摘 要

由于电子电力技术的迅速发展，电子装置和非线性设备的大量投入使用带来的谐波问题，对电力系统的稳定、安全带来了威胁，电力谐波已经成为目前电网的主要危害。

本文主要是研究基于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform）对电力系统谐波检测系统设计。首先论述了谐波的产生原因以及谐波带来的危害，然后详细介绍本文采用的分析谐波的检测方法——快速傅里叶变换，以及采用基于FFT变换的谐波分析方法中存在的主要问题，即FFT变换中可能产生频谱泄露效应和栅栏效应，从而影响到FFT变换的运算精度。设计中增加了适当的窗函数减小频谱泄露效应，采用同步采样模式对电流电压进行采样有效地消除栅栏效应对FFT变换所产生的误差。分析了用FFT做谐波分析的设计参数，如采样频率、FFT点数和计算谐波参量的方法。

谐波检测分析仪硬件方面拟选用选择德州仪器公司（Texas Instruments）生产的16位定点数字信号处理器TMS320VC5402作为硬件平台主芯片设计谐波检测分析系统。硬件系统部分还包括了电网信号模拟量输入电路、模数转换电路、LCD屏显示等。其中模数转换部分采用了具有多通道同步采集功能的16位模数转换器AD7606。软件方面使用集成开发环境Code Composer Studio(CCS)进行软件的编程、调试，对数据采集、数据处理分析进行设计。编程主要使用C语言来实现。

本次设计的谐波检测系统主要功能是对电网信号进行采集，经过ADC转换为数字信号好后送入到TMS320VC5402处理器中，利用FFT算法对信号进行分析和处理，最终得到电网信号的谐波参数，为治理电网谐波危害提供依据。

关键词：电力谐波分析；快速傅里叶变换；同步采样；窗函数

Abstract

With the rapid development of power electronics technology, large investment of power electronic devices and nonlinear equipment has brought problems of harmonic wave, and these problems is a threat to the stability and security of power system. Power harmonics has become the major hazards.

The main research of this article is based on the Fast Fourier Transform (FFT) of power system harmonic detection system design. The paper first discusses the reason of the harmonic and harm, and then introduced the harmonic analysis method for the detection of Fast Fourier Transform, and the based on FFT harmonic detection method in the presence of main problems of FFT may produce spectrum leakage and fence effect effect, thus affecting the accuracy of the FFT operation. Design adds a proper window function to reduce spectrum leakage effect, the synchronous sampling mode of voltage and current sampling effectively eliminate the barrier effect of the FFT transform the The design parameters such as sampling frequency, FFT points and calculation of harmonic parameters are analyzed by using FFT to do harmonic analysis

Harmonic detection and analysis system hardware intends to use to Texas Instruments TI (Texas Instruments) 16 bit fixed-point digital signal processor TMS320VC5402 as the hardware platform, the main chip design of harmonic detection analysis system. Hardware includes power analog input signal, A / D conversion, LCD screens, etc.. The A / D conversion of part of with multi channel synchronous acquisition of 16 bit analog to digital converter AD7606. Software system using integrated development environment Code Composer Studio (CCS) Process, debugging, data acquisition, data processing and analysis of the design of the main use of C language to achieve.

The design of the main function of harmonic detection system is collected on the grid signal, through the ADC conversion for digital signal is sent to the processor TMS320VC5402, the signal analysis and processing using FFT algorithm, finally get harmonic parameters of electrical signals, provide the basis for harmonic hazard.

Key words: power harmonic analysis; Fast Fourier Transform; synchronous sampling; window function

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状及发展 1

1.3 谐波的定义与产生原因 2

1.4 谐波的危害 3

第2章 基于FFT变换的谐波分析仪整体方案论证与选择 4

2.1 方案对比选择 4

2.2 主要元器件选型 6

2.2.1 DSP芯片选型 6

2.2.2 A/D转换器选型 7

第3章 基于FFT的谐波检测方法 8

3.1 傅里叶变换理论 8

3.1.1 离散傅里叶变换 8

3.1.2 快速傅里叶变换FFT 8

3.2 信号频谱分析的基本步骤 11

3.3 采样定理及频谱混叠 11

3.4 频谱泄露及抑制方法 12

3.4.1 频谱泄露 12

3.4.2 栅栏效应 12

3.4.3 窗函数 12

第4章 电力谐波分析系统硬件设计 14

4.1 同步采样电路 14

4.2 AD7606与TMS320VC5402串行接口电路设计 16

第5章 电力谐波分析系统软件设计 18

5.1 软件设计整体流程设计 18

5.2 数据采集程序设计 19

5.3 数据处理程序设计 20

第6章 系统调试 23

6.1 软件程序测试 23

6.2 硬件电路测试 25

6.3 测试结果分析 27

第7章 总结与展望 29

参考文献 30

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

由于电子技术的发展和非线性设备的大量投入使用带来了严重的谐波问题，对电网的稳定性以及安全性带来了威胁，谐波会造成电网中电压、电流信号畸变，降低了电网电能质量。电力谐波目前已经成为了当前电网运行的主要公害。谐波的检测治理成了当前一个重要的研究方向。

当前对电力谐波的检测与治理有十分重大的意义，电力谐波不只是会降低电网的发电、输电效率以及电子设备性能、寿命，当有过多的谐波时，会让电子设备因为发热而产生故障或是烧毁，甚至还有可能引发火灾。另外电力谐波有可能令变压器、输电线路等设备发热，加速设备的绝缘效果老化，降低使用性能，减少使用寿命等等。为了提高电能质量，需要对电力谐波进行治理，而对电力谐波的治理前提是通过谐波检测系统进行谐波分析^[1][2]。

当前，在电子电力领域，人们对于发展绿色电子电力的要求越来越迫切，在电力系统中要实现绿色，主要目标就是实现零谐波。因此谐波治理问题已经成了电子电力技术发展过程中所面临亟需解决的难题。在当前的电力系统中存在的谐波源不仅种类多，分布还很广泛，若不进行区分将会给治理工作带来阻碍，因而在治理谐波时必须先分析出各次谐波的含量，即谐波检测的过程，这也是本次设计研究意义和研究目标所在。

1.2 国内外研究现状及发展

用数学方法对谐波进行分析起于18至19世纪，1882年由法国数学家傅里叶（Fourier）提出的分析处理方法沿用至今。电网谐波问题第一次引起注意是在20世纪初期的德国，起因是大量使用静止汞弧变流器而引起了电压电流的畸变，对电网造成了影响。20世纪50年代，关于谐波分析的论文已经开始出现。高压直流输电技术的迅速发展，使谐波问题慢慢变得更加严重了，因此，人们开始逐渐加大对谐波问题的研究力度。