1、碩士學(xué)位論文電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究DESIGN AND RESEARCH OF THEELECTRIC POWER QUALITYMONITORING SYSTEM林工業(yè)大學(xué)2009 年 6 月84 / 84國(guó)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：TM932國(guó)際圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：621.3學(xué)校代碼：10213密級(jí)：公開(kāi)工學(xué)碩士學(xué)位論文電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究碩 士 研究生：林導(dǎo)師：曲延濱教授申 請(qǐng) 學(xué) 位 ： 工學(xué)碩士學(xué) 科 專(zhuān) 業(yè) ： 電氣工程所 在 單 位：信息科學(xué)與工程學(xué)院答 辯 日 期：2009 年 6 月授予學(xué)位單位：工業(yè)大學(xué)Classified Index: TM932U.D.C: 621.3Disse

2、rtation for the Master Degree in EngineeringDESIGN AND RESEARCH OF THEELECTRIC POWER QUALITYMONITORING SYSTEMCandidate:Supervisor:Academic Degree Applied for:Specialty:Affiliation：Date of Defense:Degree-Conferring-Institution:Li LinProf. Qu YanbinMaster of EngineeringElectrical EngineeringSchool of

3、Information Science andEngineeringJune, 2009Harbin Institute of Technology工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文摘要隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代電力電子變流裝置和非線(xiàn)性設(shè)備被大量使用，電能質(zhì)量問(wèn)題已經(jīng)引起電力部門(mén)和許多重要商業(yè)用戶(hù)的密切關(guān)注，一方面是電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降，另一方面卻是用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，其矛盾日益尖銳。因此，如何提高和保證電能質(zhì)量己經(jīng)成為我國(guó)電力系統(tǒng)面臨的重要問(wèn)題，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析具有十分重要的意義。本文首先論述了電力系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)的意義與研究發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了諧波的危害和目前存在的諧波檢測(cè)方法，并在

4、電能質(zhì)量和電能計(jì)量相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，然后從硬件、軟件和算法三個(gè)方面詳細(xì)介紹了電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要，本文采用 DSP+MCU 構(gòu)架，充分發(fā)揮 DSP 芯片的數(shù)字處理能力和 MCU 的控制功能。采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)分為信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、人機(jī)接口模塊等多個(gè)功能模塊，各模塊之間通過(guò)信息交換協(xié)調(diào)工作。硬件方面，本文詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等模塊的具體電路實(shí)現(xiàn)，以與相關(guān)的系統(tǒng)電路擴(kuò)展；軟件方面，本文著重分析了諧波分析算法，采用了一種針對(duì)實(shí)輸入序列的高效 FFT 算法，并對(duì)使用 FFT 算法帶來(lái)的頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)

5、分析，提出了基于窗函數(shù)的插值 FFT 算法，給出了算法的 DSP 實(shí)現(xiàn)方法，并在 MATLAB 中進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了算法的正確性。同時(shí)，對(duì)于頻譜分析的抗混疊處理，本文設(shè)計(jì)了基于窗函數(shù)的數(shù)字濾波器。對(duì)于 DSP 自舉引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)、DSP 與 A/D 以與 MCU 的接口編程以與數(shù)據(jù)的采集，本文也詳細(xì)的介紹了其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。本系統(tǒng)具有很高的測(cè)量速度和測(cè)量精度，人機(jī)界面友好，易于操作，功能齊全，具有可擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)的硬件和軟件升級(jí)，具有很好的研究?jī)r(jià)值和實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)；諧波分析；數(shù)字濾波器；FFT；DSPI工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文Abstract With the rapid develo

6、pment of national economy and science technology,various kinds of electric and electronic convertors and other non-linear load arewidely applicated, this can make the voltage and current waveform distor and resultin the serious depravation of electric power quality. So the electric powerdepartments

7、and many important business users now pay more and more attention tothe electric power quality issue. On the one hand, the quality of electric power hasdeclined, on the other hand the users require to improve the quality of electricalenergy. So detecting and analyzing electric power quality is quite

