配電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置研究與開(kāi)發(fā)

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）配電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置研究與開(kāi)發(fā)Onlinedistributionsystempowerqualitymonitoringdeviceresearchanddevelopment學(xué)生姓名所在院系學(xué)生姓名所在院系所學(xué)專業(yè)所在班級(jí)指導(dǎo)教師教師職稱完成時(shí)間：：電氣與信息學(xué)院：電氣工程及其自動(dòng)化：0544：：助理實(shí)驗(yàn)師：2009年6月20日

摘要隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和電力市場(chǎng)的初步形成，電能質(zhì)量問(wèn)題已經(jīng)引起電力部門(mén)的高度重視。為采取合理措施提高電能質(zhì)量，建立電能治理的監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行正確檢測(cè)、評(píng)估和分類(lèi)都是十分必要的。本文首先概括的介紹了諧波分析算法的理論依據(jù)。其中，采用快速傅立葉變換進(jìn)行電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)時(shí)很難做到時(shí)域和頻域的統(tǒng)一，無(wú)法確定擾動(dòng)發(fā)生的時(shí)刻，從而引入了小波變換的分析方法。并詳細(xì)的介紹了小波變換的算法及推導(dǎo)。然后應(yīng)用DSP信號(hào)處理技術(shù)，設(shè)計(jì)出電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件部分并給出相應(yīng)模塊程序流程圖，通過(guò)matlab對(duì)其進(jìn)行仿真分析與調(diào)試。關(guān)鍵詞諧波電能質(zhì)量小波變換DSP實(shí)時(shí)檢測(cè)Abstract:Withtherapiddevelopmentofthenationaleconomyandtheinitialformationoftheelectricitymarket,powerqualityproblemshavecausedahighdegreeofattentiontothepowersector.Totakereasonablemeasurestoimprovepowerquality,theestablishmentofenergymanagementmonitoringandanalysissystem,itscorrectdetection,assessmentandclassificationisverynecessary.Thisarticlefirstintroducesageneralalgorithmforharmonicanalysisofthetheoreticalbasis.Amongthem,theuseoffastFouriertransformtopowersystemharmonicdetectiondifficulttoachievewhenthetimedomainandfrequencydomainofthereunificationwasnotpossibletodeterminethetimeofthedisturbancetookplace,thustheintroductionofwavelettransformanalysis.Anddescribesindetailthealgorithmandwavelettransformisderived.AndthentheapplicationofDSPsignalprocessingtechnology,thedesignofonlinepowerqualitymonitoringsystemhardwareandsoftwaremodulesandthecorrespondingprogramflowchartisgivenbyitsmatlabsimulationanalysisanddebugging.Keywords:HarmonicpowerqualityWaveletTransformDSPReal-timedetection目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1引言 11.1本文研究的目的及意義 11.2電能質(zhì)量國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3電能質(zhì)量分類(lèi)及指標(biāo) 11.4本次設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 22電能質(zhì)量問(wèn)題分析方法 32.1傅里葉變換 32.2小波變換 62.3兩種分析方法的比較 82.4小波變換和傅里葉變換相結(jié)合監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量方案 93電能質(zhì)量的測(cè)量方法 143.1頻率的測(cè)量 153.2諧波測(cè)量 153.3電壓偏差的測(cè)量 203.4三相不平衡度的測(cè)量 203.5電壓波動(dòng)和閃變的測(cè)量 214電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 234.1系統(tǒng)的性能和技術(shù)指標(biāo) 234.2總體設(shè)計(jì)方案 255電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 285.1系統(tǒng)整體電路 285.2信號(hào)調(diào)理電路 295.3A/D轉(zhuǎn)換電路 335.4CPLD邏輯控制電路 345.5外擴(kuò)存儲(chǔ)電路 375.6電源模塊電路 375.7鍵盤(pán)及液晶顯示電路 395.8串口通信電路 395.9USB接口電路 415.10以太網(wǎng)通信電路 426電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 436.1主程序設(shè)計(jì) 436.2中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 497系統(tǒng)調(diào)試與分析 507.1matlab仿真分析 508結(jié)論 53參考文獻(xiàn) 54致謝 551引言1.1本文研究的目的及意義隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展,在電力系統(tǒng)中電網(wǎng)與負(fù)荷出現(xiàn)新的變化,由此帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題越發(fā)引起電力部門(mén)和電力用戶的重視。一方面,沖擊性負(fù)荷、非線性負(fù)荷使電網(wǎng)出現(xiàn)諸如波形畸變、電壓暫降、電壓閃變等較為嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題；另一方面,用戶使用越來(lái)越多的精密復(fù)雜的電子設(shè)備,它們對(duì)電能質(zhì)量敏感,要求高質(zhì)量、高可靠性的電能。如今,發(fā)電方、供電方和電力用戶都對(duì)電能質(zhì)量給以越來(lái)越多的關(guān)注。由此,探討電能質(zhì)量領(lǐng)域的相關(guān)理論及控制技術(shù),對(duì)電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的全面質(zhì)量管理顯得十分重要。1.2電能質(zhì)量國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，電能質(zhì)量問(wèn)題早已被當(dāng)作電力系統(tǒng)面臨的重要問(wèn)題看待，各國(guó)均在加強(qiáng)有關(guān)電能質(zhì)量問(wèn)題的研究，已得出不少理論成果，并提出一系列綜合監(jiān)測(cè)控制和管理方法。其中多數(shù)儀器是采用硬件DSP技術(shù)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析處理的。另外，國(guó)際測(cè)控技術(shù)正向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，出現(xiàn)了“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”的概念，電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)也正在適應(yīng)這個(gè)潮流，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是解決電能質(zhì)量問(wèn)題的重要環(huán)節(jié),是實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量分析的基礎(chǔ)。為了能全面而準(zhǔn)確地反映出電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量信息,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)始廣泛地實(shí)施在線監(jiān)測(cè)的方法來(lái)更有效地對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線或離線的分析和統(tǒng)計(jì),這是傳統(tǒng)的離線測(cè)量方式難以實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)數(shù)據(jù)采集方式的實(shí)現(xiàn)不同,當(dāng)前電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)主要有基于信號(hào)處理器(DSP)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于虛擬儀器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1.3電能質(zhì)量分類(lèi)及指標(biāo)電能質(zhì)量問(wèn)題的分類(lèi)有很多種方法，按照產(chǎn)生和持續(xù)時(shí)間可分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題和動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。1.3.1穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題以波形畸變?yōu)橹饕卣?，一般持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在一段時(shí)間內(nèi)（通常是lmin以上)出現(xiàn)的電能質(zhì)量不正常的情況，主要有下列類(lèi)型：(1)過(guò)電壓：是指持續(xù)時(shí)間大于lmin，數(shù)值大于標(biāo)稱電壓的電壓。(2)欠電壓：是指持續(xù)時(shí)間大于1min，數(shù)值小于標(biāo)稱電壓的電壓。(3)電壓不平衡：是指電壓的最大偏移與三相電壓的平均值的比值超過(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。(4)諧波：對(duì)周期性電壓或電流進(jìn)行傅里葉分解，得到頻率為基波整數(shù)倍分量的含有量。諧波是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。(5)頻率偏差：指電力系統(tǒng)頻率的實(shí)際值和標(biāo)稱值(50Hz)之差；電力系統(tǒng)正常頻率允許頻率偏差為土0.2%Hz。