1、畢業(yè)論文(設計)題 目 名 稱 ： 電力系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 題 目 類 型 ： 畢業(yè)設計 目錄 長江大學畢業(yè)設計(論文)任務書學院(系) 電子信息學院 專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級 電氣10803班 學生姓名 翁學嬌 指導教師/職稱 唐桃波/講師 1.畢業(yè)設計(論文)題目: 電力系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計2.畢業(yè)設計(論文)起止時間: 2012 年3 月21日2012年 6月10日3.畢業(yè)設計(論文)所需資料及原始數(shù)據(jù)(指導教師選定部分)1. 奧本海姆編.信號與系統(tǒng).西安交通大學出版社2. 徐愛鈞編. 單片機原理實用教程. 電子工業(yè)出版社3. 何仰贊，溫培銀 著電力系統(tǒng)分析.華中科技大學

2、出版社4. 張洪潤 、 劉秀英等編. 單片機應用設計200例. 北京航空航天大學出版社 5.張衛(wèi)寧tms320c2000系列dsp原理及應用m北京：國防工業(yè)出版 6.王道憲cpldfpga可編程邏輯器件應用與開發(fā)m北京：國防工業(yè)出版社 7.李光輝，陳志英dsp技術在電力系統(tǒng)諧波測量中的應用j福州大學學報(自然科學版)8.趙飛，梁志瑞，牛勝鎖基于dsp和gps的異地交流電量同步采集系j電測與儀表 9.趙偉，鮑慧，劉云峰基于dsp的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計j.電力科學與工程10. 張毅剛，彭喜元主編.單片機原理及接口技術. 人民郵電出版社4.畢業(yè)設計(論文)應完成的主要內(nèi)容(1)查閱資料，學習相關元器

3、件的工作原理(2)選擇芯片，制定方案，然后利用protuse畫出硬件電路原理圖(3)編寫程序并進行仿真(4)在日志上記下每天的設計活動5.畢業(yè)設計(論文)的目標及具體要求(1)完整硬件設計電路(2)軟件框圖及部分程序清單6.完成畢業(yè)設計(論文)所需的條件及上機時數(shù)要求上機時數(shù)80小時任務書批準日期 年 月 日 教研室(系)主任(簽字) 任務書下達日期 年 月 日 指導教師(簽字) 完成任務日期 年 月 日 學生（簽名） 長江大學畢業(yè)設計(論文)開題報告 題 目 名 稱 電力系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 題 目 類 別 畢業(yè)設計 院 （系） 電子信息學院 專 業(yè) 班 級 電氣工程及其自動化 學 生

4、姓 名 翁學嬌 指 導 教 師 唐桃波 輔 導 教 師 唐桃波 開題報告日期 : 2012年3月14日 電力系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計學生：翁學嬌，電子信息學院 指導教師：唐桃波，電子信息學院1 題目來源來源于生產(chǎn)/社會實際2 研究目的和意義 電已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠郑前踩⒎€(wěn)定、有效的電才是人們所需要的，因此我們必須對電力系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)進行有效采集和分析，時時刻刻監(jiān)控著它們，從而為人們提供安全、有效、穩(wěn)定的電能。為了保證電力系統(tǒng)的正常運行,我們需要對電力線上的電壓、電流和功率等各種參數(shù)進行實時或頻繁的測量和監(jiān)控。隨著科學技術的發(fā)展，雷達、通訊、電子對抗、航天測量、圖象、多媒體

5、等諸多領域?qū)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了更高的要求。隨著一些新的高性能的電子芯片的推出，電子系統(tǒng)設計有了更多的選擇和更方便的條件，使交流電量同步采集得到了快速發(fā)展。實現(xiàn)多路并行數(shù)據(jù)的高速數(shù)據(jù)采集，并且使系統(tǒng)具有良好的可擴展性，是數(shù)據(jù)采集發(fā)展的重要方向。3 閱讀的主要參考文獻及資料名稱1. 奧本海姆編.信號與系統(tǒng).西安交通大學出版社2. 徐愛鈞編. 單片機原理實用教程. 電子工業(yè)出版社3. 何仰贊，溫培銀 著電力系統(tǒng)分析.華中科技大學出版社4. 張洪潤 、 劉秀英等編. 單片機應用設計200例. 北京航空航天大學出版社 5.張衛(wèi)寧tms320c2000系列dsp原理及應用m北京：國防工業(yè)出版 6.王道憲c

6、pldfpga可編程邏輯器件應用與開發(fā)m北京：國防工業(yè)出版社 7.李光輝，陳志英dsp技術在電力系統(tǒng)諧波測量中的應用j福州大學學報(自然科學版)8.趙飛，梁志瑞，牛勝鎖基于dsp和gps的異地交流電量同步采集系j電測與儀表 9.趙偉，鮑慧，劉云峰基于dsp的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計j.電力科學與工程10. 張毅剛，彭喜元主編.單片機原理及接口技術. 人民郵電出版社 4 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向電力系統(tǒng)監(jiān)控技術在我國的研究和應用已經(jīng)有50多年的歷史。近年來,隨著計算機技術、通訊技術和人工智能技術的快速發(fā)展,智能電力監(jiān)控系統(tǒng)在電力行業(yè)及其他相關行業(yè)得到了越來越廣泛的應用,具有較高的可靠性和

