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受电在线监测与供电质量分析系统的研制与开发 摘要 研究生：江北 导师：史金飞教授 学校：东南大学 电能质量在线监测在配电系统中的应用是智能电器研究方向的热点问题，本文结合国 家级淮阴卷烟厂十五技改重点项目动力子项目的要求，对该应用的实现技术进行了着重研 究，研制了受电在线监测与供电质量分析系统，该系统能对用户端三相电能质量进行实时、 可靠的监测，从而解决了企业的电网谐波不能得到有效监控的问题。 本文从在线监测、实时分析和网络化的角度，提出了一种基于m c u r a b b i t 2 0 0 0 p c 机的嵌入式实时数据采集系统解决方案，实现电能质量监测的网络化。嵌入式部分的m c u 实现数据的高速实时采集，通过r a b b i t 2 0 0 0 将数据通过以太网络传输给p c 机，既保证了 数据采集的实时性，又保证了数据传输的可靠性。论文利用通用的数据库技术实现对数据 的良好管理。同时发挥p c 机的运算能力、存储能力和显示能力，数据的计算、分析、存储 和显示全部由计算机完成。 论文涉及的系统已经研制成功，并且在江苏淮阴卷烟厂已经无故障运行达一年，对该 厂的电能质量进行快速、有效的监测，同时又将测试得到的电能质量数据进行存储，供企业查 询和分析。 关键词：电能质量在线监测数据采集数据传输 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fo n l i n ep o w e rm o n i t o r a n dq u a l i 够a n a l y s es y s t e m a b s t r a c t b yb e ij i a n g s u p e i s e db yp r o f j i n f i e is h i s o u t h e a s tu n i v e r s i t y i ti sah o tr e s e a r c ho f i n t e l l i g e n te l e c t r i c a la p p a r a t u st oa p p l yo n i i n ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g i ni n t e l l i g e n tp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m i nt h et h e s i st h er e l a t i v ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yi s e m p h a s i z e da n dt h eo n l i n ep o w e rm o n i t o ra n dq u a l i t ya n a l y s es y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c hc a n q u i c k l ya n dr e l i a b l ym o n i t o rp o w e rd a t a s ot h ep o w e rn e to f e n t e r p r i s ec a nb ec o n t r o l l e d e 伍c i e n t l y b a s e do no n l i n em o n i t o r i n g ，r e a l t i m ea n a l y s ea n dn e t w o r k ，an e w s t r u c t u r eo fm c u ， r a b b i t 2 0 0 0a n dp ci sp u tf o n ，a r di nt h et h e s i s ，w h i c hc a nr e s o l v et h ep r o b l e m so fo n l i n e m o n i t o r i n g ，r e a l - t i m ed a t aa n a l y s i sa n dn e t w o r k i n gd a t at r a n s f e r t h eh i g h s p e e dd a t aa r ef i r s t l y s 锄p l e db ym c u ，a n dt h e nt r a n s f e r r e dt op ct h a tc a np r o c e s st h ed a t aw i t hg r a p h i c h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c eb yr a b b i t 2 0 0 0v i ae t h e m e t d a t a b s et e c h n o l o 星r yi sa l s om a d eu s eo w h i c hp r o c e s s e sd a t ae 疗i c i