8、 significant. In accordance with the need of the monitoring system, we use DSP+MCUarchitecture, and give full play to the digital processing capacity of DSP and thecontrol function of MCU. The thesis firstly discusses the significance of powerquality monitoring system and the development of the mean

9、ing of the power qualitymonitoring system, then introduce the harm of harmonic in power system and severalkinds of general analysis methods used in harmonic monitoring. And, the thesisdesigns the system scheme bases on the national and sector standards about electricpower quality. Then the author in

10、troduce the research method of electric powerquality monitoring system from the two aspects of hardware and software. The author uses the modular design method to design the multifunctionalelectric power quality monitoring system, the system is divided to several modulessuch as signal acquisition mo

11、dule, signal processing module, man-machine interfaceand so on. The modules work in harmony through the exchange of informationbetween them. The author designs the hardware part design method of circuitschematic diagram including the signal acquisition module and the signal processingmodule, and rel

12、ated expansion of the system circuit. The author designed thehardware part focusing on the harmonic analysis algorithm, using a high-efficiencyFFT algorithm for a real number input sequence. The author also analyses detailedlythe spectrum leakage and fence effect accompanied by using FFT algorithm,

13、bringingforward the interpolated FFT algorithm based on window function, and introduceshow to actualize it in DSP. Then we give the simulation method in MATLAB toverify the correctness of the algorithm. Simultaneously, the thesis designs the digitalfilter based on window function to deal with spectr

14、um aliasing. In addition, the thesisII工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文introduces the design method of bootloader function and the interface with otherequipment for DSP. The system has very high measurement speed and the measuring accuracy,friendly interface, easy to operate, multi-function, convenient extension,easy to

15、upgrade the hardware and software. So it has a high value for researching andpractical application.Key words electric power quality monitoring system, harmonic analysis, digital filters, FFT, DSPIII工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文目錄摘 要 .IAbstract . II第 1 章 緒論. 11.1 本文研究的背景和意義. 11.2 電力監(jiān)測(cè)裝置的國(guó)外研究現(xiàn)狀 . 21.3 論文研究的主要容. 4第 2 章

16、 電力參數(shù)的測(cè)量原理. 62.1 基本電參量的測(cè)量原理與方法 . 7 2.1.1 三相交流電壓電流有效值的測(cè)量. 8 2.1.2 功率的測(cè)量 . 82.2 電能質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)量. 9 2.2.1 電壓偏差的測(cè)量. 9 2.2.2 頻率與頻率偏差的測(cè)量 . 102.3 諧波測(cè)量理論綜述 . 10 2.3.1 諧波的定義與其產(chǎn)生原因 . 10 2.3.2 現(xiàn)存諧波測(cè)量方法的比較 . 112.4 本章小結(jié). 12第 3 章 電力參數(shù)測(cè)量算法的分析研究與仿真. 143.1 基于傅里葉變換的諧波分析算法 . 14 3.1.1 按時(shí)間抽取(DIT)的基-2FFT 算法原理 . 15 3.1.2 按時(shí)間抽取的

17、 FFT 算法的特點(diǎn). 17 3.1.3 實(shí)序列 FFT 的高效算法 . 183.2 諧波分析中 FFT 算法存在的問(wèn)題與解決辦法 . 203.3 基于加窗插值的 FFT 算法的分析與研究. 23 3.3.1 常用窗函數(shù)與其特性. 24 3.3.2 基于窗函數(shù)的插值 FFT 算法原理. 25 3.3.3 基于窗函數(shù)的插值 FFT 算法的 MATLAB 仿真分析. 283.4 本章小結(jié). 30第 4 章 電力參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì). 314.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案. 314.2 多通道數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計(jì) . 32 4.2.1 信號(hào)調(diào)理單元的設(shè)計(jì). 32 4.2.2 A/D 數(shù)據(jù)采集模塊

