0 引言

如今开展电能质量监测、分析与控制己成为国家战略发展的需要，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中明确将“电能质量检测与控制技术”列为能源重点领域的优先主题内容，要求有效开展大功率电力电子技术应用、实现电能质量控制等。

本研究将电能质量分析仪和电能质量管理系统配合，构成较完整的电能质量监测、分析、管理系统。本研究实时采集电能质量指标，对电能质量进行实时测量、记录、监控以及分析，并可通过RS485或以太网，将数据传送至电能质量管理系统，从而使电能质量管理系统对电能质量监控数据进行分析、显示、存储或者打印报表等。

1 电能质量分析仪及其关键技术

1.1 电能质量定义

电能质量通常是指电网供给用电设备的电能的电压或电流的幅度、频率、波形等主要参数与电网给出的标准值之间的偏差。我国目前给出了六个电能质量有关的单项参数标准，分别是：

电网电压允许偏差标准(GB/T 12352—1990)：

电网频率允许偏差标准(GB/T 15945—1995);

三相电压不平衡度允许标准(GB/T 15543-1995 );

电网谐波允许标准(GB/T 14543-1993);

电压波动和闪变允许标准(GB/T 12326-1990及GB/T 12326—2000);

暂时过电压和瞬态过电压允许标准(GB/T18481—2001)。

1.2 电能质量分析仪的软件组成

电能质量分析仪的软件设计主要是GUI(人机交互界面)部分和数据处理部分，软件部分的框图如图1所示。

其中左侧为ARM端软件，右侧为DSP端软件，图中阴影部分是本论文的主要工作，同时也是整个软件设计部分的主要工作，包括ARM端的GUI设计和数据分析程序设计;DSP端的数据处理程序。

数据分析仪中的数据处理流程如图2所示。

主要的数据路径是从模拟信号输入后进行放大、滤波等调理后进行AD转换，然后传送到DSP內，进行相应的处理后，送入ARM处理器进行数据分析，然后送入GUI显示，提供给使用者。

DSP端的数据处理软件结构如图3所示。

1.3 硬件系统介绍

硬件部分的大概结构如图4所示。

整个硬件系统的构成大概可以分为模拟信号处理、采样系统、数据处理及用户交互系统三部分，其中模拟信号处理部分主要是将需要采集的信号处理成AD芯片可以量化的电平范围，模拟处理部分的最前端是互感器，通过采用不同的互感器，可以将高压转变为低压交流电，也可以将电流信号转变为低压交变电压，然后通过信号调理电路进行衰减或者放大处理后转变为合适的电压值，通常情况下模拟信号调理部分也加入了滤波电路，将高与奈奎斯特采样频率的信号滤除，避免AD采样发生混叠。

采样部分由FPGA、AD及触发电路组成，因为一般情况下仪器的处理过程都是先采样，然后进行处理，然后再采样，这样不断重复，所以通常情况下都会设定一定的触发条件，在满足触发条件的情况下启动采样。触发电路也可以设定故障采样模式，例如在电压高于阀值的情况下及时采样，避免漏掉故障信号。而且加入触发锁相功能可以实现不同相电压、电压与电流、不同采样时间内的相位锁定。该部分实现对三相电压、三相电流共6路信号进行同步采样并存入FPGA的内部缓冲区供处理器访问。

2 主界面及数据处理设计

2.1 主界面设计

根据设计要求，本分析仪主要包含测量、监视、记录、储存这几种功能，同时主界面还需要加入系统设定和相关信息，所以设计了如图5的主界面。

在界面的最上端，建立了一个工具条作为标题栏，最左边是一个文本框，里面显示当前界面的功能名称，在这里是“main menu”，文本框右侧是2个标签，左边的标签显示的是日期，右边的标签显示的是系统时间，当时间显示错误时可以在系统设置里面可以对日期和时间进行调整。在界面的下端建立了一个工具条作为导航栏，用来放置功能按钮，在主菜单里只需要一个退出按钮用来关闭程序。上下界面之间是主要信息显示区，在主界面里显示的是系统具有的功能，通过点击相应的图标即可打开相应的功能界面。

2.2 数据处理设计

2.2.1 RMS测量数据

RMS测量功能包含三相电压有效值Vrms、峰值Vpk、峰值系数Vcf的测量;三相电流与和电流有效值Arms、峰值Apk、峰值系数Acf的测量;三相与和功率有功功率P、无功功率Q、视在功率S、功率因数PF、位移功率因数DPF、频率。

(1)电压参数测量。电压参数测量功能的输入信号是3相线电压AD采样：vol_A，vol_B，vol_C，输出是三路采样的Vrms值，Vpk值，还有Vcf值。其中Vpk值是寻找所有采样点中绝对值值最大的采样点的绝对值。Vrms是通过公式

求得的。而Vcf则等于Vpk/Vrms，对于理想正弦波来说，该值应该等于√2，约为1.414。

(2)电流参数测量。模拟电路将电流信号转变为电压信号进行采样，所以在进行计算的时候仅需要按照电压的处理方式处理后除以一个电流采样系数即可，N相电流的瞬时值只需要将三相电流瞬时值相加，然后和其他三相的电流进行同样的处理。

