【正文】 等的大量應(yīng)用，導(dǎo)致在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的諧波，進(jìn)而引起電壓、電流波形發(fā)生畸變，電力諧波不僅會(huì)嚴(yán)重危害供用電設(shè)備和電氣儀表，使供電質(zhì)量不斷下降，影響計(jì)量設(shè)備的測(cè)量控制，不能準(zhǔn)確地反映電力系統(tǒng)運(yùn)行的情況，損害用戶的利益，也會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)本身造成不良的影響和危害。 從以上研究可見(jiàn)，研制一種多功能的電力參數(shù)檢測(cè)裝置對(duì)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(duì)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(shí)時(shí)檢測(cè)，還要對(duì)電力系統(tǒng)中的高次諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yùn)行。早期的電力參數(shù)檢測(cè)大都采用的是模擬電子技術(shù)，測(cè)量裝置的體積龐大、功能單一、自動(dòng)化度較低和數(shù)據(jù)測(cè)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(bào)警功能。50年代出現(xiàn)數(shù)字式儀表，電力系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量進(jìn)入一個(gè)新的階段：數(shù)字式儀表采用數(shù)字電路進(jìn)行信息的數(shù)字化處理，與早期的模擬儀表相比，可以得比較高的精確度，靈敏度提高，價(jià)格低，但整體應(yīng)用范圍較窄，功能比較單調(diào)，移植性較差，難以適合高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理。但是電力系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)裝置的實(shí)時(shí)性，計(jì)算能力及大數(shù)掘量運(yùn)算速度等各方面要求的不斷提高，采用一片CPU或雙CPU微機(jī)式的電力參數(shù)檢澳4儀器，需要同時(shí)完成電力參數(shù)和諧波的大數(shù)據(jù)量的計(jì)算，再加上A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送等系統(tǒng)內(nèi)容的影響，致使系統(tǒng)測(cè)量精度和準(zhǔn)確度越來(lái)越不能滿足日益提高的性能要求。我國(guó)對(duì)電力系統(tǒng)參數(shù)的研究和開(kāi)發(fā)起步較晚，測(cè)量?jī)x器整體測(cè)量水平較低，存在著實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，檢測(cè)指標(biāo)少，效率低等局面；目前國(guó)內(nèi)還在使用一些模擬式和數(shù)字式測(cè)量?jī)x表，雖然一些專(zhuān)門(mén)的測(cè)量裝置已經(jīng)在一些部門(mén)投入使用，但是多數(shù)是一些功能比較單一的測(cè)試儀和分析儀，多功能、精度高的測(cè)量裝置在市場(chǎng)上比較少見(jiàn)；近年來(lái)．我國(guó)的不少?gòu)S家通過(guò)借鑒國(guó)外的測(cè)量?jī)x器以及通過(guò)與外國(guó)公司的合作，不斷研制和推出了各種系列的高性能測(cè)量?jī)x器。這些測(cè)量?jī)x器其性能比較先進(jìn)，功能也比較齊全，可以測(cè)量有效值、功率和諧波、閃變和三相不平衡度等所有參數(shù)，具有RS．23RS485等通訊方式，顯示方式美觀大方，可以實(shí)時(shí)顯示數(shù)值、波形、頻譜圖等：雖然在技術(shù)上看，我國(guó)的測(cè)量?jī)x器有了不少的進(jìn)步，但在一些性能指標(biāo)、可靠性和智能化程度方面與國(guó)外的同類(lèi)產(chǎn)品還有一定的差距。研制推出了眾多在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先的測(cè)量?jī)x器，如美國(guó)Fluke公司推出的F43B電能質(zhì)量分析儀，瑞典UNIPOWER公司的UP系列電能質(zhì)量測(cè)量?jī)x等，可實(shí)時(shí)檢測(cè)電力系統(tǒng)中的所有參數(shù)，計(jì)算高達(dá)51次的諧波，可以捕捉電壓瞬變和驟升驟降及浪涌電流的顯示，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，還具有全中文操作軟件，顯示方式多樣，硬件全電子化等特點(diǎn)。當(dāng)前，電力系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)儀器正朝著以下方向發(fā)展：體積小型化、功能多樣化、功耗減小，維持電流降低化、采用新器件更高可靠性、顯示方式普遍更新。隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等發(fā)展，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)廣泛采用這些先進(jìn)的科研成果，使在線監(jiān)測(cè)逐步走向?qū)嵱没A段；監(jiān)測(cè)裝置可作為接入訪問(wèn)平臺(tái)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源和數(shù)據(jù)資源共享及遠(yuǎn)程操作。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(tái)上的完全開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，結(jié)合電力系統(tǒng)的應(yīng)用，開(kāi)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y(cè)量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，因而實(shí)時(shí)性好，相位失真小。隨著微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，交流采樣必將以高速度、高精度、高性能，逐步取代傳統(tǒng)的直流采樣方法。隨著我國(guó)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(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)節(jié)的自動(dòng)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(dòng)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。 國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)IEC61850對(duì)采樣速率有明確的要求，由表1可知對(duì)220kV及以上電壓等級(jí)輸電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置和儀表應(yīng)達(dá)到M2級(jí)和M3級(jí)，交流采樣的遙測(cè)裝置每周期()采樣點(diǎn)數(shù)分別要求大于80和240點(diǎn)。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(jì)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(jì)算，具有高精度，高穩(wěn)定性。 表1 IEC 61850對(duì)測(cè)量?jī)x表的生數(shù)據(jù)要求數(shù)據(jù)類(lèi)型級(jí)別精確度級(jí)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)12150030電流M1(IEC60044)最多5次諧波14150030電壓M2(IEC60687)14300080電流M2(IEC60044)最多13次諧波16300080電壓M3164000240電流M3IEC未定義最多40次諧波184000240 針對(duì)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(hào)處理器 (DSP)和兩片16位高速A/D轉(zhuǎn)換器ADS8364實(shí)現(xiàn)快速、精確地采集和計(jì)算各種電氣參數(shù)。 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(jì)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(cè)量系統(tǒng)，是十分必要的。在借鑒眾多電力參數(shù)測(cè)量?jī)x器的功能和特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于TMS320VC33 DSP為核心的電力參數(shù)測(cè)量裝置，其主要功能為：進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，完成電壓電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、頻率、功率因數(shù)的計(jì)算；完成諧波參數(shù)的計(jì)算，完成諧波分析；具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可完成與外部計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送；通過(guò)人機(jī)交互功能，讓用戶了解電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并作出決策。 分析了電力系統(tǒng)諧波的問(wèn)題及危害，并應(yīng)用基于無(wú)功功率理論諧波測(cè)量法和FFT方法用于諧波的檢測(cè)，并對(duì)FFT作了通過(guò)加窗和插值改進(jìn)，來(lái)提高測(cè)量的精度，對(duì)這兩種方法作了仿真試驗(yàn)，達(dá)到了檢測(cè)諧波的可行性研究。對(duì)本裝置的設(shè)計(jì)作了總結(jié)，并提出了對(duì)未來(lái)工作的展望。DSP處理后就計(jì)算出了各種遙測(cè)量，存入存儲(chǔ)器同時(shí)通過(guò)CAN總線上傳。 （三表法） 目前，交流電參量的采樣測(cè)量方法主要有兩種:直流采樣法和交流采樣法。