（测试计量技术及仪器专业论文）新型嵌入式电能质量监测系统的研制.pdf

东南人学顾卜学位论土摘要 摘要 随着电力电子技术的厂泛应用，电能污染日益严重，电能质晕已成为电力部门及用户日益关注的 问题。电能质晕的指标若偏离止常水平过人，会给发电、输变电和用电设备带来不同程度的危害。电 能质苗的女了坏盲接关系国 c 经济的总体效盗，对电能质管进行监测与分析从而提高和改善电能质量具 有重要的现实意义。 本文在系统研究了电能质封分析的相天理论利监测技术的基础上，针对电能质茸监测系统中支持 复杂算法和保持实时性的特殊要求，研制了基于d s p + a r m 构架的嵌入式电能质量监测装置的硬件平台 和软件系统。 论文首先介绍了电能质草的概念、监测指标及国内外研究现状。然后详细阐述了奄能质量监测管 理系统平台的构建方法，提出了电能质草监测装置的帮体设计方案。接着，针对监测装置的d s p + a r m 架构，分别设计了d s p 部分和a r m 部分的硬佴电路。从系统的实时性要求出发，重点分析了d s p 和a r m 的选型依据、结构特点、具体应用等。随后，提出了该装置软件部分的设计思想，其中重点介绍了d s p 部分的f f t 算法设计、a r m 部分的开发环境建立、嵌入式系统的驱动开发和府j j 模块的设计。最后对 论文的主要工作进行了总结，对以后可深入研究的方向进行了展望。 本文所研制的电能质坫监删装置符合电能质草监删的最新发展要求，相对以往的设计，具有实时 性好，性能高，体积小，成本低筲优点，适合丁人荦安装在现场。 关键词：电能质昔。监测技术，d s p ，嵌入式系统，a r m ，l i n u x ，m l m g u i 界面 东南人学硕f 学位论殳摘要 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fm o d e r np o w e rt e c h n o l o g y ，p o w e rp o l l u t i o nb e c o m e s s e r i o u si n c r e a s i n g l y ，m o r ea n dm o r ea t t e n t l o n so fp o w e rd e p a r t m e n t sa n dc o n s u m e r sa r et u r n e d t ot h ep o w e rq u a l l t yt h e r ei sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t yb y m o n i t o r i n ga n da n a l y z i n g i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fp o w e rq u a l i t y ，a n da c c o r d i n gt ot h e s p e c i a ld e m a n dt h a tt h es y s t e ms h o u l ds u p p o r tc o m p l l c a t e da l g o r i t h ma n db er e a l t i m e ，t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ed s p + a r mf r a m e w o r ka r ed e s1g n e d t ob e g i nw i t h ，t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ep o w e rq u a l l t ys t a n d a r da n di t sr e s e a r c h d e v e l o p m e n t t h e n ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f t h ed s p + a i 瑚f r a m ea r e e x p a t i a t e d f o rt h er e a l t i m n gn e e d ，t h es e l e c t i o nr e a s o n s ，s t r u c t u r ec h a r a c t e r sa n d a p p l i c a t i o n sa r ee m p h a s i z e d a f t e rt h a t ，i nt h es o f t w a r es c h e m e ，t h ef f ta r i t h m e t i c ，t h e e s t a b l i s h m e n to ft h eo p e n i n gu pe n v i r o n m e n t ，t h ed r i v eo ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n dd e s i g no f t h ea p p l i e dm o d u l e sa r ei n t r o d u c e d 。