变电站数据采集系统设计

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1、毕业论文(设计)题目名称： 变电站数据采集系统设计 题目类型： 学生姓名： 赵文浩 院 (系)： 电子信息学院 专业班级： 电气10803 指导教师： 唐桃波 辅导教师： 唐桃波 时 间： 至目录毕业论文(设计)任务书III毕业设计(论文)开题报告V长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见X长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语XI长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定XII中外文摘要XIII第一章 绪 论11.1 变电站电力参数检测的重要意义112 数字信号处理器（DSP）在电能检测中的应用213 电力参数检测的发展及现状情况414 电力参数及谐波测量方法研究615 本论文的研究内容7第二

2、章 变电站电力参数及谐波测量方法921 变电站电力参数测量内容及其计算原理922 谐波分析1323电力系统频率测量方法25第三章 基于DSP的电力参数测量装置的设计2931 系统硬件概述2932数据采集模块3033 数据处理单元3634数据存储单元4235 按键与液晶显示单元4236 通讯单元43第四章 系统软件设计4541系统软件总体概述4542 软件系统组成部分48第五章 误差分析、结论5451误差分析5452总结54参考文献56致 谢58毕业论文(设计)任务书院（系） 电子信息学院 专业 电气工程及其自动化 班级 10803 学生姓名 赵文浩 指导教师/职称 唐桃波 1. 毕业论文(设计

3、)题目：变电站数据采集系统设计2. 毕业论文(设计)起止时间： 年 月 日 年 月 日3毕业论文(设计)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）4毕业论文(设计)应完成的主要内容使用计算机，DSP，数模转换器，CPLD等设计一个数据采集系统，能够快速测量出谐波，频率，有功无功，电压电流。5毕业论文(设计)的目标及具体要求至少测量12次谐波，可接入16路PT/CT信号6、完成毕业论文(设计)所需的条件及上机时数要求计算机一台，相关书籍资料，相关器件任务书批准日期 年 月 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 完成任务日期 年 月 日 学生（签名） 长江大学毕业

4、设计(论文)开题报告题 目 名 称 变电站数据采集系统设计 题 目 类 别 毕业设计 院 （系） 电子信息学院 专 业 班 级 电气10803 学 生 姓 名_ 赵文浩 _ _ _ 指 导 教 师_ 唐桃波_ 辅 导 教 师_ 唐桃波_ 开题报告日期 2012年3月9日 一、题目来源针对电力系统变电站的可靠运行，尤其是无人值守变电站的远程监控问题二、研究目的和意义随着我国电力事业的快速发展，电力系统对发、输 、配、用电量的采集也有了更高的要求。电量采集作为电力系统实时控制、监测、调度自动化的前提环节，毫无疑问具有重要的作用。三、阅读的主要参考文献及资料名称1康华光 电子技术基础数字部分 高等教

5、育出版社 . 2006.12李英顺 现代检测技术 中国水利水电出版社 20093张洪润 传感技术和应用教程 清华大学出版社 20094孙德文 微型计算机技术 高等教育出版社 2001.15张洪润 电子线路也电子技术 清华大学出版社 2005.4四、现状和发展趋势与研究的主攻方向数据采集系统广泛应用在科研、教育、工业、水利、医疗、物流等各行各业，形式多样，种类繁多。数据采集系统的应用与发展对我国的现代化建设有着非常重要的现实意义。在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常利用PC或工控机对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡，常用的有A/D卡以及422

6、、485等总线板卡，常见的产品有西门子、研华工控、联想工控等国内外一些产品，该实现方法通常适用于规模较复杂的采样控制场合。对于一般的场合通常用功能比较单一的仪器设备，即时采集显示，再通过经验去分析。采用板卡方式的数据采集系统不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰，而且容易受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制等。这些采集系统，一般结构比较复杂，成本较高。在其它一些领域，如办公自动化方面，随着当前计算机和网络技术的发展，国内信息化水平的迅速提高，电子政务、电子商务的逐步推广，通过信息技术对原有业务的改造，政府、企业大多数都实现了“无纸化”办公流转。但多数的信息应用中，并不完全涵盖工作全部环节，许多文

7、档还是以纸质文档的形式存在，例如考试中的机读卡、人口普查表、彩票投注单、选票、定货单等。将这些信息录入计算机是一件非常繁琐的事情。如果通过键盘手工输入，不但费时费力且容易出错。在实时性要求较高的场合如选举中的统计选票自动、快速、准确地处理文档显得尤为重要。因此，对这些文档进行计算机自动录入具有重要的实现意义。目前在国内外有多种信息录入设备，如高速图象扫描设备，机读一卡设备等。这些产品的发展较为成熟，产品形式多样，能快速准确的完成对信息数据的录入。但这些产品也有各自的缺点，如产品结构复杂，价格高昂等。随着我国电力事业的快速发展，电力系统对发、输 、配、用电量的采集也有了更高的要求。电量采集作为电

