【正文】 重要標志，同時也是電力企業(yè)用電管理水平考核的重要標志。 (2)是提高國民經濟總體效益、用電效率 (節(jié)能、降損 )和改善電氣環(huán)境、以及工業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展的技術保證。 (3)是面向電力市場、適應競爭機制強有力的手段。 (4)通過建立和健全電能質量的全面管理，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品。 我國的電能質量的研究正處于起步階段，但 是已經取得了一定的成績，電能質量的監(jiān)測，不論在理論上還是在實踐中，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、有效的進行諧波的監(jiān)測，對于保證電力系統(tǒng)運行的安全性，經濟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量監(jiān)測裝置，但在功能上，實用化方面均未達到理想效果，尤其是自動化水平高、可靠性好、精度高以及功能強大的實用產品相對較少，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，可擴展存儲空間較小，運算速度較慢 ，難以運用精確嚴格的算法進行大量的實時數(shù)據(jù)處理，不能滿足電力監(jiān)測實時性高的要求。 (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)對實時性、數(shù)據(jù)量和計算要求的不斷提高，這些器件在計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、實時監(jiān)控性和先進算法的運用受到了限制。 (3)有的產品雖然直接引進了國外的技術模塊，功能較強，可是價格較高，且不完全適合我國市場。 (4)有的產品沒有通訊和控制輸出功能，不滿足電力系統(tǒng)網絡化、自動化的發(fā)展方向。 (5)人機交互性不好 。 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)的高質量電攀枝花學院畢業(yè) 設計（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)是進口的國外產品，價格昂貴。這是擺在我們電力工作者面前難得的機遇和挑戰(zhàn)。開發(fā)實用、可靠性高并且能滿足精度要求的低成本產品，提高國內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用之前，傳統(tǒng)上常采用常規(guī)的單片機進行應用系統(tǒng)設計，但是由于單片機的計算能力不強，比如在運行一些數(shù)字信號處理的基本算法時就呈現(xiàn)出劣勢 ，比如說在實現(xiàn) 64點以上的 FFT 算法時，會出現(xiàn)計算速度慢的特點，往往不能滿足實時性的要求。尤其是現(xiàn)在的應用系統(tǒng)算法日漸復雜，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，在功能和實時性方面己經不能滿足一些復雜系統(tǒng)的需要了，而采用基于 DSP(Digital Signal Processor 即 DSP 芯片 )的應用系統(tǒng)設計方法，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，就可以很容易的實現(xiàn)，運算速度也得到了 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)的性能價格比。 近年來，集成電路技術和制造工藝的突飛猛進，大大推動了數(shù)字信號處理方法和應用的研究。高速數(shù)字信號處理技術的發(fā)展及其制造成本的降低，使數(shù)字信號處理技術在電力系統(tǒng)的各個研究領域得到了廣泛的應用，人們己經開始將 DSP技術應用于某些電力產品的開發(fā)研制中。 本文對 DSP 技術在電能質量問題的研究及監(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，通過計算機去處理這些序列，提取其中 有用的信息。凡是用數(shù)字方式對信號進行濾波、變換、增強、壓縮、估計和識別等都是數(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上。 60年代和 70 年代是數(shù)字信號處理技術的理論研究階段，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)字信號處理技術的出現(xiàn)成為分析實際現(xiàn)象的有力工具。當時的 DSP 系統(tǒng)由分離元件組成，主要應用于醫(yī)療電子、生物電于和應 用地球物理等領域。進入 80 年代，數(shù)字信號處理技術的應用范圍的擴大和成本的進一步降低，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 應用系統(tǒng)向前跨出了一大步，數(shù)字信號處理技術也開始逐漸普及。這種 DSP 是一種專用的綜合性微處理器，專門處理以運算為主的信號攀枝花學院畢業(yè) 設計（論文） 處理應用系統(tǒng)。到了 90 年代， DSP 技術有了’驚人的發(fā)展。以 DSP 作為主要元件，加上外圍設備和特定功能單元組成合成的單一芯片的技術，加速了 DSP 技術的發(fā)展。同時產品的價格降低了，運算速度和集成度也得到了提高。 90 年代 DSP揭開了 PC通信及消費電子市場的新紀元。 