【正文】 [14. 潘蘭蘭. 電能質(zhì)量分析儀的研究[D]，武漢,華中科技大學(xué)，2005]電力系統(tǒng)三相不平衡可以分為事故性不平衡和正常性不平衡兩大類。電壓的這種變化是緩慢的，其每秒電壓變化率小于額定電壓的1%。需要指出的是，迄今為止對電能質(zhì)量的分類仍然存在著由于定義不同引起的類別區(qū)分界線不清晰，和由于分類方法不同產(chǎn)生的技術(shù)名詞不統(tǒng)一等問題。例如，系統(tǒng)頻率不可能一成不變的等于50Hz，系統(tǒng)電壓也不可能每時每刻恒等于其額定值，與理想值的偏差始終存在。下面介紹近幾年國際上在電能質(zhì)量現(xiàn)象分類和特性描述等方面取得的研究成果。并提出了電力系統(tǒng)故障實時錄波通信系統(tǒng)的總體設(shè)計，并對各功能模塊做了簡單的介紹。本設(shè)計在提高電能質(zhì)量檢測與記錄裝置性能、存儲能力、實時處理能力、信息共享、通信能力等方面也做深入的研究。如何將這些算法結(jié)合使用，發(fā)揮各個算法的優(yōu)勢就成為了在實際應(yīng)用中需要深入研究的課題。隨著網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，人們對電力系統(tǒng)故障監(jiān)測設(shè)備又進(jìn)行了新的改進(jìn)。需要聲明的是以上這些電力故障分析方法還遠(yuǎn)沒有完善，在將其硬件實現(xiàn)過程中需要對其進(jìn)行必要的修改與優(yōu)化。由于我們對系統(tǒng)事先了解，我們可以假設(shè)數(shù)據(jù)序列是由特定模型產(chǎn)生的。目前一種標(biāo)準(zhǔn)的并廣受青睞的方法是DFT或它的快速算法FFT。但是正如后面將要描述的一樣，一種信號處理方法可能十分適于一種電能質(zhì)量問題的分析但并不能適合于所有問題的分析[1. Math H. J. Bollen. Irene Gu. Signal Processing of Power [M],IEEE Press, 2006,16~18]。深入理解現(xiàn)代電力質(zhì)量問題，把提高電能質(zhì)量與增強競爭意識、電力市場占有率聯(lián)系起來，從技術(shù)、經(jīng)濟和運行管理等方面加大力度，保證優(yōu)質(zhì)供電、以最小程度的減少對先導(dǎo)工業(yè)企業(yè)和重要電力用戶的影響，既是電力用戶的需求和電力系統(tǒng)運行給我們提出的新任務(wù)，也是信息時代給我們提出的新挑戰(zhàn)。而近年來，非線性和沖擊性負(fù)荷的使用也在不斷地增長，這些負(fù)荷對供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重的破壞，使電力系統(tǒng)面對了空前廣泛的諧波、閃變、不對稱等污染，電能質(zhì)量問題日益突出，引起了供電部門和廣大電力用戶的普遍重視。據(jù)國際會議報告介紹，在一些發(fā)達(dá)國家每年由于電能質(zhì)量下降所引起的經(jīng)濟損失高達(dá)數(shù)百億美元。應(yīng)該說，當(dāng)代電力系統(tǒng)的發(fā)展賦予了電能質(zhì)量新的內(nèi)涵和意義。例如，小波變換在識別波形突變時可能很有吸引力，但它在諧波分析時卻沒什么優(yōu)勢。小波變換是另一種與頻域分析密切相關(guān)的變換?；谀Ｐ偷姆椒ǖ膬?yōu)點是一旦正確選定了模型，它將達(dá)到可與基于變換的方法相媲美的高分辨率。在電力系統(tǒng)故障監(jiān)測手段方面，主要任務(wù)是對電力信號波形分析來判斷故障發(fā)生時刻和原因，比較早出現(xiàn)的是基于計算機的監(jiān)測方法[3. 李旭. 謝運祥. 電能質(zhì)量監(jiān)測的技術(shù)現(xiàn)狀[J]，電源技術(shù)應(yīng)用，2006，9：49~52。將監(jiān)測與分析分開，由單獨的設(shè)備負(fù)責(zé)監(jiān)測電力系統(tǒng)故障，并記錄故障數(shù)據(jù)，再由分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)分析故障數(shù)據(jù)找出故障原因。在電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備方面，基于網(wǎng)絡(luò)的電力故障監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為近年來的發(fā)展趨勢。課題源于2006年申報立項的沈陽市科技計劃項目基金課題“電能質(zhì)量與電力系統(tǒng)故障檢測關(guān)鍵技術(shù)研究”。