1.3.2動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題通常是以暫態(tài)持續(xù)時(shí)間為特征，包括脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類(lèi)，主要有以下幾種形式：(1)電壓驟升、驟降：持續(xù)時(shí)間為0.5個(gè)周期至1min，電壓有效值上升或下降至標(biāo)稱電壓的110%--180%或10%--90%。(2)電壓瞬變：持續(xù)時(shí)間很短.的電壓值發(fā)生快速的變化。(3)電壓閃變：電壓波形包絡(luò)線呈規(guī)則的變化或電壓幅值一系列的隨機(jī)變化，一般表現(xiàn)為人眼對(duì)電壓波動(dòng)所弓!起的照明異常而產(chǎn)生的視覺(jué)感受。閃變分為周期性和非周期性兩種。幅值、頻率、相角是描述一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦量的三個(gè)基本參數(shù)。由于電力網(wǎng)中存在很多頻率不同的正弦波，使電力量的波形發(fā)生畸變。電力系統(tǒng)采用三相供電，若三相的負(fù)荷不平衡，會(huì)造成三相電力量的不平衡。所以，衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)可以從幅值、頻率、波形和三相平衡度這四個(gè)角度考來(lái)慮。(1)電壓是否偏離額定電壓及偏離的程度、是否發(fā)生了波動(dòng)與閃變及閃變的嚴(yán)重度；(2)頻率是否穩(wěn)定在正常的范圍之內(nèi)，和標(biāo)稱值的偏差；(3)諧波干擾是否在允許范圍之內(nèi)，波形畸變的程度；(4)三相電壓是否平衡及其程度。1.4本次設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題本文闡述了一種電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案,重點(diǎn)介紹小波變換與傅里葉結(jié)合的算法，基于DSP信號(hào)處理器的硬件設(shè)計(jì)，結(jié)果通過(guò)matlab進(jìn)行仿真測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)目的。2電能質(zhì)量問(wèn)題分析方法隨著電能質(zhì)量問(wèn)題的日益嚴(yán)重以及廣大用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提高，建立電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行正確的檢測(cè)、評(píng)估和分類(lèi)就顯得十分必要。為了獲得有關(guān)電能質(zhì)量的信息，往往需要對(duì)三相電壓、三相電流、中線電流和中線對(duì)地電壓等信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與儲(chǔ)存，它們構(gòu)成了電能質(zhì)量分析的數(shù)據(jù)源。由于這些數(shù)據(jù)必須以足夠高的采樣速率進(jìn)行采樣并儲(chǔ)存，而且又必須長(zhǎng)期在線進(jìn)行，所以每年存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量相當(dāng)大。為了充分合理地利用這些數(shù)據(jù)，可以采用某種基于變換的方法將時(shí)域信息映射到頻域，或者將時(shí)、頻域信息結(jié)合起來(lái)進(jìn)行電能質(zhì)量分析。近年來(lái)，在電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的基于變換的方法主要有傅里葉變換法、短時(shí)傅里葉變換法和小波變換法。本章將針對(duì)這幾種變換域方法進(jìn)行詳細(xì)闡述和比較。2.1傅里葉變換2.1.1傅里葉變換的基本概念設(shè)在全實(shí)軸R上是以2π為周期的函數(shù)，=,且在(0,2π)上平方可積,其中，=。在全實(shí)軸上以2π二為周期且在(0，2π)喲上平方可積函數(shù)全體組成的空間記為。對(duì)于，的傅里葉級(jí)數(shù)為（2.1.1）其中常數(shù)定義為（2.1.2）它稱為f(t)的傅里葉系數(shù)。對(duì)于，它的傅里葉變換定義為（2.1.3）而的逆傅里葉變換定義為（2.1.4）在全實(shí)軸R上的傅里葉變換定義為（2.1.5）的逆傅里葉變換定義為（2.1.6）傅里葉變換是時(shí)域到頻域互相轉(zhuǎn)化的工具。從物理意義上講，傅里葉變換的實(shí)質(zhì)是把這個(gè)波形分解成許多不同頻率的正弦波的迭加和。因此，我們就可以把對(duì)原函數(shù)的研究轉(zhuǎn)化為對(duì)其權(quán)系數(shù)，即其傅里葉變換F(ω)的研究。從傅里葉變換中可以看出，這些標(biāo)準(zhǔn)基是由正弦波及其高次諧波組成的，因此它在頻域內(nèi)是局部化的。2.1.2離散傅里葉變換為了計(jì)算傅里葉變換，需要用數(shù)值積分，即取在R上的離散點(diǎn)上的值來(lái)計(jì)算積分。在實(shí)際應(yīng)用中，我們希望在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜分析和其它方面的處理工作，所以要求信號(hào)在時(shí)域和頻域應(yīng)該是離散的，而且都是有限長(zhǎng)的。下面給出離散傅里葉變換(DFT)的定義。給定實(shí)的或復(fù)的序列,，設(shè)改序列絕對(duì)值和滿足，稱序列n=0,1,…,N-1(2.1.7)為序列的離散傅里葉變換，稱為序列的逆離散傅里葉變換。k=0,1,…,N-1(2.1.8)為了計(jì)算（2.1.9）其中，共需次乘法：對(duì)于一個(gè)n，有N次乘法，又n=0,1,…N-1,所以共有次乘法2.1.3快速傅里葉變換快速傅里葉變換(FFT)是離散傅里葉變換(DFT)經(jīng)過(guò)適當(dāng)安排后的快速算法，用以滿足工程技術(shù)及科學(xué)研究上的需要。其原理是：(1)利用的周期性。注意==1，如果n是N的整數(shù)倍n=mN，則====1；(2)利用指數(shù)運(yùn)算。由把一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)算分為幾個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)算可以節(jié)省時(shí)間。FFT的采樣點(diǎn)數(shù)由運(yùn)算過(guò)程決定，通常為N=。此時(shí)，式（2.1.9）中的上標(biāo)n和k用整數(shù)的二進(jìn)制表示如下：其中取0或1。即這時(shí)式（3.1.9）變成了（2.1.10）利用則式（2.1.10）變成=（2.1.11）其中（2.1.12）繼續(xù)分解，最后（2.1.13）2.2小波變換小波變換(WT)是由Morlet于1980年在進(jìn)行地震數(shù)據(jù)分析工作時(shí)首創(chuàng)的。小波就是最短最簡(jiǎn)單的振動(dòng)。小波分析的基本思想是以一簇函數(shù)去表示和逼近一個(gè)信號(hào)或函數(shù)，這一簇函數(shù)稱為小波函數(shù)系，它是通過(guò)一個(gè)基本小波函數(shù)的不同尺度的平移和伸縮構(gòu)成的。2.2.1一維連續(xù)小波變換設(shè)，其傅里葉變換為，當(dāng)滿足允許條件（完全重構(gòu)條件或恒等分辯條件）時(shí)，（2.2.1）我們稱為一個(gè)基本小波或母小波。母小波經(jīng)過(guò)伸縮和平移后得（2.2.2）稱其為一個(gè)小波序列。其中a為伸縮因子，b為平移因子。對(duì)于任意的函數(shù)，連續(xù)小波變換為（2.2.3）其重構(gòu)公式（逆變換）為（2.2.4）由于母小波生成的小波在小波變換中對(duì)被分析的信號(hào)起著觀測(cè)窗的作用，所以還應(yīng)該滿足一般函數(shù)的約束條件（2.2.5）故是一個(gè)連續(xù)函數(shù)。為了是信號(hào)重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)在數(shù)值上是穩(wěn)定的，除了完全重構(gòu)條件外女孩要求小波的傅里葉變換滿足下面的穩(wěn)定條件式中，。（2.2.6）連續(xù)小波變換具有以下重要性質(zhì)：(1).線性性：一個(gè)多分量信號(hào)的小波變換等于各個(gè)分量的小波變換之和；(2).平移不變性：若的小波變換為，則的小波變換為；(3).伸縮共變性：若的小波變換為，則的小波變換為c>0：(4).自相似性：對(duì)應(yīng)不同尺度參數(shù)a和不同平移參數(shù)b的連續(xù)小波變換之間是自相似的；(5).冗余性：連續(xù)小波變換中存在信息表述的冗余度2.2.2離散小波變換在實(shí)際運(yùn)用中，尤其是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)時(shí)，連續(xù)小波必須加以離散化。因此，有必要討論連續(xù)小波和連續(xù)小波變換的離散化。需要強(qiáng)調(diào)指出的是，這一離散化都是針對(duì)連續(xù)的尺度參數(shù)a和連續(xù)的平移參數(shù)b的，而不是針對(duì)時(shí)間變量t的。這一點(diǎn)與我們以前習(xí)慣的時(shí)間離散化不同。在連續(xù)小波中，考慮式（2.2.2）；（2.2.2）為方便起見(jiàn)，在離散化中，總是限制a只取正值，這樣允許條件就變?yōu)椋?.2.7）通常，把連續(xù)小波變換中尺度參數(shù)a和平移參數(shù)b的離散化公式分別取作這里，擴(kuò)展步長(zhǎng)是固定值。位計(jì)算方便，經(jīng)常假定，所以對(duì)應(yīng)的離散小波函數(shù)可寫(xiě)作（2.2.8）而離散化小波變換系數(shù)則可表示為（2.2.9）其重構(gòu)公式為其中C是與信號(hào)無(wú)關(guān)的常量（2.2.10）2.2.3二進(jìn)制小波變換以上是對(duì)尺度參數(shù)a和平移參數(shù)b進(jìn)行離散化的要求。為了使小波變換具有可變化的時(shí)間和頻率分辨率，適應(yīng)待分析信號(hào)的非平穩(wěn)性，顯然需要改變a和b的大小，以使小波具有“變焦距”的功能。在實(shí)際中采用的是動(dòng)態(tài)的采樣網(wǎng)格。最常用的是二進(jìn)制的動(dòng)態(tài)采樣網(wǎng)格，即，。每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的尺度為，而平移為k。由此得到的小波稱為二進(jìn)制小波。如下式（2.2.11）函數(shù)序列叫做的二進(jìn)制變換，其中（2.2.12）上式的逆變換為（2.2.13）二進(jìn)小波對(duì)信號(hào)的分析具有變焦距的作用。假定一個(gè)放大倍數(shù)，它對(duì)應(yīng)為觀測(cè)到信號(hào)的某部分內(nèi)容。如果想進(jìn)一步觀察信號(hào)更小的細(xì)節(jié)，就需要增放大倍數(shù)，即減小j值；反之，如果想了解信號(hào)更粗的內(nèi)容，則可以減小放倍數(shù)即加大j值。2.3兩種分析方法的比較小波分析是傅里葉分析思想方法的發(fā)展和延拓，二者是相輔相成，兩者比較主要有以下不同。(1).傅里葉變辣的實(shí)質(zhì)是把信號(hào)分解到以為正交基的空間上去；小波變換的實(shí)質(zhì)是把信號(hào)分解到所構(gòu)成的空間上去。(2).傅里葉變換用到的基本函數(shù)只有時(shí)，具有唯一性；小波分析用到的小波函數(shù)則具有不唯一性，同一個(gè)工程問(wèn)題用不同的小波函數(shù)進(jìn)行分析有時(shí)結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，小波函數(shù)的選用是小波分析應(yīng)用到實(shí)際中的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，目前往往通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和不斷的實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇小波函數(shù)。