18、的設(shè)計(jì). 344.3 DSP 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì). 37IV工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 4.3.1 DSP 處理器芯片的選型 . 37 4.3.2 外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展以與存儲(chǔ)空間配置 . 38 4.3.3 DSP 與 MCU 的接口設(shè)計(jì) . 414.4 MCU 人機(jī)接口模塊設(shè)計(jì). 42 4.4.1 MCU 的選型與芯片介紹 . 42 4.4.2 液晶顯示電路的設(shè)計(jì). 43 4.4.3 鍵盤(pán)接口電路設(shè)計(jì). 44 4.4.4 串行通訊接口電路設(shè)計(jì) . 454.5 本章小結(jié). 45第 5 章 電力參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì). 465.1 CCS 集成軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境與設(shè)計(jì)原則. 465.2 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)

19、. 47 5.2.1 系統(tǒng)軟件功能綜述. 47 5.2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主流程圖 . 485.3 系統(tǒng)自舉啟動(dòng)的軟件實(shí)現(xiàn). 49 5.3.1 Bootloader 的 16Bit EPROM 的并行引導(dǎo)模式. 49 5.3.2 DSP 的 Bootloader 設(shè)計(jì) . 515.4 數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計(jì). 53 5.4.1 McBSP 的初始化. 54 5.4.2 AD73360 的初始化. 555.5 DSP 數(shù)據(jù)處理模塊的軟件設(shè)計(jì) . 56 5.5.1 數(shù)的定標(biāo) . 57 5.5.2 FFT 算法在 DSP 上的實(shí)現(xiàn) . 585.6 DSP 與 MCU 的 HPI 通信設(shè)計(jì) . 615.

20、7 低通 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) . 61 5.7.1 窗函數(shù)法 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理 . 62 5.7.2 基于凱澤窗的低通 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) . 645.8 本章小結(jié). 68結(jié)論 . 69參考文獻(xiàn) . 71攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文. 74工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明. 75工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū). 75致 . 76V工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第1章 緒論1.1 本文研究的背景和意義現(xiàn)代社會(huì)中，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度是一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)電能的需求量日益增加，同時(shí)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一方

21、面為電力系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步提供了空間和新的技術(shù)手段，另一方面也給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)許多負(fù)面影響，由此也給電力工作者和研究者帶來(lái)許多新的研究課題：電力系統(tǒng)中各重要節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、用電量等都對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用，所以要對(duì)電網(wǎng)的各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)分析電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量，預(yù)防因供電質(zhì)量引起的用電設(shè)備故障。一直以來(lái)，供電線(xiàn)路的電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率等參數(shù)的檢測(cè)是掌握供電線(xiàn)路和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)，有些參數(shù)還是保證功率補(bǔ)償有效性和合理性的決策依據(jù)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)負(fù)載的復(fù)雜程度增加了，整流器、變頻器以與電弧爐等各種非線(xiàn)性負(fù)載在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和

22、輸用電設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，電力線(xiàn)上傳輸?shù)囊呀?jīng)不再是純凈的 50Hz 交流電了，而變成包含著諧波和各種干擾的復(fù)雜的供電系統(tǒng)，這些負(fù)載的非線(xiàn)性、沖擊性和不平衡性使得電網(wǎng)的供電質(zhì)量日趨惡化，造成諸多的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題，如浪涌干擾，高壓尖峰干擾，電壓跌落和驟變，電壓的諧波影響，電壓波動(dòng)，三相不平衡等，所有這些帶來(lái)了許多新的問(wèn)題，如電網(wǎng)中存在的大量諧波電壓和諧波電流會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)熱，導(dǎo)致系統(tǒng)元件產(chǎn)生附加諧波損耗，降低用電設(shè)備的使用效率，縮短使用壽命；瞬變干擾引起計(jì)算機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)的死機(jī)，還可能引起自動(dòng)裝置、繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作和工業(yè)生產(chǎn)電子控制裝置失靈，使重要的生產(chǎn)過(guò)程中斷；功率因數(shù)降低導(dǎo)致?lián)p

