【正文】 uit 、 5 mostly includes ADC circuit ， processor and peripheral circuit ， TMS320VC5502which is the product of TI is adopted as the main processor,The software part mostly consists of main program， data acquisition， data processing and munication module’ s procedure design． This instrument tail measure voltage， current， frequency， power factor,active power and reactive power， apparent power etc． It can realize real—time measurement and analysis of harmonic. Finally， Through the analysis of the whole simulation device, the basic design of the desired goal． Key words： Electric Power Parameter； Frequency； HarmonicAnalysis；DSP 第 1 章：緒論 課題的目的與意義 通過本課題的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生在電氣工程及其自動化專業(yè)方向分析問題、解決問題的能力。掌握基于 DSP 的智能電力參數(shù)測試儀的設(shè)計方法 課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望 目前國內(nèi)外電力參數(shù)測量的基本情況 在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，電能的質(zhì)量越來越受到重視 。電網(wǎng)的電流、電壓過低過高。均可能影響電器設(shè)備的正常使用功效及設(shè)備壽命，嚴重的還會危及 6 人身安全。應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電力參數(shù)實時測量功能，在變電站一級一般都由遠動裝 RTU(Remote Terminal Unit)來實現(xiàn)；而在普通應(yīng)用環(huán)境中由于側(cè)重于電量的計量功能則多采用電能表來實現(xiàn)，主要是通過將有功功率對時間積分的方式進行有功電能的計量。 目前，在我國得到廣泛使用的電能表有兩種：一種是感應(yīng)式機械電能表，它是利用三個不同空間和相位的磁通建立起來的交變的移進磁場，在這個磁場的作用下，轉(zhuǎn)盤上產(chǎn)生了感應(yīng)電流，根據(jù)楞次 定律，這個感應(yīng)電流使得轉(zhuǎn)盤總是朝一個方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動經(jīng)蝸桿傳遞到計數(shù)器，累計轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)，從而達到計量電能的目的。另一種是近幾年隨著電子工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的電子式電能表，它是利用電流和電壓作用于固態(tài)電子器件而產(chǎn)生電能輸出量的電能計量儀表。機械式電能表由于自身的機械特性導(dǎo)致其穩(wěn)定性和精度都不盡人意，隨著電力市場化改革的不斷深入，我國的國電網(wǎng)、省電網(wǎng)在各級電能計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè)中，大部分已將其更新為電子式電能表。 結(jié)合電力市場運作和管理的實際需要，當(dāng)前電能量計量儀器的測量已經(jīng)從簡單的有功電度和無功電度測量發(fā)展 到測量電壓 (相電壓／平均值 )、電流 (相電流／平均值 功率因數(shù)、工頻頻率、無功功率、視在功率、單相或雙向電能量、預(yù)測／熱需求、諧波、對稱分量，以及其它電力參數(shù)值的測量，如相序轉(zhuǎn)換、電壓／電流非平衡、分時段。而完成的功能也由傳統(tǒng)的計量發(fā)展到多條記錄存儲、可與計算機進行數(shù)據(jù)交換、可進行遠程實時測量 (有線或無線 )等。 目前市面上的一些智能型的電力參數(shù)測試儀，多采用一片普通單片機 cPu(往往是 8位機 )，同時完成電力參數(shù)的計算和整個儀表系統(tǒng)的管理任務(wù)，再加上輸入變換、 A／ D轉(zhuǎn)換以及字長等諸多環(huán)節(jié)的影響，致使儀器的整體 精度和準確度越來越不能滿足日益提高的性能要求。還有一些廠家采用模擬／數(shù)字變換型電能測量專用芯片 (如 AD公司的 AD7755系列芯片和 ATMEL公司的 AT73C501芯片組 )開發(fā)出來的產(chǎn)品，雖然在電能計量上取得了很好的精確度，但整體應(yīng)用范圍較窄，無法實現(xiàn)功能的多樣性，移植性較差，對于高速實時信號處理也不適合。 