【正文】 重要標(biāo)志，同時也是電力企業(yè)用電管理水平考核的重要標(biāo)志。 (2)是提高國民經(jīng)濟(jì)總體效益、用電效率 (節(jié)能、降損 )和改善電氣環(huán)境、以及工業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保證。 (3)是面向電力市場、適應(yīng)競爭機(jī)制強(qiáng)有力的手段。 (4)通過建立和健全電能質(zhì)量的全面管理，保障各行各業(yè)的正常用電秩序，為千家萬戶提供信得過的產(chǎn)品。 我國的電能質(zhì)量的研究正處于起步階段，但 是已經(jīng)取得了一定的成績，電能質(zhì)量的監(jiān)測，不論在理論上還是在實(shí)踐中，都有許多值得深入研究的問題。研制一種新型的諧波監(jiān)測裝置、有效的進(jìn)行諧波的監(jiān)測，對于保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，經(jīng)濟(jì)性和可靠性都具有重要意義。 近些年，我國也開發(fā)了一些電力測控裝置和電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，但在功能上，實(shí)用化方面均未達(dá)到理想效果，尤其是自動化水平高、可靠性好、精度高以及功能強(qiáng)大的實(shí)用產(chǎn)品相對較少，而在諧波的分析方面也是如此。還存在一些問題，主要表現(xiàn)在 : (1)處理功能較差，可擴(kuò)展存儲空間較小，運(yùn)算速度較慢 ，難以運(yùn)用精確嚴(yán)格的算法進(jìn)行大量的實(shí)時數(shù)據(jù)處理，不能滿足電力監(jiān)測實(shí)時性高的要求。 (2)電力系統(tǒng)中最常用微處理器包括 51 系列和 %系列等控制型器件，但隨著電力系統(tǒng)對實(shí)時性、數(shù)據(jù)量和計(jì)算要求的不斷提高，這些器件在計(jì)算能力方面已不能很好地滿足電力系統(tǒng)的要求，致使電力系統(tǒng)測量的高精度性、實(shí)時監(jiān)控性和先進(jìn)算法的運(yùn)用受到了限制。 (3)有的產(chǎn)品雖然直接引進(jìn)了國外的技術(shù)模塊，功能較強(qiáng)，可是價(jià)格較高，且不完全適合我國市場。 (4)有的產(chǎn)品沒有通訊和控制輸出功能，不滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、自動化的發(fā)展方向。 (5)人機(jī)交互性不好 。 雖然我國的電力工業(yè)取得了迅猛的發(fā)展，但是我國自行研制開發(fā)的高質(zhì)量電攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 力系統(tǒng)自動化測量裝置還很少，目前，電力部門用的諧波測量和分析裝置大多數(shù)是進(jìn)口的國外產(chǎn)品，價(jià)格昂貴。這是擺在我們電力工作者面前難得的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。開發(fā)實(shí)用、可靠性高并且能滿足精度要求的低成本產(chǎn)品，提高國內(nèi)測量裝置的自動化水平，就成為一件具有重要意義的事情。 在數(shù)字信號處理芯片沒有得到廣泛應(yīng)用之前，傳統(tǒng)上常采用常規(guī)的單片機(jī)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但是由于單片機(jī)的計(jì)算能力不強(qiáng)，比如在運(yùn)行一些數(shù)字信號處理的基本算法時就呈現(xiàn)出劣勢 ，比如說在實(shí)現(xiàn) 64點(diǎn)以上的 FFT 算法時，會出現(xiàn)計(jì)算速度慢的特點(diǎn)，往往不能滿足實(shí)時性的要求。尤其是現(xiàn)在的應(yīng)用系統(tǒng)算法日漸復(fù)雜，對數(shù)據(jù)處理的要求也越來越高，如果繼續(xù)采用普通的單片機(jī)，在功能和實(shí)時性方面己經(jīng)不能滿足一些復(fù)雜系統(tǒng)的需要了，而采用基于 DSP(Digital Signal Processor 即 DSP 芯片 )的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，就可以充分發(fā)揮DSP(Digital Signal Processing)芯片的數(shù)字信號處理優(yōu)勢，系統(tǒng)中的復(fù)雜軟件算法，或者一些數(shù)字信號處理算法，就可以很容易的實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算速度也得到了 很大程度的提高，顯著地提高了系統(tǒng)的處理效率，并且最大限度的提高了硬件系統(tǒng)的性能價(jià)格比。 近年來，集成電路技術(shù)和制造工藝的突飛猛進(jìn)，大大推動了數(shù)字信號處理方法和應(yīng)用的研究。高速數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展及其制造成本的降低，使數(shù)字信號處理技術(shù)在電力系統(tǒng)的各個研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，人們己經(jīng)開始將 DSP技術(shù)應(yīng)用于某些電力產(chǎn)品的開發(fā)研制中。 本文對 DSP 技術(shù)在電能質(zhì)量問題的研究及監(jiān)測裝置的研制方面作了一些嘗試。