电力谐波分析系统设计设计()

毕业设计（论文）论文题目：市电谐波分析系统设计2摘要谐波测量在电力系统中占有重要的地位和作用。及时、准确地掌握电网中谐波的实际状况对于电力系统的安全、运行具有重要的意义。由于谐波具有非线性、随机性、非平稳性和复杂性等特征，所以难以对谐波进行准确测量。本文针对谐波的特征，并根据电力系统谐波测量的基本要求，阐述了谐波测量的主要方法和谐波测量装置的分类，以及基于C8051F005的CPU电力系统谐波测量的硬件实现和海明窗插值FFT应用于谐波测量中的算法分析和研究。最后对电力系统的谐波测量的发展趋势提出了看法。关键字C8051F005单片机,快速傅立叶变换,电力系统谐波测量。3ABSTRACTHarmonicmeasurementoccupiesanimportantpositionandPlayanimportantroleintheelectricalpowersystem.Controlrealtimeandaccuratelytheactualconditionoftheharmonicisveryimportanttothesafetyandoperationoftheelectricpowersystem.Becauseharmonichasinherentnon-linear,random,instability,complexinfluencefactorsandsoon,itisverydifficulttomeasuretheharmonicaccurately.Accordingtobasicrequestoftheharmonicmeasurementintheelectricalpowersystem,thispaperelaboratesthemainharmonicmeasurementmethod,andhasoutlinedhardwarerealizationandthesoftwarealgorithmflowoftheharmonicwhichisbasedontheC8051F005CPUelectricalpowersystem,andthealgorithmicanalysisandresearchthatHammingwindowinterpolationFFTappliedintheharmonicmeasures.KEYWORDS:C8051F005mcu,HammingwindowinterpolationFFT,harmonicmeasurementinthepowersystem4目录一引言……………………………………………………………………………………4二电力系统谐波测量的基本要求………………………………………………………5三谐波测量分类…………………………………………………………………………5四电力系统主要测量方法………………………………………………………………61、采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波……………………………………………82、基于傅立叶变换的谐波测量………………………………………………………83、基于瞬时无功功率的谐波测量……………………………………………………94、基于神经网络的谐波测量…………………………………………………………85、利用小波分析方法进行谐波测量…………………………………………………6五基于C89051F005快速离散傅立叶变换的谐波分析的方案………………………101、谐波分析系统设计框图和工作原理…………………………………………………………101.1、C8051F005单片机的特点……………………………………………………………111.2、隔离电路…………………………………………………………………………………111.3、调整电路…………………………………………………………………………………121.4、键盘和显示单元（人机交换接口）…………………………………………………131.5、控制单元………………………………………………………………………………141.6、电源………………………………………………………………………………………142、基于C8051F005傅立叶变换谐波测量算法研究……………………………………………142.1、FFT算法………………………………………………………………………………142.2、FFT加窗的插值算法…………………………………………………………………152.3、仿真………………………………………………………………………………………162.4、FFT加窗修正算法变换结果…………………………………………………………173、同频率修正……………………………………………………………………………………174、软件设计………………………………………………………………………………………19六谐波测量的发展趋势……………………………………………………………………………20七结束语………………………………………………………………………………………………21参考文献………………………………………………………………………………………………215附录1……………………………………………………………………………………………22附录2……………………………………………………………………………………………23附录3……………………………………………………………………………………………24附录4……………………………………………………………………………………………256一引言随着现代工业的高速发展，电力系统中的非线性负荷日益增多，电力系统谐波污染问题受到了广泛的重视。电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响。谐波被认为是电网的一大公害，同时也阻碍了电力电子技术的发展。谐波问题涉及面很广，包括对畸变波形的分析方法、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制标准以及谐波测量及在谐波情况下对各种电气量的测量方法等。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点和主要依据。