波测量方法和数据处理必须遵照1993年国家颁布的标准gb/t 1454993，即电能质量公用电网谐波。2、精度要求。达到减少误差和精确测量的目的。3、速度要求。要求具有较快的动态跟踪能力，测量时滞性小。4、稳定性好。在电力系统的正常、异常运行情况下都能测出谐波。5、实践代价小。此项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，应力求获得较高的性能价格比。 三 谐波测量的分类实际的谐波测量装置因应用的时

9、期、场合和要求的不同而形式各异。按测量功能分类，可分为频谱分析仪和谐波分析仪。按测量原理分类，可分为模拟式和数字式测量仪器。按测量功能分类，可分为谐波分析仪和谐波监测仪。频谱分析仪提供谐波的频谱分布特性，谐波监测仪提供谐波成分的变化情况，谐波分析仪提供电压谐波、电流谐波畸变率及每次谐波含量等。为谐波分析评估和治理提供依据，除上述仪器外，还有谐波功率流向计和谐波阻抗测量计等专用仪器。总之，谐波测量装置经历了从早期的模拟、数字电路模块，到目前广泛使用的单片机、工控机、dsp等发展过程。谐波测量装置的开发过程包括算法理论设计、仿真调试、程序固化和动态模拟或现场测试等过程。 四 电力系统谐波测量的主要

10、方法 1、采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现的。图1为模拟并行滤波式谐波测量装置框图。由图可见，输入信号经放大后送入一组并行联结的带通滤波器，滤波器的中心频率是固定的且为工频的整数倍，检测器将频率处理，然后多路显示器显示。图1 2、 基于傅立叶变换的谐波测量 基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法。它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。使用此方法测量谐波，精度较高，功能较多，使用方便。其缺点是需进行2次变换，计算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。而且在采样过程中，当信号频率和采样频率不一致时，即当式(

11、1)不成立时，使用该方法会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数(即频率、幅值 和相位)不准确，尤其是相位的误差很大，无法满足测量精度的要求，因此必须对算法进行改进。 (1)式中 t0为信号周期；ts为采样周期；fs为采样频率；f0为信号频率；l为正整数。减少频谱泄漏的方法主要有3种： （1）利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正的方法。该方法可减少泄漏，有效地抑制谐波之间的干扰和杂波及噪声的干扰，从而可以精确测量到各次谐波电压和电流的幅值及相位。在实际测量过程中，选用矩形窗插值算法和海宁窗插值算法能够满足测量精度的要求。（2）修正理想采样频率法。这种方法的主要思想是对每个采样点进行

12、修正，得到理想采样频率下的采样值。该方法计算量不大，并不需要添加任何硬件，实时性比上一种方法好，适合在线测量，但只能减少50%的泄漏。 （3）利用数字式锁相器(dpll)使信号频率和采样频率同步。图2为频率同步数字锁相装置框图。图中数字式相位比较器把取自系统的电压信号的相位和频率与锁相环输出的同步反馈信号进行相位比较。当失步时，数字式相位比较器输出与二者相位差和频率差有关的电压，经滤波后控制并改变压控振荡器的频率，直到输入频率和反馈信号频率同步为止。一旦锁定，便将跟踪输入信号频率变化，保持二者的频率同步，输出的同步信号去控制对信号的采样和加窗函数。 除上述3种方法外，还有其它减少泄漏的方法，如

13、：减少频谱泄漏的方法，减少快速傅立叶变换中栅栏效应的方法。 图23、 基于瞬时无功功率的谐波测量1984年，日本学者hakagi等提出瞬时无功功率理论，并在此基础上提出了2种谐波电流的检测方法：p-q法和ip-iq法。这2种方法都能准确地测量对称的三相三线制电路的谐波值，优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量的测量电路比较简单，并且延时小。虽然被测量的电流中谐波构成和采用滤波器的不同，因而会有不同的延时，但延时最多不超过1个电源周期。如电网中最典型的谐波源，其检测的延时约为1/6周期。可见，该方法具有很好的实时性，缺点是硬件多，花费大。此理论是基于三相三线制电路，对于单相电路，必须首先将三

