【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(guò)本課題的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生在電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)方向分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。掌握基于 DSP 的智能電力參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方法 課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望 目前國(guó)內(nèi)外電力參數(shù)測(cè)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(lái)越受到重視 。電網(wǎng)的電流、電壓過(guò)低過(guò)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(yán)重的還會(huì)危及 6 人身安全。應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電力參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量功能，在變電站一級(jí)一般都由遠(yuǎn)動(dòng)裝 RTU(Remote Terminal Unit)來(lái)實(shí)現(xiàn)；而在普通應(yīng)用環(huán)境中由于側(cè)重于電量的計(jì)量功能則多采用電能表來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要是通過(guò)將有功功率對(duì)時(shí)間積分的方式進(jìn)行有功電能的計(jì)量。 目前，在我國(guó)得到廣泛使用的電能表有兩種：一種是感應(yīng)式機(jī)械電能表，它是利用三個(gè)不同空間和相位的磁通建立起來(lái)的交變的移進(jìn)磁場(chǎng)，在這個(gè)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)盤(pán)上產(chǎn)生了感應(yīng)電流，根據(jù)楞次 定律，這個(gè)感應(yīng)電流使得轉(zhuǎn)盤(pán)總是朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)蝸桿傳遞到計(jì)數(shù)器，累計(jì)轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)數(shù)，從而達(dá)到計(jì)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(jì)量?jī)x表。機(jī)械式電能表由于自身的機(jī)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(chǎng)化改革的不斷深入，我國(guó)的國(guó)電網(wǎng)、省電網(wǎng)在各級(jí)電能計(jì)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(chǎng)運(yùn)作和管理的實(shí)際需要，當(dāng)前電能量計(jì)量?jī)x器的測(cè)量已經(jīng)從簡(jiǎn)單的有功電度和無(wú)功電度測(cè)量發(fā)展 到測(cè)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(wú)功功率、視在功率、單相或雙向電能量、預(yù)測(cè)／熱需求、諧波、對(duì)稱(chēng)分量，以及其它電力參數(shù)值的測(cè)量，如相序轉(zhuǎn)換、電壓／電流非平衡、分時(shí)段。而完成的功能也由傳統(tǒng)的計(jì)量發(fā)展到多條記錄存儲(chǔ)、可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量 (有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn) )等。 目前市面上的一些智能型的電力參數(shù)測(cè)試儀，多采用一片普通單片機(jī) cPu(往往是 8位機(jī) )，同時(shí)完成電力參數(shù)的計(jì)算和整個(gè)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(zhǎng)等諸多環(huán)節(jié)的影響，致使儀器的整體 精度和準(zhǔn)確度越來(lái)越不能滿(mǎn)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(cè)量專(zhuān)用芯片 (如 AD公司的 AD7755系列芯片和 ATMEL公司的 AT73C501芯片組 )開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品，雖然在電能計(jì)量上取得了很好的精確度，但整體應(yīng)用范圍較窄，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能的多樣性，移植性較差，對(duì)于高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理也不適合。 