谐波测量的主要作用有：①鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定。②电气设备调试、投运时的谐波测量，以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运行。③谐波故障或异常原因的测量。④谐波专题测试，如谐波潮流、谐波谐振等。由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征，难以对谐波进行准确测量，为此许多学者对谐波测量问题进行广泛研究。本文论述了电力系统谐波测量的基本要求和谐波测量装置，对谐波测量方法进行了综述，并阐述利用C89051F005为CPU实现采样256点的快速离散傅立叶变换的电力谐波分析的方案。二电力系统谐波测量的基本要求1、谐波测量方法和数据处理必须遵照1993年国家颁布的标准GB/T14549—93，即《电能质量公用电网谐波》。2、精度要求。达到减少误差和精确测量的目的。3、速度要求。要求具有较快的动态跟踪能力，测量时滞性小。4、稳定性好。在电力系统的正常、异常运行情况下都能测出谐波。5、实践代价小。此项要求往往与上述要求相冲突，在实践中应酌情考虑，在达到应用要求的前提下，应力求获得较高的性能价格比。三谐波测量的分类实际的谐波测量装置因应用的时期、场合和要求的不同而形式各异。按测量功能分类，可分为频谱分析仪和谐波分析仪。按测量原理分类，可分为模拟式和数字式测量仪器。按测量功能分类，可分为谐波分析仪和谐波监测仪。频谱分析仪提供谐波的7频谱分布特性，谐波监测仪提供谐波成分的变化情况，谐波分析仪提供电压谐波、电流谐波畸变率及每次谐波含量等。为谐波分析评估和治理提供依据，除上述仪器外，还有谐波功率流向计和谐波阻抗测量计等专用仪器。总之，谐波测量装置经历了从早期的模拟、数字电路模块，到目前广泛使用的单片机、工控机、DSP等发展过程。谐波测量装置的开发过程包括算法理论设计、仿真调试、程序固化和动态模拟或现场测试等过程。四电力系统谐波测量的主要方法1、采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现的。图1为模拟并行滤波式谐波测量装置框图。由图可见，输入信号经放大后送入一组并行联结的带通滤波器，滤波器的中心频率是固定的且为工频的整数倍，检测器将频率处理，然后多路显示器显示。输入放大器滤波器1滤波器2滤波器n检测器1检测器2检测器n输入多路显示器图12、基于傅立叶变换的谐波测量基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法。它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。使用此方法测量谐波，精度较高，功能较多，使用方便。其缺点是需进行2次变换，计算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。而且在采样过程中，当信号频率和采样频率不一致时，即当式(1)不成立时，使用该方法会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数(即频率、幅值和相位)不准确，尤其是相位的误差很大，无法满足测量精度的要求，因此必须对算法进行改进。8NfLfTLTsSS0(1)式中T0为信号周期；Ts为采样周期；fs为采样频率；f0为信号频率；L为正整数。减少频谱泄漏的方法主要有3种：（1）利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正的方法。该方法可减少泄漏，有效地抑制谐波之间的干扰和杂波及噪声的干扰，从而可以精确测量到各次谐波电压和电流的幅值及相位。在实际测量过程中，选用矩形窗插值算法和海宁窗插值算法能够满足测量精度的要求。（2）修正理想采样频率法。这种方法的主要思想是对每个采样点进行修正，得到理想采样频率下的采样值。该方法计算量不大，并不需要添加任何硬件，实时性比上一种方法好，适合在线测量，但只能减少50%的泄漏。（3）利用数字式锁相器(DPLL)使信号频率和采样频率同步。图2为频率同步数字锁相装置框图。图中数字式相位比较器把取自系统的电压信号的相位和频率与锁相环输出的同步反馈信号进行相位比较。当失步时，数字式相位比较器输出与二者相位差和频率差有关的电压，经滤波后控制并改变压控振荡器的频率，直到输入频率和反馈信号频率同步为止。一旦锁定，便将跟踪输入信号频率变化，保持二者的频率同步，输出的同步信号去控制对信号的采样和加窗函数。除上述3种方法外，还有其它减少泄漏的方法，如：减少频谱泄漏的方法，减少快速傅立叶变换中栅栏效应的方法。图293、基于瞬时无功功率的谐波测量1984年，日本学者H．Akagi等提出瞬时无功功率理论，并在此基础上提出了2种谐波电流的检测方法：p-q法和ip-iq法。这2种方法都能准确地测量对称的三相三线制电路的谐波值，优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量的测量电路比较简单，并且延时小。虽然被测量的电流中谐波构成和采用滤波器的不同，因而会有不同的延时，但延时最多不超过1个电源周期。如电网中最典型的谐波源，其检测的延时约为1/6周期。可见，该方法具有很好的实时性，缺点是硬件多，花费大。此理论是基于三相三线制电路，对于单相电路，必须首先将三相电路分解，然后构造基于瞬时无功功率理论的单相电路谐波测量。4、基于神经网络的谐波测量神经网络应用于电力系统谐波测量，它主要有3方面的应用：①谐波源辨识；②电力系统谐波预测；③谐波测量。将神经网络应用于谐波测量，主要涉及网络构建、样本的确定和算法的选择。基于人工神经网络的电力系统谐波测量方法，该方法利用多层前馈网络的函数逼近能力，通过构造特殊的多层前馈神经网络，建立了相应的谐波测量电路。将神经网络理论和自适应对消噪声技术相结合，ADLINE矩阵作为输入，建立相应的测量电路，并利用Delta算法调节权值和阈值，这种方法的自适应能力较强。式（8）为ADLINE[16]矩阵的表达式。nwtnwtwtwtwtwttxcos,sin,...2cos,2sin,cos,sin)(（8）仿真结果表明，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，