嵌入式電能質(zhì)量分析儀的數據分析與GUI的設計與實(shí)現

求得的。而Vcf則等于Vpk/Vrms，對于理想正弦波來(lái)說(shuō)，該值應該等于√2，約為1.414。

(2)電流參數測量。模擬電路將電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘栠M(jìn)行采樣，所以在進(jìn)行計算的時(shí)候僅需要按照電壓的處理方式處理后除以一個(gè)電流采樣系數即可，N相電流的瞬時(shí)值只需要將三相電流瞬時(shí)值相加，然后和其他三相的電流進(jìn)行同樣的處理。

(3)功率參數測量。功率信號沒(méi)有直接測量數據，是通過(guò)電壓、電流采樣數據計算得來(lái)。其中的有功功率的計算公式為：

其中U、I分別為電壓的有效值和電流的有效值，a為電壓與電流的相位差，但是上述公式只適用于標準單頻無(wú)畸變正弦波，在實(shí)際使用時(shí)需要使用下面的公式將所有諧波的功率計算在內，式(7)為有功功率計算，式(8)為無(wú)功功率計算，式(9)為視在功率計算：

其中Uk、Ik、θk、φk分別為第k次諧波的電壓峰值、電流峰值、電壓初始相位、電流初始相位?？梢酝ㄟ^(guò)FFT計算求得。然后可以通過(guò)式(10)計算功率因數PF：

PF=P/S (10)

位移功率因數是指的基波的功率因數，即基波有功功率與視在功率之比，可以通過(guò)式(11)進(jìn)行計算：

DPF=P1/S1 (11)

(4)頻率測量。以前的頻率測量方法是通過(guò)對輸入電壓與參考電壓進(jìn)行比較，生成一個(gè)方波，通過(guò)對這個(gè)方波的周期進(jìn)行測量就可以求得輸入電壓的頻率，但是這種方法在實(shí)際使用中會(huì )受到噪聲信號和諧波的干擾，使得測量抖動(dòng)比較大。

2.2.2 諧波測量界面及算法設計

諧波指的是基波大于1的整數倍頻率分量，對于50HZ的供電系統來(lái)說(shuō)，奇數次諧波分量就是150HZ、250Hz等基波的基數倍頻率，偶次諧波就是100Hz、200Hz等基波頻率的偶數倍頻率分量。

以前的測量方式中，是通過(guò)模擬帶通濾波器分離出諧波后通過(guò)有效值轉換電路轉變?yōu)橹绷髁窟M(jìn)行測量，但是這種測量方式的缺點(diǎn)非常明顯，第一是只能對比較有限次數的諧波進(jìn)行測量;第二是相應比較慢;第三是電路復雜且濾波器容易受到環(huán)境因素影響。

現在都是通過(guò)數字的方式進(jìn)行諧波分析，AD采樣后通過(guò)一定的算法將時(shí)域信號轉化為頻域信號，再對頻域信號進(jìn)行分析。進(jìn)行時(shí)域與頻域之間轉化的算法有傅立葉變換、小波分析等。DSP芯片針對傅立葉變換進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化，可以在非常短的時(shí)間內完成變換，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，所以我們采用傅立葉變換作為諧波分析的算法。

FFT運算是一種復數運算，而采集的電壓信號和電流信號都是實(shí)數，分別對兩者進(jìn)行FFT運算的話(huà)就有點(diǎn)不太經(jīng)濟，如果將電壓信號作為實(shí)部，電流信號作為虛部構成函數x(t)=u(t)+ji(t)進(jìn)行FFT運算，則基本可以省掉一半的計算。在完成FFT轉換后可以通過(guò)式(12)和式(13)計算出電壓與電流FFT的數據：

在通過(guò)FFT計算頻譜的時(shí)候會(huì )發(fā)生一種叫做“頻譜泄漏”的現象，這種現象會(huì )導致頻譜測量偏離真實(shí)值，同時(shí)會(huì )在本來(lái)沒(méi)有頻譜的地方產(chǎn)生假頻譜，這種現象通過(guò)加窗函數解決，所謂的窗函數其實(shí)是決定的采樣點(diǎn)的權重，直接對采樣點(diǎn)進(jìn)行FFT運算相當于加的矩形窗，即樣本點(diǎn)內權重為1，樣本點(diǎn)外權重為0。而通過(guò)添加不同的窗函數可以使得樣本點(diǎn)兩端的數據的權重變小，所以數據不連續導致的影響也會(huì )相應變小。

因為在實(shí)際的電網(wǎng)里面，諧波分量遠小于基波分量，兩者通常相差40dB以上，所以我們需要選擇一種下降速度比較快的窗函數，避免基波泄漏將諧波淹沒(méi)。根據這一特點(diǎn)我們選擇了布萊克曼窗，該窗函數的表達式為：

基于布萊克曼窗FFT算法求解諧波分量的步驟為：1)根據窗長(cháng)度截取采集到的時(shí)域波形數據;2)進(jìn)行FFT運算，將時(shí)域數據變換為頻域數據;3)在頻域數據中尋找最大值km，確定λm;4)根據λm估計各個(gè)諧波分量的頻率、幅值和相位。

添加布萊克曼窗函數的FFT算法對各分量頻率的估計相當準確，基本與實(shí)際頻率相同，誤差在0.002%以?xún)?。而對于幅值和相位，此算法的分析精度控制?.5%以?xún)?，完全滿(mǎn)足了國家標準。

THD的計算根據式(16)計算：

式中的Uh為h階諧波分量有效值，UI為基波分量有效值。

2.3 系統調試

整個(gè)電能質(zhì)量分析儀的系統調試工作分為開(kāi)發(fā)環(huán)境中的模擬調試和硬件系統上的硬件調試兩部分。

在調試時(shí)，數據使用是模擬數據，看GUI是否按照預定的設計顯示，可以用鼠標模擬觸摸屏的響應，完成基本功能的調試后，再到硬件平臺上進(jìn)行調試。

DSP端的調試界面如圖6所示。

在仿真調試將基本功能進(jìn)行調試后，可以排除大部分的設計錯誤，但是仍然有很多錯誤需要在硬件平臺上進(jìn)行調試，在燒寫(xiě)完代碼后，需要將設備連接到測試電源上進(jìn)行調試，根據不同測試可能需要不同的連線(xiàn)，如圖7的3P3W帶3CT，測試電源可以模擬常見(jiàn)的電網(wǎng)參數，根據分析儀的界面顯示即可進(jìn)行調試，調試如圖8所示。

上一頁(yè) 1 2 3 下一頁(yè)