风电变流器数据采集系统毕业设计方案定稿.doc

引 言

伴随工业飞速发展，人类对能源需求显著增加，而地球上可利用常规能源日趋匮乏。为实现能源连续发展，世界各国全部开始开发新能源和再生能源。风能是一个无污染可再生能源，得到了世界上很多国家重视。风力发电作为风能关键应用形式，多年来，在世界范围内取得了长足发展。据国际能源所估计，全球风电总装机12.31亿kW，其发电量占世界总发电量12％。中国风电场总装机容量达56.7万kW，估计到，总装机容量达3000万kW，占全国发电量2.4％。风力发电系统通常分为两大类，采取恒速恒频发电机风电系统和采取变速恒频发电机风电系统。风力发电机组和电网并联运行时，要求风力发电机组发出电能频率保持恒定，和电网频率相等[1]。
现在，中国外电能质量检测装置种类很繁多，就其性能来说，能够分为高、中、低三档。国外对电能质量研究起步较早，现在相关电能质量研究已经取得了很多结果，尤其是在高级产品领域占据主导地位。国外高级电能质量检测装置特点突出表现在功效丰富和精度高两个方面，如美国FLUK企业、加拿大电力测量企业（Power Measurement Ltd)、瑞典联合电力企业(Unipower)、美国EIG企业等生产电能质量检测装置含有检测精度高、检测指标多、功效丰富等特点。其中Fluke430系列电能质量分析仪，其基础电力参数测量有电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等；电能质量参数测量有电压和电流50次谐波和间谐波、THD (总谐波失真)、功率谐波及谐波方向、闪变分析（瞬时闪变、短时闪变、长时闪变)、电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度等，能检测现在几乎全部电力和电能质量参数，基础精度达0.1%[2][3]。
在中国，现在电能质量中一些问题已经成为电工领域前沿性课题，吸引了众多高校和科研院所一大批科技人员投入其中进行研究，结果也很显著。在检测和应用仪表开发方面，中国正进入一个蓬勃发展时期。硬件方面有基于单片机、基于DSP、基于ARM系统等。软件方面有基于LABVIEW、 基于CAN总线、基于WEB技术等。迄今为止，中国生产电能质量检测仪水平较高厂家有深圳领步科技、上海宝钢安大电能质量、安徽振兴科技股份、保定方长电子、长沙威盛电子等。她们生产电能质量检测仪产品在一定程度上代表着中国电能质量监测装置优异水平。不过因为中国在电能质量研究上起步相对较晚，使用电能质量测量装置功效单一，只能实现对某种电能质量指标测量，实时性差，多数不含有综合测量、分析、判定功效。伴随电力系统运行管理系统化、网络化、自动化和智能化，对电能质量产品提出了更高要求，以适应该代化电能管理需求[4][5][6]。
专用电能质量分析设备功效虽强，但成本偏高，不适合大量应用场所；手持式和便携式设备毕竟是一个临时故障诊疗、排错和评定设备，而且实时性指标也不一定满足要求[7]。本设计依据这种需求，以DSP为关键，采取A/D采样芯片作实时采样，外围绝大部分逻辑电路均做在CPLD内，大大缩小了体积，能够提升系统可靠性和性价比。同时以数字信号处理技术为出发点，采取更灵活、更正确数字信号处理算法程序进行数据处理，提升系统参数计算效率，使电能质量检测符合数字化技术发展需要，所以含有较强现实意义。

