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应急灯 8-Bit Flash 单片机
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3秒自动关闭窗口单片机控制的电池管理实现了成功的互联网
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单片机控制的电池管理实现了成功的互联网
　　微控制器将在观光噪比(IoT)取向设计大多数因特网主控制元件和这些将有可能被电池供电。电源效率将是实现可接受的电池寿命至关重要因此将需要管理的电池使用更精确地比以往任何时候。许多具有特殊的功能，帮助管理电池电量和使用这些功能优化可能使输赢在市场之间的差异。本文引用地址：　　本文将很快回顾一些实现高效电池的MCU产品设计，并说明所需的关键功能，例如使用的设备，这些功能如何提高工作效率和电池寿命。软件工具，帮助估计电池寿命将用于展示如何在您详细的设计实施估计寿命。这极大地有助于设备选择并且是一个关键的技术用于创建电源效率的设计。　　管理电源域　　电池的MCU实现时想我们最初可能，前提是有一个单一的MCU电源域，流失的电池，我们的目标是管理这个电源域打造最节能的微控制器实现成为可能。很快我们就会发现这种假设通常是假的，但是，即使是简单的MCU通常具有片上多电源域。事实证明，有多个电源域可以是一个很大的优势，当电源效率是最重要的，以我们的设计。具有多个域可以让我们更有效地管理和控制电源到MCU的是基于我们需要执行为特定实现的功能所需的部分。让我们来看一个具体的MCU，看多电源域怎么可能是有利的一个典型的电池供电的设计。　　所述STM32F0x1系列MCU(例如，STM32F051K8U6)是STM32&MCU系列入门级装置，并且因此是可在基于电池的应用中经常使用的装置的一个很好的例子。下面的图1显示了为STM32F0x1&/&X2设备的各种电源域。的VDDA域权力模拟导向块中的装置，并包括用于在A&/&D转换器，D&/&A转换器，温度传感器，复位发生器和时钟的PLL功能。该VDDIO2电源域可在STM32F04x&/&7X&/&9x的设备，并提供了一个独立的I&/&O电源轨时，不同的I&/&O标准需要得到支持(该电源电压范围为1.65?3.6&V，以支付各种I&/&O标准)。主VDD功率域提供功率，以大量的装置。这包括在非STM32F04x&/&7X&/&9X设备的I&/&O环，待机电路和唤醒逻辑通常总是在，它也通过权力1.8&V数字核心(处理器，内存和数字外设)一个片上稳压器。　　意法半导体STM32F0x1&/&X2电源图片　　图1：STM32F0x1&/&X2电源显示电池备份域。&(意法半导体提供)　　最终的电源域，从外部VBAT引脚源，提供电源备份域。备份功能包括一个低能量的32&kHz晶振时钟振荡器，备份寄存器保持其值，即使电源中断，给设备的其他部分(方便保存重要的数据，系统复位和电源之间波动)，而真正的-time时钟(RTC)的块。一个低电压检测器可以自动切换到在VBAT输入时在VDD信号低于设定的阈值，以简化电池备份实现。　　这些独立电源域可以很容易地控制和管理传送到MCU根据由应用程序所需的动作时的功率。例如，如果设备正在等待的RTC信号它的时刻开始的模拟&-&数字，大部分装置可以掉电只用电池备份域操作。该RTC超时可以切换的I&/&O信号，提醒外部电源管理器件，然后可以打开额外的电源域。这可以是一个非常功率高效的技术，但需要一个外部功率和电池管理装置。　　在一些应用中STM32F0x1&/&X2器件将通过将装置的各个部分进入低功率模式，管理的时钟频率和测量电压源管理电池和电源，以在其自己的密钥块，以检测何时低电压电平可能会影响操作。在这些应用程序的多个片上电压域和低功耗工作模式都是关键要求。现在让我们看看在低功耗模式，更详细地了解他们与多个芯片的电源域是如何工作的进一步提高电池的实现方案的电源效率。　　为了帮助工程师设计开发意法半导体提供的STM32F0系列的产品培训模块概述。　　低功耗MCU运行模式延长电源效率　　几乎所有的MCU现在提供各种各样的减少通过限制工作频率和/或重点区块的可操作性操作电源的低功耗工作模式。这些模式有各种各样的名字，但它们的功能往往是非常相似的。飞思卡尔MCU&MCF51QE系列的低功耗工作模式，你应该寻找时，电源效率是您的应用程序的关键类型的一个很好的例子。甲状态转移图和简单的功率调节表示于图2来说明这些模式如何可以用来提高功率效率。该运行模式不限制经营和监管工作在全开状态。在其它模式中的各种块进行操作使用较低的功率通过关闭电源键元件或通过降低工作频率。例如，在等待模式中的CPU关闭以节省电力，但外设在它们的全时钟速率操作。这节省了功率时不需要CPU的运行，但定时器或通信外围设备必须继续工作。通常，这些外设可以通过中断刚睡醒的CPU当CPU是必需的。到关闭CPU的能力可以节省一个显著量运行功率的由于CPU，操作时，采用多数所述MCU功率预算。每个低功率模式的更详细的说明在下面的部分中提供。　　飞思卡尔MCF51QE128低功耗模式的图像　　&&
　　图2：飞思卡尔MCF51QE128低功耗模式。&(飞思卡尔提供)　　运行模式&-&CPU时钟可以全速运行，内部供应是充分的监管。　　LPrun模式&-&CPU和外设时钟被限制为250&kHz的CPU时钟和125&kHz的总线时钟最大的内部供应处于软监管。　　等待模式&-&CPU关闭以节省电能;外设时钟正常运行，内部稳压器正常工作。　　LPwait模式&-&CPU关闭以节省电能;外设时钟是在低速(125&kHz的最大值)和内部稳压器在宽松的监管模式下运行运行。　　停止模式&-&系统(CPU和外设)时钟停止。　　STOP4&-&所有的内部电路供电(全调节模式)和内部时钟源仍处于最高频率最快的恢复。　　停止3&-&所有的内部电路松散的监管和时钟源的最低值(125&kHz的最大值)，提供用电和恢复速度之间的良好平衡。　　停止2&-&内部电路的部分电源关闭;&RAM内容被保留。在低功耗模式，此设备。需要复位从停止2模式恢复。　　在运行，等待和停止模式普遍存在于现代MCU和非常功耗节能设计提供了依据。尤其是，应用程序，只定期使用主CPU&-&也许只进行平均大量传感器读数或管理接收到的数据缓冲器，当缓冲器接近充满&-&可以通过关闭CPU和让智能节省功率的戏剧性量外围设备处理尽可能多的算法成为可能。等待和停止之间的区别通常体现在响应时间，因为它通常需要更长的时间来块从低功耗状态通电(即减少一个典型的停止模式下，静态电流)，而不是删除一个时钟门控信号一个块(即只减少动态电流在典型等待模式)。　　可以在MCF51QE128的LPrun和LPwait模式提供了另一种技术，通过运行在CPU和/或外围设备，以降低功耗低得多的频率比正常。当操作不容易被周期性地执行，而且必须连续运行，而不必在高速运行时非常有用。例如，通信数据包可能以高速在正常运行模式中接收，但LPrun可以用来处理数据。这是特别有用的，如果处理时间是依赖于数据的，并且不能经由周期性定时器中断很容易地进行管理。一旦数据被处理时，LPwait状态可以进入等待，直到下一数据分组需要被接收。　　结合使用不同的电源域和低功耗模式允许多种有效实现。寻找各种时钟频率，低功耗模式和状态转换的最佳组合可以是一个艰巨的运动，通常需要事先对具体实施工作要做，或者你可能会发现使用已选定的设备并影响项目进度不能满足你的操作要求显著。理想情况下，你会希望能够模拟各种运行功率水平，估计电池寿命为目标的应用程序。幸运的是(或者也许是因为他们明白这一点的难度)的MCU厂商都创造了一些评估工具，我们可以用它来解决这个难题。　　软件工具帮助评估电力需求和电池寿命　　其中一个使用的工具越容易从Microchip&XLP电池寿命估算(BLE)1。这个免费下载的工具，与任何XLP工程估算功耗在整个应用程序。它也可以被用于获取的功耗为您的XLP&MCU设计内键例程详细估计。下面的图3显示了BLE的图形用户界面(GUI)。您只需选择您的设备，你的电压和温度，然后你的目标电池(步骤1至3的GUI)。然后，您可以指定关键业务应用程序，定义工作频率，该函数使用模式下，时间的功能被激活和各种模块(如ADC，UART，定时器等)功能时有效。&(在下面的例子中有一个在运行模式在16兆赫，两种休眠模式功能并在1&MHz的运行模式功能的功能)的软件自动确定在每个功能所使用的电流，然后报告所估计的电池寿命该设计。在这个例子中，电池的寿命估计在不到200天。一个完整的文本文件，报告可以生成保存程序设置和结果。一个例子示于图3的底部。　　将Microchip&XLP电池寿命估算程序映像　　图3：Microchip的XLP电池寿命估算程序&-&GUI和报告。&(Microchip的提供)　　使用的电池寿命估算程序可以很容易地找出关键程序和您的应用程序使用最多的功率。这使您可以调整设计，同时尝试不同的设备，以找到合适的实现。这样做之前，详细的编码和电路板设计可以节省你浪费显著努力探索的选项，将无法实现，你需要一个成功的设计的电源效率。　　一旦你有信心，你的选择，你可以再取使用评估套件，如Microchip的PIC24F评估和演示工具包的下一个步骤。通常，这些套件包括了丰富的示例代码，参考设计和丰富的文档，可以很容易编写你的关键程序和测量实际的功率水平，你会在全面实施得到。　　新的低功耗技术的高效电池的实现方案　　MCU厂商也在推动技术信封不断创造从头开始新的低功耗功能。德州仪器创造低功耗面向MCU的使用新的非易失性存储器的铁电RAM或FRAM，它结合了速度，灵活性一个家庭，和SRAM的耐力与闪光灯的稳定性和可靠性，都在较低的总功率消耗。&FRAM存储器具有超低功耗和快速(每字125纳秒)写道。&FRAM可以用作程序，数据，或存储到简化应用开发。&FRAM的超低功耗，非易失性使其成为电池供电的MCU应用需要，如数据汇总和传感器预处理显著存储访问和计算能力的绝佳选择。　　该MSP430FR微控制器系列还具有关键的低功耗模式，智能外设，以及先进的处理能力。图4中的框图显示所有关键MCU功能的MSP430FR5731&/&5/9的设备可用。还检查了TI产品培训模块，涵盖了TI&MSP430FR&MCU系列的特性，并展示了如何在FRAM技术为各种应用显著的低功耗优势。　　德州仪器MSP430FR5731&/&5/9框图图片　　图4：德州仪器MSP430FR5731&/&5/9框图。&(德州仪器提供)　　结论　　很多物联网应用程序将使用电池供电的MCU实现和电源效率将是成功的产品是至关重要的。选择合适的MCU为您实现更容易，当你使用一个功率估计工具来选择合适的设备为您的目标应用程序。
