??? 摘 要： 介紹的發(fā)電機轉(zhuǎn)子交流阻抗" title="交流阻抗">交流阻抗測試儀以雙微處理器（MCU和DSP）系統(tǒng)為硬件平臺，使得運算量較大的算法可以在微型設(shè)備內(nèi)實現(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阻抗角的測量精度" title="測量精度">測量精度。實驗證明該測試儀準(zhǔn)確度高、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強，所測結(jié)果能更好地反映出發(fā)電機轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)。
??? 關(guān)鍵詞： 發(fā)電機? 阻抗測試? 加窗插值FFT? DSP
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??? 發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是電力系統(tǒng)中常見的故障。當(dāng)此類故障發(fā)生時，轉(zhuǎn)子電流增大，繞組溫度升高，限制發(fā)電機的出力，嚴(yán)重時會影響發(fā)電機的正常運行。匝間短路通常通過測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的交流阻抗和功率損耗" title="功率損耗">功率損耗來判別[1]。傳統(tǒng)的測量方法是采用多個測量儀器儀表(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)場組裝后進(jìn)行測量。這種需要很多種測量儀器組建測量系統(tǒng)的方法存在試驗設(shè)備笨重、費時費力、整理數(shù)據(jù)繁瑣、測量準(zhǔn)確度不高等缺點。
??? 隨著數(shù)字電路和數(shù)字信號處理技術(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)電機轉(zhuǎn)子交流阻抗測試儀。該測試儀采用了MCU＋DSP的雙微處理器系統(tǒng)為硬件平臺，充分發(fā)揮了數(shù)字信號處理器計算能力強和單片機控制功能強的優(yōu)勢。軟件設(shè)計中，經(jīng)過大量仿真實驗研究，采用了加窗插值FFT算法，使得測試儀的整體精度，尤其是相位的計算精度得到了提高。
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（AT89C52）和浮點數(shù)字信號處理芯片（TMS320C32），再加上一些外圍芯片后構(gòu)成了一個雙微處理器的測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機完成鍵盤控制、液晶顯示、打印和數(shù)據(jù)存儲等功能；由數(shù)字信號處理器實現(xiàn)信號采集和數(shù)據(jù)處理功能，兩個處理器通過一片雙口RAM交換信息，使用一片可編程邏輯芯片完成整個系統(tǒng)的邏輯操作。整個系統(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具有強大的計算功能，而使用單片機進(jìn)行控制又比較簡單、方便，因此，這種雙微處理器系統(tǒng)的設(shè)計不僅充分發(fā)揮了DSP和單片機的優(yōu)勢，而且結(jié)構(gòu)清晰、獨立，易于開發(fā)和調(diào)試。
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1.2 各模塊功能介紹
??? （1）輸入模塊：包括傳感器和信號調(diào)理電路兩部分。
??? （2）系統(tǒng)模塊：以單片機（AT89C52）為核心，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制，包括讀取數(shù)據(jù)、鍵盤管理、控制顯示、打印、存儲和通訊等功能。
??? （3）數(shù)據(jù)采集和處理模塊：以數(shù)字信號處理器（TMS320C32）為核心，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、自動量程變換控制、數(shù)據(jù)處理以及給單片機發(fā)送結(jié)果數(shù)據(jù)。
??? （4）存儲模塊：由串行E2PROM（ATMEL24C64）構(gòu)成。用于存儲該次的測量結(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，可實現(xiàn)上位機與下位機的串行通信。
2 測量原理與算法分析
2.1 測量原理
??? 本測試儀通過測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子的阻抗和功率損耗來判斷匝間短路故障是否發(fā)生。直接測量的量是電壓和電流信號，通過獲取的電壓和電流信號來計算功率損耗、交流阻抗、電阻和電抗等參數(shù)。基本測量公式如下：
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其中，u(n)和i(n)分別為第n點的電壓和電流采樣值，N為采樣點數(shù)，φ為電壓和電流的相位差。
2.2 算法分析
??? 在實際采樣過程中，由于電網(wǎng)頻率的波動，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FFT的影響，提高測量精度，本設(shè)計采用基于Blackman-Harris窗的插值算法。參考文獻(xiàn)[2]、[3]對這一算法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)。
??? 設(shè)一采樣信號的序列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)計中，每次測量采樣16個周期，每周期采樣128個點，故N=128×16＝2048。因此，式（2）中DFT的頻率分辨率為:
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??? x(n)經(jīng)過加Blackman-Harris窗后，其DFT表達(dá)式可以表示為狄利克來核的代數(shù)和：
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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，在頻譜中就會產(chǎn)生柵欄效應(yīng)，即實際信號的各次諧波分量并未正好落在頻率分辨點上，而是落在某兩個頻率分辨點之間。假設(shè)fm在lΔf和(l+1)Δf之間，l為整數(shù)，即：
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??? 在本設(shè)計中，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。當(dāng)λ<0.5時， |X(l)|達(dá)到最大值;當(dāng)λ>0.5時，|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)采樣點的數(shù)值為：
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??? 由于在測量采樣時，采樣點數(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，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算公式中，即可求得電阻和電抗的值。
3 實際運行結(jié)果
??? 本實驗的實驗設(shè)備包括：CF-500A型單向交流功率源、Agilent 34401A型6位半數(shù)字萬用表、VC980型四位半數(shù)字萬用表。實驗數(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：
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??? 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB776-76《測量指示儀表通用技術(shù)條件》的規(guī)定，本儀器測量電壓有效值的準(zhǔn)確度等級為0.1級，測量電流有效值的準(zhǔn)確度等級為0.2級。
??? 由表1可知，阻抗和電阻的最大相對誤差分別為：
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????本儀器采用計算和控制功能強大、易于開發(fā)的MCU+DSP的硬件方案組建了硬件平臺；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)，提高了測試的精度，尤其是相位的測量精度。實驗室和現(xiàn)場測試表明，本儀器具有測量結(jié)果準(zhǔn)確度高、運行可靠的特點。
參考文獻(xiàn)
1 楊洪濤.淺析發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗的測量[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2001;25(11)
2 趙文春, 馬偉明, 胡 安. 電機測試中諧波分析的高精度FFT算法[J].中國電機工程學(xué)報,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].中國電機工程學(xué)報,1999;19(3)