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电力系统谐波及间谐波检测系统设计 摘要 电能质量指的是通过公用电网供给用户端的交流电能的品质，包括电压质 量、电流质量、供电质量和用电质量四部分。电力系统中，电力电子元件大量应 用会产生间谐波和谐波，影响电能质量，它不但对用电设备产生影响，而且不易 估计，给谐波治理带来了一定的困难。间谐波和谐波的检测和分析是实现谐波治 理的前提条件，精确的谐波检测能够为谐波治理提供良好的依据。 本文设计了一种基于两级计算机结构的谐波及间谐波检测系统，其中下位机 负责采集实时数据，利用串行通信上传至上位机；在上位机部分，利用盖氏圆方 法来估计谐波及间谐波个数，利用旋转不变子空间算法来估计谐波及间谐波的频 率；设计了一种利用模糊神经网络来优化谐波及间谐波检测的方法，用来求得谐 波及间谐波检测参数，分两步：第一步，利用下位机采集大量数据进行离线计算， 通过不断学习得到满足误差和方差要求的模糊神经网络参数；第二步，利用修改 后参数进行在线计算，并将新的实时采样间隔值和采样个数传到下位机，调整下 位机采样设定，新的盖氏圆参数将运用到盖氏圆方法中，使用新的采样实时数据 估计谐波及间谐波个数和实时频率值，然后利用实时频率估计值和采样数据得到 实时幅值估计值；m y s q l 数据库用来保存采样数据和各谐波及间谐波频率和幅 值估计值。另外，本系统还设计了一个w e b 用户界面系统，它是由数张网页构 成。用户只需完成用户登录，数据库登录后就能够查看实时数据，还能够对以往 数据进行查询，为分析提供历史依据。该界面系统不需要在远程监控中心安装任 何软件，仅仅需要一个i e 浏览器并且连接上网络即可。 仿真实验结果表明，本文设计的谐波及间谐波检测算法在线计算能够在短时 间内准确估计间谐波个数、频率值和幅值，具有较大的实用价值。 关键字：谐波；间谐波；盖氏圆方法；旋转不变子空间算法：模糊神经网络；数 据库 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o w e rq u a l i t yi sa cq u a l i t yw h i c hs u p p l yt 0u s e r st h r o u g hc o m m o n e l e c t r i c i t yg r i d ，i n c l u d i n gt h ev o l t a g eq u a l i t y ，c u r r e n tq u a l i t y ，s u p p l yq u a l i t ya n d u t i l a z a t i o nq u a l i t y t h ee l e c t r o n i ca n de l e c t r i c a le l e m e n t sw i d e l yu s e di np o w e r s y s t e mc a nb r i n g o u tt h ei n t e r h a r m o n i c sa n dh a r m o n i c s t h e yn o to n l ym a d e c o n s u m e r sd i d n tw o r kn o r m a l l y ，b u ta l s ow e r eh a r dt oe s t i m a t ec o r r e c t l y s oi tw a s d i f f i c u l tt oc o n t r o lt h ei n t e r h a r m o n i c s t h ei n t e r h a r m o n i c sa n dh a r n l o n i c sd e t e c t i o n a n da n a l y s i sa r et h ep r e m i s eo fc o n t r o lo fi n h a r m o n i c sa n d h a r m o n i c sw h o s e e f h c i e n c yc a nb el i f t e db e c a u s eo ft h ec o r r e c td e t e c t i o n i nt h i sp a p e r ，ah a r m o n i c sa n di n h a r m o n i c sd e t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hw a sb a s e d o nt w ol e v e l sc o m p u t e r ss t r u c t u r e ，w a sd e s i g n e d t h ed a t aw e r ec o l l e c t e du s i n g a r ms y s t e ma n dt r a n s m i t t e dt op cu s i n gt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n i nt h eu p p e r m o n i t o r ，g e r s h g