數(shù)字信號處理 (DSP)就是用數(shù)字或符號的序列來表示信號，通過計(jì)算機(jī)去處理這些序列，提取其中 有用的信息。凡是用數(shù)字方式對信號進(jìn)行濾波、變換、增強(qiáng)、壓縮、估計(jì)和識別等都是數(shù)字信號處理的研究對象。 DSP 芯片專門用于完成實(shí)時數(shù)字信息處理的。它首先是建立在數(shù)字信號處理的各種理論和方法的基礎(chǔ)上。 60年代和 70 年代是數(shù)字信號處理技術(shù)的理論研究階段，具有代表性的著作是美國兩位著名教授 和 合寫了“ Digital Signal Processing。 70 年代數(shù)字信號處理技術(shù)的出現(xiàn)成為分析實(shí)際現(xiàn)象的有力工具。當(dāng)時的 DSP 系統(tǒng)由分離元件組成，主要應(yīng)用于醫(yī)療電子、生物電于和應(yīng) 用地球物理等領(lǐng)域。進(jìn)入 80 年代，數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和成本的進(jìn)一步降低，推動了 UM,的發(fā)展。美國 TI 公司在 1982 年推出的首枚低成本高性能的 DSP數(shù)字信號處理器，使 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)向前跨出了一大步，數(shù)字信號處理技術(shù)也開始逐漸普及。這種 DSP 是一種專用的綜合性微處理器，專門處理以運(yùn)算為主的信號攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 處理應(yīng)用系統(tǒng)。到了 90 年代， DSP 技術(shù)有了’驚人的發(fā)展。以 DSP 作為主要元件，加上外圍設(shè)備和特定功能單元組成合成的單一芯片的技術(shù)，加速了 DSP 技術(shù)的發(fā)展。同時產(chǎn)品的價(jià)格降低了，運(yùn)算速度和集成度也得到了提高。 90 年代 DSP揭開了 PC通信及消費(fèi)電子市場的新紀(jì)元。 1997年 2月 TI公司宣布具有 1600MIPS速度的新一代數(shù)字信號處理器 TMS320C6x 進(jìn)入市揚(yáng)。 C6x 的時鐘為 200M Hz，每個指令周期僅為 5ns。 目前， TI 公司提出一種新的概念“ DSPS (DSP System)，受到廣泛的重視。DSPS 即 DSP 芯片制造商隨 DSP 芯片提供的應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案。它是以 DSP 為核心，配合先進(jìn)的混合信號電路、 ASIC 電路、軟件及開發(fā)工具等集成在一起完整的參考方案。 DSP 的興起， DSPS 概念的提出，大大促進(jìn)了儀器智能化的進(jìn) 程。 目前在硬件結(jié)構(gòu)上， DSP 相比于單片機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn) : (1)采用多總線結(jié)構(gòu)。單片機(jī)是單總線結(jié)構(gòu)，取指令、取數(shù)據(jù)都是通過一條總線完成，因此必須分時操作，而 DSP 內(nèi)至少有四套總線 :程序的地址和數(shù)據(jù)總線以及數(shù)據(jù)的地址和數(shù)據(jù)總線，這樣，取指令和取數(shù)據(jù)就可同時進(jìn)行，提高了操作速度。 (2)采用多個處理單元。單片機(jī)多是一個算術(shù)邏輯單元 (AL U)，執(zhí)行乘法運(yùn)算是靠移位加法完成的，運(yùn)算時間較長 。而 DSP 內(nèi)除含有 ALU 外，還含有乘法器(MUL)，輔助算術(shù)單元 (ARLU)等，所以在一個指令周期內(nèi)可完成集中 運(yùn)算。 (3)采用流水線結(jié)構(gòu)。執(zhí)行一條指令往往分作取指令、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行等一系列步驟，單片機(jī)多是執(zhí)行完一條指令后，再取下一條指令 。而 DSP 是在執(zhí)行了本指令的同時，即對下面幾條指令依次進(jìn)行取操作數(shù)、譯碼、取指令等而重疊操作，加快了運(yùn)算速度。 (4)采用硬件乘法器。 DSP 內(nèi)部均有硬件乘法器，使得乘法運(yùn)算在單周期指令內(nèi)即可完成。雖然某些單片機(jī)也集成有硬件乘法器，但缺少其它硬件支持，所以它仍是單片機(jī)，其性能還不能與 DNF 相比。 (5)具有高速的片內(nèi)程序存儲器和數(shù)據(jù)存 儲器，對于一些簡單操作，可以在片內(nèi)完成，避免與外部的低速存儲器打交道。 (6)具有高速 I/O 口。包括并行口，串行口， DMA 控制器和片內(nèi) I/O 口可以提高數(shù)據(jù)交換的速度，減少系統(tǒng)復(fù)雜性。 (7)具有滿足信號處理要求的一些特殊指令集，提高了 FFT 快速傅里葉變換和濾波器的運(yùn)算速度。 (8) DSP 器件提供 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)測試接口，不但能控制和觀察處理器的運(yùn)行，測試芯片，還能利用該接口裝入程序。開發(fā)手段更先進(jìn)，批量生產(chǎn)測試更方便，開發(fā)工具可實(shí)現(xiàn)全空間仿真，不占用用戶資源。 