（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式的电力谐波分析装置的研究.pdf

基于嵌入式的电力谐波分析装置的研究 摘要 谐波属于电能质量的一个分支问题，论文首先从电能质量问题出发，对 电能质量的有关理论和指标进行了论述和分析，着重阐述了谐波这个电能质 量的重要问题。根据i e c 或国家标准要求，总结了各类电能质量指标的检 测原理和计算方法，重点给出了谐波测量原理和计算标准，为本论文的设计 提供了必要的理论依据和检测算法。同时，论文分析了电力系统谐波产生的 原因及其危害，指出谐波测量的重要意义，说明本论文研究的重要意义。 然后，通过对目前市场上已有的电力系统谐波测量装置的特点进行分析 和总结，并根据谐波测量方法和实现技术在国内外的发展现状，同时结合市 场应用，论文提出了一种基于嵌入式的d s p ( 数字信号处理器) 的电力系统 谐波在线测量装置，利用嵌入式操作系统a c o s i i 的高稳定性和可靠性为 电力谐波装置提供非常关键的技术；利用d s p 芯片强大的数字处理功能和 丰富的外围接口进行电力谐波在线监测，准确、实时地计算、显示各种测量 指标值并与上位机进行通讯，这些为电网谐波的监测和电能质量的改善 提供了准确的依据。 其次，介绍了装置的硬件框架和具体实现方案。本装置利用1 f i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为系统的中央处理器，以嵌入式操作m c o s i i 系统为管 理平台，对系统要实现的各个功能进行模块化，包括信号调理模块、数据采 集、数据处理、数据显示、数据存储、数据通讯等模块电路；实现对电力系 统谐波参数的实时测量；同时为满足采样同步要求，在硬件上采用锁相环电 路来完成采样信号与基频信号的同步。 接着，介绍了装置的软件实现流程和方法。在整个软件设计中，利用嵌 入式。u c o s i i 操作系统协调分析装置的各部分功能电路，并通过有机的调 用各个应用程序来完成数据统计、分析、存储、通信、显示等多种功能。嵌 入式内核的管理，使d s p 从繁忙的控制任务中解放出来。为满足精度的要 求，在软件上采用了高效的改进快速傅立叶变换( h 丌) 算法来分析谐波。 本装置还设计了友好的人机界面，利用液晶显示和键盘操作，使操作方便简 洁，并且程序设计具有高度的灵活性和可移植性。 试验表明，本论文提出的基于嵌入式的电力系统谐波分析装置具有较高 的测量速度和测量精度，它不但可以对电网进行实时在线谐波分析，而且可 以对数据进行远传，具有精度高、运行稳定、实时性好、抗干扰能力强、性 价比高等特点，特别是它具有高稳定性和强实时性，为解决电力谐波问题提 供了一种有效的分析装置。 关键词：谐波，电能质量，嵌入式，快速傅立叶变换，数字信号处理器 i i t h ei 己e s e a r c ho fap o 、e rh a r m o n i c a na iy z e rb a s e do ne m b e d m 匝n t a b s t r a c t b e c a u s eh a r m o n i c b e l o n g st o ab r a n c hq u e s t i o no fp o w e r q u a l i t y ， a c c o r d i n gt ot h e s eq u e s t i o n so f p o w e rq u a l i t y ，t h ep a p e ra n a l y z e da n dd i s c n s s e s d t h e o r i e sa n di n d e x e s 埘t l lr e g a r dt op o w e rq u a l i t y ，e m p h a t i c a l l ye l a b o r a t e dt h e i m p o r t a n tq u e s t i o na b o u th a r m o n i c a c c o r d i n gt o 砸co rn a i l o n a ls t a n d a r d r e q u e s t ，i ts u m m a r i z e dm e a s u r i n gp r i n c i p l ea n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o do fe a c h k i n do f p o w e rq u a l i t yi n d e x ，a n dp r e s e n t e de m p h a t i c a l l ym e a s u r i n gp r i n c i p l ea n d c o m p u t i n gs t a n d a r do fh a r m o n i c , w h i c hp r o v i d e dt h ee s s e n t i a lt h e o r yb a s i sa n d m e a s u r i n ga l g o r i t h mf o rt h i sp a p e r a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i sa n a l y z e dr e a s o n s a n dh a r m sw h i c ht h ep