隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題已引起世界各國(guó)有關(guān)部門的重視，不少國(guó)家制訂了限制電力諧波和負(fù)序電流的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也制訂了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)諧波、負(fù)荷電流水平和功率因數(shù)進(jìn)行合理估算并采取相應(yīng)措施（如加設(shè)濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置）是非常必要的。電能質(zhì)量綜合測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)提高設(shè)計(jì)水平、探尋電能質(zhì)量改造方案和把握電力負(fù)荷規(guī)律都有意義。 [b]1　硬件設(shè)計(jì) [/b]　　傳統(tǒng)電路測(cè)試是靠分立的儀器組合完成的，如功率裝置（有功功率表、無(wú)功功率表、功率因數(shù)表和電度表）、波形監(jiān)測(cè)裝置（模擬或數(shù)字示波器、波形記錄儀）、諧波分析裝置和負(fù)序裝置等。這種測(cè)試方法的主要弊端是裝置體積龐大、自動(dòng)化程度低和數(shù)據(jù)不集中難以進(jìn)行相關(guān)分析。新一代的測(cè)試系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)控制、自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)和虛擬儀器技術(shù)，按信息處理次序由傳感器、信號(hào)采集、多路切換開關(guān)、數(shù)模轉(zhuǎn)換、接口電路和計(jì)算機(jī)組成，克服了傳統(tǒng)測(cè)試的弊端。目前，適合做電能質(zhì)量測(cè)試的硬件主要有：PC機(jī)加采集卡、GP—IP系統(tǒng)、CAMAC系統(tǒng)和VXI系統(tǒng)，其中PC機(jī)加采集卡具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉和開發(fā)周期短等突出優(yōu)點(diǎn)，在模擬通路小于32路和要求裝置能便攜的條件下特別適合。而GP—IP、CAMAC和VXI系統(tǒng)是世界上廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)，在通路較多、并且已有相當(dāng)?shù)膸Ы涌诘臏y(cè)試儀器的情況下能方便地集成一個(gè)大型、多功能的綜合測(cè)試系統(tǒng)。 　　當(dāng)待測(cè)模擬量為高電壓和大電流時(shí)，通常需要將其變換成適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的低電平信號(hào)。變電所已有的電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）把高壓和大電流轉(zhuǎn)化為100V電壓和5A電流信號(hào)，其變換的精度滿足測(cè)試要求［3，4］，因此要做的工作只是設(shè)計(jì)電壓—電壓和電流—電壓線性變換電路和多路同步采集系統(tǒng)。模擬量采集模塊組成如圖1所示，此模塊又分為信號(hào)傳感和數(shù)據(jù)采集兩部分。電壓信號(hào)的線性變換由電壓互感器和電壓傳感器（PS）組成，電流信號(hào)的線性變換由電流互感器和電流傳感器（CS）組成。 [b]2　軟件設(shè)計(jì) [/b]　　這里只討論基于PC機(jī)＋采集卡硬件方案的軟件設(shè)計(jì)。為了便于用戶使用和盡量使分析結(jié)果直觀、明了，軟件工作平臺(tái)選用Windows95。實(shí)踐證Windows95圖形用戶界面（GUI）、多線程和多任務(wù)、進(jìn)程間通信（DDE）等技術(shù)對(duì)完成綜合測(cè)試大有裨益。 　　[b]（1）系統(tǒng)功能 [/b]　　軟件按功能可分為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和暫態(tài)錄波。數(shù)據(jù)處理按處理時(shí)間不同可分為實(shí)時(shí)處理和離線分析兩種。實(shí)時(shí)處理包括對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行快速富立葉變換（FFT）運(yùn)算、負(fù)序分解、功率計(jì)算和數(shù)理統(tǒng)計(jì)。根據(jù)國(guó)際規(guī)定，統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括諧波幅值、電壓不平衡度的平均值、均方根、95％概率值及相應(yīng)的合格率等。計(jì)算各種無(wú)功計(jì)量方式（返送不計(jì)、返送返計(jì)、返送正計(jì)）下功率因數(shù)、功率平均值和均方根、負(fù)荷率等。 [align=center]圖1　模擬量采集電路組成圖 　　[/align][align=left] 離線分析主要用來(lái)分析負(fù)荷的變化規(guī)律。