【正文】 ......................................... 46 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì) ................................................................................. 47 系統(tǒng)軟件功能綜述 ............................................................................. 47 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主流程圖 ..................................................................... 48 系統(tǒng)自舉啟動(dòng)的軟件實(shí)現(xiàn) ......................................................................... 49 Bootloader 的 16Bit EPROM 的并行引導(dǎo)模式 .................................. 49 DSP 的 Bootloader 設(shè)計(jì) .................................................................... 51 數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計(jì) ......................................................................... 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(shè)計(jì) .................................................................. 56 數(shù)的定標(biāo) ............................................................................................ 57 FFT 算法在 DSP 上的實(shí)現(xiàn) .................................................................. 58 DSP 與 MCU 的 HPI 通信設(shè)計(jì) ...................................................................... 61 低通 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) ..................................................................... 61 窗函數(shù)法 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理 .............................................. 62 基于凱澤窗的低通 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) ...................................... 64 本章小結(jié) .................................................................................................... 68 結(jié)論 ....................................................................................................................... 69 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................... 71 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 ............................................................................. 74 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 .......................................................... 75 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書 .......................................................... 75 致謝 ....................................................................................................................... 76 V 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第 1章 緒論 本文研究的背景和意義 現(xiàn)代社會(huì)中，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度是一個(gè)國家發(fā) 展水平的主要標(biāo)志之一。硬件方面，本文詳細(xì)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(shí)現(xiàn)，以及相關(guān)的系統(tǒng)電路擴(kuò)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(duì)實(shí)輸入序列的高效 FFT 算法，并對(duì)使用 FFT 算法帶來的頻 譜泄漏和柵欄效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)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(shí)現(xiàn)方法，并在 MATLAB 中進(jìn)行仿真，驗(yàn)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(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)方法，并在電能質(zhì)量和電能計(jì)量相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)的 基礎(chǔ)上，提出了電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，然后從硬件、軟件和算法三個(gè) 方面詳細(xì)介紹了電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制。 同時(shí)，對(duì)于頻譜分析的抗混疊處理，本文設(shè)計(jì)了基于窗函數(shù)的數(shù)字濾波器。現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電能的需求量日益增加，同時(shí)對(duì)電能質(zhì)量 的要求也越來越高。所有的這些 問題將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生產(chǎn)事故，產(chǎn)生嚴(yán)重的安 全隱患。大量電力電子設(shè)備的使用是新技術(shù)的運(yùn)用，同時(shí)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(cè)裝置的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)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(gòu)是電磁式、電動(dòng)式、感應(yīng)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(chǔ)是采集技術(shù)和 輸入輸出技術(shù)，而軟件基礎(chǔ)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(lǐng)域的前沿性課題，吸引 了許多高等院校和科研機(jī)構(gòu)的一大批科技人員投入其中進(jìn)行研究。硬件方面有基于 DSP 芯片、基于單片機(jī) 、 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(shù)、 CAN 總線、 LONWORKS 總線、 Web 技術(shù)等實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)；此外還有一些專門測(cè)量 電壓閃變等暫態(tài)量的測(cè)量裝置。 總體來看，國內(nèi)對(duì)電能質(zhì)量裝置的研究起步晚，隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行管理的 系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化和智能化，單一功能的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀已經(jīng)不適合現(xiàn) 3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(cè)量理論，包括快速傅里葉變換、 瞬時(shí)無功功率理論、小波變換等，通過對(duì)其的比較，選擇快速傅里葉變換作為 本系統(tǒng)的諧波測(cè)量方法。 4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第 4 章介紹了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方法。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的脫機(jī)運(yùn)行， 設(shè)計(jì)了 DSP 的 Bootloader。 5 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2章 電力參數(shù)的測(cè)量原理 電力系統(tǒng)基本電參量的測(cè)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(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流 采樣以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，有逐步取代直流采樣的趨勢(shì)。 非正弦模型算法主要有：有效值算法、傅里葉及改 進(jìn)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(gè)主要指標(biāo)為：電力系統(tǒng)諧波、電壓波動(dòng)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(cè)量原理及方法 電力系統(tǒng)的電壓、電流理想波形是標(biāo)準(zhǔn)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(duì)該波形的連續(xù)時(shí)間信號(hào)進(jìn) 行等間隔采樣，并把采樣值轉(zhuǎn)化為 數(shù)字序列，借助相關(guān)算法進(jìn)行諧波分析。但直流采樣法存在一些問題：測(cè)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(cè)量工頻電壓、電流是通過測(cè)量平均值來求出有效值的，當(dāng)電路中諧波 含量不同時(shí)，平均值與有效值之間的關(guān)系將發(fā)生變化，給計(jì)算結(jié)果帶來誤差。目前，高速單片機(jī)、 DSP 及高 速 A/D 的大量涌現(xiàn)，為交流采樣技術(shù)提供了強(qiáng)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(shí)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(jì)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(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)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(shí)采樣，隱含了電壓和電流是每周期內(nèi)等間隔采樣，否則計(jì)算結(jié)果會(huì)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(jí)下的電壓偏差允許值，如 表 21 所示。該方法是通過硬件 檢測(cè)輸入波形的過零點(diǎn)，控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)。只要保證采樣速率足夠高，即可使測(cè)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(xué)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(jì)分析來評(píng)價(jià)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(diǎn)： 電網(wǎng)本身存在著周期性的非正 (1) 弦獨(dú)立電源； (2) 工頻電壓或電流直接作用在非線性負(fù)載，產(chǎn)生倍頻諧波分量； (3) 電力系統(tǒng)時(shí)變負(fù)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(qiáng)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(cè)量方法的比較 電力系統(tǒng)諧波測(cè)量技術(shù)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(duì) FFT 結(jié)果進(jìn)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(shí)際測(cè)量中選用矩形窗和海寧窗就能夠有效地提高測(cè)量精 度，減少泄漏，抑制諧波之間或噪聲的干擾，較為準(zhǔn)確的測(cè)量諧波電流和諧波 電壓的幅值和相位。同步采樣有兩種實(shí)現(xiàn)方式： 軟件同步和硬件同步。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ ANN）已應(yīng)用于許多重要的領(lǐng)域，但應(yīng)用于電力系統(tǒng)諧波 領(lǐng)域尚屬起步階段，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于諧波測(cè)量的主要目的是解決諧波測(cè) 量的精度和實(shí)時(shí)性問題，希望在精度和實(shí)時(shí)性方面能相對(duì)其他方法得到提高 [11]。小波變換應(yīng) 用在諧波測(cè)量方面尚處于初級(jí)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(xiàng)指標(biāo)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(cè)量原理和方法，同時(shí)根據(jù)電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，給 12 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 出了電壓偏差和頻率偏差的 的定義和測(cè)量方法。離散傅里葉變換 簡(jiǎn)稱 DFT(Discrete Fourier Transform)，是對(duì)離散信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換的方法 [14]。直到 20 世紀(jì) 60 年代由 Cooley 和 Tukey 提出了 DFT 運(yùn)算的一種快 速算法以后，情況才發(fā)生了 根本的變換。復(fù)數(shù)運(yùn)算實(shí)際上是由實(shí)數(shù)運(yùn)算來 完成的，這時(shí) DFT 運(yùn)算式可以寫成： X (k ) ????x (n)W n ?0 N ?1 n ?0 N ?1 nk N