e n t l y t h es y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e ds u c c e s s f u i ly w h i c hh a sb e e nr u n n i n gf o ro n ey e a rw i t h o u t m a l f u n c t i o n a n dt h ep o w e rd a t aw a sb e e nc o l l e c t e da n ds t o r e d ，w h i c hi su s e f u i t ot h ee n t e r p r i s e k e yw o r d s ：p o w e rq u a 】j t y o n 】j 1 1 em o n j t o rd a t ac o l l e c t i o n d a t at f a n s f e r i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：江塑匕 日期：兰! ! ：旦：兰f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：退宴巳 导师签名：之：笼! 坚日期：巡凹碰 、f 第一章绪论 第一章绪论弟一早硒化 1 1课题研究的背景及意义 科学技术和国民经济的发展，使得电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来 越高。由于电能质量问题会给电力系统和用电设备带来严重的危害和影响，因此必须对电网的 电能质量进行有效的监测。电能质量监测是评估电能质量水平和发现电能质量问题的主要手 段，也是改善电能质量的前提。如果能对电能质量做出精确的监测和分析，就可以对电网的电 能质量水平和造成各种电能质量问题的原因做出分析和判断，为电能质量的改善提供依据。同 时，电能又是一种商品，有了对电能质量做出精确监测的手段，就可以对电能合理定价，规范 电能的消费市场。在与电力用户直接相关的低压配电系统中，电能质量监控是保证低压电网和 用电设备安全和可靠性的重要措施。 随着电力电子技术的发展，近年来许多大型电力用户使用大功率的非线性负荷日益增多， 使大量谐波电流注入电网，引起电力系统电压和电流产生严重畸变，导致电能质量下降，这对 供电系统和用户均产生不良影响和危害。对此，各国对谐波和三相电网不对称问题都十分重视 和关注，多次召开国际电力系统谐波会议，美、英、法等发达国家先后制定了电力系统谐波和 用电设备的国家标准，我国也制定和颁发了 。此外，由于谐 波的影响，目前在实际电能计量及收、付费中也产生了一些不合理的现象：如果电源是正弦波， 用户为非线性负荷，后者要产生谐波功率及电能，并将其一部分倒流入电源及其他用户，然而 电能表纪录的是基波电能减去由非线性负荷产生的部分谐波电能。这表明虽然该用户负荷已经 成为电网污染源，但是还少交电费，这对供电部门是不利的；如果用户负荷为线性，供电电源 为非正弦的畸变波，此时电能表纪录的却是基波电能并加上了部分谐波电能。电源中的谐波电 能对用电设备有危害，还要用户多交电费，这显然是不合理的。 电力系统中，电能质量问题同时存在于输电系统与配电系统，输电系统可靠性高，发生故 障的概率比较低，大部分的故障、异常现象出现在配电系统。电能质量问题与用户设备密切相 关，i e e e 技术协调委员会给出的“p o w e rq u a l i t y ”的技术定义为：“合格的电能质量是指给敏 感设备提供的电力和设置的接地系统适合该设备正常工作”【。因此，实际供电系统中，电能 质量危害主要体现在与用户密切相关的配电系统以及低压网络( 4 0 0v ) 中，如电压跌落问题引 起的设备误跳闸；短时断电现象造成计算机服务器数据丢失；谐波问题引起用户设备不正常发 热等。 以前， 关注电能质量问题的主要是系统工程师以及相关的技术人员，电能质量监测主要 是基于系统总体来考虑的【2 】【3 1 ，分布于各个变电站和关键用户接入点处的电能质量监测单元通 过通信网络连接成一个有机的整体，共同完成整个电网的电能质量分析。电力部门可以为其本 身及其关键用户提供监测数据，这对于整个电网电能质量水平的监测分析，谐波污染源的定位， 电能质量的持续监测都有很大的益处。 第一章绪论 众所周知，随着我国电力结构负荷的重大改变和工业自动化水平的不断提高，公用电网的 电能质量问题已经成为电能供应市场的核心问题，成为发电、输配电、工业用户、消费者、设 备制造商和电力监管当局越来越关注的焦点，研究和解决这一问题已经变得越来越迫切。 电网供电质量关系到用电设备的正常工作。由于电力电子器件整流器的非线性、时变负载 会使供电系统出现大量的谐波电流。电波谐波经电网会造成电压波形畸变，使电源及与之并联 的负载受到不良影响，对受电、通讯线路及信号线路产生干扰，严重时使这些设备无法正常工 作。因此，对电网供电质量进行监控，避免电网不良供电对生产设备的影响，对提高企业的经 济效益有重要意义。 然而随着社会的快速发展和电力市场机制的不断完善，越来越多的用户开始关注电能质量 问题，比如：i t 行业公司关心其计算机系统能否正常工作( 若电压幅值下降大于1 0 ，持续时 间大于0 1s ，其系统有可能紊乱) 【4 】。