o r i nd i s k s ( g d i s k s )w a su s e dt o e s t i m a t et h en u m b e ro ft h e h a r m o n i c sa n di n h a r m o n i c s e s p r i ta l g o r i t h mw a su s e dt oe s t i m a t et h ef r e q u e n c y o p t i m i z e d h a m o n i c sa n di n h a m o n i c se s t i m a t i o n u s i n g i a g a k i s u g a n of u z z y m o d e l ( r sm o d e l ) w a sd e s i g n e d t h ep a r a m e t e r so fe s t i m a t i o nw e r eg a i n e db y i s m o d e l t h eo p t i m i z e de s t i m a t i o ni n c l u d e dt w os t e p s i nt h ef i r s ts t e p ，a b u n d a n td a t a w e r es a m p l e dt oc a l c u l a t eo m i n ea n dt h ep a r a m e t e r so ft - sm o d e l ，w h i c hm e tt h e n e e do fe r r o ra n dv a r i a n c e ，w e r eo b t a i n e da f - t e rl e a r i n g i nt h es e c o n ds t e p ，o p t i m i z e d p a r a m e t e r sw e r eu s e di no n l i n ec a l c u l a t i o n n e ws a m p l ei n t e r v a la n ds a m p l en u m b e r w e r et r a n s m i t t e dt oa r ms y s t e mt h r o u g ht h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni no r d e rt oa d ju s t t h es e to fs a m p l ei na r ms y s t e m n e wg - d i s k sp a r a m e t e rw a sa l s ou s e di nt h e g d i s k s s ot h en u m b e ra n dt h er e a l - t i m ef r e q u e n c yo fh a r m o n i c sa n di n h a r m o n i c s c o u l db ee s t i m a t e dc o r r e c t l y a tl a s t ，t h er e a l t i m ea m p l i t u d ea l s oc o u l db ee s t i m a t e d u s i n gt h es a n l p l ed a t aa n de s t i m a t e df i r e q u e n c y t h e s ed a t ac o u l d b es a v e db y 电力系统谐波及间谐波检测系统设计 m y s q ld a t a b a s e aw e bu s e ri n t e r f a c es y s t e mw a sd e s i g n e di n c l u d i n gs o m ew e b p a g e s a f = t e ru s e ra n dd a t a b a s el o g i n ，u s e rc a nv i e wt h er e a l - t i m ed a t aa n ds e a r c ht h e h i s t o r yd a t af o ra n a l y s i s t h i si n t e r f a c es y s t e mw a sn o tr e q u i r e dt oi n s t a l lo nt h e c o m p u t e ro fr e m o t em o n i t o rc e n t e ra n do n l yn e e dt oc o n n e c tt h ei n t e r n e ta n dv i e w d a t au s i n gi eb r o w s e a sar e s u l t ，t h eo p t i m i z e di n t e r h a r m o n i c se s t i m a t i o nu s i n gt - sm o d e lc a nd e t e c t c o r r e c t l