??? 摘 要： 介紹的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子交流阻抗" title="交流阻抗">交流阻抗測(cè)試儀以雙微處理器（MCU和DSP）系統(tǒng)為硬件平臺(tái),，使得運(yùn)算量較大的算法可以在微型設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn),；軟件上采用加窗,、插值" title="插值">插值的高精度FFT算法,，提高了非同步采樣時(shí)阻抗角的測(cè)量精度" title="測(cè)量精度">測(cè)量精度,。實(shí)驗(yàn)證明該測(cè)試儀準(zhǔn)確度高,、工作穩(wěn)定,、抗干擾能力強(qiáng),，所測(cè)結(jié)果能更好地反映出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)。
??? 關(guān)鍵詞： 發(fā)電機(jī)? 阻抗測(cè)試? 加窗插值FFT? DSP
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??? 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是電力系統(tǒng)中常見(jiàn)的故障,。當(dāng)此類(lèi)故障發(fā)生時(shí),，轉(zhuǎn)子電流增大，繞組溫度升高,，限制發(fā)電機(jī)的出力,，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。匝間短路通常通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的交流阻抗和功率損耗" title="功率損耗">功率損耗來(lái)判別[1],。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是采用多個(gè)測(cè)量?jī)x器儀表(如隔離變壓器,、調(diào)壓器、電壓表,、電流表,、功率表以及電流互感器等)，在現(xiàn)場(chǎng)組裝后進(jìn)行測(cè)量,。這種需要很多種測(cè)量?jī)x器組建測(cè)量系統(tǒng)的方法存在試驗(yàn)設(shè)備笨重,、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、整理數(shù)據(jù)繁瑣,、測(cè)量準(zhǔn)確度不高等缺點(diǎn),。
??? 隨著數(shù)字電路和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，新的微處理器和算法不斷涌現(xiàn),。據(jù)此研制了基于雙微處理器的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子交流阻抗測(cè)試儀,。該測(cè)試儀采用了MCU＋DSP的雙微處理器系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，充分發(fā)揮了數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算能力強(qiáng)和單片機(jī)控制功能強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),。軟件設(shè)計(jì)中,，經(jīng)過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn)研究，采用了加窗插值FFT算法，使得測(cè)試儀的整體精度,，尤其是相位的計(jì)算精度得到了提高,。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
1.1 概述
??? 本儀器的硬件核心是單片機(jī)（AT89C52）和浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片（TMS320C32），再加上一些外圍芯片后構(gòu)成了一個(gè)雙微處理器的測(cè)控系統(tǒng),。該系統(tǒng)由單片機(jī)完成鍵盤(pán)控制,、液晶顯示、打印和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能,；由數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理功能,，兩個(gè)處理器通過(guò)一片雙口RAM交換信息，使用一片可編程邏輯芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的邏輯操作,。整個(gè)系統(tǒng)包括輸入模塊,、系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊,、存儲(chǔ)模塊,、顯示模塊、打印模塊和通訊模塊,。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。由于DSP具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，而使用單片機(jī)進(jìn)行控制又比較簡(jiǎn)單,、方便,，因此，這種雙微處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅充分發(fā)揮了DSP和單片機(jī)的優(yōu)勢(shì),，而且結(jié)構(gòu)清晰,、獨(dú)立，易于開(kāi)發(fā)和調(diào)試,。
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1.2 各模塊功能介紹
??? （1）輸入模塊：包括傳感器和信號(hào)調(diào)理電路兩部分,。
??? （2）系統(tǒng)模塊：以單片機(jī)（AT89C52）為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制,，包括讀取數(shù)據(jù),、鍵盤(pán)管理、控制顯示,、打印,、存儲(chǔ)和通訊等功能。
??? （3）數(shù)據(jù)采集和處理模塊：以數(shù)字信號(hào)處理器（TMS320C32）為核心,，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,、自動(dòng)量程變換控制、數(shù)據(jù)處理以及給單片機(jī)發(fā)送結(jié)果數(shù)據(jù),。
??? （4）存儲(chǔ)模塊：由串行E2PROM（ATMEL24C64）構(gòu)成,。用于存儲(chǔ)該次的測(cè)量結(jié)果,。
??? （5）顯示模塊：使用MSP-G240128DYSY-1W型液晶顯示器完成系統(tǒng)顯示功能。
??? （6）打印模塊：使用通用的TpuP－A微型面板式打印機(jī)完成系統(tǒng)輸出打印功能,。
??? （7）通訊模塊：提供工業(yè)用的RS232串行通訊接口,，可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的串行通信。
2 測(cè)量原理與算法分析
2.1 測(cè)量原理
??? 本測(cè)試儀通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的阻抗和功率損耗來(lái)判斷匝間短路故障是否發(fā)生,。直接測(cè)量的量是電壓和電流信號(hào),，通過(guò)獲取的電壓和電流信號(hào)來(lái)計(jì)算功率損耗、交流阻抗,、電阻和電抗等參數(shù)?；緶y(cè)量公式如下：
??? 
