【正文】 目 錄摘 要 IAbstract II1 緒論 1 1 3 42 電力諧波的檢測原理及分析 2 諧波檢測系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能 2 電力系統(tǒng)諧波測量 2 電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因 2 電力系統(tǒng)諧波測量方法簡述 2 FFT算法的特點 9 10 10 10 諧波測量頻譜泄漏原因及解決方案 12 電網(wǎng)電能質(zhì)量標準 12 電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差 13 電能質(zhì)量供電電壓允許偏差 13 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波 133 電力諧波檢測裝置的硬件設計 7 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 7 DSP芯片的結(jié)構(gòu)與選擇 16 DSP芯片的基本結(jié)構(gòu) 16 DSP芯片的結(jié)構(gòu)及評價指標 16 DSP芯片的選擇 17 TMS320LF2407 DSP簡介 17 A/D轉(zhuǎn)換電路 18 22 22 23 鎖相環(huán)電路 24 與PCF8583的接口電路 25 按鍵輸入和液晶顯示電路 26 26 27 284 硬件系統(tǒng)調(diào)試 165 結(jié)論 16參考文獻 16致謝 16畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 16畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 16附錄 1717 / 431 緒論本章首先介紹當前電力質(zhì)量的主要危害諧波危害，引出電力系統(tǒng)測量的重要性，其次介紹國內(nèi)外在此方面的研究發(fā)展狀況以及國內(nèi)現(xiàn)有儀器由于采用單片機而存在的不足和缺陷，同時介紹了數(shù)字信號處理的發(fā)展，特別是近些年DSP處理器的普及更為電力系統(tǒng)智能采集注入了新活力，最后介紹了本課題的研究意義。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置帶來的諧波問題對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行構(gòu)成潛在威脅，給周圍電氣環(huán)境帶來了極大影響，諧波被認為是電網(wǎng)的一大公害，同時也阻礙了電力電子技術(shù)的發(fā)展因此，對電力系統(tǒng)諧波問題的研究已被人們逐漸重視。電力電子裝置等非線性負載所產(chǎn)生的諧波會引起負載和輸電設備的過載、失控和增加損耗，甚至嚴重危害電網(wǎng)和用電設備的安全。隨著電力電子技術(shù)在家庭、工業(yè)、交通、國防日益廣泛的應用，電力電子裝置本身功率容量和功率密度的不斷增大，電網(wǎng)遭受諧波污染也日益嚴重。諧波危害可以歸結(jié)為:(l)對旋轉(zhuǎn)電機(發(fā)電機和電動機)產(chǎn)生附加功率損耗和發(fā)熱，并引起振動。(2)對無功補償電容器組引起諧振或諧波電流的放大，從而導致電容器因過負荷或過電壓而損壞，對電力電纜也會造成電纜的過負荷或過電壓擊穿。(3)增加變壓器和電網(wǎng)的損耗，當發(fā)生諧振現(xiàn)象時，損耗可達到相當大的程度。(4)對繼電保護、自動控制裝置和計算機產(chǎn)生干擾和造成誤動作。尤其是一些衰減時間較長的暫態(tài)過程，如變壓器合閘涌流中的諧波分量，由于其幅值和含量都很大，更容易引起繼電保護的誤動作。(5)造成電能計量的誤差。一方面是增加電度表本身的誤差，另一方面是諧波源負荷從系統(tǒng)中吸收基波功率而向系統(tǒng)送出諧波功率，這樣受害的用戶既從系統(tǒng)中吸收基波功率，又從諧波源吸收無用的諧波功率，其后果是諧波源負荷用戶少付電費，而受害的用戶多付電費。(6)諧波電流在高壓架空線路上的流動除增加線損外，還將對相鄰通訊線路產(chǎn)生干擾影響。電網(wǎng)諧波已成為許多電子設備與系統(tǒng)現(xiàn)場可靠運行的主要障礙之一，諧波污染的問題還嚴重阻礙了諸如變頻調(diào)速等大批高效、節(jié)能電力電子技術(shù)的推廣應用。因此，國內(nèi)外都在加緊研究諧波污染的治理方法。近些年，我國也開發(fā)了一些電力測量裝置和電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，但在功能上、實用化方面還不夠理想，還存在許多問題: 1)處理功能較差、可擴展存儲空間較小、運算速度較饅，難以運用精確嚴格的算法進行大量的實時數(shù)據(jù)處理，不滿足電力監(jiān)測高實時性的要求； 2)電力系統(tǒng)中最常用微處理器包括51系列和96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適應電力系統(tǒng)的要求，致使電力系統(tǒng)的高精度測量、實時監(jiān)控和先進算法的運用受到了限制；3)有的產(chǎn)品雖然直接引進了國外的技術(shù)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(chǎn)品無通訊和控制輸出功能，不滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡化、自動化的發(fā)展方向。