配電網(wǎng)電能質(zhì)量的在線檢測與治理措置的研究畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計說明書</b></p><p>　　配電網(wǎng)電能質(zhì)量的在線檢測與治理措置的研究</p><p>　　DISTRIBUTION NETWORK POWER QUALITY DETECTION</p><p>　　AND TREATMENT RENEW ONLINE RESEARCH</p>&

2、lt;p>　　學(xué)院（部）：電氣與信息工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　年 月 日</p><

3、p>　　配電網(wǎng)電能質(zhì)量的在線檢測與治理措置的研究</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)、自動化技術(shù)、計算機技術(shù)等先進技術(shù)的進一步發(fā)展，大功率非線性、沖擊性和波動性負荷不斷增加，比如大功率的變頻設(shè)備及拖動裝置、電氣化鐵路、電化工業(yè)的整流設(shè)備、電弧爐等，這些負荷造成了電網(wǎng)發(fā)生波形畸變（諧波）、電壓波動、閃變、三相不平衡、非對

4、稱性，使得電網(wǎng)電能質(zhì)量的嚴重降低。同時，基于計算機，微處理器控制的精密電子儀器在國民經(jīng)濟企業(yè)中大量使用，對供電質(zhì)量的敏感程度越來越高，對電能質(zhì)量提出了更高的要求，從而使電能質(zhì)量問題及其解決措施逐漸成為研究的熱點。要對電網(wǎng)的電能質(zhì)量進行改善，首先要對電能質(zhì)量做出精確的檢測和分析，測量電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，并分析和判斷造成各種電能質(zhì)量問題的原因，為電能質(zhì)量的改善提供依據(jù)。電能質(zhì)量問題日益突出，電能質(zhì)量的監(jiān)測方式主要為在線監(jiān)測，對電能質(zhì)量的全天

5、候、全方位準(zhǔn)確的實時監(jiān)測。在準(zhǔn)確、快速地檢測和分析電能質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提出了合理有效的治理措施，對有效提高供電可靠性，改善供電電能質(zhì)量，確保電力設(shè)備發(fā)揮正常性能水平等，對電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行，保障工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和科學(xué)實驗的正常運行以及降低能耗等均具有非常重要的研究意義。</p><p>　　關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)，電能質(zhì)量，在線監(jiān)測</p><p>　　DISTRIBUTION NETWORK POW

6、ER QUALITY DETECTION</p><p>　　AND TREATMENT RENEW ONLINE RESEARCH</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the power electronics technology, automation technology, compute

7、r technology and other advanced technology, further development, high-power nonlinear load impact and increasing volatility and drag equipment, electric railway, electricity and chemical industries rectifier equipment, i

8、nduction furnace, electric arc furnace, etc, which caused the power grid load waveform distortion (harmonic), voltage fluctuations, flicker, three-phase balance, asymmetry, making the serious degradation of powe</p>

9、;<p>　　KEYWARDS: distribution network, power quality, online monitoring</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p&

10、gt;<b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究電能質(zhì)量的背景和意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)1</p><p>　　1.2.2 電能質(zhì)量治理措施2</p><p>　　1.3 本文的主要工作

11、3</p><p>　　2 電能質(zhì)量理論5</p><p>　　2.1 電能質(zhì)量概述5</p><p>　　2.1.1 電能質(zhì)量的定義5</p><p>　　2.1.2 電能質(zhì)量的分類5</p><p>　　2.2 電能質(zhì)量指標(biāo)和國家標(biāo)準(zhǔn)6</p><p>　　2.2.1 電壓偏差6

12、</p><p>　　2.2.2 頻率偏差6</p><p>　　2.2.3 諧波6</p><p>　　2.2.4 電壓波動和閃變7</p><p>　　2.2.5 三相不平衡8</p><p>　　2.2.6 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓9</p><p>　　2.3 本章小結(jié)9<

13、;/p><p>　　3 電能質(zhì)量檢測分析算法10</p><p>　　3.1 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法10</p><p>　　3.1.1 運算方式10</p><p>　　3.1.2 基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波測量11</p><p>　　3.2 基于小波分析的諧波檢測方法11</p>&l

14、t;p>　　3.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測方法12</p><p>　　3.4 基于傅里葉變換的諧波檢測方法12</p><p>　　3.4.1傅里葉級數(shù)12</p><p>　　3.4.2 離散傅里葉變化(DFT)13</p><p>　　3.4.3 快速傅里葉變換(FFT)14</p><p>　　

15、3.4.4 改進型復(fù)序列快速傅里葉變換(FFT)15</p><p>　　3.4.5其它電能質(zhì)量參數(shù)的計算17</p><p>　　3.3 本章小結(jié)17</p><p>　　4 配電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究18</p><p>　　4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計18</p><p>　　4.1.2信號調(diào)理電路19&

16、lt;/p><p>　　4.1.3過零檢測電路22</p><p>　　4.2 DSP處理模塊23</p><p>　　4.2.1 DSP芯片選型及其詳細介紹23</p><p>　　4.2.2電源26</p><p>　　4.3串口通信模塊27</p><p>　　4.4鍵盤及液晶顯示模

17、塊27</p><p>　　4.4.1鍵盤電路28</p><p>　　4.4.2液晶顯示電路29</p><p>　　4.5本章小結(jié) ......................................................... 30 </p><p>　　5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計31</p><p

18、>　　5.1主程序設(shè)計31</p><p>　　5.2采樣中斷程序設(shè)計31</p><p>　　5.3測頻中斷服務(wù)子程序32</p><p>　　5.4 FFT及參數(shù)計算子程序32</p><p>　　5.5液晶按鍵子程序33</p><p>　　5.6 RS485通信子程序33</p>

19、<p>　　5.7本章小結(jié)34</p><p>　　6 電能質(zhì)量治理措施研究35</p><p>　　6.1 靜止無功補償裝置(SVC)35</p><p>　　6.2 靜止同步補償器(STATCOM)36</p><p>　　6.3 注入式混合型有源濾波器(IHAPF)37</p><p>　　

20、6.3.1 注入支路參數(shù)對濾波效果的影響38</p><p>　　6.4 新型雙諧振注入式混合型有源濾波器(DIHAPF)39</p><p>　　6.4.1 DIHAPF諧波抑制原理與諧波放大分析40</p><p>　　6.4.2 無功補償特性分析41</p><p>　　6.4.3 諧波檢測與控制方法42</p>

21、<p>　　6.5 本章小結(jié)43</p><p><b>　　總結(jié)45</b></p><p><b>　　參考文獻46</b></p><p><b>　　致謝47</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p&