23、耗增加等等。所有的這些問(wèn)題將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生產(chǎn)事故，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患?；谝陨细鞣N因素，為了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，電力終端用戶(hù)的安全用電，以與達(dá)到電力設(shè)備的要求，更為了降低損耗，提高用電效率，研究能夠在用戶(hù)設(shè)定的工作方式下（包括單項(xiàng)、三相三線(xiàn)和三相四線(xiàn)），對(duì)電網(wǎng)各項(xiàng)參量進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量和結(jié)果顯示的電力系統(tǒng)綜合測(cè)量裝置，進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)測(cè)和電能治理成為近年來(lái)電力行業(yè)研究的新熱點(diǎn)。只有充分的了解-1-工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，與時(shí)地監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中的各個(gè)指標(biāo)，對(duì)其分析、統(tǒng)計(jì)后，才能找到問(wèn)題的根源，分析其嚴(yán)重程度，從而得出處理的方法，進(jìn)一步解決這些問(wèn)題。1.2 電力

24、監(jiān)測(cè)裝置的國(guó)外研究現(xiàn)狀電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和用戶(hù)需求的變化而變化和發(fā)展的。大量電力電子設(shè)備的使用是新技術(shù)的運(yùn)用，同時(shí)也是電能質(zhì)量惡化的制造者和受害者。近四十年來(lái)全球圍因電能質(zhì)量而引起的重大電力事故已達(dá)二十多起，每年電能質(zhì)量擾動(dòng)和電力環(huán)境污染引起的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)兩千億元。供電質(zhì)量問(wèn)題不僅對(duì)大型企業(yè)的正常運(yùn)作影響較大，同時(shí)對(duì)重大活動(dòng)的安全供電影響較大。我們需要監(jiān)測(cè)分析電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩大電能質(zhì)量問(wèn)題，為預(yù)防和減少電能質(zhì)量引起的故障，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)方面提供采取措施的依據(jù)。電力參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段1：第一代是指針式儀器，如模擬萬(wàn)用表、電壓表、電流表等，這些儀器儀表的基本

25、結(jié)構(gòu)是電磁式、電動(dòng)式、感應(yīng)式、靜電式、電熱式等。由于這類(lèi)儀表本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電磁結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，一般精度較低，穩(wěn)定性差，應(yīng)用場(chǎng)合有一定局限性，但由于其原理簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、成本低廉，目前還在被廣泛使用；第二代是數(shù)字式測(cè)量?jī)x器，這類(lèi)儀表的基本原理是將被測(cè)量的模擬信號(hào)通過(guò)電子線(xiàn)路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算并顯示出來(lái)。這類(lèi)儀器同指針式儀器相比，精度有了很大提高，能直觀讀取測(cè)量結(jié)果，而且可靠性高，易于使用。但電子線(xiàn)路比較復(fù)雜，不能自動(dòng)適應(yīng)測(cè)量環(huán)境的變化，而且儀器的校準(zhǔn)復(fù)雜。第三代是智能儀器。某些參考資料認(rèn)為：所謂智能，意味著儀器中含有一定的人工智能，即是利用電子線(xiàn)路代替人的一部分腦力勞動(dòng)，然而至今智

26、能儀器中所具備的人工智能并不多。這類(lèi)儀器部含有微處理器，通過(guò)微處理器來(lái)控制數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。因此能夠用軟件的方法實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理和存儲(chǔ)，大大簡(jiǎn)化了儀器的整體結(jié)構(gòu)。這類(lèi)儀器的硬件基礎(chǔ)是采集技術(shù)和輸入輸出技術(shù)，而軟件基礎(chǔ)在于數(shù)據(jù)的采樣和處理方法。國(guó)外對(duì)電能質(zhì)量研究起步較早，目前有關(guān)電能質(zhì)量控制的研究正掀起高潮，從所使用的理論到電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立，從全國(guó)性的電能質(zhì)量普查、監(jiān)測(cè)到用戶(hù)終端電氣環(huán)境的定義，各種電能質(zhì)量問(wèn)題分析方法的提出，以與“用-2-工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文戶(hù)電力技術(shù)”等電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究和裝置的開(kāi)發(fā)正深入進(jìn)行。1996 年，IEEE 決定將每?jī)赡暾匍_(kāi)一次的電

