【正文】 ，一種信號(hào)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]。由于我們對(duì)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。隨著網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電力系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)設(shè)備又進(jìn)行了新的改進(jìn)。本設(shè)計(jì)在提高電能質(zhì)量檢測(cè)與記錄裝置性能、存儲(chǔ)能力、實(shí)時(shí)處理能力、信息共享、通信能力等方面也做深入的研究。下面介紹近幾年國(guó)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。需要指出的是，迄今為止對(duì)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。 三相電壓不平衡度[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。閃變時(shí)說明對(duì)不同頻率的電壓波動(dòng)引起的燈閃的敏感程度及引起閃變刺激性程度的電壓波動(dòng)值，是人眼的一種主觀感覺。 波形畸變和諧波波形畸變是由電力系統(tǒng)中的非線性設(shè)備引起的，流過非線性設(shè)備的電流和加在其上的電壓不成正比例關(guān)系。 我國(guó)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1988年，我國(guó)為加強(qiáng)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量管理工作，頒布執(zhí)行了《電網(wǎng)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)定》，并指出為保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，全面保障電能質(zhì)量是電力企業(yè)和用戶的責(zé)任和義務(wù)。這些電能質(zhì)量衡量方法是制定電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，它們?yōu)殡娔苜|(zhì)量的評(píng)估與分級(jí)提供了依據(jù)。將它化為離散形式就變成了窗口DFT(加窗離散傅立葉變換)。比較兩個(gè)數(shù)據(jù)窗發(fā)現(xiàn)，第二個(gè)數(shù)據(jù)窗實(shí)際上是由前一個(gè)數(shù)據(jù)窗去掉一個(gè)，增加了一個(gè)組成。因此，可以通過測(cè)量向量幅角的變化獲得頻率實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果[31. Wang Deyi. Yao Lixiao. NanHaipeng. Research on frequency and phase angle measurement based on programmable puter controller[J], Power System Technology, 2001, 25(9): 7880.]。設(shè)三相系統(tǒng)的電流電壓分別為： (330) (331)式中、——A、B、C三相瞬時(shí)電流和瞬時(shí)電壓；、——三相電流有效值與電壓有效值；、——三相電流和電壓的初相角；——系統(tǒng)初相角。在求出電力系統(tǒng)各相電壓的有效值后，利用電壓偏差計(jì)算公式，就不難得出被測(cè)的電壓偏差值了。 存儲(chǔ)容量應(yīng)足夠大，當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)，應(yīng)能無遺漏地記錄每次系統(tǒng)大擾動(dòng)發(fā)生后的全過程數(shù)據(jù)，并按要求輸出歷次擾動(dòng)后的系統(tǒng)電參數(shù)及保護(hù)裝置和安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為。模擬量直接來自電力設(shè)備，而開關(guān)量則來自相應(yīng)裝置空觸點(diǎn)。數(shù)據(jù)服務(wù)器與每個(gè)錄波結(jié)點(diǎn)組成C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)故障信息傳輸與保護(hù)及安全裝置日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)的雙重作用。NORFLASH則用來存放DSP程序，方便上電后的程序加載。于是本文將信號(hào)處理模塊所要完成的任務(wù)總結(jié)一下：(1)數(shù)據(jù)采集；(2)原始數(shù)據(jù)波形保存；(3)數(shù)字測(cè)量算法實(shí)現(xiàn)；(4)故障判據(jù)；(5)故障定時(shí)。基于iCOMS技術(shù)制造的ADC可以滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω叻直媛?