第1章 绪论

1.1 风力发电电力参数采集关键意义
伴随现今经济快速发展，电力用户为满足其对产品个性化、多样性生产需求，从最大经济利益出发，在大功率、冲击性、非线性负荷快速增加同时，更大规模地采取科技含量高器件、设备和技术。越来越多电力用户采取了微电子技术、计算机技术、电力电子技术、数字控制自动化生产线等。 
伴随微电子技术和电力电子技术发展，基于电力电子技术装置和设备在现代工业中得到了广泛应用，同时直流输电、电气化铁路等冲击性负荷不停增多，还有多种大型用电设备起停，全部对电网电能质量产生严重污染；但其次，伴随高新技术发展，尤其是信息产业发展，用户使用现代新型负荷设备，多是基于微处理器敏感性控制设备，它们对电能质量问题很敏感而且对电能质量要求越来越高。电能质量若偏离正常水平过大，会给发电、输变电和用电设备带来不一样程度危害，对用电企业造成重大经济损失，这使部分过去不受重视电能质量问题变得不容忽略。
而众所周知，在工业生产和日常生活中，电力对社会和个人有着亲密关系和关键意义，因为电流、电压过低过高均影响设备寿命，严重还会危及人身安全；均能影响多种电器设备正常使用功效而且对电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数和频率等电力参数正确、快速地检测、监控能够立即掌握供电线路和设备运行状态，立即发觉电网中故障或隐患，进而采取合理和有效方法，确保电力系统及设备运行良好。多年来，伴随电力电子技术快速发展，在化工、冶金、电力传送、电气化铁道等行业，和家用电器中非线性负荷使用日渐增多，尤其是部分大功率整流设备和电弧炉等大量应用，造成在电力系统中产生大量谐波，进而引发电压、电流波形发生畸变，电力谐波不仅会严重危害供用电设备和电气仪表，使供电质量不停下降，影响计量设备测量控制，不能正确地反应电力系统运行情况，损害用户利益，也会对电力系统本身造成不良影响和危害[8][9]。在很长一段时间以来，我们还没有一套完整指标来衡量电能质量，通常关心是电力供给量方面，较少关心电能质量友好波情况，而且现有部分检测器件还依靠于有百年历史动圈式仪表和交流互感器之类电工仪表，这些仪表只能显示电力参数有效值和模拟值，误差大，精度低，不能满足实际测量要求，有些也仅考虑了测量基波分量情况，较少考虑对谐波测量，那么电力参数实时正确测量成了必需要处理问题。
从以上研究可见，研制一个多功效电力参数检测装置对于风力发电远距离监控含有很关键意义，它不仅要能对如电压、电流、功率、功率因数和频率等关键电力参数进行实时检测，还要对电力系统中高次谐波进行实时分析，从而使远处值班人员采取深入方法，降低谐波污染，确保电能质量，确保电力系统安全、可靠、经济地运行。

1.2 数字信号处理器（DSP）在电能检测中关键应用
伴随电力电子技术发展，整流器、变频器和电弧炉等多种非线性负载在工农业生产和输用电设备中得到了广泛应用。这些负载非线性、冲击性和不平衡性使电网供电质量日趋恶化，造成很多稳态、暂态电能质量问题[10]。据美国电力科学研究院Jane Clemmensen粗略估量，当今在美国因电能质量每十二个月造成损失高达260亿美元。相关电能质量问题已引发世界各国高度重视，中国也相继提出了针对电能质量五大指标：供电电压许可偏差、电压波动和闪变、公用电网谐波、三相电压许可不平衡度和电力系统许可频率偏差，并主动进行提升电能质量研究。现在电能质量检测仅限于连续性和稳定性指标检测。传统基于有效值理论检测技术，因为时间窗太长，仅测有效值已经不能反应实际电能质量问题，急需新检测技术来捕捉瞬时干扰波形，测量各次谐波幅值和相位，建立有效自动辨识系统，使之能反应多种电能指标特征及随时间改变规律。
因为交流信号是一个近似周期正弦信号，基于变换数字化分析方法含有较强应用价值。利用基FFT数字式测试仪能够正确测量三相不平衡度，采样数据经过FFT变换除去各次谐波后，求得基波幅值和相位。利用对称分量法求得电压、电流正序、负序和零序分量幅值、相位和不平衡度。考虑到多种变换特点，对诸如谐波、间谐波、波形下陷及噪声等以波形畸变为特征稳态电能质量问题，多采取傅立叶变换及其改善算法；对于脉冲、谐振及电压突变等暂态信号分析，多采取能够进行时频分析小波变换。改善STFT(Short—time FourierTransform)算法也能实现对电能质量评定，其思想是先用宽窗对测量数据进行快速浏览，检测到扰动以后再用窄窗对扰动进行聚焦，结合扰动定义，能够对电能质量问题进行评定分类。另外，为了提升待测电压、电流信噪比，能够利用现代谱分析思想。伴随电能质量研究逐步深入，以后工作将是设计和开发基于变换实用装置，从而进行电能质量检测分析及扰动类型正确识别。