第四章介紹了電力系統(tǒng)故障實時錄波通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)，并將其分為信號調(diào)理模塊、信號處理模塊、通信調(diào)度模塊三部分加以詳細(xì)介紹。其中在國際電工界有影響的IEC以電磁現(xiàn)象及相互干擾的途徑和頻率特性為基礎(chǔ)，引出了廣義的電磁擾動的基本現(xiàn)象分類，[10. Domijan A. Heydt G T. Meliopoulos A P S. Directions of Research on Power Quality[J]. IEEE Transaction on Power Delivery,2003,8(1):429436]： IEC關(guān)于引起電磁擾動的基本現(xiàn)象分類 IEC classification of basic phenomenons cause electromagnetic disturbance現(xiàn)象分類現(xiàn)象分類傳導(dǎo)型低頻現(xiàn)象諧波，間諧波輻射型低頻現(xiàn)象工頻電磁場信號系統(tǒng)（電力線載波）輻射型高頻現(xiàn)象磁場電壓波動電場電壓暫降和中斷電磁場電壓不平衡連續(xù)波工頻變化瞬變感應(yīng)低頻電壓靜電放電現(xiàn)象（ESD）交流電網(wǎng)中的直流成分核電磁脈沖（NEMP）傳導(dǎo)型高頻現(xiàn)象感應(yīng)連續(xù)波電壓或電流單方向瞬變振蕩性瞬變[11. Dugan R C. Mcgranghan M F. Beaty H W. Electrical Power System Quality[M],New York,McGrawHi11,2001,7376]。這一類現(xiàn)象包括前邊的提到的電壓幅值變化、頻率變化、鍛壓與電流間相位的變化、電壓不平衡、電壓波動、諧波電壓和電流畸變、電壓陷波、主網(wǎng)載波信號干擾等。 電能質(zhì)量的衡量方法我國的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（將在下一節(jié)中介紹）為我們評價電能質(zhì)量提供了定量的依據(jù)，但是這些標(biāo)準(zhǔn)中各個數(shù)據(jù)需要通過一些與標(biāo)準(zhǔn)定值相關(guān)的計算方法來獲得。 電力系統(tǒng)頻率偏差系統(tǒng)有功功率不平衡是產(chǎn)生頻率偏差的根本原因。事故性不平衡由系統(tǒng)中各種非對稱性故障引起。 電壓波動與閃變[15. 熊靜. 基于TMS320C6713的電能質(zhì)量分析儀的設(shè)計與研制[D]，南京，東南大學(xué)，2006]電壓波動(Voltage Fluctuation)定義為電壓均方根值一些相對快速變動或連續(xù)改變的現(xiàn)象。嚴(yán)格講閃變只是電壓波動造成的危害的一種。但是這種方法不能明確電壓暫降起止時刻，更無法給出電壓暫降發(fā)生時可能出現(xiàn)的相位跳變的大小。在絕大多數(shù)情況下，畸變并不是任意的，多數(shù)畸變是周期性的，屬于諧波范疇，因此，可以用諧波來描述規(guī)律的波形畸變。是一個非常有用的指標(biāo)，但同時也要注意它的局限性。至2001年，國家技術(shù)監(jiān)督管理局先后組織制定并頒布了六項電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)系統(tǒng)容量可以放寬到177。最后本章介紹了我國的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并對其中的一些細(xì)節(jié)作了簡要的說明。 波形畸變與諧波測量自Fourier(傅立葉)變換問世以來，其應(yīng)用的廣泛性和重要性有目共睹，它的離散快速變換FFT更曾是波形畸變與諧波分析的有力工具[23. 樹忠. 梁軍. 車仁飛. 電動機故障錄波監(jiān)測裝置通訊及通道校正方案的研究與開發(fā)[J], 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2002，14(4)：4144]。電力信號諧波分量測量算法可以采用整周期窗口DFT算法，這種算法將輸入序列的一個整周期在時域上加床后分解成基2 DFT運算的組合，從而計算出各次諧波幅值。而對于電力故障錄播設(shè)備來說，一般接有數(shù)十路模擬量輸入信號，并且要求采用較高的采樣頻率，以完整、全面地反映故障暫態(tài)過程各電氣量的變化特點。