【正文】 直流量，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數(shù)值，軟件設(shè)計簡單，計算方便。 fo經(jīng) N分頻后與 fi相比較，根據(jù)鎖相環(huán)工作原理，鎖定時 fo/N=fi，即 :fo=Nfi。 16路 PT/CT信號，進(jìn)行高精度、高速度采樣、高速運算。 (219) 電力系統(tǒng)頻率測量的實質(zhì)是信號觀測模型的動念參數(shù)辨識問題。 解析法 對信號模型進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，將待測量 f或 of表示為樣本值的顯函數(shù)來估計。當(dāng)前最常用的方法有快速傅立葉測量法 (FFT)?？偟膩碚f，快速傅立葉變換的發(fā)展方向有兩個，一是針對 N等于 2的整數(shù)次冪的算法，如基 2算法、基4算法等：另一個是 N不等于 2的整數(shù)次冪的算法，它是以 Winograd為代表的一類算法。 頻譜泄漏現(xiàn) 象和柵極效應(yīng) 根據(jù)傅立時變換的乘積定理，那么序列 x(n)的傅立葉變換為實際信號傅立葉變換x(錯誤 !未找到引用源。諧波分析中，各次諧波所泄漏的能量會相互影響，造成誤差。 =O． 5為海寧窗。 錯誤 !未找到引用源。當(dāng)采用不止一個周期的點數(shù)后，以它們的平均值作為當(dāng)前的周期采樣值，這樣就能夠在一定程度上消除采樣期間的隨機(jī)干擾。 ， 錯誤 !未找到引用源。 DSP 片內(nèi)有 34K 字的雙存儲 RAM（ DARAM），可在一個指令周期內(nèi)可以進(jìn)行兩次讀寫操作， 32位高性能 CPU 適合高速度和高精度數(shù)據(jù)處理。 =5， 錯誤 !未找到引用源。理論上就必須至少采樣 64 個點，對它們進(jìn)行分析， 進(jìn)行 FFT 計算。 (242) 進(jìn)一步設(shè)諧波信號采樣序列對應(yīng)的離散頻點為： 其中 錯誤 !未找到引用源。不同 K值和系數(shù) 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。級。這種算法在利用了knnW 的周期性和對稱性的特點的同時，主要是對重復(fù)出現(xiàn)的乘法運算作了合理和巧妙的安排。這種暫態(tài)現(xiàn)象有時也可看作是重復(fù)的周期量或有衰減的周期量，對它按傅立葉級數(shù)展開也可獲得相應(yīng)的諧波量，故有時也稱為暫態(tài)諧波；還會有暫態(tài)時變、非周期、非整數(shù)次諧波產(chǎn)生，如電弧燈、感應(yīng)爐、熒光照明設(shè)備等產(chǎn)生的諧波。這一要求往往與上述要求相沖突，在實踐中應(yīng)酌情考慮，在達(dá)到應(yīng)用要求的前提下，力求較高的性能價格比。 (2) 考慮有限整次諧波污染，在傅立葉分解模式下： 或 錯誤 !未找到引用源。 有功功率 P、無功功率 Q和視在功率 S的測量 正弦波情況下，有功功率為 P=UI，但是在電流、電壓含有各種諧波的情況下， 此時的有功功率為01 TP uidtT? ?。硬件同步采樣法是由專門的硬件電路產(chǎn)生同步于被測信號的采樣脈沖。 、算法及系統(tǒng)的特點 交流采樣過程 從一次設(shè)備 CT、 PT過來的電流、電壓經(jīng)高精度小 CT、 PT隔離變換成弱電信號后輸入，經(jīng)二階濾波器的增益調(diào)整電位器變成－ 5V～＋ 5V的信息，至模數(shù)變換器， DSP采樣后對數(shù)字進(jìn)行處理。 我國目前電力系統(tǒng)較多地采用由單片機(jī)實現(xiàn)的交流采樣遙測裝置，這種裝置在采樣速率及實時性和精度要求不是很高的場合得到了廣泛的應(yīng)用。 DSP技術(shù)的高速發(fā)展為電力參數(shù)測試技術(shù)帶來了新的變革，特別是在電力系統(tǒng)電壓和電流的高次諧波的測 量和分析中， DSP以其運算速度快、精度高、顯著的計算能力與實時性、數(shù)據(jù)輸入輸出能力強(qiáng)等特點而被廣泛應(yīng)用，并且采用 DSP開發(fā)的測量裝置體積小，集成度高 t隨著DSP芯片的性價比不斷提高，開發(fā)工具越來越完善， DSP的應(yīng)用成為目前電力參數(shù)測試丁 F發(fā)的最新趨勢，在電力參數(shù)測量領(lǐng)域大有取代單片機(jī)的趨勢。 [關(guān)鍵詞 ]:電力系統(tǒng)參數(shù)、 DSP、數(shù)據(jù)采集 Highspeed data acquisition system design for power system Student :Weng Xuejiao Electronics amp。 DSP 采樣后對數(shù)字進(jìn)行處理，構(gòu)成各類監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算各種遙測量在存入內(nèi)存的同時送到 CAN 總線等待取值。隨著一些新的高性能的電子芯片的推出，電子系統(tǒng)設(shè)計有了更多的選擇和更方便的條件，使交流電量同步采集得到了快速發(fā)展。隨著我國電力 系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量的擴(kuò)大使其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，實時監(jiān)控、調(diào) 節(jié) 的自動化顯得尤為重要； 特別是在以監(jiān)控為目的的 電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中，如何快速、準(zhǔn)確地采集各種電氣參數(shù)顯得尤為重要。在這種情況，就需要對電力參數(shù)和諧波情況進(jìn)行準(zhǔn)確、實時地檢測。 從以上研究可見，研制一種多功能的電力參數(shù)檢測裝置對于變電站的遠(yuǎn)距離 監(jiān)控具有非常重要的意義，它不但要能對如電壓、電流、功率、功率因數(shù)和頻率等重要的電力參數(shù)進(jìn)行實時檢測，還要對電力系統(tǒng)中的高次諧波進(jìn)行實時分析，從而使遠(yuǎn)處值班人員采取進(jìn)一步的措施，減少諧波污染，保證電能質(zhì)量，保證電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運行。隨著傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等發(fā)展，系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)廣泛 采用這些先進(jìn)的科研成果，使在線監(jiān)測逐步走向?qū)嵱没A段；監(jiān)測裝置可作為接入訪問平臺進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)設(shè)備資源和數(shù)據(jù)資源共享及遠(yuǎn)程操作。 由前面討論知，利用先進(jìn)的技術(shù)手段，采用精確合理的計算方法，研制功能齊全、性能優(yōu)良、使用方便的電力參數(shù)測量系統(tǒng)，是十分必要的。 交流采樣技術(shù)是按一定規(guī)律對被測信 號的瞬時值進(jìn)行采樣，再按一定算法進(jìn)行數(shù)值處理，從而獲得被測量的測量方法。 由三角函數(shù)在區(qū)間 [0， T]上的正交性特點，不難證明 XRn ＝ ?T tntxT0 cos)(2 ?dt XIn ＝－ ?T tntxT0 sin)(2 ?dt （ 2－ 3） 在數(shù)字計算中 XRn ＝ ??Nk NnkkxN 1 )2c o s ()(2 ? XIn ＝－ ??Nk NnkkxN 1 )2s in ()(2 ? N 為每個周期內(nèi)采樣點數(shù)。 頻率 信號觀測模型就是對于電力系統(tǒng)頻率概念及其測量技術(shù)所基于的物理信號的數(shù)學(xué)描述。 (2)精度要求。