【正文】 ，一種信號處理方法可能十分適于一種電能質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]。由于我們對系統(tǒng)事先了解，我們可以假設數(shù)據(jù)序列是由特定模型產生的。隨著網(wǎng)絡的廣泛應用，人們對電力系統(tǒng)故障監(jiān)測設備又進行了新的改進。本設計在提高電能質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。下面介紹近幾年國際上在電能質量現(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，迄今為止對電能質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生的技術名詞不統(tǒng)一等問題。 三相電壓不平衡度[14. 潘蘭蘭. 電能質量分析儀的研究[D]，武漢,華中科技大學，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。閃變時說明對不同頻率的電壓波動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)中的非線性設備引起的，流過非線性設備的電流和加在其上的電壓不成正比例關系。 我國電能質量標準1988年，我國為加強電力系統(tǒng)電能質量管理工作，頒布執(zhí)行了《電網(wǎng)電能質量技術監(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、優(yōu)質運行，全面保障電能質量是電力企業(yè)和用戶的責任和義務。這些電能質量衡量方法是制定電能質量標準的基礎，它們?yōu)殡娔苜|量的評估與分級提供了依據(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)。比較兩個數(shù)據(jù)窗發(fā)現(xiàn)，第二個數(shù)據(jù)窗實際上是由前一個數(shù)據(jù)窗去掉一個，增加了一個組成。因此，可以通過測量向量幅角的變化獲得頻率實時測量結果[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.]。設三相系統(tǒng)的電流電壓分別為： (330) (331)式中、——A、B、C三相瞬時電流和瞬時電壓；、——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，利用電壓偏差計算公式，就不難得出被測的電壓偏差值了。 存儲容量應足夠大，當系統(tǒng)連續(xù)發(fā)生大擾動時，應能無遺漏地記錄每次系統(tǒng)大擾動發(fā)生后的全過程數(shù)據(jù)，并按要求輸出歷次擾動后的系統(tǒng)電參數(shù)及保護裝置和安全自動裝置的動作行為。模擬量直接來自電力設備，而開關量則來自相應裝置空觸點。數(shù)據(jù)服務器與每個錄波結點組成C/S網(wǎng)絡結構，實現(xiàn)故障信息傳輸與保護及安全裝置日常運行監(jiān)測的雙重作用。NORFLASH則用來存放DSP程序，方便上電后的程序加載。于是本文將信號處理模塊所要完成的任務總結一下：(1)數(shù)據(jù)采集；(2)原始數(shù)據(jù)波形保存；(3)數(shù)字測量算法實現(xiàn)；(4)故障判據(jù)；(5)故障定時?；趇COMS技術制造的ADC可以滿足工業(yè)領域對高分辨率、多通道、高轉換速率和低功耗的要求。 SRAM存儲電路為了擴展TMS320VC33的存儲能力，外擴了CYPRESS公司的CY7C1041CV33 SRAM存儲芯片。 STR710芯片電路設計原理圖 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系列中的一個常用產品。在NM7010A接收到以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)時，它會自動解包出有用數(shù)據(jù)，便于ARM的讀取。其最大優(yōu)勢在于：它的數(shù)據(jù)傳輸速度達到了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)，該公司設計了許多高性能、廉價、低功耗的RISC處理器IP核，及其相關技術和軟件，并將相應的知識產權出售給世界各地的知名半導體、軟件和OEM廠商。每片AD只用到了V1V4作為輸入，對四路電壓和四路電流信號采樣。： 基于TMS320VC33芯片的DSP電路設計原理圖 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實現(xiàn)所需的邏輯控制指令[39. XC95144XL High Performance CPLD[M], XILINX, 1998,19]。 電流信號調理電路原理圖 Schematic diagram of current regulation circuit對電壓信號進行調理，輸入額定相電壓有效值UN=，－，測量誤差要求同極性輸入電壓60V時≤%。這兩個模塊完成了電力系統(tǒng)故障實時錄波通信系統(tǒng)的大部分核心任務。另外，通信處理單元也負責轉發(fā)上位機下達的遠程控制指令。它負責對電力系統(tǒng)進行多點故障診斷，記錄故障發(fā)生時系統(tǒng)的動態(tài)電參量及開關量的狀態(tài)。為了避免誤動情況的發(fā)生，采用下面的公式進行計算： (344)式(344)利用三個周期相鄰周期的突變量之差來表示，為了進一步避免誤動，在連續(xù)幾次突變量越限被檢測出來后錄波設備再進行動作。考慮到輸入信號中含有諧波分量，輸入電壓的瞬時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 (325)再用來預估算頻率偏差。當系統(tǒng)頻率恒定不變時，迭代DFT算法中每周期對應采樣間隔計算所得向量在復平面內相角保持不變[30. 齊國清. 賈欣樂. 插值FFT估計正弦信號頻率的精度分析[J]，電子學報，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. 一種簡化DFT的滑窗迭代算法在電力諧波檢測中的應用[J]，自動化測試，2005，(13)8：771774]。因而Fourier變換在應用于電力信號分析時需要進行改進。這些國家標準，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，也是我們設計電能質量監(jiān)測系統(tǒng)的依據(jù)。但對電流來說，情況就有所不同了。由三角函數(shù)的特性可知，兩個正弦波的和與差為另一個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。