f i n a l l y ，s u m m l n gu pt h ec e n t r a lw o r ka n dl o o k i n gf o r w a r d t h er e s e a r c ha s p e c t c o m p a r i n gw i t he x is t i n gd e s l g n s ，t h ep r o p o s e dd e s i g nc a na c c o r dw l t ht h ed e m a n d so ft h e u p t o d a t er e q u i r e m e n t i np o w e rq u a l l t ym o n i t o r i n g ，a n dh a sa d v a n t a g e si np e r f o r m a n c e ， c o m p u t a t i o n ，v o l u m ea n dc o s t s ot h ise q u i p m e n ti ss u i t a b l et ob ei n s t a l l e do ns i t ei nl a r g e q u a n t i t y k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，m o n i t o rt e c h n 0 1 0 9 y ，d s f ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，l i n u x m i n i g j ii n t e r f a c e 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，除了文中特别加以杯注和致谢的地方外，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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：量! 兰日期：垫! ：苎：型 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 以公御 甜，。v ，。( 2 - 7 ) 式中口，为电乐调幅波中频率为，的止弦分颦的视感度加权系数，它t 【i j 米反映人服x t 电压调幅波中 各种频率成分的敏感稃度。a v r 为电压调幅波中频率为，的止弦分量的幅值。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。 电能质量一电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 是在原来标准( g b1 2 3 2 6 - 9 0 ) 的基础上，参考了国 际电】委员会( i e c ) 电磁兼容( e m c ) 标准i e c6 1 0 0 3 7 修订而成的，适_ l j 丁j 由波动负荷引起的公共连接 点电压的快速变动及由此可能引起人对列闪明显感觉的场合。该杯准规定了各级电压r 的波动和闪变 7 东南大学硕i 学位论文 的限制值。电压波动：( 1 ) l o k y 及以p 为2 5 ；( 2 ) 1 0 l o o k y 为1 5 ；( 3 ) 1 0 0 1 0 0 0 k y 为1 。闪变 对照明要求较高时，为0 4 ：一般照明负荷时，为0 6 。 2 2 电能质量监测方法 目前，国内外对电能质茸的监测方法可概拓为辽续监删、定期或不定期检测干| i 专门测量三种方式。 l 、连续监测 连续监测也称为在线监测或日常监测。按电能质草标准的规定和要求，需要进行连续监测的内容 有电压偏著和频率偏芹，以及人删干扰游、危害较人或容易引发事故的有关电能质晕指标，如大型电 弧炉引起的电乐波动、易受干扰的人掣设备或线路的谐波电流以及重要用户的电能质量指标。 2 ，定期或不定期检测 对于普通干扰源的监测，根据干扰的人小、危害稃度以及需要苫，选择采取定期或不定期检测方 式。定期检测多用于电网电能质苗的定 i j 静青，每隔一定时间( 如1 2 年) 对全网进行普查测试，全 面了解和学握全网的电能质鼙水平或干扰源的特性。定期博奋的检测点和检测指标由普查需要确定， 但应包括连续监测的内容。对于一些特殊情况根据电能质草监督管理的需要，也可采取不定期检测方 式。