【正文】 0MVA。電氣鐵道中采用的單相交流整流供電機(jī)車。4)諧波故障或異常原因的測(cè)量，諧波專題測(cè)試，如諧波阻抗、諧波潮流、諧波諧振和放大等。本采集系統(tǒng)主要針對(duì)電力系統(tǒng)中諧波測(cè)量進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)的諧波及電力各個(gè)參量的測(cè)量，我們可以實(shí)時(shí)測(cè)量檢測(cè)電網(wǎng)質(zhì)量:l)測(cè)量電壓電流的幅值，有效值，防止電壓過(guò)高對(duì)用電設(shè)備造成危害。在硬件上，20世紀(jì)90年代，儀器儀表與測(cè)量科學(xué)進(jìn)步取得重大的突破性進(jìn)展，這個(gè)進(jìn)展的主要標(biāo)志是儀器儀表智能化程度的提高，同時(shí)微電子技術(shù)的進(jìn)步將更深刻地影響儀器儀表，目前普遍采用EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)、CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)、CAT(計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試)、DSP(數(shù)字信號(hào)處理)、ASIC(專用集成電路)及SMT(表面貼裝技術(shù))等。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(wú)源濾波器，靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，有源濾波器也開(kāi)始使用。對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響:對(duì)通訊的干擾。我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/TI454993也對(duì)諧波的測(cè)量作了明確的規(guī)定。顯然，系統(tǒng)各個(gè)部分元件的數(shù)學(xué)模型直接影響到計(jì)算值的誤差。電力系統(tǒng)諧波與供電系統(tǒng)關(guān)系非常密切。目前，我國(guó)在諧波研究領(lǐng)域主要有以下幾個(gè)方面: 關(guān)于諧波源的特性。隨著DSP芯片性能價(jià)格比的不斷提高，可以預(yù)見(jiàn)DSP芯片將會(huì)在該領(lǐng)域內(nèi)得到更為廣泛的應(yīng)用。自從20世紀(jì)70年代末80年代初DSP芯片誕生以來(lái)，DSP芯片得到了飛速的發(fā)展，DSP芯片己經(jīng)在信號(hào)處理、通信、雷達(dá)等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用目前，DSP芯片的價(jià)格越來(lái)越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。在過(guò)去的幾十年里，單片機(jī)的廣泛使用實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的智能控制功能，但是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信號(hào)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(lái)越大，對(duì)電測(cè)儀表的實(shí)時(shí)性和精度的要求也越來(lái)越高，而電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置不同于一般的電力基本參數(shù)測(cè)量?jī)x器，要進(jìn)行電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算、分析和監(jiān)視，并且要運(yùn)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，如果采用比較先進(jìn)的單片機(jī)Intel8OC196進(jìn)行基本的32點(diǎn)FFT運(yùn)算，如采用更加先進(jìn)復(fù)雜的算法則需要的時(shí)間更長(zhǎng)顯然，傳統(tǒng)的單片機(jī)技術(shù)已不能滿足電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要。因此，國(guó)內(nèi)外都在加緊研究諧波污染的治理方法。(5)造成電能計(jì)量的誤差。(2)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容器組引起諧振或諧波電流的放大，從而導(dǎo)致電容器因過(guò)負(fù)荷或過(guò)電壓而損壞，對(duì)電力電纜也會(huì)造成電纜的過(guò)負(fù)荷或過(guò)電壓擊穿。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置帶來(lái)的諧波問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅，給周圍電氣環(huán)境帶來(lái)了極大影響，諧波被認(rèn)為是電網(wǎng)的一大公害，同時(shí)也阻礙了電力電子技術(shù)的發(fā)展因此，對(duì)電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題的研究已被人們逐漸重視。