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基于PIC单片机的电能质量检测仪
安徽理工大学 硕士学位论文 基于PIC单片机的电能质量检测仪 姓名：张雅洁 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：金林
摘要摘要随着科学技术和因民经济的快速发展，各种工业生产对电力系统电能质量的 要求越来越高。然而，现代电力电子设备和非线性负载的大量使用又造成电能污 染日趋严重，电能质量成为电力部门及其用户日益关注的问题。因此对电能质量 进行检测与分析具有重要的意义。本文对电力参数测量意义和基本情况以及目前 市场上测试仪器的研究现状、存在问题以及发展趋势做了深入研究，在查阅国内 外电力参数检测技术的有关文献资料的基础上，通过分析、比较，提出了基于ＰＩＣ 单片机的电能质量检测仪的总体设计方案。 本文的基本内容主要包括电能质量的五个指标的基本概念，国内外关于电能 质量的标准，电能质量指标的检测方法，电能质量的分析方法，硬件系统的设计、 制作与调试，具体的软件编程工作。 本设计采用以ＰＩＣｌ８Ｆ４５９为核心，其它芯片为辅的数模电路。在软件设计上 着力遵循模块化设计原则。针对系统中较难实现的算法程序作了较为详细地说明。 并提出了硬件与软件方面的抗干扰措施。 论文最后对系统进行了调试与分析，结合开发板与实验室开发装置，在 ＭＡＰＬＡＢ调试工具和硬件仿真器的共同作用下，对系统进行了部分功能的测试。 经测试证明，达到了预计精度（＜ｏ．５０）。图【２９】表【３】参【５０】 关键词：ＰＩＣ单片机；电能质量检测；ＦＦＴ；谐波分析分类号：ＴＰ２１６安徽理工大学硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｎａｔｉｏｎａｌ ｅｃｏｎｏｍｙ，ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｈｉｇｈｅｒ ｐｏｗｅｒｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｄｅｍａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｑｕａｌｉｔｙ，ｍｏｒｅｏｖｅｒ，埘ｍｔｈｅ ｗｉｄｅｌｙｍｏｄｅｍｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙ ｉｓ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｃｌｏｓｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｉｓ ｐａｉｄｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｔｏｐｏｗｅｒｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙ ｂｙ ｂｏｔｈａｎｄｃｏｎｓｕｍｅｒｓ．Ｓｏ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｉｓ ｖｅｒｙｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ．Ｉｎｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ａｎｄｑｕｅｓｔｉｏｎｔｈｅｂａｓｉｃｓｉｔｕａｔｉｏｎａｓｗｅｌｌａｓｐｒｅｓｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｍａｒｋｅｔ ｈａｓ ｂｅｅｎｔｈｏｒｏｕｇｈ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｖｅｒａｌｌ ｄｅｓｉｇｎＴｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｈａｓｐｌａｎｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｍａｓｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｃｏｎｔｅｎｔｃｈｅｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｆｉｖｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ，ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｏｆｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ，ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄｓ ｄｅｓｉｇｎｏｆｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｎｄｅｘ，ｄｅｓｉｇｎ，ｍａｋｉｎｇ ａｎｄＩｎｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ，ａｎｄ ａｄｏｐｔｓｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ． ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔａｋｉｎｇｔｈｅａｒｔｉｃｌｅ，ａｕｔｈｏｒａｓｔｈｅｄｉｇｉｔａｌ－ａｎａｌｏｇｅｌｅｃｔｒｉｃＰＩＣ １ ８Ｆ４５８ｔｈｅ ｃｏｒｅ，ｏｔｈｅｒ ｃｈｉｐｓ ｆｏｒ ａｕｘｉｌｉａｒｙ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｔｈｅｔｏｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｍｏｒｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ 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电力用户提供由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品（它同样具有产品 的若干特征，可被测量、预估、保证或改善）【¨。如今，电能作为走进市场的商品， 与其它商品一样，无疑也应讲究质量。现代社会中，电能是日前人类社会使用最 广泛的能源，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，电能质量问题已越来越受到重视，这是经济和技术发展的必然 结果，电能质量的高低，已成为影响国民经济发展的重要因素。ｌ。ｌ电能质量问题的提出随着用电需求增加和电力系统规模扩大，非线性、冲击性、不平衡性的负荷 日益增多，所导致的各种电能质量问题也越来越严重，造成电网供电质量降低， 运行状况恶化。电能质量引发的纠纷和电网事故呈上升趋势，电能质量的检测管 理和电力污染的治理工作变得越来越重要。电能质量问题已引起各国电力工作者 的高度重视豫１。 在理想的电力系统中，电能是以单一恒定的频率（５０Ｈｚ或６０Ｈｚ）和规定的电 压水平向用户供电。电能质量的优劣主要用频率和电压来衡量，在实际的电力系 统中，由于负荷的变化以及负荷的不同性质等其他原因，电力系统的频率和电压 不仅不能保持恒定不变，而且还会出现暂态过程。因此电能质量问题可以说是交 流输配电系统与生俱来的。随着科学技术的进步，特别是电力电子技术的发展， 电网中冲击性、非线性负载不断增加，使得电网出现谐波污染、电压波动、闪变、 功率因数降低、三相不平衡等问题。这些问题严重影响了电力系统的安全、稳定 运行。同时，人类社会已经进入以计算机技术为基础的信息型社会，高速计算机、 网络通信设备、数字存储器等电子设备在人们的生活、生产中得到了广泛的应用， 这些精密设备对电能的供应提出了更高的要求。 电能质量问题的研究始于上世纪２０年代，当时德国提出了静态整流器产生的 电压波形畸变问题，从此揭开了电能质量问题研究的序曲。５０－６０年代期间，高压 直流输电技术迅速发展，有关换流器谐波问题的研究成为一个研究热点，各国对 谐波问题给予重视，定期召开国际性的学术讨论会，许多国家都指定了对电力系 统谐波和用电设备谐波的国家标准或电力部门的规定。自１９８０年以来，我国的许 多科研单位、高等院校也开始对谐波问题进行了研究可测试工作，并取得了～定进展［３－４１。安徽理工大学硕＋学位论文１．２电能质量的定义电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用 电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时，在三相交流系统 中各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称１２０。。但由于系统中的发电机、 变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之测控手段不完善及运 行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，因此产生了电 网运行、电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。