14、相电路分解，然后构造基于瞬时无功功率理论的单相电路谐波测量。4、基于神经网络的谐波测量神经网络应用于电力系统谐波测量，它主要有3方面的应用：谐波源辨识；电力系统谐波预测；谐波测量。将神经网络应用于谐波测量，主要涉及网络构建、样本的确定和算法的选择。基于人工神经网络的电力系统谐波测量方法，该方法利用多层前馈网络的函数逼近能力，通过构造特殊的多层前馈神经网络，建立了相应的谐波测量电路。将神经网络理论和自适应对消噪声技术相结合，adline矩阵作为输入，建立相应的测量电路，并利用delta算法调节权值和阈值，这种方法的自适应能力较强。式（8）为adline16矩阵的表达式。 （8）仿真结果表明，不仅

15、对周期性变化的电流具有很好的跟踪性能，而且对各种非周期变化的电流也能进行快速跟踪，对高频随机干扰有良好的识别能力。 5、利用小波分析方法进行谐波测量小波分析克服了傅立叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在频域和时域都具有局部性。 利用小波变换能将电力系统中产生的高次谐波变换投影到不同的尺度上会明显地表现出高频、奇异高次谐波信号的特性，特别是小波包具有将频率空间进一步细分的特性，从而为谐波分析提供了可靠依据。通过对含有谐波的电流信号进行正交小波分解，分析了电流信号的各个尺度的分解结果，并利用多分辨的概念将低频段上的结果看作不含谐波的基波分量。这种算法，可以利用软件构成谐波检测环

16、节，且能快速跟踪谐波的变化。综上所述，带通滤波是早期模拟式谐波测量装置的基本原理；傅立叶变换是目前谐波测量仪器中广泛应用的基本理论依据；神经网络理论和小波分析方法应用于谐波测量，是目前正在研究的新方法，它可以提高谐波测量的实时性和精度；瞬时无功功率理论可用于谐波的瞬时检测，也可用于无功补偿等谐波治理领域。五 基于c89051f005快速离散傅立叶变换的谐波分析的方案1、谐波分析系统设计框图和工作原理目前，国内研制的谐波分析仪大多为便携式，多数采用8051单片机为核心构成单片机应用系统，由于一般的8051单片机速度慢，造成数据分析时间过长，使谐波分析仪的实时性降低。笔者研制的谐波分析系统既可做为

17、便携式谐波分析仪，进行现场测量，又可将测量数据储存，将数据传入pc机中，利用谐波管理软件对数据进行分析及储存，以便对谐波进行长期监测。系统的主要结构如图3所示。谐波分析仪以cygnalc8051f005为核心构成微机应用系统，该芯片性价比高、速度快，大大提高谐波分析仪的实时性。测量时，从电压互感器和电流互感器的二次侧引入输入信号，对电压和电流信号同时进行隔离、采样、保持，并送入ad转换器变成离散数据序列信号。微控制cpu对离散数据序列信号分析和处理。将其处理的结果，一方面，通过mgls240128液晶显示器将分析的在显示屏上显示出来，包括电压、电流、频率，有无功率，功率因数，谐波次数含量柱状图

18、和采样波形图象。另一方面将测量的结果参数保存，并记录特殊事件，以状态灯的形式指示，以便对市电工频信号进行长期监测和分析。再一面还能通过人机交换接口实现整个系统的参数和控制逻辑设置，并对系统线路控制。 lcd：mgls240128键盘输入图3系统框图电流互感器隔离电路电压互感器隔离电路信号调整模数转换多路开关微控制单元c8051f005状态灯指示与pc机通讯数据保存，特殊事件记录信号保持1.1、 c8051f005单片机的特点c8051fxx系列单片机是美国cygnal公司推出的一种与51系列单片机内核兼容的单片机。（1）内核采用流水线结构，速度可达25mips（25mhz晶振），比普通的51单