7、連續(xù)性。交流采樣是不經(jīng)過電量變送器，按一定規(guī)律直接將二次側(cè)的電壓、電流經(jīng)高精度的ct、pt變成計算機可測量的交流小信號，然后經(jīng)a/d變換后送入計算機進行處理，計算出電壓、電流有效值及有功，無功功率等電氣參數(shù)。由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y量的瞬時值進行采樣，因而實時性好，相位失真小。同時用微機取代傳統(tǒng)的變送器充分發(fā)揮微機功能強大、靈活可靠、使用方便等優(yōu)點。隨著微機技術的不斷發(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。我國目前電力系統(tǒng)較多地采用由單片機實現(xiàn)的交流采樣遙測裝置，這種裝置在采樣速率及實時性和精度要求不是很高的場合得到了廣泛的應用。隨著我國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容

8、量的擴大使其結(jié)構(gòu)更加復雜，實時監(jiān)控、調(diào)節(jié)的自動化顯得尤為重要；特別是在以監(jiān)控為目的的電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中，如何快速、準確地采集各種電氣參數(shù)顯得尤為重要。在實現(xiàn)自動化的過程中，首要環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)近年來獲得了迅速發(fā)展，主要是因為：一是需要，即科學實驗與工業(yè)控制向高度自動化發(fā)展；而是可能，即微電子技術如大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展提供了良好的物質(zhì)基礎，從而使器件向模塊化和單片機發(fā)展，使儀器本身向智能化發(fā)展（即微處理機為基礎），使用軟件向?qū)崟r高級語言和軟件模塊化發(fā)展。此次研究的主要內(nèi)容是對電力系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)進行采集，然后通過傅里葉分解數(shù)據(jù)并進行數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換，讓它們通過顯示電路顯示

9、出來。5 主要研究內(nèi)容，關鍵問題的解決思路 1.研究內(nèi)容電力系統(tǒng)使用高速度ct,pt采樣，采用快速傅立葉變換算法，計算高達15次諧波，完成功率、電度、功率因數(shù)、電壓、電流、頻率等的計算。2.硬件設計 系統(tǒng)主要由dsp、cpld、a/d采樣保持器、網(wǎng)絡接口等部分組成。從一次設備ct,pt過來的電壓及電流經(jīng)隔離互感器隔離變換后輸入，經(jīng)過二階濾波器至模數(shù)變換器。dsp采樣后對數(shù)字進行處理，構(gòu)成各類監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算各種遙測量在存入內(nèi)存的同時送到can總線等待取值。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示。 圖1.1硬件結(jié)構(gòu)框圖6 完成畢業(yè)設計(論文)所需具備的工作條件串口通信、proteus6 profession

10、al軟件、keil軟件、can總線、plc、modem集成電路、計算機7 工作的主要階段，進度與時間安排34周：寫開題報告。 56周：查閱相關技術資料，熟悉單片機語言及傳感器的基礎知識 78周：英文翻譯 910周：硬件設計與資料搜集 1112周：設計程序 1314周：調(diào)試與修改 1516周：寫畢業(yè)論文8 指導老師審查意見長江大學畢業(yè)論文(設計)指導教師評審意見學生姓名專業(yè)班級畢業(yè)論文(設計)題目指導教師職 稱評審日期評審參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設計)的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學生的學習態(tài)度和組織紀律，學生掌握基礎和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的

11、能力，畢業(yè)論文(設計)是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。評審意見： 指導教師簽名： 評定成績（百分制）：_分長江大學畢業(yè)論文(設計)評閱教師評語學生姓名專業(yè)班級畢業(yè)論文(設計)題目評閱教師職 稱評閱日期評閱參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設計)的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學生掌握基礎和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設計)是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。評語：評閱教師簽名： 評定成績（百分制）：_分長江大學畢業(yè)論文(設計)答辯記錄及成績評定學生姓名專業(yè)班級畢業(yè)論文(設計)題目答辯時間

12、 年 月 日 時答辯地點一、答辯小組組成答辯小組組長：成 員：二、答辯記錄摘要答辯小組提問（分條摘要列舉）學生回答情況評判三、答辯小組對學生答辯成績的評定（百分制）：_分 畢業(yè)論文(設計)最終成績評定(依據(jù)指導教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學校關于畢業(yè)論文(設計)評分的相關規(guī)定)等級(五級制)：_答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 年 月 日院(系)答辯委員會主任(簽名)： 院(系)(蓋章) 電力系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 學 生：翁學嬌 電子信息學院 指導老師：唐桃波 電子信息學院摘要 近年來，隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，社會對電力的需求量與日俱增，電力供應局面日趨緊張。而且，由于非線