22、gt;<p>　　1.1 研究電能質(zhì)量的背景和意義</p><p>　　電能是當(dāng)今社會使用最廣泛的能源，其應(yīng)用程度標(biāo)志著一個國家的科技、經(jīng)濟發(fā)展水平。然而,隨著科技和社會的快速發(fā)展，電能的使用面臨著一個新的問題，那就是電能質(zhì)量狀況不斷惡化與社會對電能質(zhì)量的要求越來越高的矛盾。如何妥善地解決這個問題關(guān)系重大，因此成為了高校、企業(yè)、研究機構(gòu)和國家機關(guān)等部門關(guān)心的熱點問題。</p><

23、p>　　近年來我國電網(wǎng)發(fā)展迅速，電網(wǎng)規(guī)模進一步擴大。而隨著電網(wǎng)的不斷擴大，各種各樣的用電設(shè)備尤其是大量的電力電子設(shè)備都接入了電網(wǎng)，使得電網(wǎng)的運行環(huán)境受到了不同程度的污染。從家用小容量的變流裝置，到工業(yè)上普遍應(yīng)用的調(diào)速電機、整流逆變裝置，甚至大規(guī)模的高壓直流輸電設(shè)備，都會向電網(wǎng)注入諧波。電網(wǎng)諧波含量的增加，會導(dǎo)致電氣設(shè)備壽命縮短、電網(wǎng)網(wǎng)損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧振的可能性也會增加，可能引發(fā)繼電保護和自動裝置的非故障性動作，導(dǎo)致儀表指示和電能

24、計量不準(zhǔn)確以及計算機、通信受干擾等一系列問題。另外，諸如軋鋼機、電力機車、開關(guān)電源等用電設(shè)備的開關(guān)與使用過程，也會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊性、波動性的負荷，并在運行和停運過程中產(chǎn)生電壓閃變以及導(dǎo)致三相不平衡度的提高，對電網(wǎng)設(shè)備和用戶造成直接或潛在的影響。</p><p>　　另一方面，電力市場逐步完善，社會對電能質(zhì)量的要求也越來越高。特別是在半導(dǎo)體和精密儀器制造等特殊行業(yè)，電能質(zhì)量下降將直接影響其產(chǎn)品的成品率，造成巨大的經(jīng)

25、濟損失。近年來供電部門接收到的電能質(zhì)量投訴越來越多，表明電能質(zhì)量逐漸得到關(guān)注和重視。包括當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展前景最好的智能電網(wǎng)(Smart Grid)都是以滿足21世紀用戶需求的電能質(zhì)量為重要特征?？梢婋娔苜|(zhì)量問題直接關(guān)系到國民經(jīng)濟的總體效益，改善電能質(zhì)量對于電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全、經(jīng)濟運行，保障工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實驗以及人民生活的正常進行均具有重要意義。</p><p>　　為了保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行，向用戶提供高品質(zhì)的

26、電能，必須對影響電能質(zhì)量的眾多因素進行綜合治理，改善各項電能質(zhì)量指標(biāo)，使其達到國標(biāo)規(guī)定的正常水平。而要提出合理的治理方案，就必須依賴于對電能質(zhì)量的全天候、全方位準(zhǔn)確的實時監(jiān)測與分析。因此，研發(fā)一種新型分層分布式的配電網(wǎng)電能質(zhì)量實時監(jiān)測與管理系統(tǒng)，集測量、通信、分析、管理等功能于一體，有效地進行電能質(zhì)量監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果采取合理、有效的電能質(zhì)量治理措施，改善其電能質(zhì)量狀況，對保證電網(wǎng)和廣大用戶的電氣設(shè)備的安全、經(jīng)濟運行，保障國民經(jīng)濟各行

27、各業(yè)的正常生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量都具有重要意義。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng) </p><p>　　國外對電能質(zhì)量研究起步較早，從電能質(zhì)量理論到相關(guān)評價指標(biāo)體系的建立；從用戶終端電氣環(huán)境的定義到全國性的電能質(zhì)量普查和監(jiān)測；從各種電能質(zhì)量問題分析方法提出到“用戶電力技術(shù)”等電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究和裝置的開發(fā)等方

28、面的研究都在深入行。相對國外而言，國內(nèi)對電能質(zhì)量研究工作起步較晚，電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的開發(fā)研究也比較落后，尤其是速度快、可靠性好、精度高以及功能強大的應(yīng)用產(chǎn)品相對較少。</p><p>　　歸納起來,國內(nèi)外對電能質(zhì)量的監(jiān)測方法主要有以下三種類型:</p><p>　?。╨） 設(shè)備入網(wǎng)前的專門測量：即對補償設(shè)備，在接入電網(wǎng)前,測量它們對電網(wǎng)電能質(zhì)量各項指標(biāo)的影響，決定是否投運。</p&g

29、t;<p>　　設(shè)備使用中的定期或不定期檢測：即針對普通電力干擾源，根據(jù)干擾大小、</p><p>　　危害程度和技術(shù)需求等采取定期或不定期檢測的方式。</p><p>　　實時監(jiān)測：也稱為連續(xù)監(jiān)測、全過程監(jiān)測、日常監(jiān)測或全天候監(jiān)測等。</p><p>　　目前，國內(nèi)對電能質(zhì)量各項指標(biāo)的測量大多數(shù)還處在專門測量和定期或不定期檢測階段，沒有形成連續(xù)的實時

30、監(jiān)測。在電能質(zhì)量問題日益嚴重并逐漸受到重視的現(xiàn)代社會，前兩種傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測方法顯然已經(jīng)不能滿足供用電雙方對電能質(zhì)量更高的監(jiān)測要求，其不足之處主要表現(xiàn)在以下幾個方面:</p><p>　　傳統(tǒng)的監(jiān)測方法不能實現(xiàn)或不能完全實現(xiàn)對電能質(zhì)量的實時監(jiān)測；</p><p>　　傳統(tǒng)監(jiān)測方法的監(jiān)測數(shù)據(jù)不能全面、準(zhǔn)確地反映出電力系統(tǒng)中電網(wǎng)的電能質(zhì) </p><p><b&

31、gt;　　量信息；</b></p><p>　?。?） 傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測大多孤立地對某個站點進行監(jiān)測，不能從整個系統(tǒng)的觀點來考慮電能質(zhì)量的監(jiān)測，不能滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、自動化的發(fā)展方向，而且人機交互性不好；</p><p>　?。?） 傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置多采用模擬元器件，受器件性能和信號處理方法的限制，測量精度往往不能達到要求；</p><p>　

32、　因此，研制一種實時在線的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，集測量、通信、分析和管理等諸多功能于一體，有效地進行電能質(zhì)量監(jiān)測，對于電力系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟性和可靠性具有重要意義。</p><p>　　1.2.2 電能質(zhì)量治理措施</p><p>　　為了改善電能質(zhì)量，國內(nèi)外電力工作者和電力研究者們做了大量的研究，也研制出一系列的補償裝置。隨著高電壓、大容量電力電子器件技術(shù)的不斷發(fā)展，配電網(wǎng)諧波抑制與無功補償