o w e rs y s t e mh a r m o n i cp r o d u c e d , p o i n t e do u ti m p o r t a n t m e a n i n gf o rh a r m o n i cm e a s u r e m e n t , a n ds h o w e dt h ei m p o r m ts i g n i f i c a n c e a b o u tt h i st a s k ，sr e s e a r c h t h r o u g ha n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs y s t e m m o n i t o ru s e di n m a r k e t , a c c o r d i n g t o d e v e l o p m e n tp r e s e n ts i t u a t i o no f m e a s u r e m e n tm e t h o da n dt e c h n i q u ei nd o m e s t i ca n df o r e i g n , s i m u l t a n e o u s l y c o m b i n i n gw i m t h e i rm a r k e ta p p l i c a t i o n , t h ep a p e rp r e s e n t e do n ek i n do fo n l i n e h a r m o n i cm o n i t o ro fp o w e rs y s t e mb a s e de m b e d d e dd s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) t h ea p p a r a t u sp r o v i d e dv e r ye s s e n t i a lt e c h n o l o g yf o rp o w e r s y s t e m h a r m o n i ci n s t a l l m e n tu s i n gt h eh i g hs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fe m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mp c o s i i ，b yu s i n gs t r o n gd i g i t a lp r o c e s s i n gf u n c t i o na n d a b u n d a n te x t e r i o ri n t e r f a c eo f d s p c h i p ，i tc a r r i e do nt h ep o w e rh a r m o n i co n - l i n e m o n i t o r , a c c u r a t e l ya n dr e a l - t i m e l yc o m p u t e da n dd i s p l a ya 1 1k i n d so fm e a s u r i n g i n d e x e s ，a n dc o m m u n i c a t e d 谢ma b o v ep o s i t i o nm a c h i n ea n ds oo n t h e s e p r o v i d e dt h ea c c u r a t eb a s i sf o rp o w e rq u a l i t y si m p r o v e m e n ta n dm e a s u r e m e n t o f p o w e rh a r m o n i c t h et h e s i si n t r o d u c e dh a r d w a r ef r a m eo fi n s t a l l m e n ta n dc o n c r e t e r e a l i z a t i o np l a n t a k i n gt ic o r p o r a t i o n st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a ss y s t e m sc e n t r a l p r o c e s s o ra n dt a k i n ge m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mp c o s i is y s t e ma sm a n a g i n g p l a t f o r m , t h ei n s t a l l m e n tc a r r i e d0 1 1m o d u l a r i z a t i o nf o re a c hf u n c t i o nw h i c hm u s t h i r e a l i z et ot h es y s t e m , i n c l u d i n gm o d u l eo fs i g n a la d j u s t i n gc i r c u i t , d a t as a m p l i n g , d a t ap