yt h ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d ei n as h o r tt i m ei nt h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t t h eh a r m o n i c sa n di n h a r m o n i c se s t i m a t i o ns y s t e mh a su s e v a l u e k e y 、m o r d s ：h a r m o n i c s ； i n t e r h a r m o n i c s ；e s p r i ta l g o r i t h m ； g e r s h g o r i nd i s k s ； t a g a k i s u g e n of u z z ym o d e l ； d a t a b a s e 硕士学位论文 1 1 本课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1 电能质量 电能质量描述的是通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态 的公用电网应以恒定的频率，正弦波形和标准电压对用户供电。在三相交流系统 中，还要求各相电压和电流的幅值应大小相等，相位对称且互差为1 2 0 度。但由 于系统中的发电机、变压器、输电线路和各种设备的非线性或不对称性，以及运 行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在，因此产生了电网 运行、电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。 i e c ( 10 0 0 2 2 4 ) 标准凹3 将电能质量定义为：供电装置正常工作情况夏不中断 和干扰用户使用电力的物理特性。i e e e 协调委员会对电能质量的技术定义为： 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均是适合该设备 正常工作的。电能质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形等参量距规定值 的偏差。 电能质量包括四个方面的相关术语和概念口1 ：电压质量即用实际电压与额定 电压间的偏差( 偏差含电压幅值，波形和相位的偏差) ，反映供电企业向用户供给 的电力是否合格；电流质量即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形要求，并 使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行，这个定义有助于 电网电能质量的改善，并降低网损；供电质量包含技术含义和非技术含义两个方 面：技术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量包括供电企业 对用户投诉反应速度和电力价格等；用电质量包括电流质量和非技术含义，如用 户是否按时、如数缴纳电费等，它反映供用双方相互作用与影响用电方的责任和 义务。 国际电工委会( i e c ) 没有电能质量的术语，而是提出电磁兼容( e m c ) 术 语，指出和强调设备之间的相互作用和影响，以及电源及设备之间的相互作用和 影响，国际电工委员会( i e c ) 制定了电磁兼容( e m c ) 的一系列标准。另外还 有许多国外先进的标准，如19 9 5 年欧共体颁布的一个电能质量标准，称为公 用配电系统供电特性，作为对中、低压电能质量的统一标准，标准分5 大类， 共有13 个指标。一般劣质电能质量的危害性有以下一些表现h 1 ： a 、电压偏差超标会使用电设备的损耗增加、寿命缩短、工作不正常，会破 坏电力系统同步运行的稳定性、电压的稳定性以及电网的经济运行。 电力系统谐波及间谐波检测系统设计 b 、电压的波动和闪变主要由波动性负荷( 如电弧炉) 引起，其超标会危害 与其连接在公共供电点的其他用户的设备，如使照明灯闪烁、电机转速不均匀和 计算机及电子设备工作不正常等。 c 、谐波由谐波源( 非线性设备和负荷) 注入系统，会损坏系统设备( 如电 容器、电缆、电动机、电压互感器等) ，威胁系统的安全运行( 如继电保护及自 动装置误动) ，增加系统的功率损耗( 如线损) ，增大测量仪表的误差( 如电能 表) ，干扰通讯等。 d 、三相不平衡会使发电机工作不正常，增加变压器的附加损耗造成其局部 过热，继电保护及自动装置误动，变流器产生非特征谐波，增加中性线电流产生 电噪声干扰，增加输电线损耗，干扰通讯等。 e 、电力系统稳定运行时，全系统有相同的频率。在允许的频率偏差范围内， 主要是引起设备的效率问题；当偏差超过范围，则会危及设备的安全，严重时甚 至造成系统瓦解崩溃。 f 、暂时过电压和瞬态过电压，以及电压跌落和短时供电中断的问题，一般 由系统或用户内部的短路故障引起，会直接影响甚至中断用户正常的用电，造成 严重的经济损失。( 用户最关心这个问题) 文献 5 】提出将电能质量的监督正式纳入电力生产轨道，同时建立国家、各 省、地市3 级电能质量管理体系。