【正文】 使用了GPRS后，數(shù)據(jù)實現(xiàn)分組發(fā)送和接收，這意味著無線終端總是在線且按流量計費，迅速降低了網絡傳輸?shù)某杀尽?GPRS模塊在錄播設備的實際使用中，各個錄播設備很可能相距比較遠，利用以太網方式連接無形中增加了組網的難度和成本，又由于以太網本身的局限性限值了網絡的規(guī)模，在使用范圍比較廣、錄波設備較多時問題就比較突出了。NM7010A以太網模塊由W3100A(硬件TCP/IP芯片)、以太網物理層芯片(RTL8201BL)、MAGJACK(RJ45)以及相關電路組成[42. NM7010ALF Datasheet [M], Wiznet Corporation, 2006, 511]。這款芯片包括片上高速單電壓FLASH存儲器和高速RAM存儲器。并且為保證DSP運行效率，將DSP從繁瑣的事務性工作中解脫出來，讓它專注于完成判據(jù)算法，采用了ARM處理器作為通信調度模塊核心的設計。本設計使用了兩片CY7C1041CV33，由于它是16bit的，所以分別將兩片SRAM的數(shù)據(jù)線作為數(shù)據(jù)總線的低16位和高16位，與DSP數(shù)據(jù)線相連。 A/D轉換電路設計原理圖 Circuit design schematic diagram of A/D converting circiut模數(shù)轉換采用兩片AD7656高速采樣芯片分別采集電力系統(tǒng)的電流與電壓信號。該AD7656還具有高速并行和串行接口，可以與微處理器(MCU)或數(shù)字信號處理器(DSP)連接。TMS320VC33并沒有擴展總線，但仍然將通過多路切換后通過外部引腳所體現(xiàn)的總線稱為主總線，它包括32位數(shù)據(jù)線、24位地址線、讀寫信號R/W、外部存取選通信號STRB、頁選通信號PAGE0PAGE就緒信號RDY、保持信號HOLD和保持回答信號HOLDA。信號處理模塊以DSP芯片作為核心，輔以適當?shù)耐鈬O備(時鐘電路、復位電路、存儲器擴展電路和電源管理電路等)，來實現(xiàn)我們所期望功能要求。根據(jù)需求分析，對電流信號進行調理，輸入額定電流有效值IN=5A，－100A，測量誤差要求在5A時≤。各通信模塊直接與ARM相連，ARM豐富的I/O資源使得設計變得方便。，整個錄播設備分為三個模塊：信號調理模塊、信號處理模塊和通信調度模塊。監(jiān)控系統(tǒng)主要分三部分：通信模塊、用戶交互模塊、錄波數(shù)據(jù)存儲模塊。通信調度模塊可以說是錄波設備和遠程監(jiān)控子系統(tǒng)的橋梁，也是人機界面不可缺少的一部分。 錄波設備結構圖 Structure of recorder 信號處理模塊信號處理模塊是系統(tǒng)的核心部分，它的功能是要完成輸入信號的離散化計算，并通過整定判據(jù)，控制其它器件的動作。 系統(tǒng)總體結構圖 Overall system structure本課題將錄波子系統(tǒng)的設計作為主要工作，在本文中加以詳細介紹。其記錄頻率(采樣頻率)和記錄間隔(連續(xù)或間隔一定時間記錄一次)，以每次大擾動開始時為標準，宜分時段滿足要求。電力系統(tǒng)正常工頻為50Hz，當電力信號頻率發(fā)生變化時，頻率會偏離50Hz，這時在采樣率不變的情況下，電力信號兩相鄰周期的對應采樣點的相位會不同，可能出現(xiàn)相差很大的現(xiàn)象。Fourier變換平滑了電力信號的突變成分，而且它所表示的時域與頻域之間是彼此整體刻畫的，不利于對波形的突變進行測量。再根據(jù)(338)計算出正負零序分量，最后將正序負序分量代入式(23)、(24)即可計算出三相不平衡度。對稱三相系統(tǒng)是指三相電量的幅值相等，頻率相同，相位相差120度的系統(tǒng)。而且，其誤差的大小與頻率偏離程度有關，在初相角相等的條件下，誤差隨著的增大而增大[32. 