【正文】 集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理的相關(guān)軟件算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧波的測(cè)量功能。 論文完成了基本的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件算法設(shè)計(jì)。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） [基于 DSP 對(duì)電力系統(tǒng)的諧波測(cè)量及數(shù)據(jù)分析 ] 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 院（系）： 電氣信息工程學(xué)院 年級(jí)專(zhuān)業(yè)： 2021 級(jí)電子信息工程 指導(dǎo)教師： 二〇〇七年六月攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 摘要 本文首先回顧了國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)諧波監(jiān)測(cè)裝置的現(xiàn)狀，分析了數(shù)字信號(hào)處理芯片（ DSP）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景 。 硬件設(shè)計(jì)方面，根據(jù)電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集和處理的實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)信號(hào)的多通道同時(shí)采樣， A/D 和 DSP 芯片的處理速度快的優(yōu)勢(shì)，滿足了實(shí)時(shí)性的要求。 本裝置可以進(jìn)行快速的信號(hào)采集和實(shí)時(shí)的諧波分 析。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)的電氣化水平日益提高，具有非線形或時(shí)變特性的負(fù)荷也日益爭(zhēng)奪，從而在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，僅 用頻率和電壓著兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量電能質(zhì)量已經(jīng)不能滿足需要了。有時(shí)頻率急劇下降不止，則可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)的崩潰。 在我國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，電氣化鐵道的發(fā)展，化工、冶金、煤炭等工業(yè)部門(mén)中電力佳子技術(shù)的大量應(yīng)用和國(guó)外的先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)，以及節(jié)能中電力電子技術(shù)的應(yīng)用，在帶來(lái)技術(shù)經(jīng)濟(jì)上一系列效益的同時(shí)，也使電網(wǎng)的諧波含量大大增加，電 網(wǎng)波形畸變?cè)絹?lái)越嚴(yán)重，這就是所謂的電網(wǎng)諧波污染。 (3)可能引起電機(jī)的機(jī)械振動(dòng) : (4)無(wú)功補(bǔ)償電容器組可能引起諧波電流的放大，甚至造成諧振 。 電能質(zhì)量問(wèn)題已經(jīng)引 起了各國(guó)電力工作者的高度重視，改善電能質(zhì)量的意義可簡(jiǎn)要概括為以下幾點(diǎn) : (1)是電力系統(tǒng)安全 (包括用戶設(shè)備的用電安全 )、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要條件，是電網(wǎng)運(yùn)行水平高低的重要標(biāo)志，同時(shí)也是電力企業(yè)用電管理水平考核的重要標(biāo)志。 我國(guó)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(jī)，電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，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(wèn)題。 (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(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滿足電力系統(tǒng)的要求，致使電力系統(tǒng)測(cè)量的高精度性、實(shí)時(shí)監(jiān)控性和先進(jìn)算法的運(yùn)用受到了限制。 雖然我國(guó)的電力工業(yè)取得了迅猛的發(fā)展，但是我國(guó)自行研制開(kāi)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(dòng)化測(cè)量裝置還很少，目前，電力部門(mén)用的諧波測(cè)量和分析裝置大多數(shù)是進(jìn)口的國(guó)外產(chǎn)品，價(jià)格昂貴。尤其是現(xiàn)在的應(yīng)用系統(tǒng)算法日漸復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求也越來(lái)越高，如果繼續(xù)采用普通的單片機(jī)，在功能和實(shí)時(shí)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(hào)處理優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)中的復(fù)雜軟件算法，或者一些數(shù)字信號(hào)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。數(shù)字信號(hào)處理 (DSP)就是用數(shù)字或符號(hào)的序列來(lái)表示信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)去處理這些序列，提取其中 有用的信息。 