內(nèi)容有：顯示和打印基波幅值、諧波幅值、綜合畸變率、電壓不平衡度、功率的歷史曲線，諧波變化的散布圖，計(jì)算諧波的復(fù)平均值、概率分布，基波和諧波及負(fù)序的相關(guān)分析，負(fù)荷過程的功率譜估計(jì)、統(tǒng)計(jì)模型的辨識(shí)及負(fù)荷的預(yù)報(bào)，系統(tǒng)頻率與負(fù)荷有功功率和無(wú)功功率的相關(guān)分析及負(fù)荷模型的辨識(shí)。 　　暫態(tài)錄波有兩種工作方式：手動(dòng)觸發(fā)和自動(dòng)觸發(fā)。手動(dòng)觸發(fā)是預(yù)先設(shè)置好待錄波的信號(hào)和記錄時(shí)間長(zhǎng)度，通過按鍵或用戶界面上的按鈕來(lái)啟動(dòng)。自動(dòng)觸發(fā)有各種方式，如定時(shí)、過零點(diǎn)、越限、尖峰等等，統(tǒng)稱為事件觸發(fā)。 　　[b]（2）軟件的實(shí)現(xiàn) [/b]　　測(cè)試系統(tǒng)的軟件一般不超過20 000行，涉及底層的I／O操作、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)學(xué)運(yùn)算、圖形用戶界面和報(bào)表等各方面，單純諸如VB、c或c＋＋、Delphi語(yǔ)言開發(fā)不利于提高速度。筆者在開發(fā)主控程序和離線分析時(shí)采用了美國(guó)NI公司的LabWindows CVI組態(tài)軟件；實(shí)時(shí)處理是用MSVC采用面向?qū)ο蟮姆椒?gòu)件的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)；而數(shù)據(jù)庫(kù)管理和報(bào)表采用MSVB單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，它和主控程序通過RAM盤上的數(shù)據(jù)文件交換數(shù)據(jù)。最后得到如圖2所示的軟件結(jié)構(gòu)。它集成了穩(wěn)態(tài)過程數(shù)據(jù)記錄、暫態(tài)波形自動(dòng)捕獲、暫態(tài)分析、負(fù)荷在線預(yù)報(bào)、數(shù)據(jù)展示和報(bào)表功能。軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是Windows95的客戶／服務(wù)器策略、DDE、OOP技術(shù)。軟件由以下4個(gè)程序組成：自動(dòng)測(cè)試程序（BZCSEV）、用戶界面程序（UI）、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分析程序（ANYSPD）和暫態(tài)數(shù)據(jù)分析程序（ANYTPD）。 　　程序之間采用DDE進(jìn)行通信和交換數(shù)據(jù)，通信中BZCSEV是服務(wù)器（server），UIANYSPD和ANYTPD是客戶（client）。各程序功能分述如下[/align][align=left] 圖2　軟件組成框圖 　?、賃I完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和暫態(tài)數(shù)據(jù)的展示和報(bào)表、用戶（USER1）命令的輸入和變電所信息的輸入。UI是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的非專業(yè)人員設(shè)計(jì)的，功能比較簡(jiǎn)單。 　?、贐ZCAVER完成采集卡驅(qū)動(dòng)（DACQDRV）、數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄（MONITER）、統(tǒng)計(jì)分析（STAT）、數(shù)據(jù)管理（DBM）和響應(yīng)客戶的請(qǐng)求（ACQ）。 　?、跘NYSPD完成穩(wěn)態(tài)過程數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析。 　?、蹵NYTPD完成暫態(tài)數(shù)據(jù)的分析。ANYSPD和ANYTPD的使用者一般是專業(yè)人員。 [b]3　算法討論 　?。?）數(shù)據(jù)采集 [/b]　　采集卡（ADC）與PC機(jī)通過I／O接口交換數(shù)據(jù)。PC機(jī)與ADC的通信有查詢方式和中斷方式，在Window95環(huán)境下，可采用中斷方式提高系統(tǒng)的性能，但需開發(fā)硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，Windows95的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是采用虛擬設(shè)備（VXD）機(jī)制。VXD的開發(fā)不但需要程序員對(duì)Windows95運(yùn)行機(jī)制有深入的了解而且軟件費(fèi)用極其昂貴，加之國(guó)內(nèi)介紹VXD的資料極少，個(gè)人在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)VXD有較大的難度，當(dāng)采用查詢方式時(shí)，CPU要花費(fèi)一定時(shí)間做等待而引起系統(tǒng)性能下降。好在Windows95是支持多線程，用查詢方式還是可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣。其方法是在采集卡設(shè)備一定時(shí)RAM作為緩沖，通常用先進(jìn)先出（FIFO）和輔助標(biāo)志（FIFO空、滿和半滿）的機(jī)制，并在軟件中用一個(gè)獨(dú)立的線程來(lái)完成對(duì)ADC的查詢和讀取數(shù)據(jù)，采集線程與主線程通過雙緩沖區(qū)交換數(shù)據(jù)。雙緩沖區(qū)由兩個(gè)大小相等的數(shù)組BuffA、BuffB和標(biāo)志組成，用c＋＋表示為 　　struct｛ 　　shortint＊wptr；∥存數(shù)指針 　　shortint＊rptr；∥取數(shù)指針 　　BOOLAflag；∥緩沖區(qū)A滿／空 　　BOOLBflag；∥緩沖區(qū)B滿／空 　　intbuffsize；∥緩沖區(qū)大小 　　shortint＊buffA；∥緩沖區(qū)A 　　shortint＊buffB；∥緩沖區(qū)B 　?。? 　　程序工作過程是：數(shù)據(jù)采集線程讀取采集卡FIFO中的數(shù)據(jù)、通過存數(shù)指針wptr依次向Buff A和BuffB寫入，并在寫滿后對(duì)Aflag和Bflag置位；主線程不斷查詢Aflag和Bflag，在其處于置位狀態(tài)時(shí)通過取數(shù)指針rptr讀取數(shù)據(jù)，讀取完畢后對(duì)Aflag和Bflag復(fù)位。為實(shí)現(xiàn)兩者同步，需了解機(jī)器進(jìn)行I／O操作、計(jì)算和磁盤操作的速度，合理地選取buff－Size的大小和設(shè)置兩線程的優(yōu)先級(jí)別。 　[b]?。?）事件觸發(fā) [/b]　　要實(shí)現(xiàn)暫態(tài)過程的自動(dòng)記錄，需要設(shè)計(jì)較全面的事件觸發(fā)邏輯。這里針對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，提出幾種通過電壓、電流波形特征來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)的方法。設(shè)取樣后的信號(hào)為x（n）（n＝1，2，…，N；N＝2p），x（n）為實(shí)數(shù)，p的選取決定于采樣頻率和數(shù)據(jù)窗口長(zhǎng)度。經(jīng)FFT變換后為X［k］（k＝1，2，…，N），X［k］為復(fù)數(shù)，令A(yù)m（X［k］）為X［k］的幅值，Arg（X［k］）為X［k］的角度。有如下3種觸發(fā)方法。 　?、倌芰颗袆e法　判斷信號(hào)能量是否超出給定的范圍。設(shè)信號(hào)的能量為E，則 　　式中　Emin和Emax視具體情況而定。 　　此法適宜于捕獲如過負(fù)荷、短路故障、過電壓等暫態(tài)過程。 　?、谥C波含量判別法　檢查某次諧波含有率HR或綜合畸變率THD的大小。觸發(fā)條件如 　　HR［k］＞HRmax［k］THD＞THDmax（3[/align][align=left] 式中　HRmax［k］和THDmax的選取可參照國(guó)標(biāo)。 　　此法對(duì)捕獲波形特征非常明顯的暫態(tài)過程尤其有效，如勵(lì)磁涌流的二次諧波、短路故障中直流分量。 　?、巯嚓P(guān)系數(shù)判別法 考慮諧波較嚴(yán)重情況下,系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)信號(hào)的波形形狀接近其特征波形（相當(dāng)于統(tǒng)計(jì)均值）且隨時(shí)間變化不大。而系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，由于慣性的作用信號(hào)能量不會(huì)有較大的改變，單從能量和某一次的諧波含有率的變化來(lái)辨別不能做到及時(shí)、準(zhǔn)確和全面的判斷。當(dāng)然可用后觸發(fā)來(lái)解決這一問題，即多記錄一段時(shí)間的波形，但這樣做既增加系統(tǒng)的投資又造成編程的復(fù)雜性。如果把信號(hào)波形看作所處狀態(tài)空間的點(diǎn)（或稱矢量），那么特征波形相當(dāng)于空間的中心位置。某一時(shí)刻的信號(hào)波形與特征波形的相關(guān)系數(shù)即為矢量之間的夾角。考察此角度的大小即可判別系統(tǒng)是否處于暫態(tài)過程。為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，用頻域數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算相關(guān)系數(shù)。[/align][align=left] 式中　X［k］為X［k］的共軛，X0［k］為X0［k］的共軛，φ＝cos－1（C）為夾角。 　　觸發(fā)條件為 　　φ＞φmax（5） 　　其中φmax取值不大于45°。 4　結(jié)論 　　應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量綜合測(cè)試切實(shí)可行的方法。運(yùn)用實(shí)時(shí)同步采樣技術(shù)和傅立葉分析提取穩(wěn)態(tài)諧波、負(fù)序和功率參數(shù)可得到滿意的結(jié)果。在Windwos95環(huán)境下采用混合編程適合于長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)記錄和分析工作。[/align]