利用 DFT(FFT)過程求取模型參數(shù)進(jìn)而計算頻率偏移的方法過于簡單粗糙，不具有實用性；利用 FFT算法在頻率偏移工頻時固定抽樣頻率導(dǎo)致的泄漏效應(yīng)來估計系統(tǒng)頻率，其中后者采取遞推 FFT法以減少計算 f；該方法測 t范圍窄 (大約為額定頻率的 2L100／ 0)，且敏感于噪聲和信號幅值變化：對它的改進(jìn)包括自適應(yīng)采樣間隔和自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)窗長度，前者的優(yōu)點是提高了測量范圍、精度和算法穩(wěn)定性，后者的定點采樣方法易于硬件實現(xiàn)。其 DFT為： 10( ) ( ) , 0 , 1 , 2 . . . . . . 1N knNnX k x n k NW??? ? ?? （ 221） 式中 2kn j nkNNWe ??? 其逆變換為： 101( ) ( ) , 0 , 1 , 2 . . . . . . 1N knNnX n x n n NN W??? ? ?? （ 222） 顯然，當(dāng)已知 N個采樣值時，如直接按上式求出 N個頻率分量 X(k)，需要 N? N次復(fù)數(shù)乘法， N? (N— 1)次復(fù)數(shù)加法。下面將簡單介紹一下此算法的推導(dǎo)。 = 0；其余 采樣時間為 T，那么信號與矩形窗的乘積為： 錯誤 !未找到引用源。通常信號加窗都是在時域進(jìn)行的，即 錯誤 !未找到引用源。 為海寧窗， N 為采樣點數(shù)。 相位 錯誤 !未找到引用源。設(shè)含諧波的電流信號為： 其中 錯誤 !未找到引用源。 ,采樣頻率 錯誤 !未找到引用源。 表 2 FFT 和加窗插值 FFT 的檢測結(jié)果 頻率 基波 三次諧波 五次諧波 七次諧波 十一次諧波 十三次諧波 直接 FFT 海寧窗插值 FFT 幅值 40 3 5 4 2 1 直接 FFT 海寧窗插值 FFT 相位 5 10 30 60 100 120 直接 FFT 海寧窗插值 FFT . 系統(tǒng)硬件組成 系統(tǒng)主要由 DSP、 CPLD、 A/D 采樣保持器、網(wǎng)絡(luò)接口等部分組成。 為電流基波幅值， 錯誤 !未找到引用源。 電力系統(tǒng)中，高次諧波的主要成分是奇次諧波分量 3次、 5 次、 7次， …… 等等，偶次諧波含量很少，并且越到后面越高次的諧波分量含量更少。 的頻譜為： 錯誤 !未找到引用源。而對于余弦窗，可以先對信號進(jìn)行傅立葉變換，然后在頻域進(jìn)行處理。 ，即在 錯誤 !未找到引用源。 / 2 1/ 2 / 20( ) ( ) ( 2 )Nr k r kl l N Nrk r x rx w wX?????? （ 227） / 2 12 2 / 2 / 20( ) ( ) ( 2 1 )Nr k r kNNrk r x rx w wX??? ? ??? （ 228） 可見，一個 N點的 DFT被分解為兩個 N／ 2點的 DFT，這兩個 N／ 2點的 DFT再按照上面式 (226)合成為一個 N點 DFT，注意到， Xl(k)， X2(k)有 N／ 2個點，即 k=0， 1…… N／21，由 (226)式得到 X(k)只有 N／ 2點，而 X(k)卻有 N個點，即 k=0， 1， ?? N1，要用 Xl(k)， X2(k)表示全部 X(K)值，還必須應(yīng)用系數(shù) w的周期性和對稱性。當(dāng) N很大時，其計算量相當(dāng)可觀。 一個理想交流電源的電壓波形應(yīng)是單一恒定頻率的余弦波，而實際電力系統(tǒng)，不但頻率會在一定范圍內(nèi)變動，而且波形不會發(fā)生畸變，可以分解為不同頻率不同幅值的正弦波。 (3)速度要求。信號觀測模型的復(fù)雜化過程集中體現(xiàn)了這一領(lǐng)域的不斷發(fā)展：從簡單的純恒幅正、余弦信號，到周期和非周期信號的傅立葉分解，進(jìn)而引入信號動態(tài)，直至分布式隨機(jī)模型的應(yīng)用。 交流電壓、電流有效值的測量 在計算某一周期電壓信號有效值時， 201 TU dtT u? ? (24) 式中 u一一為 t時刻的電壓信號瞬時值 u(t)； T一一該電壓信號波形的周期： U一一交流電壓信號有效值。目前，高速單片機(jī)、 DSP及高速 AID轉(zhuǎn)換器的大量涌現(xiàn)，為交流采樣技術(shù)提供了強(qiáng)有力的硬件支持。