【正文】 必須是 同時采樣，隱含了電壓和電流是每周期內(nèi)等間隔采樣，否則計(jì)算結(jié)果會存在很 大的誤差 [6][7]。 正弦波情況下，有功功率為 P ??UI cos ? ，但是在電壓、電流含有各次諧波 的情況下，此時有功功率為 1P ????u (t )i (t )dt T0 T (25) 8 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 那么單項(xiàng)有功功率離散化，以一個周期內(nèi)有限個電壓和電流瞬時值來代替 一個周期內(nèi)連續(xù)電壓和電流后得單項(xiàng)有功功率為： 1 N ?11 N ?1T1P ????(unin ?T ) ????(unin ) ? ???T n ?0T n ?0NN ?u i n??0 N ?1 nn (26) 其中 un、 in 為三相電壓、電流的瞬時采樣值。根據(jù)數(shù) 值積分中的矩形算法，有： 1 N ?1 2 U? ???????un ?T T n ?0 1 N ?1 2 I? ???????in ?T T n ?0 (23) T ，可得到交 流采 ?T 若相鄰兩次采樣時間間隔 ?T 都相等，則 ?T 為一常數(shù)： N ? 樣電壓電流有效值的計(jì)算公式： U? 1 N ?u n ?0 N ?1 2 ( n) I ? 1 N ?i n ?0 N ?1 2 (n) (24) 即為根據(jù)每周期內(nèi)采樣瞬時值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓電流有效值公式。當(dāng)滿足采樣定理時離 散采樣序列 i(n)、 u(n)將包含工頻交流信號中有關(guān)電參量的信息，由數(shù)值積分理 論可計(jì)算出工頻交流電信號的電參量。目前，高速單片機(jī)、 DSP 及高 速 A/D 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 [4]。 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 7 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 進(jìn)行數(shù)值處理，從而獲得被測信號信息的方法。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)系將發(fā)生變化，給計(jì)算結(jié)果帶來誤差。而根據(jù)被采集信號方法的不同，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。常用的方法是對該波形的連續(xù)時間信號進(jìn) 行等間隔采樣，并把采樣值轉(zhuǎn)化為 數(shù)字序列，借助相關(guān)算法進(jìn)行諧波分析。 對于一個畸變的非正弦周期函數(shù)，可以用傅里葉級數(shù)表示為： f (t ) ??A0 ??A1 cos(ω1t ???1 ) ??A2 cos(ω2t ??? 2 ) ??... ??An cos(ωn t ??? n ) ??... (21) 其中， 0 是直流分量， n 是周期分量的峰值； ?n 是響應(yīng)周期分量的初相角。 基本電參量的測量原理及方法 電力系統(tǒng)的電壓、電流理想波形是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，正弦波供電能夠減少鐵 損并提高效率。這些量主要包括：三相電壓、電流有效值； 電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率；電壓、電流的各次諧波分量及諧波總畸變率；三相有功功率， 三相無功功率和三相視在功率；功率因數(shù)；各次諧波含有率；波形及波形因數(shù)； 電壓、電流中的負(fù)序和正序分量；電壓波動值 [3]。 電能質(zhì)量的五個主要指標(biāo)為：電力系統(tǒng)諧波、電壓波動和閃變、電壓允許 偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差和三相電壓允許不平衡度。 該算法實(shí)時性好、簡單，在不需要測量基波和各次諧波參數(shù)的情況下，可以選 用此方法；傅里葉及改進(jìn)的傅里葉算法是目前應(yīng)用最多的算法，可以一次算出 信號中所用的諧波，應(yīng)用方便，已經(jīng)才電力系統(tǒng)測量中得到了廣泛的應(yīng)用 ；小 波變換算法因其在時域頻域都具有較好的分辨率，在電力系統(tǒng)測量中有很好的 研究價(jià)值 [2]。 非正弦模型算法主要有：有效值算法、傅里葉及改 進(jìn)的傅里葉算法、最小 二 乘 算法 （ Least error square algorithm） 卡爾曼濾波算 法 （ Kalman filter、 algorithm） 、小波變換算法等。 正弦模型算法主要有最大值算法、單點(diǎn)算法、半周期積分算法、兩點(diǎn)算法、 導(dǎo)數(shù)算法、和快速三點(diǎn)算法。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流 采樣以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，有逐步取代直流采樣的趨勢。直流采樣是把交 流電壓、電流信號轉(zhuǎn) 化為 0~5V 的直流電壓，這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是算法簡單，便于濾波，但投資 較大，維護(hù)復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時信號采集，因而在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。 5 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2章 電力參數(shù)的測量原理 電力系統(tǒng)基本電參量的測量主要包括：電流有效值、電壓有效值、有功功 率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率等。重點(diǎn)介紹了 FFT 算法在 DSP 上的實(shí)現(xiàn)方法以及基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)法 的低通 FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的脫機(jī)運(yùn)行， 設(shè)計(jì)了 DSP 的 Bootloader。