5)人機交互性不好。在過去的幾十年里，單片機的廣泛使用實現(xiàn)了簡單的智能控制功能，但是隨著計算機科學與技術(shù)、信號處理理論與方法的迅速發(fā)展，需要處理的數(shù)據(jù)量越來越大，對電測儀表的實時性和精度的要求也越來越高，而電能質(zhì)量監(jiān)測裝置不同于一般的電力基本參數(shù)測量儀器，要進行電能質(zhì)量指標的計算、分析和監(jiān)視，并且要運用復雜的數(shù)學算法，如果采用比較先進的單片機Intel8OC196進行基本的32點FFT運算，如采用更加先進復雜的算法則需要的時間更長顯然，傳統(tǒng)的單片機技術(shù)已不能滿足電力系統(tǒng)實時監(jiān)控的需要。數(shù)字信號處理器DSP是在模擬信號變換成數(shù)字信號以后進行高速實時處理的專用處理器，其處理速度比最快的CPU還快10一50倍。在當今的數(shù)字化時代背景下，DSP已成為通信、計算機、消費類電子產(chǎn)品等領域的基礎器件，被譽為信息社會革命的旗手業(yè)內(nèi)人士預言，DSP將是未來集成電路中發(fā)展最快的電子產(chǎn)品，并成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素，它將徹底變革人們的工作、學習和生活方式。DSP發(fā)展歷程大致分為70年代的理論先行、80年代的產(chǎn)品普及、90年代的突飛猛進三個階段。自從20世紀70年代末80年代初DSP芯片誕生以來，DSP芯片得到了飛速的發(fā)展，DSP芯片己經(jīng)在信號處理、通信、雷達等許多領域得到廣泛的應用目前，DSP芯片的價格越來越低，性能價格比日益提高，具有巨大的應用潛力。DSP芯片在電力系統(tǒng)中的應用主要有:1）信號處理—如數(shù)字濾波、自適應濾波、快速傅立葉變換、相關運算、譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產(chǎn)生等。 2）通信—如調(diào)制解調(diào)器、自適應均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、糾錯編碼等。3）儀器儀表—如頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)等。隨著DSP芯片性能價格比的不斷提高，可以預見DSP芯片將會在該領域內(nèi)得到更為廣泛的應用。隨著基于大功率電力電子開關設備的普及應用，它所帶來的各種電能質(zhì)量問題已引起各國電力工作者的高度重視，提高電能質(zhì)量的新技術(shù)己成為近年來電力系統(tǒng)研究領域中新的研究熱點。1993~1995年，美國電力研究院(EPRI)在全國范圍內(nèi)進行了大規(guī)模的電能質(zhì)量普查，獲得了大量電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，與此同時，國外又興起了研究“用戶特定電力”(custom Power)的高潮，提出利用電力電子控制器提高配電網(wǎng)供電的可靠性和電能質(zhì)量，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，以此為基礎的諸如時域仿真、頻域分析以及建立在不同變換基礎上的各種數(shù)字技術(shù)，如基于FFT變換的諧波分析，小波變換等已在分析電壓/電流擾動波形、元件參數(shù)對這些擾動的影響、系統(tǒng)中的諧波以及開發(fā)用以解決電能質(zhì)量問題的新型電力電子控制器等方面，得到了廣泛應用。與此同時，我國許多科研和生產(chǎn)單位，一些高等院校相繼開展了諧波研究工作，在多次學術(shù)會議上，交流了這方面的一些成果。目前，我國在諧波研究領域主要有以下幾個方面: 關于諧波源的特性。電力系統(tǒng)高次諧波源在許多情況下可以當作電流源來處理，在諧波源特性方面尚有大量的問題需要研究，例如各種型號電鐵機車運行時諧波含量及牽引供電臂諧波特性等。 關于電力系統(tǒng)模型及其精度。變壓器、電機、電容器、輸電線路和線性負荷，都有精確的諧波數(shù)學模型，非線性負荷的諧波阻抗目前只有粗略的模型，更精確的模型尚在探討中。電力系統(tǒng)諧波與供電系統(tǒng)關系非常密切。畸變波在電網(wǎng)中傳播取決于電網(wǎng)參數(shù)，它可能使畸變受到抑制，也可使畸變放大。 關于諧波電流和電壓的分析計算。大致分成線性分析、非線性頻域分析和非線性時域仿真三種方法。顯然，系統(tǒng)各個部分元件的數(shù)學模型直接影響到計算值的誤差。目前對負荷的模型還研究得很不夠，背景諧波對遠離諧波源線路得影響也不可忽略，由于元件諧波阻抗的復雜性和諧波源的多樣性和多變性，給諧波分析工作帶來一定的困難。 關于諧波的測試方法、測量儀器及設備。用計算的方法比較精確地獲得電網(wǎng)諧波參數(shù)是很困難的，因此諧波的測試工作在諧波研究中占很重要的地位。我國的國家標準GB/TI454993也對諧波的測量作了明確的規(guī)定。 