33、電能質(zhì)量綜合治理裝置經(jīng)歷了無源濾波器(Passive Filter:PF)、有源濾波器(Active Power Filter:APF)、靜止無功補償裝置(Static Var Compensator:SVC)、靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator:STATCOM)、以及混合型有源濾波器(Hybrid Active Power Filter:HAPF)等不同的技術(shù)階段。</p>&l

34、t;p>　　無源濾波器(PF)既可補償諧波，又可補償無功功率，結(jié)構(gòu)簡單、維護方便，因而得到了廣泛的應(yīng)用。這種方法的主要缺點是濾波特性取決于電網(wǎng)參數(shù)，且易與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，燒毀設(shè)備等，因此已不適合應(yīng)用于對電能質(zhì)量要求高的場合。 </p><p>　　與傳統(tǒng)的無源濾波器一樣，有源濾波器(APF)也是給諧波電流或諧波電壓提供一個在諧振頻率處等效導(dǎo)納為無窮大的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或等效阻抗為無窮大的串聯(lián)網(wǎng)

35、絡(luò)。但是與無源濾波器不同的是，一臺APF理論上可以擁有無窮多個諧振頻率，從而能夠同時治理頻率和幅值都變化的各次諧波，而且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而應(yīng)用逐漸廣泛。但是由于受功率器件容量的影響，APF可承受的容量不是很大，不適合單獨應(yīng)用于高電壓、大容量的場合。</p><p>　　不同于無源濾波器和有源濾波器，靜止無功補償裝置(SVC)和靜止同步補償器(STATCOM)的主要功能是進行無功補償，不過通過在SVC

36、結(jié)構(gòu)中加裝無源濾波器組，或者通過合理設(shè)計STATCOM的控制方法，均可使二者實現(xiàn)諧波抑制與無功補償?shù)木C合治理。但是，SVC裝置中的晶閘管控制電抗器(Thirstier Controlled Reactor:TCR)本身會產(chǎn)生較大的諧波成分，從而使得整體濾波性能不佳；而高壓大功率STATCOM的工程化還有很多問題沒有得到很好的解決，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費用投資大。</p><p>　　目前，諧波抑制與無功補償電能質(zhì)量綜合

37、治理的一個重要趨勢是采用有源濾波器與無源濾波器組合形成的混合型有源濾波器(HAPF)，其優(yōu)點是成本低，濾波性能好，同時具備APF與PF的技術(shù)優(yōu)勢，性價比高。其中注入式混合型有源濾波器(Hybrid Active Power Filter with Injection Circuit:IHAPF)由注入型APF與PF并聯(lián)混合得到，由注入支路電容和無源濾波器進行無功功率的靜態(tài)補償，由有源和無源部分共同治理諧波，能夠滿足大功率無功補償和諧波抑

38、制兩方面的要求，具有實際的工程應(yīng)用意義。</p><p>　　1.3 本文的主要工作</p><p>　　本論文對供電電壓允許偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差、公用電網(wǎng)諧波、電壓允許波動與閃變、三相電壓允許不平衡度等電能質(zhì)量參數(shù)進行實時的在線監(jiān)測、分析和處理。為預(yù)先解決電網(wǎng)電能質(zhì)量故障隱患，事后分析事故原因和電能質(zhì)量問題綜合治理提供可靠保證。</p><p><b

39、>　　本文主要工作包括：</b></p><p>　?。?）查閱文獻資料，學(xué)習(xí)了電能質(zhì)量定義、分類、指標(biāo)和國家標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)知識，認識到當(dāng)前電能質(zhì)量污染狀況，充分了解到電能質(zhì)量監(jiān)測方法的發(fā)展現(xiàn)狀。</p><p>　?。?）分析對比了各種諧波檢測分析算法的優(yōu)勢、劣勢和適用場合，選出一種諧波檢測算法。</p><p>　?。?）完成了電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)的總

40、體結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計。根據(jù)各部分實現(xiàn)的不同功能，將系統(tǒng)分為四個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、DSP處理模塊及外圍電路模塊、串口通信模塊、鍵盤及液晶顯示模塊。闡述了這四個模塊的原理，分析了各模塊的實現(xiàn)方法。完成了系統(tǒng)軟件的設(shè)計和各軟件模塊的實現(xiàn)。分析了各軟件模塊的原理，完成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示的程序設(shè)計。</p><p>　?。?）研究電能質(zhì)量的治理措施，分析了三種常用治理措施的優(yōu)缺點，并針對注入式混合型有源濾波器(I

41、HAPF)注入支路存在諧波注入能力與無功過補的矛盾，提出了一種新型的雙諧振混合型有源濾波器(DIHAPF)，并分析了其諧波抑制原理、諧波放大情況、無功補償特性和諧波檢測與控制方法等關(guān)鍵技術(shù)。</p><p><b>　　2 電能質(zhì)量理論</b></p><p>　　2.1 電能質(zhì)量概述</p><p>　　很長一段時間以來，我國的電力供應(yīng)一直不

42、充裕，因此以前供用電雙方關(guān)注的焦點主要是在供應(yīng)量的方面，除了對電能質(zhì)量有較高要求的行業(yè)需求外，大都對電能質(zhì)量關(guān)心較少，即使關(guān)注也只限于電壓、頻率兩個指標(biāo)。隨著發(fā)電企業(yè)的不斷新建和擴容，以及電網(wǎng)規(guī)模的逐漸增大，電力供應(yīng)緊張的局面有了較大緩解。</p><p>　　然而大量電力電子器件在電網(wǎng)中的不斷投入導(dǎo)致電能質(zhì)量問題日益突出，同時電力市場技術(shù)不斷進步，用戶對電能質(zhì)量的要求也越來越高，從而引起了電網(wǎng)公司各級部門以及電

43、力用戶的高度重視，其重視程度從最近國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司都將“為用戶提供優(yōu)質(zhì)電力”作為其發(fā)展智能電網(wǎng)的一個重要指標(biāo)就可見一斑。</p><p>　　2.1.1 電能質(zhì)量的定義</p><p>　　什么是電能質(zhì)量，迄今為止，人們對電能質(zhì)量的技術(shù)含義還存在著不同的認識，不同的機構(gòu)也對電能質(zhì)量有不同的定義。</p><p>　　國際電工委員會(Internationa

