隨著電力電子設備的廣泛應用，電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題已引起世界各國有關(guān)部門的重視，不少國家制訂了限制電力諧波和負序電流的標準，我國也制訂了相關(guān)標準。在供電系統(tǒng)的設計中，對諧波、負荷電流水平和功率因數(shù)進行合理估算并采取相應措施（如加設濾波和無功補償裝置）是非常必要的。電能質(zhì)量綜合測試系統(tǒng)的設計對提高設計水平、探尋電能質(zhì)量改造方案和把握電力負荷規(guī)律都有意義。 [b]1　硬件設計 [/b]　　傳統(tǒng)電路測試是靠分立的儀器組合完成的，如功率裝置（有功功率表、無功功率表、功率因數(shù)表和電度表）、波形監(jiān)測裝置（模擬或數(shù)字示波器、波形記錄儀）、諧波分析裝置和負序裝置等。這種測試方法的主要弊端是裝置體積龐大、自動化程度低和數(shù)據(jù)不集中難以進行相關(guān)分析。新一代的測試系統(tǒng)基于計算機控制、自動測試平臺和虛擬儀器技術(shù)，按信息處理次序由傳感器、信號采集、多路切換開關(guān)、數(shù)模轉(zhuǎn)換、接口電路和計算機組成，克服了傳統(tǒng)測試的弊端。目前，適合做電能質(zhì)量測試的硬件主要有：PC機加采集卡、GP—IP系統(tǒng)、CAMAC系統(tǒng)和VXI系統(tǒng)，其中PC機加采集卡具有結(jié)構(gòu)簡單、價廉和開發(fā)周期短等突出優(yōu)點，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準接口系統(tǒng)，在通路較多、并且已有相當?shù)膸Ы涌诘臏y試儀器的情況下能方便地集成一個大型、多功能的綜合測試系統(tǒng)。 　　當待測模擬量為高電壓和大電流時，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。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，其變換的精度滿足測試要求［3，4］，因此要做的工作只是設計電壓—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，此模塊又分為信號傳感和數(shù)據(jù)采集兩部分。電壓信號的線性變換由電壓互感器和電壓傳感器（PS）組成，電流信號的線性變換由電流互感器和電流傳感器（CS）組成。 [b]2　軟件設計 [/b]　　這里只討論基于PC機＋采集卡硬件方案的軟件設計。為了便于用戶使用和盡量使分析結(jié)果直觀、明了，軟件工作平臺選用Windows95。實踐證Windows95圖形用戶界面（GUI）、多線程和多任務、進程間通信（DDE）等技術(shù)對完成綜合測試大有裨益。 　　[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)處理按處理時間不同可分為實時處理和離線分析兩種。實時處理包括對時間序列進行快速富立葉變換（FFT）運算、負序分解、功率計算和數(shù)理統(tǒng)計。根據(jù)國際規(guī)定，統(tǒng)計參數(shù)包括諧波幅值、電壓不平衡度的平均值、均方根、95％概率值及相應的合格率等。計算各種無功計量方式（返送不計、返送返計、返送正計）下功率因數(shù)、功率平均值和均方根、負荷率等。 [align=center]圖1　模擬量采集電路組成圖 　　[/align][align=left] 離線分析主要用來分析負荷的變化規(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，計算諧波的復平均值、概率分布，基波和諧波及負序的相關(guān)分析，負荷過程的功率譜估計、統(tǒng)計模型的辨識及負荷的預報，系統(tǒng)頻率與負荷有功功率和無功功率的相關(guān)分析及負荷模型的辨識。 　　暫態(tài)錄波有兩種工作方式：手動觸發(fā)和自動觸發(fā)。手動觸發(fā)是預先設置好待錄波的信號和記錄時間長度，通過按鍵或用戶界面上的按鈕來啟動。自動觸發(fā)有各種方式，如定時、過零點、越限、尖峰等等，統(tǒng)稱為事件觸發(fā)。 　　[b]（2）軟件的實現(xiàn) [/b]　　測試系統(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、數(shù)學運算、圖形用戶界面和報表等各方面，單純諸如VB、c或c＋＋、Delphi語言開發(fā)不利于提高速度。筆者在開發(fā)主控程序和離線分析時采用了美國NI公司的LabWindows CVI組態(tài)軟件；實時處理是用MSVC采用面向?qū)ο蟮姆椒?gòu)件的動態(tài)連接庫；而數(shù)據(jù)庫管理和報表采用MSVB單獨實現(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)波形自動捕獲、暫態(tài)分析、負荷在線預報、數(shù)據(jù)展示和報表功能。軟件設計的關(guān)鍵技術(shù)是Windows95的客戶／服務器策略、DDE、OOP技術(shù)。