19、片机快10倍；其指令与标准系列51单片机兼容，因而掌握开发过程非常容易；该芯片的jtag调试方式支持在系统、全速、非插入调试和编程（无需仿真器），支持断点调试、单步、观察点、堆栈监视器、且不占用片内资源。（2）片上集成有32kb flash 、2304 btye内部ram、32个i口、 8通道12位100ksps的可编程增益adc、8通道10位100ksps可编程增益adc、路12位dac、2路模拟比较器、vdd监视器/降电压检测器、内部电压基准和看门狗等功能。由于c8051f005各功能模块高集成度，因而无需外扩rom、ram、ad、da、watchdog、可编程i/o口和eeprom（用片

20、内flash实现），从而大大简化了硬件电路，并为构成以c8051f005为核心的单片机系统创造了条件，同时也提高了系统的可靠性。（3）片内集成有个uart、1个sm（兼容i2c）和1个spi，在工业控制设计时更方便，控制可靠性也增强了。（4）可编程的16位计数器阵列pca有5个捕捉比较模块和4个通用16位计数器定时器，这一为要求定时器计数器具有较多的测控节点提供了方便。（5）c80581f005能满足绝大多数工业测控节点的要求，能够形成以c8051f005为核心的单片机系统，如果配以外围测量单元，还可形成完整的测控系统。把c8051f005应用于电力谐波分析系统，加强了系统的可靠性、减少了硬件

21、电路、抗干扰能力强、具有更强的信号动态跟踪能力、数据分析处理的能力、为系统设计可行性和适用性提供了依据。1.2、隔离电路考虑到仪器的广泛适用性，仪器的输入信号分别取自被测线路的电压、电流互感器的二次侧，为了提高仪器的抗干扰能力，保证操作人员的人身安全，用光电隔离电路将外部输入信号与微机应用系统电气隔离。为精密测量谐波成分，该仪器采用瑞士莱姆（lem）公司生产的电压、电流互感器模块，这种变换器具有较好的频率响应且输入范围大。精密电流型电压互感器将有效值为0220 v的电压流信号变为02ma电流信号，精密电流型电流互感器将05 a的电流信号变为02ma的电流信号。信号隔离电路如图4。电流型精密互感

22、器跟踪电力系统信号，并把电力系统信号动态情况以02ma的动态跟踪电流信号输出。考虑应尽量减少频率失真，提高仪器的抗干扰能力，所以并联2个0.1uf的陶瓷电容，并将采样后的动态跟踪电流信号串联一个1k的电组（1k*2ma=2v）将其转换成+2v -2v电压形式，进入信号调整电路。1.3、调整电路调整电路主要由运放op37组成的加法电路和rc滤波电路构成。op37体积小、成本低、受干扰小、噪声低等优点，与rc滤波电路配和使用，保证了2000hz以下信号不失真通过，滤去了不必要的高次谐波（防止影响对谐波的测量），又避免了外界干扰，使噪声降到最低。采样动态跟踪信号输入范围-2v +2v，由于c8051

23、f005内部ad转换最大允许输入电压范围02.4v 并且只能对正电压转换，所以必须对信号调整（原理图见图5）。调节r38和r39可以使输出信号保证在允许测量的范围内。调整前和调整后的波形对比如图4.1。为了确保仪器正常工作，提高可靠性，所以输出电压的峰峰值不能超过2v。为了提高仪器的测量精度，必须对电压、电流信号同时采样。用采样保持器lf398分两路对被测电压、电流信号同时进行采样保持（图右），并将各自的输出信号分别输入到c8051f005多路ad转换i/o口，通过的定时中断实现电压、电流信号的轮流采样。该设计对被测电压、电流信号每周期采样256点，因此，控制采集脉冲频率为22565025.6

24、 khz，轮流将两个被测信号的采样值送到模数转换电路。模数转换电路是c8051f005cpu内部自带ad转换，是一种高速12位adc，100ksps。图5信号调整电路1.4、 键盘和显示单元（人机交换接口）键盘设置4个按键，分别菜单键、设置键、返回键和确定键，采用中断查询方式扫描键盘，与mgls240128液晶显示器配合实现分层式菜单显示，用户可以方便地对系统的各项参数（如过电压、电流、频率等）查看和系统动作（如过压）进行设定。另设4个状态显示灯，分别为：（1）红1为电源状态显示灯，当电压过低和掉电时灯灭。（2）红2为分析仪工作状态显示灯，当不正常工作时灯亮。（3）红3为过压灯，当电压超出系统