44、l Electrical Commission:IEC)將電能質(zhì)量定義為“供電裝置在正常工作情況下不中斷和干擾用戶適用電力的物理性”。</p><p>　　美國電氣和電子工程協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers:IEEE)將電能質(zhì)量明確定義為“合格的電能質(zhì)量是指給敏感設(shè)備提供的電力和設(shè)置的接地系統(tǒng)是均適合于該設(shè)備工作的”，并正式采用“power

45、quality”這一專業(yè)術(shù)語。另外，在許多電能質(zhì)量領(lǐng)域的技術(shù)報告和文獻中也采用了其它的一些術(shù)語和補充定義。它們包括:</p><p>　　(1)電壓質(zhì)量，通過將實際電壓與理想電壓進行對比，以判斷供電部門向用戶供給的電力是否存在偏差，是否合格。</p><p>　　(2)電流質(zhì)量，為了反映與電壓質(zhì)量有緊密關(guān)系的電流變化，除了對用戶取用電流提出恒定頻率正弦波形要求除外，還力圖使該電流波形與供電

46、電壓同相位，以保證系統(tǒng)以高功率因數(shù)運行。</p><p>　　(3)供電質(zhì)量，技術(shù)含義上主要是指電壓質(zhì)量和供電可靠性，同時也包括供電部門對用戶投訴與抱怨的反應(yīng)速度、服務(wù)質(zhì)量以及電力價格的透明度等非技術(shù)方面的含義。</p><p>　　(4)用電質(zhì)量，包括電流質(zhì)量和非技術(shù)含義。非技術(shù)含義反映用電方的權(quán)利、義務(wù)和責(zé)任，如電力用戶是否按期、如數(shù)繳納電費等。</p><p>

47、;　　2.1.2 電能質(zhì)量的分類</p><p>　　根據(jù)相關(guān)的六個國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》（GB/T 12325-2003)、《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》(GB/T 15945-1995)、《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》 (GB/T 14549-1993)、《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》(GB/12326-1990)、《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》(GB/T 15543-1995)、《電能質(zhì)量暫

48、時過電壓和瞬態(tài)過電壓》 (GB/T 18481-2001)、可將電能質(zhì)量劃分為：供電電壓允許偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差、諧波、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡、暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓六個方面。</p><p>　　2.2 電能質(zhì)量指標(biāo)和國家標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　2.2.1 電壓偏差</p><p>　　電壓偏差是指供電系統(tǒng)在正常運行條件下，實際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的

49、偏差。常用二者的偏差值對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分數(shù)進行度量。其數(shù)學(xué)表達式為</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　式（2.1）中為電壓偏差；表示實際電壓kV；表示標(biāo)稱電壓kV。</p><p>　　國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差》(GB/T 12325-2003)對我國的供電電壓作了詳細規(guī)定：</p>

50、<p>　　(l)電壓等級大于等于35kV的供電電壓的正、負偏差的絕對值之和不超過系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的10%。</p><p>　　(2)電壓等級小于等于1OkV的三相供電電壓允許偏差為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的7%；</p><p>　　(3)低壓220V單相供電電壓允許偏差為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的+7%和-10%。</p><p>　　2.2.2 頻率偏差</p>

51、<p>　　頻率偏差是指標(biāo)稱頻率為50Hz處于正常運行方式的電力系統(tǒng)中,系統(tǒng)頻的實際值與標(biāo)稱值之差計算公式為</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　式（2.2）中占表示頻率偏差，表示實際頻率，表示系統(tǒng)標(biāo)稱頻率，它們單位為Hz。</p><p>　　國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》(GB/T15

52、945-1995)規(guī)定我國電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為0.2Hz，當(dāng)系統(tǒng)容量較小時，偏差值可以放寬到0.5Hz。</p><p><b>　　2.2.3 諧波</b></p><p>　　諧波是有電網(wǎng)中的非線性負荷產(chǎn)生的。諧波的危害較為嚴重，不容忽視，主要表現(xiàn)在以下幾方面:</p><p>　　(l)諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，

53、降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。</p><p>　　(2)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。</p><p>　　(3)諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，就使上述(

54、1)和(2)的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。</p><p>　　(4)諧波會導(dǎo)致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確。</p><p>　　(5)諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。</p><p>　　國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(GB/T 14549-1993)規(guī)定了公

55、用電網(wǎng)諧波的允許值及其測量方法，適用于交流頻率為50Hz，額定電壓110kV及以下的公用電網(wǎng)，6至220kV各級公用電網(wǎng)電壓（相電壓）總諧波畸變率0.38kV為5%，6至10kV為4%，35至66kV為3%，110kV為2%。用戶注入電網(wǎng)的諧波電流允許值應(yīng)保證各級電網(wǎng)諧波電壓在限值范圍內(nèi)，所以國標(biāo)規(guī)定各級電網(wǎng)諧波源產(chǎn)生的電壓總諧波畸變率是：0.38kV為2.6%，6至10kV為2.2%，3至66kV為1.9%，110kV為1.5%。對2

56、20kV電網(wǎng)及其供電的電力用戶參照本標(biāo)準(zhǔn)110kV執(zhí)行。</p><p>　　2.2.4 電壓波動和閃變</p><p>　　電壓波動主要是由于大量沖擊性負荷在電力系統(tǒng)中的廣泛使用而引起的，是指電壓包絡(luò)線有規(guī)則的變化或一系列隨機電壓變動，常用一系列電壓均方根值中相鄰的兩個極值之差與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的相對百分比來表示，即</p><p><b>　　（2.3）&

57、lt;/b></p><p>　　式（2.3）中，、分別為一系列電壓均方根值中相鄰的極大值和極小值；為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。</p><p>　　負荷電流的大小呈現(xiàn)快速變化時，可能引起電壓的波動，簡稱為閃變，閃變術(shù)語來自電壓波動對照明的視覺影響。從嚴格的技術(shù)角度講，電壓波動是一種電磁現(xiàn)象，而閃變是電壓波動對某些用電負荷引起的有害結(jié)果，不屬于電磁現(xiàn)象。但是，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中常將這兩個術(shù)語合為一體進

58、行討論，并且常將限制發(fā)生閃變干擾排在首位。</p><p>　　表2-1 國家電能質(zhì)量有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　2.2.5 三相不平衡</p><p>　　電力系統(tǒng)中的三相電壓不平衡主要是由負荷不平衡，系統(tǒng)三相阻抗不對稱以及消弧線圈的不正確調(diào)諧等引起的。</p><p>　　根據(jù)對稱分量法，三相系統(tǒng)中的電量可分解為正序分量、負序分量和

59、零序分量三個對稱分量。電力系統(tǒng)在正常運行方式下，電量的負序分量均方根值與正序分量均方根值之比定義為該電量的三相不平衡度，用表示，公式為</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　式（2.4）中、分別為電壓正序、負序分量均方根值，kV。</p><p>　　國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543-1