60年代和 70 年代是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的理論研究階段，具有代表性的著作是美國(guó)兩位著名教授 和 合寫(xiě)了“ Digital Signal Processing。美國(guó) TI 公司在 1982 年推出的首枚低成本高性能的 DSP數(shù)字信號(hào)處理器，使 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)向前跨出了一大步，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也開(kāi)始逐漸普及。同時(shí)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。 目前， TI 公司提出一種新的概念“ DSPS (DSP System)，受到廣泛的重視。 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)。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(gè)指令周期內(nèi)可完成集中 運(yùn)算。 (4)采用硬件乘法器。 (6)具有高速 I/O 口。開(kāi)發(fā)手段更先進(jìn)，批量生產(chǎn)測(cè)試更方便，開(kāi)發(fā)工具可實(shí)現(xiàn)全空間仿真，不占用用戶資源。力求在借鑒同類(lèi)裝置的基礎(chǔ)上，研制和開(kāi) 發(fā)一種實(shí)用、低成本的便攜式電力系統(tǒng)諧波測(cè)量裝置，以適應(yīng)配電網(wǎng)的發(fā)展。 (4)對(duì)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。 在工程實(shí)際常中采用有效值來(lái)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(duì)于非正弦周期電壓和電流的瞬時(shí)值，可以用三 角級(jí)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??？墒窃诜钦仪闆r下，按“式（ ）”計(jì)算時(shí)，由于 n? 可以在四個(gè)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 。含有諧波源的用戶根據(jù)“式（ ）”計(jì)算， p 只可能會(huì)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)。 1Q 包含了兩個(gè)部分 :其中 Q 是由于同頻率電壓和電流間的相位差引起的 。大多數(shù)現(xiàn)代設(shè)備能進(jìn)行各種功能綜合，比如事故監(jiān)測(cè)和諧波分析。 實(shí)際電網(wǎng)中有時(shí)存在一些頻率不是基波頻率整數(shù)倍的正弦分量，其中又稱(chēng)為分?jǐn)?shù)次諧波和間諧波 (fractionalharmonics 和 interharmonics)的 :低于工頻的間諧波又稱(chēng)為次諧波 (subharmonics)。 所謂諧波含量，就是各次諧波的平方和開(kāi)方。也就是說(shuō)它把序列 ][nf 表示成頻率在 2? 區(qū)間范圍內(nèi)，由 )( ?jeF 確定每一個(gè)復(fù)正弦分量相對(duì)大小的、如下式所示的無(wú)限小復(fù)正弦的疊加 ： ?? ?? deeF jj )(21 雖然在寫(xiě)“式 (()”時(shí)，己經(jīng)把毋的變化范圍選定在 ? 和 +? 之間，但是任何 2? 二間隔都是可以用的。和頻率響應(yīng)一樣，有時(shí)將 )( ?jeF用直角坐標(biāo)表示為： )()()( 1 ??? jjRj ejFeFeF ?? () 面來(lái)證明“式 ()”和“式 ()”是互逆的，把“式 ()”帶入“式 ()”有 : ][?)][(21 nfdeemf njm mj ?? ?? ???? ? ?? ??? ? () 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 要證明的即為 ][][? nfnf ? 。 (2)信號(hào)的傅立葉表示 由上面的證明可知，用傅立葉變換的方法可把電壓、電流分解成基波和無(wú)數(shù)高次諧波之和的三 角級(jí)數(shù) : ?? ????????? )s i n ()2s i n ()s i n ()( 22110 nn tnAtAtAatf ?????? = )s in(10 nn n tnAa ?? ?? ??? = )s inc os(1 00 tnbtnaa nn ?? ?? ??? () 式中 : 0a — 直流分量 ； nA 和 n? — n 次諧波的幅值和初相角 ； na 和 nb — n 次諧波的余弦項(xiàng)系數(shù)和正弦項(xiàng)系數(shù)。對(duì)于連續(xù)時(shí)間函數(shù) )(tf ，由采樣所的離 散時(shí)間序列 ??Kf ，相應(yīng)的系數(shù)可由“式 (),“式 ()”和“式()類(lèi)比得到。 當(dāng)已知 N 個(gè)時(shí)域抽樣值時(shí)，如果直接按“式 ()”計(jì)算 N的頻率分量，需要進(jìn)行 N2次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和 N(N1)次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算。其中同步誤差對(duì)整個(gè)諧波分析的準(zhǔn)確度影響較大，當(dāng)對(duì)有 限帶寬的周期信號(hào)采樣后的截?cái)嚅L(zhǎng)度不是信號(hào)周期的整數(shù)倍時(shí)，就產(chǎn)生了同步誤差，即產(chǎn)生了所謂的泄漏效應(yīng)。頻率的軟件跟蹤大大地簡(jiǎn)化 了硬件電路，但是與硬件跟蹤相比，它的實(shí)時(shí)性比較差。 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） (1)數(shù)據(jù)采集 本次試驗(yàn)中所需處理的諧波最高次數(shù)為 31 次，以工頻 50Hz 為基礎(chǔ)，每周期須等間隔采樣 128 點(diǎn)，則采樣率最低為 128?50=。因此信號(hào)的“過(guò)零點(diǎn)”為。