8、力系统实时控制、监测、调度自动化的前提环节，毫无疑问具有重要的作用。但在电量采集过程中，由于存在谐波等干扰因素，因此如何准确、快速地采集电力系统中的各个模拟量一直是电力系统研究中的热点。根据采样信号的不同，采样可分为直流采样和交流采样两大类。直流采样算法简单、便于滤波，但维护复杂、延时较长、无法实现实时信号采集，因而在电力系统中的应用越来越受到限制。交流采样实时性好、相位失真小、投资少、便于维护，其缺点是算法复杂、对A/D转换速度和CPU, 处理速度的要求较高。我国自20世纪80年代引进数字信号处理器以来，数字信号处理器己在各个领域得到了广泛的应用，DSP理论和技术已成为领域的核心技术。由于D

9、SP芯片既具有高速数字信号的处理功能，又具有实时性、低功耗、高集成度等特点，因此在通信、工业控制、航空航天、医疗、国防等应用领域得到了很好的应用。目前在市场上有TI、AD、MOTOROLA、AT&T等公司的DSP芯片，其中，TI公司的TMS320系列DSP芯片是目前最有影响、最为成功的数字信号处理器。现在的高速数据采集处理一般采用高性能数字信号处理器和高速总线技术的框架结构。五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路1、主要研究内容确定数字化变电站的系统架构图、功能模块，明确系统工作流程及各模块的功能并分析数字化变电站的系统架构，论证其可行性，完成智能采集装置的软硬件设计。运用硬件电路设

10、计和软件实现的功能, 以实现对变电站的各种模拟量进行高速实时的数据采集, 最终大大提高了变电站综合自动化系统的整体性能。2、重点研究的关键问题a) 谐波采样算法问题b) DSP硬件连接问题c) 系统软件设计问题d)系统原理图，相应的软件实现流程图和相关的实现软件3、解决思路采集电路A/D转换TMS320F2812串行接口RTL8019AS以太网接口外部扩展3.1工作原理由于交流信号是一种近似周期正弦信号，基于变换的数字化分析方法具有较强的应用偷值。利用基于FFT的数字式测试仪可以准确的测量三相不平衡度，采样数据经过FFT变换除去各次谐波后，求得基波的幅值和相位。利用对称分量法求得电压、电流的正

11、序、负序和零序分量的幅值、相位和不平衡度。考虑到各种变换的特点，对诸如谐波、问谐波、波形下陷及噪声等以波形畸变为特征的稳态电能质量问题，多采用傅立叶变换及其改进算法；对于脉冲、谐振及电压突变等暂态信号的分析，多采用可以进行时频分析的小波变换。利用Mallat算法不仅能够准确检测到电压信号中尖锐变化的时刻，还能区分不同的电能质量扰动。改进的STFT(Shorttime FourierTransform)算法也能实现对电能质量的评估，其思想是先用宽窗对测量数据进行快速浏览，检测到扰动以后再用窄窗对扰动进行聚焦，结合扰动的定义，可以对电能质量问题进行评估分类。此外，为了提高待测电压、电流的信噪比，可

12、以利用现代谱分析的思想。随着电能质量研究的逐步深入，今后的工作将是设计和开发基于变换的实用装置，从而进行电能质量的检测分析及扰动类型的正确识别。六、完成毕业设计（论文）所需具备的工作条件工作条件：电脑1台，相关书籍资料，相关器件。计算机相关辅助软件 七、工作的主要阶段、进度与时间安排1，准备阶段 3.53.11拟划毕业设计的整体方案并完成开题报告。2，收集信息阶段 3.124.2查找相关资料并做好记录3，设计阶段 4.35.2分为硬件电路设计和程序设计两块，根据相关资料设计具体方案4，调试阶段 5.35.17按照设计方案进行设计调试并接受中期检查5，完善阶段 5.186.2检查，修改错误并优化

13、设计6，论文答辩阶段 6.36.10八、指导教师审查意见长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目指导教师职 称评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见：指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内

14、容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设

15、计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)中外文摘要变电站数据采集系统设计学生：赵文浩，电子信息学院指导教师：唐桃波，长江大学摘要：随着数字化变电站的发展，以及近年来，随着社会和经济的发展，社会对电力的需求量与日俱增，电力供应局面日趋紧张。而且，由于非线性负荷的大量应用，导致在电力系统中产生大量的高次谐波，对电力系统造成了很大的危害。在这种情况，就需要对电力参数和谐波情况进行准确、实时地检测。本文介绍的这套电气参数交流采样系统是采用TMS320VC33型高速数字信号处理器 (DSP)和两片16位高

16、速A/D转换器ADS8364实现快速、精确地采集和计算各种电气参数。该系统还具有性能价格比高、维护方便的特点。关键词：数字化变电站；数据采集；TMS320F2812;DSPDesign of data acquisition system for SubstationAbstract：With the development of digital substation, as well as in recent years, with the development of society and economy, the social demand for electric power gro