(3).在頻域中，傅里葉變換具有較好的局部化能力，特別是對(duì)于那些頻率成分比較簡(jiǎn)單的確定性信號(hào)，傅里葉變換很容易把信號(hào)表示成各頻率成分的疊加和的形式。但在時(shí)域中，傅里葉變換沒(méi)有局部化能力，無(wú)法從時(shí)域的傅里葉變換看出信號(hào)在任一時(shí)間點(diǎn)附近的狀態(tài)。(4).短時(shí)傅里葉變換中，變換結(jié)果，主要依賴于信號(hào)在片段中的情況，時(shí)間寬度是，在小波變換中，主要依賴于信號(hào)在τ附近的情況，時(shí)間寬度是隨著尺度a的變化而變化的，所以小波變換具有時(shí)間局部分析能力。(5).若用信號(hào)通過(guò)濾波器來(lái)解釋，小波變換與短時(shí)傅里葉變換不同之處：對(duì)于短時(shí)傅里葉變換來(lái)說(shuō)，帶通濾波器的帶寬是固定的；相反，小波變換帶通濾波器的帶寬是變化的。(6).在小波分析中，尺度a的值越大，相當(dāng)于傅里葉變換中ω的值越小。2.4小波變換和傅里葉變換相結(jié)合監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量方案由于電力系統(tǒng)的電磁擾動(dòng)現(xiàn)象非常龐雜，要對(duì)其類(lèi)型進(jìn)行正確的識(shí)別絕非易事。作為絕大多數(shù)諧波測(cè)試儀的基本算法，傅立葉變換已被證明非常適用于諧波等電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)現(xiàn)象的分析，但因其不具有時(shí)域分析能力，所以在分析含有短時(shí)高頻分量和長(zhǎng)時(shí)低頻分量的電能質(zhì)量擾動(dòng)時(shí)有很大的局限性。而短時(shí)傅立葉變換的時(shí)-頻窗口沒(méi)有自適應(yīng)性，不能分析信號(hào)的突變過(guò)程，且其離散形式?jīng)]有正交展開(kāi)，故難以實(shí)現(xiàn)高效算法。由于具有良好的時(shí)-頻局部化特性，小波變換可以聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)，能夠很好地處理突變信號(hào)，因此特別適合于非穩(wěn)態(tài)畸變波形問(wèn)題的分析。雖然小波變換可以克服傅立葉變換的局限性，解決傅立葉變換難以處理的問(wèn)題，但其自身也有不足之處。利用小波變換并不能準(zhǔn)確地測(cè)量諧波分量的幅值。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種實(shí)用的分析方法，將傅立葉變換和小波變換結(jié)合起來(lái)進(jìn)行電能質(zhì)量擾動(dòng)的檢測(cè)與分類(lèi)，一方面使這兩種變換方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、各盡所能，另一方面又可以在線地將擾動(dòng)提取出來(lái)，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。下面將對(duì)這一方法的具體實(shí)現(xiàn)作詳細(xì)的說(shuō)明。2.4.1二者相結(jié)合的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法從電能質(zhì)量問(wèn)題的危害和各種電能質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生的頻率方面分析，諧波顯然是最為重要的電能質(zhì)量問(wèn)題之一?；贔FT的方法在諧波分析方面具有簡(jiǎn)明有效的特點(diǎn)，是其它方法無(wú)法比擬的。另一方面，基于FFT的方法在分析能力上確實(shí)具有重大的缺陷，這些缺陷包括：頻譜不包括時(shí)域信息；為了從中提取頻譜信息，就要取無(wú)限時(shí)間量；因?yàn)橐粋€(gè)信號(hào)的頻率與它的周期長(zhǎng)度成反比，所以分析高頻信息需要時(shí)間間隔相對(duì)的小，以獲得比較好的精度，而分析低頻信息需要時(shí)間間隔相對(duì)的寬，以給出完全的信息。而基于FFT的方法(短時(shí)FFT)具有固定寬度的時(shí)頻窗口，因此無(wú)法做到這一點(diǎn)。小波變換是一種多尺度分析，它對(duì)時(shí)間序列過(guò)程從粗到細(xì)加以分析(即從低分辨率到高分辨率)，既顯示過(guò)程變化的全貌，又剖析局部變化特征，具有對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)性，因而在電能質(zhì)量分析領(lǐng)域大有用武之地。目前突變的、暫態(tài)的非平穩(wěn)電能質(zhì)量擾動(dòng)的分類(lèi)識(shí)別、短時(shí)間諧波的檢測(cè)、電壓閃變的時(shí)頻分析都成為待解決的難點(diǎn)。針對(duì)這些電能質(zhì)量擾動(dòng)，提出采用小波多分辨率信號(hào)分解的電能質(zhì)量檢測(cè)新方法。小波變換具有良好的時(shí)一頻局部化特征，可以聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)，能夠很好地處理突變信號(hào)，特別適合于非穩(wěn)態(tài)畸變波形問(wèn)題的分析。但其自身也有不足之處，利用小波變換不能準(zhǔn)確地測(cè)量諧波分量的幅值。所以，用于實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)的算法應(yīng)該是一種同時(shí)具備FFT方法和小波方法優(yōu)點(diǎn)的算法，該算法必須具備以下特點(diǎn)：(1).能夠獲得信號(hào)的準(zhǔn)確頻率特性，即能夠分析諧波的準(zhǔn)確位置和能量。這必須通過(guò)基于FFT方法的計(jì)算得到。(2).對(duì)時(shí)間域的變化要敏感，能夠準(zhǔn)確得到電能質(zhì)量的細(xì)微變化在時(shí)域中發(fā)生的時(shí)間。(3).算法得到的系數(shù)應(yīng)該在時(shí)域和頻域上具有明確的物理意義，即系數(shù)應(yīng)該與明確的時(shí)間和頻率相對(duì)應(yīng)，能夠從系數(shù)中獲得重要的與電能質(zhì)量問(wèn)題的類(lèi)型相關(guān)的時(shí)域和頻域的特征信息，算法效率要高，適用于實(shí)時(shí)分析。大量理論文獻(xiàn)和研究表明，目前單獨(dú)使用FFT算法或者某種小波分析算法是無(wú)法獲得上述分析能力的，因此必須同時(shí)使用FFT算法和小波分析算法來(lái)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)。一方面使這兩種變換方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，各盡所能，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法原理框圖如圖2-1所示。電能質(zhì)量信號(hào)電能質(zhì)量信號(hào)采樣采樣數(shù)字濾波數(shù)字濾波Mallat分解算法Mallat分解算法是否檢測(cè)到極大值是否檢測(cè)到極大值FFT頻譜分析求出擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間FFT頻譜分析求出擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間由頻譜判斷穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象的類(lèi)型Mallat重構(gòu)算法提取擾動(dòng)波形由頻譜判斷穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象的類(lèi)型Mallat重構(gòu)算法提取擾動(dòng)波形純正弦波閃變諧波暫態(tài)長(zhǎng)期短期純正弦波閃變諧波暫態(tài)長(zhǎng)期短期圖2.1小波變換和傅立葉變換的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法原理框圖2.4.2應(yīng)用小波分解與重構(gòu)檢測(cè)擾動(dòng)信號(hào)(1)小波基選取原則：eq\o\ac(○,1)正交性(或近似正交性)、緊支性、可進(jìn)行離散小波變換等性質(zhì)。eq\o\ac(○,2)尺度函數(shù)和小波基都具有一定的消失矩，這種特性有利于加快小波變換的速度。eq\o\ac(○,3)在不同分辨率具有非常好的多項(xiàng)式函數(shù)近似，增加分析計(jì)算的效率。eq\o\ac(○,4)能夠比較容易地直觀顯示信號(hào)的特性，同時(shí)還能檢測(cè)其它潛在的時(shí)變擾動(dòng)。在多分辨率分析中，尺度函數(shù)和小波函數(shù)可以分別表示為：（2.4（2.4式（2.4.1）稱為尺度函數(shù)的雙尺度方程，式（2.4.2）稱為小波函數(shù)的雙尺度方程。從這兩個(gè)方程式可以看出，小波基可以由尺度函數(shù)的平移和伸縮的線性組合得到，其構(gòu)造歸結(jié)為低通濾波器的設(shè)計(jì)。(2)分解層數(shù)的確定:為了檢測(cè)和提取電能質(zhì)量擾動(dòng)，必須確定合理的分解層數(shù)，對(duì)信號(hào)的頻帶進(jìn)行正確的劃分。頻帶劃分的原則是：盡量使信號(hào)的基頻位于最低子頻帶的中心，從而限制基頻分量對(duì)其它子頻帶的影響。00—6.4kHz0—3.2kHz3.2—6.4kHz1.6—6.4kHz0—1.6kHz0.4—6.4kHz0—0.4kHz0.8—6.4kHz0—0.8kHz0.2—6.4kHz0—0.2kHz圖2-2頻帶劃分示意圖設(shè)采樣頻率為。頻帶的劃分?jǐn)?shù)目可由下式取整數(shù)求得：（2.4.3本文分析的我國(guó)的電能質(zhì)量信號(hào)基頻為50Hz，采樣頻率為12.8kHz。由上式求得子頻帶的數(shù)目為p=7，即應(yīng)該對(duì)信號(hào)進(jìn)行6層多分辨率分析。頻帶劃分示意圖如圖2-2所示。此時(shí)基頻恰好位于最低子頻帶的中心。（3）信號(hào)奇異性的檢測(cè)信號(hào)中的奇異點(diǎn)及不規(guī)則的突變部分經(jīng)常帶有比較重要的信息，它是信號(hào)重要的特征之一。長(zhǎng)期以來(lái)，傅立葉變換是研究函數(shù)奇異性的主要工具，其方法是研究函數(shù)在傅立葉變換域的衰減以推斷函數(shù)是否具有奇異性及奇異性的大小。但傅立葉變換缺乏空間局部性，它只能確定一個(gè)函數(shù)奇異性的整體性質(zhì)，而難以確定奇異點(diǎn)在空間的位置及分布情況。由于小波變換具有空間局部化性質(zhì)，因此利用小波變換來(lái)分析信號(hào)的奇異性及奇異性位置和奇異度的大小是比較有效的。利用小波分析檢測(cè)信號(hào)突變點(diǎn)的一般方法是：對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度分析，在信號(hào)出現(xiàn)突變時(shí)，其小波變換后的系數(shù)具有模極大值，因而可以通過(guò)對(duì)模極大值點(diǎn)的檢測(cè)來(lái)確定擾動(dòng)發(fā)生的時(shí)刻。一般突變點(diǎn)的定位是在多分辨分析的第一層和第二層高頻系數(shù)中進(jìn)行的判斷的。（4）擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間的確定如果在小波分解的第一層和第二層高頻系數(shù)中檢測(cè)到了模極大值，說(shuō)明信號(hào)有突變，對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量現(xiàn)象為非穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)。非穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)現(xiàn)象包括暫態(tài)、短期變化和長(zhǎng)期變化三大類(lèi)。為了進(jìn)一步區(qū)分這三種非穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)，可以利用其持續(xù)時(shí)間特征作為分類(lèi)的重要依據(jù)之一。短期電壓變化的持續(xù)時(shí)間為0.5個(gè)周期到1分鐘，長(zhǎng)期電壓變化的持續(xù)時(shí)間為大于l分鐘，而暫態(tài)的持續(xù)時(shí)間具有不確定性，一次脈沖暫態(tài)的持續(xù)時(shí)間可能只有幾納秒，而一次低頻振蕩暫態(tài)過(guò)程則可能持續(xù)數(shù)十毫秒。因此，利用擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間可以較好地區(qū)分短期變化和長(zhǎng)期變化，但如果低頻振蕩暫態(tài)的持續(xù)時(shí)間恰好位于短期變化定義的持續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)時(shí)，則必須利用小波重構(gòu)對(duì)擾動(dòng)波形進(jìn)行提取，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的分類(lèi)來(lái)區(qū)分低頻振蕩暫態(tài)和短期變化。（5）擾動(dòng)波形的提取為了更好的區(qū)分持續(xù)時(shí)間范圍有重合的低頻暫態(tài)和短期變化，以及對(duì)暫態(tài)現(xiàn)象更細(xì)的分類(lèi)，可以利用小波重構(gòu)對(duì)擾動(dòng)波形進(jìn)行提取。重構(gòu)波形的幅值和上升沿等特征信息為擾動(dòng)的進(jìn)一步分類(lèi)提供了依據(jù)。設(shè)擾動(dòng)的持續(xù)時(shí)間為，則對(duì)，的頻率所在的頻帶進(jìn)行重構(gòu)，可以將擾動(dòng)的波形提取出來(lái)。為了提取更為精確的擾動(dòng)波形，往往需要對(duì)多個(gè)子頻帶進(jìn)行小波重構(gòu)，尤其是和所在的頻帶相鄰的子頻帶。重構(gòu)得到的擾動(dòng)波形可以作為人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(ANN)或者模糊專家系統(tǒng)(FEs)的輸入，從而進(jìn)行離線的擾動(dòng)辨別和評(píng)估。圖2-3為利用Mallat小波重構(gòu)算法對(duì)某一脈沖暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行擾動(dòng)波形提取的結(jié)果。其中橫坐標(biāo)表示采樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)表示幅值。重構(gòu)的擾動(dòng)波形重構(gòu)的擾動(dòng)波形10.50-0.5-10500100015002000250030003500400045000.50-0.5-1-1.5050010001500200025003000350040004500信號(hào)圖2-3對(duì)脈沖暫態(tài)信號(hào)的擾動(dòng)波形的提取通過(guò)對(duì)暫態(tài)擾動(dòng)所做的大量仿真，可以得知：重構(gòu)擾動(dòng)波形的方法對(duì)中頻振蕩暫態(tài)和低頻振蕩暫態(tài)的提取效果令人滿意。但由于采樣頻率的限制，該方法不能用來(lái)提取頻率成分過(guò)高的暫態(tài)過(guò)程。另外，小波重構(gòu)對(duì)短期變化擾動(dòng)的提取效果也不佳，這是因?yàn)槎唐谧兓F(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間通常遠(yuǎn)大于暫態(tài)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，其頻譜成分大都集中在最低子頻帶，無(wú)法將基波和擾動(dòng)波形區(qū)分開(kāi)來(lái)。所以為了正確區(qū)分暫態(tài)、短期變化和長(zhǎng)期變化這三類(lèi)非穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)，必須首先用小波分解確定擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間，然后用小波重構(gòu)提取擾動(dòng)波形，應(yīng)該將這二者結(jié)合起來(lái)作為分類(lèi)的依據(jù)。2.4.3如果在應(yīng)用小波分解沒(méi)有檢測(cè)到模極大值的情況下，說(shuō)明信號(hào)沒(méi)有突變點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量現(xiàn)象為穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)或正常情況。此時(shí)，可以利用快速傅立葉變換(FFT)進(jìn)行分析。對(duì)諧波、閃變及純正弦波電壓進(jìn)行傅立葉分析后，可以看出這三種穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象的諧波頻譜具有明顯不同的特征。因此，利用快速傅立葉變換不僅能夠計(jì)算出電壓的各次諧波含量，而且可以作為區(qū)分諧波和閃變的一種手段。3電能質(zhì)量的測(cè)量方法隨著電能質(zhì)量對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的影響逐漸加大和人們對(duì)電能質(zhì)量研究的逐漸深入，人們對(duì)電能質(zhì)量關(guān)注的焦點(diǎn)已不僅僅是電壓、頻率和諧波等各種穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，還包括影響電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)信息，如瞬時(shí)擾動(dòng)和暫態(tài)諧波等，同時(shí)也要求電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供更為直觀的分析結(jié)果，以利于對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題做出決策。下面簡(jiǎn)單介紹五種電能質(zhì)量的測(cè)量方法。3.1頻率的測(cè)量電網(wǎng)頻率是電能質(zhì)量體系中的一個(gè)重要指標(biāo),關(guān)于頻率測(cè)量的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有較多的成果，許多算法已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中，早期測(cè)量過(guò)程中需要時(shí)間長(zhǎng)，在暫態(tài)過(guò)程中測(cè)量誤差大。后期利用DSP數(shù)字技術(shù)對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量，具有測(cè)量精度高和時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。進(jìn)行頻率測(cè)量的主要算法有：(1)周期法：周期法即為零交法。通過(guò)測(cè)量信號(hào)波形相繼過(guò)零點(diǎn)間的時(shí)間寬度來(lái)計(jì)算頻率。該方法概念清晰、易于實(shí)現(xiàn)，但精度低，受諧波、噪聲和非周期分量的影響，實(shí)時(shí)性不好。對(duì)它的改進(jìn)主要是提高實(shí)時(shí)性和測(cè)量精度。改進(jìn)算法有：水平正交算法、高次修正函數(shù)法和最小二乘多項(xiàng)式的曲線擬和法。這樣計(jì)算量和復(fù)雜度會(huì)很大。(2)解析法：通過(guò)對(duì)信號(hào)觀測(cè)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，將待測(cè)量f或△f表示為樣本值的顯函數(shù)來(lái)估計(jì)，但精度總體不高。(3)誤差最小化原理類(lèi)算法：包括最小二乘算法、最小絕對(duì)值近似法、牛頓算法、離散卡爾曼濾波算法、正交去調(diào)制法、DFT(FFT)類(lèi)算法及其改進(jìn)算法3.2諧波測(cè)量由于電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷的增加，給系統(tǒng)帶來(lái)了大量的諧波污染，影響了電網(wǎng)的安全運(yùn)行和用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求。在諧波測(cè)量上多數(shù)采用數(shù)學(xué)方法對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行諧波分析，對(duì)于穩(wěn)態(tài)諧波的測(cè)量，快速傅里葉變換（FFT）是分析諧波的最好方法，利用FFT可以直接得到波形所含的各頻譜分量，下面介紹一下FFT的改進(jìn)算法基于復(fù)序列的FFT算法。3.2.1基于復(fù)序列的FFT算法推導(dǎo)基于復(fù)序列的FFT算法是FTT的改進(jìn)算法，這里先介紹FFT算法的推導(dǎo)過(guò)程。當(dāng)輸入信號(hào)可為周期函數(shù)或可近似地作為周期函數(shù)處理時(shí)，電力系統(tǒng)信號(hào)均滿足，則它可被分解為一個(gè)各種頻率的正弦函數(shù)序列之和，即傅立葉級(jí)數(shù)，其三角級(jí)數(shù)形式為：（3.2.1）式中：，，，h=1，2，…h(huán)=1，2，…若設(shè)則（3.2.2）將公式代入上式可得：h=0，1，2…（3.2.3）上式即為傅里葉級(jí)數(shù)的復(fù)數(shù)形式。對(duì)信號(hào)進(jìn)行每周波均勻采樣N個(gè)點(diǎn)時(shí)，將上式進(jìn)行離散化處理得：，h=0，1，2…（3.2.4）令，則，h=0，1，2…（3.2.5）上式為傅立葉級(jí)數(shù)的離散形式，稱為離散傅立葉變換(DFT)。由于離散型傅里葉和快速傅里葉運(yùn)算都是以復(fù)數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理的，而實(shí)際中處理的一般都是實(shí)數(shù)信號(hào)，直接用FFT對(duì)實(shí)數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理是不方便的。在實(shí)際運(yùn)算序列時(shí)，可以將兩個(gè)長(zhǎng)度相同的實(shí)序列分為負(fù)序列的實(shí)部和虛部來(lái)進(jìn)行處理，即基于負(fù)序列的FFT算法。推導(dǎo)方法如下：設(shè)兩個(gè)實(shí)序列令得：（3.2.6）（3.2.7）其中的實(shí)部和虛部。（3.2.8）由式（3.2.7）得：（3.2.9）（3.2.10）根據(jù)傅立葉變換的周期性和奇偶虛實(shí)性，可知實(shí)序列的傅立葉變換的實(shí)部為偶函數(shù)，虛部為奇函數(shù)。可得：對(duì)（3.2.6）進(jìn)行FFT變換，由于其復(fù)共軛性質(zhì)，可以得到（3.2.12）式中的共軛復(fù)數(shù)，這就是復(fù)序列FFT的算法原理。