電力電子裝置等非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波會(huì)引起負(fù)載和輸電設(shè)備的過(guò)載、失控和增加損耗，甚至嚴(yán)重危害電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全。(3)增加變壓器和電網(wǎng)的損耗，當(dāng)發(fā)生諧振現(xiàn)象時(shí)，損耗可達(dá)到相當(dāng)大的程度。一方面是增加電度表本身的誤差，另一方面是諧波源負(fù)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(wú)用的諧波功率，其后果是諧波源負(fù)荷用戶少付電費(fèi)，而受害的用戶多付電費(fèi)。近些年，我國(guó)也開(kāi)發(fā)了一些電力測(cè)量裝置和電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，但在功能上、實(shí)用化方面還不夠理想，還存在許多問(wèn)題: 1)處理功能較差、可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間較小、運(yùn)算速度較饅，難以運(yùn)用精確嚴(yán)格的算法進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，不滿足電力監(jiān)測(cè)高實(shí)時(shí)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(duì)實(shí)時(shí)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適應(yīng)電力系統(tǒng)的要求，致使電力系統(tǒng)的高精度測(cè)量、實(shí)時(shí)監(jiān)控和先進(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(guó)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(guó)市場(chǎng)。數(shù)字信號(hào)處理器DSP是在模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器，其處理速度比最快的CPU還快10一50倍。DSP芯片在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有:1）信號(hào)處理—如數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅立葉變換、相關(guān)運(yùn)算、譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產(chǎn)生等。隨著基于大功率電力電子開(kāi)關(guān)設(shè)備的普及應(yīng)用，它所帶來(lái)的各種電能質(zhì)量問(wèn)題已引起各國(guó)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(lái)電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域中新的研究熱點(diǎn)。電力系統(tǒng)高次諧波源在許多情況下可以當(dāng)作電流源來(lái)處理，在諧波源特性方面尚有大量的問(wèn)題需要研究，例如各種型號(hào)電鐵機(jī)車運(yùn)行時(shí)諧波含量及牽引供電臂諧波特性等?；儾ㄔ陔娋W(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。目前對(duì)負(fù)荷的模型還研究得很不夠，背景諧波對(duì)遠(yuǎn)離諧波源線路得影響也不可忽略，由于元件諧波阻抗的復(fù)雜性和諧波源的多樣性和多變性，給諧波分析工作帶來(lái)一定的困難。 關(guān)于諧波的危害。對(duì)電網(wǎng)損耗的影響。二是對(duì)整流設(shè)備增加相數(shù)，對(duì)變電站的接入相序換相，以減少注入系統(tǒng)的諧波。在重視高檔儀器開(kāi)發(fā)的同時(shí)，注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)，注重系統(tǒng)集成，不僅著眼于單機(jī)，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟化，隨著各類儀器裝上了CPU，實(shí)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(lái)越高。用電設(shè)備設(shè)計(jì)在額定電壓時(shí)性能最好、效率最高，但當(dāng)電壓偏離額定值時(shí)，其性能和效率都會(huì)降低，有的還會(huì)減少使用壽命，當(dāng)電壓偏差超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)引起設(shè)備的損壞。5)通過(guò)測(cè)量相位，有功功率，無(wú)功功率和視在功率的測(cè)量計(jì)算，可以優(yōu)化配置電力設(shè)備，提高功率因素。冶金和礦山部門大量用可控硅(SCR)整流電源作拖動(dòng)。