、多通道、高轉(zhuǎn)換速率和低功耗的要求。 SRAM存儲(chǔ)電路為了擴(kuò)展TMS320VC33的存儲(chǔ)能力，外擴(kuò)了CYPRESS公司的CY7C1041CV33 SRAM存儲(chǔ)芯片。 STR710芯片電路設(shè)計(jì)原理圖 Circuit design schematic diagram of STR710本文選用的ARM處理器是ST公司的STR710芯片，它是STR7系列中的一個(gè)常用產(chǎn)品。在NM7010A接收到以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)自動(dòng)解包出有用數(shù)據(jù)，便于ARM的讀取。其最大優(yōu)勢(shì)在于：它的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到了115Kbps。包含硬件網(wǎng)際協(xié)議：TCP、IP 、UDP、ICMP、ARP和硬件以太網(wǎng)協(xié)議：DLC、MAC。 ARM處理器ARM(Advanced RISC Machines)公司是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，該公司設(shè)計(jì)了許多高性能、廉價(jià)、低功耗的RISC處理器IP核，及其相關(guān)技術(shù)和軟件，并將相應(yīng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)出售給世界各地的知名半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商。每片AD只用到了V1V4作為輸入，對(duì)四路電壓和四路電流信號(hào)采樣。： 基于TMS320VC33芯片的DSP電路設(shè)計(jì)原理圖 DSP circuit design schematic diagram based on TMS320VC33 CPLD電路邏輯控制單元選用Xilinx公司3200門的XC95144XL實(shí)現(xiàn)所需的邏輯控制指令[39. XC95144XL High Performance CPLD[M], XILINX, 1998,19]。 電流信號(hào)調(diào)理電路原理圖 Schematic diagram of current regulation circuit對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，輸入額定相電壓有效值UN=，－，測(cè)量誤差要求同極性輸入電壓60V時(shí)≤%。這兩個(gè)模塊完成了電力系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)錄波通信系統(tǒng)的大部分核心任務(wù)。另外，通信處理單元也負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)下達(dá)的遠(yuǎn)程控制指令。它負(fù)責(zé)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行多點(diǎn)故障診斷，記錄故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電參量及開關(guān)量的狀態(tài)。為了避免誤動(dòng)情況的發(fā)生，采用下面的公式進(jìn)行計(jì)算： (344)式(344)利用三個(gè)周期相鄰周期的突變量之差來表示，為了進(jìn)一步避免誤動(dòng)，在連續(xù)幾次突變量越限被檢測(cè)出來后錄波設(shè)備再進(jìn)行動(dòng)作?？紤]到輸入信號(hào)中含有諧波分量，輸入電壓的瞬時(shí)值和電壓的有效值可用下式表示： (339)式中——第k次諧波電壓的有效值；——第k次諧波電壓的初相角；——所含諧波的最高次數(shù)。首先，設(shè) (325)再用來預(yù)估算頻率偏差。當(dāng)系統(tǒng)頻率恒定不變時(shí)，迭代DFT算法中每周期對(duì)應(yīng)采樣間隔計(jì)算所得向量在復(fù)平面內(nèi)相角保持不變[30. 齊國(guó)清. 賈欣樂. 插值FFT估計(jì)正弦信號(hào)頻率的精度分析[J]，電子學(xué)報(bào)，2004，4：626629]。這種迭代Fourier算法也是基于窗口變換的，可以稱之為迭代DFT算法[27. 成劍. 羅安. 一種簡(jiǎn)化DFT的滑窗迭代算法在電力諧波檢測(cè)中的應(yīng)用[J]，自動(dòng)化測(cè)試，2005，(13)8：771774]。因而Fourier變換在應(yīng)用于電力信號(hào)分析時(shí)需要進(jìn)行改進(jìn)。這些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，是供電單位必須執(zhí)行的，它是電力用戶安全穩(wěn)定用電的保障，也是我們?cè)O(shè)計(jì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的依據(jù)。但對(duì)電流來說，情況就有所不同了。