3.2.2基于復(fù)序列的FFT算法設(shè)畸變電壓和電流中含有L次諧波，則可以用下面表達(dá)式表示：（3.2.13）現(xiàn)若已經(jīng)測(cè)量到N點(diǎn)的電壓序列，則可以構(gòu)造一個(gè)復(fù)序列（3.2.14）對(duì)復(fù)序列，其離散傅里葉變換為（3.2.15）由（3.2.14）可得：（3.2.16）對(duì)上式進(jìn)行DFT并考慮其復(fù)共軛性質(zhì)，可以得到電壓、電流的頻譜為：（3.2.17）設(shè)u(t)是一個(gè)僅含有第q次諧波的正弦電壓信號(hào)，則由式(3.2.13)得（3.2.18）其向量表示式為；（3.2.19）當(dāng)在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)對(duì)進(jìn)行N點(diǎn)等間隔采樣時(shí)有：（3.2.20）對(duì)于非正弦周期信號(hào)的離散傅立葉變換，若已知最高次諧波為L(zhǎng)，則在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N應(yīng)為：N>2L。在此，對(duì)一個(gè)僅含有第q次諧波的正弦電壓信號(hào)而言，應(yīng)滿足N>2q。因q為正整數(shù)，故1<q<N/2-1。容易證明電壓頻譜U(q)為（3.2.21）其向量表示為：(3.2.22)由式（3.2.20）和（3.2.22）可得電壓、電流向量及頻譜關(guān)系（3.2.23）諧波電壓和諧波電流的有效值和功率如下：（3.2.24）（3.2.25）（3.2.26）（3.2.27）（3.2.28）式中分別為X的實(shí)部和虛部。根據(jù)以上結(jié)果，可得到電壓和電流的有效值、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)分別為從以上推導(dǎo)可知，在整個(gè)過(guò)程中只需要對(duì)式(3.2.10)進(jìn)行一次FFT變換，就可以完成諧波、電壓電流有效值和功率的計(jì)算；與傳統(tǒng)的FFT比較，對(duì)相同長(zhǎng)度電壓、電流采樣序列進(jìn)行諧波分析，采用基于復(fù)序列FFT算法可以把FFT分析運(yùn)算量減半，這樣大大提高了數(shù)據(jù)處理的速度。3.2.2通過(guò)基于復(fù)序列FFT算法對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行分析后，我們就可以對(duì)電網(wǎng)中的諧波指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算了，下面是幾個(gè)諧波指標(biāo)的定義及計(jì)算方法。諧波含有率(HR)：h次諧波分量的有效值(或幅值)與基波分量的有效值(或幅值)之比，用百分?jǐn)?shù)表示即：第h次諧波電壓含有率：第h次諧波電流含有率：總諧波畸變率（THD）：諧波總量的有效值與基波分量的有效值之比，用百分?jǐn)?shù)表示即：諧波電壓總量為：諧波電流總量為：電壓總諧波畸變率：電流總諧波畸變率：3.3電壓偏差的測(cè)量電壓允許偏差是指電力系統(tǒng)電壓緩慢變化時(shí)，實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差。通常指電壓變化率小于每秒1%時(shí)實(shí)際電壓值與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差，可用有名值或標(biāo)么值表示。（3.3.1）其中實(shí)際電壓為實(shí)測(cè)電壓，額定電壓為系統(tǒng)的額定電壓。電壓變動(dòng)指的是供電點(diǎn)電壓在兩個(gè)相鄰的、持續(xù)一定時(shí)間的電壓均方根值之間的差值。通常以額定電壓的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示電壓變動(dòng)的相對(duì)百分值即：（3.3.2）在同一方向小于30ms的快速。變化不計(jì)入電壓變動(dòng)。小于30ms的期間內(nèi)，同方向的電壓均方根值的變動(dòng)只算作一次變動(dòng)。在單位時(shí)間內(nèi)電壓變動(dòng)的次數(shù)稱為電壓變動(dòng)的頻度。當(dāng)所測(cè)電壓有效值低于額定電壓10%且持續(xù)3秒鐘以上視為電壓間斷。3.4三相不平衡度的測(cè)量三相不平衡度的測(cè)量建立在各序分量的計(jì)算上。電力系統(tǒng)三相不對(duì)稱時(shí)，三相電路的電壓和電流的基頻分量都呈現(xiàn)為不對(duì)稱的向量。根據(jù)對(duì)稱分量法可以將三相不對(duì)稱的分量唯一地分解為3組對(duì)稱的分量，即正序分量、負(fù)序分量和零序分量。以電壓為例：A、B、C三相電壓的零序、正序、負(fù)序的計(jì)算公式如下：（3.4.1）式中為A、B、C三相電壓矢量，a為旋轉(zhuǎn)因子，三相電壓不平衡度通常以負(fù)序分量與正序分量均方根值的百分比來(lái)表示。（3.4.2）通過(guò)上式可得到三相電壓、電流的不平衡度。不平衡度的3秒方均根值（3.4.3）式中：是在3秒內(nèi)第K次測(cè)得的不平衡度。m：是在3秒內(nèi)均勻間隔取值次數(shù)，m=6不平衡度的統(tǒng)計(jì)測(cè)量方式和諧波的統(tǒng)計(jì)測(cè)量方式相似。采用上述方法計(jì)算較為繁瑣，國(guó)際中給出了兒個(gè)簡(jiǎn)化的計(jì)算公式，但都有其限定的應(yīng)用條件。公式（3.4.4）其中：，a、b、c為三向量。另有不平衡度的近似計(jì)算公式（3.4.5）式中：。3.5電壓波動(dòng)和閃變的測(cè)量3.5.1在檢測(cè)電壓波動(dòng)分量時(shí)，通常將電壓波動(dòng)看成以工頻電壓為載波，以電壓的方均根或峰值受到以電壓波動(dòng)分量作為調(diào)制波的調(diào)制。對(duì)于任何波形的調(diào)幅波均可以看作是由各種頻率分量合成。設(shè)電壓瞬時(shí)值解析式為：（3.5.1）為求電壓的波動(dòng)只需提取出調(diào)幅波。將上式平方可得：（3.5.2）平方后的信號(hào)經(jīng)過(guò)0.05-35HZ的帶通濾波器濾去直流分量和工頻以上的分量，便可檢測(cè)出調(diào)幅波即電壓波動(dòng)分量，其輸出為：（3.5.3）3.5.2電壓閃變指標(biāo)的測(cè)量根據(jù)電工委員會(huì)推薦規(guī)定，給出閃變的檢測(cè)規(guī)范，如下圖所示。框1框1u(t)S（t）輸入適配和自檢信號(hào)平方檢測(cè)器0.05Hz~35Hz帶通濾波器加權(quán)濾波器平方器，一階低通濾波器框3框4框2框5閃變的統(tǒng)計(jì)評(píng)定圖3-1電壓閃變測(cè)量框1，將輸入的被測(cè)電壓適配成適合儀器的電壓數(shù)值，并能發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)幅波電壓作儀器自檢信號(hào)?？?，用平方檢測(cè)法從工頻電壓波動(dòng)中調(diào)解出反映電壓波動(dòng)的調(diào)幅波。框3，由帶通濾波器和加權(quán)濾波器構(gòu)成。要對(duì)二倍工頻的衰減在90db量級(jí)。這里帶通濾波器由截止頻率0.05Hz高通濾波器和35Hz的低通濾波器構(gòu)成，其作用是檢測(cè)出電壓波動(dòng)分量；加權(quán)濾波器的作用是用來(lái)模擬人眼對(duì)不同頻率電壓波動(dòng)分量的選擇性，并對(duì)二倍工頻以上分量進(jìn)行衰減。各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：（3.5.4）式中，35Hz低通濾波器為六階巴特沃思濾波器，傳遞函數(shù)：（3.5.5）式中：，加權(quán)錄波器的傳遞函數(shù)即為UIE給出逼近視感度系數(shù)曲線的傳遞函數(shù)，（3.5.5）式中框4，平方器和一階低通濾波器，模擬人腦神經(jīng)對(duì)視覺(jué)反映和記憶效應(yīng)。信號(hào)的平方模擬非線形的眼一腦的覺(jué)察過(guò)程；平滑濾波模擬人腦的記憶效應(yīng)。一階低通濾波器的傳遞函數(shù)：（3.5.6）框5，統(tǒng)計(jì)分析，將4輸出的恒速采樣(采樣頻率不小于50Hz)，輸出Pst和Plt電力系統(tǒng)中各種擾動(dòng)引起的電能質(zhì)量問(wèn)題主要可分穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩大類(lèi)。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題以波形畸變?yōu)樘卣鳎饕ㄖC波、間諧波、波形下陷以及噪聲等；暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題通常是以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時(shí)間為特征，可分脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類(lèi)。本設(shè)計(jì)主要研究這兩大類(lèi)電能質(zhì)量問(wèn)題的算法和在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)。4電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)的性能和技術(shù)指標(biāo)本文所設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電能質(zhì)量的指標(biāo):電壓偏差、頻率偏差、諧波、三相不平衡等指標(biāo)的檢測(cè)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基本電量，如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)進(jìn)行高精度的在線測(cè)量；能夠采用多種通訊方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)；采用高分辨率TFT-LCD實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)；當(dāng)有數(shù)據(jù)指標(biāo)超過(guò)限定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)記錄下來(lái)并報(bào)警。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和性能要求，同時(shí)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，制定了本文所設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，如下所示：4.1.1可測(cè)量參數(shù)(1)電壓有效值(電壓偏差)、電流有效值(電流偏差)、頻率值(頻率偏差)；(2)有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)；(3)電壓不平衡度、電流不平衡度；(4)諧波電壓、諧波電流(至50次)，諧波相位、諧波功率、諧波畸變率。4.1.2主要功能(1)測(cè)量三相電壓、電流的各項(xiàng)電能質(zhì)量；(2)諧波測(cè)量次數(shù):1～50次；(3)具有電壓、電流不平衡測(cè)量功能；(4)具有基波參數(shù)，三相電壓、電流，有功、無(wú)功功率等指標(biāo)測(cè)量和顯示功能；(5)具有各項(xiàng)指標(biāo)超限記錄功能；(6)通過(guò)鍵盤(pán)操作可實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)指標(biāo)和設(shè)置參數(shù)；(7)可將數(shù)據(jù)存入移動(dòng)存儲(chǔ)盤(pán)，提高了系統(tǒng)的便攜性。4.1.3技術(shù)指標(biāo)(1)頻率測(cè)量范圍：45～55Hz，精度：0.1Hz；(2)相位測(cè)量范圍：0～360度，精度：1.0%；(3)電壓測(cè)量范圍：0～400V，精度：1.0%；(4)電流測(cè)量精度：1.0%；(5)基波精度：基波電壓1.5%，基波電流1.5%；(6)諧波電流精度：當(dāng)≥3%時(shí)，相對(duì)誤差<5%；<3%時(shí)，相對(duì)誤差<0.15%；(7)諧波電壓精度：當(dāng)≥1%時(shí)，相對(duì)誤差<5%；<1%時(shí)，相對(duì)誤差<0.05%；(8)電流不平衡度測(cè)量精度：1.0%；(9)電壓不平衡度測(cè)量精度：1.0%；(10)信號(hào)轉(zhuǎn)換精度：16Bit；測(cè)頻誤差：＜0.01Hz4.2總體設(shè)計(jì)方案4.2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)組成框圖見(jiàn)圖4-1。