13、性負荷的大量應用，導致在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的高次諧波，對電力系統(tǒng)造成了很大的危害。在這種情況，就需要對電力參數(shù)和諧波情況進行準確、實時地檢測。為了消除電壓、電流的波形畸變產(chǎn)生的危害，就必須對電力系統(tǒng)進行諧波抑制和無功補償，因此對電力系統(tǒng)中的電氣參數(shù)進行測試和分析就顯得尤為重要。本文介紹的這套電力系統(tǒng)參數(shù)交流采樣系統(tǒng)是采用tms320vc33型高速數(shù)字信號處理器 (dsp)和兩片16位高速a/d轉(zhuǎn)換器ads8364實現(xiàn)快速、精確地采集和計算各種電力系統(tǒng)參數(shù)。本文所設計的基于dsp tms320vc33的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個高精度的數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)。論述了系統(tǒng)的總體設計方案、硬件構(gòu)成原理

14、和軟件設計思路,完成了硬件電路的設計,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理平臺的調(diào)試。該系統(tǒng)以ti公司生產(chǎn)的tms320vc33 dsp為核心處理器,通過可編程邏輯器件cpld實現(xiàn)對dsp外圍設備的邏輯控制,并設計了模擬電路模塊。在dsp的軟件編程上,本文完成了多通道數(shù)據(jù)采集算法在tms320vc33上的實現(xiàn) 。關鍵詞:電力系統(tǒng)參數(shù)、dsp、數(shù)據(jù)采集 high-speed data acquisition system design for power system student :weng xuejiao electronics & information college tutor: tang tao

15、bo electronics & information college【abstract】： in recent years,with the development of society and economythere is a great improvement in the demand of power,and the situation is increasingly serious.furthermore,more and more nonlinear ioad are used，there are a lot of harmonic in power system.i

16、t is harm to power system badly. so it is necessary to measure power parameters and harmonic reliablely and in real time. in order to eliminate the voltage, current waveform distortion harm, it must give the power system harmonic suppression and reactive power compensation , so the electric paramete

17、rs test and analysis appears particularly important in electric power system. in this paper, an ac sample system of electrical parameter based on tms320vc33 dsp and two a/d conversions of 16bit is introduced. this system can acquire electrical parameters rapidly and precisely. the mufti-channel para

18、llel data acquisition system which is based on dsp tms320vc33 designed in the paper is a high precise data sampling and signal processing system. the design ideas of the whole system and the design methods of the hardware and software of the system,together with the structure and function of the mai

19、n components have been discussed in detail.the design of hardware circuit has been completed and the debugging result of the data processing platform has been given. the system takes tms320vc33 as a core processor, with the complex programmable logic device-cpld implementing the logic control of the

20、 peripherals of the dsp. and analog modules have been designed in this thesis.in the dsp software programme, the thesis accomplished the mufti-channel data acquisition algorithm on the dsp tms320vc33. 【key words】: power system parameters，dsp，data acquisition 前言 目前，隨著技術進步，電力系統(tǒng)新投運的220kv及以下變電站試運行24時正常后

21、即按無人值班模式運行。無人值班變電站是變電站一種先進的運行管理模式。它是指借助微機遠動等自動化技術， 值班人員在遠方獲取相關信息，并對變電站的設備運行進行控制和管理。遠處值班人員需要獲得及時準確的相關信息，才能正常安全的采取相應的措施控制和管理變電站，這就需要更快更精確的設備系統(tǒng)。 而眾所周知，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，電力對社會和個人有著密切的關系和重要的意義，因為電流、電壓過低過高，及設備壽命，嚴重的還會危及人身安全；均能影響各種電器設備的正常使用功效并且，對電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和頻率等電力參數(shù)的準確、快速地檢測、監(jiān)控可以及時掌握供電線路和設備運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中的故

22、障或隱患，進而采取合理和有效的措施，保證電力系統(tǒng)及設備運行良好。近年來，隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，在化工、冶金、電力傳送、電氣化鐵道等行業(yè)，以及家用電器中非線性負荷的使用日漸增多，特別是一些大功率整流設備和電弧爐等的大量應用，導致在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的諧波，進而引起電壓、電流波形發(fā)生畸變，電力諧波不僅會嚴重危害供用電設備和電氣儀表，使供電質(zhì)量不斷下降，影響計量設備的測量控制，不能準確地反映電力系統(tǒng)運行的情況，損害用戶的利益，也會對電力系統(tǒng)本身造成不良的影響和危害。在很長一段時間來我們還沒有一套完整的指標來衡量電能質(zhì)量，通常關心的是電力供應量方面，較少關心電能質(zhì)量和諧波情況，并且現(xiàn)有的一些檢測