定期或不定期检测一般采川专fj 仪器、设备剑现场进彳一测试，测试之斤根据测试结果提交分析报 告。 3 、专fj 测量 专门测茸是指对各种干扰负荷或补偿设备如电弧炉、换流设备、电容器组，滤波器等接入电网 前后，比较这些殴备投入前后对电网电能质晕水平的影响而进j 一的删封，以决定其能否止式投入运行。 对于可能产生各种于扰的改备，如果投入电网之后产生的干扰超过标准，则不允诈该设备投入运行。 就名词含义币j 意义而言，监测平检测是两个不同的概念。监洲是一个迕续时间的概念，在监测时 问段内往往持续不断地执行某一个例行的任务；而检测则是一个时间点的概念，它大多是为了完成某 一具体的任务而执行一次操作。另外，监测一般是对全释的跟踪监视，在监测伊始，往往不能具体预 测监测结果：而检测则带有明确目的，所有的操作都紧紧嗣绕着检测的日的而进行。 电能质晕检测在改善电能质封的过稃中起着关键的作_ l j ，冈为要改善电能质苗问题就必须首先将 电能质量中存在的问题认识清楚。如要减轻或消除谐波对系统造成的不利影响就必须先检测出谐波分 量的大小，f 以此作为控制变茸米削弱谐波造成的不利影响。 然而，随着电力用户对电能质苗要求的逐步提高，以及供电系统中干扰现象日益增加，电能质量 日常监测在电能质量监督管理中的作用越米越重要。如果说检测能从微观上、某一个时间点上说明电 能质龟存在的问题，那么日常监测无疑从宏观上、一个时间段内说明了电能质量的整体状况。 8 第二幸l 乜能质量综台雌删笛理系绩啦汁方寨 第三章电能质量综合监测管理系统设计方案 3 1 电能质量监测管理系统设计 电能质量综合监测管理系统是根据国内外新技术发展趋势和国内电力生产管理的需要而提出的。运 用该系统，可以对电网远 i 作出如r 的改善和凋整： ( 1 ) 实时监测统计变电站或h j 户的谐波污染怙况，及时发现情况，以便实施滤波措施； ( 2 ) 实时监测变电站或坩户负序污染情况，及时发现危及发电机和继电保护的隐患； ( 3 ) 电压合格率及用户功率冈数实时统计汇总，指导实施无功补偿和调斥措施。 通过综合监测管理系统的返行，积累电力污染原始资料和电能质管管理经验，提高电网管理人员及 用户对电力污染及其危害的认识，以利丁电能质颦监督及治理什的顺利进行，提高电网安全经济运行 的水平。 综合系统将体现如p 设计宗旨： 首先，综合监删的目的是为生产远行和电能质鼙治理服务；系统形成分析统计报告、超标情况报警 报告，以便分类管理，针对治理。 其次，系统是开放的： ( 1 ) 测试的l 一作方式对系统操作员是开放的，操作员可根据负荷性质选定重点监测指标、报警限 制； ( 2 ) 监测方法可根据国标修订怕况及时变更，土计算处理芯片预留有充分的j - 作余量，软件升级 无须更换硬什： ( 3 ) 数据、报告的格式是开放的，操作员可以自行定义报告格式。 第二，系统是可扩展的： ( 1 ) 各监测点的监测技置留有标准的通讯接口，可实现与控制系统的连接，以便扩展监控功能； ( 2 ) 网点的扩展不受限制； ( 3 ) 中央管理机的综合信息可通过4 近网远 n 传送。 电能质管综合监测管理系统的“l 成如图3 一l 所示： 图3 - i电能质晕综合监测系统的组成框图 9 东南人学顾卜学位论文 电能质晕综合监测装置实行分布式安装，可实现同一供电系统，不同地点的电能质量监测，通过 网络，由中央管理机集中管理。 监测终端安装丁变电站或心户端，其数草根据对电网电能质苗监督管理的实际需要所定。终端装置 e h d s p 希i a r m 构成。d s p 以我国制定的电能质苗再项标准要求为基础，完成对电厣、电流、功率等电能质 量相关数据的采集和处理；a r m j 重过通信模块向d s p 发送命令，d s p n 送测封数据及执行结果；a r m 再通过 计算机嬲络将数据上传至中央管理机，实现电能质茸的实时监删与远稃控制。同时，客户端可通过网络 浏览中央管理机上的数据，并能对监测装置进行参数设置。 3 2 电能质量监测装置的功能要求 3 2 1 使用安全要求 1 、电压输入通道和电流输入通道均采刚隔离技术，保让绝缘电阻不小丁2 0 m q 、耐电压不小于 1 5 0 0 v ( 漏电流设置为5 l i l a ) 。 2 、抗干扰能力：浪涌抗扰度i v 级、射频电 眭场辐射抗扰度i v 级、电快速瞬变脉冲群抗扰度i v 级、静电放电抗扰度i v 级。 3 、热稳定性：仪器在输入电乐帛i 输入电流过载情况 无绝缘损土 、无液化、炭化和烧焦等。 4 ，适应环境能力：环境温度：一1 0 - 5 0 。c ；相对湿度：2 0 一9 0 ；海拔高度：1 5 0 0 米以下。 5 、电源频率为5 0 h z + _ 5 ；电源电乐为a c 2 2 0 v 2 0 。 6 ，仪器的接插件接触牢靠，插拔方便；i 作时保让电流同路不开路，电乐同路不短路。 