它主要由信號(hào)采集模塊、DSP數(shù)據(jù)處理模塊、CPLD邏輯控制模塊、鍵盤(pán)和液晶顯示電路、外擴(kuò)存儲(chǔ)器電路和通信電路組成。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理為：三相電流經(jīng)過(guò)電流互感器(CT),三相電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器(PT)后,由A/D采樣芯片ADS8364進(jìn)行采樣，將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示結(jié)果、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)等工作，即DSP把實(shí)時(shí)的計(jì)算結(jié)果送到液晶顯示屏顯示，并把超標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性FLASH存儲(chǔ)器里；可以使用鍵盤(pán)操作設(shè)置參數(shù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)USB存進(jìn)移動(dòng)存儲(chǔ)盤(pán)，并能通過(guò)RS232、RS485、以太網(wǎng)接口等通信接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)相連，將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)中對(duì)數(shù)據(jù)的分析管理；CPLD用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)外圍電路的邏輯控制，產(chǎn)生對(duì)信號(hào)采集模塊、RS485模塊、USB模塊和以太網(wǎng)模塊的片選信號(hào)。鍵盤(pán)CPLD邏輯控制模塊鍵盤(pán)CPLD邏輯控制模塊以太網(wǎng)USBRS485RS232信號(hào)采集以太網(wǎng)USBRS485RS232信號(hào)采集DSP（TMSDSP（TMS320F2812）數(shù)據(jù)處理模塊外擴(kuò)FLASH外擴(kuò)RAM液晶顯示外擴(kuò)FLASH外擴(kuò)RAM液晶顯示圖4-1系統(tǒng)總框圖4.2.2按照模塊化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計(jì)思想，在設(shè)計(jì)中將整個(gè)硬件電路分為六大模塊：信號(hào)采集模塊、DSP數(shù)據(jù)處理模塊、CPLD邏輯控制模塊、外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊、鍵盤(pán)及液晶顯示模塊和通信模塊。系統(tǒng)各個(gè)模塊的具體功能介紹如下：（1）信號(hào)采集模塊信號(hào)采集模塊包括電壓互感器、電流互感器、偏置電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片，其主要功能有：eq\o\ac(○,1)電壓互感器將電網(wǎng)中的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成峰值為-10V~+10V的雙極性電壓信號(hào)；eq\o\ac(○,2)電流互感器將電網(wǎng)中的交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成峰值為-10V~+10V的雙極性電壓信號(hào)；eq\o\ac(○,3)偏置電路將-10V~+10V的雙極性電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成0V~+5V的單極性電壓信號(hào)；eq\o\ac(○,4)A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADS8364,可以將0V~+5V的單極性電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)處理。（2）DSP數(shù)據(jù)處理模塊DSP數(shù)據(jù)處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，經(jīng)反復(fù)比較，主控芯片使用的是TI公司的32位DSP芯片TMS320F2812。其完成的主要任務(wù)如下：eq\o\ac(○,1)將A/D芯片輸出的采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到電能質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)；eq\o\ac(○,2)存儲(chǔ)超標(biāo)數(shù)據(jù)并報(bào)警；eq\o\ac(○,3)與鍵盤(pán)顯示模塊一起共同完成鍵盤(pán)輸入與LCD顯示等人機(jī)交互功能；eq\o\ac(○,4)提供通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。（3）CPLD邏輯控制模塊CPLD是整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制核心，選用的是Altera公司的EPM240T100,其主要功能為：eq\o\ac(○,1)對(duì)DSP輸出的地址譯碼后產(chǎn)生外圍電路的片選信號(hào)，包括A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD電路、485控制電路、USB控制電路和以太網(wǎng)控制電路的片選信號(hào)；eq\o\ac(○,2)CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)了按鍵狀態(tài)寄存器，供DSP讀取按鍵狀態(tài)；eq\o\ac(○,3)CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)了外部中斷狀態(tài)寄存器，使DSP可以采用查詢方式執(zhí)行中斷處理程序；eq\o\ac(○,4)CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)了外設(shè)控制寄存器，可通過(guò)寫(xiě)該寄存器控制外設(shè)電路的操作。（4）鍵盤(pán)及液晶顯示模塊鍵盤(pán)及液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的人機(jī)交互功能，它的主要作用有：eq\o\ac(○,1)通過(guò)按鍵可以執(zhí)行設(shè)置參數(shù)、選擇顯示內(nèi)容、發(fā)送數(shù)據(jù)等操作；eq\o\ac(○,2)LCD可以實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)到的電能質(zhì)量指（5）外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊包括外擴(kuò)RAM和外擴(kuò)FLASH，其作用分別為：eq\o\ac(○,1)外擴(kuò)RAM可以存儲(chǔ)采集到的信號(hào)以及相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果；eq\o\ac(○,2)外擴(kuò)FLASH可以存儲(chǔ)DSP程序、固定的數(shù)據(jù)表格和固定參數(shù)。（6）通信模塊為了加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行狀況的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智能化的管理，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了通信模塊，它包括四個(gè)通信接口：eq\o\ac(○,1)利用DSP芯片本身自帶的兩個(gè)SCI通信接口分別用于RS232通信和RS485通信；eq\o\ac(○,2)設(shè)計(jì)了USB通信接口，可以將數(shù)據(jù)存入移動(dòng)存儲(chǔ)盤(pán)；eq\o\ac(○,3)設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)通信接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化水平。4.3系統(tǒng)主CPU選型分析本文設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用高性能DSP處理技術(shù)，高速實(shí)時(shí)采集指定線路的三相電流和電壓模擬信號(hào)，在A/D轉(zhuǎn)換后輸入到DSP芯片中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，計(jì)算電網(wǎng)的各種電力參數(shù)，分析電網(wǎng)的電力質(zhì)量信息，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就地存儲(chǔ)或通過(guò)通信接口進(jìn)行通信傳輸。選擇DSP芯片，必須在電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)儀的實(shí)際監(jiān)測(cè)需求的前提下，結(jié)合DSP芯片的運(yùn)算速度、計(jì)算精度、片上存儲(chǔ)器的大小、I/O接口性能、編譯器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、片上可編程時(shí)鐘等指標(biāo)，因此，綜合各方面情況，本文選用TMS320F2812定點(diǎn)DSP芯片作為系統(tǒng)的主CPU。TMS320C28x系列是TI公司最新推出的DSP芯片，是目前國(guó)際市場(chǎng)上最先進(jìn)、功能強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片。它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制能力。特別適用于大量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合，如工業(yè)自動(dòng)化控制和電力電子技術(shù)應(yīng)用等。TMS320F2812定點(diǎn)DSP芯片的主要性能指標(biāo)如下：(1)高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)·工作頻率150MHz（時(shí)鐘周期6.67ns）·低功耗(核心電壓1.8V,I/O口電壓3.3V)·Flash編程電壓3.3V(2)高性能的32位中央處理器·16位×16位和32位×32位的乘累加操作·16位×16位的雙乘法累加操作·哈佛總線結(jié)構(gòu)·代碼高效(支持C/C++或者匯編語(yǔ)言)·與TMS320F24X/LF240X處理器的源代碼兼容(3)片內(nèi)存儲(chǔ)器·128K×16位的Flash存儲(chǔ)器·1K×16位的OTP型只讀存儲(chǔ)器·L0和L1：兩塊4K×16位的單周期訪問(wèn)RAM(SARAM)·H0：一塊8K×16位的單周期訪問(wèn)RAM(SARAM)·M0和M1：兩塊1K×16位的單周期訪問(wèn)RAM(SARAM)(4)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口XINTF(僅TMS320F2812具有)·最多1MB字的尋址空間·可編程等待周期·可編程讀/寫(xiě)選擇時(shí)序·三個(gè)獨(dú)立的片選信號(hào)(5)三個(gè)外部中斷(6)外部中斷擴(kuò)展(PIE)模塊·可支持96個(gè)外部中斷（當(dāng)前只使用了45個(gè)中斷）·3個(gè)32位的CPU定時(shí)器(7)電機(jī)控制外圍設(shè)備·兩個(gè)事件管理器(EVA,EVB)·與C240X系列兼容的器件(8)串口外圍設(shè)備·串行外設(shè)接口(SPI)·兩個(gè)UART接口模塊(SCI)·增強(qiáng)的eCAN2.0B接口模塊5電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5.1系統(tǒng)整體電路TMS320F2812對(duì)于片內(nèi)的各個(gè)部件采用了獨(dú)立的電源供給方式：內(nèi)核采用1.8V供電，I/O和Flash編程采用3.3V供電。