17、w with each passing day, power supply tensions. But, due to the non-linear load of a large number of applications, resulting in power system produced a large number of harmonics on the power system, causing great harm. In this situation, the need for electric parameters and harmonic were accurate, r

18、eal-time detection. This paper describes the set of electrical parameters of AC sampling system is the use of TMS320VC33type high speed digital signal processor ( DSP ) and two pieces of16bit high speed A/D converter ADS8364 fast, accurate acquisition and calculation of various electrical parameters

19、. The system has the high performance price ratio, convenient maintenance.Keywords: digital substation; data acquisition; TMS320F2812; DSP第一章 绪 论1.1 变电站电力参数检测的重要意义目前，随着技术进步，电力系统新投运的220kV及以下变电站试运行24时正常后即按无人值班模式运行。无人值班变电站是变电站一种先进的运行管理模式。它是指借助微机远动等自动化技术，值班人员在远方获取相关信息，并对变电站的设备运行进行控制和管理。远处值班人员需要获得及时准确的相关

20、信息，才能正常安全的采取相应的措施控制和管理变电站，这就需要更快更精确的设备系统。而众所周知，在工业生产和日常生活中，电力对社会和个人有着密切的关系和重要的意义，因为电流、电压过低过高，及设备寿命，严重的还会危及人身安全；均能影响各种电器设备的正常使用功效并且，对电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数和频率等电力参数的准确、快速地检测、监控可以及时掌握供电线路和设备运行状态，及时发现电网中的故障或隐患，进而采取合理和有效的措施，保证电力系统及设备运行良好。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，在化工、冶金、电力传送、电气化铁道等行业，以及家用电器中非线性负荷的使用日渐增多，特别是一些大功率整流

21、设备和电弧炉等的大量应用，导致在电力系统中产生大量的谐波，进而引起电压、电流波形发生畸变，电力谐波不仅会严重危害供用电设备和电气仪表，使供电质量不断下降，影响计量设备的测量控制，不能准确地反映电力系统运行的情况，损害用户的利益，也会对电力系统本身造成不良的影响和危害。在很长一段时间来我们还没有一套完整的指标来衡量电能质量，通常关心的是电力供应量方面，较少关心电能质量和谐波情况，并且现有的一些检测器件还依赖于有百年历史的动圈式仪表和交流互感器之类的电工仪表，这些仪表只能显示电力参数的有效值和模拟值，误差大，精度低，不能满足实际测量的要求，有些也仅考虑了测量基波分量的情况，较少考虑对谐波的测量，那

22、么电力参数的实时准确的测量成了必须要解决的问题。从以上研究可见，研制一种多功能的电力参数检测装置对于变电站的远距离监控具有非常重要的意义，它不但要能对如电压、电流、功率、功率因数和频率等重要的电力参数进行实时检测，还要对电力系统中的高次谐波进行实时分析，从而使远处值班人员采取进一步的措施，减少谐波污染，保证电能质量，保证电力系统安全、可靠、经济地运行。12 数字信号处理器（DSP）在电能检测中的应用随着电力电子技术的发展，整流器、变频器以及电弧炉等各种非线性负载在工农业生产和输用电设备中得到了广泛应用。这些负载的非线性、冲击性和不平衡性使电网的供电质量日趋恶化，造成诸多的稳态、暂态电能质量问题

23、，如表l所示。据美国电力科学研究院Jane Clemmensen粗略估计，认为在美国当今因电能质量每年造成的损失高达260亿美元。关于电能质量问题已引起世界各国的高度重视，我国也相继提出了针对电能质量的五大指标：供电电压允许偏、电压波动和闪变、公用电网谐波、三相电压允许的不平衡度和电力系统允许的频率偏差，并积极进行提高电能质量的研究。目前电能质量的检测仅限于持续性和稳定性指标的检测。传统的基于有效值理论的检测技术，由于时间窗太长，仅测有效值已经不能反应实际的电能质量问题，急需新的检测技术来捕捉瞬时干扰的波形，测量各次谐波的幅值和相位，建立有效的自动辨识系统，使之能反映各种电能指标的特征及随时间

24、的变化规律。由于交流信号是一种近似周期正弦信号，基于变换的数字化分析方法具有较强的应用偷值。利用基于FFT的数字式测试仪可以准确的测量三相不平衡度，采样数据经过FFT变换除去各次谐波后，求得基波的幅值和相位。利用对称分量法求得电压、电流的正序、负序和零序分量的幅值、相位和不平衡度。考虑到各种变换的特点，对诸如谐波、问谐波、波形下陷及噪声等以波形畸变为特征的稳态电能质量问题，多采用傅立叶变换及其改进算法；对于脉冲、谐振及电压突变等暂态信号的分析，多采用可以进行时频分析的小波变换。利用Mallat算法不仅能够准确检测到电压信号中尖锐变化的时刻，还能区分不同的电能质量扰动。改进的STFT(Short