1.3 电力参数检测发展及现实状况情况

数据采集系统广泛应用在科研、教育、工业、水利、医疗、物流等各行各业，形式多样，种类繁多。数据采集系统应用和发展对中国现代化建设有着很关键现实意义。
在工业生产和科学技术研究各行业中，常常利用PC或工控机对多种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。现在常见采集方法是经过数据采集板卡，常见有A/D卡和RS-422、RS-485等总线板卡，常见产品有西门子、研华工控、联想工控等中国外部分产品，该实现方法通常适适用于规模较复杂采样控制场所。对于通常场所通常见功效比较单一仪器设备，即时采集显示，再经过经验去分析。采取板卡方法数据采集系统不仅安装麻烦、易受机箱内环境干扰，而且轻易受计算机插槽数量和地址、中止资源限制等。这些采集系统，通常结构比较复杂，成本较高。
在其它部分领域，如办公自动化方面，伴随目前计算机和网络技术发展，中国信息化水平快速提升，电子政务、电子商务逐步推广，经过信息技术对原有业务改造，政府、企业大多数全部实现了“无纸化”办公步骤。但在多数信息应用中，并不完全涵盖工作全部步骤，很多文档还是以纸质档形式存在，比如考试中机读卡、人口普查表、彩票投注单、选票、定货单等。将这些信息录入计算机是一件很繁琐事情。假如经过键盘手工输入，不仅费时费力且轻易犯错。在实时性要求较高场所如选举中统计选票自动、快速、正确地处理文档显得尤为关键。所以，对这些文档进行计算机自动录入含相关键实现意义。现在在中国外有多个信息录入设备，如高速图象扫描设备，机读一卡设备等。这些产品发展较为成熟，产品形式多样，能快速正确完成对信息数据录入。但这些产品也有各自缺点，如产品结构复杂，价格高昂等。
伴随中国电力事业快速发展，电力系统对发、输 、配、用电量采集也有了更高要求。电量采集作为电力系统实时控制、监测、调度自动化前提步骤，毫无疑问含相关键作用。但在电量采集过程中，因为存在谐波等干扰原因，所以怎样正确、快速地采集电力系统中各个模拟量一直是电力系统研究中热点。
依据采样信号不一样，采样可分为直流采样和交流采样两大类。直流采样算法简单、便于滤波，但维护复杂、延时较长、无法实现实时信号采集，所以在电力系统中应用越来越受到限制。交流采样实时性好、相位失真小、投资少、便于维护，其缺点是算法复杂、对A/D转换速度和CPU处理速度要求较高。
中国自20世纪80年代引进数字信号处理器以来，数字信号处理器已经在各个领域得到了广泛应用，DSP理论和技术已成为领域关键技术。因为DSP芯片既含有高速数字信号处理功效，又含有实时性、低功耗、高集成度等特点，所以在通信、工业控制、航空航天、医疗、国防等应用领域得到了很好应用。现在在市场上有TI、AD、MOTOROLA、AT&T等企业DSP芯片，其中，TI企业TMS320系列DSP芯片是现在最有影响、最为成功数字信号处理器。现在高速数据采集处理通常采取高性能数字信号处理器和高速总线技术框架结构。
在电力工业发展早期曾用电解化学原理进行参数测量，1890年，发明了感应式电磁原理电能表并沿用至今。早期电力参数检测大全部采取是模拟电子技术，测量装置体积庞大，功效单一，自动化程度较低和数据测量精度不高，难以进行谐波分析，不含有综合分析和判定功效，通常也不含有异常报警功效。不能立即发觉电力系统中异常现象，而且依靠运行人员定时巡回手工抄表来统计电耗情况，工作强度大，效率低。50年代出现数字式仪表，电力参数测量进入一个新阶段：数字式仪表采取数字电路进行信息数字化处理，和早期模拟仪表相比，能够得比较高正确度，灵敏度提升，价格低，但整体应用范围较窄，功效比较单调，移植性较差，难以适合高速实时信号处理。