ＩＥＥＥ标准化协调委员会已经正式采用“ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ＂（电能质量）这一术语，并且给出了相应的技术定义：合格电能质量的概念是指，给敏感设备提供的 电力和设置的接地关系是均适合该设备正常工作的（在许多情况下，接地系统对 电能质量有很大的影响）。除此之外，在这一研究领域的许多文献和报告中还采 用了一些并未得到公认的术语和补充定义。如电压质量、电流质量、供电质量、 用电质量等。实际上，供电系统只能够控制电压的高低，不能控制某一负载汲取 电流的大小。因而，大多数情况是在讨论电压的质量问题。当然，系统在实际运 行时，电压与电流之间总是存在着不可分割的紧密联系，尽管发电机提供了几乎 纯正弦的电压，但通过系统阻抗的电流可能造成对共同连接点电压的扰动而使之 变化。通过以上分析和讨论，我们认为电能质量问题的研究是由电力用户的生产需求推动的。用户的衡量标准应占有优先的位置【ｓｌ。基于同样的看法和认识，有专家 主张采用如下的电能质量定义：表现为电压、电流或频率的偏差，造成用户设备 故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问题。１．３电能质量的改善及控制方法电能质量问题主要分为电流质量问题和电压质量问题，一般可从电量的幅值、频率、波形和三相电压（流）的不平衡度等几个方面来衡量。其中电流质量问题 指非线性或不对称负荷给系统带来的电流畸变和不平衡等，其危害主要是对系统 产生谐波污染、威胁设备的使用寿命、造成系统的网损增加、继电保护和自动装 置的误动作等，并随着非线性负荷在各行各业的大量投入使用，呈分散性、不易测定性。电压质量问题是指影响用户设备正常运行的非正常系统电压，其中因系统无 功功率不平衡引起的长期低电压或高电压，由非线性、不平衡冲击性负荷引起的电压不平衡、脉动、谐波等稳态电压质量稳态已较为熟悉。而因系统测干扰引起２１绪论的动态电压升高、脉冲、电压跌落和瞬时中断等动态电压质量问题则是近些年来 随着社会信息化的ｆｆ益深入而逐渐暴露出来的另一类电能质量问题。其中电压跌 落是威胁许多自动化程度很高用电设备正常、安全工作的主要干扰。产生这些动 态电能质量问题的二ｆ二扰主要来自自然界、系统元件的故障和系统内部的倒闸操作 等。由于该问题一般伴随于异常的系统状态，发生的随机性强，对该类问题的特 征还不非常熟悉，因此各国仍未能统一界定这些电能质量问题。由于电压跌落和 瞬时供电中断伴随着部分甚至全部供电有功的损失，所以传统的无功补偿方法不能有效的改善这类电能质量问题。只有储能单元的补偿装置才是保证电能质量的 有效措施。 电力滤波器是用来改善电力系统电流质量问题的有效工具，传统的ＬＣ滤波器是利用调谐频率下其阻抗小于系统阻抗的原理来吸收负荷产生的谐波电流，以达 到抑制谐波电流流入系统的目的。但是ＬＣ的滤波效果受系统阻抗的影响，而系统 阻抗又不易测得，且随系统运行方式的变化而改变，因而容易引起系统发生串、 并联谐振，造成谐波的放大，威胁元件的绝缘。另外，为了消除多种频率成分的 谐波，需安装ＬＣ滤波器网络，所以其经济性将不再显著：当系统处于轻载时，大 量的ＬＣ滤波器还将产生大量过剩的无功功率，造成系统网络损增加。 有源滤波器ＡＰＦ（ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ）不但没有上述ＬＣ滤波器的缺陷，而且同时还具有抑制闪变、补偿无功等多种功能。串联有源滤波器主要补偿由非线性 负荷产生的谐波电压和电压的不对称性，并联型有源电力滤波器则对节点电流进 行补偿，消除谐波并补偿无功和负序，调节直流侧电容电压。其中并联有源滤波 器的作用原理是利用电力电子控制器，代替系统电源向负荷提供所需的谐波电流，从而保证系统只需向负荷提供正弦的基波电流，是改善电能质量问题最有效的并 联补偿装置之一，也是ＡＰＦ最常用的结构形式。 动态电压恢复器ＤＲＶ（ｄｙｎａｍｉｃｖｏｌｔａｇｅｒｅｓｔｏｒｅｒ）是解决电压跌落等动态电压质量问题的有效工具。该装置的核心部分是一个同步电压源变流器。当线路侧电 压发生突变时，ＤＲＶ将通过对直流侧电源的逆变产生相应的三相交流电压，通过变压器与原电网电压相串联，以补偿故障电压和正常电压之差，从而保证对电压敏感的电器设备的正常运行，是抑制或消除瞬时电压中断和跌落等干扰影响电压 敏感负荷正常运行的有效补偿设备。这类装置直流侧采用的都是蓄电池，所以其可以持续工作的时间取决于蓄电池的储能，而不能用于长时间的维持负荷电压， 典型的时间为１５０ｍｓ。动态电压恢复器的基本结构是将一个由三相变流器串联接入电网与欲补偿的负荷之间。我们可通过控制补偿器输出电压的幅值和相位来调节３安徽理：［大学硕十学位论文负荷的端电压。ＤＶＲ是有效抑制瞬时电压跌落或中断等电能质量问题、提高对敏 感负荷供电质量的有效工具。 电能质量调节器有两个主要部件组成：电流变换器和储能装置。换流装置采 用脉宽调制技术，用于电力机车调速装置的电流变换器。电流变换器可与各种储 能装置相连，构成完整的电能质量调节器。作为储能装置，可以是化学电池，飞 轮甚至是超导磁场蓄能。无论是何种蓄能装置都必须与电能质量调节器的直流电 容器相并联。按在实际系统中的连接方式，用于配电系统的电能质量调节器可以 分为如下三种： 并联电能质量调节器：这类装置与系统或负荷并联，用于调节由负荷流入网 络的电流，控制负荷产生的高次谐波、不对称、闪变等电流质量问题对于系统的 影响。其目的在于改善整个系统的电能质量，成为面向系统的补偿装置。 串联电能质量调节器：这类装置起了将系统与负荷隔离的作用，即用于调节 系统提供给负荷的电压质量，防止电压波动、不对称、谐波等电压质量问题对系 统的影响，改善负荷侧电压降低的情况，可看作是面向负荷的补偿装置。 串并联电能质量调节器：将上述两种补偿方式相结合的串并联混合式电能质 量调节器，具有统一补偿的效果，如配电系统电能质量统一的控制器（Ｄｓ．Ｕｎｉｏｎ）。 用于在同一地点需要实现上述两种调节功能的场合。此外串并联电能质量调节器 还可以抑制电压振荡。１．４电能质量检测的研究现状据美国电力科学研究院（ＥＰ砒）有关专家估计，当前电能质量的相关问题在 美国造成的损失可达数百亿美元。电网电能质量污染的危害和影响主要涉及三个 方面：电力系统本身、电力用户和相关行业（如通信）等。 电能质量污染的治理离不开电能质量的检测，准确完整地对电能质量进行检 测是成功解决该矛盾的必要条件之一，也是进行电能质量管理的必要手段之一。 在过去几十年里，电力系统的检测一直被用来作为准确确定故障的类型、解决故 障的Ｊ下确方法，并且检查保护装置是否能正确动作。因此实际上，这种检测仅仅 为了测量一些数据，并根据这些数据进行故障类型的分析，把这些数据汇总在报 告中，以供决策者、管理者和权利部门的使用。 ‘系统监控的另一种目的就是用于研究电网的理论模型精度以及适用性，根据 实测的数据和理论计算的数据进行对比，来验证模型的可用性，测量的时间长度 也随着测量的目的而有所不同，对于故障和电网参数的检测，一般半天或一天的４１绪论测量就足够了，对于要分析电力系统设计对故障造成的后果，则需要几个月的测量时间。电能质量检测仪器已由当初单一的为了解决问题的目标发展到今天一种多目 的和用途的检测仪器。这些目的和用途包括：１）确保接入电网设备符合合同或国 家入网标准。２）决定防范措施。３）为电能供应者和消费者的争端提供裁决的技 术依据。４）为电网设计决策者提供技术数据。 国外电能质量的研究起步较早，对电能质量各指标算法都做了比较详尽的研 究，同时也研制众多相应测试仪器，如美国福禄克公司（Ｆｌｕｋｅ）推出的Ｆ４３，Ｆ４３ 可测量电压和电流的波形、计算谐波，捕捉电压瞬变和骤升骤降及浪涌电流的显 示。无论从技术上和市场上电能质量监控装置都发生很大变化，原先它使用的对 象主要针对服务工程师，所用的技术也就是简单的电压测量和纸带记录技术【６ｌ。随 着这种用途和目标的改变，电能检测设备已经融合许多领域的高科技，如网络技 术、通信技术、数字信号处理技术、数据挖掘技术等，特别是在大规模集成电路 快速发展的推动下，各种专用数字信号处理器和高速采样芯片的出现，使用高性 能的电能质量检测仪就能够及时检测和反映电网的电能质量水平，并能找出电网 中影响电能质量的原因，从而采取相应的措施，这对电网的安全、经济运行是有 积极意义的，同时对电力市场的全面推进也具有深远意义。１．５本研制完成的主要研究内容本论文通过对目前考核电能质量的五项主要指标：电压偏差、频率偏差、谐 波含量、电压波动和闪变、三项电压不平衡度的基本特征的分析，结合我国和ＩＥＣ 标准对电能质量的要求，寻求一种切实可行、计算精确、实用性强的计算方法， 同时研制一套电能质量检测装置。该装置的前台功能可以实现对电压、电流量的 实时采集，后台软件系统通过利用选用的计算方法对采样进行分析，从而实时得 到电压、电流、频率及电压波动值，并通过ＬＣＤ显示相关数值、三相电压电流实 时波形及电压电流向量图。Ｓ安徽理丁大学硕士学位论文２电能质量的指标及数学分析方法２。１电能质量指标理想的三相交流供电系统的三相交流电压是平衡的，其幅值和频率都是恒量。 电压和电流的波形为正弦无畸变波形。电能质量通常用电网的实际状况与理想系 统的差距来衡量。主要有五个指标：电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压波动 和闪变、三相电压不平衡度。２．１．１电压偏差电压偏差是指电力系统各处的电压偏离其额定值的百分比，当用电设备端子 上出现电压偏差时，其运行参数和寿命将受到影响，影响程度视偏差的大小、持 续的时间和设备状况而异，电压偏差计算公式如下：电压偏差（％）＝（实际电压一额定电压）／额定电压＊１００％（２．１）目前，ＧＢｌ２３２５―１９９０《供电电压允许偏差》中规定：电压偏差是在正常运行 条件下应保持电网各点电压在额定的水平上。