25、time FourierTransform)算法也能实现对电能质量的评估，其思想是先用宽窗对测量数据进行快速浏览，检测到扰动以后再用窄窗对扰动进行聚焦，结合扰动的定义，可以对电能质量问题进行评估分类。此外，为了提高待测电压、电流的信噪比，可以利用现代谱分析的思想。随着电能质量研究的逐步深入，今后的工作将是设计和开发基于变换的实用装置，从而进行电能质量的检测分析及扰动类型的正确识别。表I 电能质量一览表类型扰动性质特征指标产生原因后果解决方法谐波稳态谐波频谱电压电流波形非线性负载固态开关负载设备过热、继电保护误动、设备绝缘破坏有源滤波无源滤波三相不对称稳态不平衡因子不对称负载设备过热、继电保护误

26、动、通信干扰静止无功补偿陷波稳态持续时间幅值调速驱动器计数器计时错误通信干扰电容器隔离电感器电压闪变稳态波动幅值出现频率调制频率电弧炉电机起动伺服电机运行不正常静止无功补偿谐振暂态稳态波形峰值持续时间线路、负载、电容器的切投设备绝缘破坏、损坏电力电子设备滤波器隔离变压器避雷器脉冲暂态稳态上升时间、峰值、持续时间闪电电击线路感性电路开合设备绝缘破坏避雷器电压瞬升瞬降稳态幅值持续时间瞬时值时间远端发生故障电机起动设备停运、敏感负载不能正常运行不间断电源动态电压恢复器噪声稳态暂态幅值、频谱不正常接地微处理器控制设备不能正常运行正确接地滤波器13 电力参数检测的发展及现状情况在电力工业发展初期曾用电解

27、化学原理进行参数测量，1890年，发明了感应式电磁原理电能表，沿用至今。早期的电力参数检测大都采用的是模拟电子技术，测量装置的体积庞大、功能单一、自动化度较低和数据测量精度不高，难以进行谐波分析，不具备综合分析和判断功能，一般也不具备异常报警功能。不能及时发现电力系统中的异常现象，并且依赖运行人员定时巡回手工抄表来记录电耗情况，工作强度大，效率低。50年代出现数字式仪表，电力参数测量进入一个新的阶段：数字式仪表采用数字电路进行信息的数字化处理，与早期的模拟仪表相比，可以得比较高的精确度，灵敏度提高，价格低，但整体应用范围较窄，功能比较单调，移植性较差，难以适合高速实时信号处理。随着电子技术和微

28、机技术的飞速发展，微机广泛地应用于电力系统测量中，使得电力系统的测量、监控技术得到了快速发展，精度和实时性有了很大的提高。但是电力系统对检测装置的实时性，计算能力及大数据量运算速度等各方面要求的不断提高，采用一片CPU或双CPU微机式的电力参数检测仪器，需要同时完成电力参数和谐波的大数据量的计算，再加上AD转换、数据采集、数据传送等系统内容的影响，致使系统测量精度和准确度越来越不能满足日益提高的性能要求。DSP技术的高速发展为电力参数测试技术带来了新的变革，特别是在电力系统电压和电流的高次谐波的测量和分析中，DSP以其运算速度快、精度高、显著的计算能力与实时性、数据输入输出能力强等特点而被广泛

29、应用，并且采用DSP开发的测量装置体积小，集成度高t随着DSP芯片的性价比不断提高，开发工具越来越完善，DSP的应用成为目前电力参数测试开发的最新趋势，在电力参数测量领域大有取代单片机的趋势。我国对电力参数的研究和开发起步较晚，测量仪器整体测量水平较低，存在着实时性不强，检测指标少，效率低等局面；目前国内还在使用一些模拟式和数字式测量仪表，虽然一些专门的测量装置已经在一些部门投入使用，但是多数是一些功能比较单一的测试仪和分析仪，多功能、精度高的测量装置在市场上比较少见；近年来我国的不少厂家通过借鉴国外的测量仪器以及通过与外国公司的合作，不断研制和推出了各种系列的高性能测量仪器。如杭州远方仪器有

30、限公司的PF9800系列测量仪器，兰州胜利仪器公司的智能型电力参数采集测控仪表系列，青岛青智仪器公司的电参量测试仪表等。这些测量仪器其性能比较先进，功能也比较齐全，可以测量有效值、功率和谐波、闪变和三相不平衡度等所有参数，具有RS232、RS-485等通讯方式，显示方式美观大方，可以实时显示数值、波形、频谱图等：虽然在技术上看，我国的测量仪器有了不少的进步，但在一些性能指标、可靠性和智能化程度方面与国外的同类产品还有一定的差距。国外对电力参数的研究和开发起步较早，早在70年代就出现了可以测量多个电力参数的多功能测量仪表；80年代，随着当前的电子技术的发展，测量仪器已经进入智能化时代；90年代来

