【文章內(nèi)容簡介】 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。在實現(xiàn)自動化的過程中，首要環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集。 國際電工委員會（ IEC）標(biāo)準(zhǔn) IEC61850對采樣速率有明確的要求，由表 1可知對 220kV及以上電壓等級輸電系統(tǒng)的監(jiān)測裝置和儀表應(yīng)達(dá)到 M2級和 M3級，交流采樣的遙測裝置每周期 ( )采樣點數(shù)分別要求大于 80和 240點。由單片機(jī)實現(xiàn)的交流采樣遙測裝置很難達(dá)到此要求，而 DSP具有高速度、高精度、并行性、高集成度和高性能價格比等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于交流采樣遙測裝置。 本文介紹的這套系統(tǒng)使用高速度 CT,PT采樣，采用快速傅立葉變換算法，計算高達(dá) 15次諧波，完成功率、電度、功 率因數(shù)、電壓、電流、頻率等的計算，具有高精度，高穩(wěn)定性。其采樣速率為 12kHz,完全能達(dá)到 IEC61850采樣速率的要求。 表 1 IEC 61850對測量儀表的生數(shù)據(jù)要求 數(shù)據(jù)類型 級別 精確度級和諧波 分辨度 (幅值 )／ bit 采樣速率 每秒采樣次數(shù) 每周期采樣次數(shù)（ 50Hz） 電壓 M1 (IEC60687) 12 1500 30 電流 M1 (IEC60044)最多 5次諧波 14 1500 30 電壓 M2 (IEC60687) 14 3000 80 電流 M2 (IEC60044)最多 13次諧波 16 3000 80 電壓 M3 16 4000 240 電流 M3 IEC未定義最多 40次諧波 18 4000 240 針對表 1的要求，本文介紹的這套電氣參數(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氣參數(shù)。 該系統(tǒng)還具有性能價格比高、維護(hù)方便的特點。 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。 電力參數(shù)測量和諧波分析涉及到大量的數(shù)據(jù)計算，加上系統(tǒng)其它的任務(wù)，采用單 片 CPU甚至雙 CPU的裝置顯得力不從心，將 DSP芯片應(yīng)用于電力系統(tǒng)設(shè)備，有著傳統(tǒng)的單片機(jī)所不可比擬的優(yōu)勢。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。 本文的主要工作包括： l、首先分析了電力參數(shù)測量的重要意義，對電力參數(shù)檢測的發(fā)展概況作了 簡單的回顧，并總結(jié)了當(dāng)前國內(nèi)外對電力參數(shù)的研究現(xiàn)狀，簡要的討論了電力參 數(shù)檢測中的主要測量方法以及它們的優(yōu)缺點。 分析了電力系統(tǒng)諧波的問題及危害，并應(yīng)用基于無功功率理論諧波測量法和 FFT方法用于諧波的檢測，并對 FFT作了 通過加窗和插值改進(jìn)，來提高測量的精度，對這兩種方法作了仿真試驗，達(dá)到了檢測諧波的可行性研究。 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)計了下位機(jī)平臺。 對本裝置的設(shè)計作了總結(jié)，并提出了對未來工作的展望。 、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。圖 ， DSP處理后就計算出了各種遙測量，存入存儲器同時通過 CAN總線上傳。 其中二階濾波器的作用主要是補(bǔ)償 CT、 PT的相移，同時濾除 16次以上的諧波，以滿足交流采樣算法之要求。 圖 （三表法） 目前，交流電參量的采樣 測量方法主要有兩種 :直流采樣法和交流采樣法。直流采樣法是采樣經(jīng)過整流后的直流量，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。但直流采樣法存在一些問題 :測量精度直接受整流電路的精度和穩(wěn)定性的影響 。整流電路參數(shù)調(diào)整困難且受波形因素影響較大 。此外，用直流采樣法測量工頻電壓、電流是通過測量平均值來求出有效值的，當(dāng)電路中諧波含量不同時，平均值與有效值之間的關(guān)系也將發(fā)生變化，給計算結(jié)果帶來了誤差。因此，要獲得高精度、高穩(wěn)定性的測量結(jié)果，必須采用交流采樣技術(shù)。 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。該方法的理論基礎(chǔ)是采樣定理，即要求采樣頻率為被測信號頻譜中最高頻率的 2倍以上，這就要求硬件處理電路能提供高的采樣速度和數(shù)據(jù)處理速度。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。交流采樣法包括同步采樣法、準(zhǔn)同步采樣法、非同步采樣法等幾種，本文介紹的是同步采樣法。 同步采樣法就是整周期等間隔均勻采樣，要求被測信號周期 T與采樣時間間隔 t?及一周內(nèi)采樣點數(shù) N之間滿足關(guān)系式 T=N t? ，即 :采樣頻率為被測信號頻率的 N倍。根據(jù)提供采樣信號方式不同，同步采樣法又分為軟件同步采樣法和硬件同步采樣法兩種。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。它能克服軟件同步采樣法存在截斷誤差等缺點，測量精度高。利用鎖相頻率跟蹤原理實現(xiàn)同步等間隔采樣的電路如圖 。 圖 倍頻鎖相同步電路 在相位比較器 PD、低通濾波器 LP、壓控振蕩器 VCO構(gòu)成的鎖相環(huán)內(nèi)加入 N分頻器，輸入 f,為被測信號的頻率，作為鎖相環(huán)的基準(zhǔn)頻率，輸出 fo為采樣頻率。 