【正文】 同類裝 置的基礎(chǔ)上，研制和開發(fā)一種實(shí)用、完全脫 離仿真器、低成本的便攜式電力參 數(shù)監(jiān)測(cè)儀表，從測(cè)量裝置的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、算法分析等角度進(jìn)行研究， 重點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)有的 FFT 諧波分析算法進(jìn)行研究和仿真，通過比較選擇了合適的窗 函數(shù)和插值算法進(jìn)行誤差修正，有效的抑制頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)。國內(nèi)廣泛采用統(tǒng)計(jì)型電壓表 監(jiān)測(cè)電壓質(zhì)量水平，這些電壓監(jiān)測(cè)儀只能監(jiān)測(cè)電壓合格率，需要人工抄表，缺 乏統(tǒng)計(jì)分析功能，而諧波和電壓波動(dòng)、閃變的測(cè)量則用便攜式測(cè)量儀器，分別 對(duì)變電站的各級(jí)母線電壓、主變壓器各側(cè)的諧波電流、電容器組的諧波電流進(jìn) 行測(cè)量，對(duì)大中型非線性負(fù)荷用 戶和電廠以及低壓配電網(wǎng)電流進(jìn)行測(cè)量，然后 根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平進(jìn)行評(píng)估。其中電能質(zhì)量評(píng)價(jià)體 系的建立主要涉及電 能質(zhì)量的定義、綜合評(píng)價(jià)體系及其咋電力市場(chǎng)、智能建筑中的應(yīng)用等方面； 20xx 年 4 月，經(jīng)國家發(fā)改委批準(zhǔn)組建的電力行業(yè)電能質(zhì)量計(jì)柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委 員會(huì)，正進(jìn)一步完善國家的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系；算法分析是電能質(zhì)量研究的重 要內(nèi)容，目前相關(guān)的算法研究主要致力于利用 FFT 算法、小波分析、窗函數(shù)等 工具，進(jìn)行信號(hào)去噪、信號(hào)提取以及諧波分析等方面的處理。 1996 年， IEEE 決定將每兩年召開一次的電力諧波國際學(xué)術(shù)會(huì)議（ ICHPS）更名為電 力諧 波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會(huì)議（ ICHAP），討論的主題包括利用先進(jìn)的電能計(jì)量的分析 方法開發(fā)新型實(shí)用的電能計(jì)量裝置，把電能質(zhì)量提高到一個(gè)新的認(rèn)識(shí)高度。這類儀器內(nèi)部含有微處理器，通過微處理器來 控制數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這類儀器同指針式儀器相比， 精度有了很大提高，能直觀讀取測(cè)量結(jié)果，而且可靠性高，易于使用。供電質(zhì)量問題不僅對(duì)大型企業(yè)的正常運(yùn)作影響較大，同時(shí)對(duì)重大活動(dòng)的 安全供電影響較大。只有充分的了解 1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，及時(shí)地監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中的各個(gè)指標(biāo)，對(duì)其分析、統(tǒng)計(jì)后，才能找 到問題的根源，分析其嚴(yán)重程度，從而得出處理的方法，進(jìn)一步解決這些問題。 一直以來，供電線路的電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等參 數(shù)的檢測(cè)是掌握供電線路和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)，有些參數(shù)還是保證功率補(bǔ)償 有效性和合理性的決策依據(jù)。 本系統(tǒng)具有很高的測(cè)量速度和測(cè)量精度，人機(jī)界 面友好，易于操作，功能 齊全，具有可擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)的硬件和軟件升級(jí)，具有很好的研究價(jià)值和實(shí) 用價(jià)值。采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)分為信號(hào)采 集模塊、信號(hào)處理模塊、人機(jī)接口模塊等多個(gè)功能模塊，各模塊之間通過信息 交換協(xié)調(diào)工作。