1、摘 要I本科毕业论文（20 届）多功能电力谐波分析仪设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要随着我国工业化进程的迅猛发展，使我国电网装机容量不断加大，电网中电力电子元件的使用也越来越多，致使大量的谐波电流注入电网，造成正弦波畸变， 电能质量下降，不但对电力系统的一些重要设备产生重大影响，对广大用户也产生了严重危害。目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低被列为电力系统的三大公害。因此为了提高电能质量，首先必须能准确、完整的对电力参数进行检测和分析。电力系统谐波检测问题是电能质量研究领域的前沿技术和热门研究课题。目前国内外对谐波检测理论做了大量
2、的研究，在实际应用中主要采用检测效果较好、而运算时间相对于 DFT 缩短了几个数量级，且应用比较成熟的 FFT 谐波检测理论。本系统应用了 TMS320LF2407A 为核心的 DSP 芯片，通过实现对三相电网3 路电压、3 路电流等基本参数的实时测量，达到谐波分析的功能。该系统能够自动采集电网的实时电压、电流等数据，采用交流采样技术，实现多种电力参数的在线实时测量；通过基于 DSP 芯片的 FFT 算法进行数据处理；并通过液晶屏显示出谐波等特征值。整个系统分析结果可以实时显示，或通过串口协议传送至上位机监控系统，便于数据的进一步分析、统计和存储，便于整个电网系统的统一调配。通过检测结果表明整
3、个系统检测精度符合国家谐波检测标准，具有一定的理论意义和实用价值。关键词： FFT 算法，谐波检测， DSP 芯片AbstractIIIAbstractWith the rapid development of the countrys industrialization process, the grid installed capacity continued to increase, more and more the use of power electronics components in the grid, resulting in a large number of harmo
4、nic currents injected into the grid, resulting in a sine wave distortion, power quality decline, not only for electricity some of the important equipment of the system have a significant impact, and also had a serious harm to the user. Harmonics and electromagnetic interference, power factor to redu
5、ce the power system is listed as three nuisance. In order to improve power quality, first of all must be accurate and complete power parameters were detected and analyzed. The problem of power system harmonic detection is the field of power quality, cutting-edge technology and popular research topic
6、. At home and abroad have done a lot of harmonic detection theory in practical applications used mainly detected better computing time compared to the DFT shortened by several orders of magnitude, and the more mature FFT harmonic detection theory.System applications TMS320LF2407A as the core of the
7、DSP chip, real-time measurement of the basic parameters of the three-phase grid voltage, current, power, etc., have the function of harmonic analysis. The system can automatically collect real-time voltage, current data grid, the use of AC sampling technology to achieve the online real-time measurem
8、ent of a variety of electrical parameters; through the FFT algorithm based on DSP chips for data processing; LCD screen shows the harmonic characteristics value. The whole system analysis results can be displayed in real time, or through the serial port protocol to send the first bit machine monitor
9、ing system, to facilitate further data analysis, statistics and storage, to facilitate the unified deployment of the entire grid system. The test results showed that the detection accuracy of the entire system to meet the national standards for harmonic detection, with a certain theoretical signific
10、ance and practical value.Keywords：Harmonic analysis, FFT, Digital Detection signal processing 目 录 IV目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 电力系统谐波的危害性 .11.2 电力系统谐波的标准和性质 .21.2.1 电力系统谐波的标准定义 .21.2.2 电力系统谐波的基本特性和测量 .21.3 谐波测量方法发展 .31.4 国内外研究概况 .4第二章 系统的整体设计方案 .52.1 基于快速傅里叶变换的谐波检测算法 .52.2 系统设计思路及设计框图
11、 .72.2.1 系统设计思路 .72.2.2 系统总体框图 .82.3 DSP 芯片选择 .92.4 DSP 编程 .12第三章 系统硬件设计 .163.1 谐波分析仪技术参数指标 .163.2 CT/PT 传感器 .163.3 滤波电路 .173.4 电源电路设计 .173.5 AD 采样电路 .183.6 键盘、液晶显示电路 .193.7 串行通信接口电路 .203.8 复位电路 .203.9 时钟电路 .21目 录 V第四章 系统软件设计 .234.1 软件开发环境 .234.2 数据采集模块 .234.3 数据处理模块 .234.3.1 数据存储 .234.3.2 FFT 的实现 .