31、，计算机技术、微电子技术、控制技术特别网络通讯技术的发展，使得测量装置得到空前发展；国外各大公司把这些技术应用于测量装置上。研制推出了众多在世界范围内处于领先的测量仪器，如美国Fluke公司推出的F43B电能质量分析仪，瑞典UNIPOWER公司的UP系列电能质量测量仪等，可实时检测电力系统中的所有参数，计算高达51次的谐波，可以捕捉电压瞬变和骤升骤降及浪涌电流的显示，具有强大的网络功能，还具有全中文操作软件，显示方式多样，硬件全电子化等特点。随着各种性能要求的提高，测量仪器将在使用微机技术的基础上，融合计算机控制、网络技术、总线技术和虚拟仪器相关技术，将测量、控制、分析集成于一体；这种装置体积

32、小，测量精度较高，具有较强的网络化和自动化功能，可以测量电压、电流、功率因数、频率、无功功率、视在功率、谐波及其他电力参数值的测量，而且可以进行多条记录存储、可与计算机进行数据交换、可进行远程实时测量等。当前，电力参数检测仪器正朝着以下方向发展：1、体积小型化、功能多样化、功耗减小，维持电流降低化、采用新器件更高可靠性、显示方式普遍更新。2、实现网络化智能、在线监测。随着传感器技术、计算机技术、信息技术等发展，系统监测技术广泛采用这些先进的科研成果，使在线监测逐步走向实用化阶段；监测装置可作为接入访问平台进入网络，可以实现设备资源和数据资源共享及远程操作。3、虚拟化。虚拟仪器是建立在标准化、系

33、列化、模块化、积木化的硬件和软件平台上的完全开发的系统，结合电力系统的应用，开发应用虚拟仪器技术建立的高速、高效、大容量、多功能、智能化的实时监测系统。14 电力参数及谐波测量方法研究141电力参数测量算法在有效值的测量上有均方根法、正弦模型法、非正弦模型法。其中正弦模型法又有导数算法、最小二乘滤波算法等，非正弦模型法有傅立叶算法、均方根积分法等。在含有谐波电流情况下，非正弦模型法比正弦模型法误差小。在功率测量上有瞬时无功功率理论方法。142谐波测量方法l、采用模拟滤波器的谐波测量早期采用模拟滤波器来实现谐波测量。该方法的优点是电路结构简单，造价低，输出阻抗低，品质因数易于控制，缺点是滤波器中

34、心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性，检测精度不高，运行损耗大。2、基于瞬时无功功率的谐波测量1984年，日本学者HAkagi等提出瞬时无功功率理论，并在此基础上提出了两种谐波电流的检测方法：p-q法和ip-iq。这两种方法都能准确地测量对称的三相三线制电路的谐波值，ip-iq法适用范围更广，不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效：而使用p-q法测量电网电压畸变时的谐波会产生较大的误差。这两种方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量(基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量)的测量电路比较简单，并且延时小，虽然被测电流中谐波构成和

35、采用滤波器的不同会产生不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。该方法还具有很好的实时性，缺点是硬件多，花费大，瞬时无功功率理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测及不用储能元件实现谐波和无功补偿等问题，对治理谐波和研发无功补偿装置等起到了很大的推动作用。3、基于神经网络的谐波测量人工神经网络(ANN)的兴起给电力谐波测量提供了新的研究途径。ANN是由一些称之为神经元的基本单元按一定规则互联而成的自适应系统，它具有人脑神经网络的一些基本特征，诸如信息的分布式存储和大规模并行处理、自适应和自学习能力等功能。由于这些特征，对ANN应用于信号处理、模式识别、图象处理、人工智能和优化计算、预测与管理等方面已

36、有很多研究。神经网络应用于电力系统谐波测量尚属起步阶段。4、基于傅立叶变换的谐波测量基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法。使用该方法测量谐波，精度较高，算法快速，使用方便。其缺点是实时性不好，会产生频谱混叠效应和栅栏效应，使计算出的信号参数(即频率、幅值和相位)不准确。无法达到时域和频域的有机结合，难以适用于非平稳信号，时间信息利用不充分，任何信号冲突都会导致整个频带的频谱散碲1121。因此需要对FFT方法进行改进，以提商测量准确度和实时性。5、基于小波分析方法的谐波测量小波分析(Wavelet Analysis)是1986年以来由于YMeyer，SMallat及IDau

37、bechieS等的奠基工作而迅速发展起来的一门应用数学学科，也是当前数学家关注和研究的一个热点。它是傅立叶分析发展史上的一个里程碑。小波分析作为一种新型的时频分析工具，在时域、频域同时具有良好的局部化性质，使得它比傅立叶分析及短时傅立叶分析更为精确、可靠，使得具有奇异性、瞬间性的故障信号检测也变得更加准确。虽然小波变换应用在谐波测量方面尚处于初始阶段，但小波变换在频域和时域都具有局部性的特点必将在电力系统中有广阔的应用前景。15 本论文的研究内容国际电工委员会（IEC）标准IEC61850对采样速率有明确的要求，由表2可知对220kV及以上电压等级输电系统的监测装置和仪表应达到M2级和M3级，