60、995)規(guī)定電力系統(tǒng)公</p><p>　　共連接點正常電壓不平衡度不得超過2%，短時不得超過4%；接于公共連接點的每個用</p><p>　　戶，引起該點正常電壓不平衡度允許值一般不得高于1.3%。</p><p>　　2.2.6 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓</p><p>　　電力系統(tǒng)中的過電壓現(xiàn)象大多數(shù)是由于運行操作、雷擊和故障引起的，是經(jīng)

61、常發(fā)生和不可避免的,是供電特性之一。</p><p>　　暫時過電壓是指在電網(wǎng)給定點上持續(xù)時間較長的不衰減或者弱衰減的振蕩過電壓。瞬態(tài)過電壓是指僅持續(xù)數(shù)毫秒或更短時間，通常帶有強阻尼的振蕩或非振蕩的一種過電壓，可以疊加于暫時過電壓之上。</p><p>　　國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》(GB/T18481-2001)規(guī)定了交流電力系統(tǒng)中作用于電氣設(shè)備的暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓的

62、具體要求、電氣設(shè)備的絕緣水平，以及過電壓保護方法，不適用于因靜電、觸及高壓系統(tǒng)以及穩(wěn)態(tài)波形畸變(諧波)引起的過電壓。</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章簡要介紹了電能質(zhì)量的概念與分類，分析了影響電能質(zhì)量的因素及其危害；然后分別給出了電壓偏差、頻率偏差、電網(wǎng)諧波、三相不平衡、電壓波動與閃變等電能質(zhì)量指標(biāo)的定義、危害及其國家標(biāo)準(zhǔn)

63、。</p><p>　　3 電能質(zhì)量檢測分析算法</p><p>　　電能質(zhì)量歸納起來主要包括6個方面:電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動和閃變、三相不平衡、暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓。其中諧波分析是電能質(zhì)量中最主要，也是分析最困難的一個指標(biāo)，如果能夠?qū)崟r動態(tài)地監(jiān)測電網(wǎng)中諧波的情況，可以更好地判斷和分析其他電量的情況，因此本節(jié)重點討論電網(wǎng)諧波的檢測與分析算法。</p><p

64、>　　目前，常用的諧波檢測方法，根據(jù)測量原理的不同，主要有以下幾類。</p><p>　　3.1 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法</p><p>　　瞬時無功功率理論最早于20世紀80年代由赤木泰文提出,在許多方面得到了成功應(yīng)用。赤木最初提出的理論以瞬時實功率和瞬時無功功率的定義為基礎(chǔ)，后來又補充定義了瞬時有功電流和瞬時無功電流。瞬時無功功率理論開始主要應(yīng)用于三相電路諧波檢測中，

65、目前在電力濾波器中應(yīng)用最多。瞬時無功功率理論主要有兩種計算方式，以計算和為出發(fā)點的稱為法,以計算稱為法。</p><p>　　兩種方法都能較為準(zhǔn)確地檢測出對稱三相電路的諧波含量，實時性也較好。但是,按運算方式測量時，由于只需讀取和參與運算即可，畸變電壓的諧波成份不會出現(xiàn)在運算中，因而在不對稱電網(wǎng)中或者電源電壓畸變的情況下也能準(zhǔn)確檢測出諧波電流，適用范圍更寬；而法在這種情況下則誤差較大，適用范圍相對較窄。</

66、p><p><b>　　3.1.1運算方式</b></p><p>　　該方法的原理如圖3.1所示。</p><p>　　圖 3.1 運算方式的原理圖</p><p><b>　　其中，=，=。</b></p><p>　　該方法中，需用到與相電壓同相位的正弦信號和對應(yīng)的余弦信

67、號-，它們由一個鎖相環(huán)(PLL)和一個正、余弦信號發(fā)生器電路得到。根據(jù)定義可以計算出、，經(jīng)LPF濾波得到出、的直流分量稱、。這里， 、是由、、產(chǎn)生的，因此由、通過矩陣即可計算出、、，然后被、、相減即可計算出、、。、</p><p>　　按運算方式檢測時，由于只需取、-參與計算,畸變電壓的諧波成份在運算過程中沒有出現(xiàn)，因而檢測結(jié)果不受電壓波形畸變的影響，檢測結(jié)果是準(zhǔn)確的。</p><p>　

68、　3.1.2 基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波測量</p><p>　　上述方法所測的是諧波總量，而并非具體某一次的諧波含量，而基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波檢測法在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上可以檢測出具體的某次諧波含量，基本思想如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波測量原理</p><p>　　本方法的測量原理是：首先通過基波分離電路將基波分離出來，然后按諧波

69、次數(shù)的順序，逐步分離出各次諧波，其中將基波檢測出來的方法和基于、運算方式的檢測方法一樣。</p><p>　　比較運算方式和基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波測量方式可知，第一種方法對于測量基波分量和總體諧波含量具有良好的實時性，但是無法測量具體某次諧波的含量；第二種方法雖然可以測量出單次的諧波含量，但是硬件復(fù)雜，成本較高，實現(xiàn)起來也比較繁瑣。</p><p>　　3.2 基于小波分析的諧波檢測方法&

70、lt;/p><p>　　小波變換是當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程學(xué)科中一個迅速發(fā)展起來的新領(lǐng)域。經(jīng)過十多年的探索與研究，其重要的數(shù)學(xué)形式化體系已經(jīng)建立，理論基礎(chǔ)更加堅實。與傅里葉變換相比，小波變換是時域和頻域的局部變換，因而能有效地從信號中提取信息，通過伸縮和平移等運算功能可以對函數(shù)或信號進行多尺度的細化分析，克服了傅里葉分析在頻域完全局部化而在時域毫無局部性的缺點。小波變換在時域和頻域同時具有局部性，可以計算出特定時間的頻率分

71、布并將各種不同頻率組成的頻譜信號分解成為不同頻率的信號塊，因而通過小波變換可較準(zhǔn)確地計算出基波電流，進而求得諧波含量。</p><p>　　小波變換對波動諧波、快速變換諧波的檢測有很大的優(yōu)越性，目前是波動諧波、快速變化諧波的主要檢測方法。但是，由于小波變換的研究時間相對較短，在諧波檢測方面應(yīng)用還比較少，并且還存在著諸如缺乏系統(tǒng)規(guī)范的最佳小波基的選擇方法等很多不完善的地方，從而使得小波變換算法在計算機和信號處理芯片

72、中的應(yīng)用受到限制。特別是信號處理芯片，其資源非常有限，根本不適合最佳小波基選取的各種運算和判斷。</p><p>　　3.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測方法</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論是智能控制技術(shù)的主要分支之一，通過模擬人類思維進行運算，具有本質(zhì)的非線性特性、并行處理能力、強魯棒性和自組織自學(xué)習(xí)能力，因此受到人們的普遍關(guān)注。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究內(nèi)容相當(dāng)廣泛，反映了多學(xué)科交叉技術(shù)領(lǐng)域的特點，將其