23、器件還依賴于有百年歷史的動圈式儀表和交流互感器之類的電工儀表，這些儀表只能顯示電力參數(shù)的有效值和模擬值，誤差大，精度低，不能滿足實際測量的要求，有些也僅考慮了測量基波分量的情況，較少考慮對諧波的測量，那么電力參數(shù)的實時準確的測量成了必須要解決的問題。 從以上研究可見，研制一種多功能的電力參數(shù)檢測裝置對于變電站的遠距離監(jiān)控具有非常重要的意義，它不但要能對如電壓、電流、功率、功率因數(shù)和頻率等重要的電力參數(shù)進行實時檢測，還要對電力系統(tǒng)中的高次諧波進行實時分析，從而使遠處值班人員采取進一步的措施，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)濟地運行。1 緒論1.1課題來源 來源于生產(chǎn)/社會實

24、踐1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢以及面臨的挑戰(zhàn)在電力工業(yè)發(fā)展初期曾用電解化學原理進行參數(shù)測量，1890年，發(fā)明了感應式電磁原理電能表，沿用至今。早期的電力參數(shù)檢測大都采用的是模擬電子技術，測量裝置的體積龐大、功能單一、自動化度較低和數(shù)據(jù)測量精度不高，難以進行諧波分析，不具備綜合分析和判斷功能，一般也不具備異常報警功能。不能及時發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的異常現(xiàn)象，并且依賴運行人員定時巡回手工抄表來記錄電耗情況，工作強度大，效率低。50年代出現(xiàn)數(shù)字式儀表，電力系統(tǒng)參數(shù)測量進入一個新的階段：數(shù)字式儀表采用數(shù)字電路進行信息的數(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，價格低，但整體應用范圍較

25、窄，功能比較單調(diào)，移植性較差，難以適合高速實時信號處理。隨著電子技術和微機技術的飛速發(fā)展，微機廣泛地應用于電力系統(tǒng)測量中，使得電力系統(tǒng)的測量、監(jiān)控技術得到了快速發(fā)展，精度和實時性有了很大的提高。但是電力系統(tǒng)對檢測裝置的實時性，計算能力及大數(shù)掘量運算速度等各方面要求的不斷提高，采用一片cpu或雙cpu微機式的電力參數(shù)檢澳4儀器，需要同時完成電力參數(shù)和諧波的大數(shù)據(jù)量的計算，再加上ad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)測量精度和準確度越來越不能滿足日益提高的性能要求。dsp技術的高速發(fā)展為電力參數(shù)測試技術帶來了新的變革，特別是在電力系統(tǒng)電壓和電流的高次諧波的測量和分析中，dsp以其運

26、算速度快、精度高、顯著的計算能力與實時性、數(shù)據(jù)輸入輸出能力強等特點而被廣泛應用，并且采用dsp開發(fā)的測量裝置體積小，集成度高t隨著dsp芯片的性價比不斷提高，開發(fā)工具越來越完善，dsp的應用成為目前電力參數(shù)測試丁f發(fā)的最新趨勢，在電力參數(shù)測量領域大有取代單片機的趨勢。我國對電力系統(tǒng)參數(shù)的研究和開發(fā)起步較晚，測量儀器整體測量水平較低，存在著實時性不強，檢測指標少，效率低等局面；目前國內(nèi)還在使用一些模擬式和數(shù)字式測量儀表，雖然一些專門的測量裝置已經(jīng)在一些部門投入使用，但是多數(shù)是一些功能比較單一的測試儀和分析儀，多功能、精度高的測量裝置在市場上比較少見；近年來我國的不少廠家通過借鑒國外的測量儀器以及

27、通過與外國公司的合作，不斷研制和推出了各種系列的高性能測量儀器。如杭州遠方儀器有限公司的pf9800系列測量儀器，蘭州勝利儀器公司的智能型電力參數(shù)采集測控儀表系列，青島青智儀器公司的電參量測試儀表等。這些測量儀器其性能比較先進，功能也比較齊全，可以測量有效值、功率和諧波、閃變和三相不平衡度等所有參數(shù)，具有rs232、rs-485等通訊方式，顯示方式美觀大方，可以實時顯示數(shù)值、波形、頻譜圖等：雖然在技術上看，我國的測量儀器有了不少的進步，但在一些性能指標、可靠性和智能化程度方面與國外的同類產(chǎn)品還有一定的差距。國外對電力系統(tǒng)參數(shù)的研究和開發(fā)起步較早，早在70年代就出現(xiàn)了可以測量多個電力參數(shù)的多功能

28、測量儀表；80年代，隨著當前的電子技術的發(fā)展，測量儀器已經(jīng)進入智能化時代；90年代來，計算機技術、微電子技術、控制技術特別網(wǎng)絡通訊技術的發(fā)展，使得測量裝置得到空前發(fā)展；國外各大公司把這些技術應用于測量裝置上。研制推出了眾多在世界范圍內(nèi)處于領先的測量儀器，如美國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)量測量儀等，可實時檢測電力系統(tǒng)中的所有參數(shù)，計算高達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，具有強大的網(wǎng)絡功能，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。隨著各種性能要求的提高，測量儀器將在使用微機技術的基礎上，融合計算機控