磨少清. 高精度的改進傅立葉測頻算法[J]，電力系統(tǒng)及其自動化學報，2003，(27)12：4849]。令，則為信號相角，有 (314)設每周期采樣N點, 初始采樣頻率為，采樣時間間隔。 頻率偏差測量本文采用的頻率測量算法是基于Fourier變換的方法[28. Yang JunZhe. Liu ChihWen. A precise calculation of power system frequency [J], IEEE Trans. on Power Delivery , 2001 , 16 (3): 361366]。式(38)可得到信號中的k次諧波成分。因此，為了盡量減少計算量，可以考慮采用一些簡化方法，以節(jié)省計算時間。以加矩形窗為例，設輸入信號U（t）中包含有基頻分量、整數(shù)次諧波分量及直流分量，根據(jù)傅立葉級數(shù)的定義，可表示為： (31)式中U0——直流分量；ω0——基頻角頻率；——輸入信號n次諧波的實部；——輸入信號n次諧波的虛部；n——諧波次數(shù)。但是電力信號分析有其特殊性，電力信號中除包含各次諧波外還伴隨著各種干擾與突變，為了正確反映信號的突變時刻的頻率成分，就要求我們在分析電力信號時要進行局部分析。東北大學碩士學位論文 第3章 電能質量檢測記錄裝置硬件設計與實現(xiàn)第3章 電能質量數(shù)字測量算法與系統(tǒng)總體設計性能優(yōu)秀的電力系統(tǒng)故障錄波設備必然是性能卓越的算法和高速的硬件系統(tǒng)相結合的產物。對測量儀器提出了基本要求177。這六項標準分別是：GB123251990《供電電壓允許偏差》、GB/T145491993《公用電網諧波》、GB/T155431995《三相電壓允許不平衡度》、GB/T159451995《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》、GB123262000《電壓波動和閃變》、GB/t184812001《電能質量 暫時過電壓和瞬時過電壓》。實際上，諧波電壓幾乎總是相對于基波電壓而言的。根據(jù)傅立葉級數(shù)的定義，任何周期性波形畸變都可以用正弦波形的和來表示。不過，我們可以采用“缺損電壓法”來克服上述缺點。 電壓擾動電壓擾動包括穩(wěn)態(tài)電壓擾動與暫態(tài)(瞬態(tài))電壓擾動。其變化周期大于工頻周期。正常性三相不平衡又來源于供電環(huán)節(jié)不平衡與用電環(huán)節(jié)不平衡。交流電力系統(tǒng)是以單一恒定的標稱頻率、規(guī)定的幾種電壓等級和以正弦函數(shù)波形變化的交流電向用戶供電。這些計算方法構成了電能質量的衡量方法。由于電力系統(tǒng)中的電能質量現(xiàn)象大多是隨機現(xiàn)象，在對變化型電壓和電流進行質量評估時，往往采用概率統(tǒng)計的方法來處理，即采用概率密度函數(shù)給出相應的變量在某一個確定點的概率值，并且用概率分布函數(shù)反映這個變量處在某一個確定范圍內的可能性有多大。對于表中列出的各種現(xiàn)象，我們可進一步用其屬性和特征加以描述。第五章以數(shù)據(jù)在功能模塊間的流向為順序，介紹了電力系統(tǒng)故障實時錄波通信系統(tǒng)的軟件設計與實現(xiàn)。 文章結構本文共分為6章。其故障數(shù)據(jù)記錄能力與傳輸能力，廣為人們所看好，使電力故障的遠程監(jiān)測成為了可能。監(jiān)測設備與分析系統(tǒng)統(tǒng)通過各種通信方式進行連接，組成電力系統(tǒng)故障監(jiān)測的整體系統(tǒng)。二十世紀九十年代初的電力故障檢測系統(tǒng)基本都是獨立工作的微機型設備，且并不具備通信能力，這種系統(tǒng)的主要結構是安裝有數(shù)據(jù)采集卡的計算機，通過軟件對數(shù)據(jù)采集卡采集的電力信號進行分析監(jiān)測，這種設備的缺點主要是結構復雜，需要操作系統(tǒng)支持和軟件支持，穩(wěn)定性差。