因此有必要进一步认识电能质量监测的相关技术，本论 文在分析了相关紧密联系的电能质量各项指标的基础上，探讨了电能质量监测的技术方法，利 用以r a b b i t 2 0 0 微处理器为基础的数据采集器，开发出受电在线监测与供电质量分析系统。 1 2电能质量 电能质量有多项评价指标，主要有：频率偏移、长时间电压偏移、电磁暂态、三相不平衡、 波形失真及电压波动和闪动等，下面主要阐述一下与电网监测有关的指标，其它指标的问题基 本由电厂解决，这里就不做阐述。 1 2 1 三相不平衡 电压不平衡定义为相电压或相电流对于三相电压或电流平均值偏移的最大值。三相电压 ( 电流) 不平衡的产生既有设计方面的原因，如单相电气设备三相分布的严重不对称；也有存在 大容量单相负荷的原因，如单相电力机车，电弧炉等；另外，系统故障也会导致三相不平衡的 产生。在三相电力系统中，三相不平衡的程度常用负序分量与正序分量有效值之比来表征。根 据g b 厂r 1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度的规定，电力系统公共连接点正常电 压不平衡度允许值为2 ，短时不得超过4 。 负序和零序分量的存在会电力设备的运行产生下列影响： ( 1 ) 凸极式同步电机对负序分量存在很强的谐波变换效应，三相不平衡会使得同步电机产 生电力谐波，污染电力系统的运行环境。 ( 2 ) 负序电流流入同步电机或异步电机，会使电机因产生附加损耗而过热，产生附加转矩 而降低使用效率。 ( 3 ) 对直流输电的换流器来说，三相不平衡不仅会增加控制的难度，还会导致非特征谐波 的产生。 ( 4 ) 零序电流的存在会对邻近的通信线路产生很强的干扰。 由不对称负荷引起的电网三相不平衡，可以采用以下措施： 2 第一章绪论 ( 1 ) 将不对称负荷分散连接到不同的供电点，以减少集中连接造成的不平衡度超标问题。 ( 2 ) 使不对称负荷合理分配到各相，尽量使其平衡化。 ( 3 ) 将不对称负荷接到更高电压级上供电，以使连接点的短路容量足够大。 ( 4 ) 采用平衡装置。 1 2 2 波形失真 波形失真定义为理想工频正弦波的稳态偏移，常用其频谱含量来描述，波形失真主要包括 五个方面的内容：直流偏移，谐波，间谐波，陷波和噪声。 交流电网中如果存在直流电压或电流，则称为直流偏移，产生直流偏移的主要原因是由于 地磁暴产生的电磁干扰和电网中半波整流设备的存在，直流电流流过变压器会引起变压器的直 流偏磁，产生附加损耗而过热并降低其使用寿命，直流电流还会导致接地体或其它联接器的电 化腐蚀。谐波定义为具有供电系统基波频率整数倍频率的正弦电压或电流。导致波形失真的原 因是非线形负荷的存在。谐波失真水平可以用每个单一谐波成份的幅值和相位描述，也可以用 某一特定的参数，如谐波失真度来描述。谐波失真度或畸变率( t h d ) 是评价电力系统中谐波含 量的主要指标，它定义为各次谐波分量总有效与基波分量有效值之比。 谐波污染对电力设备的危害是严重的，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 谐波电流在旋转电机绕组中流通，使电机产生附加损耗而过热，产生脉动转矩和噪声： ( 2 ) 引起无功补偿电容器组谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过负荷或过电压而损坏； ( 3 ) 由于肌肤效应和邻近效应的存在，使输电线路、变压器等产生附加损耗而过热； ( 4 ) 电压或电流波形的畸变改变了电压或电流的变化率，影响了断路器的断流容量，对晶 闸管的使用寿命产生严重影响； ( 5 ) 对继电保护和自动控制装置产生干扰以致造成误动和拒动： ( 6 ) 使计量仪表，特别是感应式电能表产生计量误差； ( 7 ) 造成通信干扰。 间谐波定义为具有供电系统基波频率非整数倍频率的正弦电压或电流，它常表现为离散 频率或宽带频谱。间谐波广泛存在于各级电网中，产生的原因是静止频率变换器、变流器、感 应电机和电弧设备等，电力线路上的载波信号也可以认为是间谐波。间谐波会引起c r t 等显 示设备的闪烁。 陷波是由于换流器换相而产生的周期性电压干扰，尽管可以利用傅立叶变换将陷波分解 成一系列谐波，但一般将陷波单独处理，因为其谐波次数一般较高且幅值不大，用谐波测量设 备很难表征。 噪声是指叠加在每相电压或电流、中性线或信号线上的，频率超过2 0 0 h z 的不希望的电 气信号。电力电子设备、控制电路、电弧装置、以及供电系统的投切都会产生电磁噪声。噪声 会影响微机和可编程控制器的正常工作，装设滤波器和隔离变压器会降低电磁噪声的影响。 3 第一章绪论 1 2 3 电压波动与闪动 电压波动是指工频电压包络线的一系列变动或周期性变化，常以相邻两个电压波形极值电 压均方根值( 或峰值) um a x 和um i n 之差相对于额定电压u n 的百分数表示。即电压波动值u 为 塑粤磐l 蝴 妇 电弧炉、轧钢机等大功率装置的运行会引起电网电压的波动，这种波动可看成是由正弦 工频电压作为载波信号，被一低频信号进行调幅处理的结果。 