29、制、網(wǎng)絡技術、總線技術和虛擬儀器相關技術，將測量、控制、分析集成于一體；這種裝置體積小，測量精度較高，具有較強的網(wǎng)絡化和自動化功能，可以測量電壓、電流、功率因數(shù)、頻率、無功功率、視在功率、諧波及其他電力參數(shù)值的測量，而且可以進行多條記錄存儲、可與計算機進行數(shù)據(jù)交換、可進行遠程實時測量等。當前，電力系統(tǒng)參數(shù)檢測儀器正朝著以下方向發(fā)展：1、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。2、實現(xiàn)網(wǎng)絡化智能、在線監(jiān)測。隨著傳感器技術、計算機技術、信息技術等發(fā)展，系統(tǒng)監(jiān)測技術廣泛采用這些先進的科研成果，使在線監(jiān)測逐步走向?qū)嵱没A段；監(jiān)測裝置可作為接入訪問平臺進

30、入網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)設備資源和數(shù)據(jù)資源共享及遠程操作。3、虛擬化。虛擬儀器是建立在標準化、系列化、模塊化、積木化的硬件和軟件平臺上的完全開發(fā)的系統(tǒng)，結(jié)合電力系統(tǒng)的應用，開發(fā)應用虛擬儀器技術建立的高速、高效、大容量、多功能、智能化的實時監(jiān)測系統(tǒng)。1.3研究的目的、意義及主要內(nèi)容 交流采樣是不經(jīng)過電量變送器，按一定規(guī)律直接將二次側(cè)的電壓、電流經(jīng)高精度的ct、pt變成計算機可測量的交流小信號，然后經(jīng)a/d變換后送入計算機進行處理，計算出電壓、電流有效值及有功，無功功率等電氣參數(shù)。由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y量的瞬時值進行采樣，因而實時性好，相位失真小。同時用微機取代傳統(tǒng)的變送器充分發(fā)揮微機功能強大、靈活可靠、

31、使用方便等優(yōu)點。隨著微機技術的不斷發(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。 我國目前電力系統(tǒng)較多地采用由單片機實現(xiàn)的交流采樣遙測裝置，這種裝置在采樣速率及實時性和精度要求不是很高的場合得到了廣泛的應用。隨著我國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量的擴大使其結(jié)構(gòu)更加復雜，實時監(jiān)控、調(diào)節(jié)的自動化顯得尤為重要；特別是在以監(jiān)控為目的的電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中，如何快速、準確地采集各種電氣參數(shù)顯得尤為重要。在實現(xiàn)自動化的過程中，首要環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集。 國際電工委員會（iec）標準iec61850對采樣速率有明確的要求，由表1可知對220kv及以上電壓等級輸電系統(tǒng)的監(jiān)測裝置和儀表應達到m

32、2級和m3級，交流采樣的遙測裝置每周期(0.02秒)采樣點數(shù)分別要求大于80和240點。由單片機實現(xiàn)的交流采樣遙測裝置很難達到此要求，而dsp具有高速度、高精度、并行性、高集成度和高性能價格比等優(yōu)點，非常適合應用于交流采樣遙測裝置。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，計算高達15次諧波，完成功率、電度、功率因數(shù)、電壓、電流、頻率等的計算，具有高精度，高穩(wěn)定性。其采樣速率為12khz,完全能達到iec61850采樣速率的要求。 表1 iec 61850對測量儀表的生數(shù)據(jù)要求數(shù)據(jù)類型級別精確度級和諧波分辨度(幅值)bit采樣速率每秒采樣次數(shù)每周期采樣次數(shù)（50hz）

33、電壓m10.5級(iec60687)12150030電流m10.2級(iec60044)最多5次諧波14150030電壓m20.2級(iec60687)14300080電流m20.1級(iec60044)最多13次諧波16300080電壓m30.1級164000240電流m3iec未定義最多40次諧波184000240 針對表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)字信號處理器 (dsp)和兩片16位高速a/d轉(zhuǎn)換器ads8364實現(xiàn)快速、精確地采集和計算各種電氣參數(shù)。該系統(tǒng)還具有性能價格比高、維護方便的特點。 由前面討論知，利用先進的技術手段，采用精確合

34、理的計算方法，研制功能齊全、性能優(yōu)良、使用方便的電力參數(shù)測量系統(tǒng)，是十分必要的。電力參數(shù)測量和諧波分析涉及到大量的數(shù)據(jù)計算，加上系統(tǒng)其它的任務，采用單片cpu甚至雙cpu的裝置顯得力不從心，將dsp芯片應用于電力系統(tǒng)設備，有著傳統(tǒng)的單片機所不可比擬的優(yōu)勢。在借鑒眾多電力參數(shù)測量儀器的功能和特性的基礎上，設計了基于tms320vc33 dsp為核心的電力參數(shù)測量裝置，其主要功能為：進行實時采樣，完成電壓電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因數(shù)的計算；完成諧波參數(shù)的計算，完成諧波分析；具有網(wǎng)絡通訊功能，可完成與外部計算機的數(shù)據(jù)傳送；通過人機交互功能，讓用戶了解電力系統(tǒng)的運行狀況，并

