【正文】 ......................................... 46 系統(tǒng)軟件的總體設計 ................................................................................. 47 系統(tǒng)軟件功能綜述 ............................................................................. 47 系統(tǒng)軟件設計主流程圖 ..................................................................... 48 系統(tǒng)自舉啟動的軟件實現(xiàn) ......................................................................... 49 Bootloader 的 16Bit EPROM 的并行引導模式 .................................. 49 DSP 的 Bootloader 設計 .................................................................... 51 數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設計 ......................................................................... 53 McBSP 的初始化 .................................................................................. 54 AD73360 的初始化 .............................................................................. 55 DSP 數(shù)據(jù)處理模塊的軟件設計 .................................................................. 56 數(shù)的定標 ............................................................................................ 57 FFT 算法在 DSP 上的實現(xiàn) .................................................................. 58 DSP 與 MCU 的 HPI 通信設計 ...................................................................... 61 低通 FIR 數(shù)字濾波器的設計 ..................................................................... 61 窗函數(shù)法 FIR 數(shù)字濾波器的設計原理 .............................................. 62 基于凱澤窗的低通 FIR 數(shù)字濾波器的設計 ...................................... 64 本章小結(jié) .................................................................................................... 68 結(jié)論 ....................................................................................................................... 69 參考文獻 ............................................................................................................... 71 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文 ............................................................................. 74 哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明 .......................................................... 75 哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文使用授權書 .......................................................... 75 致謝 ....................................................................................................................... 76 V 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 第 1章 緒論 本文研究的背景和意義 現(xiàn)代社會中，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應用程度是一個國家發(fā) 展水平的主要標志之一。硬件方面，本文詳細介紹了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等模塊的具體 電路實現(xiàn)，以及相關的系統(tǒng)電路擴展；軟 件方面，本文著重分析了諧波分析算 法，采用了一種針對實輸入序列的高效 FFT 算法，并對使用 FFT 算法帶來的頻 譜泄漏和柵欄效應進行了詳細分析，提出了基于窗函數(shù)的插值 FFT 算法，給出 了算法的 DSP 實現(xiàn)方法，并在 MATLAB 中進行仿真，驗證了算法的正確性。因此，如何提高和保證電能質(zhì)量己經(jīng)成為我國電力系統(tǒng)面臨 的重要問題，對電能質(zhì)量進行監(jiān)測與分析具有十分重要的意義。 本文首先論述了電力系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測的意義及研究發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了諧波的 危害和目前存在的諧波檢測方法，并在電能質(zhì)量和電能計量相關的國家標準的 基礎上，提出了電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，然后從硬件、軟件和算法三個 方面詳細介紹了電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的研制。 同時，對于頻譜分析的抗混疊處理，本文設計了基于窗函數(shù)的數(shù)字濾波器?，F(xiàn)代社會對電能的需求量日益增加，同時對電能質(zhì)量 的要求也越來越高。所有的這些 問題將會造成巨大的經(jīng)濟損失和生產(chǎn)事故，產(chǎn)生嚴重的安 全隱患。大量電力電子設備的使用是新技術的運用，同時也是電能質(zhì)量惡化的 制造者和受害者。 電力參數(shù)監(jiān)測裝置的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段 [1]： 第一代是指針式儀器，如模擬萬用表、電壓表、電流表等，這些儀器儀表 的基本結(jié)構是電磁式、電動式、感應式、靜電式、電熱式等。 