73、應(yīng)用于諧波測量中，將會有很好的發(fā)展前景。</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實時檢測任意整數(shù)次諧波，對基波電流的跟蹤在一個周期內(nèi)就可以達到良好的效果，因此這種方法在精度和實時性方面有較好的特性。但這種算法需要大量的訓(xùn)練樣本，需要一定的時間來訓(xùn)練這些樣本，而且如何確定需要的樣本數(shù)也沒有規(guī)范方法，屬于目前正在研究的新方法，研究和應(yīng)用時間相對較短，實現(xiàn)技術(shù)尚需完善，在工程應(yīng)用中還未優(yōu)先選用。</p><

74、;p>　　3.4 基于傅里葉變換的諧波檢測方法</p><p>　　在電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中，變換域分析法是一種有效的方法，起到了重要的作用。傅里葉變換法是其中應(yīng)用最廣泛的一種，而在工程上又以快速傅里葉變換(FFT)算法應(yīng)用最為廣泛。FFT測量諧波精度高、功能多、使用方便，與其他測量方法相比，目前適用范圍最廣泛,理論和技術(shù)最成熟，在諧波測量的應(yīng)用中具有不可替代的作用，而且在數(shù)字信號處理器(DSP)中更容易實現(xiàn)。

75、因此，本系統(tǒng)選用快速傅里葉變換算法作為監(jiān)測終端中進行諧波檢測與分析的方法。 </p><p>　　3.4.1傅里葉級數(shù)</p><p>　　當(dāng)輸入信號為周期函數(shù)或者可近似作為周期函數(shù)處理時，且滿足狄里赫利條件(電力系統(tǒng)信號基本上均滿足)，則它可被分解為一個各種頻率的正弦函數(shù)序列之和，即傅里葉級數(shù)，其三角級數(shù)形式為</p><p><b>　?。?.1）&l

76、t;/b></p><p><b>　　式（3.1）中</b></p><p><b>　　其中，，=</b></p><p>　　在式（3.1）的傅立葉級數(shù)中，頻率為的分量稱為基波，頻率為大于1的整數(shù)倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數(shù)即為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。</p><p>　　3.

77、4.2 離散傅里葉變化(DFT)</p><p>　　為了從理論上的傅里葉級數(shù)分析過渡到電力系統(tǒng)實際波形實用而快速的諧波分析，需要利用傅里葉級數(shù)的指數(shù)形式，直接計算各次諧波的幅值和相位。</p><p><b>　　由歐拉公式</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>

78、　　解出和，式（3.2）的傅立葉級數(shù)三角形式可化為</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p><b>　　則可得</b></p><p><b>　　（3.4）</b></p><p>　　實際上，電力系統(tǒng)的非正弦周期波都是不規(guī)則的畸變波形，無法表示成函數(shù)

79、解析式后用上述傅立葉級數(shù)進行計算。一種常用的方法是對該種波形的時間連續(xù)信號用采樣裝置進行等間隔采樣，并把采樣值依次轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列，然后借助計算機進行快速諧波分析。</p><p>　　連續(xù)波形轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字序列后，上述對于連續(xù)函數(shù)的傅立葉級數(shù)計算式可相應(yīng)轉(zhuǎn)換成離散化的計算式，做近似計算。對公式(3.4)進行離散化處理：對信號進行每周波均勻采樣N點；式中連續(xù)函數(shù)代以離散序列； </

80、p><p>　　,即用離散點代替連續(xù)點；，即用的有限增量</p><p>　　代替其趨近于零的極限值；相應(yīng)的定積分用被積元素的累加和代替。則公式（3.4）的離散形式為</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　令，則</b></p><p>&l

81、t;b>　?。?.6） </b></p><p>　　上式(3.6)即稱為離散傅里葉變換（DFT)。</p><p>　　3.4.3 快速傅里葉變換(FFT)</p><p>　　在工程實際中，若直接用離散傅里葉變換(DFT)進行計算，當(dāng)采樣點很多時，計算量很大，而且DFT的效率很低。研究可以發(fā)現(xiàn)，具有周期性和對稱性，即</p>

82、<p><b>　　（3.7）</b></p><p>　　因此，可以考慮將長序列DFT利用其對稱性和周期性分解為短序列DFT。因為DFT的運算量與成正比，如果一個大點數(shù)的DFT能分解為若干個小點數(shù)DFT的組合，則顯然可以達到減少運算量的效果，這種方法稱之為快速傅里葉變換(FFT)。</p><p>　　但是快速傅里葉變換(FFT)也有它自身的缺點，主要表現(xiàn)

83、在以下兩個方面。</p><p>　　(1)在采樣過程中，如果采樣頻率和信號頻率不同步或者無法達到整數(shù)倍的關(guān)系，使用該方法會產(chǎn)生頻譜泄露和柵欄效應(yīng)，導(dǎo)致計算出的信號參數(shù)不準(zhǔn)確，尤其是相位的誤差很大，無法滿足測量要求；</p><p>　　(2)計算量較大，計算時間比較長，從而使得檢測時間較長，檢測結(jié)果實時性較差。</p><p>　　3.4.4 改進型復(fù)序列快速傅里

84、葉變換(FFT)</p><p>　　鑒于傳統(tǒng)FFT存在著上述不足，本系統(tǒng)對其進行一些技術(shù)改進，以適應(yīng)系統(tǒng)實際需求。首先針對第一個問題，鑒于頻譜泄露和柵欄效應(yīng)都是由于采樣頻率與信號頻率不同步造成的，所以本系統(tǒng)采用鎖相環(huán)(Phase Locked Loop:PLL)使信號頻率與采樣頻率同步。</p><p>　　鎖相環(huán)作為一種重要的功能電路，在通信、控制、導(dǎo)航、儀器儀表等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用

85、。鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3所示，由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器4個部分組成，是一個自動跟蹤相位的負反饋系統(tǒng)。</p><p>　　圖3.3鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　鑒相器的功能是將兩個輸入信號和的相位轉(zhuǎn)成脈沖寬度信號，經(jīng)低通濾波器平滑后，成為直流電壓信號。壓控振蕩器是一種輸出振蕩頻率受輸入直流電壓控制的振蕩器。當(dāng)和有相位差變化時，使振蕩頻率變化，最后使輸入和壓控振蕩