12、254.4 时钟模块 .274.5 按键显示模块 .274.6 数据通信模块 .29结 论 .33参考文献 .34致 谢 .36附录一 .37附录二 程序 .38第一章 绪 论- 1 -第一章 绪 论1.1 电力系统谐波的危害性在现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。而随着我国电网装机容量不断的增大和电力电子器件的大量介入，电力谐波的危害越来越大。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面： 1.电压和电流谐波在电力系统内部的主要影响是：（1）因串并联谐振
13、造成谐波水平放大的可能； (2)使发电，输电和用电的电能效率降低；（3）电气设备绝缘老化，从而缩短他们的使用寿命；（4）引起系统或设备误动作。2.谐波对旋转电机的影响：谐波电压或电流可以使电机的损耗增加；谐波造成感应电机的扰动会导致电动机“堵塞” 。3谐波对静止电力设备的影响：一种是附加功率损耗，一种是谐波电流在电路阻抗上产生的电压降。4谐波对测量仪器的影响：谐波电流造成的误差与仪表类型有关，可能产生正误差，也可能产生负误差。5.谐波对电力系统保护的干扰：谐波能使保护继电器的动作特性畸变或降级。电流谐波畸变也可能影响断路器和熔丝的开断能力6.谐波对用户设备的影响：其对电视接收机，荧光灯和汞弧灯
14、，计算机，电力电子设备等都能产生不同影响。7.谐波对通信的干扰：它可以降低传输质量并干扰信号。严重情况下可能使通信线路完全不能用 1。在缺乏十分精巧的谐波控制器的情况下，一般凭借谐波对电力系统元件或电力系统以外的人员或设备的影响检测到波形发生畸变。有些影响是可以立刻明显的感觉的到的，因此能在问题已发生就加以抑制，不会造成过多干扰。另第一章 绪 论- 2 -一些影响可能会造成严重的损坏。1.2 电力系统谐波的标准和性质1.2.1 电力系统谐波的标准定义国际的谐波定义为：电源所产生的频率（或基波频率）整数倍频率的正弦电压和电流 2。国际电工委员会(IEC555-2 ，1982) 、CIGRE 的文
15、献中包含谐波的明确含义：谐波分量为周期量的傅里叶级数中1 的 n 次分量。对谐波次数 n 的定义则为：以谐波频率和基波频率之比表达的整数。IEEE 中 519-1981 的标准定义为：谐波为一周期量或波的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。1.2.2 电力系统谐波的基本特性和测量理论上看，非线性负荷是配电网谐波的主要产生因素。非线性负荷吸收电流和外加端电压为非线性关系，这类负荷的电流不是正弦波，且引起电压波形畸变。周期性的畸变波形经过傅立叶级数分解后，那些大于基频的分量被称作谐波。 非线性负荷除了产生基频整次谐波外，还可能产生低于基频的次谐波，或高于基波的非整数倍谐波。电力系统中出现系统短路
16、、开路等事故，而导致系统进入暂态过程引起的谐波，将不归属谐波治理的范畴。要治理谐波改善供电品质，需要了解谐波类型。谐波按其性质和波动的快慢可分成四类：准稳态谐波、波动谐波、快速变化的谐波和间谐波四类。因其多样性和随机性，在实际工作中，要精确评估谐波量值非常困难，所以在 IEC6100-4-7 标准中对前三类谐波进行了规定，推荐采用数理统计的方法对谐波进行测量。兼顾数理统计和数据压缩的需要，标准对测量时段以及通过测量值计算谐波值提出了建议。国标 GB/T14549-1993 采用观察期 3s 有效测量的各次谐波均方根值的 95%概率作为评价谐波治理的标准。为简便实用，将实测值按由大到小的方式排序
17、，在舍去前 5%个大值后剩余的最大值，近似作为 95%的概率值。实际工作中，通常采用谐波测试仪来监测和分析谐波 3。一般来说，将用户接入公用电网的公共连接点作为谐波监测点，测量该点第一章 绪 论- 3 -的电压和注入公共电网的电流后，通过对电压和电流的分析，取得谐波测量资料。1.3 谐波测量方法发展当今一直把谐波当成是电网的一大公害，人们已经开始慢慢重视电力系统谐波的研究，与之同时谐波测量和检测理论也有了较大的发展。产生了频域理论和时域理论，开始形成多种多样的检测方法。主要的检测方法有以下几种：(1)模拟滤波器。其原理和电路结构简单，造价低，能滤除一些固有频率的谐波。但这种检测方法有其自身的缺