第三代是智能儀器。這類儀器的硬件基 礎是采集技術和 輸入輸出技術，而軟件基礎在于數(shù)據(jù)的采樣和處理方法。 在國內(nèi)，目前電能質(zhì)量中的某些問題已成為電工領域的前沿性課題，吸引 了許多高等院校和科研機構的一大批科技人員投入其中進行研究。硬件方面有基于 DSP 芯片、基于單片機 、 基于雙 CPU 系統(tǒng)、基于 ARM 系統(tǒng)等；軟件方面充分利用了 LabView 技術、 CAN 總線、 LONWORKS 總線、 Web 技術等實現(xiàn)在線監(jiān)測；此外還有一些專門測量 電壓閃變等暫態(tài)量的測量裝置。 總體來看，國內(nèi)對電能質(zhì)量裝置的研究起步晚，隨著電力系統(tǒng)運行管理的 系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化、自動化和智能化，單一功能的電能質(zhì)量監(jiān)測儀已經(jīng)不適合現(xiàn) 3 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 代化電能管理的需求。本節(jié)著重介紹了目前電力諧波的測量理論，包括快速傅里葉變換、 瞬時無功功率理論、小波變換等，通過對其的比較，選擇快速傅里葉變換作為 本系統(tǒng)的諧波測量方法。 4 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 第 4 章介紹了系統(tǒng)硬件的設計方法。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的脫機運行， 設計了 DSP 的 Bootloader。 5 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 第 2章 電力參數(shù)的測量原理 電力系統(tǒng)基本電參量的測量主要包括：電流有效值、電壓有效值、有功功 率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率等。隨著微機技術的發(fā)展，交流 采樣以其優(yōu)異的性能價格比，有逐步取代直流采樣的趨勢。 非正弦模型算法主要有：有效值算法、傅里葉及改 進的傅里葉算法、最小 二 乘 算法 （ Least error square algorithm） 卡爾曼濾波算 法 （ Kalman filter、 algorithm） 、小波變換算法等。 電能質(zhì)量的五個主要指標為：電力系統(tǒng)諧波、電壓波動和閃變、電壓允許 偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差和三相電壓允許不平衡度。 基本電參量的測量原理及方法 電力系統(tǒng)的電壓、電流理想波形是標準的正弦波，正弦波供電能夠減少鐵 損并提高效率。常用的方法是對該波形的連續(xù)時間信號進 行等間隔采樣，并把采樣值轉(zhuǎn)化為 數(shù)字序列，借助相關算法進行諧波分析。但直流采樣法存在一些問題：測量精度直接受整流電路的精度 和穩(wěn)定性影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難且受波形因素影響較大； 此外，用直流 采樣法測量工頻電壓、電流是通過測量平均值來求出有效值的，當電路中諧波 含量不同時，平均值與有效值之間的關系將發(fā)生變化，給計算結(jié)果帶來誤差。目前，高速單片機、 DSP 及高 速 A/D 的大量涌現(xiàn)，為交流采樣技術提供了強有力的硬件支持 [4]。根據(jù)數(shù) 值積分中的矩形算法，有： 1 N ?1 2 U? ???????un ?T T n ?0 1 N ?1 2 I? ???????in ?T T n ?0 (23) T ，可得到交 流采 ?T 若相鄰兩次采樣時間間隔 ?T 都相等，則 ?T 為一常數(shù)： N ? 樣電壓電流有效值的計算公式： U? 1 N ?u n ?0 N ?1 2 ( n) I ? 1 N ?i n ?0 N ?1 2 (n) (24) 即為根據(jù)每周期內(nèi)采樣瞬時值及每周期采樣點數(shù)計算電壓電流有效值公式。但要求電壓和電流采樣值必須是 同時采樣，隱含了電壓和電流是每周期內(nèi)等間隔采樣，否則計算結(jié)果會存在很 大的誤差 [6][7]。 《電 能質(zhì)量 供電電壓允許偏差》中明確規(guī)定了各電壓等級下的電壓偏差允許值，如 表 21 所示。該方法是通過硬件 檢測輸入波形的過零點，控制計數(shù)器計數(shù)的方式來實現(xiàn)。只要保證采樣速率足夠高，即可使測量和算法具有很高的精度和 效率。用均方差 σ 來表示 f 與 fN 數(shù)學期望值的離散程度，即： 1n σ? ?????????( fi ??f N ) 2 n ??1 i ?1 通過 σ 的統(tǒng)計分析來評價系統(tǒng)的頻率偏差情況。 ” 電網(wǎng)中諧波產(chǎn)生的原因主要有如下幾點： 電網(wǎng)本身存在著周期性的非正 (1) 弦獨立電源； (2) 工頻電壓或電流直接作用在非線性負載，產(chǎn)生倍頻諧波分量； (3) 電力系統(tǒng)時變負載的作用產(chǎn)生奇數(shù)次、偶數(shù)次、非整數(shù)次諧波，甚至使得工 頻基波消失。大容量換流器為額定容量為兆瓦，其產(chǎn)生的諧波主要為 5 次以上的奇 次諧波；中等容量換流器的額定容量為幾十瓦到幾百千瓦，其諧波主要是 5 次 諧波；裝在家用電器上的小容量換流器，也是產(chǎn)生奇次諧波，且峰值與基波幾 乎重合，各諧波是加強的，最大的諧波電流是 3 次諧波，在中線上是疊加的。 現(xiàn)存諧波測量方法的比較 電力系統(tǒng)諧波測量技術經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的過程?，F(xiàn) 在，人們已經(jīng)提出了很多的改善方法： (1) 使用加窗插值算法對 FFT 結(jié)果進行 修正，給出了不同窗函數(shù)（如矩形窗、海寧窗、布萊克曼窗、布萊克曼 哈里斯 窗等）的插值算法，實際測量中選用矩形窗和海寧窗就能夠有效地提高測量精 度，減少泄漏，抑制諧波之間或噪聲的干擾，較為準確的測量諧波電流和諧波 電壓的幅值和相位。同步采樣有兩種實現(xiàn)方式： 軟件同步和硬件同步。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ ANN）已應用于許多重要的領域，但應用于電力系統(tǒng)諧波 領域尚屬起步階段，將神經(jīng)網(wǎng)絡理論應用于諧波測量的主要目的是解決諧波測 量的精度和實時性問題，希望在精度和實時性方面能相對其他方法得到提高 [11]。小波變換應 用在諧波測量方面尚處于初級階段 [12][13]。 本章小結(jié) 本章圍繞基本電力參數(shù)和電能質(zhì)量各項指標的數(shù)字化實現(xiàn)進行了具體的理 論分析，給出了基本電力參數(shù)包括電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功 率和功率因數(shù)的測量原理和方法，同時根據(jù)電能質(zhì)量國家標準的有關規(guī)定，給 12 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 出了電壓偏差和頻率偏差的 的定義和測量方法。離散傅里葉變換 簡稱 DFT(Discrete Fourier Transform)，是對離散信號進行傅里葉變換的方法 [14]。直到 20 世紀 60 年代由 Cooley 和 Tukey 提出了 DFT 運算的一種快 速算法以后，情況才發(fā)生了 根本的變換。復數(shù)運算實際上是由實數(shù)運算來 完成的，這時 DFT 運算式可以寫成： X (k ) ????x (n)W n ?0 N ?1 n ?0 N ?1 nk N