其中：３５ｋｖ及以上供电电压和对电 压质量有特殊要求的用户为＋５％－－－－５％；１０ｋｖ及以下高压供电和低电压用户为额定电压的＋７‰一７％：低压照明用户为额定电压的＋５‰一１０％为了保证用电设备的正常运行，在综合考虑了设备制造和电网建设的经济合理性后，对各类用户设 备规定了如上允许偏差值，此值为工业企业供配电系统设计提供了依据１７１。２．１．２频率偏差我国的电力系统额定频率为５０Ｈｚ，频率偏差是指电力系统频率的实际值和额 定值之差，用下式表示：△ｆ＿ｆ＿厶（２－２）式中△ｆ为频率偏差，ｆ为系统的实际频率，￡为系统的额定频率，即５０Ｈｚ。 频率偏差对电力系统极其设备的影响，取决于偏离值的大小和偏移持续时间。概 括地说正负０．５Ｈｚ之内主要是经济问题，即引起设备的效率降低。偏离值超过了正 负０．５Ｈｚ不仅使设备效率降低，还有可能危及设备的安全，轻则引起不可逆的累积 性损伤，重则立即损坏设备，导致系统瓦解甚至崩溃嘲。６２电能质量的指标及数学分析方法２．１．３电网谐波含量谐波即对周期性的变流量进行傅立叶级数分解得到频率大于ｌ的整数倍基波 频率的分量【９１。电网谐波产生的根本原因是由于系统中某些设备和负荷的非线性特 性，即所加的电压与电流不成线性关系而造成的波形畸变。波形畸变后，会产生 高次谐波。这是因为对一个周期性非正弦量（如电压、电流、磁通等）进行傅立 叶级数分解，即可得到一个同频率的和很多整数倍频率的正弦波之和，即基波和 各次谐波。对谐波的测量一般包括：各次谐波分量幅值和相位，各次谐波含有率（ＨＲ）、总谐波畸变率（Ｔ皿）、谐波功率（Ｐｈ）。为了定量表示电力系统正弦波形的畸变程度，采用以各次谐波含量及谐波总 量大小表示的下列波形畸变指标：（１）谐波含有率（陬）：ｈ次谐波分量的有效值（或幅值）与基波分量的有效值（或幅值）之比。第ｈ次谐波电压含有率舰％＝兽ｘ１００％，Ｉ（２―３）第ｈ次谐波电压含有率ＨＲＩｈ＝等×１００％』ｌ（２－４）（２）总谐波畸变（Ｔ皿）：谐波总量的有效值与基波分量的有效值之比。谐波电压总量为％＝√ｕ；＋叫＋…＋…瞬＋…＝、／∑诉谐波电流总量为‘＝√Ｊ；＋霹＋…＋…露＋…＝、／∑露ｒ电压总谐波畸变率豫哦＝挚×１００％＝、／∑（揪％）２ ｘ１００％ＶＩ Ｙｈ＝２一厅－ 一厅■一ｒ厅■――一Ｙｈ＝２（２?５）（２―６）（２―７）电流总谐波畸变率豫哆＝等×１００％＝、／∑（捌氓）２一ｉＩｒ厅■――一 ｘ１００％（２―８）从理论上将，谐波测量通常是利用谐波分析的方法求出信号的各次谐波（电压或电流）的幅值和相角，然后由相应公式可以方便的求出总谐波畸变率（Ｔ皿）、谐波功率（Ｐｈ）［ｚＯｌ。 电网谐波的增加，将导致电器设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振 的可能性增加，同时可能引起继电保护和自动装置的误动，仪器指示和电度计量 不准以及通信受干扰等一系列问题。由于谐波引起的损耗以及电气设备绝缘寿命７安徽理Ｊ：大学硕士学位论文的缩短所造成的等值损失量也很可观。如果电网中谐波严重超标或发生谐波谐振， 则损耗将人大增加。提高电能质量，防止谐波的危害，限制电力系统的谐波，就 是要把Ｊ：列指标限制到国家标准规定的允许范围之内。２．１．４电压波动和闪变电压波动是指一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化【１１】。电压波动 值为电压均方根值的两个极值Ｕ一和Ｕ曲之差△Ｕ，通常以其额定电压ＵＮ的百分 数表示其艉Ｉ对百分值，即：ＡＶ＝ＡＵ／ＵＮ?１００％（２．９）电压的快速变动是指供电电压在两个相邻的，持续一定时间的电压均方根值Ｕｌ和 Ｕ２之间的差值，称为电压变动。通常以额定电压的百分数来表示电压的相对百分 值。即：ＡＶ＝（Ｕｌ―Ｕ２）／ＵＮ?１００％（２－１０）在不超过３０ｍｓ的期间内，同方向的二次或二次以上的电压均方根值的变动， 只算作一次变动。也就是说，同方向小于３０ｍｓ的快速变化不计入电压变动。在单 位时间内电压变动的次数称为电压变动的频度。一般以１／ｍｉｎ或１虺为单位。 供电系统中电压的波动和闪变多是由用户的波动性负荷引起的，波动性负荷 可分为周期性波动负荷和非周期性波动负荷两类。周期性或近似周期性的波动负 荷对闪变的影响更为严重。波动性负荷在系统阻抗上将引起电压降上的波动。当 负荷波动时，系统功率和系统阻抗越大，则导致的电压波动越大，这取决于供电 系统的容量，供电电压，用户负荷大小，类型，电动机起动频度和功率等。２．１．５三相不平衡度电力系统的三相不平衡是由于三相负载不平衡以及系统元件参数的不对称所 致。当三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电压中除了含有谐波 分量外，还含有正序，负序，零序分量。对于三相三线制电路，没有零序分量， 所以，三相电量的不平衡度通常以负序分量与正序分量的有效值的百分比值来表示：￡＿０２／Ｕ１?１００％（２―１１）式中：Ｕｌ为三相电压正序分量的有效值； Ｕ２为三相电压负序分量的有效值。８２电能质最的指标及数学分析方法三相电压的不平衡主要是因为分配在三相上的负荷不平衡所致。系统三相阻 抗不对称，消弧线圈补偿电网不平衡，电动机车等大容量非对称负荷的接入也会造成三相电压的不平衡。 国际中对三相不平衡的规定如下：电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为２％，短时不得超过４％，电 气设备额定工况的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定１１２】。２．２电能质量数学分析方法电能质量问题主要的分析方法可分为时域、频域和基于数学变换的分析方法 三种。频域分析方法主要用于电能质量中的谐波问题的分析：包括频谱分布、谐 波潮流计算等。基于数学变换的分析方法主要指傅立叶变换方法、短时傅立叶变 换方法、矢量变换方法以及近年出现的小波变换方法和人工神经网络分析方法等。 傅立叶变换作为经典的信号分析方法具有正交、完备等许多优点，如快速傅立叶变换（ＦＦＴ）这样的快速算法。短时傅立叶变换方法（ＳＴＩ叮）将信号不平稳过程看成是一系列短时平稳过程的集合，从而将傅立叶变换用于不平稳信号的分析。 小波变换具有时域和频域局部化的特点，克服了傅立叶变换和短时傅立叶变换方法的缺点，特别适用于突变信号和不平稳信号的分析，因而已在电能质量扰动识 别中得到广泛的应用ｎ３ｌ。２．２．１时域仿真方法时域仿真法在电能质量分析中的应用最为广泛，其主要的用途是利用各种时 域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象进行研究。目前较通用的时域仿真 程序为ＥＭＴＰ、ＥＭＴＤＣ等系统暂态仿真程序和ＳＰＩＣＥ、ＰＳＰＩＣＥ、ＳＡＢＥＲ等电力 电子仿真程序两大类。由于电力系统主要由Ｒ、Ｌ、Ｃ等元件组成，这些程序在求 解用微分方程描述的电力元件方程时，通常采用简单易行的变阶、变步长、隐式 梯形积分法。采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大频 率范围，应此必须事先知道暂态过程的频率范围。此外，在模仿开关的开合过程 时，还会引起数值振荡。因此，要采用相应技术以抑制发生数值振荡。 利用暂态仿真程序可在如下电能质量领域开展研究： （１）计算系统中出现的过电压，分析其对各种保护设备的影响； （２）分析电容器投切造成的暂态现象；（３）分析可控换流器换流造成的电压波形下陷； （４）分析电弧炉造成的电压闪变：９安徽理工大学硕士学位论文（５）分析不正常接地引起的电能质量问题； （６）开发改善电能质量的新型电力电子控制器。 由于ＥＭＴＰ等系统暂态仿真程序的不断发展，其功能日益强大，还可利用它 们进行电力设备、元件的建模和电力系统的谐波分析。２．２．２频域仿真方法在上述三种分析方法中，频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析， 包括频率扫描、谐波潮流计算等。 １．频率分析 在谐波分析中，线性网络可用式（２．１２）表示。Ｌｍ２ＹｍＵｍ ｒｅ＝ｌ，２，……ｈ（２―１２）式中Ｙｍ为节点导纳矩阵：Ｉｍ为注入电流源矢量；Ｕｍ为节点电压矢量；ｍ 为谐波次数。其中，对应每个谐波的频率Ｙｍ都要单独生成。通过向所需研究的 节点注入幅值为１的电流，其余节点的注入电流置为零，求解式（２．１２）所得的电压 即为该节点的谐波输入阻抗和相应各节点间的转移阻抗。当注入电流的频率在一定范围内变动时，可得相应谐波阻抗一频率的分布图，从图中曲线的谷值和峰值可确定该节点发生串并联谐振的频率。 ２．常规谐波潮流的计算 利用频域分析法还可进行谐波潮流计算，从而分析谐波在系统中的分布情况。 对应每个谐波频率，从各非线性负载电流中取出相应的分量组成注入电流矢量， 代入式（２．１２）展ｐ可求出各节点电压的相应频率分量，将这些频率分量合成，又可得 各节点电压的时域波形。这种方法简单，适用于大多数情况，因此在实际谐波潮 流计算中应用教多。 但在某些情况下，上述分线性负载模型的误差较大。因此，又提出了一种改 进方法，即将非线性负载电流表示为如式（２．１３）所示的负载节点电压和负载控制变 量的函数。Ｉｍ＝Ｆ（ＵＩ，Ｕ２，．．．呱Ｃ１．．．Ｃｋ）ｍ＝ｌ，２，．．．ｈ（２―１３）式中１１，１２…Ｉｋ为非线性负载电流各次谐波分量，Ｕｌ，ｕ２…Ｕｋ为负载节点电压 各次谐波分量，Ｃ１．．．Ｃｋ为负载控制变量。利用牛顿法联立求解式（２．１２）（２．１３）即可 得到各节点谐波电压。 ３．混合谐波潮流的计算２电能质量的指标及数学分析方法由于用以上方法表示的非线性负载仍不能反映其动态特性，因此近年来又提出一种更精确的方法一混合谐波潮流计算法。网络仍用式（２．１２）所示的模型，非线性负载则用微分方程描述。求解时，先设定电压初值，利用ＥＭＴＰ等时域仿真 程序对非线性负载进行仿真计算，直至稳态，可得各非线性负载新的各次谐波电 流分量，形成各次谐波电流矢量，代入网络方程求解，又可得各次谐波节点电压 矢量，反复如上过程，直至网络方程收敛，并且所有非线性负载都处于稳态。这 种方法的优点是可详细考虑非线性负载控制系统的作用，因此可精确描述其动态 特性，缺点是计算量大，求解过程复杂。２．２．