电压闪变( f l i c k e r ) 是指人眼对由电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。它通常是 以白炽灯的光通量作为判断。影响闪变的因素包括供电电压的波动、照明装置和人的视感度等。 闪变可分为周期性和非周期性两种，前者主要是由于周期性的电压波动引起的。如往复式压缩 机、电弧炉等；后者往往与随机性电压波动有关，如电焊机等。 目前没有计算闪变的准确公式，但有几个量值和曲线可以用来判断是否发生闪变，它们是短时 间变值p s t 、长时间闪变值p l t 、累计概率函数曲线，即c p f 曲线( c u m u l a t i v ep r o b a b i l i t yf u n c t i o n c u r v e s ) 和闪变觉察曲线( p e r c i p t i b l ef l i c k e rc u r v e s ) 。这就决定了对闪变的计算远复杂于对波动的 计算，它需对调幅波进行频谱分析并做出统计评价。 1 3 电能质量监测的研究现状与发展趋势 1 3 1 电能质量监测的研究现状 由于电能质量关系重大，美、日等发达国家对此己经进行了多年的研究，取得了许多重要 的理论和应用成果，同时也制定出电能质量的一系列标准。国内对电能质量的研究起步较晚一 些，这主要是因为长期以来，我国的电力供应一直比较紧张，人们关注的焦点主要在电力供应 里方面，对电能质量关心不多，通常只对电压和频率两个指标进行考核。但是近年来，随着电 力供应紧张局面的逐步缓解、电能质量的日益恶化和用户对电能质量的要求不断提高，这一问 题已经引起了各级电力部门的高度重视，国家也颁布了有关的技术标准。这些电能质量标准分 别从发电、供电、用电端对电能质量提出了要求，无疑对我国的电能质量水平起到了促进作用。 近年来，国际上对电能质量问题的普遍关注使得电能质量监测成为了一个热门的研究方向。 各种电能质量监测产品也被推出，有固定式的，比如美国通用电气公司( g e ) 的电能质量监测器 ( p o w e rq u a l i t ym e t e r ，p q m ) ：有便携式的，比如g e 的便携式电能质量监测器( p o r t a b l ep q m ， p p q m ) ；还有仪表式的，比如f l u k e 公司的f 4 3 b 电能质量分析仪等等。以上都是近年来推出 的新产品，相对于过去的产品已经有很大改观，但在功能、成本、应用方面仍有许多要改进的 地方。尤其是很多传统的产品在设计上大多采用工业计算机配备数据采集卡的方式，在进行电 网的数据采集和分析时，主要针对稳态指标进行监测，对暂态指标考虑的不多，智能化和网络 化水平也不高。目前电能质量监测设备主要存在以下一些不足： 部分产品由于采用特殊设计的工业计算机作为现场监测分析工具导致成本偏高； 4 第一章绪论 设备配置的灵活性、通用性差，往往只能用于特定的现场环境； 远程通讯能力有限，不易实现远程监控和数据共享； 对干扰的分类和故障的辨识能力有限，不具备智能分析功能，不能提供给用户可直接用 于决策的信息； 实时性差，时频分析手段落后，不具备对瞬时扰动和暂态谐波的跟踪和捕获能力；现 场设备不具备联机处理能力，大量数据都要传送给专门的分析： 具脱机处理，导致对现场设备 的存储容量要求很大。这一方面是由于人们对电能质量的认识还不够，另一方面也受限于当时 的技术条件，这些产品己经与如今电能质量监测系统的在线监测、实时分析、网络化、智能化 的发展方向不相适应了。 现场监测设备本身的不足不仅影响到现场监测，也影响设备所处的整个系统的功能。比如 因为现场设备的实时性不好，对瞬时扰动的识别能力差等，会影响到系统对问题的快速反应能 力以及电能质量评估能力和决策分析能力。面对这些问题，需要新的思路和新的办法来解决。 随着集成电路技术和计算机技术的飞速发展，网络技术和嵌入式实时系统技术日益成熟和 完善，已经被引入到电能质量监测领域，传统的设计方法也逐渐被摒弃。文献【7 1 ( 意大利) 提出了 一种基于w e b 的电能质量监测系统的设计实例并且采用小波变换技术作为分析手段，整个系统 的设计基本上顺应了目前的发展方向，但文中主要介绍了系统的体系结构和小波变换技术的应 用，未对现场的实时监测设备做具体介绍。文献1 8 1 ( 美国) 提出了一种基于d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) 的实时系统解决方案，该方案采用d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和特殊设计的工业控 制计算机的双处理器结构，d s p 处理实时任务，特殊设计的工业控制计算机用于人机交互，虽 说也是联机处理系统，可进行在线实时监测，但还没有达到智能化和网络化的程度，而且特殊 设计的工业控制计算机的采用加大了设备的成本，不适于作为固定的在线监测设备安装在现场。 同时，针对各种应用场合国内已经开发出许多应用设备并投入使用。关于电能质量的测量和分 析方法，比如傅立叶变换方法、小波变换法、神经网络、二次变换法和p r o n y 分析方法等都被提 出和应用。但是，到目前为止国内开发的这些装置在电能质量的监测上，功能还比较单一，不 具备综合分析和判断功能，对电能异常现象不能及时反映，功能上和可靠性上有待进一步提高。 