DSP技術(shù)的高速發(fā)展為電力參數(shù)測試技術(shù)帶來了新的變革，特別是在電力系統(tǒng)電壓和電流的高次諧波的測量和分析，非正弦情況下的有功電能和無功電能的計量方面， DSP的應(yīng)用成為了目前電力參數(shù)測試儀器開發(fā)的最新趨勢 我 國雖然引進了國外一些多功能電力參數(shù)測試儀器，但其在功能、價格、維護等方面不能完全適合我國現(xiàn)階段的需要，因此迫切需要一種高質(zhì)量、高可靠性、功能齊全、價格低廉的多功能電力參數(shù)測試儀。近幾年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷問世，使開發(fā)新式多功能電力參數(shù)測試儀成為可能。 本課題的研究工作就是在此背景下展開的。 本論文的研究內(nèi)容 本文主要針對我國電力系統(tǒng)供配電的實際情況，在分析電力參數(shù)測試儀器的現(xiàn)狀和傳統(tǒng)測試儀器存在的問題的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一個基于 DSP的電力參數(shù)綜合測試 裝置，實現(xiàn)多種電力參數(shù)的實時 測量。該裝置可用來測量單相、三相交流電路的電壓、電流、頻率、功率因 數(shù)、有功和無功功率、視在功率等參量；可對諧波進行實時測量及分析 。 本文的主要研究內(nèi)容包括： 分析電力參數(shù)測試儀器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，指出開展電力參數(shù)綜合測試儀器 7 研究的重要意義。 對諧波測量的 方法進行深入的分析和討論，提出用雙譜線插值算法進行諧波分析， 研究分析其他各參數(shù)的測量方法， 進行基于 DSP的軟、硬件設(shè)計。 對系統(tǒng)進行誤差分析。 第 2 章電力參數(shù)測量原理 電壓電流有效值的測量 若以采樣周期 sT 對瞬時電壓、電流在一個采樣周期內(nèi)采樣 N個點，則離散的電壓電流有效值的計算方法如下 電壓有效值： ???? 10 2 )(1 Nn nuNU （ ） 電流有效值： ????102 )(1 Nn niNI （ ） 式中： N一個周期內(nèi)采樣點數(shù) U、 I電壓、電流有效值 )(nu 、 )(ni 電壓、電流瞬時采樣值 頻率的測量 頻率是指單位時間內(nèi)事物周期性運動的次數(shù)。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，負荷功率的增減，發(fā)電機出力的變動不斷發(fā)生，系統(tǒng)中不同節(jié)點的頻率產(chǎn)生不同程度的波動，這是一種企求系統(tǒng)能量均衡的動態(tài)過程，在不破壞系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，在各節(jié)點同時檢測，不易覺察到波動的差異。從概率統(tǒng)計的意義上，各節(jié)點的頻率是相等的，并在作同步的變化。在此條件下，任一點測得的頻率，均為系統(tǒng)頻率。 電力系統(tǒng)頻率一方面作為衡量電能質(zhì)量的指標，需要加以動態(tài)監(jiān)測，另一方面作為實施安全 穩(wěn)定控制的重要狀態(tài)反饋量，要求能實旄重構(gòu)。另外，頻率同步也是實現(xiàn)高精度諧波分析的重要措施之一。 本文采用的測頻方法是硬件測頻法，它的實質(zhì)就是周期法。 首先，需要專門測頻電路，首先采用前置低通濾波器，濾除電壓 (電流 )信號 8 中的諧波分量，以避免測量結(jié)果受到諧波的影響，增加了硬件投資。 它存在一定的缺陷，但實現(xiàn)電路簡單，響應(yīng)快，計算機計算量小。本設(shè)計將三相電壓電流 6路信號中的一路電壓信號送入到過零比較器得到與電壓信號頻率相同的方波信號輸出，由 DSP的捕獲腳捕獲信號上升沿，利用系統(tǒng)時鐘計算出兩個上升沿之間的時間，從而計 算出頻率。信號周期 1T f? ， 將信號周期 N等分，就可得到信號的采樣間隔，從而實現(xiàn)采樣頻率對系統(tǒng)頻率的跟蹤。 基于傅立葉變換的諧波分析法 快速傅立葉算法理論比較成熟，是目前諧波測量中最基本的方法。針對 FFT算法存在的柵欄效應(yīng)和頻譜泄露現(xiàn)象造成的測量誤差，可以通過選擇適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)抑制泄露現(xiàn)象，也可以根據(jù)所選窗函數(shù)的形式對幅值和相位進行插值修正，在一定程度上彌補柵欄效應(yīng)造成的誤差。本文采用在對加窗后進行插值的雙譜線插值算法，該方法能極大地提高 FFT計算的精度，從 而滿足諧波測量中對諧波參數(shù)的精度要求。 算法原理 設(shè)一個頻率為 0f 、幅值為 A、初相位為 ? 