伴随电子技术和微机技术飞速发展，微机广泛地应用于电力系统测量中，使得电力系统测量、监控技术得到了快速发展，精度和实时性有了很大提升。不过电力系统对检测装置实时性，计算能力及大数据量运算速度等各方面要求不停提升，采取一片CPU或双CPU微机式电力参数检测仪器，需要同时完成电力参数友好波大数据量计算，再加上A/D转换、数据采集、数据传送等系统内容影响，致使系统测量精度和正确度越来越不能满足日益提升性能要求。DSP技术高速发展为电力参数测试技术带来了新变革，尤其是在电力系统电压和电流高次谐波测量和分析中，DSP以其运算速度快、精度高、显著计算能力和实时性、数据输入输出能力强等特点而被广泛应用，而且采取DSP开发测量装置体积小，集成度高，伴随DSP芯片性价比不停提升，开发工具越来越完善，DSP应用成为现在电力参数测试开发最新趋势，在电力参数测量领域大有替换单片机趋势。
中国对电力参数研究和开提议步较晚，测量仪器整体测量水平较低，存在着实时性不强，检测指标少，效率低等缺点；现在中国还在使用部分模拟式和数字式测量仪表，即使部分专门测量装置已经在部分部门投入使用，不过多数是部分功效比较单一测试仪和分析仪，多功效、精度高测量装置在市场上比较少见；多年来，中国不少厂家经过借鉴国外测量仪器和经过和外国企业合作，不停研制和推出了多种系列高性能测量仪器。如杭州远方仪器PF9800系列测量仪器，兰州胜利仪器企业智能型电力参数采集测控仪表系列，青岛青智仪器企业电参量测试仪表等。这些测量仪器其性能比较优异，功效也比较齐全，能够测量有效值、功率友好波、闪变和三相不平衡度等全部参数，含有RS-232、RS-485等通讯方法，显示方法美观大方，能够实时显示数值、波形、频谱图等：即使在技术上看，中国测量仪器有了不少进步，但在部分性能指标、可靠性和智能化程度方面和国外同类产品还有一定差距。
国外对电力参数研究和开提议步较早，早在70年代就出现了能够测量多个电力参数多功效测量仪表；80年代，伴随目前电子技术发展，测量仪器已经进入智能化时代；90年代来，计算机技术、微电子技术、控制技术尤其网络通讯技术发展，使得测量装置得到空前发展；国外各大企业把这些技术应用于测量装置上。研制推出了众多在世界范围内处于领先测量仪器，如美国Fluke企业推出F43B电能质量分析仪，瑞典UNIPOWER企业UP系列电能质量测量仪等，可实时检测电力系统中全部参数，计算高达51次谐波，能够捕捉电压瞬变和骤升骤降及浪涌电流显示，含有强大网络功效，还含有全汉字操作软件，显示方法多样，硬件全电子化等特点。
伴随多种性能要求提升，测量仪器将在使用微机技术基础上，融累计算机控制、网络技术、总线技术和虚拟仪器相关技术，将测量、控制、分析集成于一体；这种装置体积小，测量精度较高，含有较强网络化和自动化功效，能够测量电压、电流、功率因数、频率、无功功率、视在功率、谐波及其它电力参数值测量，而且能够进行多条统计存放、可和计算机进行数据交换、可进行远程实时测量等。
目前，电力参数检测仪器正朝着以下方向发展：
1、体积小型化、功效多样化、功耗减小，维持电流降低化、采取新器件更高可靠性、显示方法普遍更新。
2、实现网络化智能、在线监测。伴随传感器技术、计算机技术、信息技术等发展，系统监测技术广泛采取这些优异科研结果，使在线监测逐步走向实用化阶段；监测装置可作为接入访问平台进入网络，能够实现设备资源和数据资源共享及远程操作。
3、虚拟化。虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木化硬件和软件平台上完全开发系统，结合电力系统应用，开发应用虚拟仪器技术建立高速、高效、大容量、多功效、智能化实时监测系统。