38、交流采样的遥测装置每周期(0.02秒)采样点数分别要求大于80和240点。由单片机实现的交流采样遥测装置很难达到此要求，而DSP具有高速度、高精度、并行性、高集成度和高性能价格比等优点，非常适合应用于交流采样遥测装置。本文介绍的这套系统使用高速度CT,PT采样，采用快速傅立叶变换算法，计算高达15次谐波，完成功率、电度、功率因数、电压、电流、频率等的计算，具有高精度，高稳定性。其采样速率为12kHz,完全能达到IEC61850采样速率的要求。表2 IEC 61850对测量仪表的数据要求数据类型级别精确度级和谐波分辨度(幅值)bit采样速率每秒采样次数每周期采样次数（50Hz）电压M10.5级(

39、IEC60687)12150030电流M10.2级(IEC60044)最多5次谐波14150030电压M20.2级(IEC60687)14300080电流M20.1级(IEC60044)最多13次谐波16300080电压M30.1级164000240电流M3IEC未定义最多40次谐波184000240针对表2的要求，本文介绍的这套电气参数交流采样系统是采用TMS320VC33型高速数字信号处理器 (DSP)和两片16位高速A/D转换器ADS8364实现快速、精确地采集和计算各种电气参数。该系统还具有性能价格比高、维护方便的特点。第二章 变电站电力参数及谐波测量方法21 变电站电力参数测量内容及

40、其计算原理211变电站电力参数测量项目1、交流电压、电流有效值的测量在计算某一周期电压信号有效值时， (2-1)式中u一一为t时刻的电压信号瞬时值u(t)；T一一该电压信号波形的周期：U一一交流电压信号有效值。如果将式(2-1)离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替电压函数，则 (2-2)式中 相邻两次采样的时间间隔； 第m个时间间隔的电压信号采样瞬时值；N一个周期的采样点数。若相邻两次采样的时间间隔都相等，为常数。因为则： (2-3)这就是根据一个周期内采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。同理，记im为第m个时间间隔采样得到的电流瞬时值，该电流有效值I为： (2-4)

41、2、平均功率T的计算 （2-5）其中N为电压电流的周期，当一个周期内采样点数越多时，用此式的误差越小，精度越高。3、有功功率P、无功功率Q和视在功率S的测量正弦波情况下，有功功率为P=UI，但是在电流、电压含有各种谐波的情况下，此时的有功功率为。那么单相有功功率离散化后可得： （2-6）,为三相电压、电流的瞬时采样值。视在功率为:S=UI (2-7)无功功率为： (2-8)对于三相功率: (2-9) (2-10)4、功率因数的测量由于前面已经测出了电压、电流的有效值，以及平均功率，故功率因数可表示为： (2-11)212谐波测量内容1、 谐波电压含有率HURnHURn= (2-12)式中-第n

42、次谐波电压值；-基波电压有效值。2、 谐波电流含有率HRInHRIn= (2-13)式中-第n次谐波电流有效值;-基波电流有效值。3、 谐波电压含量 （2-14）4、 谐波电流含量 （2-15）5、 电压谐波总畸变率 （2-16）6、 电流谐波总畸变率 （2-17）22 谐波分析221 谐波的定义在电力系统中，人们总希望电网的稳态电压、电流是理想的正弦波，正弦电压可以表示为： (2-18)式中U-电压有效值；-初相角；-角频率，；f-频率；T-周期。一个理想交流电源的电压波形应是单一恒定频率的于弦波，而实际电力系统，不但频率会在一定范围内变动，而且波形不会发生畸变，可以分解为不同频率不同幅值的

43、正弦波。按照国际上的通行定义谐波就是指频率为基波频率整数倍的正弦波，亦称高次谐波。电网谐波源产生的谐波，既有仅含特征次的周期、稳态谐波，如具有固定脉动数的整流、换流设备等产生的谐波，在工程实际中，还存在频率低于工频基波频率的分量，称为次谐波。频率为基波频率的分数倍，称为分数谐波。此外，在某些情况下，电网中的波形在很小部分上发生畸变。这种暂态现象有时也可看作是重复的周期量或有衰减的周期量，对它按傅立叶级数展开也可获得相应的谐波量，故有时也称为暂态谐波；还会有暂态时变、非周期、非整数次谐波产生，如电弧灯、感应炉、荧光照明设备等产生的谐波。目前电力系统谐波的测量一般基于这样的假设：波形是稳态和周期的

44、；采样的周波数是整数；只考虑频率是基频整数倍的谐波等。在电力系统中由于电源电压非正弦或由于电网器件非线性而产生的非正弦电流和电压，一般具有周期特性(或近似认为是服从周期规律)。对于周期为T的非正弦电压，一般满足狄里赫利条件，利用Fourier级数可以方便地将周期性的畸变波形分解成恒定的直流分量、基波分量及谐波，可分解为如下形式的傅立叶级数： （2-19）其中， ， ， n=1,2,3那么，从上分析可以得出，我们可以利用傅立叶级数对谐波进行分解，频率为1T的分量为基波，频率大于1且为基波频率整数倍的分量为谐波，但是实际情况中，我们对实际电力系统中的电压电流难以通过傅立叶级数来计算，因此研究电网电

