【正文】 e system,together with the structure and function of the main ponents have been discussed in design of hardware circuit has been pleted and the debugging result of the data processing platform has been given. The system takes TMS320VC33 as a core processor, with the Complex Programmable Logic DeviceCPLD implementing the logic control of the peripherals of the DSP. And analog modules have been designed in this the DSP software programme, the thesis acplished the muftichannel data acquisition algorithm on the DSP TMS320VC33. 【 Key words】 : Power system parameters， DSP， Data acquisition 前言 目前，隨著技術進步，電力系統(tǒng) 新投運的 220kV及以下 變電站試運行 24時正常后即按無人值班模式運行。 而眾所周知，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，電力對社會和個人有著密切的關系和重要的意義，因為電流、電壓過低過高，及設備壽命，嚴重的還會危及人身安全；均能影響各種電器設備的正常使用功效并且，對電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和頻率等電力參數(shù)的準確、快速地檢測、監(jiān)控可以及時掌握供電線路和設備運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中的故障或隱患，進而采取合理和有效的措施，保證電力系統(tǒng)及設備運行良好。 1 緒論 課題來源 來源于生產(chǎn) /社會實踐 國內外發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢以及面臨的挑戰(zhàn) 在電力工業(yè)發(fā)展初期曾用電解化學原理進行參數(shù)測量， 1890年，發(fā)明了感應式電磁原理電能表，沿用至今。 隨著電子技術和微機技術的飛速發(fā)展，微機廣泛地應用于電力系統(tǒng)測量中，使得電力系統(tǒng)的測量、監(jiān)控技術得到了快速發(fā)展，精度和實時性有了很大的提高。如杭州遠方儀器有限公司的 PF9800系列測量儀器，蘭州勝利儀器公司的智能型電力參數(shù)采集測控儀表系列，青島青智儀器公司的電參量測試儀表 等。 隨著各種性能要求的提高，測量儀器將在使用微機技術的基礎上，融合計算機控制、網(wǎng)絡技術 、總線技術和虛擬儀器相關技術，將測量、控制、分析集成于一體；這種裝置體積小，測量精度較高，具有較強的網(wǎng)絡化和自動化功能，可以測量電壓、電流、功率因數(shù)、頻率、無功功率、視在功率、諧波及其他電力參數(shù)值的測量，而且可以進行多條記錄存儲、可與計算機進行數(shù)據(jù)交換、可進行遠程實時測量等。 虛擬化。 同時用微機取代傳統(tǒng)的變送器充分發(fā)揮微機功能強大、靈活可靠、使用方便等優(yōu)點。在實現(xiàn)自動化的過程中，首要環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集。其采樣速率為 12kHz,完全能達到 IEC61850采樣速率的要求。 電力參數(shù)測量和諧波分析涉及到大量的數(shù)據(jù)計算，加上系統(tǒng)其它的任務，采用單 片 CPU甚至雙 CPU的裝置顯得力不從心，將 DSP芯片應用于電力系統(tǒng)設備，有著傳統(tǒng)的單片機所不可比擬的優(yōu)勢。 基于 DSP技術，采用了新一代的浮點處理器 TMS320VC33為處理核心，圍繞TMS320VC33我們設計了電力參數(shù)測量系統(tǒng)，并對此系統(tǒng)進行了相應的硬件設計和軟件設計，包括了數(shù)據(jù)處理單元、 A／ D轉換單元、通訊單元、存儲單元等，并應用面向對象語言設計了下位機平臺。 