1.4 风电变流器电路系统
变流器由主电路系统、配电系统和控制系统组成。包含定子并网开关、整流模块、逆变模块、输入/输出滤波器、有源Crowbar电路、控制器、监控界面等部件。变流器主回路系统包含以下多个基础单元：转子侧逆直流母线单元、电网侧整流器。原理图以下。

图1-1 风电变流器系统电路
1.5 本课题研究关键内容
在风力发电系统中因为风速不稳定性，势必造成电压、频率波动和电力谐波对接入电网电能质量造成很大影响。为了愈加好地采集、分析、处理风电变流器实时信号，本课题关键设计实现关键含有高速度、高精度、高可靠性、实时性好、抗干扰能力强采集系统，包含软件和硬件系统设计

第2章 风电变流器基础电力参数及谐波测量方法

2.1电力参数测量内容及其计算原理
2.1.1 所需测量风电参数
1、在计算某一周期电压信号有效值时，
　 (2-1)
式中u——为t时刻电压信号瞬时值u(t)；
T——该电压信号波形周期；
U——交流电压信号有效值。
假如将式(2-1)离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来替换电压函数，则
　 (2-2)
式中 ——相邻两次采样时间间隔；
——第m个时间间隔电压信号采样瞬时值；
N——一个周期采样点数。
若相邻两次采样时间间隔全部相等，为常数。因为

则： (2-3)

这就是依据一个周期内采样瞬时值及每七天期采样点数计算电压信号有效值公式。
同理，记im为第m个时间间隔采样得到电流瞬时值，该电流有效值I为：
　　　 (2-4)
2、平均功率计算
(2-5)

其中N为电压电流周期，当一个周期内采样点数越多时，用此式误差越小，精度越高。
3、有功功率P、无功功率Q和视在功率S测量
正弦波情况下，有功功率为P=UI，不过在电流、电压含有多种谐波情况下，此时有功功率为，那么单相有功功率离散化后可得：
(2-6)
，为三相电压、电流瞬时采样值。
视在功率为： S=UI 　 　　　　　 (2-7)
　无功功率为： 　 (2-8)
对于三相功率：　P总 =PA +PB +PC 　　　　　　(2-9)
Q总 =QA +QB +QC
4、功率因数测量
因为前面已经测出了电压、电流有效值，和平均功率，故功率因数可表示为：
　　 (2-10)

5、频率测量
频率测量：对于一个理想正弦波，通常可利用波形在三个过零点之间就是一个整周期特点，经过整形电路整形得到方波信号，用DSP捕捉功效来捕捉波形中两个上升沿，同时开启定时器计数，这么两个上升沿之间定时器计数差值即为一个整周期计数值。

2.1.2 谐波检测技术
1、基于FFT谐波分析法
傅立叶变换是一个将信号从时域变换到频域变换形式，是声学、语音、电信和信号处理等领域中一个关键分析工具。离散傅立叶变换(DFT)是连续傅立叶变换在离散系统中表现形式。在实际谐波测量中，因为实际信号不可能是无限，对于计算机来说也必需对信号值离散化，经过采样和A/D转换，我们得到是一个时间序列有限取样数据。由采样得到N点序列x(n)，可了解为对连续信号X(t)离散采样后，用长度为N矩形窗截断结果。其DFT为：
(2-11)

式中
其逆变换为：
(2-12)

显然，当已知有N个采样值时，如直接按上式求出N个频率分量X(k)，需要NN次复数乘法，N(N-1)次复数加法。众所周知，实现一次复数相乘需要进行四次实数相乘和两次实数加，实现一次复数加需要进行两次实数加。当N很大时，其计算量相当可观。如N=1024，则需要1048576次复数乘法，即4194304次实数乘法，所需时间过长，难于“实时”实现。DFT运算量极其庞大，这也造成DFT在使用上受到了很大限制。其实DFT中存在大量反复运算， (旋转因子) 有以下周期性和对称性：
　　　 (2-13)
问题关键是怎样巧妙地利用w因子周期性及对称性，导出一个高效变换算法，直到1965年，J．w．Cooly和J．w．Turkey提出了快速傅立叶变换(FFT)，使DFT运算大大简化，从而使DFT在实际应用中得到了广泛利用，基于快速傅立叶变换谐波测量是当今应用最多算法，也是最广泛一个方法。这种算法在利用了周期性和对称性特点同时，关键是对反复出现乘法运算作了合理和巧妙安排。FFT使N点DFT乘法计算量由使DFT计算工作量复杂度从NN量级降到了级。仍以N=1024为例，计算降为5120次复数乘法，仅为原来0.488％。自从Cooly．Turkey算法提出后，新算法不停涌现。总来说，快速傅立叶变换发展方向有两个，一是针对N等于2整数次幂算法，如基2算法、基4算法等：另一个是N不等于2整数次幂算法，它是以Winograd为代表一类算法。第一类算法(Cooly—-Tllrkey算法)中最常见是：基2算法和基4算法两种，它们各有所长，基2FFT变换程序代码较少，但耗时较长，整周期采样点数应为2整数方；而基一4FFT变换程序代码较多，但耗时较短，整周期采样点数应为4整数方。
基于FFT算法又分为两种：
l、按时间抽取基于算法(Decimation-in-Time DIT)：将时间序列x(n)按时间下标n奇、偶分成两组来分解DFT，层层下分直到两点DFT为止。
2、按频率抽取基于算法(Decimation-in-Frequency DIF)：将频域序列X(k)按频率下标k(内奇、偶分成两组来分解DFT，层层下分直到两点DFT为止。
以上两种方法大同小异，因为按时间抽取基于算法(DIT)所以选择。
假定N是2整数次方，令，M：正整数，将序列x(n)分解为两组，一组为偶数项，一组为奇数项，