DSP技術(shù)的高速發(fā)展為電力參數(shù)測(cè)試技術(shù)帶來(lái)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(cè)量和分析，非正弦情況下的有功電能和無(wú)功電能的計(jì)量方面， DSP的應(yīng)用成為了目前電力參數(shù)測(cè)試儀器開(kāi)發(fā)的最新趨勢(shì) 我 國(guó)雖然引進(jìn)了國(guó)外一些多功能電力參數(shù)測(cè)試儀器，但其在功能、價(jià)格、維護(hù)等方面不能完全適合我國(guó)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(jià)格低廉的多功能電力參數(shù)測(cè)試儀。近幾年來(lái)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(wèn)世，使開(kāi)發(fā)新式多功能電力參數(shù)測(cè)試儀成為可能。 本課題的研究工作就是在此背景下展開(kāi)的。 本論文的研究?jī)?nèi)容 本文主要針對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)供配電的實(shí)際情況，在分析電力參數(shù)測(cè)試儀器的現(xiàn)狀和傳統(tǒng)測(cè)試儀器存在的問(wèn)題的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出一個(gè)基于 DSP的電力參數(shù)綜合測(cè)試 裝置，實(shí)現(xiàn)多種電力參數(shù)的實(shí)時(shí) 測(cè)量。該裝置可用來(lái)測(cè)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(wú)功功率、視在功率等參量；可對(duì)諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量及分析 。 本文的主要研究?jī)?nèi)容包括： 分析電力參數(shù)測(cè)試儀器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，指出開(kāi)展電力參數(shù)綜合測(cè)試儀器 7 研究的重要意義。 對(duì)諧波測(cè)量的 方法進(jìn)行深入的分析和討論，提出用雙譜線(xiàn)插值算法進(jìn)行諧波分析， 研究分析其他各參數(shù)的測(cè)量方法， 進(jìn)行基于 DSP的軟、硬件設(shè)計(jì)。 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析。 第 2 章電力參數(shù)測(cè)量原理 電壓電流有效值的測(cè)量 若以采樣周期 sT 對(duì)瞬時(shí)電壓、電流在一個(gè)采樣周期內(nèi)采樣 N個(gè)點(diǎn)，則離散的電壓電流有效值的計(jì)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(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù) U、 I電壓、電流有效值 )(nu 、 )(ni 電壓、電流瞬時(shí)采樣值 頻率的測(cè)量 頻率是指單位時(shí)間內(nèi)事物周期性運(yùn)動(dòng)的次數(shù)。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，負(fù)荷功率的增減，發(fā)電機(jī)出力的變動(dòng)不斷發(fā)生，系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)的頻率產(chǎn)生不同程度的波動(dòng)，這是一種企求系統(tǒng)能量均衡的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在不破壞系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，在各節(jié)點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)，不易覺(jué)察到波動(dòng)的差異。從概率統(tǒng)計(jì)的意義上，各節(jié)點(diǎn)的頻率是相等的，并在作同步的變化。在此條件下，任一點(diǎn)測(cè)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(biāo)，需要加以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，另一方面作為實(shí)施安全 穩(wěn)定控制的重要狀態(tài)反饋量，要求能實(shí)旄重構(gòu)。另外，頻率同步也是實(shí)現(xiàn)高精度諧波分析的重要措施之一。 本文采用的測(cè)頻方法是硬件測(cè)頻法，它的實(shí)質(zhì)就是周期法。 首先，需要專(zhuān)門(mén)測(cè)頻電路，首先采用前置低通濾波器，濾除電壓 (電流 )信號(hào) 8 中的諧波分量，以避免測(cè)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(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，計(jì)算機(jī)計(jì)算量小。本設(shè)計(jì)將三相電壓電流 6路信號(hào)中的一路電壓信號(hào)送入到過(guò)零比較器得到與電壓信號(hào)頻率相同的方波信號(hào)輸出，由 DSP的捕獲腳捕獲信號(hào)上升沿，利用系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)算出兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間，從而計(jì) 算出頻率。