由三角函數(shù)的特性可知，兩個(gè)正弦波的和與差為另一個(gè)可能具有不同相位的正弦波，因此，只要暫降電壓波形為正弦波，則缺損電壓也將是正弦波。相對(duì)于電壓偏差而言，電壓波動(dòng)也成為快速電壓變動(dòng)，或動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)。所有與電力系統(tǒng)直接相連的電氣設(shè)備都必須在該頻率下才能正常運(yùn)行，所以標(biāo)稱頻率又稱為工作頻率，簡(jiǎn)稱工頻。所謂事件型是指突然發(fā)生的電能質(zhì)量擾動(dòng)現(xiàn)象，其重要的特征表現(xiàn)為電壓或電流短時(shí)嚴(yán)重偏離其額定值或理想波形。60東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第2章 國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與故障監(jiān)測(cè)技術(shù)要求 電能質(zhì)量現(xiàn)象描述電能質(zhì)量可以定義[8. 鄧少軍. 基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]，沈陽，東北大學(xué)，2006]為：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、暫時(shí)或者瞬態(tài)過電壓、波形畸變、電壓暫降與短時(shí)間中斷以及供電連續(xù)性等。我國(guó)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展也有著重要的意義。這種早期的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精確度與實(shí)時(shí)性雖然都已不能滿足現(xiàn)在的電力故障錄波要求，但是它們?cè)谝欢ǔ潭葹楹罄m(xù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。要獲得數(shù)據(jù)的時(shí)頻表達(dá)，目前一種普遍使用的方法是STFT（短時(shí)傅里葉變換）。在電力系統(tǒng)故障的分析方法方面，人們關(guān)心的電能質(zhì)量己經(jīng)不僅僅是早些時(shí)候的供電電壓和頻率兩個(gè)指標(biāo)，而是另外增加了電力諧波、電壓波動(dòng)與閃變，電壓瞬變、三相不平衡等一系列指標(biāo)。電力系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)錄波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文第1章 緒論 課題背景電力供應(yīng)是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存的重要支柱。分析采樣電壓或電流波形對(duì)電力質(zhì)量提供了定量的描述。STFT可以解釋為一系列等帶寬的帶通濾波器的等效，其帶寬取決于所選窗函數(shù)與窗的大小。隨著DSP和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，電力故障錄波設(shè)備的研制已主要轉(zhuǎn)向DSP芯片環(huán)境的開發(fā)研制，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，集成度高，穩(wěn)定性好。本課題的研究對(duì)象。研究電能質(zhì)量就要從電能質(zhì)量現(xiàn)象入手。這一現(xiàn)象包括電壓暫降和電壓短時(shí)間中斷、欠電壓、暫態(tài)過電壓、階梯形電壓變化、相位跳變等。在任意時(shí)刻，系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)的總輸出有功功率如果大于系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)有功功率的總需求，那么，系統(tǒng)頻率上升，頻率偏差為正；反之，系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)的總輸出有功功率如果小于系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)有功功率的總需求，系統(tǒng)頻率則下降，頻率偏差為負(fù)。電壓波動(dòng)常用相對(duì)電壓變動(dòng)量來描述，電壓波動(dòng)取值為一系列電壓均方根值變化中的相鄰兩個(gè)極值之差與標(biāo)稱電壓的相對(duì)百分?jǐn)?shù)，即： (26)式中——電壓波動(dòng)；與——電壓均方根值的相鄰兩個(gè)極值，kV；——標(biāo)稱電壓值，kV。令： (27) (28)式中——期望的瞬時(shí)電壓波形；——受擾動(dòng)的電壓波形，則缺損電壓為；、——分別為PLL電壓的幅值、相角和暫降電壓的幅值、相角。幅值較小的諧波電流可能導(dǎo)致較大的值，而此時(shí)電力系統(tǒng)受到的威脅并不大。 本章小結(jié)本章首先介紹了電能質(zhì)量現(xiàn)象的描述及幾種比較流行的分類方法。