在借鑒眾多電力參數(shù)測量儀器的功能和特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于 TMS320VC33 DSP為核心的電力參數(shù)測量裝置，其主要功能為：進(jìn)行實時采樣，完成電壓電流有效值、有功 功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因數(shù)的計算；完成諧波參數(shù)的計算，完成諧波分析；具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可完成與外部計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送；通過人機(jī)交互功能，讓用戶了解電力系統(tǒng)的運行狀況，并作出決策。虛擬儀器是建立在標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化、積木化的硬件和軟件平臺上的完全開發(fā)的系統(tǒng)，結(jié)合電力系統(tǒng)的應(yīng)用，開發(fā)應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)建立的高速、高效、大容量、多功能、智能化的實時監(jiān)測系統(tǒng)。早期的電力參數(shù)檢測大都采用的是模擬電子技術(shù)，測量裝置的體積龐大、功能單一、自動化度較低和數(shù)據(jù)測量精度不高，難以進(jìn)行諧波分析，不具備綜合分析和判斷功能，一般也不具備異常報警功能。 本文介紹的這套電力系統(tǒng)參數(shù)交流采樣 系統(tǒng) 是 采用 TMS320VC33 型高速數(shù)字信號處理器 (DSP)和兩片 16 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS8364 實現(xiàn) 快速、精確地采集和計算各種電力系統(tǒng) 參數(shù)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)近年來獲得了迅速發(fā)展，主要是因為：一是需要，即科學(xué)實驗與工業(yè)控制向高度自動化發(fā)展；而是可能，即微電子技術(shù)如大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，從而使器件向模塊化和單片機(jī)發(fā)展，使儀器本身向智能化發(fā)展（即微處理機(jī)為基礎(chǔ)），使用 軟件向?qū)崟r高級語言和軟件模塊化發(fā)展。 為了保證 電力 系統(tǒng) 的正常運行 ,我們需要對 電力 線上的電壓、電流和功率等各種參數(shù)進(jìn)行實時或頻繁的測量和 監(jiān)控 。 系統(tǒng)主要由 DSP、 CPLD、 A/D 采樣保持器、網(wǎng)絡(luò)接口等部分組成。該系統(tǒng)以 TI 公司生產(chǎn)的 TMS320VC33 DSP 為核心處理器 ,通過可編程邏輯器件 CPLD 實現(xiàn)對DSP 外圍設(shè)備的邏輯控制 ,并設(shè)計了模擬電路模塊 。 隨著電子技術(shù)和微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，微機(jī)廣泛地應(yīng)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(shù)得到了快速發(fā)展，精度和實時性有了很大的提高。 同時用微機(jī)取代傳統(tǒng)的變送器充分發(fā)揮微機(jī)功能強(qiáng)大、靈活可靠、使用方便等優(yōu)點。 基于 DSP技術(shù)，采用了新一代的浮點處理器 TMS320VC33為處理核心，圍繞TMS320VC33我們設(shè)計了電力參數(shù)測量系統(tǒng)，并對此系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，包括了數(shù)據(jù)處理單元、 A／ D轉(zhuǎn)換單元、通訊單元、存儲單元等，并應(yīng)用面向?qū)ο笳Z言設(shè)