【正文】 過(guò)建立和健全電能質(zhì)量的全面管理，保障各行各業(yè)的正常用電秩序，為千家萬(wàn)戶提供信得過(guò)的產(chǎn)品。研制一種新型的諧波監(jiān)測(cè)裝置、有效的進(jìn)行諧波的監(jiān)測(cè)，對(duì)于保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，經(jīng)濟(jì)性和可靠性都具有重要意義。還存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在 : (1)處理功能較差，可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間較小，運(yùn)算速度較慢 ，難以運(yùn)用精確嚴(yán)格的算法進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，不能滿足電力監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性高的要求。 (3)有的產(chǎn)品雖然直接引進(jìn)了國(guó)外的技術(shù)模塊，功能較強(qiáng)，可是價(jià)格較高，且不完全適合我國(guó)市場(chǎng)。 (5)人機(jī)交互性不好 。這是擺在我們電力工作者面前難得的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。 在數(shù)字信號(hào)處理芯片沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用之前，傳統(tǒng)上常采用常規(guī)的單片機(jī)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但是由于單片機(jī)的計(jì)算能力不強(qiáng)，比如在運(yùn)行一些數(shù)字信號(hào)處理的基本算法時(shí)就呈現(xiàn)出劣勢(shì) ，比如說(shuō)在實(shí)現(xiàn) 64點(diǎn)以上的 FFT 算法時(shí)，會(huì)出現(xiàn)計(jì)算速度慢的特點(diǎn)，往往不能滿足實(shí)時(shí)性的要求。 近年來(lái)，集成電路技術(shù)和制造工藝的突飛猛進(jìn)，大大推動(dòng)了數(shù)字信號(hào)處理方法和應(yīng)用的研究。 本文對(duì) DSP 技術(shù)在電能質(zhì)量問(wèn)題的研究及監(jiān)測(cè)裝置的研制方面作了一些嘗試。凡是用數(shù)字方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、變換、增強(qiáng)、壓縮、估計(jì)和識(shí)別等都是數(shù)字信號(hào)處理的研究對(duì)象。它首先是建立在數(shù)字信號(hào)處理的各種理論和方法的基礎(chǔ)上。 70年代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的出現(xiàn)成為分析實(shí)際現(xiàn)象的有力工具。進(jìn)入 80 年代，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和成本的進(jìn)一步降低，推動(dòng)了 UM,的發(fā)展。這種 DSP 是一種專用的綜合性微處理器，專門處理以運(yùn)算為主的信號(hào)攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 處理應(yīng)用系統(tǒng)。以 DSP 作為主要元件，加上外圍設(shè)備和特定功能單元組成合成的單一芯片的技術(shù)，加速了 DSP 技術(shù)的發(fā)展。 90 年代 DSP揭開(kāi)了 PC通信及消費(fèi)電子市場(chǎng)的新紀(jì)元。 C6x 的時(shí)鐘為 200M Hz，每個(gè)指令周期僅為 5ns。DSPS 即 DSP 芯片制造商隨 DSP 芯片提供的應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案。 DSP 的興起， DSPS 概念的提出，大大促進(jìn)了儀器智能化的進(jìn) 程。單片機(jī)是單總線結(jié)構(gòu)，取指令、取數(shù)據(jù)都是通過(guò)一條總線完成，因此必須分時(shí)操作，而 DSP 內(nèi)至少有四套總線 :程序的地址和數(shù)據(jù)總線以及數(shù)據(jù)的地址和數(shù)據(jù)總線，這樣，取指令和取數(shù)據(jù)就可同時(shí)進(jìn)行，提高了操作速度。單片機(jī)多是一個(gè)算術(shù)邏輯單元 (AL U)，執(zhí)行乘法運(yùn)算是靠移位加法完成的，運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng) 。 (3)采用流水線結(jié)構(gòu)。而 DSP 是在執(zhí)行了本指令的同時(shí)，即對(duì)下面幾條指令依次進(jìn)行取操作數(shù)、譯碼、取指令等而重疊操作，加快了運(yùn)算速度。 DSP 內(nèi)部均有硬件乘法器，使得乘法運(yùn)算在單周期指令內(nèi)即可完成。 (5)具有高速的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器，對(duì)于一些簡(jiǎn)單操作，可以在片內(nèi)完成，避免與外部的低速存儲(chǔ)器打交道。包括并行口，串行口， DMA 控制器和片內(nèi) I/O 口可以提高數(shù)據(jù)交換的速度，減少系統(tǒng)復(fù)雜性。 (8) DSP 器件提供 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口，不但能控制和觀察處理器的運(yùn)行，測(cè)試芯片，還能利用該接口裝入程序。 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 采用數(shù)字系統(tǒng)完 成信號(hào)處理的任務(wù)，與傳統(tǒng)的模擬信號(hào)方法相比較，同時(shí)具有數(shù)字系統(tǒng)的一些共同優(yōu)點(diǎn)，如抗干擾性強(qiáng)，便于大規(guī)模集成、精度高、靈活性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難達(dá)到的指標(biāo)或特性。 本文的研制主要是對(duì)我國(guó)電能質(zhì)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和監(jiān)控，以諧波的測(cè)量和分析為主，并使裝置盡可能包括各種電能質(zhì)量參數(shù)，為電網(wǎng)的運(yùn)行和管理提供詳細(xì)可靠的電力參數(shù)。 主要工作包括 : (1)簡(jiǎn)要的回顧和分析當(dāng)前電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題、研究現(xiàn)狀及其測(cè)量裝置存在的問(wèn)題。 (3)進(jìn)行基于 DSP 的硬件電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)。 (5)結(jié)論。 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 2 電能質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算公式 習(xí)慣上，認(rèn)為電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)的供電電壓波形是以工頻為頻率的正弦波形，工頻為50Hz，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 : )s in(2)( ?? ?? tUtu （ ） Tf ??? 22 ?? （ ） 式中： U─一電壓的有效值 ? ─一初相角 f,? 和 T─一工頻角頻率、頻率和周期。 得電流的有效值為： ?? ?? ??? 1210 0 )]s in (2[1n nnT dttnIITI ?? ????? 1220n nUI （ ）同理得： ????? 1220n nUUU （ ） 有功功率的計(jì)算 又因任意波形的周期性交流電路的有功功率取決于一周期內(nèi)的平均功率： ?? TuidtTp01 （ ） 所以有： 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） dttnIItnUUTP n nT n nn ?????? ????????? ??? ?? ? ???? 1 1000 1 10 )s i n (2)s i n (21 ???? （ ） 又因?yàn)椴煌l率正弦波瞬時(shí)值的乘積在一周內(nèi)的平均值等于零，經(jīng)積分后得： ????? 100 )s in (N nnn IUIUP ? 式中： nnn ??? ?? （ ） 這就是說(shuō)，非正弦周期分量的平均功率等于恒定功率分量與各次諧波構(gòu)成的平均功率之和，即僅有同頻率的電壓和電流才構(gòu)成有功功率，而不同頻率的電壓和電流則不構(gòu)成有功功率。習(xí)慣上規(guī)定感性無(wú)功功率為正，容性無(wú)功功率為負(fù)，利用的符號(hào)來(lái)研究無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題不會(huì)引起任何矛盾。但電流中的無(wú)功分量卻不為零，也就是說(shuō)它不再有能量交換最大量度等物理意義了。另一方面，習(xí)慣上規(guī)定用戶吸收有功功率為正，發(fā)出有功功率為負(fù)。 視在功率的計(jì)算 在非正弦情況下，視在功率可定義為： ? ????????? 1 1220220 ))((n n nn IIUUUIS （ ） 顯然： 222 QPS ?? 。于是引入畸變功率 D ,使得： 2222 DQPS ??? （ ） 或者 222 QPSD ??? （ ） 若令： 2221 D ?? （ ） 則 ： 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 2122 QPS ?? （ ） 我們稱 1Q 為廣義無(wú)功功率。 D 是由于波形畸變，不同頻率的電壓和電流相互作用引起的。 