其中,，u(n)和i(n)分別為第n點(diǎn)的電壓和電流采樣值，N為采樣點(diǎn)數(shù),，φ為電壓和電流的相位差,。
2.2 算法分析
??? 在實(shí)際采樣過(guò)程中，由于電網(wǎng)頻率的波動(dòng),，其基波頻率不能完全準(zhǔn)確地獲得,，因而采樣通常是在非同步情況下進(jìn)行的。在非同步采樣下,，傳統(tǒng)的FFT存在泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng),，使得算出的頻率、幅值和相位誤差較大,。為了減小非同步采樣對(duì)FFT的影響,，提高測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)采用基于Blackman-Harris窗的插值算法,。參考文獻(xiàn)[2],、[3]對(duì)這一算法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)。
??? 設(shè)一采樣信號(hào)的序列x(n)為：
??? 由于電網(wǎng)電壓的基頻變化范圍一般為49.5Hz～50.5Hz,，并且在本設(shè)計(jì)中,，每次測(cè)量采樣16個(gè)周期，每周期采樣128個(gè)點(diǎn),，故N=128×16＝2048,。因此，式（2）中DFT的頻率分辨率為:
??? 
??? x(n)經(jīng)過(guò)加Blackman-Harris窗后,，其DFT表達(dá)式可以表示為狄利克來(lái)核的代數(shù)和：
??? 
式中,，a0=0.35875,a1=0.48829,a2=0.14128,a3=0.01168。
??? 如果采樣頻率不是fm的整數(shù)倍,，在頻譜中就會(huì)產(chǎn)生柵欄效應(yīng),，即實(shí)際信號(hào)的各次諧波分量并未正好落在頻率分辨點(diǎn)上,，而是落在某兩個(gè)頻率分辨點(diǎn)之間。假設(shè)fm在lΔf和(l+1)Δf之間,，l為整數(shù),，即：
??? 
??? 在本設(shè)計(jì)中，由于只需求得電壓和電流的基波分量,，
??? 這樣,，|X(l)|和|X(l+1)|中必有一峰值點(diǎn)。當(dāng)λ<0.5時(shí),， |X(l)|達(dá)到最大值;當(dāng)λ>0.5時(shí),，|X(l+1)|為最大值。
??? 由（2）式可以得到：
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??? x(n)加Blackman-Harris窗后的頻譜在整數(shù)采樣點(diǎn)的數(shù)值為：
??? 
??? 由于在測(cè)量采樣時(shí),，采樣點(diǎn)數(shù)N取得較大（N=2048）,，而且λ<1，因此可以作近似
≈1,。這樣可求得如下方程[2]：
??? 
??? 已知a時(shí),，由上式將位于[0,1)區(qū)間內(nèi)的解?姿解出后，代入式(4),，可求出" title="求出">求出準(zhǔn)確的頻率fm,，再由式(7)可求出復(fù)振幅[2]為：
??? 由式（11）即可分別求出電壓和電流基波的相位，從而求出電壓和電流的相位差,。將相位差帶入電阻和電抗的計(jì)算公式中,，即可求得電阻和電抗的值。
3 實(shí)際運(yùn)行結(jié)果
??? 本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：CF-500A型單向交流功率源,、Agilent 34401A型6位半數(shù)字萬(wàn)用表,、VC980型四位半數(shù)字萬(wàn)用表。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,。
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??? 由表1可知,，電壓和電流有效值的最大引用誤差分別為：
??? 
??? 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB776-76《測(cè)量指示儀表通用技術(shù)條件》的規(guī)定，本儀器測(cè)量電壓有效值的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.1級(jí),，測(cè)量電流有效值的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí),。
??? 由表1可知，阻抗和電阻的最大相對(duì)誤差分別為：
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????本儀器采用計(jì)算和控制功能強(qiáng)大,、易于開(kāi)發(fā)的MCU+DSP的硬件方案組建了硬件平臺(tái),；采用加窗插值FFT算法，即加Blackman-Harris窗的插值算法,，有效地抑制了FFT存在的泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng),，提高了測(cè)試的精度，尤其是相位的測(cè)量精度,。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明,，本儀器具有測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高,、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
1 楊洪濤.淺析發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗的測(cè)量[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2001;25(11)
2 趙文春, 馬偉明, 胡 安. 電機(jī)測(cè)試中諧波分析的高精度FFT算法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2001;21(12)
3 張伏生, 耿中行, 葛耀中. 電力系統(tǒng)諧波分析的高精度FFT算法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1999;19(3)