碩士學(xué)位論文 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 DESIGN AND RESEARCH OF THE ELECTRIC POWER QUALITY MONITORING SYSTEM 李林 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 20xx 年 6 月 國內(nèi)圖書分類號(hào)： TM932 國際圖書分類號(hào)： 學(xué)校代碼： 10213 密級(jí)：公開 工學(xué)碩士學(xué)位論文 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 碩 士 研究生：李林 導(dǎo)師：曲延濱教授 申 請(qǐng) 學(xué) 位 ： 工學(xué) 碩士 學(xué) 科 專 業(yè) ： 電氣工程 所 在 單 位：信息科學(xué)與工程學(xué)院 答 辯 日 期： 20xx 年 6 月 授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué) Classified Index: TM932 : Dissertation for the Master Degree in Engineering DESIGN AND RESEARCH OF THE ELECTRIC POWER QUALITY MONITORING SYSTEM Candidate: Supervisor: Academic Degree Applied for: Specialty: Affiliation： Date of Defense: DegreeConferringInstitution: Li Lin Prof. Qu Yanbin Master of Engineering Electrical Engineering School of Information Science and Engineering June, 20xx Harbin Institute of Technology 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 隨著國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代電力電子變流裝置和非線性設(shè) 備被大量使用，電能質(zhì)量問題已經(jīng)引起電力部門和許多重要商業(yè)用戶的密切關(guān) 注，一方面是電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降，另一方面卻是用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的提高， 其矛盾日益尖銳。 根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要，本文采用 DSP+MCU 構(gòu)架，充分發(fā)揮 DSP 芯片的數(shù) 字處理能力和 MCU 的控制功能。對(duì) 于 DSP 自舉引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)、 DSP 與 A/D 以及 MCU 的接口編程以及數(shù)據(jù)的采 集，本文也詳細(xì)的介紹了其實(shí)現(xiàn)過程。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一方面為電力系統(tǒng)的發(fā) 展和進(jìn)步提供了空間和新的技術(shù)手段，另一方面也給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來許多 負(fù)面影響，由此也給電力工作者和研究者帶來許多新的研究課題：電力系統(tǒng)中 各重要節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、用電量等都對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作 用，所以要對(duì)電網(wǎng)的各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)的數(shù) 據(jù)分析電網(wǎng) 的運(yùn)行質(zhì)量，預(yù)防因供電質(zhì)量引起的用電設(shè)備故障。 基于以上各種因素，為了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，電力終端用戶的安全用電， 以及達(dá)到電力設(shè)備的要求，更為了降低損耗，提高用電效率，研究能夠在用戶 設(shè)定的工作方式下（包括單項(xiàng)、三相三線和三相四線），對(duì)電網(wǎng)各項(xiàng)參量進(jìn)行檢 測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量和結(jié)果顯示的電力系統(tǒng)綜合測(cè)量裝置， 進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)測(cè)和電能治理成為近年來電力行業(yè)研究的新熱點(diǎn)。近四十年來全球范圍內(nèi)因電能質(zhì)量而引起的重大電力事故已 達(dá)二十多起，每年電能質(zhì)量擾動(dòng)和電力環(huán)境污染引起的國民經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)兩千 億元。由于這類儀表本 身的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電磁結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，一般精度較低，穩(wěn)定性差，應(yīng) 用場(chǎng)合有一定局限性，但由于其原理簡單、堅(jiān)固耐用、成本低廉，目前還在被 廣泛使用； 第二代是數(shù)字式測(cè)量儀器，這類儀表的基本原理是將被測(cè)量的模擬信號(hào)通 過電子線路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，進(jìn) 行計(jì)算并顯示出來。