35、作出決策。本文的主要工作包括：l、首先分析了電力參數(shù)測量的重要意義，對電力參數(shù)檢測的發(fā)展概況作了簡單的回顧，并總結(jié)了當前國內(nèi)外對電力參數(shù)的研究現(xiàn)狀，簡要的討論了電力參數(shù)檢測中的主要測量方法以及它們的優(yōu)缺點。 2、分析了電力系統(tǒng)諧波的問題及危害，并應用基于無功功率理論諧波測量法和fft方法用于諧波的檢測，并對fft作了通過加窗和插值改進，來提高測量的精度，對這兩種方法作了仿真試驗，達到了檢測諧波的可行性研究。3、基于dsp技術，采用了新一代的浮點處理器tms320vc33為處理核心，圍繞tms320vc33我們設計了電力參數(shù)測量系統(tǒng)，并對此系統(tǒng)進行了相應的硬件設計和軟件設計，包括了數(shù)據(jù)處理單元、

36、ad轉(zhuǎn)換單元、通訊單元、存儲單元等，并應用面向?qū)ο笳Z言設計了下位機平臺。4、對本裝置的設計作了總結(jié)，并提出了對未來工作的展望。2. 電力系統(tǒng)參數(shù)及諧波測量方法2.1交流采樣過程、算法及系統(tǒng)的特點2.1.1交流采樣過程 從一次設備ct、pt過來的電流、電壓經(jīng)高精度小ct、pt隔離變換成弱電信號后輸入，經(jīng)二階濾波器的增益調(diào)整電位器變成5v5v的信息，至模數(shù)變換器，dsp采樣后對數(shù)字進行處理。圖2.1是采用三表法的采樣原理圖，dsp處理后就計算出了各種遙測量，存入存儲器同時通過can總線上傳。 其中二階濾波器的作用主要是補償ct、pt的相移，同時濾除16次以上的諧波，以滿足交流采樣算法之要求。 圖2

37、.1采樣原理圖（三表法） 目前，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。直流采樣法是采樣經(jīng)過整流后的直流量，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數(shù)值，軟件設計簡單，計算方便。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)定性的影響;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，當電路中諧波含量不同時，平均值與有效值之間的關系也將發(fā)生變化，給計算結(jié)果帶來了誤差。因此，要獲得高精度、高穩(wěn)定性的測量結(jié)果，必須采用交流采樣技術。交流采樣技術是按一定規(guī)律對被測信號的瞬時值進行采樣，再按一定算法進行數(shù)值處

38、理，從而獲得被測量的測量方法。該方法的理論基礎是采樣定理，即要求采樣頻率為被測信號頻譜中最高頻率的2倍以上，這就要求硬件處理電路能提供高的采樣速度和數(shù)據(jù)處理速度。目前，高速單片機、dsp及高速aid轉(zhuǎn)換器的大量涌現(xiàn)，為交流采樣技術提供了強有力的硬件支持。交流采樣法包括同步采樣法、準同步采樣法、非同步采樣法等幾種，本文介紹的是同步采樣法。同步采樣法就是整周期等間隔均勻采樣，要求被測信號周期t與采樣時間間隔及一周內(nèi)采樣點數(shù)n之間滿足關系式t=n·，即:采樣頻率為被測信號頻率的n倍。根據(jù)提供采樣信號方式不同，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。硬件同步采樣法是由專門的硬件電

39、路產(chǎn)生同步于被測信號的采樣脈沖。它能克服軟件同步采樣法存在截斷誤差等缺點，測量精度高。利用鎖相頻率跟蹤原理實現(xiàn)同步等間隔采樣的電路如圖2.2所示。 圖2.2倍頻鎖相同步電路 在相位比較器pd、低通濾波器lp、壓控振蕩器vco構(gòu)成的鎖相環(huán)內(nèi)加入n分頻器，輸入f,為被測信號的頻率，作為鎖相環(huán)的基準頻率，輸出fo為采樣頻率。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fo/n=fi，即:fo=nfi。由于鎖相環(huán)的實時跟蹤性，當被測信號頻率fi變化時，電路能自動快速跟蹤并鎖定，始終滿足fo =nfi的關系，即采樣頻率為被測信號頻率的整數(shù)(n)倍，從而實現(xiàn)一周內(nèi)等間隔采樣n點，從根本上克服了軟

40、件同步采樣法存在的上述問題。 此外，還可將分頻系數(shù)n設計為程控可調(diào)，則可根據(jù)不同頻率的被測信號及dsp,a/d轉(zhuǎn)換器的速度，動態(tài)改變n值，以達到最好的效果。2.1.2交流采樣算法 本系統(tǒng)高速測量輸入遙測信號的周期，進行頻率跟蹤，將一個工頻周期等分成240或者80點進行采樣，然后對采樣點進行快速傅立葉分解，計算出115次諧波并進行數(shù)字濾波，從基波開始一直計算到15次諧波分量的有效值和總有效值。 假設輸入信號為一周期性信號，即輸入信號中，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，輸入信號可表示為：x (t)=x + （21）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，