但直流采樣法存在一些問(wèn)題:測(cè)量精度直接受整流電路的精度和穩(wěn)定性的影響。此外，用直流采樣法測(cè)量工頻電壓、電流是通過(guò)測(cè)量平均值來(lái)求出有效值的，當(dāng)電路中諧波含量不同時(shí)，平均值與有效值之間的關(guān)系也將發(fā)生變化，給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)了誤差。交流采樣技術(shù)是按一定規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)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(cè)量的測(cè)量方法。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。同步采樣法就是整周期等間隔均勻采樣，要求被測(cè)信號(hào)周期T與采樣時(shí)間間隔及一周內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)N之間滿足關(guān)系式T=N根據(jù)提供采樣信號(hào)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。它能克服軟件同步采樣法存在截?cái)嗾`差等缺點(diǎn)，測(cè)量精度高。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(shí)fo/N=fi，即:fo=Nfi。 此外，還可將分頻系數(shù)N設(shè)計(jì)為程控可調(diào)，則可根據(jù)不同頻率的被測(cè)信號(hào)及DSP,A/D轉(zhuǎn)換器的速度，動(dòng)態(tài)改變N值，以達(dá)到最好的效果。 假設(shè)輸入信號(hào)為一周期性信號(hào)，即輸入信號(hào)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(hào)可表示為：x (t)=X + （2－1）X是直流分量，為基頻角頻率，X、為第n次諧波分量的幅值和相位，將（2－1）式展開(kāi)：x(t)=X + （2－2）其中X=Xcos為第n次諧波分量實(shí)部，X=Xsin為第n次諧波分量虛部。 n＝1則基頻分量的實(shí)部和虛部分別為：X＝和X＝－幅值為X= 相角為＝arctg()當(dāng)n＝k時(shí)由X＝ X＝－ X＝ ＝arctg()將k代入算式就可以求出各次諧波的實(shí)部、虛部、幅值、相角等值。如果將式(24)離散化，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓數(shù)字量來(lái)代替電壓函數(shù)，則 (25)式中 ——相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔； ——第m個(gè)時(shí)間間隔的電壓信號(hào)采樣瞬時(shí)值；N——一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。因?yàn)閯t： (26)這就是根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)采樣瞬時(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓信號(hào)有效值的公式。有功功率P、無(wú)功功率Q和視在功率S的測(cè)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(shí)的有功功率為。視在功率為:S=UI (210)無(wú)功功率為： (211)對(duì)于三相功率: (212) (213)功率因數(shù)的測(cè)量由于前面已經(jīng)測(cè)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： (214)當(dāng)信號(hào)為電壓時(shí)，電壓的總有效值為U=／2當(dāng)信號(hào)為電流時(shí)，電流的總有效值為I=／2有功功率P為P＝UI+UICOS+﹒﹒﹒+ UICOS+﹒﹒﹒ 式中U= ，I＝，＝，k＝1，2﹒﹒﹒ U、I為最大幅值。，進(jìn)行高精度、高速度采樣、高速運(yùn)算。，通過(guò)RS－232接口可以連接PC機(jī)，從而給調(diào)試帶來(lái)了很多方便。，當(dāng)電壓電流等發(fā)生突變時(shí)能實(shí)時(shí)上傳告警信號(hào)。電力系統(tǒng)頻率測(cè)量概念的引申和擴(kuò)展，關(guān)鍵在于信號(hào)對(duì)象x(t)的選取及其觀測(cè)模型的確立。常見(jiàn)的信號(hào)模型及頻率定義如下：(1) 基于純恒幅正、余弦信號(hào)的傳統(tǒng)頻率概念： 或 (215)定義 (216)其中x(t)普遍取單一的相(線)電壓或電流。即利用真實(shí)系統(tǒng)物理信號(hào)輸入，通過(guò)一定的信號(hào)處理和數(shù)值分析過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)定模型參數(shù)的較好估計(jì)。由于對(duì)頻率的理解和應(yīng)用的實(shí)際要求不同，頻率測(cè)量在上述各方面存在較大的差異，雖然其實(shí)現(xiàn)的策略不同，但仍有一些共同的基本要求： (1)反映電力系統(tǒng)的物理真實(shí)性和實(shí)施控制的有效性。 (2)精度要求。 (3)速度要求。 (4)魯棒性。(5) 實(shí)現(xiàn)代價(jià)小。 周期法 原始的周期法(或稱(chēng)零交法：zero—cr08singa Igorithm)基于如式(2—15)所示的簡(jiǎn)單的信號(hào)模型，通過(guò)測(cè)量信號(hào)波形相繼過(guò)零點(diǎn)間的寬度來(lái)計(jì)算頻率。需要對(duì)其測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性進(jìn)行改進(jìn)，典型的改進(jìn)算法有水平交(1evel crossing)算法高次修正函數(shù)法和最小多項(xiàng)式曲線擬合法，它們以計(jì)算量和復(fù)雜度為代價(jià)來(lái)提高算法的精確度和響應(yīng)速度(原始周期算法的時(shí)延決定于信號(hào)的特征而非計(jì)算量)，一定程度上喪失了原有零交算法的簡(jiǎn)明性。解析法側(cè)頻的特點(diǎn)是：涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，為了簡(jiǎn)化分析和計(jì)算，只能選用簡(jiǎn)單的觀測(cè)模型，難以考慮諧波、非周期分量和噪聲的影響：算法簡(jiǎn)明，計(jì)算量不大，比傳統(tǒng)的周期法有所改進(jìn)，但難以適應(yīng)非穩(wěn)態(tài)頻率的測(cè)量，即使在穩(wěn)態(tài)條件下，也必須有嚴(yán)格的前置濾波環(huán)節(jié)，算法推導(dǎo)有近似化過(guò)程，精度總體不高。 DFT(FFT)類(lèi)算法及其改進(jìn) DFT(FFT)是一種典型的數(shù)字濾波技術(shù)，對(duì)于所示的觀測(cè)模型(假設(shè)=0)，在采樣率和數(shù)據(jù)窗選擇合適的情況下，濾波算法能正確求出模型參數(shù)；考慮到真實(shí)側(cè)量偏離理想條件，利用前后窗DFT(FFT)的結(jié)果估計(jì)系統(tǒng)的基頻。利用DFT(FFT)過(guò)程求取模型參數(shù)進(jìn)而計(jì)算頻率偏移的方法過(guò)于簡(jiǎn)單粗糙，不具有實(shí)用性；利用FFT算法在頻率偏移工頻時(shí)固定抽樣頻率導(dǎo)致的泄漏效應(yīng)來(lái)估計(jì)系統(tǒng)頻率，其中后者采取遞推FFT法以減少計(jì)算f；該方法測(cè)t范圍窄(大約為額定頻率的2L100／0)，且敏感于噪聲和信號(hào)幅值變化：對(duì)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(zhǎng)度，前者的優(yōu)點(diǎn)是提高了測(cè)量范圍、精度和算法穩(wěn)定性，后者的定點(diǎn)采樣方法易于硬件實(shí)現(xiàn)。一個(gè)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(shí)際電力系統(tǒng)，不但頻率會(huì)在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，而且波形不會(huì)發(fā)生畸變，可以分解為不同頻率不同幅值的正弦波。電網(wǎng)諧波源產(chǎn)生的諧波，既有僅含特征次的周期、穩(wěn)態(tài)諧波，如具有固定脈動(dòng)數(shù)的整流、換流設(shè)備等產(chǎn)生的諧波，在工程實(shí)際中，還存在頻率低于工頻基波頻率的分量，稱(chēng)為次諧波。此外，在某些情況下，電網(wǎng)中的波形在很小部分上發(fā)生畸變。目前電力系統(tǒng)諧波的測(cè)量一般基于這樣的假設(shè)：波形是穩(wěn)態(tài)和周期的；采樣的周波數(shù)是整數(shù)；只考慮頻率是基頻整數(shù)倍的諧波等。對(duì)于周期為T(mén)的非正弦電壓，一般滿足狄里赫利條件，利用Fourier級(jí)數(shù)可以方便地將周期性的畸變波形分解成恒定的直流分量、基波分量及諧波，可分解為如下形式的傅立葉級(jí)數(shù)： （220）其中， ， ， n=1,2,3……那么，從上分析可以得出，我們可以利用傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)諧波進(jìn)行分解，頻率為1／T的分量為基波，頻率大于1且為基波頻率整數(shù)倍的分量為諧波，但是實(shí)際情況中，我們對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)中的電壓電流難以通過(guò)傅立葉級(jí)數(shù)來(lái)計(jì)算，因此研究電網(wǎng)電壓波形畸變的檢測(cè)方法是很有意義的。 基于FFT的諧波分析法傅立葉變換是一種將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域的變換形式，是聲學(xué)、語(yǔ)音、電信和信號(hào)處理等領(lǐng)域中一種重要的分析工具。在實(shí)際諧波測(cè)量中，由于實(shí)際信號(hào)不可能無(wú)限的，對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)也必須對(duì)信號(hào)值離散化，經(jīng)過(guò)采樣和A／D轉(zhuǎn)換，我們得到的是一個(gè)時(shí)間序列的有限取樣數(shù)據(jù)。其DFT為： （221）式中 其逆變換為： （222） 顯然，當(dāng)已知N個(gè)采樣值時(shí)，如直接按