18、点：误差大，实时性差，电网频率变化时尤其明显：对电路元件参数十分敏感，参数变化时检测效果明显变差，获得理想的幅频和相频特性很困难。(2)基于 Fryze 传统功率定义的谐波检测法。它的缺点是：因为 Fryze 功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要求得瞬时有功电流需要进行一个周期的积分，再加其他运算电路，要有几个周期延时。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电流“ 实际是几个周期前的电流值。(3)基于瞬时无功功率理论的谐波检测法。但是该方法在用于不对称系统时会忽略零序分量，导致瞬时无功的平均分量不等于三相的平均无功。因此，它只适用于三相电压正弦对称时的三相电路谐波和基波无功电流的检测。(4)基于
19、傅立叶变换的谐波检测法。它根据采集到的 1 个周期的电流值或电压值进行计算，得到该电流所包含的谐波次数以及各次谐波的幅值和相位系数，将拟抵消的谐波分量通过傅里叶变换器得出所需的误差信号，再将该误差进行Fourier 反变换，即可得补偿信号。其优点是，精度较高，功能较多，使用方便。但是它的计算量较大导致计算时间长，因此实时性比较差。且在某些时候会产生栅栏效应和频谱泄漏效应。(5)基于神经网络的谐波检测法。用人工神经网络实现谐波与无功电流检测不仅对周期性变化的电流具有很好的跟踪性能而且对各种非周期变化的电流也能进行快速跟踪，对高频随机干扰有良好的识别能力。但是神经网络用于工程实际还有很多问题，如：
20、没有规范的 NN 构造方法，需要大量的训练样本，如第一章 绪 论- 4 -何确定需要的样本数没有规范方法，NN 的精度对样本有很大的依赖性， 等等。(6)基于小波分析的谐波检测法。它可以较准确地求出基波电流，进而求得谐波。但是它的窗口能量不集中，容易出现频率混迭现象 4。1.4 国内外研究概况虽然电能质量问题的研究已逐渐成为当今社会的热点，但是相对国外而言，国内对电力谐波检测装置的开发研制比较落后，大多数厂家采用的是单片机结构，在功能、实用化等方面还不够理想。还存在许多问题：1处理功能较差、可扩展存储空间较小、运算速度较慢、难以运用精确严格的算法进行大量的实时数据处理、不满足电力监测高实时性的
21、要求；2电力系统中最常用微处理器包括 51 系列和 96 系列等控制型器件，但随着电力系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高，这些器件在计算能力方面已不能很好地适应电力系统的要求，致使电力系统的高精度测量，实时监控和先进算法的运用受到了限制；3有的产品虽然直接引进了国外的技术模块，功能较强，可是价格较高，且不完全适合我国市场：4有的产品无通讯和控制输出功能，不满足电力系统网络化、自动化的发展方向；5人机交互性不好 5。而可编程 DSP 微处理器能快速完成数字信号的处理。DSP 芯片可以在一个周期完成一次加法和一次乘法，同时提供一套适合数字信号处理的指令集是因为它一般都具有程序和数据分开的哈佛
22、结构，流水线操作功能等。DSP 系统有数字信号处理的全部优点：一接口集成方便。二.稳定性好，精度高。三.编程方便。四.可重复性好。因此数字系统可以更好的调试，测试，和大规模生产。第二章 系统的整体设计方案- 5 -第二章 系统的整体设计方案2.1 基于快速傅里叶变换的谐波检测算法谐波分析的最主要实现的问题是得到所给信号中各次谐波的幅度。本次设计中我们所用到的谐波分析方法是快速傅里叶变换算法。以下是其实现方法：快速傅立叶变换 快速傅立叶变换 FFT 是离散傅立叶变换 DFT 经过适当安排后的快速算法，用以满足工程技术及科学研究上的需要。利用复指数函数的周期性和对称性，充分利用中间运算结果，使计算
23、工作量大大减少。快速傅立叶算法又分为时间抽取（DIT）FFT 和频率抽取（DIF）FFT 两类。 快速傅立叶变换的时域分析法，是将一长时间序列 分解成比较短的时间序列，子时间序列还可以再继续分解成更小的子时间序列，递推下去直到最后得到一个最简单的子时间序列，即一个数为止；然后利用傅立叶变换计算公式对最后得到的最简单的子时间序列进行傅立叶变换，再将各子时间序列的傅立叶变换结果按一定规则进行组合，最后便得到原时间序列的傅立叶变换结果。为满足分解和组合的需要，时间序列的长度必须满足 ( 为正整数)的关系。如LN2果不满足这个条件，可以人为地加入若干个零值点，使达到这一要求。这种 n 为 2 的整数幂的 FFT 称为基 -2 FFT。 设x(n)为 点有限常数列其离散傅里叶变换为:LNk=0,1,.N-1 (2-1)10)()(NnnkWxkX将 的序列x(n),先按 n 的奇偶分为两个序列L2x(2r)= )(1r,x(2r+1)= 2x则 DFT 化为