r o c e s s i n g , d a t ad i s p l a y ，d a t as t o r a g e , d a t ac o m m u n i c a t i o na n ds oo n , r e a l i z e dt or e a l t i m e l ym e a s u r ef o rp o w e rs y s t e mh a r m o n i c ，m e a n w h i l ef o r s a t i s f y i n gs a m p l i n gs y n c h r o n i z a t i o nr e q u e s t , u s e dp h a s e - l o c kl o o pc i r c u i to n h a r d w a r et oc o m p l e t es a m p l i n gs i g n a la n df r e q u e n c ys i g n a ls y n c h r o n i z a t i o n t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ei n s t a l l m e n ts o f t w a r er e a l i z a t i o nf l o wa n dm e t h o d i ne n t i r es o f t w a r ed e s i g n ，u s i n ge m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mt t c o s i i ，m o n i t o r c o o r d i n a t e l ya n a l y z e de a c hp a r to ff u n c t i o nc i r c u i ti n s t a l l m e n t , a n dc o m p l e t e st h e f u n c t i o n so fd a t as t a t i s t i c s ，a n a l y s i s ，s t o r a g e , c o m m u n i c a t i o n , d i s p l a ya n ds oo n b yc a l l i n gm a n yk i n d so fa p p l i c a t i o np r o g r a m s t h em a n a g e m e n to fe m b e d d e d k e r n e lm a k e dd s pt ol i b e r a t ef r o mt h eb u s yc o n t r o ld u t y i no r d e rt os a t i s f y p r e c i s i o n sr e q u e s t , m o n i t o ru s e sh i g h l ye f f e c t i v ea l g o r i t h mo fi m p r o v e df a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) t oa n a l y z eh a r m o n i co ns o r w a r e u s i n gl c d sd i s p l a y a n dk e y b o a r d so p e r a t i o n , t h ei n s t a l l m e n td e s i g n e dt h ef r i e n d l ym a n - m a c h i n e c o n t a c ts u r f a c c ，w h i c hm a k e d e a s i l ya n ds i m p l yt oo p e r a t ea n d m a k e dp r o g r a m s d e s i g n 、i t hh i g hf l e x i b i l i t ya n dt r a n s p l a n t e x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h ep a p e rp r o v i d e dm o n i t o rb a s e d o ne m b e d d e d p o w e rs y s t e mh a r m o n i ca n a l y s i si n s t a l l m e n th a dh i g l am e a s u r i n gs p e e da n d a c c u r a c y ，i tn o to n l ym a yc a r r yo nt h er e a l t i m eo n - l i n eh a r m o n i ca n a l y s i st o p o w e rn e t w o r k , m o r eo v e rm a y f a rl n 咖l s m i td a t a ，t h em o n i t o rh a sp r e c i s i o nh i g h , m o v e m e n ts t a b l e ，r e a l - t i m eq u a l i t yg o