作为电能质量指标的电压和频率偏差，基本上 由各级电力调度部门进行日常监管，这方面己制定了一些规程、导则( 例如调度 规程、无功和电压管理导则) 。谐波、电压波动和闪变以及三相不平衡同用电负 荷的关系较密切，这三个指标难以做到实时监督，一般应由试验部门定期组织测 量。现在有必要在国家质量监督部门领导下建立国家级电能质量检测中心，作为 电能质量监管的技术归口单位。各网省、地市可以建立相应的电能质量检测站。 1 1 2 谐波及间谐波检测 在电力系统中，电力电子元件等非线性设备的广泛应用产生了谐波，严重污 染了电网，该问题已引起广泛关注。对于间谐波的研究，相关的文献资料很少。 现行国家标准电能质量公用电网谐波1 ( g b1 4 5 4 9 9 3 ) 也只是对谐波规定 了限值和测量方法，实际上间谐波及其影响广泛存在于电力系统中。由于间谐波 固有的非平稳性和频率难以预测等特征，难以对间谐波进行精确检测。谐波的检 测和分析是实现谐波治理的前提条件，精确的谐波检测能够为谐波治理提供良好 的依据。 由文献 7 】可知，电网中的间谐波来源主要有变频调整装置、低同步串级调速、 电弧炉等波动电力负载、感应电动机等铁心设备以及配电网中的铁磁振荡。问谐 波和基波是非同步变化的，因而会导致波形正负半波幅值发生变化以及过零点偏 2 硕士学位论文 移，使采样数据或过零工作的数字继电器产生误差，甚至误操作造成事故。另外， 间谐波会在变压器电抗和电容组间激励起难以预料的谐振。当间谐波频率接近谐 波或是基波频率，会引发闪变。频率低于基频的谐波会使汽轮发电机发生转矩扭 振，给变压器和感应电动机带来额外的损耗致使其绝缘水平下降，能引起感应电 动机噪声和振动，使传统滤波装置失效甚至损坏。 文献 8 10 中分别利用p r o n y 算法、p i s a r e n k o 算法和支持向量机算法进行间 谐波检测，但其信号源估计与谐波检测算法均是分开的，对于不同信号重新计算 自回归( a u t o r e g r e s s i o n ) 模型阶数和选取盖氏园调整因子都需要一定时间。在 估计间谐波的过程中，采样个数及采样间隔也需要实验者通过经验或反复实验得 到。 1 2 网络编程语言和m y s q l 数据库的发展 当今的时代是网络的时代，当今的时代是信息爆炸的时代，每天都有不计其 数的网站连入i n t e r n e n t ，越来越多的人投入到了i n t e r n e t 的潮流中去，在i n t e m e n t 上站点的数量呈现出指数级上升的趋势。包括p h p 叫2 | ，j a v a s c r i p t 33 等脚本语 言极大地丰富了h t m l 语言3 | ，前两者嵌入h t m l 语言中成为了当前网络编程 的主流。 有文献 1 1 1 2 可知，t 1 0 b e 世界编程语言排行榜在一定程度上体现了编程 语言在当前的流行趋势。2 0 0 8 年6 月份t i o b e 世界编程语言排行的相关数据说 明如图1 1 所示： 甄豫疆强i ：蜘豳叠瞪碰l il 涠t 重i q ，5 ! 。! 芏l j l l m ；蟹魏 h f i p 暑置l h 曩j 甄汪：_稠尉一 l j 蜉i 2 0 o l + o 槐l ci ss l 鞭一由 s l 盏 33 e + i 08 a 5 薯叼3 l 薹 毫s l i 獭睦 ， o 由虞i 囊蓐。 i 童1 皇陵 囊 s 毫 l 乳t b n 】b j 】c 蠹7 盯薯 均鳃蔫 6 6 ls 5 噜8 蓦 。5 3 l 8 l y 如n t ，8 兮拿善 l 了辱置 是 f 8 l c 簟t 蜊 柏蜀馐 矗 鼋e 萝4 口ol p t ：拂+ o3 i 1 童 1 0：o 亳h 28 4 镰 s l i 图1 12 0 0 8 年6 月份t i o b e 世界编程语言排名 p h p 凭借其代码开源、完全免费和安全性高等特性，必将有令人瞩目的发 展前景。p h p 具有完全跨平台性，a p a c h e + p h p + m y s q l 已经成为当今建设网站 的一种优良框架结构，随着主流p h p 5 0 的诞生，z e n d i i 引擎的采用，面向对象 的支持以及模板化使得p h p 编程进入了一个新时代，用户数量成稳步上升趋势， p h p 凭借其强大的功能，在未来必将呈现出良好的发展趋势。 电力系统谐波及间谐波检测系统设计 h t m l 语言从19 9 1 年正式诞生以来曾推出了好多个不同的版本，其中对 w w w 系统发展具有重大影响的主要是两个版本：其一是在19 9 6 年推出的 h t m l 3 2 。其二是在1 9 9 8 年推出的h t m l 4 o 。1 9 9 9 年w 3 c 颁布了h t m l4 0 1 。 目前大多数w e b 服务器和浏览器等相关的软件均支持h t m l4 0 1 标准。w 3 c 正 着手制定更新的h t m lv 5 o 。 目前，w 3 c ( w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m ) 组织负责制定h t m l 标准。h t m l 的主要语法是元素和标签。元素是符合d t d ( 文档类型定义) 的文档组成部分， 如t i t l e ( 文档标题) 、i m g ( 图像) 、t a b l e ( 表格) 等等。