27、力諧波國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議（ICHPS）更名為電力諧波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會(huì)議（ICHAP），討論的主題包括利用先進(jìn)的電能計(jì)量的分析方法開(kāi)發(fā)新型實(shí)用的電能計(jì)量裝置，把電能質(zhì)量提高到一個(gè)新的認(rèn)識(shí)高度。在從事電能質(zhì)量產(chǎn)品的企業(yè)中，美國(guó)的 FLUKE 公司和瑞士的 LEM 公司的產(chǎn)品在全球都有廣泛的應(yīng)用。在國(guó)，目前電能質(zhì)量中的某些問(wèn)題已成為電工領(lǐng)域的前沿性課題，吸引了許多高等院校和科研機(jī)構(gòu)的一大批科技人員投入其中進(jìn)行研究。理論研究方面，正致力于電能質(zhì)量的界定方法和評(píng)估體系的建立、國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的完善和電能質(zhì)量分析相關(guān)算法的研究。其中電能質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的建立主要涉與電能質(zhì)量的定義、綜合評(píng)價(jià)體系與其咋電力市場(chǎng)、智能建

28、筑中的應(yīng)用等方面；2006年 4 月，經(jīng)國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)組建的電力行業(yè)電能質(zhì)量計(jì)柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，正進(jìn)一步完善國(guó)家的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系；算法分析是電能質(zhì)量研究的重要容，目前相關(guān)的算法研究主要致力于利用 FFT 算法、小波分析、窗函數(shù)等工具，進(jìn)行信號(hào)去噪、信號(hào)提取以與諧波分析等方面的處理。在電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與應(yīng)用儀器的和設(shè)備的開(kāi)發(fā)方面，國(guó)正進(jìn)入一個(gè)蓬勃發(fā)展期，各種參數(shù)檢測(cè)裝置層出不窮。硬件方面有基于 DSP 芯片、基于單片機(jī)、基于雙 CPU 系統(tǒng)、基于 ARM 系統(tǒng)等；軟件方面充分利用了 LabView 技術(shù)、CAN總線(xiàn)、LONWORKS 總線(xiàn)、Web 技術(shù)等實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；此外還有一些專(zhuān)門(mén)測(cè)量

29、電壓閃變等暫態(tài)量的測(cè)量裝置。國(guó)致力于電能質(zhì)量產(chǎn)品研究的企業(yè)也很多。國(guó)廣泛采用統(tǒng)計(jì)型電壓表監(jiān)測(cè)電壓質(zhì)量水平，這些電壓監(jiān)測(cè)儀只能監(jiān)測(cè)電壓合格率，需要人工抄表，缺乏統(tǒng)計(jì)分析功能，而諧波和電壓波動(dòng)、閃變的測(cè)量則用便攜式測(cè)量?jī)x器，分別對(duì)變電站的各級(jí)母線(xiàn)電壓、主變壓器各側(cè)的諧波電流、電容器組的諧波電流進(jìn)行測(cè)量，對(duì)大中型非線(xiàn)性負(fù)荷用戶(hù)和電廠以與低壓配電網(wǎng)電流進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平進(jìn)行評(píng)估。這種電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)手段和管理模式存在著實(shí)時(shí)性差、測(cè)量指標(biāo)少、工作量大、測(cè)量誤差大、效率低等明顯的局限性?？傮w來(lái)看，國(guó)對(duì)電能質(zhì)量裝置的研究起步晚，隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行管理的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化