經(jīng)如下計算： (38)式中k——諧波次數(shù)；n——采樣點(從0到N1)；f(n)——A/D采樣信號；F(k)——第k次諧波分量的系數(shù)。(211)、(212)中，就可以求出諧波含有率和總諧波畸變率。設(shè)系統(tǒng)額定頻率為，系統(tǒng)實際頻率為，為實際頻率變化量，為信號初始相位，則信號的瞬時表達(dá)式可表示為： (313)式中——信號的瞬時值。由式(323)、(324)可以看出。三相系統(tǒng)可以分為對稱三相系統(tǒng)和不對稱三相系統(tǒng)。 (a) 正序分量 (b) 負(fù)序分量 (c) 零序分量 三相不對稱向量對應(yīng)的三組對稱分量Fig Corresponding three symmetrical ponent of threephase unbalance vector在實際應(yīng)用中，向量、來自迭代DFT的結(jié)果，它們表示三相電量的基波分量。 電壓擾動測量，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(jìn)行突變量[35. 張志剛. 王憲杰. 多通道高速數(shù)據(jù)采集故障錄波裝置[J]，電測與儀表，2002，39(3)：1721]的分析。不過使用式(343)來對突變量進(jìn)行測量存在缺陷。 所記錄的數(shù)據(jù)可靠安全、滿足要求、不失真。GPS對時系統(tǒng)包含在錄波子系統(tǒng)當(dāng)中，提供了標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一時間，保證整個系統(tǒng)時間同步。本系統(tǒng)中每個錄波設(shè)備支持同時分析8路模擬量，包括4路電流信號和4路電壓信號，并支持32路開頭量采集，來監(jiān)測開關(guān)變位情況。那么這部分功能就是由通信調(diào)度模塊來管理里。通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)信息共享，相關(guān)人員也可以訪問服務(wù)器上的故障記錄，做進(jìn)一步的故障分析。內(nèi)容包括錄播設(shè)備整體設(shè)計框圖、主要部分芯片選型、各功能模塊設(shè)計等。在ARM端，由于數(shù)據(jù)保存的需要外擴了非易失性存儲器NANDFLASH芯片。這在很大程度上降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。有了信號處理模塊的這些任務(wù)，設(shè)計方向就比較明確了。TMS320C33采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)[38. TMS320C33 Digital Signal Processor [M], Texas Instruments Incorporated, 2004,37]，首先是采用了獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，但在程序總線和數(shù)據(jù)總線中采用了交叉連接，允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術(shù)運算指令直接使用，增強了芯片的靈活性，提高了運算速度，只要調(diào)度好連個獨立的總線就可使處理能力得到提高，實現(xiàn)全速運行。它還包含一個低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T/H)，以便處理輸入頻率高達(dá)8MHz的信號。～，～，～。這款芯片擁有256K 16bit的存儲能力，設(shè)計和使用都比較方便。但是這一點卻是ARM處理器的強項。這款芯片就是基于高性能的ARM7TDMI內(nèi)核的產(chǎn)品[41. STR71x Microcontroller Reference Manual[M], STMicroelectronics, 2004, 1621]，擁有豐富的外設(shè)和增強I/O功能。本文直接選用WIZnet公司的NM7010A以太網(wǎng)模塊用極小的系統(tǒng)資源快速實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。因此，可以方便地把NM7010A模塊看成是ARM的一個外擴存儲器。此外，使用GPRS技術(shù)也十分經(jīng)濟，因為只須利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)來即可。