元素名不区分大小写。 h t m l 用标签来规定元素的属性和它在文档中的位置。 由文献【1 3 】可知，最初的j a v a s c r i p t 版本是j a v a s c r i p t l o ，并能在n a v i g a t o r 2 0 上运行，以后随着浏览器不断更新，j a v a s c r i p t 也在不断的发展之中。j a v a s c r i p t l 1 能在n a v i g a t o r 3 o 上运行，e c m a 一2 6 2 就是在j a v a s c r i p t l 1 的基础上建立起来的。 当浏览器版本发展到n a v i g a t o r 4 o 后，j a v a s c r i p t 的版本也发展到j a v a s c r i p t l 2 ， 不过在j a v a s c r i p t l 2 发布的时候，e c m a 2 6 2 标准制定还没有全部完成，所以 j a v a s c r i p t l 2 和e c m a 2 6 2 标准不完全兼容。在以后推出的j a v a s c r i p t l 3 中， n e t s c a p e 公司进行了改进，使得j a v a s c r i p t l 3 能够完全兼容e c m a 2 6 2 ， n a v i g a t o r 4 0 6 版本以上的浏览器能够支持j a v a s c r i p t l 3 。现在j a v a s c r i p t 已经发 展到了j a v a s c r i p t l 4 ，它也和e c m a 2 6 2 完全兼容。 虽然j a v a s c r i p t 是n e t s c a p e 公司的产品l 1 3 j ，但现在i n t e r n e te x p l o r e r 浏览器 也能够较好地支持j a v a s c r i p t 。i n t e m e te x p l o r e r3 o 对j a v a s c r i p t 的支持不是很好， 但在i n t e r n e te x p l o r e r4 0 推出以后，这种情形已经得到了很大的改善。i n t e r n e t4 0 和n a v i g a t o r4 0 都能够支持e c m a s c r i p t 标准。不同的是，两种浏览器都在 e c m a s c r i p t 的基础上加入了许多自己的内容，所以它们对于j a v a s c r i p t 仍然不 能完全兼容，特别在于文档对象模型( d o m ) 方面。 m y s q l n 2 1 4 1 的历史可以回溯到19 7 9 年，那时m y s q l 的发明者m i c h a e l w i d e n i u s 开发了一个内部数据库工具，称为u n i r e g ，用来管理数据库。瑞典 公司t c x 于1 9 9 4 年开始开发基于w e b 的应用，并用u n i r e g 提供支持。到1 9 9 5 年5 月，t c x 拥有了一个适合其内部需要的数据库：m y s q l3 1 1 。m y s q l 的特 定设计目标是速度、健壮性和易用性。为了得到这些性能，t c x 决定让m y s q l 成为一个多线程的数据库引擎。多线程应用在同一时间可以完成多个任务，如同 有多个应用的实例在同时运行。 多线程n 2 1 4 1 为m y s q l 带来了很多优点。一个单独的线程处理每个进入的连 接，而另一个线程则一直在运行以管理这些连接。多个客户可以同时进行读操作， 而不会彼此影响。但写操作在某种程度上依赖于所用表的类型，若其他客户需要 访问正在更新的数据，那么会将其挂起。当某个线程在写一个表时，所有其他需 4 硕士学位论文 要访问该表的线程都要等待表被释放。客户可以执行任何允许的操作，而不用考 虑其他并发的连接。连接管理线程可以防止其它的线程读写正在更新的表。这种 结构的另一个优点是所有多线程应用所固有的，尽管所有线程共享相同额进程空 间，但它们是单独执行的。由于这种分离性，只要主机操作系统支持多c p u ， 多处理机就可以把线程扩展到多个c p u 上。 m y s q l 增加了一些新特性n 2 “1 ，从而实际上扩展了a n s is q l 。这些特性 包括新的函数( e n c r y p t 、 w e e k d a y 、 i f 及其它) 、增量字段 ( a u t o _ i n c r e m e n t 和l a s t - i n s e r t _ i d ) 及区分大小写。 1 3 本课题研究内容和实际意义 由文献【1 5 】可知，在进行离散快速傅立叶变换( d f t f f t ) 分析时，由于间 谐波和谐波之间的频域宽度小于一个基波频率，故分析窗的宽度至少需要一个信 号周期以上，即分析窗的宽度需增加。如果某一信号确实含有间谐波，分析时 只要采样窗宽度选择恰当，就可得到真正的间谐波。有些信号并不含有真正的间 谐波，只是在进行d f t f f t 分析时，由于频谱泄漏和栅栏效应而产生了一些额外 的间谐波。当用d f t f f t 分析波动负荷时，并不能肯定得到的所有间谐波都是信 号本身含有的。