(3)功率参数测量。功率信号没有直接测量数据，是通过电压、电流采样数据计算得来。其中的有功功率的计算公式为：

其中U、I分别为电压的有效值和电流的有效值，a为电压与电流的相位差，但是上述公式只适用于标准单频无畸变正弦波，在实际使用时需要使用下面的公式将所有谐波的功率计算在内，式(7)为有功功率计算，式(8)为无功功率计算，式(9)为视在功率计算：

其中Uk、Ik、θk、φk分别为第k次谐波的电压峰值、电流峰值、电压初始相位、电流初始相位。可以通过FFT计算求得。然后可以通过式(10)计算功率因数PF：

PF=P/S (10)

位移功率因数是指的基波的功率因数，即基波有功功率与视在功率之比，可以通过式(11)进行计算：

DPF=P1/S1 (11)

(4)频率测量。以前的频率测量方法是通过对输入电压与参考电压进行比较，生成一个方波，通过对这个方波的周期进行测量就可以求得输入电压的频率，但是这种方法在实际使用中会受到噪声信号和谐波的干扰，使得测量抖动比较大。

2.2.2 谐波测量界面及算法设计

谐波指的是基波大于1的整数倍频率分量，对于50HZ的供电系统来说，奇数次谐波分量就是150HZ、250Hz等基波的基数倍频率，偶次谐波就是100Hz、200Hz等基波频率的偶数倍频率分量。

以前的测量方式中，是通过模拟带通滤波器分离出谐波后通过有效值转换电路转变为直流量进行测量，但是这种测量方式的缺点非常明显，第一是只能对比较有限次数的谐波进行测量;第二是相应比较慢;第三是电路复杂且滤波器容易受到环境因素影响。

现在都是通过数字的方式进行谐波分析，AD采样后通过一定的算法将时域信号转化为频域信号，再对频域信号进行分析。进行时域与频域之间转化的算法有傅立叶变换、小波分析等。DSP芯片针对傅立叶变换进行了专门的优化，可以在非常短的时间内完成变换，可以进行实时分析，所以我们采用傅立叶变换作为谐波分析的算法。

FFT运算是一种复数运算，而采集的电压信号和电流信号都是实数，分别对两者进行FFT运算的话就有点不太经济，如果将电压信号作为实部，电流信号作为虚部构成函数x(t)=u(t)+ji(t)进行FFT运算，则基本可以省掉一半的计算。在完成FFT转换后可以通过式(12)和式(13)计算出电压与电流FFT的数据：

在通过FFT计算频谱的时候会发生一种叫做“频谱泄漏”的现象，这种现象会导致频谱测量偏离真实值，同时会在本来没有频谱的地方产生假频谱，这种现象通过加窗函数解决，所谓的窗函数其实是决定的采样点的权重，直接对采样点进行FFT运算相当于加的矩形窗，即样本点内权重为1，样本点外权重为0。而通过添加不同的窗函数可以使得样本点两端的数据的权重变小，所以数据不连续导致的影响也会相应变小。

因为在实际的电网里面，谐波分量远小于基波分量，两者通常相差40dB以上，所以我们需要选择一种下降速度比较快的窗函数，避免基波泄漏将谐波淹没。根据这一特点我们选择了布莱克曼窗，该窗函数的表达式为：

基于布莱克曼窗FFT算法求解谐波分量的步骤为：1)根据窗长度截取采集到的时域波形数据;2)进行FFT运算，将时域数据变换为频域数据;3)在频域数据中寻找最大值km，确定λm;4)根据λm估计各个谐波分量的频率、幅值和相位。

添加布莱克曼窗函数的FFT算法对各分量频率的估计相当准确，基本与实际频率相同，误差在0.002%以内。而对于幅值和相位，此算法的分析精度控制在0.5%以内，完全满足了国家标准。

THD的计算根据式(16)计算：

式中的Uh为h阶谐波分量有效值，UI为基波分量有效值。

2.3 系统调试

整个电能质量分析仪的系统调试工作分为开发环境中的模拟调试和硬件系统上的硬件调试两部分。

在调试时，数据使用是模拟数据，看GUI是否按照预定的设计显示，可以用鼠标模拟触摸屏的响应，完成基本功能的调试后，再到硬件平台上进行调试。

DSP端的调试界面如图6所示。

在仿真调试将基本功能进行调试后，可以排除大部分的设计错误，但是仍然有很多错误需要在硬件平台上进行调试，在烧写完代码后，需要将设备连接到测试电源上进行调试，根据不同测试可能需要不同的连线，如图7的3P3W带3CT，测试电源可以模拟常见的电网参数，根据分析仪的界面显示即可进行调试，调试如图8所示。

3 结束语

随着越来越多的精密仪器、精密设备的使用，电能质量问题日益突出，因电能质量差带来的负面影响越来越大，所以越来越多的人开始关注这个问题，电力部门需要对电网进行监控，以及时发现电网的问题，用户也需要对设备供电进行监测，防止电能质量出现问题时可以及时发现，并采取相应的措施。

本文研究的仪器将所有的处理全部实现数字化，只需要配合不同的互感器就可以应用到所有的电网上，而且数字化处理精度高、方便升级、方便添加新的功能、可以远程采集数据。通过FPGA、DSP、ARM处理器的配合，能实现输入信号同步采样、实时计算、长时间记录、统计，性能优良。