3 2 2 技术参数和基本要求 l 、网络通讯能力 监测装置自带以太网通讯接口( r j 4 5 接口) 1 个、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 接口各一个，可通过网线与电 能质量监测管理中心主计算机联网。 2 、监测参数和精度 监测参数包括：电流真有效值，基波有效值、2 6 3 次营波有效值；电压真有效值、基波有效值、 2 6 3 次谐波含有率、总畸变率，奇次谐波电斥畸变率、偶次谐波电厍畸变率：电乐电流相序监视、 电网真功率冈数、基波功率闪数、基波功率、营波功率及流向；二相电压不平衡度、电压偏差，电网 频率、电压波动与闪变值。 监测精度如f ： ( 1 ) 频率 测最范围：4 8 h z 一5 2 h z 。中心频率：5 0 h z l 测量条件：信号基波分觜7 0 f s ： 测单误羊：0 0 i h z ( 2 ) 基波电乐和电流幅值允许误筹 电压允许误差为0 ，2 f ，s ；电流允订误筹为0 2 f ，s ( 3 ) 谐波电压和谐波电流的允许测茸误筹 电压：u 3 ( 凡时，允订误若为5 u ；u 厶o 5 1 ，5 u u o 5 u 时，相何筹允许测苗误筹为o 8 h 。； h 为谐波次数 ( 6 ) 三相电压不平衡度测肇误著0 2 ；闪变值测晕误筹5 ；电压谐波总畸变率测量误差 0 2 ；负序电流测量误差 ” 的提示待，此时可以用“h e l p ”来香石命令。若命令显示工l 常，说明刚刚移植的s q l i r e 已经在 a r 一l i n u xf 正常作了，此时可以在命令行中执 j 各种s o l 语句。经删戚，移植f 的s q l i t e 在a r m 板上运行时，打开一个2 0 0 k 的数据库文州后，s q l l t ei ij 川的内存空间为人约1 5 0 k 。 5 2 4 存储模块 首先在硬盘中创建s q l i t e 数据库：p o w e rq u a i l t y d b 用于保存实时电能质晕数据。分析了系统 的存储需要之后，在数据库中刨建了1 3 张数据表分勋蹦了存储电压含有率、电流、功率、波动闪变、 非谐波指标等数据。例如通过以r 语句创建屯流数据表：c r e a t et a b l ec u r r e n t ( d a t ed a t e ，1 1n u m e r i c ， 1 2n u m e r i c ，1 3h u m e r i c ，1 6 3n u m e r i c ，p h a s et e x t ，c h a n n e li n t e g e r ) ，表中各字段分别对应 时间、基波电流值、2 6 3 次谐波电流值、相别、通道号。 在r a m d i s k 文1 ，i 系统的u s r e t c r cl o c a l 文什中加入命令：“m o u n t d e v h d a l m n t ”，当a r m 上电启动之后，就会自动拌载i d e 便盘的第一个分犀至系统中的m n t 文件夹，此后对m n t 目录的读写 操作即是对硬 ； 的操作。 然后利刚s o l i t e 提供的c 语言接口对硬箍中的p o w e r q u a l1t y d b 进行读下j 操作，要完成此过程实 际上只需要_ j 剑它的二个核心a p i 函数、一个关键的数据结构和一些返同值，如 所示： t y p e d e fs t r u c ts q l l t es q l i t e ；s q l i t e 的火键数据结构 # d e f i n es q l i t e o k0 操作成功返同值 s q l1t e * s q l it eo p e n ( c o n s tc h a r * d b n a m e ，i n tm o d e ，c h a r * * e r r m s g ) ： 打开数据库 v o i ds q l i t e c l o s e ( s q l i r ed b ) ； 关闭数据库 i n ts q l i t e _ e x e c ( s q l i t ed b ，指向己_ 1 js q l i t e o p e n 语句打开的某数据库 c h a rs q l ，需要执行的s o l 语句 i n t ( * x c a l l b a c k ) ( v o i d * ，i n t ，c h a r * * c h a r * * ) ， 对s o l 杳向的返同值在c a l l b a c k 指向的函数中进行相应的操作 c h a r * * e r r m s g返同错误信息 ) ； 5 2 5 x 机交互模块 在上文中了解剑本装置的g u i 界面是住m i n i g u i 的基础上开发完成的。通常的g u i 编稃概念均适用于 东南人学硕 学位论史 这里的m l n i g u i 编稗如窗口和事什驱动编稃等。 