电能质量数据采集和谐波分析方法的实现发布单位:湖北三峡职业技术学院本站原创提交日期:2007-2-920:25:08阅读次数:3084________________________________________摘要：本文简述了电能质量分析装置的总体结构。在讨论了非同步采样造成的影响后，介绍了同步采样的实现方法。为提高计算的准确性，采用基于加窗插值的FFT算法分析电力系统谐波，对算法的实现进行了详细的描述。关键词：同步采样；FFT；加窗插值算法中图分类号：TM60文献标识码：A文章编号：2027/YC-（2006）02-0070-041引言随着科学技术和国民经济的发展，电能的需求量不断增加，同时电力部门和用户对电能质量的要求也不断提高，电能质量问题受到越来越广泛的关注。只有对电能质量做出实时可靠的监测和分析，才能采取有效的措施改善电能质量问题。数字信号处理器（DSP）以其高速的数据处理能力和强大的外设接口，越来越广泛地被使用于电能质量分析领域，以提高系统的实时性和可靠性。本系统以DSP和可编程逻辑器件（CPLD）为核心，实现了对电力系统中信号的采集和分析。本文采用基于加窗插值的FFT算法分析电力系统谐波，提高了各项电能质量参数的准确性。2系统总体结构系统硬件由两大部分组成，如图1所示。板1主要完成数据采集和逻辑控制任务，以同步采样和A/D转换电路为主。板2是一块DSP开发板(SY-5402EVM)，完成数据的处理。信号经过传感器、运放送入A/D转换器，利用DSP的多通道缓冲串口（McBSP）与A/D相连，进行数据的采集和运算。同时，采用锁相环电路实现同步采样，能很好地抑制由于采样不同步而造成的测量误差。图1系统总体框图这里的A/D转换器选用的是AnalogDevices(AD)公司的AD73360。该芯片具有六个模拟量输入通道，每个通道可以输出16位的数字量。六通道同时采样，同时转换，分时传输，有效地减少了由于采样时间不同而产生的相位误差。SY-5402EVM板载的DSP芯片是TI公司的16位定点数字信号处理器TMS320VC5402。它具有很高的性价比并提供高速、双向、多通道带缓冲串口，可用来与系统中的其它的串行器件直接接口。3交流采样的实现方法在电能质量分析领域中，常采用基于快速傅立叶变换（FFT）的算法分析电力系统谐波，而FFT算法要求对信号进行严格的同步采样。3.1非同步采样的影响在实际测量时很难做到同步采样和整数个周期截断，因此出现了影响测量准确性的频谱泄漏问题。在实际的测量中，所要处理的信号都是经过采样和A/D转换得到的有限长数字序列，相当于对原始信号乘以一个矩形窗加以截断。时域的截断会造成频域的展宽，频谱发生泄漏。在非同步采样时，由于实际信号的各次谐波分量不能正好落在频率分辨点上，而是落在某两个频率分辨点之间。但是FFT的频谱是离散的只在各采样点有频谱，而在其它地方都没有。这样通过FFT并不能直接得到各次谐波分量的准确值，而只能以临近的频率分辨点的值来近似代替，会造成栅栏效应误差。3.2同步采样的实现方法根据提供采样信号方式不同，同步采样法又分为软件同步采样法和硬件同步采样法两种。软件同步采样法是由微控制器（MCU）或DSP提供同步采样脉冲,先测出被测信号的周期T，则采样间隔Δt=T/N(N为一周内的采样点数),由此确定定时器的计数值,用定时中断方式实现同步采样。该方法的优点是无需硬件同步电路,结构简单。缺点是:①T/N不一定为整数,从而带来截断误差；②该方法需专门的硬件测频电路,且必须保证对被测信号周期的准确测量；③当被测信号的频率波动频繁或谐波成分较多时也会带来测量上的误差。硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲，如采用锁相环电路来构成频率跟踪电路，然后通过分频电路来控制数字采样的触发信号，从而实现同步等间隔采样。利用锁相环频率跟踪实现同步等间隔采样的原理如图2所示。图2锁相环硬件同步原理图经过锁相环的倍频，采样频率为被测信号频率的整数（N）倍，从而实现一周内等间隔采样N点，从根本上克服了软件同步采样的缺点。4FFT加窗插值算法谐波测量的准确性直接影响了其他电能质量参数的测量。如前分析可知，采用基于FFT算法分析电力系统谐波时，由于很难做到同步采样就会造成频谱泄漏误差和栅栏效应误差，使...