30、、自動(dòng)化和智能化，單一功能的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀已經(jīng)不適合現(xiàn)-3-工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文代化電能管理的需求。綜觀國(guó)目前采用的各種電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備和手段，主要存在以下一些不足：1、由于采用各種計(jì)算機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析工具，導(dǎo)致設(shè)備成本提高；2、設(shè)備配置的靈活性、通用性差，往往只能用于特定的操作環(huán)境；3、遠(yuǎn)程通信能力有限，不易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享和長(zhǎng)期評(píng)估與預(yù)測(cè)；4、對(duì)干擾的分析和故障的辨識(shí)能力有限，不具備智能分析功能，不能提供給用戶(hù)可直接用于決策的信息；5、實(shí)時(shí)性差，時(shí)域分析手段落后，不具備對(duì)瞬時(shí)擾動(dòng)和暫態(tài)諧波的跟蹤和捕獲。1.3 論文研究的主要容本論文緊密結(jié)合導(dǎo)師的電力參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)際開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，

31、在借鑒同類(lèi)裝置的基礎(chǔ)上，研制和開(kāi)發(fā)一種實(shí)用、完全脫離仿真器、低成本的便攜式電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀表，從測(cè)量裝置的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、算法分析等角度進(jìn)行研究，重點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)有的 FFT 諧波分析算法進(jìn)行研究和仿真，通過(guò)比較選擇了合適的窗函數(shù)和插值算法進(jìn)行誤差修正，有效的抑制頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)。論文的章節(jié)安排如下：第 1 章提出了論文的選題背景和意義，國(guó)外電能質(zhì)量問(wèn)題和電力參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的研究現(xiàn)狀，介紹了論文的主要研究容第 2 章介紹了基本電參量和電能質(zhì)量指標(biāo)的定義與其測(cè)量原理和測(cè)量方法，包括三相交流電壓、電流、功率和功率因數(shù)的測(cè)量，電壓偏差、頻率與頻率偏差的測(cè)量。本節(jié)著重介紹了目前電力諧波的測(cè)量理論，包括快速

32、傅里葉變換、瞬時(shí)無(wú)功功率理論、小波變換等，通過(guò)對(duì)其的比較，選擇快速傅里葉變換作為本系統(tǒng)的諧波測(cè)量方法。第 3 章作為本文的主要研究容，介紹了基于傅里葉變換的諧波分析算法。對(duì)按時(shí)間抽取（DIT-FFT）的基-2FFT 算法的原理和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并采用了一種針對(duì)電力參數(shù)采集中實(shí)序列輸入的高效 FFT 算法。采用 FFT 算法進(jìn)行諧波分析時(shí)伴隨有頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)的影響，本章對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行理論分析，并針對(duì)這些問(wèn)題提出了一種基于加窗插值的 FFT 算法，通過(guò)在 MATLAB中的仿真驗(yàn)證，證明了算法的正確性。-4-工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第 4 章介紹了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)構(gòu)建了 DSP+

33、MCU 的硬件結(jié)構(gòu)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)分為信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、人機(jī)接口模塊的等多個(gè)功能模塊，詳細(xì)介紹了個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方法和電路原理圖。各模塊之間通過(guò)信息交換協(xié)調(diào)工作。第 5 章介紹了基于 CCS 的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的脫機(jī)運(yùn)行，設(shè)計(jì)了 DSP 的 Bootloader。介紹了數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊的程序設(shè)計(jì)方法和流程圖。重點(diǎn)介紹了 FFT 算法在 DSP 上的實(shí)現(xiàn)方法以與基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的低通 FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法。結(jié)論是對(duì)本論文的總結(jié)和展望。-5-工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第2章 電力參數(shù)的測(cè)量原理電力系統(tǒng)基本電參量的測(cè)量主要包括：電流有效值、電壓有效值、