各模塊 之間通過信息交換協(xié)調(diào)工作。 4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第 4 章介紹了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方法。 對按時間抽取（ DITFFT）的基 2FFT 算法的原理和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并 采用了一種針對電力參數(shù)采集中實(shí)序列輸入的高效 FFT 算法。本節(jié)著重介紹了目前電力諧波的測量理論，包括快速傅里葉變換、 瞬時無功功率理論、小波變換等，通過對其的比較，選擇快速傅里葉變換作為 本系統(tǒng)的諧波測量方法。 論文研究的主要內(nèi)容 本論文緊密結(jié)合導(dǎo)師的電力參數(shù)監(jiān)測裝置的實(shí)際開發(fā)項(xiàng)目，在借鑒同類裝 置的基礎(chǔ)上，研制和開發(fā)一種實(shí)用、完全脫 離仿真器、低成本的便攜式電力參 數(shù)監(jiān)測儀表，從測量裝置的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、算法分析等角度進(jìn)行研究， 重點(diǎn)是對現(xiàn)有的 FFT 諧波分析算法進(jìn)行研究和仿真，通過比較選擇了合適的窗 函數(shù)和插值算法進(jìn)行誤差修正，有效的抑制頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)。 總體來看，國內(nèi)對電能質(zhì)量裝置的研究起步晚，隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行管理的 系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化，單一功能的電能質(zhì)量監(jiān)測儀已經(jīng)不適合現(xiàn) 3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 代化電能管理的需求。國內(nèi)廣泛采用統(tǒng)計(jì)型電壓表 監(jiān)測電壓質(zhì)量水平，這些電壓監(jiān)測儀只能監(jiān)測電壓合格率，需要人工抄表，缺 乏統(tǒng)計(jì)分析功能，而諧波和電壓波動、閃變的測量則用便攜式測量儀器，分別 對變電站的各級母線電壓、主變壓器各側(cè)的諧波電流、電容器組的諧波電流進(jìn) 行測量，對大中型非線性負(fù)荷用 戶和電廠以及低壓配電網(wǎng)電流進(jìn)行測量，然后 根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)分析，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平進(jìn)行評估。硬件方面有基于 DSP 芯片、基于單片機(jī) 、 基于雙 CPU 系統(tǒng)、基于 ARM 系統(tǒng)等；軟件方面充分利用了 LabView 技術(shù)、 CAN 總線、 LONWORKS 總線、 Web 技術(shù)等實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測；此外還有一些專門測量 電壓閃變等暫態(tài)量的測量裝置。其中電能質(zhì)量評價(jià)體 系的建立主要涉及電 能質(zhì)量的定義、綜合評價(jià)體系及其咋電力市場、智能建筑中的應(yīng)用等方面； 20xx 年 4 月，經(jīng)國家發(fā)改委批準(zhǔn)組建的電力行業(yè)電能質(zhì)量計(jì)柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委 員會，正進(jìn)一步完善國家的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系；算法分析是電能質(zhì)量研究的重 要內(nèi)容，目前相關(guān)的算法研究主要致力于利用 FFT 算法、小波分析、窗函數(shù)等 工具，進(jìn)行信號去噪、信號提取以及諧波分析等方面的處理。 在國內(nèi)，目前電能質(zhì)量中的某些問題已成為電工領(lǐng)域的前沿性課題，吸引 了許多高等院校和科研機(jī)構(gòu)的一大批科技人員投入其中進(jìn)行研究。 1996 年， IEEE 決定將每兩年召開一次的電力諧波國際學(xué)術(shù)會議（ ICHPS）更名為電 力諧 波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會議（ ICHAP），討論的主題包括利用先進(jìn)的電能計(jì)量的分析 方法開發(fā)新型實(shí)用的電能計(jì)量裝置，把電能質(zhì)量提高到一個新的認(rèn)識高度。這類儀器的硬件基 礎(chǔ)是采集技術(shù)和 輸入輸出技術(shù)，而軟件基礎(chǔ)在于數(shù)據(jù)的采樣和處理方法。這類儀器內(nèi)部含有微處理器，通過微處理器來 控制數(shù)據(jù)的采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 第三代是智能儀器。這類儀器同指針式儀器相比， 精度有了很大提高，能直觀讀取測量結(jié)果，而且可靠性高，易于使用。 電力參數(shù)監(jiān)測裝置的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段 [1]： 第一代是指針式儀器，如模擬萬用表、電壓表、電流表等，這些儀器儀表 的基本結(jié)構(gòu)是電磁式、電動式、感應(yīng)式、靜電式、電熱式等。供電質(zhì)量問題不僅對大型企業(yè)的正常運(yùn)作影響較大，同時對重大活動的 安全供電影響較大。大量電力電子設(shè)備的使用是新技術(shù)的運(yùn)用，同時也是電能質(zhì)量惡化的 制造者和受害者。只有充分的了解 1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，及時地監(jiān)測電網(wǎng)中的各個指標(biāo)，對其分析、統(tǒng)計(jì)后，才能找 到問題的根源，分析其嚴(yán)重程度，從而得出處理的方法，進(jìn)一步解決這些問題。所有的這些 問題將會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生產(chǎn)事故，產(chǎn)生嚴(yán)重的安 全隱患。 