86、器的輸出信號頻率之差為零。即輸出信號的頻率始終與輸入信號頻率保持一致。</p><p>　　采用鎖相環(huán)有較好的實時性，不用在軟件中增加計算量，因此系統(tǒng)在硬件設(shè)計中采用了鎖相環(huán)同步電路，基本上解決了頻譜泄露和柵欄效應(yīng)的問題。</p><p>　　針對第二個關(guān)于實時性較差的問題，并考慮減少計算量和減輕編程難度，本文在實際進行FFT運算時，將兩個同長度的電壓、電流實序列信號組合為一個復(fù)序列信號進

87、行FFT運算，這樣就可一并得出電壓和電流頻譜結(jié)果，即基于復(fù)序列的FFT算法，復(fù)序列FFT算法推導(dǎo)過程如下:</p><p>　　取電網(wǎng)兩個實序列信號，，令</p><p><b>　　（3.8）</b></p><p><b>　　可以得出</b></p><p><b>　?。?.9）

88、</b></p><p><b>　　的傅里葉變換為</b></p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　其中和，和分別為、的實部和虛部。的傅里葉變換為</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p&g

89、t;<b>　　由式（3.11）得</b></p><p><b>　　（3.12）</b></p><p>　　根據(jù)傅里葉變換的周期性和奇偶對稱性，可知實序列的傅里葉變換的實部為偶數(shù)，虛部為奇數(shù)。可得</p><p><b>　　(3.13)</b></p><p>　　對式

90、(3.13)進行傅里葉變換，并考慮其復(fù)共扼性質(zhì)，可得，的頻譜為</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　式中，為的共軛復(fù)數(shù)。</p><p>　　將式（3.14）按實部、虛部展開后得</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p&g

91、t;　　設(shè)為被測電壓信號的第次諧波，為被測電流信號的第次諧波，則</p><p><b>　　（3.16）</b></p><p>　　由以上推導(dǎo)可得出各次諧波電壓和電流的幅值為</p><p><b>　?。?.17）</b></p><p><b>　　其中，。</b>&l

92、t;/p><p>　　3.4.5其它電能質(zhì)量參數(shù)的計算</p><p>　　由上述公式(3.15)、(3.16)、(3.17)可以推算出各次諧波的復(fù)功率、有功功率和無功功率為</p><p><b>　?。?.18）</b></p><p><b>　　(3.19)</b></p><

93、;p><b>　?。?.20）</b></p><p>　　根據(jù)以上的計算結(jié)果，可得電壓有效值、電流有效值、諧波電壓總畸變率、諧波電流總畸變率、有功功率、無功功率及功率因數(shù)為</p><p><b>　?。?.21）</b></p><p>　　式中L為已知諧波的最高次數(shù)。</p><p>&

94、lt;b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹諧波監(jiān)測的分析方法，重點講述了目前針對諧波檢測，技術(shù)先進或技術(shù)成熟的四種分析方法，即瞬時無功功率理論、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傅里葉變換，分析了它們的優(yōu)點、缺點和適用范圍。鑒于快速傅里葉變換(FFT)諧波檢測方法技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，功能多，精度高，且在數(shù)字信號處理器(DSP)中易于實現(xiàn)，本系統(tǒng)采用FFT法作為諧波檢測方法，并針對傳統(tǒng)

95、FFT法存在頻譜泄露、柵欄效應(yīng)及計算量大等缺陷，對其進行了技術(shù)改進，然后以此作為本系統(tǒng)諧波檢測分析的算法。</p><p>　　4 配電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　硬件系統(tǒng)主要有四個模塊構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集模塊，DSP核心處理模塊，串口通信模塊，鍵盤及液晶顯示模塊。根據(jù)實際

96、需要，設(shè)計系統(tǒng)硬件連接框圖如圖4.1。</p><p>　　圖4.1系統(tǒng)硬件框圖</p><p>　　各模塊功能及工作流程為：</p><p>　?。?）在數(shù)據(jù)釆集模塊中，將待測交流信號經(jīng)互感器隔離、轉(zhuǎn)換。其中，電壓互感器將電網(wǎng)中一次的電壓互感器的100V交流電壓信號和轉(zhuǎn)換成為峰值為1V電壓信號，電流互感器將電網(wǎng)中的一次電流互感器的5A（1A）交流電流信號轉(zhuǎn)換成為峰

97、值為1V電壓信號。由于這種從傳感器出來的低壓信號中混雜了噪聲，為保證系統(tǒng)具有較高精度，因此還需要用信號調(diào)理電路對信號進行偏置、調(diào)制成DSP能夠接受的信號，以滿足AD轉(zhuǎn)換的要求。</p><p>　?。?）將釆集到的信號送入DSP進行實時處理，計算出各電能質(zhì)量參數(shù)，通過RS485通信模塊將數(shù)據(jù)傳送上位機，實現(xiàn)電能質(zhì)量的遠程檢測。電源模塊給系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的電源，確保系統(tǒng)多電平電路正常工作等。</p>

98、<p>　?。?）鍵盤及液晶屏是人機交互的接口，實時顯示電能質(zhì)量信息。鍵盤用于控制顯示各種界面，通過菜單功能，方便進行顯示界面的切換。液晶屏與DSP進行通信，用于顯示三相相電壓有效值、線電壓有效值、正序電壓有效值、負序電壓有效值、零序電壓有效值、頻率等參數(shù)。</p><p>　　4.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊</p><p>　　數(shù)據(jù)采集的精確度直接影響到系統(tǒng)的性能，其設(shè)計關(guān)鍵是要實

99、現(xiàn)數(shù)字/模擬混合電路與DSP的無縫連接，以保證數(shù)據(jù)的吞吐量。數(shù)據(jù)采集模塊又可分為以下四個部分組成：互感器電路、信號調(diào)理電路、過零檢測電路、AD數(shù)模轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　（1）互感器</b></p><p>　　電壓互感器與電流傳感器的作用主要有：對電壓和電流進行變換，使儀表與主回路隔離，以保證操作的安全。由于檢測的是電網(wǎng)電壓，通常在220V左右，為了使得

100、互感器的電壓輸入在較大范圍內(nèi)變換，本系統(tǒng)選擇的是基于霍爾效應(yīng)開環(huán)原理的電壓互感器系列VSM025A型和電流互感器系列CS040G型，這類互感器的副邊能夠精確的反應(yīng)原邊待測信號。本設(shè)計需要測量32次諧波，需要測得信號的最髙頻率為 1.6KHz,因此要保證其測量精度，選用的互感器必須在信號最高諧波頻率范圍內(nèi)。本設(shè)計所選用的互感器信號頻率范圍為DC-20KHz，可以保證所有的精度，完全適合于本系統(tǒng)的要求。</p><p&g