34、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率等。根據(jù)被采集信號(hào)的不同，數(shù)據(jù)采集可分為直流采樣和交流采樣兩大類(lèi)。直流采樣是把交流電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為 05V 的直流電壓，這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，便于濾波，但投資較大，維護(hù)復(fù)雜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)采集，因而在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。交流采樣是把交流電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為+5V-5V（或 05V）的交流電壓進(jìn)行采集，主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，相位失真小，投資少，便于維護(hù)，其缺點(diǎn)是算法復(fù)雜，精度難以提高，對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換速度要求較高。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流采樣以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，有逐步取代直流采樣的趨勢(shì)。交流采樣的應(yīng)用圍非常廣泛，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，

35、其算法也有很多，按其模型函數(shù)的不同，大致可分為正弦模型算法、非正弦模型算法。正弦模型算法主要有最大值算法、單點(diǎn)算法、半周期積分算法、兩點(diǎn)算法、導(dǎo)數(shù)算法、和快速三點(diǎn)算法。其中，如果采集三相對(duì)稱(chēng)正弦信號(hào)，單點(diǎn)算法不失為理想算法，對(duì)采樣時(shí)刻沒(méi)有要求，既準(zhǔn)確有快捷，并且可以同時(shí)測(cè)量得到電壓、電流、有功功率和無(wú)功功率，但這種算法對(duì)采樣信號(hào)要求較高，硬件較為復(fù)雜；半周期積分算法的數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度雖然要半個(gè)周期，但它的運(yùn)算量非常小，只涉與加減運(yùn)算，另外它有一定的濾除高頻分量的能力。非正弦模型算法主要有：有效值算法、傅里葉與改進(jìn)的傅里葉算法、最小二 乘 算法 （ Least error square algorit

36、hm） 卡爾曼濾波算 法 （ Kalman filter、algorithm）、小波變換算法等。其中，有效值算法的計(jì)算精度與采樣點(diǎn)數(shù) N 和采樣的同步度有關(guān)，在系統(tǒng)允許的情況下，可以增加采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)提高運(yùn)算精度。該算法實(shí)時(shí)性好、簡(jiǎn)單，在不需要測(cè)量基波和各次諧波參數(shù)的情況下，可以選用此方法；傅里葉與改進(jìn)的傅里葉算法是目前應(yīng)用最多的算法，可以一次算出信號(hào)中所用的諧波，應(yīng)用方便，已經(jīng)才電力系統(tǒng)測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用；小波變換算法因其在時(shí)域頻域都具有較好的分辨率，在電力系統(tǒng)測(cè)量中有很好的研究?jī)r(jià)值2?？紤]到數(shù)字信號(hào)處理在電力系統(tǒng)測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì)以與 FFT 算法的成熟程度，本文設(shè)計(jì)的電力參數(shù)測(cè)量模型與實(shí)時(shí)測(cè)

37、量系統(tǒng)是基于改進(jìn)的 FFT 算法，并-6-工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文通過(guò)相應(yīng)修正其測(cè)量誤差，取得較好效果。電能質(zhì)量的五個(gè)主要指標(biāo)為：電力系統(tǒng)諧波、電壓波動(dòng)和閃變、電壓允許偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差和三相電壓允許不平衡度。電能質(zhì)量雖然只有五個(gè)指標(biāo)，但是需要計(jì)算的量卻很多。這些量主要包括：三相電壓、電流有效值；電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率；電壓、電流的各次諧波分量與諧波總畸變率；三相有功功率，三相無(wú)功功率和三相視在功率；功率因數(shù)；各次諧波含有率；波形與波形因數(shù)；電壓、電流中的負(fù)序和正序分量；電壓波動(dòng)值3。在出現(xiàn)電壓閃變的情況下，對(duì)閃變性質(zhì)進(jìn)行分析，并記錄閃變暫態(tài)過(guò)程中的電壓波形；三相電壓不平衡系數(shù)。2.1 基本電