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。由于鎖相環(huán)的實時跟蹤性，當(dāng)被測信號頻率 fi變化時，電路能自動快速跟蹤并鎖定，始終滿足 fo =Nfi的關(guān)系，即采樣頻率為被測信號頻率的整數(shù) (N)倍，從而實現(xiàn)一周內(nèi)等間隔采樣 N點，從根本上克服了軟件同步采樣法存在的上述問題。 此外，還可將分頻系數(shù) N設(shè)計為程控可調(diào)，則可根據(jù) 不同頻率的被測信號及DSP,A/D轉(zhuǎn)換器的速度，動態(tài)改變 N值，以達(dá)到最好的效果。 交流采樣算法 本系統(tǒng)高速測量輸入遙測信號的周期，進(jìn)行頻率跟蹤，將一個工頻周期等分成 240或者 80點進(jìn)行采樣，然后對采樣點進(jìn)行快速傅立葉分解，計算出 1－ 15次諧波并進(jìn)行數(shù)字濾波，從基波開始一直計算到 15次諧波分量的有效值和總有效值。 假設(shè)輸入信號為一周期性信號，即輸入信號中，除基頻分量外，只包含恒定的直流分量和各種整次諧波分量，輸入信號可表示為： x (t)=X0 +??? ?1 )c o s (n nn tnX ?? （ 2－ 1） X0 是直流分量， ? 為基頻角頻率， Xn 、 n? 為第 n 次諧波分量的幅值和相位，將（ 2－ 1）式展開： x(t)=X0 +??? ?1 )s inc o s(n InRn tnXtnX ?? （ 2－ 2） 其中 XRn =Xn cos n? 為第 n 次諧波分量實部， XIn =Xn sin n? 為第 n 次諧波分量虛部。 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)。 n＝ 1 則基頻分量的實部和虛部分別為： X1R ＝ ??Nk NkkxN 1 )2c o s ()(2 ?和 X1I ＝－ ??Nk NkkxN 1 )2s in ()(2 ? 幅值為 X1 = 2121 IR XX ? 相角為 1? ＝ arctg(11RIXX ) 當(dāng) n＝ k時由 XRn ＝ ??Nk NnkkxN 1 )2c o s ()(2 ? XIn ＝－ ??Nk NnkkxN 1 )2s in ()(2 ? Xn ＝ 22 InRn XX ? n? ＝ arctg(RnInXX ) 將 k 代入算式就可以求出各次諧波的實部、虛部、幅值、相角等值。 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。 如果將式 (24)離散化，以一個周期內(nèi)有限個采樣電壓數(shù)字量來代替電壓函數(shù)，則 211 NmmUTT u?? ? (25) 式中 —— 相鄰兩次采樣的時間間隔； —— 第 m個時間間 隔的電壓信號采樣瞬時值； N—— 一個周期的采樣點數(shù)。 若相鄰兩次采樣的時間間隔都相等，為常數(shù)。因為 TNT? 則： 211 NmmU N u?? ? (26) 這就是根據(jù)一個周期內(nèi)采樣瞬時值及每周期采樣點數(shù)計算電壓信號有效值的公 式。 同理，記 im為第 m個時間間隔采樣得到的電流瞬時值，該電流有效值 I為： 211 NmmI N i?? ? (27) 平均功率 T的計算 111 NmmmW N ui??? ? （ 28） 其中 N為電壓電流的周期，當(dāng)一個周期內(nèi)采樣點數(shù)越多時，用此式的誤差越小，精度越高。 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? ?。那么單相有功功率離散化后可得： 101 NmmmP N ui??? ? （ 29） mu , mi 為三相電壓、電流的瞬時采樣值。 視在功率為 :S=UI (210) 無功功率為： 22Q S P?? (211) 對于三相功率 : = A B CP P P P??總 (212) A B CQ Q Q Q? ? ?總 (213) 功率因數(shù)的測量 由于前面已經(jīng)測出了電壓、電流的有效值，以及平均功率，故功率因數(shù)可表示為： cos PUI? ? (214) 當(dāng)信號為電壓時，電壓的總有效值為 U= ????? 222120 UUU ／ 2 當(dāng)信號為電流時，電流的總有效值為 I= ????? 222120 III ／ 2 有功功率 P為 P＝ U0 I0 +U1 I1 COS 1? +﹒﹒﹒ + Uk Ik COS k? +﹒﹒﹒ 式中 Uk = 2kmU， Ik ＝2kmI， k? ＝ kiku ?? ? ， k＝ 1， 2﹒﹒ ﹒ Ukm 、 Ikm 為最大幅值。 2． 此交流采樣系統(tǒng)特點 15次諧波，采樣速率大范圍可調(diào)，可以在 100Hz～ 12kHz間調(diào)節(jié)，完全能達(dá) 到 IEC 61850的要求，可廣泛應(yīng)用于各種采樣速率比較高的交流采樣遙測裝置。 16路 PT/CT信號，進(jìn)行高精度、高速度采樣、高速運算。 16位 A/D構(gòu)架、能進(jìn)行快速模數(shù)轉(zhuǎn)換。 ，通過 RS－ 232接口可以連接 PC機(jī)，從而給調(diào)試帶來了很多方 便。還可以將 EEPROM中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入 PC機(jī)存盤并利用 PC機(jī)離線對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 ，當(dāng)電壓電流等發(fā)生突變時能實時上傳告警信號。 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。電力系統(tǒng)頻率測量概念的引申和擴(kuò)展，關(guān)鍵在于信號對象 x(t)的選取及其觀測模型的確立。信號觀測模型的復(fù)雜化過程