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 采用數(shù)字系統(tǒng)完 成信號處理的任務(wù)，與傳統(tǒng)的模擬信號方法相比較，同時具有數(shù)字系統(tǒng)的一些共同優(yōu)點(diǎn)，如抗干擾性強(qiáng)，便于大規(guī)模集成、精度高、靈活性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難達(dá)到的指標(biāo)或特性。同時，實(shí)時數(shù)字信號處理技術(shù)集中了數(shù)字信號處理理論和方法、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)和集成電路技術(shù)等多個領(lǐng)域的最新成果。 本文的研制主要是對我國電能質(zhì)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的采集和監(jiān)控，以諧波的測量和分析為主，并使裝置盡可能包括各種電能質(zhì)量參數(shù)，為電網(wǎng)的運(yùn)行和管理提供詳細(xì)可靠的電力參數(shù)。力求在借鑒同類裝置的基礎(chǔ)上，研制和開 發(fā)一種實(shí)用、低成本的便攜式電力系統(tǒng)諧波測量裝置，以適應(yīng)配電網(wǎng)的發(fā)展。 主要工作包括 : (1)簡要的回顧和分析當(dāng)前電力系統(tǒng)的諧波問題、研究現(xiàn)狀及其測量裝置存在的問題。 (2)討論諧波的測量原理及分析方法。 (3)進(jìn)行基于 DSP的硬件電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)。 (4)對裝置進(jìn)行調(diào)試和初步的實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 (5)結(jié)論。 本設(shè)計(jì)將進(jìn)一步推進(jìn)電力系統(tǒng)的自動化水平，真正做到實(shí)時的諧波分析，便于電力系統(tǒng)管理人員正確掌握配電網(wǎng)的電能質(zhì)量情況， 方便地控制各線的負(fù)荷情況，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃用電、合理配電。 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 2 電能質(zhì)量參數(shù)的測量和計(jì)算公式 習(xí)慣上，認(rèn)為電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)的供電電壓波形是以工頻為頻率的正弦波形，工頻為50Hz，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 : )s in (2)( ?? ?? tUtu （ ） Tf ??? 22 ?? （ ） 式中： U─一電壓的有效值 ? ─一初相角 f,? 和 T─一工頻角頻率、頻率和周期。 在工程實(shí)際常中采用有效值來衡量電流和電壓的大小，以周期電流 i（ t）為例，其有效值 I 定義為： I= ?T dttiT 0 2 )(1 （ ） 對于非正弦周期電壓和電流的瞬時值，可以用三 角級數(shù)表示，即： ?)(tu )s in(2110 nnn tnIU ?? ?? ??? （ ） )s i n(2)(10 nnnn tnIIti ?? ??? ??? （ ） 式中： n─一諧波次數(shù)， n=1， 2， 3?。 得電流的有效值為： ?? ?? ??? 1210 0 )]s i n(2[1n nnT dttnIITI ?? ????? 1220n nUI （ ）同理得： ????? 1220n nUUU （ ） 有功功率的計(jì)算 又因任意波形的周期性交流電路的有功功率取決于一周期內(nèi)的平均功率： ?? TuidtTp01 （ ） 所以有： 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） dttnIItnUUTP n nT n nn ?????? ????????? ??? ?? ????? 1 1000 1 10 )s i n(2)s i n(21 ???? （ ） 又因?yàn)椴煌l率正弦波瞬時值的乘積在一周內(nèi)的平均值等于零，經(jīng)積分后得： ????? 100 )s in(N nnn IUIUP ? 式中： nnn ??? ?? （ ） 這就是說，非正弦周期分量的平均功率等于恒定功率分量與各次諧波構(gòu)成的平均功率之和，即僅有同頻率的電壓和電流才構(gòu)成有功功率，而不同頻率的電壓和電流則不構(gòu)成有功功率。 無功功率的計(jì)算 仿照上述有功功率計(jì)算公式，可以定義無功功率為： )s in(11 nnn nn n IU ??? ???? ?? （ ） 我們知道，在正弦電路里無功功率表示電磁能量交換的最大值。習(xí)慣上規(guī)定感性無功功率為正，容性無功功率為負(fù)，利用的符號來研究無功補(bǔ)償問題不會引起任何矛盾?？墒窃诜钦仪闆r下，按“式（ ）”計(jì)算時，由于 n? 可以在四個象限內(nèi)， )sin( nnnIU ? 可能是正，也可能是負(fù)，所以各次 nQ 可能互相抵消，甚至出現(xiàn)為零 。但電流中的無功分量卻不為零，也就是說它不再有能量交換最大量度等物理意義了。 Q 只是表明由于各次諧波電壓和電流存在相位差而產(chǎn)生的無功功率的總和。另一方面，習(xí)慣上規(guī)定用戶吸收有功功率為正，發(fā)出有功功率為負(fù)。含有諧波源的用戶根據(jù)“式（ ）”計(jì)算， p 只可能會小于它的基波功率 1p ，即它將吸收一部分基波功率轉(zhuǎn)化為諧波功率而反饋至電網(wǎng)。