此外，工業(yè)中廣泛使用的電弧焊和接融焊設(shè)備、硅鐵爐、高頻爐等均屬非線性負(fù)荷。不對(duì)稱的波動(dòng)諧波源(如電力牽引負(fù)荷)還引起電壓波動(dòng)、閃變和負(fù)序分量，使電能質(zhì)量嚴(yán)重惡化，危及電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并影響某些用戶的正常生產(chǎn)。2 電力諧波的檢測(cè)原理及分析本章主要介紹電力采集的幾項(xiàng)重要指標(biāo)以及電力系統(tǒng)測(cè)試的幾種模型，對(duì)比幾種測(cè)試模型的優(yōu)缺點(diǎn)，特別是其中基于FFT變換方法易產(chǎn)生的關(guān)于頻譜泄漏缺點(diǎn)，提出采用鎖相倍頻的采集測(cè)試方法，該方法既可以消除頻譜泄漏缺點(diǎn)，又可以達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量。（4）定值設(shè)定：可設(shè)定每一項(xiàng)的7次以下諧波的越限值，可設(shè)定時(shí)間和期。隨著現(xiàn)在電力電子的發(fā)展，相角控制換流器和逆變器已成為越來(lái)越廣泛的應(yīng)用技術(shù)，特別是逆變器供電的交流驅(qū)動(dòng)在數(shù)量和額定功率上都在增加，并且隨著節(jié)能興趣的增加，他們對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生越來(lái)越重要的影響。輸入信號(hào)經(jīng)放大后送入一組并行聯(lián)結(jié)的帶通濾波器，濾波器的中心頻率ff….fn、是固定的，為工頻的整數(shù)倍，且f 1ffn（其中n是諧波的最高次數(shù)），然后送至多路顯示器顯示被測(cè)量中所含諧波成分及其幅值。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)諧波測(cè)量尚屬起步階段。利用小波變換能將電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的高次諧波變換投影到不同的尺度上會(huì)明顯地表現(xiàn)出高頻、奇異高次諧波信號(hào)的特性，特別是小波包居于將頻率空間進(jìn)一步細(xì)分的特性，從而為諧波分析提供了可靠依據(jù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電網(wǎng)電壓對(duì)稱且無(wú)畸變時(shí)，各電流分量（基波正序無(wú)功分量、不對(duì)稱分量及高次諧波分量）的測(cè)量電路比較簡(jiǎn)單，并且延時(shí)小。一般我們?cè)诜治鲭娏χC波時(shí)，根據(jù)國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在交流電的一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)采128個(gè)點(diǎn)?？焖俑道锶~算法又分為時(shí)間抽取(DIT)FFT和頻率抽取(DIF)FFT兩類。 FFT算法的特點(diǎn) FFT的輸出x(k)時(shí)按正常順序排列在存儲(chǔ)單元中的，即按X(0)，X(l)，…X(7)…的順序排列，但是這時(shí)輸入x(k)卻不是按自然順序存儲(chǔ)的，而是按x(0)，x(4)，……x(7)的順序存入存儲(chǔ)單元，看起來(lái)好像是“混亂無(wú)序”的，實(shí)際上是有規(guī)律的，我們稱之為倒位序。例如N=8時(shí)，x(3)的標(biāo)號(hào)是k=3，它的二進(jìn)制是011，倒位序二進(jìn)制是110，即dk=6。DSP控制器特有的反序間接尋址方式，就是專為FFT算法而設(shè)計(jì)的，此外，DSP控制器能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘和累加的工作。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模擬濾波器進(jìn)行濾波，由于電阻、電容和運(yùn)算放大器的參數(shù)不夠精確或者隨時(shí)間或溫度變化，使得濾波器效果不佳。則采樣信號(hào)為x[n]=x(n△t)，并且采樣信號(hào)總是有限長(zhǎng)度的，即n=0，1，…N一1。諧波分析中，各次諧波所泄漏的能量會(huì)相互影響，造成誤差。 諧波測(cè)量頻譜泄漏原因及解決方案 所謂頻譜泄漏就是信號(hào)頻譜中各譜線之間相互影響，使測(cè)量結(jié)果偏離實(shí)際值，同時(shí)在真實(shí)譜線兩側(cè)其它基波整數(shù)倍頻率點(diǎn)上出現(xiàn)一些幅值較小的假譜，簡(jiǎn)單的講，造成頻譜泄漏的原因是因?yàn)椴蓸宇l率與信號(hào)頻率不同步，造成周期采樣信號(hào)的相位在始端和終端不連續(xù)。2)修正理想采樣頻率法，這種方法的主要思想是對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行修正，得到理想采樣頻率下的采樣值，修正公式如式()n=1,2,…,M ()該方法計(jì)算量不大，并不需要添加任何硬件，實(shí)時(shí)性比上一種方法好，適合在線測(cè)量，但只能減少50%的泄漏。