一直以來，供電線路的電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等參 數(shù)的檢測是掌握供電線路和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)，有些參數(shù)還是保證功率補(bǔ)償 有效性和合理性的決策依據(jù)。現(xiàn)代社會對電能的需求量日益增加，同時對電能質(zhì)量 的要求也越來越高。 本系統(tǒng)具有很高的測量速度和測量精度，人機(jī)界 面友好，易于操作，功能 齊全，具有可擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)的硬件和軟件升級，具有很好的研究價(jià)值和實(shí) 用價(jià)值。 同時，對于頻譜分析的抗混疊處理，本文設(shè)計(jì)了基于窗函數(shù)的數(shù)字濾波器。采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)分為信號采 集模塊、信號處理模塊、人機(jī)接口模塊等多個功能模塊，各模塊之間通過信息 交換協(xié)調(diào)工作。 本文首先論述了電力系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測的意義及研究發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了諧波的 危害和目前存在的諧波檢測方法，并在電能質(zhì)量和電能計(jì)量相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)的 基礎(chǔ)上，提出了電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，然后從硬件、軟件和算法三個 方面詳細(xì)介紹了電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的研制。碩士學(xué)位論文 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 DESIGN AND RESEARCH OF THE ELECTRIC POWER QUALITY MONITORING SYSTEM 李林 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 20xx 年 6 月 國內(nèi)圖書分類號： TM932 國際圖書分類號： 學(xué)校代碼： 10213 密級：公開 工學(xué)碩士學(xué)位論文 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 碩 士 研究生：李林 導(dǎo)師：曲延濱教授 申 請 學(xué) 位 ： 工學(xué) 碩士 學(xué) 科 專 業(yè) ： 電氣工程 所 在 單 位：信息科學(xué)與工程學(xué)院 答 辯 日 期： 20xx 年 6 月 授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué) Classified Index: TM932 : Dissertation for the Master Degree in Engineering DESIGN AND RESEARCH OF THE ELECTRIC POWER QUALITY MONITORING SYSTEM Candidate: Supervisor: Academic Degree Applied for: Specialty: Affiliation： Date of Defense: DegreeConferringInstitution: Li Lin Prof. Qu Yanbin Master of Engineering Electrical Engineering School of Information Science and Engineering June, 20xx Harbin Institute of Technology 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 隨著國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代電力電子變流裝置和非線性設(shè) 備被大量使用，電能質(zhì)量問題已經(jīng)引起電力部門和許多重要商業(yè)用戶的密切關(guān) 注，一方面是電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降，另一方面卻是用戶對電能質(zhì)量要求的提高， 其矛盾日益尖銳。因此，如何提高和保證電能質(zhì)量己經(jīng)成為我國電力系統(tǒng)面臨 的重要問題，對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測與分析具有十分重要的意義。 根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的需要，本文采用 DSP+MCU 構(gòu)架，充分發(fā)揮 DSP 芯片的數(shù) 字處理能力和 MCU 的控制功能。硬件方面，本文詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等模塊的具體 電路實(shí)現(xiàn)，以及相關(guān)的系統(tǒng)電路擴(kuò)展；軟 件方面，本文著重分析了諧波分析算 法，采用了一種針對實(shí)輸入序列的高效 FFT 算法，并對使用 FFT 算法帶來的頻 譜泄漏和柵欄效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了基于窗函數(shù)的插值 FFT 算法，給出 了算法的 DSP 實(shí)現(xiàn)方法，并在 MATLAB 中進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了算法的正確性。對 于 DSP 自舉引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)、 DSP 與 A/D 以及 MCU 的接口編程以及數(shù)據(jù)的采 集，本文也詳細(xì)的介紹了其實(shí)現(xiàn)過程。 關(guān)鍵詞 電能質(zhì)量監(jiān)測；諧波分析；數(shù)字濾波器； FFT； DSP I 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 Abstract With the rapid development of nation