电能质量检测仪检测技术算法研究

电能质量检测仪检测技术算法研究

王兴亮

（哈尔滨超精密装备工程技术中心有限公司，黑龙江哈尔滨150080）

摘要：电能是现代社会中最重要的能源，从农业生产到工业发展，从科学研究到生产实践都与电能息息相关。电网的稳定安全，电能质量的高低，已成为影响国民经济发展的重要因素。日益增长的电力需求和生活中非线性负载以及大容量的阻抗、容抗的用电器的使用严重影响了电力能源的质量，同时为电网的正常运行埋下了隐患。本文基于实际需要主要研究了新一代基于MSP430的电能质量检测仪器的算法技术研究及实现机理。应用新技术使其具有最佳的便携性和最高的性价比，推动电能质量实时检测和电能质量治理工作的开展。

关键词：电能质量检测；谐波；FFT；误差与抗干扰

1算法原理

电力系统的电压、电流理想波形是标准的正弦波，正弦波供电能够减少铁损并提高效率。然而正弦波形只是一种理想状态，实际上是不可能完全实现的。对于一个畸变的非正弦周期函数[1]，可以用傅里叶级数表示为：

其中，A0是直流分量，An是周期分量的峰值；φ_n是响应周期分量的初相角。由于电力系统中的非正弦周期波形都是不规则的畸变波形，所以无法从函数解析式转化为上式，进而获得谐波参数。常用的方法是对该波形的连续时间信号进行等间隔采样，并把采样值转化为数字序列，借助相关算法进行谐波分析。

（1）三相交流电压电流有效值的测量

对于周期为T的工频信号来说，不论其波形是否为正弦，通过对电压电流在一周期内均匀采样N点，得到离散采样序列i(n)、u(n)。当满足采样定理时离散采样序列i(n)、u(n)将包含工频交流信号中有关电参量的信息，由数值积分理论可计算出工频交流电信号的电参量[2]。

若对交流电压信号在一周期内均匀采样N点，只要N足够大，且选取适当，离散化后，以一周期内的采样序列来代替连续变化的电压值。对于周期为T的工频信号来说，不论其波形是否为正弦，通过对电压电流在一周期内均匀采样N点，得到离散采样序列i(n)、u(n)。当满足采样定理时离散采样序列i(n)、u(n)将包含工频交流信号中有关电参量的信息，由数值积分理论可计算出工频交流电信号的电参量。

若对交流电压信号在一周期内均匀采样N点，只要N足够大，且选取适当，离散化后，以一周期内的采样序列来代替连续变化的电压值。

（2）功率的测量

功率的测量包括有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等[3]。正弦波情况下，有功功率为P=UIcosj，但是在电压、电流含有各次谐波的情况下，此时有功功率为P，电路中所称的有功功率，一般是指平均的有功功率，其定义为：

2快速傅里叶变换（FFT）的算法实现

快速傅里叶变换（FFT），在实际应用中，FFT算法的选择必须考虑到结构的复杂性和实现的难易程度，即考虑是否容易求逆FFT、同址计算、算法的规则等因素。兼顾到数字信号处理的实际情况、MSP430系统的寻址能力和编程的繁简程度。

本文的FFT计算采用基于2时间抽取算法，该算法的计算点数为2的整数次幂，再从减小计算机工作量和模/数转换器的采样频率来考虑N值越小越好，因此，选取N=32。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。

3误差分析

本文的主要功能是电力参数的检测，根据FFT算法的要求，采样点应均匀分布在一个信号周期内，即应当实现严格的同步采样，使采样频率根据信号的频率而同步变化，否则会由于栅栏效应，带来很大的测量误差。现在常用的同步采样方法主要分为硬件同步和软件同步两大类。硬件同步方法是一种预防式方法，主要采用锁相环电路来实时跟踪信号频率的变化，从而实时调整采样速率，实现同步采样，但是它的硬件结构比较复杂，可靠性不高，在测量较大的畸变波形时误差较大[5]。准同步技术是把同步误差限制在一个较小的范围内，需要的时间较长，所需要的存储容量也较大，无法满足实时系统的要求。而加窗以及加窗一插值等技术在很大程度上能消除频谱泄漏等非同步误差的影响，但是由于算法本身的限制，非矩形窗会分散信号的幅值频谱，带来幅值测量的误差。

4结束语

本文围绕基本电力参数和电能质量各项指标的数字化实现进行了具体的理论分析，研究了电能质量各参数的测量算法，特别是针对目前颇受关注的电网谐波检测技术进行了深入的探讨，分析了含有谐波的电压电流的测量理论；谐波分析是电能质量分析的重要方面，也是其它一些测量功能的实现基础，因此我们详细介绍了谐波分析的原理和应用的方法―快速傅立叶变换。

参考文献

[1]程浩忠，艾芊，张志刚等．电能质量[M]．清华大学出版社，2006:79-94.

[2]YaoX,Jean-ClaudeM.AnalvsisonErrorinPowerSystemFrequencyMeasurement[J].powerSystemTechnolog,2004,26(1):39-42.

[3]岳浩，邓旭，胡钋.电能质量及其检测分析方法[J].中国电力教育，2010，173（22）:260-262.

[4]王英，王军，母秀清.能质量检测智能电子设备中的数据处理[J].自动化仪表2010，31（11）:11-14.

[5]万钧力，李艳琴，邓文辉，李加亮.电能质量检测分析方法的研究[J].电测与仪表，2009，46（1A2）:76-80.