r=0,1……N/2-1 　(2-14)
将DFT运算也对应分为两组：

l=0,1……　　
　　　　 (2-15)
∵
　　　　∴　
　　(2-16)

其中和分别是和N/2点DFT。
　 (2-17)
　 　 (2-18)
可见，一个N点DFT被分解为两个N/2点DFT，这两个N/2点DFT再根据上面式(2-16)合成为一个N点DFT，注意到，X1 (k)，X2 (k)有N/2个点，即k=0，1……N/2-1，由(2-16)式得到X(k)只有N/2点，而X(k)却有N个点，即k=0，1，……N-1，要用X1(k)，X2 (k)表示全部X(k)值，还必需应用系数w周期性和对称性。表示x(k)N/2～N-l点，
由 　　　　　　 　　 　　　　 　 (2-19)
得： 　　　　　　 　 (2-20)
∵ 　　 　　 　　　 (2-21)
且　　　　 　 　 (2-22)
一样 　　　　　 　 　　　　　 (2-23) (2-24)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 　　　　
式(2-19)表示了X(k)前半部分k=0～N/2-1时组成方法，(2-23)式则表示是后半部分k= N/2-1时组成方法。这两式所表示运算过程可用一个称作蝶形信号流图来表示，图2-1所表示，(a)图中左面两支为输入，中间以一个小圆圈表示加、减运算，右上支为相加输出，右下支为相减输出，假如在某一支路上信号需要进行乘法运算，则在该支路上标以箭头，并将相乘系数标在箭头边，这么(a)，(b)所表示运算，可用图2-1中图(b)“蝶形结”来表示。
蝶形运算流图符号以下：

A
A-B
A+B

B

(a) (b)

图 2-1 蝶形图原理

因为这种方法每一步分解全部是按输入时问序列是属于偶数还是奇数束抽取，所以称为“时间抽取法”。
2 、改善FFT算法
基于快速傅立叶变换(FFT)谐波测量是当今应用最多、也是最广泛一个高效变换算法，它使DFT计算工作量复杂度从N×N量级降到了级。理论傅立叶变换是对整个时域信号变换，但实际工程中，通常要对x(t)在满足采样定理下进行采样，变换为离散序列x(n)，能够看成是对信号加上一个矩形窗后，再进行FFT算法变换。以上转换需要一个关键步骤就是确保采样频率和信号频率同时。然而实现FFT过程中总会存在泄漏现象和栅极效应，使算出信号参数即频率、幅值和相位不正确，尤其使相位误差很大，无法满足正确谐波量要求。
1、频谱泄漏现象和栅极效应
依据傅立时变换乘积定理，那么序列x(n)傅立叶变换为实际信号傅立叶变换和矩形窗傅立叶变换卷积。
设某单一频率信号：xm(t)= ，矩形窗表示为：

1；0<t≤T

　　　　　　　0；其它

采样时间为T，那么信号和矩形窗乘积为：
(2-25)
因为傅立叶变换为Xm()=2An，即在出有一条单一谱线。而矩形窗傅立叶变换为：

(2-26)
所以依据傅立叶变换乘积定理，傅立叶变换为：

(2-27)