采用以上的供電方式，可以減小DSP的功耗。系統(tǒng)采用30MHz外部時(shí)鐘輸入，經(jīng)內(nèi)部PLL倍頻后可得最高時(shí)鐘頻率：150MHz。CS1、CS2、CS6為外部擴(kuò)展存儲(chǔ)空間XINTF的片選信號(hào)，分別用于擴(kuò)展CPLD中的外設(shè)寄存器、FLASH存儲(chǔ)器和RAM存儲(chǔ)器。RD,WR為外擴(kuò)存儲(chǔ)空間的讀寫(xiě)信號(hào)；D[15..0]和A[18..0]為外擴(kuò)存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)線和地址線；EMU1、EMU0、TCK、TDO、TDI、TRST、TMS為JTAG電路信號(hào)。T2PWM為事件管理器EVA的通用定時(shí)器T2的輸出，用于定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，PWM1為事件管理器EVA的通用定時(shí)器T1的PWM輸出,用于為A/D芯片ADS8364提供時(shí)鐘信號(hào)；INT1為F2812的外部中斷，接A/D的轉(zhuǎn)換完成信號(hào)EOC，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成時(shí)觸發(fā)外中斷INT1，由DSP讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。RXA/TXA和RXB/TXB為F2812自帶的兩組SCI串口通信接口，其中，RXA/TXA用于RS232串口通信，由MAX3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，RXB/TXB用于RS485通信,由MAX3485芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換；RTL8019和SL811HS分別為以太網(wǎng)通信和USB通信控制芯片。CPLD為系統(tǒng)中外圍電路邏輯控制芯片，主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍電路的片選控制，包括對(duì)A/D芯片、MAX3232芯片、MAX3485芯片、RTL8019芯片、SL811HS芯片和LCD電路的片選控制功能。系統(tǒng)整體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5-1所示。圖5-1系統(tǒng)整體電路結(jié)構(gòu)框圖5.2信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路主要功能是將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、偏置等環(huán)節(jié)調(diào)至A/D轉(zhuǎn)換器輸入所要求的范圍。調(diào)理電路包括互感器電路和偏置電路?；ジ衅麟娐坟?fù)責(zé)將二次側(cè)的強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)；偏置電路則負(fù)責(zé)將互感器輸出的雙極性交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合A/D輸入的單極性信號(hào)。5.2.1(1)電壓互感器電路電壓互感器采用SPT204A,其輸入額定電流為2mA,輸出額定電流為2mA，使用時(shí)需要將原邊電壓信號(hào)變換為電流信號(hào)，因此需要在原邊串聯(lián)一個(gè)合適的電阻，以滿足輸入端電流為2mA的要求。具體電氣特性如表5-1。表5.1電壓互感器指標(biāo)指標(biāo)名稱指標(biāo)參數(shù)指標(biāo)名稱指標(biāo)參數(shù)額定輸入電流額定輸出電流額定輸入電壓額定輸出電壓2mA2mA串聯(lián)電阻后30～1000V50mV～8V匝數(shù)比非線性度相移副邊電阻1：1＜0.1%＜5度大約100Ω電壓互感器輸出的是電流信號(hào)，但是A/D轉(zhuǎn)換模塊一般都只能對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，因此需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電路如圖5-2所示。圖5-2電壓互感器電路圖圖中R1是限流電阻，無(wú)論額定輸入電壓多大，調(diào)整R1的值，使得額定輸入電流為2mA,就能滿足使用條件。副邊電路是電流/電壓變換電路，當(dāng)需要電壓輸出時(shí)采樣。調(diào)整圖中的反饋電阻R2和R3的值可得到所需要的輸出電壓，R2用來(lái)微調(diào)。電容C1和R4是用來(lái)補(bǔ)償相移。電容C3作用是去藕和濾波。（2）電流互感器電路電流互感器采用SCT254FK,該互感器是通過(guò)感應(yīng)原邊的輸入電流來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，其額定輸入電流為5A,額定輸出電流為2.5mA。其相關(guān)參數(shù)如表5-2所示。表5-2電流互感器指標(biāo)指標(biāo)名稱指標(biāo)參數(shù)指標(biāo)名稱指標(biāo)參數(shù)額定輸入電流額定輸出電流匝數(shù)比5A2.5mA1：2000線性范圍相移沖擊電流0～20A＜5度100A/1s33圖5-3電流互感器電路圖圖中副邊電路是電流/電壓變換電路，當(dāng)需要電壓輸出時(shí)采用。調(diào)整圖中的反饋電阻R5和R6的值可得到所需要的電壓輸出，其中，R5用來(lái)微調(diào)輸出電壓。電容C4和R7用來(lái)補(bǔ)償相移。電容C5用來(lái)去藕和濾波。圖中電阻、電容、二極管的作用以及計(jì)算方法與電壓互感器電路相同。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)后，當(dāng)設(shè)定輸出電壓峰值在10V時(shí)，整個(gè)電路參數(shù)值見(jiàn)圖5.35.2.2互感器電路輸出的信號(hào)是峰值在10V左右的雙極性交流信號(hào)，而所采用的A/D轉(zhuǎn)換要求其輸入為0～5V的單極性信號(hào)，因此還需要如圖5-4所示的偏置電路圖5-4偏置電路原理圖上圖中的偏置電路主要器件是運(yùn)放，其主要的功能是將雙極性交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性信號(hào)，以便A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣。如圖所示，兩個(gè)運(yùn)放中下面一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器，輸出2.5V電壓；上面一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成同向放大電路，其輸出作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。根據(jù)輸入雙極性信號(hào)電壓峰值大小的不同，可以調(diào)整R1和R2的電阻值，使輸入A/D轉(zhuǎn)換模塊的電壓變?yōu)閱螛O性電壓0～+5V。5.3A/D轉(zhuǎn)換電路5.3.1A/D轉(zhuǎn)換部分采用ADS8364作為采樣芯片。ADS8364是一種高速、低功耗、十六位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要應(yīng)用于電機(jī)控制和多軸定位系統(tǒng)等方面。其共模抑制在50kHz時(shí)為80dB，因此，特別適用于噪聲比較大的環(huán)境。ADS8364采用+5V工作電壓，并帶有80db共模抑制的全差分輸入通道以及六個(gè)4μs連續(xù)近似的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、六個(gè)差分采樣放大器。另外，在和引腳內(nèi)部還有+2.5V參考電壓以及高速并行接口。ADS8364的六個(gè)模擬輸入分為三組（A,B,C）么個(gè)輸入端都有一個(gè)保持信號(hào)用來(lái)保證及格通道能同時(shí)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。ADS8364的差分輸入可在-VREF到+VREF之間變化。5.3.2本A/D轉(zhuǎn)換電路采用的是單端輸入方式。ADS8364的參考電壓是其自身的參考電壓輸出VREF，-IN端輸入的是共模電壓CV,也就是其自身的參考電壓VREF。當(dāng)REFIN和REFOUT直接相連時(shí)，ADS8364的參考輸出VREF為+2.5V，此時(shí)根據(jù)單端輸入峰-峰值的計(jì)算公式CV+VREF和CV-VREF,可得A/D輸入電壓范圍為0V～+5V，滿足了A/D的輸入要求。ADS8364與F2812、CPLD的接口電路如圖5-5所示，從圖中可以看出，ADS8364的A2、A1、A0與F2812的低三位地址線A2、A1、A0相連，片選信號(hào)ADCS由CPLD對(duì)DSP地址線A[12..9]譯碼產(chǎn)生，則A/D內(nèi)部六個(gè)通道(CHA0、CHA1、CHB0、CHB1、CHC0、CHC1)寄存器的地址分別為0x003C00、0x003C01、0x003C02、0x003C03、0x003C04、0x003C05。ADD引腳接地選擇直接地址讀方式，即依次讀出六個(gè)寄存器的值，BYTE引腳接地選擇一次讀出十六位。HOLDA、HOLDB、HOLDC信號(hào)同時(shí)連接到F2812的T2PWM,由F2812中的通用定時(shí)器T2產(chǎn)生定時(shí)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)六個(gè)通道轉(zhuǎn)換。A/D的時(shí)鐘信號(hào)CLK與F2812的T1PWM相連，由EVA事件管理器的T1PWM來(lái)提供給A/D時(shí)鐘信號(hào)，本系統(tǒng)將提供5MHz的時(shí)鐘信號(hào)。轉(zhuǎn)換完成信號(hào)EOC直接接F2812的外部中斷引腳INT1,當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后引起F2812的外部中斷INT1觸發(fā)，依次讀取六個(gè)寄存器中的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。圖5-5A/D轉(zhuǎn)換電路圖另外，ADS8364的模擬輸入端必須接偏置電路，以將-10V～+10V的雙極性電壓轉(zhuǎn)換為0～+5V的單極性電壓，因?yàn)锳DS8364有六個(gè)模擬輸入通道，因此必須接六個(gè)相同的偏置電路,偏置電路如圖5-6所示。圖5-6A/D輸入偏置電路圖5.4CPLD邏輯控制電路在DSP應(yīng)用系統(tǒng)中，DSP對(duì)外圍器件的數(shù)字接口電路可以使用小規(guī)模的數(shù)字器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，普通邏輯器件性能差，CPLD等可編程邏輯器件具有集成度高，可現(xiàn)場(chǎng)編程，擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，很好的滿足了DSP對(duì)外接數(shù)字接口電路的要求。