其中電壓和頻率偏差基本上取決于供求平衡關(guān)系，而后三者則不僅與電力系統(tǒng)有關(guān)，而且受用戶負(fù)荷性質(zhì)的影響因此，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置不僅安裝在電力系統(tǒng)的樞紐變電站中，還應(yīng)對(duì)重要用戶和特殊用戶(產(chǎn)生波形畸變的用戶)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，下面就其中本論文主要需要的3項(xiàng)指標(biāo)的定義及算法進(jìn)行闡述。%。 （）式中Un是第n次諧波電壓:諧波電流含量I In=178。第n次諧波電流含有率HRI HRI=100(%) （）式中In是第n次諧波電流(方均根值)I是基波電流(方均根值)。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)的諧波監(jiān)測(cè)儀以TMS320LF2407為核心，數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換器用的是MAX公司的14位A/D MAX125，保證了測(cè)量的精度。 DSP芯片的結(jié)構(gòu)與選擇 DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)(l)哈佛結(jié)構(gòu)程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分開(kāi)，各有獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，取指和讀數(shù)可以同時(shí)進(jìn)行，從而提高速度。在通用計(jì)算機(jī)的乘法用軟件實(shí)現(xiàn)，需要用若干個(gè)機(jī)器周期。(5)獨(dú)立的DMA總線和控制器有一組或多組獨(dú)立的DMA總線，可以與CPU的程序、數(shù)據(jù)總線并行工作。(7) 所有DSP包含JTAGJoint Test Action Group標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口(IEEEll49標(biāo)準(zhǔn)接口)，便于對(duì)DSP作片上的在線仿真和多DSP條件下的調(diào)試。(5)快速的指令周期。(b)MAC時(shí)間:即一次乘法加上一次加法的時(shí)間。 DSP芯片的選擇DSP應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)算量是確定選用處理能力為多大的DSP芯片的基礎(chǔ)。例如，電力系統(tǒng)一周波大約20ms為一幀，對(duì)于三路電壓和電流的采集，每20msFFT算法應(yīng)循環(huán)六次。在此，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹?；赥MS320C2xxDSP的CPU內(nèi)核，保證了TMS320LF240x系列DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。對(duì)于交流信號(hào)需要另外設(shè)計(jì)限幅抬壓電路。其輸入信號(hào)范圍士5V，通道最大承受過(guò)壓可達(dá)士17V，簡(jiǎn)化了信號(hào)調(diào)理電路。一個(gè)+，一個(gè)經(jīng)過(guò)緩沖的電壓基準(zhǔn)輸入端，一個(gè)內(nèi)部的16MHz時(shí)鐘，一組可以同時(shí)對(duì)4路輸入信號(hào)進(jìn)行同步采樣的采樣/保持電路。這樣MAX125將一直對(duì)特定的通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換直到對(duì)它重新編程為止。當(dāng)所有的轉(zhuǎn)換完成后，可以依次對(duì)RD腳施加讀脈沖以讀出內(nèi)部數(shù)據(jù)，四次讀操作依次讀出RAM中的4個(gè)數(shù)據(jù)字。C溫度范圍和擴(kuò)展工業(yè)級(jí)40176。比如4路信號(hào)采樣，用TMS320C32的片上定時(shí)器1的TCLKI作為A心轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)，其中定時(shí)器輸出的時(shí)鐘頻率通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行設(shè)置，在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿啟動(dòng)MAX125，MAX125就可以進(jìn)行同步采樣，然后將按照預(yù)先設(shè)置的工作方式從1通道到4通道依次進(jìn)行轉(zhuǎn)換，直到4個(gè)通道全部轉(zhuǎn)換完畢。讀取數(shù)據(jù)時(shí)，在RD腳上連續(xù)加脈沖就能順序取得CHI一CH4的數(shù)據(jù)。重新上電后，其默認(rèn)的工作模式是多路開(kāi)關(guān)處于A組CHI，單通道轉(zhuǎn)換。5%）模擬供電輸入端。CLK：時(shí)鐘輸入端；通常為16MHz,占空比必須為30℅至70℅，以保證信噪比SNR和動(dòng)態(tài)噪聲電平DNL的性能。INT：中斷信號(hào)輸出端；下降沿INT變?yōu)榈捅硎舅型ǖ擂D(zhuǎn)換完成。MAX125提供的工作模式一共有9種，具體的描述見(jiàn)表3一1