其中二階濾波器的作用主要是補償 CT、 PT的相移，同時濾除 16次以上的諧波，以滿足交流采樣算法之要求。整流電路參數(shù)調整困難且受波形因素影響較大 。該方法的理論基礎是采樣定理，即要求采樣頻率為被測信號頻譜中最高頻率的 2倍以上，這就要求硬件處理電路能提供高的采樣速度和數(shù)據(jù)處理速度。 t? ，即 :采樣頻率為被測信號頻率的 N倍。利用鎖相頻率跟蹤原理實現(xiàn)同步等間隔采樣的電路如圖 。 此外，還可將分頻系數(shù) N設計為程控可調，則可根據(jù) 不同頻率的被測信號及DSP,A/D轉換器的速度，動態(tài)改變 N值，以達到最好的效果。 n＝ 1 則基頻分量的實部和虛部分別為： X1R ＝ ??Nk NkkxN 1 )2c o s ()(2 ?和 X1I ＝－ ??Nk NkkxN 1 )2s in ()(2 ? 幅值為 X1 = 2121 IR XX ? 相角為 1? ＝ arctg(11RIXX ) 當 n＝ k時由 XRn ＝ ??Nk NnkkxN 1 )2c o s ()(2 ? XIn ＝－ ??Nk NnkkxN 1 )2s in ()(2 ? Xn ＝ 22 InRn XX ? n? ＝ arctg(RnInXX ) 將 k 代入算式就可以求出各次諧波的實部、虛部、幅值、相角等值。因為 TNT? 則： 211 NmmU N u?? ? (26) 這就是根據(jù)一個周期內采樣瞬時值及每周期采樣點數(shù)計算電壓信號有效值的公 式。 視在功率為 :S=UI (210) 無功功率為： 22Q S P?? (211) 對于三相功率 : = A B CP P P P??總 (212) A B CQ Q Q Q? ? ?總 (213) 功率因數(shù)的測量 由于前面已經(jīng)測出了電壓、電流的有效值，以及平均功率，故功率因數(shù)可表示為： cos PUI? ? (214) 當信號為電壓時，電壓的總有效值為 U= ????? 222120 UUU ／ 2 當信號為電流時，電流的總有效值為 I= ????? 222120 III ／ 2 有功功率 P為 P＝ U0 I0 +U1 I1 COS 1? +﹒﹒﹒ + Uk Ik COS k? +﹒﹒﹒ 式中 Uk = 2kmU， Ik ＝2kmI， k? ＝ kiku ?? ? ， k＝ 1， 2﹒﹒ ﹒ Ukm 、 Ikm 為最大幅值。 ，通過 RS－ 232接口可以連接 PC機，從而給調試帶來了很多方 便。電力系統(tǒng)頻率測量概念的引申和擴展，關鍵在于信號對象 x(t)的選取及其觀測模型的確立。 (215) 定義 錯誤 !未找到引用源。 (218) (3) 進一步考慮衰減直流分量影響，在觀測模型下： 錯誤 !未找到引用源。從操作對象來看，主要是數(shù)字信號處理問題：從測量目標來看，是灰箱辨識問題：從實現(xiàn)測量所借助的工具來看，是數(shù)值算法 (軟件 )和借以實現(xiàn)的各種模擬、數(shù)字裝置(硬件 )的設計問題。即達到減少誤差、精 確測量的目的，這取決于觀測模型與真實信號的符合程度、數(shù)值算法及硬件實現(xiàn)等多方面因素，一般以對抗噪聲、諧波、衰減直流等非特征信號分量的能力來衡量。在電力系統(tǒng)的正常、異常運行乃至故障條件下，均能可靠響應。該方法物理概念清晰、易于實現(xiàn)，但精度低，受諧波、噪聲和非周期分量的影響，實時性不好，因此，實際的測量裝置很少單一地應用原始的周期算法。該方法可以應用于速度和精度要求都不高且信號的非特征分量可以忽略的場合。 諧波 2． 3． 1 諧波的定義 在電力系統(tǒng)中，人們總希望電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓、電流是理想的薩弦波，正弦電 壓可以表示為： ( ) 2 s i n ( )nx t U t? ??? 式中 U電壓有效值； ? 初相角； ? 角頻率， 2 2 /fT? ? ???； f頻率； T周期。頻率為基波頻率的分數(shù)倍，稱為分數(shù)諧波。在電力系統(tǒng)中由于電源電壓非正弦或由于電網(wǎng)器件非線性而產(chǎn)生的非正弦電流和電壓，一般具有周期特性 (或近似認為是服從周期規(guī)律 )。離散傅立葉變換 (DFT)是連續(xù)傅立葉變換在離散系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式。