41、將（21）式展開：x(t)=x + （22）其中x=xcos為第n次諧波分量實部，x=xsin為第n次諧波分量虛部。由三角函數(shù)在區(qū)間0，t上的正交性特點，不難證明xdt xdt （23）在數(shù)字計算中x xn為每個周期內(nèi)采樣點數(shù)。 n1則基頻分量的實部和虛部分別為：x和x幅值為x= 相角為arctg()當nk時由x x x arctg()將k代入算式就可以求出各次諧波的實部、虛部、幅值、相角等值。1、交流電壓、電流有效值的測量在計算某一周期電壓信號有效值時， (2-4)式中u一一為t時刻的電壓信號瞬時值u(t)；t一一該電壓信號波形的周期：u一一交流電壓信號有效值。如果將式(2-4)離散化，以一

42、個周期內(nèi)有限個采樣電壓數(shù)字量來代替電壓函數(shù)，則 (2-5)式中 相鄰兩次采樣的時間間隔； 第m個時間間隔的電壓信號采樣瞬時值；n一個周期的采樣點數(shù)。若相鄰兩次采樣的時間間隔都相等，為常數(shù)。因為則： (2-6)這就是根據(jù)一個周期內(nèi)采樣瞬時值及每周期采樣點數(shù)計算電壓信號有效值的公式。同理，記im為第m個時間間隔采樣得到的電流瞬時值，該電流有效值i為： (2-7)2、平均功率t的計算 （2-8）其中n為電壓電流的周期，當一個周期內(nèi)采樣點數(shù)越多時，用此式的誤差越小，精度越高。3、有功功率p、無功功率q和視在功率s的測量正弦波情況下，有功功率為p=ui，但是在電流、電壓含有各種諧波的情況下，此時的有功功

43、率為。那么單相有功功率離散化后可得： （2-9）,為三相電壓、電流的瞬時采樣值。視在功率為:s=ui (2-10)無功功率為： (2-11)對于三相功率: (2-12) (2-13)4、功率因數(shù)的測量由于前面已經(jīng)測出了電壓、電流的有效值，以及平均功率，故功率因數(shù)可表示為： (2-14)當信號為電壓時，電壓的總有效值為u=2當信號為電流時，電流的總有效值為i=2有功功率p為pui+uicos+ uicos+ 式中u= ，i，k1，2 u、i為最大幅值。21.3此交流采樣系統(tǒng)特點1.測量高達15次諧波，采樣速率大范圍可調(diào)，可以在100hz12khz間調(diào)節(jié)，完全能達到iec 61850的要求，可廣泛

44、應用于各種采樣速率比較高的交流采樣遙測裝置。2.可接入16路pt/ct信號，進行高精度、高速度采樣、高速運算。 3.采用雙16位a/d構(gòu)架、能進行快速模數(shù)轉(zhuǎn)換。4.調(diào)試方便，通過rs232接口可以連接pc機，從而給調(diào)試帶來了很多方便。還可以將eeprom中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入pc機存盤并利用pc機離線對數(shù)據(jù)進行分析。5.具有越上限及越下限保護告警功能，當電壓電流等發(fā)生突變時能實時上傳告警信號。2.2 頻率 信號觀測模型就是對于電力系統(tǒng)頻率概念及其測量技術所基于的物理信號的數(shù)學描述。電力系統(tǒng)頻率測量概念的引申和擴展，關鍵在于信號對象x(t)的選取及其觀測模型的確立。信號觀測模型的復雜化過程集中體現(xiàn)了這一領域

45、的不斷發(fā)展：從簡單的純恒幅正、余弦信號，到周期和非周期信號的傅立葉分解，進而引入信號動態(tài)，直至分布式隨機模型的應用。常見的信號模型及頻率定義如下：(1) 基于純恒幅正、余弦信號的傳統(tǒng)頻率概念： 或 (2-15)定義 (2-16)其中x(t)普遍取單一的相(線)電壓或電流。(2) 考慮有限整次諧波污染，在傅立葉分解模式下：或 (2-17)定義基波頻率 (2-18)(3) 進一步考慮衰減直流分量影響，在觀測模型下： 或 (2-19)電力系統(tǒng)頻率測量的實質(zhì)是信號觀測模型的動念參數(shù)辨識問題。即利用真實系統(tǒng)物理信號輸入，通過一定的信號處理和數(shù)值分析過程，實現(xiàn)對預定模型參數(shù)的較好估計。從操作對象來看，主要

46、是數(shù)字信號處理問題：從測量目標來看，是灰箱辨識問題：從實現(xiàn)測量所借助的工具來看，是數(shù)值算法(軟件)和借以實現(xiàn)的各種模擬、數(shù)字裝置(硬件)的設計問題。由于對頻率的理解和應用的實際要求不同，頻率測量在上述各方面存在較大的差異，雖然其實現(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)的物理真實性和實施控制的有效性。即不會由于模型和算法的差異而導致脫離電力系統(tǒng)真實物理本質(zhì)的測量結(jié)果，且基于實時頻率估計的控制作用應是正確而可靠的。 (2)精度要求。即達到減少誤差、精確測量的目的，這取決于觀測模型與真實信號的符合程度、數(shù)值算法及硬件實現(xiàn)等多方面因素，一般以對抗噪聲、諧波、衰減直流等非特征信號分