信號(hào)周期 1T f? ， 將信號(hào)周期 N等分，就可得到信號(hào)的采樣間隔，從而實(shí)現(xiàn)采樣頻率對(duì)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(cè)量中最基本的方法。針對(duì) FFT算法存在的柵欄效應(yīng)和頻譜泄露現(xiàn)象造成的測(cè)量誤差，可以通過(guò)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(duì)幅值和相位進(jìn)行插值修正，在一定程度上彌補(bǔ)柵欄效應(yīng)造成的誤差。本文采用在對(duì)加窗后進(jìn)行插值的雙譜線(xiàn)插值算法，該方法能極大地提高 FFT計(jì)算的精度，從 而滿(mǎn)足諧波測(cè)量中對(duì)諧波參數(shù)的精度要求。 算法原理 設(shè)一個(gè)頻率為 0f 、幅值為 A、初相位為 ? 的單一頻率信號(hào) x(t)，在經(jīng)過(guò)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(hào)： 0( ) s in ( 2 )sfx n A f???? （ ） 如果所加窗函數(shù)的時(shí)域形式為 w(n)，其連續(xù)頻譜 w(2? f)，則加窗后該信號(hào)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(fù)頻點(diǎn) 0f 處頻峰的影響，在正頻點(diǎn) 0f 處附近的連續(xù)頻譜函數(shù)可以表達(dá)為： 02 ( )( ) ( )2 jsffAX f e Wjf? ? ?? （ ） 對(duì)上式進(jìn)行離散抽樣，即可得到它的離散傅立葉變換的表達(dá)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?cái)嗟拈L(zhǎng)度。 峰值頻率 00f k f??很難正好位于離散譜線(xiàn)頻點(diǎn)上，也就是說(shuō) 0k 一般不是整數(shù)。設(shè)峰值點(diǎn)左右兩側(cè)的譜線(xiàn)分別為第 1k 和 2k 條譜線(xiàn)，這兩條譜線(xiàn)也應(yīng)該是峰值點(diǎn)附近幅值最大和次最大的譜線(xiàn)。顯然， 1 0 2 1 1k k k k? ? ? ?在離散頻譜中找到這兩條譜線(xiàn)，從而可確定 1k 和 2k 令這兩條譜線(xiàn)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(gè)輔助參數(shù)口 ? ? ? ? 。顯然， ? 的數(shù)值范圍是 ? ?,? ，它是以原點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)的。這樣，將式（ ）經(jīng)過(guò)變量代換和改寫(xiě)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(shí)，式（ ）一般可簡(jiǎn)化為 ()g??? ，其反函數(shù)記為 1()g???? 。當(dāng)窗函數(shù) w（ n）為實(shí)系數(shù)時(shí)，其幅頻響 (2 )wf? 是偶對(duì)稱(chēng)的，因而函數(shù) ??g 及其反函數(shù) ??1g? 是奇函數(shù)。 計(jì)算 1()g???? 可以采用多項(xiàng)式逼近方法。多項(xiàng)式逼近是一種近似計(jì)算復(fù)雜連續(xù)函數(shù)值的數(shù)值方法。通過(guò)控制多項(xiàng)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(xiàng)式逼近的計(jì)算公式易于采用程序代碼實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用切比雪夫多項(xiàng)式逼近奇函數(shù) ??1g? 時(shí)，所求多項(xiàng)式的偶次項(xiàng)系數(shù)將為 0，這樣就進(jìn)一步減少了乘法計(jì)算量。 在對(duì)幅值進(jìn)行修正時(shí)，直接對(duì) 1k 和 2k 兩根譜線(xiàn)進(jìn)行加權(quán)平均，從而計(jì)算出實(shí)際的峰值點(diǎn)的幅值。其計(jì)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(duì)兩根譜線(xiàn)采用的權(quán)重與各 自的幅值成正比。對(duì)于一般的實(shí)系數(shù)窗函數(shù)，當(dāng) N較大時(shí)，式（ ）可進(jìn)一 步簡(jiǎn)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(xiàng)式逼近求出函數(shù) ??v 的近似計(jì)算公式，結(jié)果中將不含有奇次項(xiàng)。這樣修正算法的計(jì)算公式可改寫(xiě)為： 1 2 22 1 0 2 2( ) ( . . . )llA N y y b b b???? ? ? ? （ ） 式中 0b ， 2b ... 2lb 為多項(xiàng)式的偶次項(xiàng)系數(shù)。 由于在尋找插值點(diǎn)時(shí)用到了峰值點(diǎn)附近的兩條譜線(xiàn)，因此稱(chēng)該方法為雙譜線(xiàn)插值算法。當(dāng)采用一些典型的窗函數(shù)時(shí)，可由上述的多項(xiàng)式逼近和雙譜線(xiàn)修正算法推導(dǎo)出幅值、相位的簡(jiǎn)單實(shí)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(cè)量 對(duì) 于功率的計(jì)算包括有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)的計(jì)算，功率的測(cè)