若不计相位改变，在频谱图里已不再是单一谱线，变成了认为中心其形状为振荡并逐步衰减连续谱线，能量不再集中，即产生了泄漏现象。谐波分析中，各次谐波所泄漏能量会相互影响，造成误差。
对于信号DFT来说，采样点实际上就是频域中各次谐波频率处谱线，那么DFT能够看作是采样序列经过N个窄带滤波器输出，各滤波器中心频率恰好是各次谐波中心，然而在实际中采样频率存在偏差和电网频率波动(电网频率是缓慢改变，电力部标准许可±l％范围内波动)全部会使采样无法达成同时，结果造成各次谐波中心频率不能恰好出现在滤波器中心点上，而是落在某2个频率分辨点之间，这么，经过DFT并不能直接得到各次谐波分量正确值，而只能以临近频率分辨点值来近似替换，这就是通常所说栅栏效应。
2、加窗插值FFT
从以上分析可得，栅极效应和频谱泄漏全部会对参数精度产生影响，不过我们能够对信号进行加窗，降低泄漏，提升FFT计算精度，在加窗基础上进行插值算法，深入提升各参数计算精度，以此来降低栅极效应带来误差。因为电力信号关键含有整数次谐波，余弦窗含有主瓣窄，旁瓣低，旁瓣幅值跌落速度快，在一定时有最小主瓣宽度等特点，只要选择观察时间是信号周期整数倍，其频谱在各次整数倍谐波频率处幅值为零，其运算简单易行，谐波间泄漏误差较小，故常选择余弦窗，选择余弦窗一个关键原因在于它便于进行频谱计算。通常信号加窗全部是在时域进行，即，然后进行傅立叶变换。而对于余弦窗，能够先对信号进行傅立叶变换，然后在频域进行处理。余弦窗函数能够为矩形窗、汉明窗、海宁窗、布莱克曼窗等，其中，布莱克曼窗旁瓣幅值最小，主瓣最大，计算复杂；矩形窗有最窄主瓣，最大旁瓣幅值；海宁窗介于二者之问。而且计算量较小，在此我们选择海宁窗。余弦窗函数能够表示为
　　 (2-28)
为k是余弦窗项数。不一样k值和系数决定了不一样窗函数。其中k=2,a0 =0.5, a1 =0.5海宁窗。　
对于余弦窗，能够先对信号进行傅立叶变换。
设第m次谐波信号为：

设谐波信号加海宁窗后表示为：

(2-29)
式中为信号采样序列，Ts为采样间隔，为海宁窗，N为采样点数。采样序列频谱为：
　 (2-30)
式中：
依据傅立叶变换性质，采样序列加窗后傅立叶变换为：

　　　 　 　 　 (2-31) 　
对信号加余弦窗后进行插值算法能有效降低栅极效应和泄漏效应引发
误差，提升了FFT精度，能达成实际测量中预期精度要求[11-15]。

第3章 系统硬件设计

3.1 DSP芯片选择

本设计关键芯片采取TI企业TMS320F2812芯片。TMS320F281x系列处理器是美国德州仪器企业（Texas Instruments)推出高性能数字信号处理器，该系列处理器是基于TMS320C2xx内核定点数字信号处理器，集成了多个优异外设，为控制领域提供了良好平台。芯片采取32位中央处理器，大大提升了系统运算处理能力，可在150MHz (时钟周期6.67ns)下工作，其性能远优于系列其它DSP。F2812数字信号处理器是在F24x基础上开发32位高性能定点芯片，兼容24x指令系统，能够直接运行在24xDSP 上开发程序。其关键特点：
（1）采取高性能静态CMOS技术，主频可达150MHz(时钟周期6.67ns)，低功耗设计，FLASH编程电压为3.3V。
（2）高性能32位CPU，采取哈佛总线结构，能够进行16x16位和32×32 位乘累加运算；快速中止响应和处理能力，统一寻址模式，高效代码转换功效（支持C/C++和汇编编程)；同时和TMS320F24x/F240x系列数字信号处理器代码兼容。
（3）片内集成大容量存放器，128Kxl6bitFlash，两块4K×l6bit单周期访问SARAML0和L1 ；一块8K×l6bit单周期访问SARAMH0；两块lK×l6bit 单周期访问SARAMM0和Ml。
（4）外部存放器扩展接口，最大可扩展lM×l6bit存放空间；可编程等候周期、读写时序；3个独立片选信号，扩展方便。
（5）两个事件管理器模块EVA和EVB，每个均包含以下资源：两个16位通用定时器；8个16位脉宽调制（PWM)通道，能够实现三相反相器控制、PWM中心或边缘校正及当外部引脚PDPINTx出现低电平时快速关闭PWM 通道；预防击穿故障可编程PWM死区控制；对外部事件进行定时捕捉3个捕捉单元；片内光电编码器接口电路；事件管理器模块适适用于控制交流异步电动机、无刷直流电动机、开关磁阻电动机、步进电动机、多级电动机和逆变器。
（6）12bitADC流水线模/数转换模块，2个采样保持电路，2×8通道复用输入接口，转换周期最小60ns，单通道转换周期为200ns。
（7）增强型eCAN2.0B接口模块及UART，SPI，McBSP串行通讯接口。多达56个可配置通用I/O引脚[16][17]。
3.2 系统硬件总体结构
本系统以TMS320F2812为关键，构建DSP最小系统，并在此基础上扩展外部SRAM和FLSAH，组成系统关键板。外围设备扩展了抗混叠电路、A/D转换电路、时钟电路、LCD显示电路、CPLD逻辑控制单元等，实现对交流电压、电流采集、处理、存放和显示等功效。系统整体结构图图3-1所表示。