47、量的能力來衡量。 (3)速度要求。要求具有較快的動態(tài)跟蹤能力，測量時滯小。 (4)魯棒性。在電力系統(tǒng)的正常、異常運行乃至故障條件下，均能可靠響應。(5) 實現(xiàn)代價小。這一要求往往與上述要求相沖突，在實踐中應酌情考慮，在達到應用要求的前提下，力求較高的性能價格比。2.2.1 周期法 原始的周期法(或稱零交法：zerocr08singa igorithm)基于如式(215)所示的簡單的信號模型，通過測量信號波形相繼過零點間的寬度來計算頻率。該方法物理概念清晰、易于實現(xiàn)，但精度低，受諧波、噪聲和非周期分量的影響，實時性不好，因此，實際的測量裝置很少單一地應用原始的周期算法。需要對其測量精度和實時性進

48、行改進，典型的改進算法有水平交(1evel crossing)算法高次修正函數(shù)法和最小多項式曲線擬合法，它們以計算量和復雜度為代價來提高算法的精確度和響應速度(原始周期算法的時延決定于信號的特征而非計算量)，一定程度上喪失了原有零交算法的簡明性。2.2.2 解析法 對信號模型進行數(shù)學變換，將待測量f或of表示為樣本值的顯函數(shù)來估計。解析法側(cè)頻的特點是：涉及復雜的數(shù)學推導，為了簡化分析和計算，只能選用簡單的觀測模型，難以考慮諧波、非周期分量和噪聲的影響：算法簡明，計算量不大，比傳統(tǒng)的周期法有所改進，但難以適應非穩(wěn)態(tài)頻率的測量，即使在穩(wěn)態(tài)條件下，也必須有嚴格的前置濾波環(huán)節(jié)，算法推導有近似化過程，精

49、度總體不高。該方法可以應用于速度和精度要求都不高且信號的非特征分量可以忽略的場合。2.2.3 dft(fft)類算法及其改進 dft(fft)是一種典型的數(shù)字濾波技術，對于所示的觀測模型(假設=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)；考慮到真實側(cè)量偏離理想條件，利用前后窗dft(fft)的結(jié)果估計系統(tǒng)的基頻。dft(fft)算法具有內(nèi)在的不敏感于諧波分f的特性，但對信號的周期延拓引入的頻率混益，實際應用中需要精細設計前里抗混益灘波。利用dft(fft)過程求取模型參數(shù)進而計算頻率偏移的方法過于簡單粗糙，不具有實用性；利用fft算法在頻率偏移工頻時固定抽樣頻率導致的泄

50、漏效應來估計系統(tǒng)頻率，其中后者采取遞推fft法以減少計算f；該方法測t范圍窄(大約為額定頻率的2l1000)，且敏感于噪聲和信號幅值變化：對它的改進包括自適應采樣間隔和自適應調(diào)整數(shù)據(jù)窗長度，前者的優(yōu)點是提高了測量范圍、精度和算法穩(wěn)定性，后者的定點采樣方法易于硬件實現(xiàn)。2.3 諧波231 諧波的定義 在電力系統(tǒng)中，人們總希望電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓、電流是理想的薩弦波，正弦電壓可以表示為： 式中u-電壓有效值；-初相角；-角頻率，；f-頻率；t-周期。一個理想交流電源的電壓波形應是單一恒定頻率的余弦波，而實際電力系統(tǒng)，不但頻率會在一定范圍內(nèi)變動，而且波形不會發(fā)生畸變，可以分解為不同頻率不同幅值的正弦波。按

51、照國際上的通行定義諧波就是指頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦波，亦稱高次諧波。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，如具有固定脈動數(shù)的整流、換流設備等產(chǎn)生的諧波，在工程實際中，還存在頻率低于工頻基波頻率的分量，稱為次諧波。頻率為基波頻率的分數(shù)倍，稱為分數(shù)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。這種暫態(tài)現(xiàn)象有時也可看作是重復的周期量或有衰減的周期量，對它按傅立葉級數(shù)展開也可獲得相應的諧波量，故有時也稱為暫態(tài)諧波；還會有暫態(tài)時變、非周期、非整數(shù)次諧波產(chǎn)生，如電弧燈、感應爐、熒光照明設備等產(chǎn)生的諧波。目前電力系統(tǒng)諧波的測量一般基于這樣的假設：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。在電力系統(tǒng)中由于電源電壓非正弦或由于電網(wǎng)器件非線性而產(chǎn)生的非正弦電流和電壓，一般具有周期特性(或近似認為是服從周期規(guī)律)。對于周期為t的非正弦電壓，一般滿足狄里赫利條件，利用fourier級數(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數(shù)： （2-20）其中， ， ， n=1,2,3那么，從上分析可以得出，