３基于变换的方法基于变换的方法主要是指傅立叶变换方法，短时傅立叶变换方法，小波变换 方法以及近年来出现的神经网络方法Ｉ坞１。２．２．３．１傅立叶变换法在电能质量分析领域，常常利用离散傅立叶（ＤＦＴ）和快速傅立叶变换（ＦＦＴ）对 非正弦周期信号的时间连续信号用采样装置进行等间隔采样，并把采样值依次转 化成数字序列，然后借助计算机进行辅助计算。作为经典的信号分析方法，傅立 叶变换具有正交、完备等许多特点，而且有像ＦＦＴ这样的快速算法。 傅立叶分析作为传统数学信号处理的基础，经过多年的发展，现在无论从理 论上还是实现上都已很完备。目前电能质量检测中各种实用的算法基本上都是傅 立叶分析方法的应用或改进。 一个物理过程既可以在时域内，通过物理量ｈ作为时间ｔ的函数ｈ（ｔ）来描述； 也可以在频域内，通过将振幅Ｈ（通常是一个包含相位的复数）作为频率ｆ的函数 Ｈ（ｆ）来描述，其中．鼢≮ｆ妯∞，根据傅立叶变换可实现这两个表达之间的相互转变：Ｈ（垆ｈ（ｔ）ｅ－ｊ２万ｆｄｔ（２．１４）ｈ（ｔ）＝ｒ日（他丑万ｆｄｆ离散傅立叶变换（ＤＦＴ）定义为：（２．１５）通常实际处理的是通过采用得到的离散时间信号ｈＣｎ）（ｎ＝０，ｌ，．．．Ｎ一１），其相应的Ｈ（ｋ）＝寺∑ｈ（ｎ）ｅ。‘２窟棚ｈ』Ｖ＾＝ｏｋ＝Ｏ，１，…Ｎ―ｌ（２―１６）１ｌ安徽理丁大学硕士学位论文１９６５年Ｃｏｏｌｅｙ和Ｔｕｋｅｙ提出的快速傅立叶（ＦＦＴ）使傅立叶分析方法真正的在 工程实践中得以广泛应用。 然而在离散傅立叶变换是建立在以下基本假设之上： （１）被测信号是平稳的； ｉ２）采样频率等于基波频率与采样点数的乘积； （３）采样频率大于被测信号上限频率的二倍； （４）被测信号中的各个频率分量都是基波的整数倍。 只有上述假设均满足时，ＤＦＴ（ＦＦＴ）所得到的结果才是正确的【１４１。 正是由于ＤＦＴ（ＦＦＴ）是以上面的假设为前提，使得它在实际应用中存在以下三 点不足：即混叠现象、泄漏效应和栅栏效应。混叠现象可以通过增加采样频率来 改善，然而在非周期采样或白噪声存在的情况下，即使采样频率大于上限频率的 二倍“假混叠＂仍会发生。泄漏效应是指一个频率的能量扩散到其他频率处去了， 它是由于对信号非周期截断造成的。如果分析信号中包含非整次谐波会产生栅栏 效应。 其次，在电力系统中，电网的频率是慢变的而数据采集系统的采样频率通常 是固定的，即使采用同步手段也无法实现跟踪频率变化，因此实现波形的整周期 采样是比较困难的，若进行处理的数据长度不为信号的整周期将会产生频谱泄漏， 分析表明信号频率的微小波动将会引起很大的测量误差。 再次，某些电力电子设备（如交流调功器）在运行过程中会造成大量的非整次谐 波，但是离散傅立叶变换对频谱的分辨能力限制为采样频率的证书倍，所以无法 检测出非整次谐波，而且由于非整次谐波的存在，还会在整数次谐波的频谱中引入误差。另外，傅立叶分析是建立在信号平稳的假设基础上，傅立叶变换所得到的频 谱是信号在时间轴上统计平均的结果，具有统计意义，不具备时间局部性，且整 个频域范围内分辨率相同，理论上可达无穷大；但时域无任何分辨率，即时域信 息完全丧失年，因此不适合暂态信号的分析。 为克服ＤＦＴ（ＦＦＴ）的不足，后人提出了许多改进措施和新方法。如内插 ＦＦＴ（ＩＦＦＴ）算法，它的基本思想是利用ＦＦＴ所得的离散谱，对两根相邻的谱线进行 内插，获得所求谐波的频率、幅值和相位，从而大大减小了主谱线泄漏误差。还 有Ｈａｒｔｌｅｙ变换，实际上是傅立叶变换的一种变形，与傅立叶变换不同的是其展开 基不是复数形式而是实数，Ｈａｒｔｌｅｙ变换的计算速度是ＦＦＴ算法的６￣８倍。２电能质量的指标及数学分析方法总之，傅立叶变换是平稳、周期信号的理想分析工具，能够给出信号清晰的 物理解释，但是由于傅立叶变换使用的是一种全局的变换，无法表述信号的时频 局部性质，不具有时『ｌＩＪ分辨率，所以对于动态分析暂态、非平稳信号存在固有的缺陷［ｔｓｌ。２．２．３．２短时傅立叶变换法 短时傅立叶变换（ＳＴＦＴ）是一种局域化的时一频分析方法。这种方法的基本思想是：把信号划分成许多小的时间间隔，用傅立叶变换分析每一个时间间隔，以 便确定该时间间隔存在的频率。它把非平稳信号看成是一系列短时平稳信号的叠 加，而短时性则通过时域上加窗来获得。虽然傅立叶变换在一定程度上克服了标 准傅立叶变换不具有局部分析能力的缺陷，但其自身也存在这很大的不足，即当 窗口函数确定后，只能改变窗口在相平面上的位置，而不能改变窗口的形状。可 以说短时傅立叶变换实际上是具有单一分辨率的分析，若要改变分辨率，则必须 重新选择窗函数。因此，这类变换用来分析平稳信号尚可，但对于非平稳信号， 在信号波形变化剧烈的时段内（主要是高频），要求有较高的时间分辨率，而波形变 换比较平稳的时段内（主要是低频）则要求有较高的频域分辨率。而短时傅立叶变换 不能兼顾两者。由于ＳｒｒＩ叮的时频窗口是固定不变的，所以这种方法含有多个频域 分量和暂态过程不连续的信号并不是最合适的，人们难以从其频谱图中看出信号 的时变特性。 针对这一问题，Ｇ．Ｔ．Ｈｅｙｄｔ等人提出了宽度可调节的滑动窗口，其基本思想是： 先用宽窗对监测数据进行快速浏览，监测到扰动后，再用窄窗对扰动进行聚焦， 从而进行细节分析。２．２．３．３小波变换法小波变换（ＷＴ：ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）是由Ｍｏｆｌｅｔ于１９８０年在进行地震数据分 析工作时创造的，作为一种新型的理论是数学发展史上的重要成果，无论是对数 学还是对工程应用都产生了深远的影响，小波分析已经广泛应用于纯粹数学、应 用数学、信号处理、语音识别与合成、自动控制、图象处理与分析等领域。它来 自于傅立叶分析，其存在性的证明依赖于傅立叶分析，因此它不能代替傅立叶分 析，但它所具有的优良特性（如方向识别选择性、可变的时频域分辨率等）是其 它分析方法无法比拟的。这些良好的分析特性使得小波变换已成为信号处理的一 种强有力的新工具ｕ６１。安徽理工犬学硕士学位论文小波就是最短最简单的振动。小波分析方法是一种窗口大小固定但其形状可 改变的时频局部化分析方法。它在低频部分有较高的频率分辨率和较低的时间分 辨率，而在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。正是这种特征， 使小波变换具有对信号的自适应性。小波变换是一种多尺度分析，对时间序列过 程从粗到细加以分析，既显示过程变换的全貌，又剖析局部变化特征。 小波变换被誉为“数学显微镜＂，具有放大、缩小和平移等功能，通过检查 不同放大倍数下的变化来研究信号的动态特性。 首先，小波变换在时域和频域同时具有良好的局部化特性，在检测高频信息 时时窗变窄，主频变高：对于分析低频信息时时窗变宽，主频变低。这充分体现 了自适应分辨分析的思想。 其次，小波变换是按频带而不是按频点的方式处理频域信息，因此信号频率 微小波动和包含非整次谐波的情况下，不会对处理产生很大影响。 再次，小波包技术突破了Ｈｅｉｓｅｎｂｅｒｇ测不准原理的限制，实现了频域的任意 精度的划分，这无疑对谐波分析提供了强有力的处理工具。 最后，由小波变换的时间局部性可知，在信号的局部发生波动时，它不会像 傅立叶变换那样把影响扩散到整个频谱，而只改变当时一小段时问的频谱分布， 这在某种程度上体现了对噪声的鲁棒性［１７－ｔ９ｌ。 小波分析所具有的优良性同样吸引着电力系统的工程技术人员，目前国内外 有关小波变换在电力系统中的应用研究已广泛开展，通过应用小波变换优化原有 的原理及算法。在电能质量评估方面：１９９５年，Ａ．Ｗ．Ｇａｌｌ首先提出小波变换是评 估电能质量的有效方法。影响电能质量的暂态信号通常具有很宽的频谱，将其按 频域展开更能揭示故障的本质。１９９６年，Ｓ．Ｓａｎｔｏｓｏ在文献【２０】中利用二进离散正 交小波变换将各种电网故障信号（包括谐波畸变）按频带分解成平滑项和细节项， 并以细节项的小波系数为依据，对各种电网故障信号进行分析、定位、自动识别 分类，该文献将小波变换应用于电能质量的评估做了探索性的研究和有益的尝试。 电能质量检测装置记录了大量的电能质量扰动数据，要从中认为判断扰动类型和 扰动源是不切合实际的。文献【２１】【２２】将小波变换和人工神经网络（ＡＮＮ）相结合 的方法，自动进行波形识别并确定扰动类型。文献【２３】利用小波变换的多尺度分解 技术将畸变信号能量分解和表示到不同的频带上，通过不同干扰信号在各尺度能量分布与所谓准多尺度分解（ｓｔＯ．胁）的对比达到对干扰信号的分类识别的目的。从上述文献可以发现目前关于小波变换在电能质量方面的研究大多都致力于对信 号的小波变换特征进而达到信号辨识的目的。但仅利用单纯小波变换域的信号特１４２电能质量的指标及数学分析方法征检测分析电力系统信号的各种暂态现象是困难的。文献【２０】甚至建议建立电能质 量干扰的小波域的特征库（ｗａｖｅｌｅｔｄｏｍａｉｎ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ）以对每一种干扰进行分类。而利用ＡＮＮ进行小波变换域分类辨识的研究工作则试图 通过改进ＡＮＮ来提高辨识率。这些方法都无疑增加了研究工作的复杂性，并很难 保证得到理想的检测效果，极大地限制了小波变换在Ｉ乜能质量检测应用中的实用化进程。２．２．３．４神经网络方法随着人工神经网络理论的发展，它在电力系统中的应用日益深入，其内容涉 及到负荷预测、故障诊断、动态和静态安全评价，机组组合和优化调度以及谐波 检测和预测等诸多方面。近年来，将神经网络应用于谐波检测的国内外相关研究 文献迅速增加，并取得了一些工程应用成果，概括起来有两个方面：（１）提出了多 层前馈网络人工神经网络的电力系统谐波测量方法；（２）将Ａｄａｌｉｎｅ神经网络和自适 应与消噪声技术相结合进行谐波检测［２１－２２１。运用神经网络进行电力系统谐波检测 有如下优点： （１）神经网络谐波检测酸法的计算量小； （２）神经网络谐波检测算法的各次谐波检测精度不低于傅立叶算法和小波 算法，能取得令人满意的结果： （３）神经网络谐波检测算法对数据流长度的敏感性低于傅立叶算法和小波 算法； （４）神经网络谐波检测算法实时性好，可以同时检测任意整数次谐波； （５）抗干扰性好，在神经网络谐波检测中可以应用一些随机模型的信号处理 方法，对信号源中的非有效成分当作噪声处理，克服噪声等非有效成分的影响。