当使用不同周期的采样窗时，会得到不同的涌流频谱图，其本质 就是变压器涌流快速波动的特性造成的。但其不足之处是分析窗的宽度一般要达 几十个信号周期，当间谐波和谐波频率大小相接近时，要能准确检测出间谐波成 分，分析窗宽度还需进一步增加，参数估计的实时性也因此会变差。 本文介绍的谐波和间谐波检测算法利用模糊神经网络能够得到准确的采样 个数，采样间隔和盖氏圆参数，将这些参数运用到盖氏圆方法和旋转子空间算法 ( e s p r i t ) ，能够得到误差较小的间谐波估计频率和估计幅值，从而有效的提高 了估计的精度。在以往的研究中，研究者需要自己设定采样个数和采样间隔，为 了得到满意的结果需要反复的实验，而利用本文介绍模糊神经网络不需要研究者 自己设定采样间隔和采样个数即可得到理想的采样间隔值和采样个数。 在电力系统中，许多变电站实行无人监控，通过电力系统内部网可将各个变 电站的数据传到安全监控中心。由于变电站和安全监控中心的监控界面使用c + + 来编写的，安全监控中心在使用监控界面时需要安装相应软件，本文介绍的用户 界面是通过网络编程实现的，安全监控中心不需要安装软件，只需向平时在家中 上网一样，在地址栏中输入变电站的网址就可以查看变电站实时数据。而且可以 同时打开多个网页，同时查看不同地区变电站的实时数据。 本文按照如下顺序进行介绍： 第l 章绪论。主要介绍电能质量的定义和危害以及国外情况，间谐波和谐 波产生来源，相关标准和间谐波检测相关文献。最后结合上述分析，提出本文介 5 电力系统谐波及问谐波柃测系统设计 绍的间谐波及谐波检测系统设计的意义和内容。 第2 章采样和串行通讯。首先介绍了整个谐波及间谐波检测系统的结构， 然后详细介绍了采样电路、串行通信电路及其相应的软件设计，最后介绍了上位 机串行通信软件设计。 第3 章间谐波及谐波检测算法及其软件实现。详细介绍了实现谐波及间谐 波检测的盖氏圆方法、旋转不变子空间算法和模糊神经网络，并利用m a t l a b 软 件仿真验证。之后还详细介绍了利用软件实现间谐波及谐波检测算法。 第4 章用户界面实现。首先介绍了各网络编程语言，之后详细介绍和分析 各界面及其编程思路，最后介绍了利用m y s q l 数据库c + + 接口函数保存采样值 和谐波、间谐波各估计值。 结论和展望主要介绍了本文介绍系统的优点和缺点，并指出了今后工作的 方向。 6 硕十学位论文 第2 章数据采集及串行通信 2 1 谐波及间谐波检测系统整体结构 针对电力系统变电站无人化管理的要求，从变电站，远程监控中心和管理人 员需求出发，本系统分为三个部分：下位机、网络服务器( 本地主机) 和客户机。 图2 1 为本系统结构方框图： 赐警胆堑器 客户机 ( 本地主机) ( 远程控制中心) 采集电压 下位机 写入数据 m y s q l 读取数据 用户 电流值 串行 谐波及间谐 以太用户 a r m 系统 通信。波检测算法 c h 接口函嚣 数据库 p h p 接口函数 界面网 界面 ( 第二章) l 图2 1 诣波和间谐波检测系统整体框图 1 下位机 下位机包括数据采集和串行通信。采样过程主要进行利用a r m 系统采集数 据，电力系统属强电，参数值较大，但a r m 系统的a d 转化的范围一般在o 5 v ，因此需要解决参数倍数缩小的问题。接着，数据利用串行通信上传至网络 服务器( 本地主机) ，在串行通信的过程中，可能会产生一些干扰信号，为了避 免这些干扰信号对a r m 芯片产生影响，如何消除干扰也成为下位机研究的一个 内容。 2 网络服务器( 本地主机) 网络服务器设置在变电站控制室内，包括串行通信、谐波及间谐波检测算法 及其软件实现、用户界面系统。串行通信用c + + 语言编写，用户可通过串行通信 参数设置界面设置参数和与下位机连接功能。 谐波及间谐波检测算法为本文核心，通过该算法实现谐波及间谐波的频率及 幅值的估计。该算法由盖氏圆方法、旋转不变子空间算法和模糊神经网络三部分 构成，其中，盖氏圆方法用来估计谐波和间谐波个数，旋转不变子空间算法用来 估计谐波及间谐波频率，模糊神经网络用来提供盖氏圆方法和旋转不变子空间算 法所需的参数。该算法分为两部分进行，离线和在线计算。离线计算利用采集得 到的大量数据得到满足误差和方差要求的模糊神经网络参数，在线计算利用这些 参数和新的采集数据求得盖氏圆方法和旋转不变子空间算法参数实时值，从而估 计到实时频率和幅值估计值。为实现该算法，本文利用o p e n c v 、c b l a s 和 c l a p a c k 软件实现之。 7 电力系统谐波及间谐波检测系统设计 采样数据和谐波及间谐波估计值一起保存至数据库，本系统利用m y s q l 数 据库c + + 接口函数实现将这些值保存至数据库中。本系统用户界面分为用户登录 界面、数据库登录界面、显示界面、数据库创建界面、查询界面和查询结果界面 等六个界面。用户界面程序编写过程中，需涉及多种语言或语句，包括p h p 、 j a v a s c r i p t 、h t m l 和m y s q l 等。在读取m y s q l 数据库数据时，本系统采用的 是m y s q l 数据库的p h p 接口函数。 