相反的，如果選錯模型，則得到的結果會很不準確。小波變換將數(shù)據(jù)分解為尺度域分量，其尺度與頻率的對數(shù)尺度有關。對于每種應用，某一套方法可以作為候選，每套方法都帶來不同的性能表現(xiàn)和復雜性；這是一個平衡的問題。因此根據(jù)當代電力系統(tǒng)的特點，對出現(xiàn)的各種電能質量現(xiàn)象進行分類整理和研究，不斷探索各種電能質量監(jiān)測手段，對尚待認識的電磁干擾問題深入分析，成為了近十年來電力科技工作者的重要任務。劣質電能引發(fā)的電網大面積停電，造成用戶生產力下降，其社會影響和經濟損失是相當嚴重的。在過去，電能質量通常是指供電可靠性、穩(wěn)定性以及供電電壓的幅值、頻率等參量與規(guī)定值的偏差。盡管在現(xiàn)代電能質量的一些定義和解釋上還有待深入探討，在電能質量問題的起因上仍然存在分歧，但供電部門和電力用戶對電能質量的關心程度卻與日俱增。目前的研究表明很多數(shù)字信號處理方法能被應用于這個目的。（1）頻域分析[2. 袁全. 電能質量分析儀的研制[D]，南京，南京理工大學，2006]：如果待測信號是比較平穩(wěn)的，信號的頻域分解是值得考慮的。二、基于模型的數(shù)據(jù)分析方法：另一種重要的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的信號處理方法是基于模型的方法。在這些模型中，信號被看作白噪聲通過線形時不變系統(tǒng)的響應，系統(tǒng)也被模型化為有限長的樣值與零的和。這種設計目前被大量應用在便攜式設備的設計中。目前比較流行的電力系統(tǒng)故障監(jiān)測算法，可能十分適于某一種電能質量問題的分析，但都不能適合于所有電能質量現(xiàn)象的分析，而且在把這些算法實現(xiàn)成為真正產品的過程中，還需要根據(jù)現(xiàn)實需要對它們進行必要的優(yōu)化和改造。系統(tǒng)以《中華人民共和國電力行業(yè)標準——電能質量測試分析儀檢定規(guī)程》為基礎，應用了高性能的ARM嵌入式處理器及高速數(shù)字信號處理器（DSP），并實現(xiàn)了無線GPRS和以太網等網絡通信功能。第三章很據(jù)電能質量衡量方法的計算要求，介紹了一套電能質量數(shù)字測量算法。 電能質量的基本分類對于電能質量現(xiàn)象可以根據(jù)不同的基礎來分類[9. Math H. J. Bollen. Irene YuHua Gu. Categorization and Analysis of Power System Transients[J], IEEE Transactions on Power Delivery, 2005 (20)3:489496]。所謂變化型是指連續(xù)出現(xiàn)的電能質量擾動現(xiàn)象，其重要的特征表現(xiàn)為電壓或電流的幅值、頻率、相位差等在時間軸上的任一時刻總是發(fā)生著小的變化。監(jiān)測事件型電壓和電流時，要求有一個事件啟動信號，比如電壓均方根值低于某一預定的定值便開始記錄，待事件結束時停止記錄。供電系統(tǒng)在正常運行時，復雜時刻在變化，系統(tǒng)的運行方式也經常改變，系統(tǒng)中各個節(jié)點的電壓隨之發(fā)生改變，會偏離系統(tǒng)電壓額定值。電力系統(tǒng)的頻率變化是指基波頻率偏離規(guī)定正常值的現(xiàn)象。而在實際工作中，往往只知道三相電量的數(shù)值。電壓快速變化會影響用電器的工作，如果引起照明光源的閃爍，則會是人眼產生閃爍感，這種閃爍的感覺被稱為電壓的閃變(Voltage Flicker)。電壓暫降是指供電電壓均方根值在短時間內突然下降的變化情況。