文献 9 是国内提出的一种基于双c p u 的主从式结构的电能质量监测设备，由于设计时间早，采 用t m s 3 2 0 1 0 型d s p ，性能上已经落后，没有考虑远程通信，分析手段只局限于采用f f t ( f a l s t f o u r i e rt r a n s f o r m ，快速傅里叶变换) 进行稳态谐波分析，也没有提出实时性要求。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 方便的电能质量监测装置，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工农业生产的持续高效，都有十分重要的意义。 1 3 2 电能质量监测的发展趋势 随着电能质量对国民经济的影响逐渐加大和电能质量研究的逐步深入，对电能质量关注的 焦点也已经不仅仅是电压、频率和谐波等各种稳态指标，人们想得到关于电能质量更为准确的 实时信息，比如瞬时扰动和暂态谐波等，同时也要求电能质量监测系统提供更为直观的分析结 果，以利于对电能质量问题做出决策，比如要求系统能够进行故障辨识、干扰源识别、故障预 5 第一章绪论 测和信息共享等功能。如今电子技术和网络技术的飞速发展使得这种需求的实现成为可能。电 能质量监测系统正在朝着在线监测、实时分析、网络化和智能化的方向发展，新一代电能质量 监测系统的体系结构如图1 1 所示。 图1 1 电能质量监测系统体系结构 从设备的角度，目前电能质量监测设备的发展趋势倾向于采用永久性的固定设备对现场数 据进行在线监测，对设备的具体要求可以概括为： 1 设备能满足实时性要求，具备对电网问题的快速捕获能力； 2 在分析手段上能够对采样数据预处理，比如小波去噪，能对数据在线分析，对稳态和瞬 时干扰性事件进行跟踪和预分类。以降低对存储容量的要求，也为现场的监控人员提供 更快速更准确的评估和决策信息； 3 具备强大的通信能力，能方便集成到企业信息管理系统中和互联网上，便于对电能质量 现象进行更深入的分析、统计、长期评估和预测； 4 在功能上具备配置的灵活性，以适应电力系统的不同应用场合； 5 在成本上要能适合大量安装到现场。 6 第一章绪论 从系统的角度，文献【1 1 2 1 都提到了智能电能质量监控系统的概念，但对此尚未有明确定义， 文酬给出了智能系统的功能模型和应用领域，文献【1 2 1 给出了智能系统的基本特征，这代表了 电能质量监测系统发展的最新方向，综合起来，智能监控系统除了具备传统的监测功能外，在 功能和技术上更加强调：( 1 ) 各种信息的提取、收集、分类和管理；( 2 ) 分析手段的智能化， 比如小波变换技术、神经网络技术、模式识别技术和专家系统的应用；( 3 ) 电网运行性能和条 件的自动评估；( 4 ) 为用户提供决策支持；( 5 ) 对问题能够进行预测。 综上所述，电能质量监测的发展趋势对监测系统在功能上提出了更高的要求，同时也表明 这一应用领域的研究需要多种技术的相互融合和各个领域的专家的密切配合。为了适应这一新 的发展趋势，对于固定电能质量监测设备而言，从目前的情况看，需要综合考虑成本和性能进 行专门的研制。这是因为目前开发出来的监测设备在成本上和性能上，大多不适于作为永久性 安装的固定设备。比如，专用的电能质量分析设备功能虽强，但成本偏高，不适合大量应用的 场合；手持式和便携式设备毕竟是一种临时的故障诊断、排错和评估设备，而且实时性指标也 不一定满足要求。 1 4 论文研究的主要内容 电网供电质量关系到用电设备的正常工作，对电网供电质量进行监控，避免电网不良供电 对生产设备的影响，对提高企业的经济效益有重要意义。本论文主要实现了受电在线监测与供 电质量分析系统。 因此本论文的主要任务是： 1 在线监测三相交流电网中电压参数。要求在线显示相零电压，相一相电压，电网谐波， 显示网频，并可以将电压波形上传至上位机记录；存储最近1 0 0 个超过界值及电网故障情况及其 日期和时间：实现口令保护。 2 实现上位机监控与管理功能。要求图形化的显示界面，实现电网电压参数的可视化显 示；数据的趋势图显示与归档，系统采集的数据可长期保存；实现供电质量分析、故障消息的 显示与报警，及时提醒用户供电质量出现的问题；报表的生成与输出；用户权限管理。 3 上位机数据发布功能。要求实现s q ls e r v e r 数据库存储与管理。 一7 第二章系统总体结构设计 第二章系统总体结构设计 2 1 系统功能需求 众所周知，随着我国电力结构负荷的重大改变和工业自动化水平的不断提高，公用电网的 电能质量问题已经成为电能供应市场的核心问题，成为发电、输配电、工业用户、消费者、设 备制造商和电力监管当局越来越关注的焦点，研究和解决这一问题已经变得越来越迫切。 电网供电质量关系到用电设备的正常工作。由于电力电子器件整流器的非线性、时变负载 会使供电系统出现大量的谐波电流。电波谐波经电网会造成电压波形畸变，使电源及与之并联 的负载受到不良影响，对受电、通讯线路及信号线路产生干扰，严重时使这些设备无法正常工 作。因此，对电网供电质量进行监控，避免电网不良供电对生产设备的影响，将对提高企业的 经济效益有重要意义。 