某些參考資料認(rèn)為：所謂智能，意味著儀器中含有一 定的人工智能，即是利用電子線路代替人的一部分腦力勞動(dòng)，然而至今智能儀 器中所具備的人工智能并不多。 國外對(duì)電能質(zhì)量研究起步較早，目前有關(guān)電能質(zhì)量控制的研究正掀起高潮， 從所使用的理論到電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立，從全國性的電能質(zhì)量普查、 監(jiān)測(cè)到用戶終端電氣環(huán)境的定義，各種電能質(zhì)量問題分析方法的提出，以及 “ 用 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 戶電力技術(shù) ” 等電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究和裝置的開發(fā)正深入進(jìn)行。理論研究方 面，正致力于電能質(zhì)量的界定方法和評(píng)估體系的建立、國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的完 善和電能質(zhì)量分析相關(guān)算法的研究。 國內(nèi)致力于電能質(zhì)量產(chǎn)品研究的企業(yè)也很多。綜觀國內(nèi)目前采用的各種電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備和手段，主 要存在以下 一些不足： 由于采用各種計(jì)算機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析工具，導(dǎo)致設(shè)備成本提高； 設(shè)備配置的靈活性、通用性差，往往只能用于特定的操作環(huán)境； 遠(yuǎn)程通信能力有限，不易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享和長期評(píng)估與預(yù)測(cè)； 對(duì)干擾的分析和故障的辨識(shí)能力有限，不具備智能分析功能，不能提供 給用戶可直接用于決策的信息； 實(shí)時(shí)性差，時(shí)域分析手段落后，不具備對(duì)瞬時(shí)擾動(dòng)和暫態(tài)諧波的跟蹤和 捕獲。 第 3 章作為本文的主要研究內(nèi)容，介紹了基于傅里葉變換的諧波分析算法。系統(tǒng)構(gòu)建了 DSP+MCU 的硬件結(jié)構(gòu)， 采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)分為信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、人機(jī)接口 模塊的等多個(gè)功能模塊，詳細(xì)介紹了個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方法和電路原理圖。介紹了數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊的程序設(shè)計(jì)方 法和流程圖。根據(jù)被采集信號(hào)的不同，數(shù)據(jù) 采集可分為直流采樣和交流采樣兩大類。交流采樣的應(yīng)用范 圍非常廣泛，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，其算法也有很多 ，按其模型函數(shù)的不同， 大致可分為正弦模型算法、非正弦模型算法。其中，有效值算法的計(jì)算精度與采樣點(diǎn)數(shù) N 和采 樣的同步度有關(guān)，在系統(tǒng)允許的情況下，可以增加采樣點(diǎn)數(shù)來提高運(yùn)算精度。電能質(zhì)量雖然只有五 個(gè)指標(biāo)，但是 需要計(jì)算的量卻很多。然而正弦波形只是一種理想狀態(tài)，實(shí)際上是不可 能完全實(shí)現(xiàn)的。 電力參數(shù)基本量主要包括：三相電流有效值、三相電壓有效值、有功功率、 無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率等。 因此，要獲得高精度、高穩(wěn)定性的測(cè)量結(jié)果，必須采用交流采樣技術(shù)。 三相交流電壓電流有效值的測(cè)量 對(duì)于周期為 T 的工頻信號(hào)來說，不論其波形是否為正弦，通過對(duì)電壓電流 在一周期內(nèi)均勻采樣 N 點(diǎn)，得到離散采樣序列 i(n)、 u(n)。 功率的測(cè)量 功率的測(cè)量包括有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)等 [5]。 三相總的有功功率為各單項(xiàng)有功功率之和： 1 P? ???N ??(u n??0 N ?1 An An i ??u BniBn ??uCn iCn ) (27) 視在功率為各單項(xiàng)視在功率之和： S ??U A I A ??U B I B ??U C IC 式中 U 和 I 是式 (24)計(jì)算好的各相電壓和電流的有效值。 表 21 各電壓等級(jí)下的電壓偏差允許值 電壓等級(jí) 35kV 及 以上 10kV 及以下 220V（單相供電） 上限值允許偏差 +10% +7% +7% 9 下限值允許偏差 10% 7% 10% 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 電壓偏差公式為： 電壓偏差（ %） ? 