諧波的概念 諧波失真是一種持續(xù)現(xiàn)象，它可以通過(guò)某一時(shí)刻的頻譜來(lái)表示，當(dāng)然一段時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)信息往往更有用。電力系 統(tǒng)諧波含量小、頻率高、變化因素多且頻繁，主要分兩種變化 : (1)隨機(jī)性的變化，為小周期、短間隔的不規(guī)則性變化，反映出諧波為隨機(jī)變量的特征。 國(guó)際上公認(rèn)的諧波定義為 :“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。在近代的交一交變頻器中還存在“旁頻”，即在整數(shù)次諧波附近的非整數(shù)次諧波。 諧波的計(jì)算 為了表示畸變波形偏離正弦波形的程度，最常用的特征量有諧波含量、總畸變率和 n 次諧波的含有率。諧波電壓含量為 : 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） ???? 22n nH UU （ ） 為了說(shuō)明某次諧波分量的大小，常以該次諧波的有效值與基波有效值的百分比表示，成為該次諧波的含有率 HRn (Harmonic Ratio)，如第 n 次諧波電壓含有率 nHRU 為 : %1001 ?? UUHRU nn （ ） 諧波的分析 諧波分析方法是對(duì)周期性的非正弦波形 (畸變波形 )利用傅立葉級(jí)數(shù)及傅立葉變換，分解為基波及各次諧波的方法。“式 ()是一個(gè)綜合公式，稱傅立葉反變換。“式 (()”，是由 ,An 計(jì)算 F(ejw)的表示式，稱為傅立葉變換。 一般來(lái)說(shuō)，傅立葉變換是 ? 的一個(gè)復(fù)值函數(shù)。如果無(wú)限求和對(duì)全部。 但是，電網(wǎng)的電流、電壓是否能采用傅立葉變化進(jìn)行諧波分析，還必須滿足一個(gè)條件 :信號(hào)無(wú)限 項(xiàng)和的收斂性問(wèn)題，表示如下 : ,)( ???jeF 對(duì)全部 ? () 這里 )( ?jeF 是下面有限項(xiàng)和隨的極 ??M 限 : ????? MMnmjjM enfeF ?? ][)( () 又有 : )s in (2)(110 nnn tnffnf ?? ??? ??? () 可設(shè) : ,)( Atf ? A 為某一確定正整數(shù) , 則 : ,][)( ???? ?? ??????????nnjnnjj eAenfeF ??? () 所以，可以用傅立葉變換對(duì)電壓、電流進(jìn)行處理 。 其相互關(guān)系為 : 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） ),sin( nnn Aa ?? ),cos( nnn Ab ?? （ ） 22 nnn baA ?? （ ) ? 0,0),180( 0? ??? nnn nnn bbaarcta bbaarctan? () 各次諧波的頻率己知，利用三角函數(shù)的正交性，即可由 ” 式 ()” 得到 0a , na 和 nb 的計(jì)算公式為 : ? ??? T tdtfdttfTa 0 200 )(21)(1 ? ??? () )(c os)()(1c os)(2020? ???Tn ttdntftft dtntfTa ? ?????? () )(s in)()(1s in)(2020? ???Tn ttdntftft dtntfTb ? ?????? （ ) 周期信號(hào)的采樣 對(duì)于連續(xù)信號(hào)用采樣裝置進(jìn)行等間隔采樣，并把采樣值依次轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列，然后借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速諧波分析。通過(guò) 采樣，把該連續(xù)波形轉(zhuǎn)換成為一組以采樣序號(hào) k 為自變量的離散數(shù)字序列 :? ? 1210 , ?? NKK ffffff ?? 連續(xù)波形轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字序列后，上面對(duì)于連續(xù)函數(shù)的傅立葉級(jí)數(shù)計(jì)算式相應(yīng)的轉(zhuǎn)換成離散形式的計(jì)算式，進(jìn)行計(jì)算。但是，一個(gè)連續(xù)時(shí)間周期信號(hào)的傅立葉級(jí)數(shù)表示，通常需要 無(wú)窮多個(gè)成諧波關(guān)系的復(fù)指數(shù)，而對(duì)于任何令離散時(shí)間點(diǎn)為 N的離散時(shí)間信號(hào)的傅立葉級(jí)數(shù)，只需要 N 個(gè)成諧波關(guān)系的復(fù)指數(shù)。把“式 ()”進(jìn)行離散化，便得到由時(shí)間序列 ??nF 計(jì)算復(fù)數(shù)頻譜序列的離散傅立葉變換式 (DFT): ????? 1021 NkknNjkn efNF ? n=0， 1， 2， 3? ， N1 （ ）如令上式中 NNj We ?? ?2 ， 則： knNNk kn WfNF ????101 （ ） 寫(xiě)成向量形式： WfF? （ ） 式中： F— 稱為變換列向量；