45、压波形畸变的检测方法是很有意义的。当前最常用的方法有快速傅立叶测量法(FFT)。222 谐波检测技术2221 基于FFT的谐波分析法傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是声学、语音、电信和信号处理等领域中一种重要的分析工具。离散傅立叶变换(DFT)是连续傅立叶变换在离散系统中的表现形式。在实际谐波测量中，由于实际信号不可能无限的，对于计算机来说也必须对信号值离散化，经过采样和AD转换，我们得到的是一个时间序列的有限取样数据。由采样得到的N点序列x(n)，可理解为对连续信号X(t)离散采样后，用长度为N的矩形密截断的结果。其DFT为： （2-20）式中 其逆变换为： （2-21）显

46、然，当已知N个采样值时，如直接按上式求出N个频率分量X(k)，需要NN次复数乘法，N(N1)次复数加法。众所周知，实现一次复数乘需要四次实数乘和两次实数加，实现一次复数加需要两次实数加。当N很大时，其计算量相当可观。如N=1024，则需要次复数乘法，即次实数乘法，所需时间过长，难于“实时”实现。DFT运算量极其庞大，这也导致DFT在使用上受到了很大的限制。其实DFT中存在大量的重复运算， (旋转因子) 有如下的周期性和对称性： （2-22）问题的关键是如何巧妙地利用w因子的周期性及对称性，导出一个高效的变换算法，直到1965年，JwCooly和JwTurkey提出了快速傅立叶变换(FFT)，使

47、DFT的运算大大简化，从而使DFT在实际应用中得到了广泛的运用，基于快速傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多的算法，也是最广泛的一种方法。这种算法在利用了的周期性和对称性的特点的同时，主要是对重复出现的乘法运算作了合理和巧妙的安排。FFT使N点的DFT的乘法计算量由使DFT的计算工作量的复杂度从NN量级降到了 级。仍以N=1024为例，计算降为5120次复数乘法，仅为原来的0488。自从CoolyTurkey的算法提出后，新的算法不断涌现。总的来说，快速傅立叶变换的发展方向有两个，一是针对N等于2的整数次幂的算法，如基2算法、基4算法等：另一个是N不等于2的整数次幂的算法，它是以Winograd

48、为代表的一类算法。第一类算法(Cooly-Tllrkey算法)中最常用的是：基2算法和基4算法两种，它们各有所长，基2的FFT变换的程序代码较少，但耗时较长，整周期的采样点数应为2的整数方；而基一4的FFT变换的程序代码较多，但耗时较短，整周期的采样点数应为4的整数方。本章重点讨论DFT的基2算法：基于FFT算法又分为两种：l、按时间抽取的基于算法(Decimation-in-Time DIT)：将时间序列x(n)按时间下标n的奇、偶分成两组来分解DFT，层层下分直到两点的DFT为止。2、按频率抽取的基于算法(Decimation-in-Frequency DIF)：将频域序列X(k)按频率下

49、标k(内奇、偶分成两组来分解DFT，层层下分直到两点的DFT为止。以上两种方法大同小异，由于按时间抽取的基于算法(DIT)较为常用，所以选用。 假定N是2的整数次方，令，M：正整数，将序列x(n)分解为两组，一组为偶数项，一组为奇数项， r=0,1N/2-1 (2-23)将DFT运算也相应分为两组: (2-24)因为 故 （2-25）其中和分别是和的N/2点DFT。 （2-26） （2-27）可见，一个N点的DFT被分解为两个N2点的DFT，这两个N2点的DFT再按照上面式(2-25)合成为一个N点DFT，注意到，Xl(k)，X2(k)有N2个点，即k=0，1N2-1，由(2-25)式得到X(

50、k)只有N2点，而X(k)却有N个点，即k=0，1，N-1，要用Xl(k)，X2(k)表示全部X(K)值，还必须应用系数w的周期性和对称性。表示x(k)的N/2N-l点，由 （2-28）得： （2-29）因为 （2-30）且 （2-31）同样 （2-32）考虑到 （2-33）故 （2-34）式(228)表示了X(k)前半部分k=0N2-1时的组成方式，(234)式则表示了后半部分k=N2N-1时的组成方式。这两式所表示的运算过程可用一个称作蝶形的信号流图来表示，如图2-1所示，(a)图中左面两支为输入，中间以一个小圆圈表示加、减运算，右上支为相加输出，右下支为相减输出，如果在某一支路上信号需要