為了克服傅立葉變換不能進(jìn)行局部分析的重大缺陷，窗口傅立葉變換[25. Hdialgo R M. Femandez J G. et al. A simple adjustable window algorithm to improve FFT measurements[J], IEEE Trans. On IM, 2002, 51(1): 3136]應(yīng)運(yùn)而生。首先，輸入電力信號(hào)在經(jīng)一次整周期FFT變換后，可以得到各相輸入電壓、電流的各次諧波成分，如式(34)、(35)所示。但當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生偏移時(shí)，向量將在復(fù)平面內(nèi)以的速度旋轉(zhuǎn)。即： (326)令： (327)利用r對(duì)式(323)、(324)進(jìn)行修正，得： (328)根據(jù)式(318)我們最終得到系統(tǒng)實(shí)際頻率為： (329)這種頻率測(cè)量算法具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在實(shí)際使用中需要的諧波分量的實(shí)部虛部可以利用迭代DFT運(yùn)算的結(jié)果，并采用自適應(yīng)采樣，可以保證運(yùn)算的實(shí)時(shí)性和精確性。電壓有效值(即均方根值)的定義為： (340)由式(340)可以導(dǎo)出有效值的兩種計(jì)算方法：第一種是直接把式(339)代入式(340)中并離散化，可以求出： (341)式中——k次諧波有效值。這樣就可以避免頻率偏移對(duì)電壓擾動(dòng)算法的影響，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性?？紤]到錄波子系統(tǒng)的功能要求，它的設(shè)計(jì)主要以信號(hào)處理和數(shù)據(jù)調(diào)度為主，并附有一定的控制功能。通信調(diào)度的核心任務(wù)主要是負(fù)責(zé)一系列事務(wù)性的處理工作，在這方面ARM微處理器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。： 錄波設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖 Overall structure of power recorder，錄波設(shè)備采用DSP+ARM雙處理器[37. 鄭宏婕. 嚴(yán)桂. 基于DSP和ARM的電力故障錄波器的設(shè)計(jì)[J]，電測(cè)與儀表，2007，44(502)：4547]的體系結(jié)構(gòu)，兩個(gè)處理的地位平等，通過雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，相互獨(dú)立互不影響，保證了DSP的快速運(yùn)行和ARM對(duì)數(shù)據(jù)通信的調(diào)度管理。本系統(tǒng)選用兵字TV10131型微型精密交流電壓互感器，互感器變比為1:1。CPLD實(shí)現(xiàn)的控制信號(hào)包括：對(duì)DSP外部存儲(chǔ)空間的片選及讀寫信號(hào)，軟件方式實(shí)現(xiàn)DSP看門狗，以及ADC的選通、啟動(dòng)和開關(guān)量變化的檢測(cè)。兩片AD7656同時(shí)獲得的兩路轉(zhuǎn)換結(jié)果，分別作為數(shù)據(jù)總線上低16位和高16位直接送入DSP。同時(shí)，ARM構(gòu)架又是面向低成本預(yù)算設(shè)計(jì)的第一款RISC處理器。支持MCU總線并行接口和I2C接口，由于內(nèi)嵌硬件以太網(wǎng)協(xié)議，所以將它與STR710數(shù)據(jù)總線相連把NM7010A簡(jiǎn)單地看 NM7010A以太網(wǎng)模塊結(jié)構(gòu)圖 Structure of NM7010A Ethernet module成一個(gè)外部存儲(chǔ)單元，對(duì)它進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)操作以及有關(guān)的配置，而不必關(guān)心具體的以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。BenQ M23 。 NM7010A以太網(wǎng)模塊電路設(shè)計(jì)原理圖 Circuit design schematic diagram of NM7010A Ethernet module在使用時(shí)通過ARM向以太網(wǎng)模塊寫入數(shù)據(jù)，NM7010A便會(huì)自動(dòng)組織數(shù)據(jù)裝幀打包，遵守TCP/IP協(xié)議發(fā)送到以太網(wǎng)上去。最成功的ARM內(nèi)核之一——ARM7TDMI，具有最高120 Dhrystone MIPS的性能、較高的代碼密度和低功耗等特點(diǎn)，使它成為嵌入式設(shè)備的最佳選擇。 AD7656芯片工作時(shí)序圖 Time sequence diagram of AD7656AD7656采樣過程是DSP向CPLD發(fā)出訪問ADC的信號(hào)，控制ADC完成