軟件由以下4個程序組成：自動測試程序（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進行通信和交換數(shù)據(jù)，通信中BZCSEV是服務器（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完成實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和暫態(tài)數(shù)據(jù)的展示和報表、用戶（USER1）命令的輸入和變電所信息的輸入。UI是針對現(xiàn)場的非專業(yè)人員設計的，功能比較簡單。 　　②BZCAVER完成采集卡驅(qū)動（DACQDRV）、數(shù)據(jù)自動記錄（MONITER）、統(tǒng)計分析（STAT）、數(shù)據(jù)管理（DBM）和響應客戶的請求（ACQ）。 　　③ANYSPD完成穩(wěn)態(tài)過程數(shù)據(jù)的進一步分析。 　?、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機通過I／O接口交換數(shù)據(jù)。PC機與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)硬件設備驅(qū)動程序，Windows95的設備驅(qū)動程序是采用虛擬設備（VXD）機制。VXD的開發(fā)不但需要程序員對Windows95運行機制有深入的了解而且軟件費用極其昂貴，加之國內(nèi)介紹VXD的資料極少，個人在短時間內(nèi)開發(fā)VXD有較大的難度，當采用查詢方式時，CPU要花費一定時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現(xiàn)連續(xù)采樣。其方法是在采集卡設備一定時RAM作為緩沖，通常用先進先出（FIFO）和輔助標志（FIFO空、滿和半滿）的機制，并在軟件中用一個獨立的線程來完成對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)由兩個大小相等的數(shù)組BuffA、BuffB和標志組成，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)時通過取數(shù)指針rptr讀取數(shù)據(jù)，讀取完畢后對Aflag和Bflag復位。為實現(xiàn)兩者同步，需了解機器進行I／O操作、計算和磁盤操作的速度，合理地選取buff－Size的大小和設置兩線程的優(yōu)先級別。 　[b]?。?）事件觸發(fā) [/b]　　要實現(xiàn)暫態(tài)過程的自動記錄，需要設計較全面的事件觸發(fā)邏輯。這里針對電力系統(tǒng)運行特點，提出幾種通過電壓、電流波形特征來實現(xiàn)自動觸發(fā)的方法。設取樣后的信號為x（n）（n＝1，2，…，N；N＝2p），x（n）為實數(shù)，p的選取決定于采樣頻率和數(shù)據(jù)窗口長度。經(jīng)FFT變換后為X［k］（k＝1，2，…，N），X［k］為復數(shù)，令Am（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　判斷信號能量是否超出給定的范圍。設信號的能量為E，則 　　式中　Emin和Emax視具體情況而定。 　　此法適宜于捕獲如過負荷、短路故障、過電壓等暫態(tài)過程。 　　②諧波含量判別法　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的選取可參照國標。 　　此法對捕獲波形特征非常明顯的暫態(tài)過程尤其有效，如勵磁涌流的二次諧波、短路故障中直流分量。 　?、巯嚓P(guān)系數(shù)判別法 考慮諧波較嚴重情況下,系統(tǒng)穩(wěn)定工作時信號的波形形狀接近其特征波形（相當于統(tǒng)計均值）且隨時間變化不大。而系統(tǒng)受到擾動后，由于慣性的作用信號能量不會有較大的改變，單從能量和某一次的諧波含有率的變化來辨別不能做到及時、準確和全面的判斷。當然可用后觸發(fā)來解決這一問題，即多記錄一段時間的波形，但這樣做既增加系統(tǒng)的投資又造成編程的復雜性。如果把信號波形看作所處狀態(tài)空間的點（或稱矢量），那么特征波形相當于空間的中心位置。某一時刻的信號波形與特征波形的相關(guān)系數(shù)即為矢量之間的夾角?？疾齑私嵌鹊拇笮〖纯膳袆e系統(tǒng)是否處于暫態(tài)過程。為了節(jié)省運算時間，用頻域數(shù)據(jù)來計算相關(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 　　應用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)和計算機技術(shù)是實現(xiàn)電能質(zhì)量綜合測試切實可行的方法。運用實時同步采樣技術(shù)和傅立葉分析提取穩(wěn)態(tài)諧波、負序和功率參數(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時間的數(shù)據(jù)記錄和分析工作。[/align]