但是，神经网络用于工程实际当中的电能质量测量分析，还有很多问题，最 主要是没有规范的神经网络构模方法，同时需要大量的训练样本，而且如何确定 需要的样本数没有规范方法，同时训练精度对样本有很大的依赖性，另外，神经 网络理论和小波方法一样，应用于谐波检测，在理论上可以提高谐波测量的实时 性和精度，但是要达到实际应用还需要完善。安徽理工大学硕十学位论文２．３电能参数的测量与计算２．３．１电压、电流、功率及功率因数的计算正弦波情况下，有功功率为Ｐ＝ＵＩｃｏｓｑ，，非Ｊ下弦波形情况下，电力电子器件和 其它非线性元件的应用，使电流、电压包含各种谐波，产生波形畸变，此时的有 功功率定义为汹ｌ肛三。ｆｕｎｄ，（２－１７）相电压的有效值骷历卜晒（２－１８）相电流的有效值（２―１９）对信号ｕ（ｔ）、ｉ（ｔ）进行离散化采样，得离散化序列｛ｕＩ【）、｛ｉｋ），则鹏牿荟％２△瓦（２－２０）Ｎ斤百丁―一ｌｌｋ――第ｍ个时间间隔采样瞬时值；△＆――相邻两次的采样间隔；一个周期内采样点数；Ｔ――时间周期若相邻两次采样的时问间隔相等，△又为时间常数△Ｔ，Ｎ＝面Ｔ，则有心鼯同理可得电流有效值公式：（２―２１）Ｐ晤Ｎ－Ｉ当Ｎ足够大时，功率可表示为：（２－２２）Ｐ２；静丘＆）＝丙１吉Ｎ－ｉ（‰＆）（２―２３）２电能质量的指标及数学分析方法Ｔ＝ｙ垃ＪＬ－一（２?２４）三相有功功率：视在功率： 功率因数：肛万１毛Ｎ－Ｉ（‰‘＋‰毛＋．ｔｉｃ）Ｓ＝ＵＡＩＡ＋ＵＢＩＢ。卜Ｕｃｌｃ Ｐ（２－２５） （２―２６） （２―２７）咖９＝ｉ以上计算公式都是根据各个量的定义获得，和电压、电流的频率无关，因此， 无论是否为标准５０Ｈｚ的正弦交流电还是叠加了高次谐波的非正弦周期信号，以上 公式均可得到准确结果，而无功功率的计算较为复杂，在正弦交流电路中：（２．２８）Ｑ＝厨２．３．２频率的测量通常频率的测量方法有五类：周期法、解析法、误差最小化原理类算法、ＤＦＴ （ＦＦＴ）类算法及其改进、正交去调制类算法。（１）周期法原始的周期法（或称零交法）通过测量信号波形相继过零点问的时间宽度来计算频率。该方法物理概念清晰，易于实现，但精度低，受谐波，噪 声和非周期分量的影响，实时性不好，因此，很少单一地应用原始周期算法。 （２）解析法 解析法测频的特点是：涉及复杂的数学推导，为简化分析和计算，只能采用简单的信号观测模型，难以考虑谐波，非周期分量和噪声影响：算法简 明，计算量不大，但难以适应非稳态频率的测量，精度总体不高。该方法可应用 于速度和精度要求不高且信号的非特征分量可以忽略的场合。 （３）误差最小化原理类算法 误差最小化原理类算法的最大优点是能较好地抑制具有白噪声动态的干扰信号，由于算法中有复杂的数学运算，它要借助于软 件编程实现，随着数字信号处理硬件的发展，该类算法逐渐从原来的离线分析应 用进入实时控制领域。较适合实时性和精度都有一定要求的场合。 （４）ＤＦＴ（ＦＦＴ）类算法及其改进ＤＦＴ（ＦＦＴ）类算法具有内在的不敏感于谐 波分量的特性，但对信号的周期延拓引入频率混叠，实际应用中需要精细设计前 置抗混叠滤波。但精度低，应用少。 （５）正交去调制类算法 一般需要精细的滤波技术，去调制技术与ＤＦＴ（ＦＦＴ）在本质上有异曲同工之处。去调制技术测频一般动态跟踪能力较好，且比较容易１７安徽理工大学硕士学位论文通过滤波去除高频噪声和谐波干扰，但不易对付工频附近的噪声， 固定频率去调 制若不附加补偿措施，则精度不高，测量范围狭窄１２４】。 本文实质采用基于简单信号观测模型的周期法测量频率信号， 纯恒幅正、余 弦信号的传统频率概率ｘ（ｆ）＝以ｓｉｎ（２砂＋功（２－２９）ｘ（ｆ）普遍取单一的相（线）电压或相电流 电压信号经低通滤波器滤除掉高次干扰成分后，送入到过零比较器得到与电 压信号频率相同的方波信号输出，经ＰＩＣｌ８Ｆ４５８捕获信号上升沿，利用系统时钟 计算出两个上升沿之问的时间从而计算出频率。１信号周期Ｔ＝一１，将信号周期Ｎ等份，就可得到信号的采样间隔，从而实现１采样频率对系统频率的跟踪。 该方法物理概念清晰、易于实现，但容易受谐波噪声和非周期分量的影响。 本装置在硬件电路上设计了滤波调理电路，对该方法有一定的改进。２．３．３利用快速傅立叶变换进行频谱分析 ２．３．３．１快速傅立叶变换ＦＦＴ按常规的算法，进行离散复数形式傅立叶变换，则运算量很大，因此我们采用快速傅立叶变换（ＦＦＴ）。ＦＦＴ不是ＤＦＴ的近似计算，它们是完全等效的。ＦＦＴ使Ｎ点ＤＦｒ的乘法计算量有Ｎ２次将为Ｎ／２１０９：Ⅳ次。实现ＦＦＴ通常有如下两种方 法：第一，按时间抽取（ＤＩＴ）的ＦＦＴ算法；第二，按频率抽取的ＦＦＴ算法。我们采用基于２大的时间抽取的ＦＦＴ算法㈣。时间抽取的ＦＦＴ算法，利用利用％破的对称性（％础）＝％础和周期性％时 ＝％‘斛１弦＝‰啡伸），将长序列的ＤＦＴ分解为若干短序列的ＤＦＴ计算，，它的分解过程遵循两条规则：（１） （２）对时间进行奇偶分； 对周期进行前后分。设Ｎ＝２Ｍ（Ｍ为整数），则：彳（ｋ）＝ＤＦｌ＇［ｘ（ｎ）］＝∑ｘ（ｎ聊ｎ＝０Ｎ―ｌ（２―３０）将ｘ（ｎ）分解为偶数与奇数的两序列之和，上式可以写成：２电能质量的指标及数学分析方法ｘ（ｋ）＝∑ｘ（ｎ渺Ｔ＋∑ｘ（ｎ肿ＩＩ＝ＣＶｅｌｌ（２―３１）．＝ｏｄｄ当ｎ为偶数时，令ｎ＝２ｒ；当ｎ为奇数时，ｎ＝２ｒ＋ｌ（ｒ为整数），则：从ｋ）＝羔ｘ（２ｒ孵打＋窆ｘ（２ｒ＋ｌ孵，＋ｔ）ｔ 一言 笪一ｌ翌一ｌⅣ（２．３２） …＝艺ｘ（２ｒ）（呒）砖＋聪艺ｘ（２ｒ＋１）（呒）鹰２ｘ． ２ｒ由于呒：Ｐ吖百“：Ｐ吖丽：暇，２，将此结果带入上式就有：Ｎ。 Ｎ．烈ｋ）２∑ｘ（２ｒ璐：＋暇∑ｘ（２ｒ＋１璐：令Ｇ∞和Ｈ∞分别代表式（２．２８）中右边第一个、第二个和式，则有（２―３３）ｘ（ｋ）－Ｇ（ｋ）＋毗Ｈ（ｋ）（２．３４）由于Ｇ∞和Ｈ（ｋ）的周期为Ｎ／２，因此计算上式中的ｋ的范围为０－－－Ｎ／２―１，按上式计算得到的只是Ｘ（ｋ）（ｋ＝Ｏ，ｌ，…，Ｎ一１）的前面一般项数的结果。利用Ｗ系数的周期性吩２＝，ｗ，Ⅳｒ，（ｔ：＋Ⅳ陀’有Ⅳ． Ⅳ．Ｇ（ｋ＋Ｎ／２）＝ｘ（２ｒ）Ｗ。ｖｒ（ｋ州仞＝艺ｘ（２ｒ璐２＝Ｇ（七）（２．３５）一Ｎｌ笪一１日（七＋Ⅳ／２）＝∑ｘ（２ｒ＋１溉篇２＝艺ｘ（２ｒ＋…ｌⅦ，ＶⅣｒ（，ｋ：＋Ⅳ伪＝Ｈ（七）又（２．３６）嘴州坨ｋ皑陀峨一孵所以 Ｘ（七＋Ｎ／２）＝Ｇ（七＋Ⅳ／２）＋Ｈ（ｋ＋Ｎ／２）（２―３７）＝Ｇ（七）一孵Ｈ（七）前半部分和后半部分。（２―３８）式（２－３０）和式（２―３４）两式分别用来计算Ｘ（ｋ）（ｋ＝０，ｌ，…，Ｎ～１）的安徽理：ｒ人学硕士学位论文将两式的运算用信号流图符号表示，则如图ｌ所示。Ｇ（ｋ）Ｇ（ｋ）＋Ｗｎｋ Ｈ（ｋ）Ｈ（ｋ）Ｇ（ｋ）．Ｗｎｋ Ｈ（ｋ）翊毒图１ 蝶形运算流图Ｆｉｇｌ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｂｕｔｔｅｒｆｌｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ由于图的外形像蝴蝶，成为蝶式结构。Ｎ＝２Ｍ总共有Ｍ级运算，每级有Ｎ／２个点ＦＦＴ蝶形运算，因此Ｎ点ＤＦＴ总共有Ｎ／２１０９２ｎ个蝶形运算。２．３．３．２ＦＦＴ在ＰＩＣ的实现设有两个离散时ｆ．－ｊ序列｛ｕ。）和｛ｉ。），它们的频谱序列分别为｛Ｕ。）和｛Ｉ。），由于 两者均为实序列，故可做成复序列一起进行ＦＦＴ计算。设ｆｋ＝ｕｋ＋庐ｋ则（七＝０’ｌ一２．．，Ⅳ一１）（２－３９）ｕｋ ＝ｌ／２（ｆｋ－ｆｋｔ＋ｆｉ＝ｌ―ｆｋ’）≥ ／２（ｆｋｋ．Ⅳ一１㈣。，。 。‘的频谱算式为只＝∑ｆｋ形妇ｋ＝０∞＝ｏ，１，２，…，Ｎ―１）（２－４１）电压电流的频谱为Ｕｎ＝ｌ／２（Ｆｎ＋ＰⅣ一１）Ｉｎ＝ｌ／２ｊ（Ｆｎ―Ｆ?Ⅳ一１）（２－４２）所以，可以用两个实序列构成一个复序列，求其傅立叶变换，然后用上式求取两个实序列的傅立叶变换［４６４ｓ！。 本文的ＦＦＴ计算采用基一２时间抽取算法，该算法的计算点数为２的整次幂，再从减小计算机工作量和模／数转换器的采样频率考虑Ｎ值。即Ｎ＝２Ｍ＝６４， 则共有６级运算，每级中有Ｎ陀＝３２点，因此６４点ＦＦＴ总共有Ⅳ?ｌ０９２‘Ⅳ＝６４＊５＝３２０２电能质鼍的指标及数学分析方法个蝶形运算。采用逆序输入，正序输出的方式，对离散化采样的数据进行ＦＦＴ计 算。 根据上面的分析可知本文ＦＦＴ的基本思想是用３层循环完成全部运算（Ｎ＝６４ 点ＦＦＴ）：ＦＦＴ算法程序流程图见图１９。 第一层循环：由于Ｎ＝２Ｍ－－６４，Ｍ－－６，需要６级计算，第一层循环对运算 的级数进行控制。 第二层循环：由于第Ｌ级有２¨个蝶形因子（乘数），第二层循环根据乘数 进行控制，保证对于每一个蝶形因子第三层循环要执行一次， 这样，第三层循环在第二层循环控制下，每一级要进行２¨次循 环计算。 第三层循环：由于第Ｌ级共有Ｎ／２Ｌ个群，并且同一级内不同群的乘数分布相 同，当第二层循环确定某一乘数后，第三层循环要将本级中每 个群具有这一乘数的蝶形计算一次，即第三层循环每执行完一 次要进行Ｎ／２Ｌ个蝶形计算。 可以得出结论：在每一级中，第三层循环完成Ｎ／２Ｌ个蝶形计算；第二层循环 使第三层循环进行２ｂ１次，因此，第二层循环完成时，共进行２Ｌｑ＊Ｎ／２Ｌ＝Ｎ／２个蝶 形计算。实质是：第二、第三层循环完成了第Ｌ级的计算。 几个要注意的数据： （１）在第Ｌ级中，每个蝶形的两个输入端相距ｂ＝２¨个点 （２）同一乘数对应着相邻间隔为２Ｌ个点的Ｎ／２Ｌ个蝶形２．３．３．３快速傅立叶变换运用中的问题与解决在ＦＦＴ进行谐波分析时，由于算法的问题，会产生混叠现象、泄漏效应、栅 栏效应等，从而影响ＦＦＴ的运算精度。（１）采样定理和频谱混叠设原信号的最高谐波频率为￡，则采样频率必须满足ｆ盈￡才能能得到各次谐 波对应的全部频谱，称之为采样定理。当忿２￡时，谐波频率最高仅能得到ｆＪ２。ｆＪ２通常称为奈奎斯特频率。由于频谱的周期性，其他各周期中原有的频率高于ｆＪ２的谐波频率都将混叠到该周期低于北的谐波频谱中去，造成频谱混叠而产生误差，￡越低，则产生的频谱混叠误差越大。在装置采样前向通道中设置了模拟抗混 叠低通滤波器是防止频谱混叠的有效方法。