o d , t h ea n t i - d i s t u r b i n ga b i l i t ys t r o n g l y ，c o s t p e r f o r m a n c eh i g ha n ds oo n ，s p e c i a l l yi th a dh i g hs t a b i l i t ya n ds t r o n gr e a l - t i m e q u a l i t y w h i c hp r o v i d e do n ek i n do fe f f e c t i v ea n a l y s i si n s t a l l m e n tf o rt h e s o l u t i o np o w e rh a r m o n i cq u e s t i o n k e yw o r d s ：h a r m o n i c , p o w e rq u a l i t y , e m b e d m e n t , f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) ，d i 百协1s i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) i v 基于嵌入式的电力谐波分析装置的研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名： e l 期：2 q q 工生月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：日期：2 q q2 主! 旦 基于嵌入式的电力谐波分析装置的研究 l 绪论 1 1 引言 随着科学技术和国民经济的发展，各行各业使用各种复杂的、精密的、对电能质量 敏感的用电设备，人们对电力系统中电能质量及可靠性的要求越来越高。同时，现代电 力电子技术的迅速发展和广泛应用造成电能污染日趋严重，大量电力电子器件和非线性 设备涌入各个领域，使电力系统的电能质量受到严重影响和威胁。上述问题的矛盾越来 越突出，这使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生 产造成的损失也越来越大，电能质量直接关系到国民经济的总体效益。 电能质量的下降严重影响国民经济的安全、高效运行和人民生活质量，为了保护供 用电双方的利益，必须将电能质量指标限制在一定的范围之内。为此，近年来，国家发 布了一批电能质量标准，基本适应了供需双方在生产运行中的要求。我国国家质量技术 监督局从1 9 9 0 - - 2 0 0 1 年开始陆续颁布六个有关电能质量的标准f l 】： g b1 2 3 2 5 9 0 电能质量供电电压允许偏差 g b t1 5 9 4 5 9 5电能质量电力系统频率允许偏差 g b t1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波 g b t1 5 5 4 3 - 9 5电能质量三相电压允许不平衡度 g b1 2 3 2 6 2 0 0 0电能质量电压波动与闪变 g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1电能质量暂时过电压和瞬态过电压 这些电能质量标准分别从发电、供电和用电端对电能质量提出了要求。虽然以上标 准还不是十分全面，但这些标准的制订为电能质量监测系统的任务作了比较明确的规定， 使研制较完善的分析仪和建立电能质量监测系统成为可能。 1 2 电能质量问题的概述 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 和正弦波形，按规定的电压 水平( 标称电压) 对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值 大小相等，相位互差1 2 0 。的对称状态。由于系统各元件( 发电机，变压器，线路等) 参数并不是理想线性或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段的不完善以及 运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际中并不存在，而由此产生 了电网运行、电气设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了电能质量( p o w e r q u a l i t y ) 的概念 2 1 。 对于电能质量的概念有多种定义方法。供电部门可以将电能质量定义成供电的可靠 性，电力用户可以定义成能使用户设备正常运行，不发生中断或扰动的电能的一种性质。 由于电能质量好坏最终是由用户决定的，所以对电能质量的定义应从用户的角度出发。 i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，国际电工委员会) 标准对电能质量的定 陕西科技大学硕士学位论文 义：电能质量是导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。其内容涉 及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性，波形失真、三相不平衡度以及电压波 动和闪变等。 电能质量问题的分类有很多种方法，按照产生和持续时间可分为稳态电能质量问题 和动态电能质量问题i 。 ( 1 ) 稳态电能质量问题：以波形畸变为主要特征，一般持续时间较长，在一段时 间内( 通常是l m i n 以上) 出现的电能质量不正常的情况，主要有过电压、欠电压、电 压不平衡度、频率偏差和谐波几种类型。其中谐波是频率为电源基波频率整数倍的正弦 电压或电流，由电力系统中的装置和负载的非线性特性引起的波形畸变可分解为基波和 谐波之和。谐波也是是衡量电能质量的重要指标之一。 ( 2 ) 动态电能质量问题：通常是以暂态持续时间为特征，包括脉冲暂态和振荡暂 态两大类，主要有电压骤降、电压骤升，电压瞬变、电压闪变、短时断电几种形式。 本课题研究的是在线测量和分析稳态电能质量指标，主要是对电网中谐波各项参数 指标的测量与分析。 ， 1 3 谐波测量问题的提出 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子变流装置的日益广泛应用，产生了电 能质量问题，特别是在电网中产生了大量的高次谐波孵，造成了电压电流波形发生严重 的畸变，当屯网中存在的谐波成分超过限制标准时，将严重影响电力系统和用电设备运 行的安全性、可靠性、稳定性和经济性，同时也严重污染了周围的电气环境1 月1 6 。因此， 电力系统中谐波分量的快速、准确检测对电能质量的治理具有十分重要的意义目前， 谐波己成为污染电力系统的严重公害之一，谐波是衡量电能质量的一个重要指标。电力 系统谐波问题涉及面很广，包括谐波检测、谐波分析、谐波源分析、电网谐波潮流计算、 谐波抑制、谐波标准以及在谐波情况下各种电气量的测量和分析等脚。谐波检测是谐波 问题中的一个重要的分支，是解决其他相关谐波问题的基础，因此进行谐波检测的研究 具有重要理论意义和实用价值。供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶 级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分 量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值( h = ) 称为谐波次数。电 网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波( n o n - h a r m o n i c s ) 或分数谐波。谐波实际上 是一种干扰量，使电网受到“污染”。 。 1 3 1 电力系统中谐波的来源 电力是现代社会和生活中最主要的直接能源，因此电能的质量一直为人们所重视。 在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件( 电阻、电感及 电容) 的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。在实际 2 基于嵌入式的电力谐波分析装置的研究 的供电系统中，非线性负荷占有很大的比重，如：变压器、异步电机、日光灯等。当电 流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时就形成非正弦电流。具体的说电网谐波来自于 3 个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产 生的谐波。 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和 其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱 和程度有关。 在用电设备中，晶闸管整流设备是最大的谐波源；变频装置对电网造成的谐波也越 来越多；电弧炉、电石炉产生的谐波平均可达基波的8 、2 0 0 最大可达4 5 ；气体放电 类电光源会给电网造成奇次谐波电流；家用电器也是谐波的主要来源之一。 1 3 2 电力系统中谐波的危害 ” 电网谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的发供用电设备出现许多 异常现象和故障，情况日趋严重。电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来有以下 几个方面： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的 效率。大量3 次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾； ( 2 ) 谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等，使变压器 局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏； ( 3 ) 引起电网谐振。这种谐振可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统， 特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，经常使电容器和电抗器烧毁； ( 4 ) 导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失； ( 5 ) 谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户 带来经济损失； ( 6 ) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导 致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 把这些影响总结可以概括为：对供配电线路的危害、对电力设备的危害、对用电设 备的危害、影响电力测量的准确性、谐波对人体的影响等几个方面。 