基于fft电能质量检测系统的设计

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1、中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn基于FFT电能质量检测系统的设计与实现宗国华，付富壮河海大学计算机及信息工程学院，南京（210098）Email：speerburg@163.com摘要：通过对基于FFT理论电力参数测量方法的研究，设计并实现了一套电能质量检测装置。该装置采用AVRATmega128单片机，通过信号调理、同步控制和数据采样等电路完成数据采集，使用CodeVisionAVRC语言编程实现三相电压、电流、功率、频率和谐波等电能质量参数地实时测量、计算、显示和通信等功能

2、，可用于电能质量实时监测和电力系统实时补偿的电网参数在线检测。关键字：电能质量检测；抗混叠滤波;同步数据采集;FFT应用中图分类号：TP3911引言现代节能技术和自动化技术的推广和各种非线性电力电子装置负载大量应用的同时也将其产生的高次谐波电流大量注入电网，不仅造成了诸如电压骤降、瞬时过电压等问题，而且还会引起电网电压波形畸变、电压闪变、干扰等现象，导致电能质量的下降。由于大幅值的谐波电流和谐波电压的出现，加大了无功消耗，增加了线路损耗，并容易引起设备过载、加速绝缘老化甚至引起火灾，不但直接影响了电网设备的

3、安全、经济、可靠运行，而且对通信系统和计算机网络也产生了严重的电磁干扰(EMI)，造成诸多稳态、暂态的系统问题。因此研究、开发电能质量参数测量装置，实时、准确地掌握电网质量各项指标，不仅可以监测通信系统和计算机网络设备的运行状况，而且对抑制和治理谐波、改善供电质量有着重要的[1]指导作用，已成为近年来电力行业电网监测和电能治理研究的新热点之一。通过对电能质量参数的测量方法、研究现状和产品现状的研究，笔者设计并实现了一套基于FFT理论的、符合国家技术监督局六项电能质量标准的电能质量的检测装置。该装置采用AVR

4、ATmega128单片机，利用PLL技术进行同步采样，实现了电网实时电压、电流等数据的自动采集和电能质量分析等功能，通过液晶显示器显示采集信号波形、各次谐波分布图及各种电网电能质量参数，并且将采集和分析后的数据通过串行口传入上位机，以便作进一步地分析、统计及存储。经运行表明，该仪器具有测量精度高、界面友好、功能完备和使用灵活等特点。2基于FFT理论的电能质量检测算法基于FFT理论的电能质量检测算法是通过对电网周期性的非正弦（畸变）信号进行傅立叶级数分解后获得基波和各次谐波的幅值和相位，进而获得电压电流有效值

5、、功率、频率、谐波含量等全部电能质量参数。2.1基于FFT的电力谐波分析理论对周期性非正弦信号进行傅立叶级数的分解在实际应用中是采用离散傅立叶变换（DFT），其基本思想是在满足采样定理的条件下，通过对交流信号（如u(t)）一个（或多个）周期均匀同步采样N点，得到序列u(n),然后将连续函数的傅立叶级数计算式中的系数ak和bk积分运算转换成相应离散形式的近似计算，即:-1-中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn∞∞utUmmk()=+00∑∑Umsin(ktω+=+φωk)a(cosa

6、kktbkt+ksinω)kk==11N−122πauk=∑()cosnknNNn=0N−122πbuk=∑()sinnknNNn=0对于这种近似计算，如果直接计算，由于计算量太大，在实时处理电力系统参数检测中是计算速度无法匹配，因此图基（J.W.Tuky）和库力(T.W.Coody)以及杜哈梅尔（P.Dohamel）和霍尔曼（H.Hollmann）发明和提出的快速傅立叶算法(FFT,FastFourierTransform）。目前电力系统的谐波分析中，大都是采用的是快速傅里叶变换(FFT)的基‐2算法。M

7、基‐2FFT算法是系统进行谐波分析的核心，其基本思想是在取采样点数N=2（M为正整数）的条件下,N点的输入序列{u(n)}按照序列号奇偶分解为偶序列和奇序列：⎧urur()==(2)r0,1,...,N/21−1⎨⎩u()r=+u(2rrN1)=0,1,...,/21−2利用复指数函数的周期性和对称性，充分利用中间运算结果，从而获得相应系数：2aU=Re[()]kkN2bU=Im[()]kkNNN21−−212ππ−jk−jrkrkkrkkNrkN式中：Uk()=±∑∑urW1/()NN2WurW2/()N

8、2，WeN=,WeN/2=。rr==00当k=0,1,…，N/2‐1时，取加号；当k=N/2，…，N‐1时，k=N‐k,取减号，从而使计算工作量减少1到2个数量级。图18点基2FFT蝶形运算流程图实际的运算过程是采用蝶形运算流程，如图1所示。其实质是对输入序列首先通过“字位倒置”方式调整输入输出数据序列的对应关系，然后按照一定规律进行抽取分层蝶形“原[2]位计算”，将每次运算的输出数据存放在原输入数据所在存储单元