2 1 1 企业的功能需求 淮阴卷烟厂创建于1 9 4 5 年，现拥有员工1 5 0 0 名左右，占地4 5 6 亩，拥有固定资产原值1 2 亿元，年生产能力6 0 万箱，为国家大型企业，全国烟草行业重点企业之一。 企业主要装备具有世界先进水平，拥有从意大利c o m a s 公司引进的6 0 0 0 k g h 制丝线，拥 有从英国狄更生公司引进的h x d 高温气流式叶丝膨胀干燥系统，拥有g d x 2 、f o c k e 、p r o t o s 等1 5 条现代化的卷接包生产线，在国内率先引进了激光打孔装备，在产品降焦、加长滤嘴棒研 制方面拥有较强的实力。企业于九五期间相继建立了i s 0 9 0 0 1 质量管理体系、i s o l 0 0 1 2 计量管 理体系和现代企业标准体系，产品市场抽检合格率连年保持1 0 0 。淮阴卷烟厂拥有烟草行业认 定的技术中心，拥有数字化卷烟配方系统，拥有国家级评烟委员，在低焦油产品、加长滤嘴棒 研制方面拥有雄厚的实力，2 0 0 1 年起，“一品梅”牌号卷烟被评为全国3 6 种行业名优卷烟之一， 具有内外质量优、焦油含量低、配方口感醇、包装品位高等特色，深受消费者欢迎。 近年来，淮阴卷烟厂经济效益保持持续增长，综合经济实力显著增强，2 0 0 0 年一2 0 0 4 年累 计实现税利9 9 9 6 亿元，其中利润2 9 1 亿元。2 0 0 4 年企业资产总额3 2 7 6 亿元，实现税利2 7 4 5 亿元，同比增长2 3 4 8 ，其中实现利润7 5 亿元，同比增长4 8 9 7 ，保持了良好的发展态势。 近年来，企业多次获得“全国五一劳动奖状”、“全国精神文明建设先进单位”、“全国思想 政治工作优秀企业”、“全国质量管理先进单位”、“江苏省优秀企业”、“江苏省质量认证工作先 进集体”等多项荣誉称号。 淮阴卷烟厂大量采用了变频器和软启动器以及大量的工业计算机还有部分工业机器人，这 些系统对电网的谐波比较敏感，我们曾经和淮阴电化厂( 主要是使用硅整流设备进行电解) 共 用一路电源，在那期间我们曾经多次出现设备莫名其妙不能工作的情况，后来经过设备生产厂 家工程师分析认为是我厂的电网谐波干扰所致，故我们需要安装一套能在线实时测量电网谐波 的设备以监视电网的谐波情况，在必要时和供电部门联系以采取措施避免损失。 2 1 2 系统的功能规划 根据系统的需求，本论文利用自行研制的在线数据采集器将对电网供电质量进行在线监测， 该数据采集器采用双c p u 的思想进行设计，双c p u 分别为微处理器r a b b i t 2 0 0 0 和5 1 单片机。 8 第二章系统总体结构设计 该数据采集器可监测受电的相零电压、相一相电压等参数，同时可存储最近1 0 0 个超过界值及电 网故障情况及其日期和时间，数据采集器具有网络接口，可以通过这一接口连接到上位机。 上位机运行自行开发设计的监测软件，该监测软件具有强而有效的图形显示功能与良好的 汉化人机接口界面，采用图形，图标方式，将使管理人员方便地使用鼠标及键盘对系统进行管 理、控制；按一定的供电质量分析算法设计分析程序，用图形化的质量分析曲线和表格实现供 电质量分析；通过监控画面的切换，进行在线数据查询，状态查询，数据存储，控制管理等各 种操作；通过基于s q ls e r v e r 数据库的应用开发，实现历史数据的归档、查询和分析。 上位机另配备以太网卡，可接入企业内部网( i n t r a n e t ) 和i n t e r n e t 网。上位机将提 供监测与管理数据的w 曲发布服务。用户可通过浏览器远程访问系统中的数据，实现远程监测。 本文设计的是用于智能配电系统中的专用智能化电能质量监测器，设备将安装到电网网络 的各个供电端，用于电能质量的长期在线监测，通过网络接口将配电网相应端点的电能质量信 息提供给上位计算机，设备将具有如下功能： 1 ) 对三相电压、电流信号实时测量，实时计算电压有效值、电流有效值、电压电流三相不 平衡度、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数和稳态谐波分析； 2 ) 具有事件记录、故障报警和故障波形跟踪记忆功能； 3 ) 分析监测结果，提取电能质量评估信息，为用户提供决策； 4 ) 具有开关量输入输出能力，可以实现各种开关控制功能； 5 ) 具有远程通信接口，服务于更高层的企业信息分析和管理系统； 6 ) 通过人机交互功能，让用户对电网的运行状况快速洞察，迅速决策。 功能需求决定了对系统性能的要求，为了实现上述功能，系统的构建将要为功能的实现提 供足够的性能保障。因此系统应该具备以下性能： 1 ) 为满足实时性需求，必须具备高速的运行速度； 2 ) 为了支持大计算量和复杂算法，必须具备较强大的数字信号处理能力； 3 ) 系统功能覆盖了从底层任务执行到高层应用，需要足够的系统资源； 4 ) 具备远程通信能力： 5 ) 为了实现人机交互，还应该具有键盘输入和信息显示能力。 电能质量监测设备是用于现场的设备，用于电力系统的现场设备首先要有抗电磁干扰能力， 同时也要限制对外界产生的电磁干扰，同时另外一个不可忽视的问题就是成本问题，以低成本 实现高性能系统也是本文的一个重要目标。