101、t;<b>　　1）電壓互感器</b></p><p>　　在隔離條件下，VSM025A型電壓傳感器是霍爾效應(yīng)閉環(huán)原理的電壓傳感器。具有線性好、精度高、工作范圍高、電路簡單可靠等優(yōu)點，能夠測量直流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電壓，適合測量10-500V的電壓。本文中的VSM025A型電壓傳感器將220V的交流電壓轉(zhuǎn)換成為1V的交流電壓，VSM025基本電氣參數(shù)如表4.1所示。</p>

102、;<p>　　表4.1 VSM025基本電氣參數(shù)</p><p>　　輸入端：測量電壓時，電阻R43應(yīng)串聯(lián)在互感器原邊回路上，輸入電流精度受限流電阻R43的影響，選擇R43大小的原則是盡量使得輸入電流為10mA，這樣才能使互感器達到最佳精度。為保證測量電阻的穩(wěn)定性和可靠性，R43的功率通常情況下應(yīng)為額定功率的4倍以上，即10W以上。本文中，采用4個的電阻串聯(lián)得到，原邊線圈內(nèi)阻為190，R43的功率為

103、。</p><p>　　輸出端：電壓傳感器輸出的是電流，但是模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊要求輸入的信號一般為電壓信號，因此需要通過R44將電流轉(zhuǎn)化成電壓信號，本文中R44取值為，原理圖如圖4.2所示。</p><p><b>　　2）電流互感器</b></p><p>　　在隔離條件下CS040G型電流互感器具有測量電流電壓一次變換到位，直接將被測電流隔離轉(zhuǎn)

104、換成電壓，電路設(shè)計簡單可靠等優(yōu)點。CS040G型電流互感器在本文中的功能是將交流5A的電流轉(zhuǎn)換成為交流1V的電壓，其參數(shù)如表4.2所示。</p><p>　　表4.2 CSO4OG基本電氣參數(shù)</p><p>　　該互感器是電流電壓轉(zhuǎn)換器，能夠測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流，通過感應(yīng)原邊的電流產(chǎn)生副邊電壓。使用該互感器的時候，首先接通副邊電源，再接通原邊。值得注意的是，錯誤

105、的接線將會導(dǎo)致互感器損壞，次級回路嚴禁開路，否則將損壞儀器，同時輸入端不能短路，否則會增加電流誤差。其原理圖如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.2電壓互感器原理圖 4.3電流互感器原理圖</p><p>　　4.1.2信號調(diào)理電路</p><p>　　互感器電路出來的信號是雙極性交流信號，而TMS320F2812內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換要求其

106、模擬輸入為0-3V的單極性信號，因此，還需要在互感器和A/D轉(zhuǎn)換器之間添加信號調(diào)理電路，將電壓轉(zhuǎn)化為0-3V的單極性信號。采用圖4.4電源模塊對比例放大器進行-12V到+12V供電。對圖4.4中的各元器件進行介紹說明：D315、D316起防反接的作用；C313、C315是電解電容，起支撐直流電壓的作用，并可濾除紋波；C314、C316是交流濾波電容，可濾除交流高次諧波。</p><p>　　圖4.4比例放大供電電

107、路圖</p><p>　　電壓和電流互感器輸出的信號較小，而TMS320F2812的A/D轉(zhuǎn)換模塊可接收的電壓信號為0-3V。為充分利用AD轉(zhuǎn)換模塊，需對輸入信號進行處理。信號調(diào)理電路如圖4.5所示，R17、R18是可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)兩個可調(diào)電阻的阻值能改變電路的放大倍數(shù)，進而調(diào)節(jié)輸出信號的電壓范圍；D7、D8是起輸入保護作用，使運放與外設(shè)連接時，有電纜等注入高電壓脈沖噪聲，若這種噪聲超過運放的據(jù)對最大額定值，則

108、內(nèi)部寄生二極管導(dǎo)通，運算放大器會被破壞，這時添加D7、D8這種二極管期望選用正向電壓降比寄生二極管低的肖特基二極管。DW3、DW4、R21起輸出限幅保護作用，即輸入端電壓超過-1V到+1V時。輸出電壓-dsp的幅值將被限制在0V到3.3V之間。</p><p>　　圖4.5信號調(diào)理電路圖</p><p>　　4.1.3過零檢測電路</p><p>　　加入過零檢測電

109、路即方波電路，將電壓信號變成同頻率的方波信號，DSP通過捕捉上升沿來跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，以保證同步采樣。具體檢測電路如圖4.6所示，D19是穩(wěn)壓管，為3.3V，起保護作用。當(dāng)大于0時，輸出高電平；當(dāng)小于0時，輸出低電平。通過TMS320F2812的引腳CAP1捕獲方波的上升沿，設(shè)第一次捕獲技術(shù)值為CONT1，第二次捕獲計數(shù)值為CONT2，捕獲單元時鐘基準(zhǔn)為CLK，則頻率的計算公式為:</p><p><b&

110、gt;　　(4.1)</b></p><p>　　圖4.6過零檢測電路圖</p><p>　　4.2 DSP處理模塊</p><p>　　4.2.1 DSP芯片選型及其詳細介紹</p><p>　　本設(shè)計的核心芯片采用TI公司的TMS320F2812芯片。TMS320F281x系列處理器是美國德州儀器公司（Texas Instru

111、ments) 推出的高性能數(shù)字信號處理器，該系列處理器是基于TMS320C2xx內(nèi)核的定點數(shù)字信號處理器，集成了多種先進的外設(shè)，為控制領(lǐng)域提供了良好的平臺。芯片采用32位中央處理器，大大提高了系統(tǒng)的運算處理能力，可在150MHz (時鐘周期6.67ns)下工作，其性能遠優(yōu)于2000系列的其他DSP。F2812數(shù)字信號處理器是在F24x的基礎(chǔ)上開發(fā)的32位高性能定點芯片，兼容24x指令系統(tǒng)，能夠直接運行在24xDSP 上開發(fā)的程序。其主要

112、特點:</p><p>　　采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻可達150MHz(時鐘周期6.67ns)，低功耗</p><p>　　設(shè)計，F(xiàn)LASH編程電壓為3.3V。</p><p>　　高性能的32位CPU，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，可以進行16x16位和32x32 位的乘累加運算；快速中斷響應(yīng)和處理能力，統(tǒng)一尋址模式，高效的代碼轉(zhuǎn)換功能（支持C/C++和匯編編程)；同

113、時與TMS320F24x/F240x系列數(shù)字信號處理器代碼兼容。</p><p>　　片內(nèi)集成大容量存儲器，128Kxl6bit的Flash，兩塊4Kxl6bit的單周期訪問SARAML0和L1；一塊8Kxl6bit的單周期訪問SARAMH0 ；兩塊lKxl6bit 的單周期訪問SARAMM0和Ml。</p><p>　　外部存儲器擴展接口，最大可擴展lMxl6bit的存儲空間；可編程等待