1 4 课题研究的目的及意义 电力系统中的谐波已经逐渐发展成为影响电力系统安全的重要因素，与电磁干扰、 功率因数降低并列为电力系统中的三大公害。因此解决电力系统谐波问题已经显得非常 迫切，对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。因此，采用 谐波分析仪对各种负荷产生的谐波进行测量、分析，使操作人员及时掌握谐波产生的时 陕西科技大学硕士学位论文 间、地点、原因及规律，并在生产运行中采取适当的措施，具有很大的实用价值。 由此可见，利用先进的技术手段，采用精确合理的计算方法，研制功能齐全、性能 优良、安装简单、使用方便的电力谐波分析议是十分必要的，对提高电力系统供电的安 全性、可靠性和经济性，保证用电设备的正常工作和农业生产的持续高效，都有十分重 要意义 通过对市场上现有的电力系统谐波分析仪的调查研究发现，目前在对电网的谐波进 行在线检测和分析时，常采用采样数字式分析装置，这种装置在其系统软件设计中，多 采用单任务无顺序机制。这种机制使电力谐波分析系统的安全性质量得不到完全保证， 常常出现安全性差的问题。而这个阿题对于稳定性、实时性、准确性、快速性要求很高 的谐波分析装置来说是不允许的。因此，在系统设计中，引入具有强实时性和抢占式多 任务的嵌入式操作系统t t c o s - i l l 9 】。通过这样一个具有多任务调度能力的占先式 ( p r e e m p t i v e ) 内核作为平台来协调管理进行谐波监测的各个模块的功能。 总的来说，本课题的研究具有以下五个方面的意义： 。 ( 1 ) 能够实时、快速、准确地检测电力电网中的谐波电流和电压，为电力系统谐 波污染的治理提供基本的前提条件： ( 2 ) 对谐波的分析和测量是电力系统分析和控制中的一项重要工作，是继电保护、 判断故障点和故障类型等工作的重要前提； ( 3 ) 谐波检测是各项工作的基础和主要依据； ( 4 ) 谐波检测技术的发展对电力电子技术自身发展产生了重大的影响； ( 5 ) 从治理环境污染、维护绿色环境的角度来看。对电力系统这个环境来说，无 谐波就是“绿色”的主要标志之一 1 5 国内外研究发展状况 1 5 1 电力谐波检测方法 目前，国内外已有各种谐波检测的研究，大体上可以分为频域理论和时域理论，形 成了多种谐波检测方法，如频域理论的模拟滤波，时域理论的傅立叶变换、小波变换、 瞬时无功功率理论、广义d - q 旋转坐标变换、神经网络等。 对频域理论来说，即采用模拟滤波原理0 0 ，这是早期进行谐波检测时采用的方法。 该方法的优点是实现电路简单、造价低、输出阻抗低、品质因素容易控制。但是也有很 多缺陷，随着电力系统谐波检测要求的提高以及新的谐波检测方法日益成熟，该方法己 不再优先选用。 对时域理论来说，有傅立叶变换、小波变换、瞬时无功功率理论、广义d - q 旋转坐 标变换、神经网络等。 ( 1 ) 傅立叶交换：快速傅立叶变换( f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ，f f t ) 是当今谐波 4 基于嵌入式的电力谐波分析装置的研究 检测中应用最广泛的一种谐波检测方法。目前，基于f f t 技术已相当成熟，但是f f t 最 大的局限性是会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数( 频率、幅值和相 位) 不准确，尤其是相位的误差很大，有时无法满足检测精度的要求。为了提高检测精 度，需要对f f t 进行改进【”】，已有的方法主要是利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进 行修正、修正采样点法及利用数字式锁相器使信号频率和采样频率同步，其中加窗插值 算法已发展出矩形窗、海宁窗、布莱克曼窗、布莱克曼窗一哈里斯窗等数十种窗供不同 场合选择使用。目前，在电力系统中稳态谐波检测中大多采用f f t 及其改进算法，而对 于波动谐波或快速变化的谐波，则需要采取其他方法 ( 2 ) 小波变换 1 2 - 1 e 1 小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，w t ) 是针对f f t 在分析 非稳态信号方面的局限性形成和发展起来的一种十分有效的时频分析工具。目前是波动 谐波、快速变化谐波的主要检测方法。由于一方面w r 在稳态谐波检测方面并不具备理 论优势，另一方面w t 的理论和应用研究时间相对较短，、t 应用在谐波测量方面尚处 于初始阶段，还存在着许多不完善的地方。 ( 3 ) 瞬时无功功率理论l 哪q 与广义d - q 旋转坐标变换嗍：目前，基于瞬时无功功 率理论的谐波检测研究已非常深入，取得了工程应用成果，是总谐波实时检测的主要方 法。但是此理论是基于三相三线制电路提出的，对于单相电路，必须首先将三相电路分 解，然后再构造基于瞬时无功功率理论的单相电路的谐波检测电路。近年来，出现了基 于广义瞬时无功功率理论的谐波检测方法，并且受到重视，开始进入工程应用。