51、进行乘法运算，则在该支路上标以箭头，并将相乘的系数标在箭头边，这样(a)，(b)所表示的运算，可用图2-1中的图(b)的“蝶形结”来表示。AA-BA+BB(1) (2) 图2-1 蝶形运算流图符号由于这种方法每一步分解都是按输入时问序列是属于偶数还是奇数束抽取的，所以称为“时间抽取法”。2222 改进的FFT算法基于快速傅立叶变换(FFT)的谐波测量是当今应用最多、也是最广泛的一种高效的变换算法，它使DFT的计算工作量的复杂度从NN量级降到了级。理论的傅立叶变换是对整个时域信号的变换，但实际工程中，一般要对x(t)在满足采样定理下进行采样，变换为离散序列x(n)，可以看成是对信号加上一个矩形窗

52、后，再进行FFT算法变换。以上转换需要的一个重要步骤就是保证采样频率与信号频率同步。然而实现FFT过程中总会存在泄漏现象和栅极效应，使算出的信号参数即频率、幅值和相位不准确，尤其使相位误差很大，无法满足准确的谐波量的要求。1、 频谱泄漏现象和栅极效应根据傅立时变换的乘积定理，那么序列x(n)的傅立叶变换为实际信号傅立叶变换x()和矩形窗傅立叶变换的卷积。设某单一频率信号: ,矩形窗表示为： 1；0tT = 0；其余 采样时间为T，那么信号与矩形窗的乘积为： (2-35)由于Xm(t)的傅立叶变换为，即在出有一条单一的谱线。而矩形窗的傅立叶变换为： (2-36) 所以根据傅立叶变换的乘积定理，的

53、傅立叶变换为： (2-37)若不计相位的变化，在频谱图里已不再是单一的谱线，变成了以为中心的其形状为振荡并逐渐衰减的连续谱线，能量不再集中，即产生了泄漏现象。谐波分析中，各次谐波所泄漏的能量会相互影响，造成误差。对于信号的DFT来说，采样点实际上就是频域中各次谐波频率处的谱线，那么DFT可以看作是采样序列通过N个窄带滤波器的输出，各滤波器的中心频率恰好是各次谐波的中心，然而在实际中采样频率存在的偏差以及电网频率的波动(电网的频率是缓慢变化的，电力部标准允许l范围内的波动)都会使采样无法达到同步，结果导致各次谐波的中心频率不能正好出现在滤波器的中心点上，而是落在某2个频率分辨点之间，这样，通过D

54、FT并不能直接得到各次谐波分量的准确值，而只能以临近的频率分辨点的值来近似代替，这就是通常所说的栅栏效应。2、加窗插值FFT从以上分析可得，栅极效应和频谱泄漏都会对参数的精度产生影响，但是我们可以对信号进行加窗，减少泄漏，提高FFT的计算精度，在加窗基础上进行插值算法，进一步提高各参数的计算精度，以此来减少栅极效应带来的误差。由于电力信号主要含有整数次谐波，余弦窗具有主瓣窄，旁瓣低，旁瓣幅值跌落速度快，在一定时有最小的主瓣宽度等特点，只要选取观测时间是信号周期的整数倍，其频谱在各次整数倍谐波频率处幅值为零，其运算简单易行，谐波间泄漏误差较小，故常选用余弦窗，选用余弦窗的一个主要原因在于它便于进

55、行频谱计算。通常信号加窗都是在时域进行的，即，然后进行傅立叶变换。而对于余弦窗，可以先对信号进行傅立叶变换，然后在频域进行处理。余弦窗函数可以为矩形窗、汉明窗、海宁窗、布莱克曼窗等，其中，布莱克曼窗的旁瓣幅值最小，主瓣最大，计算复杂；矩形窗有最窄的主瓣，最大的旁瓣幅值；海宁窗介于两者之问。并且计算量较小，在此我们选用海宁窗。余弦窗函数可以表示为 (2-38)K是余弦窗的项数。不同K值和系数决定了不同的窗函数。其中k=2,=O5,=O5为海宁窗。对于余弦窗，可以先对信号进行傅立叶变换。设第m次谐波信号为：设谐波信号加海宁窗后表示为： (2-39)式中为信号的采样序列，Ts为采样间隔为海宁窗，N为

56、采样点数。采样序列的频谱为： (2-40)式中：根据傅立叶变换的性质，采样序列加窗后的傅立叶变换为：d (2-41)进一步设谐波信号采样序列对应的离散频点为：其中为整数，ll，同时考虑采样点数N一般较大，| 1，则 (2-42) 设 则可得 (2-43)则可由(2-41)和(2-43)式可得谐波幅值： (2-44)频率相位(2-45)对信号加余弦窗后进行插值算法能有效的减少栅极效应和泄漏效应引起的误差，提高了FFT的精度，能达到实际测量中预期的精度要求。2223 仿真实验分析电力系统中，高次谐波的主要成分是奇次谐波分量3次、5次、7次，等等，偶次谐波含量很少，并且越到后面越高次的谐波分量含量更少。因此我们主要对于奇次谐波