２１安徽理Ｉ：人学硕士学位论文（２）频谱泄漏采样仅在一个有限的时段内进行，即对无限连续的周期信号ｆ（０设置了一个观 测窗口，认为原信号按照所测信号作周期变化即由其延拓而成的周期波。在不适 当的窗口采样情况下，即窗宽Ｔｗ与信号周期Ｔ不能匹配时，其频谱除主要为原信 号频率的分量外，产生与原信号频率不一致的成分，这种误差称为频谱泄漏误差。 对于周期波形的信号，只有当窗宽Ｔｗ为原信号周期Ｔ的整数倍时，才不产生频谱 泄漏误差，所得频谱即为原周期信号的谐波成分。 电网的基波频谱泄漏产生的根本原因是由于电网频率不是一成不变的，因此 以固定的采样频率对电信号进行采样，当电网频率发生波动时采样频率将不能与 输入信号保持同步，从而产生频谱泄漏。 一般解决频谱泄漏有两种方法：加窗或对周期信号做整周截取。加窗可以减 少由频谱泄漏造成的误差，但会增加算法的复杂性，处理的速度会降低，实时性 不够，另外，加权运算要增加中间存储器，加大了存储容量，从而增加了硬件成 本，即使如此，也不能完全消除频谱泄漏造成的误差。如要完全避免这种误差， 对周期信号作整周截取是一种有效的方法，即采样频率为信号频率的整数倍，这 就是通常所说的频率跟踪，采样频率随信号频率的变化而实时改变，使得采样频 率与输入信号保持同步避免频谱泄漏产生【２６１。（３）栅栏效应由于ｘ（ｎ）的离散傅立叶变化Ｘ∞为频域中各次谐波频率处的谱线。如果Ｘ（ｎ）是一个周期信号的采样，频域表现为离散频谱，但如果ｘ（ｎ）是一个非周期信 号的采样，它的频谱是连续的，而ｘ（ｎ）运算的结果只能连续频谱上的若干离散点， 就好像是在栅栏的一边通过缝隙观看另一边的景象一样。有部分景象被栅栏挡着 看不到，所以这种现象称之为栅栏效应。对应模拟信号的采样过程中，由于采样 频率或者截断长度选择不当使得频域中任何一个离散频率都与被分析的周期信号 频率不等，即被分析信号落在两个离散频率之间，此时，会导致在分析结果中， 由于得不到被遮住信号的准确信息，只能通过在它的附近频率点处的值进行估计， 这种估计在很多情况下误差是很大的，其中相角误差更为严重。 为改善甚至消除栅栏效应和频谱泄漏效应影响的最有效措施是同步采样。所 谓同步采样，就是一种频率跟踪的方法，使采样频率随信号中的基波频率变化。 以保证每个基波中期中采样点数一样。这相当于将变化的频率归一成一个固定频 率，对于固定频率的ＦＦＴ，总能找到一个合适的采样长度，使所有谐波幅值表现在谱线上。２电能质鼍的指标及数学分析方法目前交流采样同步方式主要有硬件同步采样、软件同步采样和异步采样三种。 硬件同步由硬件同步ｌ乜路向ＣＰＵ提出中断实现同步。硬件同步电路有多种形式， 常见的如锁相环同步ｆ乜路等，它由频率跟踪测量和锁相环（ＰＬＬ）两部分组成。软 件同步由定时器中断实现。它首先测量信号周期Ｔ，然后根据周期Ｔ和每周期内 的采样点Ｎ确定定时值Ｔ／Ｎ。软件同步不需要专用的同步电路，与硬件同步相比 其硬件结构简单，但它要求微机采样装置中具备信号频率跟踪测量环节。异步采 样又被称为定时采样或定频采样，它通过给定时器设置一固定的定时值，由定时 中断服务程序来实现，它不需要任何附加硬件电路。 在硬件实现同步时，只要硬件同步环节设计恰当，周期误差非常小，可忽略 不计，因此一般情况下，硬件同步比软件同步测量精度高。但由于软件不同步不 需要同步环节，可简化装置结构，充分利用了微处理器资源，降低成本，在很多 场合得到广泛应用。本系统采取的就是软件同步采样方法。２．３．４电压波动和闪变的测量电压波动与闪变的测量，一般是测量等值１０Ｈｚ的电压闪变值ＡＶ，ｏ、短时间闪 变严重程度只及兄。 电压波动和闪变的测量是与它们的评估标准紧密相连的。目前国际上有代表 性的三种原理类型的闪变测量仪器，如日本的ＡＶ，。闪变仪、英国的ＥＲＡ电弧炉闪 变测量仪和由ＩＥＣ和ＵＩＥ推荐的闪变仪。 常用的电压波动检测方法有整流检测法、有效值检测法和同步检测法。ＩＥＣ推 荐的测量方法是同步检测法。为检测出电压波动分量，通常将电压波动看成以工 频电压为载波，其电压的均方根或峰值受到以电压波动分量作为调幅波的调制。 对于任何波形的调幅波均可看作是由各种频率分量合成。下面一般性地分析仅含 单一频率的调幅波对工频载波的调制【２７－３０］。调制波解析式的一般表达式为ｕＣｔ）＝眠＋ｖ（ｃｏｆ．ｔ）］ｃｏｓ ｃｏＮｔ（２－４３）式中玑――工频载波电压的幅值，Ｖ； 缈Ⅳ――工频载波电压的角频率，删珧； ｖ――调幅波电压，Ｖ； 彩。――调伏波电压的角频率，ｍｄ／ｓ。 若调幅波电压为单一频率的正弦波形，则１，（姊ｆ）＝吃ｃｏｓｔ．ｏｆｔ，将其代入一般表达式（２．３０），则有安徽理工人学硕士学位论文舯ｍ称为调制指数，ｍ＝岳＝篙，要求ｍ＜１闱灿现包甜Ｏ）＝％【ｌ＋争ｃｏｓｔｏｒｔ］ｃｏｓｒａｎｔ＝‰【１＋朋ｃｏｓ卿ｆ１Ｃｏｓ纨ｆＶ＿（２小）络线畸变。 按照同步检测方法，可将调幅波电压自乘求平方，得到ｕ２◇）＝砜（１＋２ｍｃｏｓｃｏｖｔ＋ｍ２ ＣＯＳ２ ｏＪｖｔ）ｃｏｓ２纨ｆ＝譬（?＋芋）＋乩历ｃ。ｓ坼Ｈ孕（－＋了ｍ２）ｃｏｓ％，一ＴＵ２ｍｍ２ ２咏ｆ＋竺≠ｃｏｓ２（蛳一唧ｙｃｏｓ＋譬ｃｏｓ（２‰＋坼）ｒ＋譬ｃｏｓ（２纨一卿ｙ量卿，２１０Ｆ，２纨，２（％＋ｔｏＦ）。（２－４５）从上式可以看出，调制波电压的平方项除了有直流成分外，含有以下频率分利用０．０５＂－３５Ｈｚ的带通滤波器滤除其中的直流分量和工频及以上频率的分 量，且考虑到实际中存在的调幅波电压的倍频分量幅值远小于调幅波的幅值可忽 略不计。因此，滤波后可实现解调，获得近似加权的调幅波电压：ｖＯ）≈ｍＵ．２ｃｏｓ（ｏｆｔ＝％圪ｃｏｓ（ＯＦｔ（２－４６）已知相对电压变动值为瓦ＡＶ，并且假定调幅波为Ｊ下弦函数波形，则有一岳＝一ＡＶ一１２４２Ｇ砜２，／２ｄ（２４７）、 ７将它代入（２．３２），可以得到用相对电压变动ｄ参量表示的表达式Ｖ（ｆ）≈ｍＵ．２ ｚｏｓ ａ％．ｔ＝Ｏ．３５／＿．／．２ｄ（２－４８）由调幅波得到电压波动值△％，并由△哆得到１０Ｈｚ等值电压闪变的百分数：△ＵｌＯ＂２√∑（吩△％－）２（２－４９）式中口，为闪变视感系数，△％。为电压调幅波中频率为ｆ的正弦波分量一分钟均方根信。２４２电能质量的指标及数学分析方法２．３．５三相不平衡度的测量根据对称分量法，三相系统中的电量可分解为Ｊ下序分量、负序分量、零序分 量。电力系统在正常运行方式下，电量的负序分量均方根值与Ｊ下序分量均方根值之比定义为该电量的三相不平衡度，用符号ｓ表示‘蛐，即勺＝鲁枷嗍＿＝ｘ１００％㈣（２―５１）式中勺、ｑ――三相电压不平衡度和三相电流不平衡度 Ｕ、％――电压正序、负序分量均方根值，ｋＶ‘、厶――电流正序、负序分量均方根值，ｋＡＦＦＴ后可得到各相电压、电流基波的值和相位，利用对称分量法即可求出三相电压的正序和负序分量ｑ＝ｊ１×心＋嘲＋口２致）（２―５２）以：三ｘ（虬＋口：％＋口虬）（２－５３）式中玩、玩、玩为三相电压的基波矢量：口：三＋ｊｆ孚同理可求三相电流的正序和负序分量‘３２１。 由此做完谐波分析后很容易就能得到三相电压不平衡度和三相电流不平衡摩。２．４本章小结本章从电能质量的基本概念出发，对衡量电能质量的五项指标的数学分析方 法进行了阐述和深入探讨。在研究傅立叶变换方法、小波变换方法和人工神经网 络分析方法等经典数学分析方法的基本理论基础上，比较了几种方法的优劣。最 后确定本文使用ＦＦＴ算法对电能质量进行检测，同时分析了ＦＦＴ误差产生及解决办法。安徽理工人学硕士学位论文３系统的硬件设计３．１单片机简介ＰＩＣ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒｙ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃｈｉｐ）系列单片机是美国Ｍｉｅｒｏｃｈｉｐ公司的产品，首先采用了ＲＩＳＣ结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗，大电流ＬＣＤ 驱动能力和低价位ＯＴＰ技术等都体现出单片机产业的新趋势。现在ＰＩＣ系列单片 机在世界单片机市场的份额排名中已逐年升位，尤其在８位单片机市场。据称已 从１９９０年的２０位上升到目前的第二位。ＰＩＣ单片机从覆盖市场出发，已有三种（又 称三层次）系列多种型号的产品问世，所以在全球都可以看到ＰＩＣ单片机从电脑 的外设、家电控制、电讯通信、智能仪器、汽车电子到金融电子各个领域的广泛 应用。现今的ＰＩＣ单片机已经是世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一【３３１。３．１．１ＰＩＣ系列单片机特点简介１．哈佛总线结构ＰＩＣ系列单片机不仅采用哈佛总线体系，而且还采用哈佛总线结构，即在芯片 内部数据总线和指令总线分离，允许采用不同的字节宽度，这样做的好处是，便 于实现指令提取和执行的流水作业，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令 进行取指操作，便于实现全部指令的单字节和单周期化，从而大大提高了ＣＰＵ执 行指令的速度和工作效率。在一般的单片机中，指令总线和数据总线是共用的。 ２．指令单字节化 因为数据总线和指令总线是分开的，并且采用了不同的宽度，所以程序存储 器ＲＯＭ和数据存储器ＲＡＭ的寻址空间（即地址编码空间）是互相独立的，而且 两种存储器宽度也不同。这样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行速 度和实现全部指令的单字节化。 ３。精简指令集（对ＳＣ）技术 由于ＰＩＣ系列单片机的指令系统采用ＲＩＳＣ技术，与一般单片机的指令系统通 常有上百条指令相比要少得多。此外，ＰＩＣ系列单片机全部采用单字节指令，而且 除４条条件跳转指令外均为单周期指令，执行速度较高。 ４．寻址方式简单 寻址方式是指令中给出操作数的方法。ＰＩＣ系列单片机只有４种寻址方式：寄 存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址。 ５．代码压缩率高３系统的硬件设计代码压缩率是指相同程序存储器空间所能容纳有效指令的数量。例如１ＫＢ程 序存储器空间，对于像５１系列单片机，大约只能存放５００多条指令；而对于ＰＩＣ 系列单片机，则能有效利用存储器的空间，存放多达１０２４条指令。 ６．功耗低 由于ＰＩＣ系列单片机采用ＣＭＯＳ结构，使其功率消耗极低，是目前世界上最 低功耗的单片机之一。其中有些型号在４ＭＨｚ时钟下，耗电不超过２ｍＡ；而在睡眠模式下，耗电可低到１衅以下。因此ＰＩＣ系列单片机尤其适用于野外移动仪表以及户外免维护的控制系统。７．驱动能力强ＰＩＣ系列单片机Ｉ／Ｏ端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动多达２０－－２５ｍＡ的负载。既能够用高电平也可以用低电平来直接驱动发光二极管ＬＥＤ、光电耦合器和小型继电器等。这样可大大简化控制电路。 ８．１２Ｃ和ＳＰＩ串行总线端口 ＰＩＣ系列单片机的某些型号具有同步串行口，可以满足ｉ２ｃ和ＳＰＩ总线要求。 １２Ｃ和ＳＰｌ分别是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司和Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司研制的２种广泛流行的串行总线标 准，是一种在芯片之间实现同步串行数据传输的技术。利用单片机串行总线端口 可以方便而灵活地扩展外围器件。 ９．外界电路简单 ＰＩＣ系列单片机内集成了上电复位电路、Ｉ／Ｏ引脚上拉电路、看门狗定时器等， 可以最大程度的减少或免用外接器件，以便实现“纯单片”应用，这样不仅方便开发， 而且还可节省用户的电路板空间和制造成本。 １０．开发方便 Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司为用户的应用开发提供了丰富的硬件和软件支持，其中有各种 档次的硬件仿真器和编程器。此外，Ｍｉｅｒｏｃｈｉｐ公司还研制了多种版本的软件仿真 器和软件集成开发环境（ＭＡＰＬＡＢ―ＩＤＥ），为爱好者学习与实践、应用与开发的 实际操练提供了极大的方便，对于ＰＩＣ系列中任一款单片机的开发，都可以借助 于一套免费的软件综合开发环境，实现程序编写和模拟仿真，再用任何一种廉价 的烧写器完成程序的固化烧写，便形成一套最经济实用的开发系统。它特别适合 那些不想过多投资购置昂贵开发工具的初学者和业余爱好者。 １１．程序存储器版本齐全 Ｍｉｅｒｏｃｈｉｐ公司提供的产品是一个系列单片机，可供选择的存储器类别和产品 封装工艺的形式较多，主要有：２７安徽理工大学硕十学位论文?带ＥＰＲＯＭ型芯片，适合科学研究实验； ?一次编程（０１１Ｐ）的ＥＰＲＯＭ型芯片，适合小批量非定型产品； ?掩膜ＲＯＭ型芯片，适合大批量定型产品； ｅＥＥＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ程序存储器，特别适合教学实验的需要，可以反复擦写 编程 １２．程序保密性强 目前，尚无办法对其直接进行解密拷贝，可以最大限度的保护用户的程序版 权∞Ｉ。３．１．２ＰＩＣｌ８Ｆ４５８系列概述ＰＩＣｌ８Ｆ４５８是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的高档产品，采用１６位的类ＲＩＳＣ指令系统，在 保持低价格的前提下含有Ａ／Ｄ转换器、内部Ｅ２ＰＲＯＭ存储器、比较输出、捕捉输 入、ＰＷＭ输出、１２Ｃ总线和ＳＰＩ总线接口电路、异步串行通信（ＵＳＡＲＴ）接１２１电 路、ＣＡＮ总线接口电路、模拟电压比较器、可读写ＦＬＡＳＨ程序存储器等许多功 能。具体特点如下： 高性能的砌ＳＣＣｐＵ?高达２ＭＢ的程序存储器 ?高达４ＫＢ的数据存储器 ?高达ｌＯＭＩＰＳ的执行速度 ｅＤＣ＂一４０ＭＨｚ时钟输入ｅ４－－一１ ０ＭＨｚ带ＰＬＬ锁相环有源晶振／时钟输入?１６位宽指令，８位宽数据通道 ?带优先级的中断 ｅ８＂８单周期硬件乘法器 外围功能模块特性?最大拉电湔灌电流可达２５?３个外部中断引脚ｍＡ?定时器ＴＭＲ０：带有８位可编程前分频器的８位或１６位定时器／计数器?定时器ＴＭＲｌ：１６位定时器／计数器?定时器ＴＭＲ２．－带有８位周期寄存器的８位或１６位定时器／计数器（作为 ＰＷＭ的时基） ?定时器ＴＭＲ３：１６位定时器／计数器３系统的硬件设计?２种振荡器时钟选择：定时器ＴＭＲｌ／定时器ＴＭＲ３?捕捉／比较／脉宽调制（ＰＷＭ）（ＣＣＰ）模块ＣＣＰ引脚配置如下： 一捕捉输入：１６位，最大分辨率为６．２５ｎｓ一比较单元：１６位，最大分辨率为ｌＯＯｎｓ（ＴｃＹ） 一脉宽调制（ＰＷＭ）输出：分辨率为１＂－－１０位 一最大ＰＷＭ频率：８位分辨率时为１５６ｋＨｚ，１０位分辨率时为３９ｋＨｚ ?增强型ＣＣＰ模块具有标准型ＣＣＰ模块的所有特性，但它在先进的电机控 制时还有如下特性：一ｌ，２，４路的ＰＷＭ输出 一可选择ＰＷＭ极性 一可编程的ＰＷＭ死区时间?有２种工作方式的主同步串行通信（ＭＳｓＰ）： 一３线ＳＰＩ主控方式（支持所有４种ＳＰＩ工作模式）一１２Ｃ主控／从动方式?可寻址的ＵＳＡＲＴ模块：支持中断地址位高级的模／数转换特性０１０位，高达８个通道的模／数转换模块（Ａ／Ｄ）：一休眠时可以转换一８个输入通道可用?模拟比较模块：可编程多路输入／输出技术 ?比较器参考电压模块 ?可编程的低电压探测模块（ＬＶＤ）：支持低电压检测时产生中断 ?可编程的锁定复位（ＢＯＲ） ＣＡＮ总线模块特性 ?符合国际标准ＩＳＯ ＣＡＮ?高达１Ｍｂｐｓ的通信速率?与ＣＡＮ２．０Ｂ版本相一致： －－２９位校验符 一８字节信息长度?３个带优先级的信息发送缓冲器?２个信息接收过滤器安徽理：Ｉ：大学硕士学位论文?６个全２９位接收过滤器 ?接收过滤器具有优先级配置 ?为高优先级信息配置的多路接收缓冲器．它可用于防止因溢出而造成的信息 丢失 ?优越的错误处理特性 特殊的单片机特性 ?上电复位电路（ＰＯＲ）、上电延时定时器（ＰＷＲＴ）和振荡器起振定时器（ＯＳＴ） ?带有片内ＲＣ振荡器的监视定时器（ＷＤＴ） ?可编程代码保护 ?休眠（ＳＬＥＥＰ）省电方式 ?可选择不同的振荡器工作方式，包括： 一４锁相环（主振荡器） 一２路振荡器（３２ｋＨｚ）时钟输入 ?通过２个引脚可进行在线串行编程（ＩＣＳＰ） ＦＬＡＳＨ技术 ?低功耗、高速增强型ＦＬＡＳＨ技术 ?全静态设计 ?宽范围的工作电压：２．０－－－５．５Ｖ ?工业级和扩展级温度范围 ?低功耗‘３５－３６１３系统的硬件ｉ殳计ＰＩＣｌ８Ｆ４５８内部结构图见图２。圈２ＰＩＣｌ８Ｆ４５８内部结构幽ＰＩＣｌ８Ｆ４５８Ｆ啦Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｔｒＬｔｃｔｕｒｅｉｍａｇｅｓ ｏｆ３．２系统硬件总体设计 ３．２．１系统的设计目标系统设计的最基本要求是有能够满足电能质量检测任务计算要求的足够 的处理能力。系统必须是易于实现、灵活、高效的。安徽理一ｒ火学硕＋学位论文图３单兀结构图 Ｆｉ邸Ｕｎｉｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｍａｇｅ３．２．２系统的组成整个系统电路有以下几个部分： （１）主控ＣＰＵ模块 采用微芯公司的ＰＩＣｌ８Ｆ４５８为系统核心，来完成各种参数的计算及协调整 个系统的工作 （２）信号调理电路 将需要测量的电压、电流信号调整其幅值以满足Ａ仍转换器的需要，并对 信号进行硬件滤波 （３）Ａ／Ｄ转换电路 将采样的信号转换为后续处理的数字信号 （４）键盘模块和ＬＣＤ显示模块 两者结合起来实现系统的人机交互，检测的数据通过ＬＣＤ显示给用户，而 用户通过键盘电路实现对系统的控制 （５）通信模块 利用ＲＳ．２３２串行通讯方式与ＰＣ机进行数据传送（６）电源模块 主要是提供系统各部分所需的电源。模块也包含电压检测电路和复位电路。３．３系统各部分设计３．３．１数据采集与转换数据采集是一个将模拟信号转换为数字信号，送往计算机并进一步予以分析 处理、传输、显示与记录的过程。其中，采样就是尽可能的获取反映模拟量的实 时信息，转换则是将该模拟信息转化为可供微处理器处理的数字信息。根据采集３系统的硬件设计信号的不同，可分为直流采样和交流采样两种。直流采样是把交流电压、电流信 号经过各种变送器转化为０－５Ｖ的直流电压，再由各种装置和仪表采集。交流采样 是将二次测得的电压、Ｉ乜流经高精度的ＣＴ、ＰＴ变成可测量的交流小信号，然后 再送入计算机进行处理。这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性 好，相位失真小。随前微处理器技术的不断发展，交流采样必将以其优异的性能 价格比，逐步取代传统的直流采样方法。３．３．１．１电压和电流的检测电压和电流的检测主要功能是把互感器输出的ｍＡ级弱电流信号转化成适合 Ａ／Ｄ转化的电压信号，互感器构成了信号检测部分，电压单元为电压互感器ＰＴ， 电流单元为电流互感器ＣＴ。ＰＴ和ＣＴ的输入输出都是电流，它们实质上是电流隔 离器件，其输入输出保持线性关系。 本文选用的ＰＴ互感器是西安横山微型互感器研究所研制的ＨＰＴ３０２，它的电 流比为１：ｌ，输入额定电流为２ｍＡ，输出额定电流为２Ｍａ，应用电路见图４。选用 的ＣＴ是西安横山微型互感器研究所研制的ＨＣＴ２５４，见图５。它的变流比为１０００：１， 原方额定工作电流为５Ａ，线性区最大工作电流为２０Ａ，这里取负载电流的测量范 围为０～－ｌＳＡ。被测的输入电压ＶＩＮ通过限流电阻限流，通过运算放大器我们可以 调节反馈电阻Ｒ值在输出端得到所要求的电压输出。而电容Ｃ及电阻Ｒ是用来补 偿相位差的，Ｄ１、Ｄ２二极管为限幅作用，ＣＯ为抗干扰电容，取１０００Ｐ左右，限 流电阻ＲＩＮ为对Ｎ－ｖＩＮ／２ｎｌＡ－ｒ。玉压输出图４电压互感器应用电路Ｆｉ９４ Ｖｏｌｔａｇｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｃｉｒｃｕｉｔ安徽理：【人学硕士学位论文ｋ压输出图５电流互感器应用电路Ｆｉ９５Ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｃｉｒｃｕｉｔ３．３．１．２信号调理电路实现实时数据采集系统的关键是：利用足够高的采样频率，以期在采样后真 实的保留原始模拟信号所含信息，采样既要保证所采样本的真实性，