電壓暫降發(fā)生時的相位跳變?yōu)椋? (210)這樣一來我們就可以通過對缺損電壓與相位跳變的計算來衡量瞬時電壓上升或暫降了。它等于各次諧波均方根值的平方和的平方根值與基波均方根值的百分比。稱為總需量畸變率，簡稱TDD[12]。7%177。其次，本章介紹了電能質量的衡量方法。由于電能質量標準中對電能質量問題做了相應的規(guī)定，所以電能質量數(shù)字測量算法也應該與標準大體相對應，但是所有這些算法都不能單獨勝任所有指標的分析，必須聯(lián)合工作才能保證判據(jù)的準確性。實際上，將待分析的電力信號乘以窗函數(shù)，再進行Fourier變換，就是加窗Fourier變換(Windowed Fourier Transform)，也稱“短時Fourier變換”(STFT)。這里是以矩形窗為例，在實際應用中證明，BlackmanHarris和RifeVincent(III)窗效果較好[26. 潘文. 基于加窗插值FFT的電力諧波測量理論窗函數(shù)研究[J],電工技術學報，1994，2：5154]。設第一個數(shù)據(jù)窗的采樣序列為{},k=0,2,….N1；第二個數(shù)據(jù)窗的采樣序列為{},k=1,2,….N。同理對于k次諧波，有 (312)我們找到了迭代付氏變換前后兩個窗各諧波成分的關系，就可以在某一個窗諧波成分已知的條件下，求出其他窗的諧波成分。 當系統(tǒng)實際頻率小于系統(tǒng)額定頻率時，向量將沿順時針旋轉。、主要依據(jù)迭代DFT算法所得的各次諧波分量的實部與虛部，并求反正切函數(shù)來計算的。由式(23)、(24)可知，要計算三相不平衡度，必須計算出正序和負序的有效值。由電工學知識可知，與、這三個向量分別稱為零序、正序與負序。第二種方法就是直接把式(340)離散化，用離散求和的方法代替積分運算，可以得到： (342)式中——電壓u在第s個采樣點處的采樣值； ——每周期的采樣點數(shù)?？捎脭?shù)學公式表達為： (343)式中——相電壓突變量；——相電壓當前周期瞬時值；——與對應的前一周期相電壓瞬時值；——每周期的采樣點數(shù)?，F(xiàn)將電力系統(tǒng)故障錄播通信系統(tǒng)所應滿足的要求總結如下：當系統(tǒng)發(fā)生大擾動，包括在遠方故障時，能自動地對擾動的全過程按要求進行記錄，并當系統(tǒng)動態(tài)過程基本終止后，自動停止記錄。錄播子系統(tǒng)與遠程監(jiān)控子系統(tǒng)構成C/S模式。 信號調理模塊信號調理模塊的功能是負責電力系統(tǒng)數(shù)字量與模擬量信號的隔離與變換以供信號處理模板進行采樣，對模擬量還要進行濾波處理，以消除5kHz以上的干擾。信號處理模塊的數(shù)據(jù)通過DPRAM芯片與通信調度模塊交換。 通信調度模塊結構圖Fig Stucture of munication scheduling module 遠程監(jiān)控子系統(tǒng)遠程監(jiān)控子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務器及網絡客戶端組成。其次，本章提出了電力系統(tǒng)故障實時錄波通信系統(tǒng)的總體設計，并對各個子系統(tǒng)和各個模塊的功能作了簡單的闡述。DSP內部的存儲空間十分有限，因此需要片外存儲器的輔助，DSP計算過程中的數(shù)據(jù)保存在外擴的SRAM芯片中。與基于FIR濾波算法不同，在后續(xù)信號處理模塊采用的時頻分析方法分析得到電力信號中包含的不同頻段的頻率特征，這樣就可以省去在信號調理單元復雜的硬件濾波器設計，以濾除特定頻段范圍的高頻噪聲。 電壓信號調理電路原理圖 Schematic diagram ofvoltage regulation circuit 信號處理模塊設計信號處理模塊是整個錄波設備的核心，它負責數(shù)字測量算法的實施和信號的實時判據(jù)，錄波設備是否能正確