3 客户端 客户端即远程控制中心，其界面与服务器端界面相同，利用p h p 语言实现 与服务器( 本地主机) 数据传输，利用j a v a s c r i p t 语言实现客户端界面表格的建 立，利用h t m l 语言实现背景、表格和输入文本框等功能。在用户界面中，充 分发挥各语言的优点，并将其有效的结合，实现整个用户界面的设计。 2 2 数据采集 本系统下位机采用的芯片是a r m a d u c 7 0 2 0 芯片，该芯片中具有a d ，d a 转换功能，利用a d 转换功能将电流或电压的模拟量转换为数字量。电压采样 限幅电路如图2 2 所示： u望1 1 t “l 图2 2 电压采样限幅电路图 图2 2 采用的是电流互感器，电压采样信号需先利用一个电阻转换为电流信 号。又因为a d 转换信号为电压信号，所以利用电阻转换为电压信号。为避免 电力系统闪变现象造成a d 转换部分损坏影响采样真实性。在电路中采用正极 相连两个稳压二极管。由于采样值为双极性信号，本系统使用a r m 芯片a d 转 换范围为单极性，在限幅电路中串联加入参考电压r e f v ，使得a d 转换对负信 号值也能进行采样。此外，为消除信号中干扰量，电路中还设计一电容进行滤波。 图2 3 电流采样限幅电路图 图2 3 中，由于是采样电流信号，不需要如电压信号那样加入一个电阻进行 8 _ j 硕上学位论文 转换。在a r m 芯片中，a d 转换是通过其内部电阻上的电压来获取采样实时值， 为了增强其负载能力，在采样电路中加入了射极跟随器电路，该电路具有输入阻 抗大，输出阻抗小且放大比例近似为l 的特点，使得输出阻抗对采样值转换得到 的电压值的影响降到最小。以电压值采样为例，其电路图如图2 4 所示： 图2 4 采样信号射极跟随器电路 对于下位机主程序设计，其流程图如图2 5 所示： 图2 5 下位机主程序流程图 在数据采样的过程中，需要和定时器结合使用，数据采集程序初始化的过程 中，需要对定时器进行相关设置。在该a r m 芯片中，对定时器有如下要求： 砌纪m ，：坚竺墨望2 兰翌竺兰竺丝!( 2 1 ) s o t l r c e c l o c k 式( 2 1 ) 中，i n t e r v a l 为时间间隔，即采样间隔，s o u r c e c l o c k 为a r m 芯片晶 0 电力系统谐波及间谐波检测系统设计 振，p r e s c a l e r 为定时器预分频器。其初始化程序如下： t o l d = l 2 8 5 6 ；t o c o n = 0 x c o ； f i q = t i m e s o i n t e r r u p t a d c ；f i q e n = i i t o s t i m e i l b i t ； 程序中，t o c o n 为t o 定时器控制寄存器，将相应位置一以打开定时器0 中断，f i q 为设置系统产生的定时器0 中断服务程序，f i q e n 为中断使能寄存器， 将该位置1 使得系统能够产生定时器0 中断。 f i q s t a 寄存器为当前中断状态，任何中断产生后均置l 。本系统使用该a r m 芯片两个中断，可能会造成中断源与中断服务程序不对应，则在采样之前，先判 断是否是定时器o 中断。寄存器a d c c p 为a d 转换信号通道选择寄存器，将相 应位置1 可使a r m 系统获得相应通道信号采样值，a d c c o n 寄存器为a d 转 换控制寄存器，也需对该寄存器进行相应设置。a d c s t a 寄存器为a d 转换状 态寄存器，a d 转换完成后，该位将被置1 ，程序中，该位作为判断a d 转换是 否完成依据。a d c d a t 寄存器保存了输入模拟量经过a d 转换后结果。以采样 电压信号为例，其程序为： i f ( a d c c o n v e r s i o n s e t _ c o m p l e t e = = o ) a d c c p = l ； a d c c o n = o x 9 a 3 ； w h i l e ( ! a d c s t a ) ； s a m p l i n g 0 】【a d c s a m p l i n g l o c a t i o n 】= ( s h o r t ) ( a d c d a t 16 ) ； 对于a d c d a t 寄存器，其结果为第1 6 位到第2 7 位，需将该寄存器值向右 位移1 6 位。对于下位机数据采样，其流程图如图2 6 所示： 图2 6 定时器0 中断服务子程序流程图 硕士学位论文 2 3 串行通信 串行通信需有通信协议，本系统采用m o d b u s 通信协议。该协议是工业领 域全球最流行协议，支持传统r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 一4 8 5 和以太网设备。许多工 业设备，包括p l c ，d c s ，智能仪表等都使用该协议作为他们之间通讯标准。 m o d b u s 协议包括两种传输方式n 引，a s c i i 模式和r t u 模式。本系统采用 a s c i i 模式，其帧格式n 刚如表2 1 所示： 由于m o d b u s 通信协议中功能代码n 6 1 众多，只选取了对能够本系统有效使 用的功能代码2 0 ( o x l 4 ) 和2 1 ( 0 x 1 5 ) 。