广义瞬 时无功功率理论与瞬时无功功率理论一样，主要在解决谐波总量实时测量方面很有优势， 而不能解决各次谐波检测问题。有学者还提出了基于广义d q 旋转坐标变换的谐波检测 方法硼，该方法可以实现各次谐波的检测，不过该方法由于电路耗费相当大，目前尚保 持在理论探讨上，工程应用研究并不深入。 ( 4 ) 神经网络：近年来。国内外应用神经网络( n e u r a l n e t w o r k ，n n ) 进行谐波 检测的相关研究文献【2 i 2 2 1 迅速增加，并取得了一些工程应用成果 2 3 - 2 e 1 。但是，n n 用于工 程实际还有很多问题，例如：没有规范的n n 构造方法，需要大量的训练样本，如何确 定需要的样本数没有规范方法，n n 的精度对样本有很大的依赖性，等等。另外，n n 和 w t 一样，都属于目前正在研究的新方法，研究和应用时间短，实现技术尚需完善，因 此目前在工程应用中还未优先选用。 综合分析以上各种谐波检测方法的优缺点，可以看出在这些谐波测量法中基于瞬时 无功功率理论的谐波测量法具有很高的实时性，可运用于无功补偿等谐波抑制领域，但 由于其只能检测出总谐波值，因此不适合于谐波分析仪。小波分析和人工神经网络是目 前谐波测量方法的热门话题，是正在研究的新方法、新理论，具有许多不完善的地方且 其算法较为复杂，目前也不适合应用于谐波分析仪。其中，基于快速傅立叶变化的f f t 陕西科技大学硕士学位论文 是当前谐波检测中应用最为广泛的一种谐波检测方法。虽然，f f t 也有它的局限性，但 这个技术已相当成熟，用于测量谐波时具有：精度较高、功能较多、使用方便等特点， 而且经过技术补偿后的f f t 算法应用在谐波检测中的方法可以较好的提高实时性及精确 度。因此，在课题的设计中，我们采用改进f i 呵算法作为谐波检测方法，同时通过硬件 锁相环电路使采样频率与信号频率保持基本同步。 1 s 2 电力谐波检测实现技术发展现状 从谐波检测实现技术发展现状来看，大体可以分为l 、c 、r 器件、不可编程电子器 件、可编程器件( 计算机、微处理器、可编程逻辑器件、数字信号处理器等) 这几种技 术。 ( 1 ) l 、c 、r 器件：利用l ( 电感) ，c ( 电容) 和r ( 电阻) 器件构成模拟滤 波器是一种经典的谐波检测实现技术。原理简单、实时检测是l 、c 、r 谐波检测电路 最为突出的优点。但是电路的鲁棒性、抗干扰性、检测精度都比较差，并且体积大、损 耗高，因此随着新的实现技术的发展，目前己不再优先采用。 ( 2 ) 不可编程电子器件：不可编程电子器件与传统l 、c 、r 器件相比，具有体 积小、功耗低、性能稳定等优点，但是由于仍然是不可编程的，难以实现f i 叩、w r 、 n n 等较复杂的谐波检测算法，所以工程应用还是受到一定限制。 ( 3 ) 可编程器件：可编程器件在实际应用中显示出巨大的优越性，从而得到了飞 速发展，涌现出各式各样的可编程器件，如计算机、微处理器、可编程逻辑器件、数字 信号处理器等。由于可编程器件可实现的算法不受限制，已成为谐波检测的主要实现技 术，是当前优先选用的器件。 1 ) 计算机：最初的可编程器件为计算机。由于计算机的诞生和发展，使各种时 域理论的算法实现起来非常容易，从而极大地促进了f f t 等复杂的时域分析方法在谐波 检测的应用。但是，由于计算机体积庞大、价格不菲，工程应用往往局限于一些重要场 合。 ： 2 ) 微处理器：早期的微处理器，由于位数低，运算速度慢，在实现f f t 时， 存在实时性差的缺陷，有时为了提高谐波检测的实时性，不得不牺牲精度和谐波检测的 次数，同样的缺陷也存在于n n 、t 等算法的实现过程中。随着高位、高速微处理器的 涌现，目前这一问题已得到了解决，这也是微处理器目前在实际工程中应用最广泛的原 因之一。 3 ) 可编程逻辑器件：早期的可编程逻辑器件由于结构的限制，实现谐波检测时 域理论算法较困难。随着大规模c p l d 和f p g a 的出现，利用可编程逻辑器件实现f f t 、 w r 算法已非难事，因此在谐波检测中的应用随之出现，不过由于可编程逻辑器件主要 面向逻辑控制以及其发展过程与微处理器和数字信号处理器发展过程同步，因此可编程 6 基于嵌入式的电力谐波分析装置的研究 逻辑器件过去没有在谐波检测中得到大规模应用。 4 ) 数字信号处理器叨i 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) ，它采 用先进的哈佛结构，将程序指令与数据的存储空间分开，各自拥有自己的地址与数据总 线，可以同时处理指令和数据，从而使d s p 的运算速度大大提高。目前，d s p 产品形成 了定点和浮点两大系列d s p ，均已广泛应用在工程的各个方面，并逐渐成为电子产品更 新换代的决定因素。由于d s p 在算法实现方面具有很高的运算速度，因此大大提高了在 工程应用中的实时性，特别是在实现复杂算法时其优越性更明显。在高精度、宽频谱的 谐波检测中，谐波检测的f f t 比f t 、w t 和n n 等算法的计算量都非常大，d s p 的高速 运算特性显得非常可贵。 综合以上各种谐波检测实现技术，由于多数d s p 芯片都能在一个指令周期内完成一 次乘法和一次加法，提供专门的f f t 指令( 如实现f f t 必须的比特反转等) ，使得f f t 算法在d s p 芯片上实现的速度更快。因此，系统设计使用d s p 技术实现谐波检测。同 时从d s p 芯片的运算速度、价格、硬件资源、运算精度、开发工具、功耗等方面考虑， 我们选择1 1 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为运算处理的主单元模块。 