38、參量的測(cè)量原理與方法電力系統(tǒng)的電壓、電流理想波形是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，正弦波供電能夠減少鐵損并提高效率。然而正弦波形只是一種理想狀態(tài)，實(shí)際上是不可能完全實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于一個(gè)畸變的非正弦周期函數(shù)，可以用傅里葉級(jí)數(shù)表示為：f (t ) = A0 + A1 cos(1t + 1 ) + A2 cos(2t + 2 ) + . + An cos(n t + n ) + .(2-1)其中， 0 是直流分量， n 是周期分量的峰值；n 是響應(yīng)周期分量的初相角。AA由于電力系統(tǒng)中的非正弦周期波都是不規(guī)則的畸變波形，所以無(wú)法從函數(shù)解析式轉(zhuǎn)化為上式，進(jìn)而獲得諧波參數(shù)。常用的方法是對(duì)該波形的連續(xù)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣，并把

39、采樣值轉(zhuǎn)化為數(shù)字序列，借助相關(guān)算法進(jìn)行諧波分析。電力參數(shù)基本量主要包括：三相電流有效值、三相電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率等。而根據(jù)被采集信號(hào)方法的不同，交流電參量的采樣測(cè)量方法主要有兩種：直流采樣法和交流采樣法。直流采樣法是把交流電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流電壓，采樣經(jīng)過(guò)整流后的直流量，對(duì)采樣值只需作一次比例變換即可得到被測(cè)量的數(shù)值，這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，便于濾波。但直流采樣法存在一些問(wèn)題：測(cè)量精度直接受整流電路的精度和穩(wěn)定性影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難且受波形因素影響較大；此外，用直流采樣法測(cè)量工頻電壓、電流是通過(guò)測(cè)量平均值來(lái)求出有效值的，當(dāng)電路中諧波含量不同時(shí)

40、，平均值與有效值之間的關(guān)系將發(fā)生變化，給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)誤差。因此，要獲得高精度、高穩(wěn)定性的測(cè)量結(jié)果，必須采用交流采樣技術(shù)。交流采樣技術(shù)是按一定規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再按一定算法-7-工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文進(jìn)行數(shù)值處理，從而獲得被測(cè)信號(hào)信息的方法。該方法的理論基礎(chǔ)是采樣定理，即要求采樣頻率為被采樣信號(hào)頻譜中最高頻率的兩倍以上，這就要求硬件處理電路能夠提供較高的采樣速度和數(shù)據(jù)處理速度。目前，高速單片機(jī)、DSP 與高速 A/D 的大量涌現(xiàn)，為交流采樣技術(shù)提供了強(qiáng)有力的硬件支持4。2.1.1 三相交流電壓電流有效值的測(cè)量對(duì)于周期為 T 的工頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，不論其波形是否為正弦，通過(guò)對(duì)電壓電流在一

41、周期均勻采樣 N 點(diǎn)，得到離散采樣序列 i(n)、u(n)。當(dāng)滿(mǎn)足采樣定理時(shí)離散采樣序列 i(n)、u(n)將包含工頻交流信號(hào)中有關(guān)電參量的信息，由數(shù)值積分理論可計(jì)算出工頻交流電信號(hào)的電參量。交流電壓、交流電流有效值公式： 1U= TT0 1u (t )dt I = T2T0i 2 (t )dt(2-2)若對(duì)交流電壓信號(hào)在一周期均勻采樣 N 點(diǎn)，只要 N 足夠大，且選取適當(dāng)，將式(2-2)離散化后，以一周期的采樣序列來(lái)代替連續(xù)變化的電壓值。根據(jù)數(shù)值積分中的矩形算法，有： 1 N 1 2U= un T T n =0 1 N 1 2I= in T T n =0(2-3)T ，可得到交流采T若相鄰兩次采樣時(shí)間間隔 T 都相等，則 T 為一常數(shù)： N =樣電壓電流有效值的計(jì)算公式：U=1Nun =0N 12( n) I =1Nin =0N 12(n)(2-4)即為根據(jù)每周期采樣瞬時(shí)值與每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓電流有效值公式。2.1.2 功率的