FLASH

抗混叠电路

DSP

A/D

电压
互感

SRAM

电流
互感

LCD显示
CPLD

时钟
电路

复位
电路
电源
电路

图3-1 系统硬件框图
三相交流电经过电压、电流互感器转换为毫安级电流信号，再经过放大成为-4.5V〜+4.5V左右正弦电压信号，然后送到抗混叠低通滤波器滤去高频分量，经过A /D采样转换后得到数字量，由CPLD电平转换后送DSP进行FFT运算，得到多种电网参数，最终保留数据并刷新LCD显示[19]。
3.3 DSP外围系统设计
最小系统是使DSP能正常工作最基础系统。本系统中DSP最小系统是以TMS320F2812为关键，外围扩展SRAM和FLASH，电源电路，时钟电路等。
本数据采集系统是基于TMS320F2812芯片，并以此为关键，构建该DSP最小系统。DSP最小系统是能使该DSP正常工作最小系统。在本设计中，DSP最小系统由外围扩展SRAM和FLASH，时钟电路，电源电路和复位电路等组成。
DSP芯片：数字信号处理器(DSP)得到了高速发展，性价比不停提升，广泛应用于各个领域，比如通信、语音处理、图像处理、模式识别及工业控制等方面，而且日益显示出巨大优越性。数字信号处理器利用专门或通用数字信号处理电路，以数字计算方法对信号进行处理，含有处理速度快、灵活、正确、抗干扰能力强、体积小和可靠性高特点，可满足对信号快速、正确、实时处理及控制要求。
电源电路：DSP芯片工作时需要含有适宜稳定电压电源来供电。
复位电路当芯片工作时碰到问题时或工作结束时需要复位对于实际DSP应用系统，尤其是产品化DSP系统，可靠性是一个不容忽略问题。实际上DSP系统时钟频率较高，在运行时极有可能发生干扰和被干扰现象，严重时系统可能会出现死机现象。为了克服这种情况，除了在软件上做部分保护方法外，硬件上也必需做对应处理。
时钟电路：DSP芯片工作是需要外部提供适宜频率时钟信号，给DSP芯片提供时钟通常有两种方法：一个是利用DSP芯片内部提供晶振电路，另一个方法是采取外部振荡源。
外部存放器扩展：在处理交流电参数时，因为算法比较复杂，需要大量数据运算，同时系统需要存放部分关键参数，扩展了FLSAH芯片；在程序调试过程中，程序代码较大，DSP内部空间不够，为了方便调试，扩展了SRAM。
抗混叠电路设计：交流信号在A/D转换之前需进行抗混叠低通滤波，实质就是迫使信号经过一个有限带宽低通滤波器滤掉高频信号成份，使输入到A/D转换器信号为有限带宽信号，而且以很小衰减让有效频率信号经过，而抑制这个频带以外频率信号，从而预防信号频谱发生混叠及高频干扰。
A/D转换：把模拟信号采样得到数字信号，通常选择较高分辨率A/D芯片，预防A/D转换精度不高而造成误差。
LCD显示电路：将测量得到各项参数显示出来。
CPLD：一是将数字信号电平转化后送往DSP进行FFT运算，得到多种电网参数，保留数据；二是负责DSP和AD转换芯片、LCD