雖然GPRS是作為現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動通信演變的過渡技術(shù)，但是它在許多方面都具有顯著的優(yōu)勢。考慮到這種問題，本文將GPRS無線傳輸方式引入了錄波設(shè)備的設(shè)計中。它涵蓋了TCP/IP MAC協(xié)議層、物理層和以太網(wǎng)連接器RJ45，支持10/100M ，可以很方便地接入以太網(wǎng)。由于內(nèi)嵌ARM內(nèi)核，所以它與所有的ARM開發(fā)工具和軟件兼容，同時ST公司還提供了一些軟件開發(fā)包，使得開發(fā)方便簡單。這樣一來錄播設(shè)備就成為了DSP+ARM的設(shè)計體系。這樣一來就可以方便的存取32位數(shù)據(jù)信息了。AD7656支持并口和高速串口通信兩種方式，本設(shè)計為獲得較高的傳輸速率采用并口方式將轉(zhuǎn)換后的ADC數(shù)據(jù)線掛接到DSP數(shù)據(jù)總線上。該器件的功耗比最接近的同類雙極型ADC降低了60%，在每通道250kS/s的采樣速率下采樣精度 (177。其中頁選通信號是由芯片的地址線A22和A23經(jīng)過一碼產(chǎn)生的，外部存取選通信號也是由地址線決定的，RDY、HOLD是總線狀態(tài)的控制信號，R/W根據(jù)數(shù)據(jù)總線的輸入輸出狀態(tài)而取不同電平。下面介紹詳細(xì)設(shè)計。系統(tǒng)選用兵字TA1420立式穿芯小型精密交流電流互感器，互感器變比為6000：1，它具有全封閉、機械和耐環(huán)境性能好、電壓隔離能力強、安全可靠等優(yōu)點。本章主要介紹信號處理模塊和通信調(diào)度模塊的設(shè)計，但是在這之前需要先了解一下信號調(diào)理模塊。其中硬件設(shè)計的重點主要在信號處理模塊和通信調(diào)度模塊上。通信模塊集成了以太網(wǎng)、GPRS無線網(wǎng)、CAN總線、485總線等通信方式與設(shè)備結(jié)點通信，用戶可以根據(jù)條件選擇其中的一種或多種。當(dāng)發(fā)生故障時，它負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)處理單元的故障記錄，然后把數(shù)據(jù)緩存到FLASH中，同時通過以太網(wǎng)、CAN總線、485總線等通信接口上傳至上位機，供專家進(jìn)一步的故障分析。信號處理模塊必須具有實時性與精確性的特點，能夠快速完成作為判據(jù)依據(jù)的數(shù)字測量算法，對電力系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測與分析，并在電力系統(tǒng)故障時快速準(zhǔn)確地對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。 錄波子系統(tǒng)錄波子系統(tǒng)有多個錄波設(shè)備節(jié)點組成，工作在電力系統(tǒng)的各個點上。其選擇原則是： 適應(yīng)分析數(shù)據(jù)的要求、滿足運行部門故障分析和系統(tǒng)分析的需要、盡可能只記錄和輸出滿足實際需要的數(shù)據(jù)、各安裝點記錄及輸出的數(shù)據(jù)，應(yīng)能在時間上同步，以適應(yīng)集中處理系統(tǒng)全部信息的要求。但是此時電力信號可能并沒有出現(xiàn)很大的突變，錄波設(shè)備可能會誤動。因此需要有一種算法和Fourier變換配合使用來對電力信號進(jìn)行測量。 電壓有效值測量為了測量電壓偏差，需要進(jìn)行電壓有效值計算。不同時滿足這三個條件的是不對稱三相系統(tǒng)。因此我們需要對算法做一定的修正[33. 唐建輝. 胡敏強. 吳在軍. 一種基于修正采樣序列的電力系統(tǒng)頻率測量方法[J]，電力系統(tǒng)及自動化學(xué)報，2004，(16)6：5254]。將(314)式寫成離散形式，則第k個采樣電壓值為 (315)其Fourier變換結(jié)果由(34)、(35)式確定。這種算法的依據(jù)是離散Fourier變換的性質(zhì)[29. 齊國清. 幾種基于FFT的頻率估計方法精度分析[J]，震動工程學(xué)報，2006，1：86~92]。以基頻計算為例，第一個數(shù)據(jù)窗經(jīng)FFT后所得基頻成分為： (39)式中——第一個數(shù)據(jù)窗的基頻成分；——第一個數(shù)據(jù)窗的第一個采樣點；——數(shù)據(jù)窗的第n個采樣點。這里介紹一種迭代Fourier算法，大大簡化了計算，節(jié)省了時間。那么輸入信號n次諧波的模和幅角為： (32) (33)式(32)、(33