實(shí)際采樣值 nA 的算法如下 : 00 aA? )(1)(128 12811211mmnn aaQaAaaNaA??????????? （ ） 其中， 0a 為第一次正向過(guò)零點(diǎn)的第一個(gè)采樣值； na 為第二次正向過(guò)零點(diǎn)后的采樣值 :N為一周期中包含的整數(shù)點(diǎn)數(shù)； pnm ?? ， p 為 128 )128( nN ?? 的整數(shù)部分， Q 為 128 )128( nN ?? 的小數(shù)部分。由于 DFT的計(jì)算量很大，所以在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)其應(yīng)用受到了很大的限制。分為蝶形運(yùn)算和碼位倒序兩部分。 由于 A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)都是實(shí)數(shù)，而一般的 FFT程序中輸入數(shù)據(jù)都是些復(fù)數(shù)。奇地址是d [n]的實(shí)部，偶地址是 d [n]的虛部。位倒序?qū)ぶ反蟠蟮靥岣吡?FFT算法的執(zhí)行速度和在程序中使用存儲(chǔ)器的效率。因此要制 作好一個(gè)周期 N 點(diǎn)的正弦值和余弦值，接著用 Q15 格式將它們存儲(chǔ)在兩個(gè)分離的表中。從第 3級(jí)起開(kāi)始使用循環(huán)法，根據(jù) FFT 原位計(jì)算的特性，每次循環(huán)通過(guò)改變算子和旋轉(zhuǎn)因子的步長(zhǎng)，利用 DSP 匯編語(yǔ)言中簡(jiǎn)便的間接尋址指令規(guī)律找到算子和因子值，有效的實(shí)現(xiàn)蝶形運(yùn)算。 碼位倒序 圖 8點(diǎn)基 2FFT的 運(yùn)算 流圖 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 從圖中 可以看出 輸入序列的排列順序是置亂的，輸出序列是按自然順序排列的。 注意到，對(duì)于 8 點(diǎn) FFT，只需用三位二進(jìn)制代碼來(lái)標(biāo)注整個(gè)數(shù)據(jù)。 綜上所述 :FFT算法利用 W 方陣的對(duì)稱(chēng)性和 nF 的周期性特點(diǎn)，將長(zhǎng)序列的 DFT計(jì)算，分解為若干個(gè)短序列的 DFT 計(jì)算，然后巧妙的合并，得到整個(gè) DFT。作為一個(gè)電力諧波測(cè)量裝置，一般應(yīng)具有這樣幾種功能 :能夠在任何時(shí)刻對(duì)電力信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣 :能夠快速準(zhǔn)確的分析各種包括電壓、電流在內(nèi)的電力基本參量 :能夠比較直觀的顯示分析結(jié)果。 根據(jù)上面做出的分析，并結(jié)合中小企業(yè)電網(wǎng)諧波檢測(cè)的需要，從性能價(jià)格比和實(shí)用的角度出發(fā)，比較現(xiàn)有的諧波測(cè)量?jī)x表，本方案主要有數(shù)據(jù)處理單元 (DSP)和數(shù)據(jù)采集單元 (AD)組成。該板提供低功耗的、標(biāo)準(zhǔn)的、獨(dú)立的 C54系列開(kāi)發(fā)平臺(tái)，允許用戶為 C54 XX系列 DSP評(píng)估和開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序?？偟膩?lái)說(shuō)， DSP 芯片的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。 DNil 芯片的運(yùn)算速度可以用以下幾種性能指標(biāo)來(lái)衡量 : (1)指令周期 :即執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間，通常以 us(納秒 )為單位。如 TMS320LC54980的處理能力為 80MIPS，即每秒可執(zhí)行八千萬(wàn)條指令； (5) MOPS:即每秒執(zhí)行百萬(wàn)次操作。 2. DSP 芯片的價(jià)格 DSP 芯片的價(jià)格也是選擇 DSP 芯片所需考慮的一個(gè)重要因素。 3. DSP 芯片的硬件資源 不同的 DSP 芯片所提供的硬件資源是不同的，如片內(nèi) RAM, ROM 的數(shù)量，外部可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口， I/O接口等。浮點(diǎn)芯片的字長(zhǎng)一般為 32位，累加器為 40位。所以，在選擇 DSP芯片的同時(shí)必須注意其開(kāi)發(fā)工具的支持情況，包括軟件和硬件的開(kāi)發(fā)工具。 除了上述因素外，選擇 DSP 芯片還應(yīng)考慮到封裝的形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨情況、生命周期等。 在上述諸多因素中，一般而言，定點(diǎn) DSP芯片的價(jià)格較便宜，功耗較低，但運(yùn)算精度稍低。 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)。 （ 1） .按樣點(diǎn)處理 所謂按樣點(diǎn)處理就是 DSP 算法對(duì)每一個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次。如果采樣頻率為 8kHz，即樣點(diǎn)之間的間隔為 125 s? ,DSP 芯片的 MAC 周期為 200ns，則 76MAC 周期需要 s? 的時(shí)間，顯然無(wú)法實(shí)時(shí)處理，需要選用速度更高的 DSP 芯片。假設(shè) DSP 芯片的指令周期為p(ns)，一幀的時(shí)間為 ?? (ns)，則該 DNY 芯片在一幀內(nèi)所能提 供的最大運(yùn) p?? 條指令。 TMS320C54xx 具有以下硬件優(yōu)點(diǎn) (1)圍繞 1組程序總線、 3組數(shù)據(jù)總線和 4組地址總線建立的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，解決了馮 （ 4）高度專(zhuān)業(yè)化指令集，更適用于快速算法的實(shí)現(xiàn)和高級(jí)語(yǔ)言編程的優(yōu)化。 （ 8）最新的靜態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)使得芯片具有更低的功耗和更強(qiáng)的輻射能力。40bit 加法