25、设置的允许最大电压时灯亮。（4）红4为谐波报警灯，当谐波超过一定值后灯亮。在状态灯亮的同时蜂鸣器每隔1分钟发声延时1秒。当监测信号正常时，状态灯和蜂鸣器自动转换工作状态。1.5、 控制单元控制单元是通过c8051f005的i/o口对相关的逻辑输出和驱动电路控制来实现的（附录图d）。因为固态继电器具有无火花、易驱动、体积小等突出优点。 所以控制端口多采用固态继电器连接。1.6、电源交流电压正常时，各个分控单元的供电为用户正常供电被测交流电源通过本机电源总线提供，经ac/dc转换电路转换为系统所需的+12v 、-12v、5v直流电压（附录图b）。如果在特殊情况下，不能由交流电压提供时，则自动使用后

26、备电池供电保证仪器正常工作。仪器启动时首先由后备电池供电，当检查到交流电压正常时，才把电源总线转换。2、基于c8051f005傅立叶变换谐波测量算法研究对电网电压和电流的基波幅值的测量分析，通常是采用快速fourier 变换(fft) 实现的。当频率偏离 50hz 时（电力组织规定工频信号频率波动范围：49.75hz50.25hz），fft 算法的栅栏效应和泄漏现象将会导致电流、电压的测量精度难以满足实际需求。由于一般电网信号主要含有整数次谐波，因而常采用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。但是窗的项数

27、越多，会引起频谱分辨力的降低。笔者采用 fft 加窗插值算法实现对电力系统谐波的检测。 2.1 、fft 算法 电力系统的电量信号可用一个周期函数来表示 ，式中 t 为周期，k 取整数值， ， f 为电力系统的频率，是系统的角频率；它可以用傅立叶级数展开成： （1）其中，a0 为直流分量；n 为谐波的次数，在实际的测量过程中，对电压电流信号在一个周期内各等间隔同步采样若干点,将获得的离散时域数据进行快速傅里叶变换( fft) ,得到信号的频域数据,即可计算出基波及各次谐波的幅值、相位、功率及谐波畸变率等。对电压或者电流 x(t)采样的一般步骤是：选定一个周期，然后再对该周期 n 等分，选出对应

28、的 n个等分点，也就是将电压或电流信号进行离散化， 得到一组采样序列 第 k个采样时刻为,可求出第 n 次谐波的系数 an，bn： （2） （3），其中 n=1，2，3，n将其转化为离散值的。由，可以很容易求得： （4） （5），其中 n 的取值和上面一样，再对上面的 离散值进行 fft 变换，也就是把时域中周期为 t 的信号变换到周期为 n 的频域中，经 fft 变换后的序列为 ： （6） 并且它与 n 次谐波系数关系为 ： （7） 2.2 、fft 加窗的插值算法 理想的傅立叶变换是对时域宽度为无限长的信号进行的变换，但在实际测量中，fft 只能对时域宽度为有限长的信号进行变换，这毫无疑问

29、是对无限长信号进行了截断处理，并且 fft 变换所得的结果是所选采样区间基波频率的整数倍，由此产生的栅极效应和频谱泄漏自然会对谐波的测量带来误差，解决此类问题的常用办法是进行加窗以减少泄漏。由于电力信号主要含整数次谐波,余弦窗具有主瓣窄、旁瓣低、旁瓣幅值跌落速度快、在一定时有最小主瓣宽度等特点,只要选取观测时间是信号周期的整数倍,基频谱在各次整数倍谐波频率处幅值为零,谐波间泄漏误差较小,故常选用余弦窗，其中又以海明窗的效果较好。 海明窗： ， （8） 设谐波信号加海明窗为： (9） 式中 x(nts) 为信号的采样序列，ts 为采样间隔,为海明窗, 对此加窗后的采样序列应用 fft 并进行插值