實(shí)測(cè)電壓 ??額定電壓 ??100 %）（ 額定電壓 (211) 式中實(shí)測(cè)電壓為實(shí)際測(cè)量電壓，額定電壓為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓 220V 或 380V。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是編 程方便，其主要缺點(diǎn)是需要較大的硬件開銷，并且當(dāng)輸入信號(hào)中含有諧波較多 時(shí)，測(cè)量誤差較大。兩種方法都有一定的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際情況選擇使用。 (212) 諧波測(cè)量理論綜述 電力系統(tǒng)中，通常是以正弦波方式供電，這不但給電力系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)帶 來方便，而且使系統(tǒng)及用電設(shè)備運(yùn)作在最佳狀態(tài)。 由諧波產(chǎn)生原因可知，對(duì)于非線性設(shè)備而言，即使供給理想的正弦電壓， 取用的電流也是非正弦的，即有諧波電流存在。 電力系統(tǒng)本身的諧波源主要是發(fā)電機(jī)和變壓器。早期的模擬帶通或帶 阻濾波器的諧波測(cè)量方法，精度已經(jīng)不能滿足測(cè)量要求，隨著數(shù)字信號(hào)、小波 變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論的發(fā)展應(yīng)用，新的諧波測(cè)量理論和算法得到了充分發(fā)展。 采樣法測(cè)量是當(dāng)今微機(jī)保護(hù)、諧波分析等應(yīng)用中獲取數(shù) (2) 11 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 據(jù)的最常用方法。 瞬時(shí)無功功率理論。 小波變換作為一種新的數(shù)學(xué)理論，不僅是數(shù)學(xué)史上的重要成果，也對(duì)工程 應(yīng)用產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 然而小波變換由于其能量不夠集中、分頻不嚴(yán)格，存在著頻譜混疊，給頻 域的分析造成誤差。 各項(xiàng)電力參數(shù)和電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算都是在數(shù)字化采樣的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的， 將在以下各章節(jié)中詳細(xì)闡述。 由于有限長序列在其頻域也可離散化為有限長序列，因此離散傅里葉變換 (DFT)在數(shù)字信號(hào)處理中是非常有用的。人們開始認(rèn)識(shí)到 DFT 運(yùn)算的一些內(nèi)在 規(guī)律，從而很快的發(fā)展和完善了一套高速有效的運(yùn)算方法，這就是現(xiàn)在人們普 遍稱之為快速傅里葉變換 (FFT)的算法。 因 而 每 運(yùn) 算 一 個(gè) X(k) 需 4N 次 實(shí) 數(shù) 乘 法 和 2N+2(N1)=2(2N1)次實(shí)數(shù)加法。快速傅里葉變換算法正是基于這樣的基本思想而發(fā)展 起來的。 由此我們可以看到，一個(gè) N 點(diǎn)的 DFT 已分解為兩個(gè) N/2 點(diǎn)的 DFT。式 (37)的運(yùn)算可以用下圖的蝶 形信號(hào)流圖 (又稱蝶形運(yùn)算單元 )來表示?？梢钥闯?，某 一列的任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn) k 和 j 的節(jié)點(diǎn)變量進(jìn)行蝶形運(yùn)算后，得到結(jié)果為下一列 k 和 j 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)變量，和其他節(jié)點(diǎn)變量無關(guān)，因而可采用原位運(yùn)算，也就 是蝶形的兩個(gè)輸出值仍放回蝶形的兩個(gè)輸入所在的存儲(chǔ)器中。用 這種算法，可以由當(dāng)前任一倒序值求得下一個(gè)倒序值。這樣就得到輸入所需的倒位序列。 由此可得出， W 因子最后一列有 N/2 種，順序?yàn)? W ， W ， ? ， WN r N 0 N 1 N ( N?1) 2 ， 其余可類推。我 們可以利用 FFT 的性質(zhì)將 2N 個(gè)點(diǎn)的實(shí)輸入序列組合成一個(gè) N 點(diǎn)的復(fù)序列，然 后再對(duì)復(fù)序列進(jìn)行 N 點(diǎn)的 FFT 運(yùn)算，最后再由 N 點(diǎn)的復(fù)數(shù)輸出拆成 2N 點(diǎn)的復(fù) 數(shù)序列， 2N 點(diǎn)的復(fù)數(shù)序列與原始 2N 點(diǎn)的實(shí)數(shù)序列的 DFT 輸出一致。把 a(n)的奇偶序列值恰當(dāng)?shù)卮嫒? N 點(diǎn)復(fù)序列 x(n)，即 x(0)=a(0)+ja(1) x(1)=a(2)+ja(3) x(2)=a(4)+ja(5)