關于諧波的危害。主要表現(xiàn)在對電力設備運行的影響。對電度計量及常用儀表指示的影響。對繼電保護和自動裝置的影響:對通訊的干擾。對電網(wǎng)損耗的影響。關于抑制諧波的措施。原則上，在諧波源處采取抑制措施是最有效的。一是在諧波源處加裝濾波器，這是普遍的措施，目前廣泛采用無源濾波器，靜止無功補償裝置，有源濾波器也開始使用。二是對整流設備增加相數(shù)，對變電站的接入相序換相，以減少注入系統(tǒng)的諧波。關于諧波管理與標準。1993年國家技術(shù)監(jiān)督局批準并頒發(fā)了《電能質(zhì)量一一公用電網(wǎng)諧波》GB/T14549一93，促使電力部門和電力用戶采取措施，把電網(wǎng)的諧波水平控制在允許范圍內(nèi)，防止諧波危害，保證供電質(zhì)量，以獲得良好的經(jīng)濟效益。在硬件上，20世紀90年代，儀器儀表與測量科學進步取得重大的突破性進展，這個進展的主要標志是儀器儀表智能化程度的提高，同時微電子技術(shù)的進步將更深刻地影響儀器儀表，目前普遍采用EDA(電子設計自動化)、CAM(計算機輔助制造)、CAT(計算機輔助測試)、DSP(數(shù)字信號處理)、ASIC(專用集成電路)及SMT(表面貼裝技術(shù))等。在重視高檔儀器開發(fā)的同時，注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)，注重系統(tǒng)集成，不僅著眼于單機，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟化，隨著各類儀器裝上了CPU，實現(xiàn)了數(shù)字化，軟件上投入了巨大的人力物力，儀器儀表智能化程度越來越高。特別是近些年DSP處理器的普及更為智能采集注入了新活力，老式的儀表由于精度低，速度慢，需更新?lián)Q代。目前隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機與DSP的融合以及嵌入式實時操作系統(tǒng)的引入將是必然的趨勢。本采集系統(tǒng)主要針對電力系統(tǒng)中諧波測量進行研究，通過對電力系統(tǒng)的諧波及電力各個參量的測量，我們可以實時測量檢測電網(wǎng)質(zhì)量:l)測量電壓電流的幅值，有效值，防止電壓過高對用電設備造成危害。用電設備設計在額定電壓時性能最好、效率最高，但當電壓偏離額定值時，其性能和效率都會降低，有的還會減少使用壽命，當電壓偏差超過一定值時，會引起設備的損壞。2)鑒定實際電力系統(tǒng)及諧波源用戶的諧波水平是否符合標準的規(guī)定，包括對所有諧波源用戶的設備投運時的測量。3)電氣設備調(diào)試、投運時的諧波測量，以確保設備投運后電力系統(tǒng)和設備的安全經(jīng)濟運行。4)諧波故障或異常原因的測量，諧波專題測試，如諧波阻抗、諧波潮流、諧波諧振和放大等。5)通過測量相位，有功功率，無功功率和視在功率的測量計算，可以優(yōu)化配置電力設備，提高功率因素。6)通過測量檢測出電力系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因，從而通過必要的手段，如繼電保護，電網(wǎng)濾波，反饋控制等使電網(wǎng)穩(wěn)定運行。目前工礦企業(yè)和運輸部門中，非線性負荷大量增加，首先是硅整流和換流技術(shù)的發(fā)展，例如化工部門在電解中廣泛采用硅整流。電氣鐵道中采用的單相交流整流供電機車。冶金和礦山部門大量用可控硅(SCR)整流電源作拖動。高壓直流輸電(HVDC)中的換流站。家用電器(如電視機、可調(diào)燈)中廣泛采用硅整流等等。其次是冶金、機械工業(yè)的發(fā)展使電弧煉鋼爐容量不斷擴大，單臺容量由過去幾噸發(fā)展到300一400噸，相應的電爐變壓器容量也由幾個MVA發(fā)展到100一200MVA。此外，工業(yè)中廣泛使用的電弧焊和接融焊設備、硅鐵爐、高頻爐等均屬非線性負荷。電力變壓器容量在不斷增大，由于經(jīng)濟工作點的選擇，也成為電力系統(tǒng)的一個重要的非線性負荷。隨著科技的發(fā)展非線性負荷還將不斷增加。非線性負荷從電網(wǎng)中吸收非正弦電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，因此通稱為諧波源。不對稱的波動諧波源(如電力牽引負荷)還引起電壓波動、閃變和負序分量，使電能質(zhì)量嚴重惡化，危及電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟運行，并影響某些用戶的正常生產(chǎn)。目前國際上公認，諧波的“污染”是電力系統(tǒng)的公害，必須采取措施加以限制。據(jù)報道，我國發(fā)電量的10%左右尚未得到利用，線路的損耗高達2既，因電網(wǎng)波動而不得不采用過大的容量設計，致使系統(tǒng)效率低下。通過電力諧波的分析，對保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量、挖掘現(xiàn)有容量的潛力，具有十分重要技術(shù)意義和經(jīng)濟價值。2 電力諧波的檢測原理及分析本章主要介紹電力采集的幾項重要指標以及電力系統(tǒng)測試的幾種模型，對比幾種測試模型的優(yōu)缺點，特別是其中基于FFT變換方法易產(chǎn)生的關于頻譜泄漏缺點，提出采用鎖相倍頻的采集測試方