功能码2 0 表示读文件记录，可将一组数据 从远程设备读入。为保证谐波和间谐波的准确估计，本课题需要将采样个数和采 样间隔值进行修改，利用该功能码能够实现a r m 系统采样系统参数修改功能。 2 1 表示写文件记录，可将一组数据写入远程设备。数据为所传输的电力系统相 电压值和相电流值。由于电力系统参数值，特别是电压值较大，而一个数据中只 能存储2 个字节的数据，因此在帧格式中的数据数量可能会大于两个。 任一帧都不能缺少校验，a s c i i 模式中采取的是l r c 校验n 引，它校验帧中 除冒号及回车换行号以外的内容，由于每帧中每一单位占用2 个字节，本系统采 用将每个单位内容异或的方式进行校验处理，其结果也是2 个字节，所以可将 a s c i i 模式帧格式l r c 高字节和l r c 低字节合并为l r c 校验码。 通信协议中还必须包含错误处理，在l r c 校验码之前本系统还设置了错误 代码。在利用m o d b u s 通信协议进行通信时包括以下四种情况n 引： 1 通信协议正常工作。 2 物理连接错误，即网线或网卡出现问题，连接超时。 3 通信错误，即由于通信过程中出现干扰，通信前后l r c 校验码不相同造 4 非法代码错误。m o d b u s 协议中允许自定义功能代码，但编程时未对自 定义功能码进行说明，系统将无法识别该功能码，相应功能也无法执行。 若通信出现异常，m o d b u s 协议要求将该帧功能码值加上o x 8 0 ，并将修改 后的帧发给接收机。本系统通信机制为由上位机( p c 机) 发出上传采集数据请 求，下位机( a r m 系统) 接收到上位机发送的帧后，若通信正常，则将数据值 填充进a s c i i 模式中的相应位置，发送至上位机。若通信不正常，对于情况2 ， 上位机将显示出错信息，对于情况3 和4 ，系统将对功能码进行处理并设置错误 码，数据数量和内容保持不变发送给上位机。 电力系统谐波及间谐波柃测系统设计 m o d b u s 通信协议中，包含对错误码描述。本系统所使用错误码n 们为： o x 0 1 表示非法功能码，说明情况4 ； o x 0 2 表示非法数据地址； 0 x 0 3 表示非法数据值，即设定的数据个数值与实际数据个数不相同、帧头 和帧尾值发生改变和l r c 校验错误等。 另外，在错误码为o x 0 3 时，出现多种情况。为了区分这些情况，本系统中 在错误码之前还设置了o x 0 3 错误情况码，当无错误时，该码和错误码均为零。 本系统所使用的a s c i i 模式帧格式如表2 2 所示： 表2 2 本系统所使用的a s c i i 模式帧格式 冒l 地i 功能l 数据l 数| ”j 数0 3 错误l 错误il r c 校i 回l 换 号l 址i 代码i 数量i 据1li 据nl 情况码i 码l 验码i 车i 行 2 2 1 下位机串行通信 本系统下位机串行通信采用的是m a x 4 8 7 芯片，为了保证数据收发能够稳 定进行，将发送使能端和接收使能端口连接在一起，其电路图如图2 7 所示： 1 0 3 肖堋8 、1 r k d f l 1 _ j v o cr x d 2 4 8 5 ar 5 2n 上6 贼 4 8 5 b h 二厶 a 1 8 一j _ 1 bt a t。3 姗 广一k 烈d 5 司4 仍研l 1 0 6l r 2 2 q dt d 图2 7 串行通信电路原理图 串行通信过程中可能会产生干扰，对a r m 芯片正常运行造成影响，在上述 电路中进行如图2 8 和图2 9 设计： 6 n 1 3 7 v d d 呓 1 0 2r 2 0 v 8 i 毪l 吁厂 兰 c t。7 u 1 0 b n + ( d f l 。 3 、6 魁 o u r 7 i 。卅9 l _ 芒= = r s 4 8 5 r e a d l e n g t h m a x ) r s 4 8 5 r e a d l e n g t h = 0 ； r s 4 8 5 r e a d c o m p l e t e = 1 ； 该a r m 7 芯片将接收到数据保存到寄存器c o m r x ，通过读取该寄存器就 能够得到通过串行通信传过来的数据。由于接收缓冲区的长度有限，若变量 r s 4 8 5 r e a d l e n g t h ( 已读取数据长度) 大于r s 4 8 5 r e a d l e n g t h m a x ( 接收数据缓 冲区长度) 表示接收缓冲区满，数据一帧接收完成，则从缓冲区开头开始保存读 取的数据并且变量r s 4 8 5 r e a d c o m p l e t e ( 读取一帧完成标志位) 置1 ，反之则可 继续进行接收数据。 对于发送数据而言，其程序如下： i f ( c o m s t a 0 & 0 x 4 0 ) i f ( r s 4 8 5 s e n d l o c a t i o n = r s 4 8 5 s e n d l e n g t h ) r s 4 8 5 s e n d l o c a t i o n = o ；。 c o m i e n 0 & = 0 x f d ； r s 4 8 5 s e n d l e n g t h = 0 ； ) e l s e c o m t x = r s 4 8 5 s e n d d