30、算法可得到幅值和相位。海明窗的具体插值方法是双峰谱线插值修正算法，现简要摘录如下： （10） (11） (12) (13) （14）（15） 2.3、仿真 假设电量信号为： (19) 对以上信号以采样频率10khz(10000点/s)进行采样，采样点数为1024个，则其采样时间t=1024 10000=0.124s，满足国家标准中对快速变化谐波的测量要求。假设测量时系统频率为f = 50.2hz，在国家标准允许的系统频率波动范围之内。分别采用不考虑系统频率波动的模型(即认为f =50hz不变)、加海宁窗的插值fft算法所示的结果。 其中，fft算法给出了将采样点(1024个)处理一遍和处理两遍

31、(2048个)的结果，在编程实现的过程中可根据具体精度控制的要求决定训练的点数。 2.4、fft 加窗修正算法变换结果 幅值幅值1次3次5次7次fft插值20.0093.0015.9913.009相角相位1次3次5次7次fft插值0.2641.0460.4223.143上的角度为弧度值，转换为角度分别是：15.134,59.948, 25.319, 180.086 频率相位1次3次5次7次fft插值49.989149.949249.945349.923 经仿真研究可知，fft 插值算法具有检测精度高、实现简单、功能多且使用方便,在谐波检测方面得到广泛应用。但计算量较大,因此必须使用高速处理能力

32、的cpu来提高处理数据的速度，增强实用性。 3、同频率修正为了保证信号采样的精度，要对信号进行等时间间隔采样。其间隔时间就是采样周期。从理论和理想情况来看，若认为信号频率是固定不变的，则采样周期也是固定不变，但实际系统中，工频信号频率经常会发生变动，假设信号频率减小时，若仍以原频率时理论采样间隔对信号采样，会造成信号的一个周期中前一段是一理论间隔被采样（以采64个点为例），如果采满了64个点，造成信号后一部分没有被采到，如图b所示。而当信号频率增大时，则一个周期采不到64个点，如图c所示。所以频率变化会引起采样失真，从而影响测量的精度。在实际中，必须保持采样的间隔随信号频率的波动而发生相应的变

33、化，即把一个周期等时间间隔采样变为等相位采样。因此笔者采用频率修正的方法实现等相位同频率采样。在采样前先准确测量出工频信号频率（如50.10hz），然后修正采样的周期和频率，则实际采样周期为 t=(1 / 50.10hz) / 256=77.969us。国家标准对快速变换的谐波要求测量0.08s0.16s(48个周期)中的波形进行谐波分析，所以在较短时间内（0.080.16s）电力系统的频率可近似为某一恒定值。所以通过软件修正实现同频同相是可行的。4、软件设计 分析仪软件采用模块化结构，分3个功能模块： （1）系统管理、控制模块：包括系统初始化、系统自检、键盘管理、工作模式、通信、波形显示、数

34、据输出等。流程框图如图8。 （2）数据处理模块：包括分析、计算、储存以及数字滤波等。流程框图图9。 （3）测量周期模块：获取采样周期、完成采样和ad转换。流程框图略。考虑到系统时效性和灵活性的需要，整个程序采用c语言完成。其中、控制单元子程序除对电力系统电压质量进行检测、记录和判断外，还作为整个系统的主程序，完成监控系统的动作逻辑、参数和线路控制等。图8 系统管理控制 图9 数据处理图10 中断扫描键盘六 谐波测量的发展趋势1、由确定性的慢时变的谐波测量转变为随机条件下的快速动、暂态谐波跟踪，是电力系统安全稳定运行深入发展的需要。2、谐波测量算法向复杂化、智能化发展；求解方法从直观的函数解析，进入复杂的数值分析和信号处理领域；谐波测量与谐波分析如何相互配合。针对非稳态波形畸变，寻求新的数学方法，如小波变换等，是人们关注的方向。3、硬件设备的精度、速度和可靠性的快速发展，为实现高性能算法和实时控制奠定了基础，如研究多通