嵌入式电能质量分析仪的数据分析与GUI的设计与实现

功率S、功率因数PF、位移功率因数DPF、频率。

(1)电压参数测量。电压参数测量功能的输入信号是3相线电压AD采样：vol_A，vol_B，vol_C，输出是三路采样的Vrms值，Vpk值，还有Vcf值。其中Vpk值是寻找所有采样点中绝对值值最大的采样点的绝对值。Vrms是通过公式

求得的。而Vcf则等于Vpk/Vrms，对于理想正弦波来说，该值应该等于√2，约为1.414。

(2)电流参数测量。模拟电路将电流信号转变为电压信号进行采样，所以在进行计算的时候仅需要按照电压的处理方式处理后除以一个电流采样系数即可，N相电流的瞬时值只需要将三相电流瞬时值相加，然后和其他三相的电流进行同样的处理。

(3)功率参数测量。功率信号没有直接测量数据，是通过电压、电流采样数据计算得来。其中的有功功率的计算公式为：

其中U、I分别为电压的有效值和电流的有效值，a为电压与电流的相位差，但是上述公式只适用于标准单频无畸变正弦波，在实际使用时需要使用下面的公式将所有谐波的功率计算在内，式(7)为有功功率计算，式(8)为无功功率计算，式(9)为视在功率计算：

其中Uk、Ik、θk、φk分别为第k次谐波的电压峰值、电流峰值、电压初始相位、电流初始相位。可以通过FFT计算求得。然后可以通过式(10)计算功率因数PF：

PF=P/S (10)

位移功率因数是指的基波的功率因数，即基波有功功率与视在功率之比，可以通过式(11)进行计算：

DPF=P1/S1 (11)

(4)频率测量。以前的频率测量方法是通过对输入电压与参考电压进行比较，生成一个方波，通过对这个方波的周期进行测量就可以求得输入电压的频率，但是这种方法在实际使用中会受到噪声信号和谐波的干扰，使得测量抖动比较大。

2.2.2 谐波测量界面及算法设计

谐波指的是基波大于1的整数倍频率分量，对于50HZ的供电系统来说，奇数次谐波分量就是150HZ、250Hz等基波的基数倍频率，偶次谐波就是100Hz、200Hz等基波频率的偶数倍频率分量。

以前的测量方式中，是通过模拟带通滤波器分离出谐波后通过有效值转换电路转变为直流量进行测量，但是这种测量方式的缺点非常明显，第一是只能对比较有限次数的谐波进行测量;第二是相应比较慢;第三是电路复杂且滤波器容易受到环境因素影响。

现在都是通过数字的方式进行谐波分析，AD采样后通过一定的算法将时域信号转化为频域信号，再对频域信号进行分析。进行时域与频域之间转化的算法有傅立叶变换、小波分析等。DSP芯片针对傅立叶变换进行了专门的优化，可以在非常短的时间内完成变换，可以进行实时分析，所以我们采用傅立叶变换作为谐波分析的算法。

FFT运算是一种复数运算，而采集的电压信号和电流信号都是实数，分别对两者进行FFT运算的话就有点不太经济，如果将电压信号作为实部，电流信号作为虚部构成函数x(t)=u(t)+ji(t)进行FFT运算，则基本可以省掉一半的计算。在完成FFT转换后可以通过式(12)和式(13)计算出电压与电流FFT的数据：

在通过FFT计算频谱的时候会发生一种叫做“频谱泄漏”的现象，这种现象会导致频谱测量偏离真实值，同时会在本来没有频谱的地方产生假频谱，这种现象通过加窗函数解决，所谓的窗函数其实是决定的采样点的权重，直接对采样点进行FFT运算相当于加的矩形窗，即样本点内权重为1，样本点外权重为0。而通过添加不同的窗函数可以使得样本点两端的数据的权重变小，所以数据不连续导致的影响也会相应变小。

因为在实际的电网里面，谐波分量远小于基波分量，两者通常相差40dB以上，所以我们需要选择一种下降速度比较快的窗函数，避免基波泄漏将谐波淹没。根据这一特点我们选择了布莱克曼窗，该窗函数的表达式为：

基于布莱克曼窗FFT算法求解谐波分量的步骤为：1)根据窗长度截取采集到的时域波形数据;2)进行FFT运算，将时域数据变换为频域数据;3)在频域数据中寻找最大值km，确定λm;4)根据λm估计各个谐波分量的频率、幅值和相位。

添加布莱克曼窗函数的FFT算法对各分量频率的估计相当准确，基本与实际频率相同，误差在0.002%以内。而对于幅值和相位，此算法的分析精度控制在0.5%以内，完全满足了国家标准。

THD的计算根据式(16)计算：

式中的Uh为h阶谐波分量有效值，UI为基波分量有效值。

2.3 系统调试

整个电能质量分析仪的系统调试工作分为开发环境中的模拟调试和硬件系统上的硬件调试两部分。

在调试时，数据使用是模拟数据，看GUI是否按照预定的设计显示，可以用鼠标模拟触摸屏的响应，完成基本功能的调试后，再到硬件平台上进行调试。

DSP端的调试界面如图6所示。

在仿真调试将基本功能进行调试