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 進入市揚。 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 芯片提供的應用系統(tǒng)的解決方案。它是以 DSP 為核心，配合先進的混合信號電路、 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，大大促進了儀器智能化的進 程。 目前在硬件結構上， DSP 相比于單片機有如下優(yōu)點 : (1)采用多總線結構。單片機是單總線結構，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)就可同時進行，提高了操作速度。 (2)采用多個處理單元。單片機多是一個算術邏輯單元 (AL U)，執(zhí)行乘法運算是靠移位加法完成的，運算時間較長 。而 DSP 內除含有 ALU 外，還含有乘法器(MUL)，輔助算術單元 (ARLU)等，所以在一個指令周期內可完成集中 運算。 (3)采用流水線結構。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行取操作數(shù)、譯碼、取指令等而重疊操作，加快了運算速度。 (4)采用硬件乘法器。 DSP 內部均有硬件乘法器，使得乘法運算在單周期指令內即可完成。雖然某些單片機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，其性能還不能與 DNF 相比。 (5)具有高速的片內程序存儲器和數(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 I/O 口可以提高數(shù)據(jù)交換的速度，減少系統(tǒng)復雜性。 (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算速度。 (8) DSP 器件提供 JTAG 標準測試接口，不但能控制和觀察處理器的運行，測試芯片，還能利用該接口裝入程序。開發(fā)手段更先進，批量生產測試更方便，開發(fā)工具可實現(xiàn)全空間仿真，不占用用戶資源。 攀枝花學院畢業(yè) 設計（論文） 采用數(shù)字系統(tǒng)完 成信號處理的任務，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，如抗干擾性強，便于大規(guī)模集成、精度高、靈活性強，可以實現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難達到的指標或特性。同時，實時數(shù)字信號處理技術集中了數(shù)字信號處理理論和方法、計算機科學與技術和集成電路技術等多個領域的最新成果。 本文的研制主要是對我國電能質量的數(shù)據(jù)進行實時的采集和監(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量參數(shù)，為電網的運行和管理提供詳細可靠的電力參數(shù)。力求在借鑒同類裝置的基礎上，研制和開 發(fā)一種實用、低成本的便攜式電力系統(tǒng)諧波測量裝置，以適應配電網的發(fā)展。 主要工作包括 : (1)簡要的回顧和分析當前電力系統(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)進行基于 DSP的硬件電路設計，并進行相關的軟件設計。 (4)對裝置進行調試和初步的實驗，得出實驗結果。 (5)結論。 本設計將進一步推進電力系統(tǒng)的自動化水平，真正做到實時的諧波分析，便于電力系統(tǒng)管理人員正確掌握配電網的電能質量情況， 方便地控制各線的負荷情況，實現(xiàn)計劃用電、合理配電。 攀枝花學院畢業(yè) 設計（論文） 2 電能質量參數(shù)的測量和計算公式 習慣上，認為電網穩(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)學表達式為 : )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的平均功率： ?? TuidtTp01 （ ） 所以有： 攀枝花學院畢業(yè) 設計（論文） dttnIItnUUTP n nT n nn ?????? ????????? ??? ?? ????? 1 1000 1 10 )s i n(2)s i n(21 ???? （ ） 又因為不同頻率正弦波瞬時值的乘積在一周內的平均值等于零，經積分后得： ????? 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成的平均功率之和，即僅有同頻率的電壓和電流才構成有功功率，而不同頻率的電壓和電流則不構成有功功率。 無功功率的計算 仿照上述有功功率計算公式，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。習慣上規(guī)定感性無功功率為正，容性無功功率為負，利用的符號來研究無功補償問題不會引起任何矛盾?？墒窃诜钦仪闆r下，按“式（ ）”計算時，由于 n? 可以在四個象限內， )sin( nnnIU ? 可能是正，也可能是負，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生的無功功率的總和。另一方面，習慣上規(guī)定用戶吸收有功功率為正，發(fā)出有功功率為負。含有諧波源的用戶根據(jù)“式（ ）”計算， 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化為諧波功率而反饋至電網。