0　引言

　　从目前国内外生产谐波测量分析装置的厂家提供的产品技术资料来看^［1］，大部分产品都是从谐波的测量和分析角度进行设计。有的产品由数据采集装置、可移式存储卡另配PC机谐波分析软件构成，这些产品虽然将测量、分析、显示、打印功能集成一体，但数据存储量偏小，显示和打印功能仅能满足一般谐波测量要求。
　　鉴于存在的这些问题和生产实际的需要，我们研制了这套智能型电网谐波监视、分析、保护一体化装置。它能长期有效地监测电网谐波情况，由高精度工业级计算机对电网各项参数进行自动检测、分析，并能及时、可靠地对谐波超标报警和采取保护措施。该装置具有广泛的通用性，对运行方式复杂、负荷波动较大、谐波含量变化较频繁的场合尤为适用。

1　系统软硬件设计原理

1.1　系统硬件设计
1.1.1　硬件原理图
　　为保证上述功能的实现，装置的功能部件及组成方式如图1所示。

图1　硬件结构原理图
Fig.1　Hardware construction

1.1.2　硬件设计及优化
　　为确保系统测量的高精度以及运行的可靠性，在硬件电路的设计上做了如下工作：
　　a.选用带高分辨率彩色显示器和键盘的工业级一体化工作站，选用工业级586主板和CPU。
　　b.电流、电压变送器全部采用磁平衡原理设计的高频响应变送器，电流变送器线性度0.1%，额定电流30 A，频率范围0～150 kHz。
　　c.数据采集卡采用原装台湾威达高速、高精度工业级数据采集卡，数据采集卡参数为：分辨率12 bit，采样速度 330 kHz，2 kB FIFO。
　　d.所有硬件电路的设计及布线均由Protel自动完成，结构合理，可扩展性强。
1.2　系统软件
　　软件系统是用Borland公司最新可视化软件Delphi作为平台，在Windows 95环境下开发完成。图2为其软件结构原理图。

图2　软件结构原理图
Fig.2　Software construction

2　系统关键技术和技巧

2.1　FFT计算方法及技巧
　　谐波分析一般采用快速傅里叶变换（FFT）^［2］，其原理如下。
　　对周期性连续函数x(t)进行采样，采样序列记为{x［k］},k=0,1,…,N-1，则相应的离散傅里叶变换（DFT）为：

其中　

　　设采样序列的点数为N=LM，按照FFT的基本思想，为减少复数的乘法运算次数，可把长度为N的序列x［k］分成L组，每组长度为M的序列：

其中　r=0，1，…，M-1。
　　于是可写出x［k］的DFT为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

式中　l=0,1,…,L-1; m=0,1,…,M-1。

　　因为X［m］都是以M为周期的,所以总的X［m］可以表示为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)

　　在上述分析中,式(2)是求L个M点DFT，而式(1)形式上类似求L点的DFT,并且由式(3)可知这种变换共有M个,由此可知N=LM时,可以分解成基L和基M的混合基FFT算法。综合考虑其他因素，例如逻辑关系的复杂程度、与现有存储器的配合、编程的简易程度，本装置研究采用基2和基4混合基FFT算法，与基2算法相比，复数乘法运算次数减少了1/3，而复数加法次数相同，从而使得装置计算速度得到提高，分析数据能力增强。
2.2　故障录波技术
　　当电网中的谐波严重超标时，系统应记录当时电网的运行参数及其前后一段时间内的情况。但由于谐波测量数据非常大，况且谐波超标的情况无法预料，所以我们采用了一种专家预测控制方法实现故障录波的功能，专家式预测故障模型可用如下形式表示：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　U=f(E,K,I,G)　　　　　　　　　　　　　　　(4)

式中　f为智能算子，其基本形式为IF E AND K THEN (IF I THEN U);E={e₁,e₂,…,e_m}为控制器输入集；K={k₁,k₂,…,k_n}为知识库中经验数据与事实集;I={i₁,i₂,…,i_p}为推理机构的输出集;U={u₁,u₂,…,u_q}为控制器输出集。
　　智能算子f的基本含义是：根据输入的在线电网运行数据E和专家知识库中的经验数据与规则K进行预测推理，然后根据预测推理的结果I决定是否进行数据记录和存储，最后输出相应的控制行为U（即发出声光报警信号等）。
　　假设当前时间为k, 系统也记录了{x_i}(其中i=k-t,k-t+1,…，k-1,k)个电网运行谐波参数。如果专家控制器预测到当前电网谐波超标时，系统将自动把前几分钟(记为t)的数据存入数据库，并且此后也将自动记录、存储后几分钟(记为h)的数据。所以，当电网中谐波超标时，系统记录了当前时刻k以前t、以后h的电网运行数据{x_i}(其中i=k-t,k-t+1,…，k-1,k,k+1,…,k+h-1,k+h)。
2.3　三维图形投影技术
　　三维图形可以用直线来构成，但是与二维图形不同的是，三维图形在视觉上必须有三维的效果。而屏幕坐标系是二维的，显示器只能用二维空间来表示图形。要显示三维图形，必须要用投影的方法来降低维数。将三维图形进行降维处理以后，再按照二维图形的处理方法即可获得三维的效果。
　　为了对三维图形做投影，先要在三维空间给定一个投影平面和视点。取xoy面为投影面，点C(x_c,y_c,z_c)为视点。设空间中任一点Q(x,y,z)在面xoy上的投影为P(x_p,y_p,z_p)，Q,P,C在面xoz上的投影为Q′，P′，C′，如图3所示。

图3　三维图形投影
Fig.3　Projection of three-dimentional space

从图3可以很容易得出下列公式：

同理可得：

3　装置实现的主要功能

　　根据国家标准对谐波监视、分析、保护的要求，装置实现了如下功能：
　　a.按国标谐波监测的要求，对6个通道（3个电压、3个电流）信号同时进行监测；
　　b.计算和记录1次～21次各次谐波电压、电流含有值，电压、电流总畸变率，95%概率值，谐波功率，电网频率，时间等参数，并可以图形、表格数据等多种形式直观显示监测分析结果；
　　c.谐波越限报警功能：各次谐波电压、电流分别设置报警定值和时限定值，当谐波值越限时，计算机报警并记录当时的时间及报警前后一段时间内的波形和参数以便查询；
　　d.保护功能：电压电流分谐波设定保护动作定值和时限定值，当谐波越限时，自动产生控制信号驱动保护跳闸继电器输出；
　　e.参数修改功能：报警和保护定值、TV和TA变比均可由用户整定；
　　f.历史数据追忆功能：历史参数及故障录波存储在大容量硬盘中，可通过不同的检索策略调出查询和显示；
　　g.统计报表功能：可按日、月统计各次谐波电压、电流、谐波功率的最大值、95%概率值及最大畸变率等参数。

4　结语

　　智能型电网谐波监视、分析、保护一体化装置研制成功后，于1998年9月在湖南省娄底电业局豹南山变电站挂网试运行，经过半年多的试运行，其监视、分析、自动记录电网运行谐波参数准确、可靠、精度高，为分析谐波对电力系统的影响，确保电力系统的安全运行起到了十分重要的作用，带来了良好的社会效益和经济效益。■