眾所周知，實現(xiàn)一次復數(shù)乘需要四次實數(shù)乘和兩次實數(shù)加，實現(xiàn)一次復數(shù)加需要兩次實數(shù)加。其實 DFT中存在大量的重復運算， knNW? (旋轉因子 ) 有如下的周期性和對稱性： 0 / 2/21 , 1 。仍以 N=1024為例，計算降為 5120次復數(shù)乘法，僅為原來的0． 488％。 本章重點討論 DFT的基 2算法： 基 2FFT算法又分為兩種： l、按時間抽取的基 2算法 (DecimationinTime DIT)：將時間序列 x(n)按時間下標 n的奇、偶分成兩組來分解 DFT，層層下分直到兩點的 DFT為止。 假定 N是 2的整數(shù)次 方，令 2MN? ， M：正整數(shù)，將序列 x(n)分解為兩組，一組為偶數(shù)項，一組為奇數(shù)項， (2 ) ( )lX r rX? 2(2 1) ( )X r rX?? r=0,1?? N/21 (224) 將 DFT運算也相應分為兩組 : 10( ) [ ( ) ] N nkNnX k D F T X n w???? ? 2201()()NNnk nkNNnnxnx n w w????????偶 數(shù) 奇 數(shù) / 2 1 / 2 1 ( 2 1 )200( 2 ) ( 2 1 )NN rkrkN Nrrxr x r ww?? ????? ??? / 2 1 / 2 122200( 2 ) ( 2 )NN r k r kl N Nrrrrx w x w???????? (225) 因為 222 2 / 2 /2n j n j n nNNNNw e e w????? ? ? 故 / 2 1 / 2 1/ 2 2 / 200( ) ( ) ( )NN r k k r kl N N NrrX k r rx w w x w???????? 2( ) ( )kl NkkwXX?? （ 226） 其中 ()l kX 和 2()kX 分別是 ()lrx 和 2()rx 的 N/2點 DFT。 (1) (2) (2) 圖 蝶形運算流圖符號 由于這種方法每一步分解都是按輸入時問序列是屬于偶數(shù)還是奇數(shù)束抽取的，所以稱為“時間抽取法”。以上轉換需要的一個重要步驟就是保證采樣頻率與信號頻率同步。 傅立葉變換的卷積。 (236) 由于 Xm(t)的傅 立葉變換為 錯誤 !未找到引用源。 (237) 所以根據(jù)傅立葉變換的乘積定理， 錯誤 !未找到引用源。 已不再是單一的譜線，變成了以 錯誤 !未找到引用源。 l％范圍內的波動 )都會使采 樣無法達到同步，結果導致各次諧波的中心頻率不能正好出現(xiàn)在濾波器的中心點上，而是落在某 2 個頻率分辨點之間，這樣，通過 DFT 并不能直接得到各次諧波分量的準確值，而只能以臨近的頻率分辨點的值來近似代替，這就是通常所說的柵欄效應。 ，然后進行傅立葉變換。余弦窗函數(shù)可以表示為 錯誤 !未找到引用源。其中 k=2,錯誤 !未找到引用源。 設第 m次諧波信號為： 設諧波信號加海寧窗后表示為： 錯誤 !未找到引用源。采樣序列 錯誤 !未找到引用源。 d錯誤 !未找到引用源。 l，同時考慮采樣點數(shù) N一般較大， |錯誤 !未找到引用源。 則可得 錯誤 !未找到引用源。 (246) 對信號加余弦窗后進行插值算法能有效的減少柵極效應和泄漏效應引起的誤差，提高了 FFT 的精度，能達到實際測量中預期的精度要求。 ，則只要滿足采樣頻率 錯誤 !未找到引用源。在本設計中，基于課題的特殊條件以及具體設計方法，應該至少進行 32X4=128 點的采樣。所以還必須對諧波的當前周期進行精確測量，在電磁干擾比較嚴重的地方，可能會由于一些干擾脈沖而使周期 測量出現(xiàn)錯誤，因此可對周期值進行校驗。 為基波頻率 50Hz， 錯誤 !未找到引用源。 =40，錯誤 !未找到引用源。 =2， 錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。 =12． 8KHz，直接 FFT 和加海寧窗 FFT 應用插值算法的頻率、相位、幅值結果對比如表 2— 1，結果表明，加窗插值FFT 法比起直接 FFT 有效的提高了頻率、相位和幅值的測量精度，而且隨著采樣長度的增加，精度還可以進一步提高，它有效的減少了頻譜泄漏和比較好的消除了柵欄效應 ，頻率精度可達 0． 002％，幅度精度達 0． 1％，相位精度也控制在 5％內，完全達到了電力諧波測量的精度要求。系統(tǒng)的結構框圖如圖 所示