的單一頻率信號 x(t)，在經(jīng)過了采樣頻率為 sf 的模數(shù)變換后得到如下的形式的離散信號： 0( ) s in ( 2 )sfx n A f???? （ ） 如果所加窗函數(shù)的時域形式為 w(n)，其連續(xù)頻譜 w(2? f)，則加窗后該信號的連續(xù)傅立葉變換為： 2 002 ( ) 2 ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )2j f n j jn ssf f f fAX f x n w n e e W e Wj f f? ? ???? ??? ? ?????? ? ?????? （ ） 如果忽略負頻點 0f 處頻峰的影響，在正頻點 0f 處附近的連續(xù)頻譜函數(shù)可以表達為： 02 ( )( ) ( )2 jsffAX f e Wjf? ? ?? （ ） 對上式進行離散抽樣，即可得到它的離散傅立葉變換的表達式為：02 ( )( ) ( )2 jsk f fAX k f e Wjf? ? ???? （ ） 9 式中離散頻率間隔為 sffN??， N是數(shù)據(jù)截斷的長度。 峰值頻率 00f k f??很難正好位于離散譜線頻點上，也就是說 0k 一般不是整數(shù)。設(shè)峰值點左右兩側(cè)的譜線分別為第 1k 和 2k 條譜線，這兩條譜線也應(yīng)該是峰值點附近幅值最大和次最大的譜線。顯然， 1 0 2 1 1k k k k? ? ? ?在離散頻譜中找到這兩條譜線，從而可確定 1k 和 2k 令這兩條譜線幅值分別是11()y X k f??和22()y X k f??則由式 ()可知： 101202( 2 ( ) )( 2 ( )W k ky NW k ky N???? ? （ ） 由于 0101kk? ? ? ，所以可引入一個輔助參數(shù)口 ? ? ? ? 。顯然， ? 的數(shù)值范圍是 ? ?,? ，它是以原點為對稱的。這樣，將式（ ）經(jīng)過變量代換和改寫后，可以得到： 2121( 2 ( 0 . 5 ) ( 2 ( 0 . 5 )_( 2 ( 0 . 5 ) ( 2 ( 0 . 5 )WW NNyyyy? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ? ??? （ ） 令 2121()()yy yy? ?? ?，并且當(dāng) N較大時，式（ ）一般可簡化為 ()g??? ，其反函數(shù)記為 1()g???? 。當(dāng)窗函數(shù) w（ n）為實系數(shù)時，其幅頻響 (2 )wf? 是偶對稱的，因而函數(shù) ??g 及其反函數(shù) ??1g? 是奇函數(shù)。 計算 1()g???? 可以采用多項式逼近方法。多項式逼近是一種近似計算復(fù)雜連續(xù)函數(shù)值的數(shù)值方法。通過控制多項式逼近的次數(shù)，可以有效地控制逼近的精度。而且，隨著硬件乘 法器在微處理器中的廣泛應(yīng)用，多項式逼近的計算公式易于采用程序代碼實現(xiàn)。當(dāng)采用切比雪夫多項式逼近奇函數(shù) ??1g? 時，所求多項式的偶次項系數(shù)將為 0，這樣就進一步減少了乘法計算量。 在對幅值進行修正時，直接對 1k 和 2k 兩根譜線進行加權(quán)平均，從而計算出實際的峰值點的幅值。其計算公式為： 10 1 0 2 0121 0 2 021( 2 ( ) ( 2 ( )( 2 ( ) ( 2 ( )2( )( 2 ( ) ( 2 ( )W k k W k kAANNAW k k W k kNNyyWWNN????? ? ? ??????????? ? ? ?? （ ） 式（ ）中對兩根譜線采用的權(quán)重與各 自的幅值成正比。對于一般的實系數(shù)窗函數(shù)，當(dāng) N較大時，式（ ）可進一 步簡化為 1 12( ) ( )A N y y v ????的形式，其中 ()v? 是偶函數(shù)。如果采用多項式逼近求出函數(shù) ??v 的近似計算公式，結(jié)果中將不含有奇次項。這樣修正算法的計算公式可改寫為： 1 2 22 1 0 2 2( ) ( . . . )llA N y y b b b???? ? ? ? （ ） 式中 0b ， 2b ... 2lb 為多項式的偶次項系數(shù)。 由于在尋找插值點時用到了峰值點附近的兩條譜線，因此稱該方法為雙譜線插值算法。當(dāng)采用一些典型的窗函數(shù)時，可由上述的多項式逼近和雙譜線修正算法推導(dǎo)出幅值、相位的簡單實用的修正公式。由于本裝置采用加漢寧窗的修正算法，現(xiàn)把加漢寧窗的修正公式列出 ： 1 2 4 6211 . 5( ) ( 2 . 3 5 6 1 9 4 0 3 1 . 1 5 5 4 3 6 8 2 0 . 3 2 6 0 7 8 3 0 . 0 7 8 9 1 4 6 1 )a r g ( ) ( ( 1 ) 0 . 5 ) ( 1 , 2 )2 iiA N y yX k f i??? ? ??? ? ???? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ???（ ） 功率的測量 對 于功率的計算包括有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)的計算，功率的測