本文在方案选择上，就是要选择一个尽可能充分满 足上述要求的系统解决方案，这就需要在诸多可选方案当中进行比较，参照功能需求进行分析， 对多种方案相互融合，取长补短，这是本文方案选择的基本指导思想。从大的方向上来看，可 以首先在通用计算机系统和嵌入式系统之间寻找解决方案。 2 2 系统总体设计 不同的系统解决方案都有其自身的特点和优势，也有其不足，具体采用哪种方案很大程度 上要依赖于由应用场合的具体特征所决定的对系统的基本要求。受电在线监测与供电质量分析 系统要求系统抗干扰能力强、可靠性高、计算量大、处理速度快、实时性好、体积小、成本低、 9 第二章系统总体结构设计 开发周期短，由于不是便携式设备。对于低功耗要求并不高。因此本课题通过各种方案的综合 比较，认为单个方案由于自身的优点和缺点同时存在，都不是系统应该采用的理想方案，只有 通过不同方案的相互结合以取长补短，寻找满足系统要求的最优方案。 通过筛选，本文决定采用嵌入式r a b b i t2 0 0 0 处理器和m c s 5 1 单片机构建基于双c p u 结构的 电能质量监测和微控制系统作为最终解决方案，这样做可以兼顾系统设计中的各种设计要求， 同时与个人计算机系统相连，可以图形化的实时显示数据。双c p u 系统结构可以扩大系统资源， 使系统具有并行处理能力，这是保证系统的实时性和可靠性等性能指标的关键。 受电在线监测与供电质量分析系统采用三层结构：电网监控层、监控管理层和烈t e r n a t 层，如图2 1 所示，分别叙述如下： 多功 图2 1 系统三层结构图 1 电网监控层 受电实时数据监测采集仪连接到供电电网中，监视3 相交流电网中所有的重要参数。受电 实时数据监测采集仪能够不间断的获取供电电网中的相零电压、相一相电压等参数并可以将实时 1 0 第二章系统总体结构设计 数据上传至上位机记录。 2 监控管理层 本系统中的监控上位机通过以太网与受电实时数据监测采集仪连接，采集受电实时数据监 测采集仪从电网获取的各项参数。 上位机运行的自行编制的基于w i n d o w s 的监控软件强大的图形显示功能将采集的参数 可视化的显示给用户。监控软件良好的人机接口界面，使管理人员可以在线分析供电质量，并 可方便地使用鼠标及键盘对系统进行管理、控制、数据查询、状态查询、数据存储和控制管理 等各种操作，以及方便的实现基于s q ls e r v e r 数据库的历史归档与对比分析的功能。 3 i n t e r n a t 层 上位机运行s q ls e r v e r 数据库与i n t e r n e t 信息服务，可将采集的电网参数通过w e b 方式进行发布。上位机通过以太网接口接入企业内部网( i n t r a n e t ) 。联入企业内部网的计算 机不需另外安装软件，通过i e 浏览器便可访问系统采集到的各项数据，实现远程受电监测与供 电质量分析。 由受电在线监测与供电质量分析系统的三层框架可以分析出本系统的各层模块所要实现的 功能，叙述如下： 1 多功能监测分析仪电网监控功能 显示相一零电压，相一相电压，瞬时和平均视在电流，有功和无功功率，功率因数，电 网谐波： 显示总视在，总有效，总无功功率，平均的功率因数，有用功和无用功； 2 上位机监控与管理功能 图形化的显示界面，实现电网参数的可视化显示； 数据的趋势图显示与归档，系统采集的数据可长期保存； 实现供电质量分析、故障消息的显示与报警，及时提醒用户供电质量出现的问题： 报表的生成与输出； 用户权限管理。 3 上位机数据发布功能 s y b a s es q l 数据库存储与管理； i n t e r n e t 信息服务的数据w e b 方式发布。 第二章系统总体结构设计 2 3 系统关键技术研究 2 3 1 高速a d 采样 在高速a d 采样部分选用了m a x l 5 6 。m a x l 5 6 是具有8 路同时采样跟踪保持输入功能的 8 位逐次逼近式高速a d 转换器【8 1 。它的8 个模拟输 入通道都具有自己的跟踪 保持电路，在同一时刻采 样，消除了输入通道采样 定时的不同，克服了多路 模数转换器并行工作时高 速数据采集系统硬件开销 大、一致性差等问题。由 m a x l 5 6 构成的高速数据 采集系统，每通道转换时 间3 6 u s ( 最小值) ，可编 幽2 2m a x l 5 6 与单片机接口电路图 0 4 程指定单极性或双极性转换、单端和差分输入，便于和8 位单片机接口，具有电路简单、接口 方便、同时采样、造价低、转换快等明显优点。m a x l 5 6 与单片机接口电路如图2 2 所示。 在实际电路中m a x l 5 6 外接4 m h z 晶振，转换通道数n = 4 ，转化时间为： t = ( 9 n 2 ) c l k = ( 9 4 2 ) 4 m h z = 1 8u s 即每1 8 u s 就可完成一次采样。 编制程序时，m c s 5 l 程序分为主程序和中断程序。中断程序中的代码必须在1 2 5 u s 中执行 完成，否则会影响到下一次中断的触发，导致数据丢失。对于单片机使用2 4 m h z 晶振，中断程 序直接使用汇编语言编制经优化后执行时间为9 0 u s ，可以满足要求。1 2 5 u s 的中断可实现每秒 1 2 k 字节数据的采样，谐波次数达4 0 次。 