本课题利用f f t 作为谐波分析的主要算法，利用d s p 技术实现谐波分析，把从采 集单元输出的1 2 8 点序列通过f f t 变换后，完成基波和各次谐波参数指标值的分析。 1 6 本课题研究的主要内容和关键技术 1 6 1 本课题的主要研究内容 ( 1 ) 为满足在线检测的实时性要求，根据谐波检测实现技术的发展和考虑d s p 芯片的性价比，本论文选用n 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为装置设计的核心，该芯片功 耗低、性能高，1 6 位定点，速度为4 0 m i p s ，能在两次采样间隔时间内完成各种计算， 并显示计算结果，真正实现了对电力谐波实现在线实时检测。 ( 2 ) 完成本装置的硬件电路系统设计，主要包括信号调理电路模块、数据采样电 路模块、以d s p 芯片为核心的运算处理器电路模块、外部存储电路模块、人机接口电路 模块等。 ( 3 ) 在软件设计上，对电网谐波参数的计算采用基于改进的f f t 算法，不仅 可以在两次采样间隔的时问里完成谐波指标参数的计算和数据存储，提高了实时性，而 且利用外部的硬件同步装置达到采样同步，在一定程度上减少了由于使用f f r 带来的频 谱泄漏和栅栏效应误差，提高了谐波检测的精度。谐波参数分析的准确性和测量精度 与数据采集功能有很大程度上的关联，因此对数据采集部分软件进行了较为详细的设计。 通过对嵌入式操作系统p c o s i i 内核和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 系统结构的仔细分析，实现内 核代码p c o s i i 向d s p 的移植，增加了系统的可靠性和实时性，这一点对于电力谐波 测量系统来说是非常宝贵的。软件设计还考虑了升级的可扩展性，可通过对d s p 程序 7 陕西科技大学硕士学位论文 的更新来达到算法的升级，同时扩展了c a n 总线接口。 ( 4 ) 本系统可以实现的主要功能：谐波指标计算、异常数据记录、原始参数设置、 日常数据保存、谐波参数的显示、通讯端口控制等。 1 6 2 本人完成的研究工作 ( 1 ) 本人认真查阅了大量参考资料，掌握了国内外电力系统谐波分析装置的发展 趋势，总结了电力系统谐波检测系统的要求和实现的方法。选择合适的谐波测量方法并 进行改进，构造了适合本系统精度和准确性要求的算法；选择了具有快速计算能力的d s p 作为谐波检测实现方案；为了解决现有谐波检测装置的可靠性不高和实时性较差的问题， 提出了基于嵌入式内核p c o s 的谐波检测系统的设计，并完成移植代码的编写和移植 工作。在这三项内容的结合下，本装置和现有谐波分析装置比较，具有稳定性高、可靠 性强、性能优异、准确性和精确度高等特点。 ( 2 ) 为满足数据分析实时性的要求，在谐波算法优化上，本人从减少数据处理的 运算量出发，较深入研究了改进f f t 算法，该算法与传统的f f t 算法相比较，将f f t 运算量减少到原来的一半，使计算分析时间大为缩短。在硬件上设计同步锁相环电路， 进行整周期同步采样，在一定程度上减少了由于使用f f t 变换而带来的频谱泄露和栅栏 效应误差，同时满足计算精度的要求。 ( 3 ) 数据采集转换电路设计，不仅设计了精度较高的数据调理电路，而且考虑到 测量精度和装置的功能升级问题，刚开始选择了采用两片m a x l 2 5 分别对三相电流、电 压进行采样的方案，但是由于电平不匹配，与d s p 的连接需要电平转换电路，增加了系 统的复杂性。通过多个指标的比较，最终选择了1 1 公司的a d s 8 3 6 4 完成数据采集和 a d 转换的重要任务，设计了较为精确的数据采集模块电路和软件程序。 1 6 3 本课题的关键技术和难点 1 6 3 1 硬件设计部分的关键技术 1 ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 应用系统( 复位、时钟等基本电路) 及外围模块电路的设计； 2 ) 各模块电路之间的接口电平的兼容性问题； 3 ) 硬件电路的抗干扰问题。 1 6 3 2 软件设计部分的关键技术 1 ) c o s 1 i 内核向t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 中的移植，要根据处理器的特点合理地修 改p c o s 的三个与处理器相关的文件：o sc p u h 、o sc p ua a s m 、o s。_ c e u cc 主要是将文件中的汇编指令改为相关的汇编指令，并根据c p u 的特点把文件中寄存器 的初值进行改写。在编写移植代码时，对于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 中断栈的处理也是一个非常 关键的技术。 2 ) 内存配置问题：对于存储器容量的设计，要综合考虑t t c o s - e 内核代码和 8 基于嵌入式的电力谐波分析装置的研究 用户应用程序代码的大小。每个任务是独立运行的，必须给每个任务提供单独的栈空间 ( r a m ) ，r a m 总量的计算公式为： r a m 总量= 应用程序的r a m + 内核数据区的r a m 需求+ 各任务栈需求之总和+ 最多中断嵌套所需堆栈 ( 1 - 1 ) 3 ) 谐波分析中的窗的类型的选择：在信号测量中应