相對于電壓偏差而言，電壓波動也成為快速電壓變動，或動態(tài)電壓變動。所有與電力系統(tǒng)直接相連的電氣設備都必須在該頻率下才能正常運行，所以標稱頻率又稱為工作頻率，簡稱工頻。所謂事件型是指突然發(fā)生的電能質量擾動現(xiàn)象，其重要的特征表現(xiàn)為電壓或電流短時嚴重偏離其額定值或理想波形。60東北大學碩士學位論文 第2章 系統(tǒng)總體設計與實現(xiàn)第2章 國家電能質量標準與故障監(jiān)測技術要求 電能質量現(xiàn)象描述電能質量可以定義[8. 鄧少軍. 基于DSP的電能質量監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]，沈陽，東北大學，2006]為：導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、暫時或者瞬態(tài)過電壓、波形畸變、電壓暫降與短時間中斷以及供電連續(xù)性等。我國電能質量監(jiān)測設備的研究對我國電力系統(tǒng)的發(fā)展也有著重要的意義。這種早期的監(jiān)測系統(tǒng)精確度與實時性雖然都已不能滿足現(xiàn)在的電力故障錄波要求，但是它們在一定程度為后續(xù)的電能質量監(jiān)測的發(fā)展打下了基礎。要獲得數(shù)據(jù)的時頻表達，目前一種普遍使用的方法是STFT（短時傅里葉變換）。在電力系統(tǒng)故障的分析方法方面，人們關心的電能質量己經(jīng)不僅僅是早些時候的供電電壓和頻率兩個指標，而是另外增加了電力諧波、電壓波動與閃變，電壓瞬變、三相不平衡等一系列指標。電力系統(tǒng)故障實時錄波通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)畢業(yè)論文第1章 緒論 課題背景電力供應是現(xiàn)代社會賴以生存的重要支柱。分析采樣電壓或電流波形對電力質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和嵌入式技術的發(fā)展，電力故障錄波設備的研制已主要轉向DSP芯片環(huán)境的開發(fā)研制，這種系統(tǒng)結構相對簡單，集成度高，穩(wěn)定性好。本課題的研究對象。研究電能質量就要從電能質量現(xiàn)象入手。這一現(xiàn)象包括電壓暫降和電壓短時間中斷、欠電壓、暫態(tài)過電壓、階梯形電壓變化、相位跳變等。在任意時刻，系統(tǒng)中所有發(fā)電機的總輸出有功功率如果大于系統(tǒng)負荷對有功功率的總需求，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)電機的總輸出有功功率如果小于系統(tǒng)負荷對有功功率的總需求，系統(tǒng)頻率則下降，頻率偏差為負。電壓波動常用相對電壓變動量來描述，電壓波動取值為一系列電壓均方根值變化中的相鄰兩個極值之差與標稱電壓的相對百分數(shù)，即： (26)式中——電壓波動；與——電壓均方根值的相鄰兩個極值，kV；——標稱電壓值，kV。令： (27) (28)式中——期望的瞬時電壓波形；——受擾動的電壓波形，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致較大的值，而此時電力系統(tǒng)受到的威脅并不大。 本章小結本章首先介紹了電能質量現(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]應運而生。首先，輸入電力信號在經(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。但當系統(tǒng)頻率發(fā)生偏移時，向量將在復平面內以的速度旋轉。即： (326)令： (327)利用r對式(323)、(324)進行修正，得： (328)根據(jù)式(318)我們最終得到系統(tǒng)實際頻率為： (329)這種頻率測量算法具有較強的抗干擾能力，在實際使用中需要的諧波分量的實部虛部可以利用迭代DFT運算的結果，并采用自適應采樣，可以保證運算的實時性和精確性。電壓有效值(即均方根值)的定義為： (340)由式(340)可以導出有效值的兩種計算方法：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電壓擾動算法的影響，保證測量的準確性?？紤]到錄波子系統(tǒng)的功能要求，它的設計主要以信號處理和數(shù)據(jù)調度為主，并附有一定的控制功能。通信調度的核心任務主要是負責一系列事務性的處理工作，在這方面ARM微處理器具有明顯的優(yōu)勢。： 錄波設備整體結構圖 Overall structure of power recorder，錄波設備采用DSP+ARM雙處理器[37. 鄭宏婕. 嚴桂. 基于DSP和ARM的電力故障錄波器的設計[J]，電測與儀表，2007，44(502)：4547]的體系結構，兩個處理的地位平等，通過雙端口RAM進行數(shù)據(jù)交換，相互獨立互不影響，保證了DSP的快速運行和ARM對數(shù)據(jù)通信的調度管理。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實現(xiàn)的控制信號包括：對DSP外部存儲空間的片選及讀寫信號，軟件方式實現(xiàn)DSP看門狗，以及ADC的選通、啟動和開關量變化的檢測。兩片AD7656同時獲得的兩路轉換結果，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，ARM構架又是面向低成本預算設計的第一款RISC處理器。支持MCU總線并行接口和I2C接口，由于內嵌硬件以太網(wǎng)協(xié)議，所以將它與STR710數(shù)據(jù)總線相連把NM7010A簡單地看 NM7010A以太網(wǎng)模塊結構圖 Structure of NM7010A Ethernet module成一個外部存儲單元，對它進行讀寫數(shù)據(jù)操作以及有關的配置，而不必關心具體的以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)。BenQ M23 。 NM7010A以太網(wǎng)模塊電路設計原理圖 Circuit design schematic diagram of NM7010A Ethernet module在使用時通過ARM向以太網(wǎng)模塊寫入數(shù)據(jù)，NM7010A便會自動組織數(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，使它成為嵌入式設備的最佳選擇。 AD7656芯片工作時序圖 Time sequence diagram of AD7656AD7656采樣過程是DSP向CPLD發(fā)出訪問ADC的信號，控制ADC完成