2 3 2 数据的存储与读取 双口r a m 在本设计中主要完成的是5 l 单片机与r a b b i t 2 0 0 0 系统之间的数据传输工作。 从数据传输的方向来看，5 1 单片机负责将数据放入双口r a m 中，而r a b b i t 2 0 0 0 要做的则是 将数据读出并通过以太网络发送出去。因此针对双口r a m 数据存取的部分，主要的问题是要 保证单片机存放的数据能被有效的读取。 在实际应用中选用了1 k 的双口r a m ，采用消息机制保证数据的正确读写。双口r a m 在 逻辑上分为两个区，前9 0 0 个字节为数据区，存储采样数据。后1 0 0 个字节为消息区，存储控 1 2 第二章系统总体结构设计 制双口r a m 读取操作的消息字段。这些消息字段，用来在5 l c p u 和r a b b i t c p u 之前传递采样 开始、采样结束和采样出错等消息以及读地址和写地址。5 l 单片机程序操作写地址，5 l 单片机 程序以中断方式获取a d 采样数据，每次中断，向双口r a m 里面写3 个字节，同时将写地址 加3 。r a b b i t 2 0 0 0 操作读地址，每调用一次r a b b i t 2 0 0 0 中的读双口r a m 程序，先判断写地址与 读地址之差是否大于9 0 ，大于则一次读取9 0 个字节。这样只要保存r a b b i t 2 0 0 0 中读程序的调 用频率大于5 1 单片机中断调用频率的l 3 0 ，就能保证采样数据连续、完整的采样与传递。双口 r a m 读写原理见图2 4 所示。 2 3 3r a b b i t 2 0 0 0 实现数据的传送 r a b b i t 2 0 0 0 以z w o r l d s 公司的c 语言开发系统d y n a m i cc 编译器为其开发工具。d y n a m i cc 携带了实现t c p i p 协议的库函数，硬件上配以网络接口可直接接入i n t e m e t i n t r a n e t 。 由于在r a b b i t 2 0 0 0 上运行的是c o si i 多任务操作系统，因此可以实现多进程的任务。 在通过r a b b i t 2 0 0 0 进行数据传送时使用了两个并行的进程：读进程和发送进程( 如图2 5 所 示) 。在r a b b i t 2 0 0 0 的r a m 中使用两个缓冲区，读进程向一个缓冲区中写数据，发送进程从 另一个满的缓冲区中读数据，然后发送。 1 3 第二章系统总体结构设计 读进程 发送进程 图2 5 两进程数据传送程序框图 2 3 4 刀口筒量f 1 1 笏止算纭 对于采样频率为s f ，采样点数为n 的时间序列x 以) ，其中 lk = k 出 r ：上 s f k _ 0 ，1 ，2 ，n 一1 ；n = 2 m ，最常用的为1 0 2 4 点。 f f t 幅值谱加矩形窗的变换公式为 ”专乳) c o s ( 2 砌) ”一号瓢) s i n ( 2 砌) 旷专乳) ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) n = 0 ，1 ，2 ，n 2 n f 处的幅值谱矢量表达式为a n + i b n 。以上变换，频率分辨力为f = s f n 。 对某个单一频率成分的波形x ( t ) = a c o s ( 2 r + 由) ，设f = n f + q f ，q 的物理意义如图1 所 示。 1 4 第二章系统总体结构设计 。 图1d 的物理意义示意图 若f 不变，代表谱线的序号n 改变时，q 也相应改变，q 反映了频率对应于第n 条谱线的 相对位置。q 可为任意正负实数。 将时间序列a c o s ( 2 ( n + a ) r + 巾) 代入( 1 ) 式及( 2 ) 式，并设n o o ，t = k n ，则( 1 ) 式为 以。= 2 彳上c 。s ( 2 万( 胛+ 口) + 妒) c 。s ( 2 ，矾f 弦丁 简化后得 口。2c 昙+ 硒南js i n 沁) c o s 缸+ 妒)口n2 l 磊+ 丽| 8 1 n 忱j c o s 忱+ 妒j ( 2 ) 式为 6 。= 一2 么f c 。s ( 2 万g + 口弦+ 缈) s i n ( 2 翮丁弦r 简化后得 玩= ( 昙一币南 s i n ) s i n 缸+ 妒) 公式( 4 ) 、( 5 ) 中的第二项反映了频率在f f t 谱中位置对泄漏的影响。 ( 4 ) 一般的，利用频移定理推得的公式只有第一项，而第一项只和q 有关，即只和频率f 对应 于第n 条谱线的相对位置有关。n + a = m + ( q + n m ) ，所以有 旷( 了乌 s i n ) c 。s + 伊) 币磊葡j s i n 忱j c o s + 伊 ( 赤一赤 s i n ) s i n 刊 1 5 第二章系统总体结构设计 从( 4 ) 、( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 式可看出，当q 为整数时，没有泄漏产生，只有在q = 0 处，a n _ a c o s ( 中) ， b n = a s i n ( 巾) 。在实部中，只要知道任意