5.4.1選型及電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)選用的CPLD是Altera公司的EPM240T100。EPM240T100是最新的MAXⅡ系列中的一員，擁有240個(gè)邏輯單元(LE)以及更快的運(yùn)行速度。EPM240T100有80個(gè)可配置I/O。I/O端口電壓可以設(shè)置為3.3V，2.5V和1.8V；外部下載與調(diào)試電纜采用ByteBlasterⅡ。CPLD的接口電路圖如圖5-7。CPLD在系統(tǒng)中起邏輯控制作用，分別與DSP、A/D模塊、USB模塊、以太網(wǎng)模塊、RS485模塊、LCD模塊、按鍵模塊以及蜂鳴器接口。在圖5-7中，CS1、RD、WR、INT2、D[7..0]和A[12..9]信號(hào)為CPLD與DSP的接口信號(hào)；其中CS1是F2812的外部擴(kuò)展存儲(chǔ)空間的片選信號(hào)，當(dāng)CS1有效時(shí)，外部擴(kuò)展存儲(chǔ)空間：0x002000～0x005FFF被選中，即可以被讀寫(xiě)；INT2信號(hào)接F2812的外部中斷INT2,用于擴(kuò)展兩個(gè)外部中斷：8019INT（以太網(wǎng)中斷）和USBINT(USB中斷)，即這兩個(gè)中斷共用同一個(gè)F2812的外部中斷INT2；KEY[8..1]信號(hào)接8個(gè)按鍵輸入；8019INT和USBINT信號(hào)分別接以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS的中斷請(qǐng)求端INT0和USB控制芯片SL811HS的中斷請(qǐng)求端INTRQ；8019CS和8019RST信號(hào)為RTL8019AS芯片的片選信號(hào)和復(fù)位信號(hào)，接RTL8019AS芯片的AEN腳和RST腳；USBCS信號(hào)為USB芯片的片選信號(hào)，接USB芯片的CS腳；485OE信號(hào)為RS485芯片的發(fā)送/接收選擇信號(hào)，同時(shí)接RS485芯片的RE和DE端；Speaker信號(hào)為蜂鳴器開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制蜂鳴器的通斷。圖5-7CPLD接口電路圖將上面所設(shè)計(jì)完成的原理圖經(jīng)編譯下載到CPLD中后，就可實(shí)現(xiàn)譯碼控制邏輯，即可以對(duì)A[12..9]進(jìn)行譯碼來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同外圍電路的讀寫(xiě)操作。CPLD內(nèi)部寄存器和各外圍電路寄存器的地址應(yīng)如此確定：首先整個(gè)CPLD的片選信號(hào)為CS1，即可以確定CPLD中所有寄存器和外圍電路寄存器的地址范圍為：0x002000～0x005FFF，然后由A[12..9]來(lái)決定CPLD內(nèi)部寄存器和各外圍電路片選信號(hào)的地址，對(duì)于外圍電路寄存器的地址還得由外圍電路的片選信號(hào)和低位地址線決定。例如，A/D轉(zhuǎn)換模塊中六個(gè)通道的地址就可由A/D電路的片選信號(hào)ADCS和低位地址線(A2、A1、A0)決定,其中片選信號(hào)ADCS由A[12..9]譯碼決定，當(dāng)A[12..9]=1110時(shí)ADCS有效，低位地址線(A2、A1、A0)可以選擇六個(gè)通道地址；因此，由于CPLD中所有寄存器和外圍電路寄存器的地址范圍為：0x002000～0x005FFF，當(dāng)A13=0時(shí)六個(gè)通道的地址必然不在此地址范圍，故A13只能為1；而此時(shí)A[12..9]=1110，A[2..0]=000～101分別對(duì)應(yīng)六個(gè)通道寄存器CH_A0、CH_A1、CH_B0、CH_B1、CH_C0、CH_C1；A[8..3]屬于無(wú)關(guān)地址，可以任意選擇，在此A[8..3]全取為0；綜上：A13=1,A[12..9]=1110,A[8..3]=000000,A[2..0]=000～101,由此可確定A/D模塊中六個(gè)通道寄存器CH_A0、CH_A1、CH_B0、CH_B1、CH_C0、CH_C1的地址分別為0x003C00、0x003C01、0x003C02、0x003C03、0x003C04、0x003C05。同理，可確定其他CPLD內(nèi)部寄存器和各外圍電路寄存器的地址。5.5外擴(kuò)存儲(chǔ)電路TMS320F2812片上自帶128K×16位的FLASH和18K×16位的SRAM,但由于系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量大，故需要外擴(kuò)FLASH和SRAM。本系統(tǒng)外擴(kuò)的RAM芯片為IS61LV25616,大小為256K×16位，因其映射于Zone6空間，故其地址范圍為0x100000～0x13FFFF或者0x140000～0x17FFFF。IS61LV25616采用3.3V供電電壓，訪問(wèn)速度有10ns、12ns可選擇。當(dāng)TMS320F2812運(yùn)行在150MHz時(shí)，地址和數(shù)據(jù)最小有效時(shí)間為3個(gè)時(shí)鐘周期，即20ns,所以該存儲(chǔ)器接口不需要考慮時(shí)序設(shè)計(jì)問(wèn)題。外擴(kuò)的FLASH芯片為SST39VF800,大小為512K×16位,因其映射于Zone2空間，故其地址范圍為0x080000～0x0FFFFF,SST39VF800同樣采用3.3V供電。其接口電路如圖5-8所示。5-8外擴(kuò)存儲(chǔ)電路圖5.6電源模塊電路電源是整個(gè)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，大多數(shù)不穩(wěn)定的因素或故障都是由于電源方面的設(shè)計(jì)造成的，因此必須加以重視。整個(gè)電路需要用到5V、3.3V、1.8V的電源，因此必須采用電源轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換得到首先介紹12V-5V電路。國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的LM2596系列芯片可以分別提供3.3V、5V、12V的固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出，在此我們選用了LM2596-5.0。LM2596-5.0的電氣特性為當(dāng)輸入電壓為7V～40V時(shí)輸出電壓為5V,負(fù)載電流為0.2A～3A，特別地，當(dāng)輸入為12V時(shí)負(fù)載電流為3A,此時(shí)效率最高，可達(dá)80%。因此，應(yīng)盡量使用12V的直流電壓作為L(zhǎng)M2596的輸入。另外，在LM2596的輸入端之前還加了橋式整流電路和電容濾波電路，因此POWER端既可以輸入直流電壓也可以輸入交流電壓。具體電路連接如圖5-9所示。5-9電源模塊電路圖（一）對(duì)于3.3V和1.8V電壓，可用前面得到的5V直流電壓轉(zhuǎn)換得到。在此，選用CM1117S將5V轉(zhuǎn)換為3.3V,選用CM1117D將5V轉(zhuǎn)換為1.8V。CM1117D輸出電壓為1.8V時(shí)輸入電壓為3.2V～7V,輸出電流為10mA～1A；具體電路連接如圖5-10所示。圖5-10電源模塊電路圖（二）5.7鍵盤(pán)及液晶顯示電路圖5-11鍵盤(pán)液晶顯示電路圖5.7.1液晶顯示LCD(LiquidCrystalDisplay)，是利用液晶材料在電場(chǎng)作用下發(fā)生位置變化，而遮蔽、通透光線的性能制作成為一種重要平板顯示器件。通常使用的LCD器件有TN型(TwistNematic，扭曲向列型液晶)、STN型(SuperTN，超扭曲向列型液晶)和TFT型(ThinFilmTransistor，薄膜晶體管型液晶)我們選用了一款內(nèi)嵌SED-1335控制器、320×240點(diǎn)陣的LCD屏來(lái)實(shí)時(shí)顯示電能質(zhì)量參數(shù)，這款LCD具有高分辨率、接口方便(5V或3.3V)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便(內(nèi)嵌控制器)、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。5.7.2鍵盤(pán)操作主要工作是進(jìn)行顯示頁(yè)面的選擇和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，根據(jù)系統(tǒng)的需要，鍵盤(pán)設(shè)計(jì)采用了6個(gè)鍵，分別是復(fù)位鍵、返回鍵、上移鍵、下移鍵、確定鍵和取消鍵，另兩個(gè)鍵可作為擴(kuò)展功能時(shí)使用。如圖5-12所示，我們將8個(gè)按鍵輸入連接到CPLD，通過(guò)CPLD內(nèi)部設(shè)置的按鍵寄存器KeyReg來(lái)保存8個(gè)按鍵的狀態(tài)，這樣，DSP通過(guò)循環(huán)讀取KeyReg就可判斷是否有按鍵被按下，并根據(jù)按鍵的不同去執(zhí)行不同的任務(wù)。5.8串口通信電路單片機(jī)與上位機(jī)之間的串口通信可以通過(guò)RS-232C、RS-422A和RS-485接口相連。RS-232C是廣泛應(yīng)用的串口通信標(biāo)準(zhǔn)，但因其推出較早，在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信中已暴露出數(shù)據(jù)傳輸速度慢、傳輸距離短、接口處各信號(hào)間容易產(chǎn)生干擾等明顯的缺點(diǎn)。RS-485標(biāo)準(zhǔn)是一種以平衡方式傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，其最大傳輸速率可達(dá)10Mbit/s,最大傳輸距離為1.2km,能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通訊，RS-485允許平衡電纜上連接32個(gè)發(fā)送器/接收器，允許雙絞線上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)32個(gè)負(fù)載設(shè)備，負(fù)載設(shè)備可以是被動(dòng)發(fā)送器、接收器或收發(fā)器等TMS320F2812中配置了兩個(gè)通用串口，分別為SCIA和SCIB,因此，可以分別使用RS-232C和RS-485通信。RS-232C采用的是負(fù)邏輯，而F2812的I/O電平是TTL電平，因此在用RS-232C進(jìn)行串行通信時(shí)需要接電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)使用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)RS-232C電平和TTL電平的轉(zhuǎn)換，因?yàn)樾酒捎?.3V供電，故可與F2812直接相連，具體的電路連接如圖5-12所示。圖5-12MAX3232串口電路圖RS-485采用半雙工、差分傳輸方式，即同一時(shí)刻只能處于發(fā)送或者接收而不能同時(shí)發(fā)送和接收，高、低電平用兩個(gè)差分信號(hào)端之間的差值極性來(lái)表示。本系統(tǒng)選用的MAX3485芯片采用3.3V供電，可與F2812直接相連，可實(shí)現(xiàn)TTL電平與485電平的轉(zhuǎn)換。DE和RE端為發(fā)送和接收使能端，RE為邏輯0時(shí)處于接收狀態(tài)，DE為邏輯1時(shí)處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX3485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用一個(gè)管腳485OE控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端分別