在传统的g u i 图形系统模犁中，键柱和鼠标动作产生于府用稃序不断轮询的事件。这些事件通常被 发送到具有焦点的窗口，而府川群序把这些事f j | 交由承j 该窗口相天联的例稗米处理。这些窗口例稃通常 是由戍片j 稃序定义的，或者是某些标准例稃中的一个。操作系统其它窗口的事f j f 处理例稃和应 i 程序 代码都可以产生事引。刚丁处理事f 的窗口例稗通常标，占了某一个“窗口类”，贝有相同窗口例程的窗 口实例被认为是属丁同一窗口类。府_ l i j 样序可通过调h 些系统函数来要求重绘窗口或窗口的某一部 分，这些事件通常由窗口例稃来处理。 m i n i g o i 稃序的编制步骤如f ： 1 、加入头文件 m l n i g u i 应用稃序都必须包括的头文什有： ： 包含了m l m g u x 常用的宏以及数据类犁的定义： ：包含了全局的和通的接口函数以及某些杂项函数的定义： ： 包含了m 1 n i g u i 绘图函数的接口定义： ： 包含了窗口有芙的宏，数据类刑、数据结构定义以及函数接口声明。 ： 包含了i i b m i n i g u l 中所有内建控r 的接口定义。 2 、手旱序入口点 一个c 释序的入口点为m a i n 函数，而一个m l n i g u i 稃序的入口点为m 1 n i g u i m a i n ，该函数原型如下： i n tm i n i g u i m a i n ( i n ta r g o ，c o n s tc h a r * a r g v ) ： m a l n 函数已经征m i n l g u i 的函数序中定义了，该函数在进行一些m l n l g u i 的初始化r 作之后调用 m 1 n i g u i m a i n 函数。所以，每个m i n i g u i 府h j 桦序的入口点均为m i n i g u i m a i n 函数。参数a r g c 录l a r g v 与c 程序m a i n 函数的参数a r g c 羽i a r g v 的含义是一样的，分别为命令彳了参数个数和参数字符串数组指针。 3 、创建和显示主窗口 h m a i n w n d = c r e a t e m a l n w n d o w ( & c r e a t e i n f o ) ： m i n i g u i 应用程序的初始界面一般都是一个主窗口，可以通过调用c r e a t e m a i n w i n d o w 函数来创建一 个主窗口，其参数是一个指向m a i n w i n c r e a t e 结构的指针c r e a t e l n f o ，函数返同值是所创建主窗口的句 柄。在使用c r e a t e i n f o 创建主窗口之前，需要在m a i n w i n c r e a t e 结构中设置它的各项属性，包括主窗口 的风格、扩展风格、标题、土菜单、光标、图标、窗口过稃函数、位置，背景色、托管窗口等。创建完 主窗口之后，调川s h o w w i n d o w 函数把所创建的窗口显示在屏幕上。 4 、进入消息循环 调片j s h o w w i n d o w 函数之后，土窗口就会显示在屏幕上。平其他g u i 一样，现在是进入消息循环的时 候了。m i m g u i 为每一个m l m g u i 稃序维护一个消息队列。在发生事竹之后，m i n l g l i 将事件转换为一个 消息，并将消息放入目标稃序的消息队列之中。应州程序现在的任务就是执j i 如f 的消息循环代码，不 断地从消息队列中取山消息，进行处理： w h il e ( g e t m e s s a g e ( & m s g ，h m a l n w n d ) ) f t r a n s l a t e m e s s a g e ( & m s g ) ； d is p a t c h m e s s a g e ( & m s g ) ： m s g 变量是类型为m s g 的结构，m s g 绐构在w l n d o w h 中已定义过。g e t m e s s a g e 函数调用从应用程序的 消息队列中取出一个消息，该函数调j h 的第一个参数为一个指向m s g 结构的指针，第二个参数为要获取 消息的主窗口的句柄。如果是m s g q u i t 消息将导致消息循环终止。 t r a n s l a t e m e s s a g e 函数把击键消息转换为m s g c h a r 消息，然后盲接发送到窗口过程函数： d i s p a t c h m e s s a g e 函数最终将把消息发往该消息的目标窗口的窗口过稃，让它进行处理。 5 、窗口过桦函数 窗口过稃函数是m i n i g u i 稃序的土体部分，麻h 稃序实际所做的l 作人部分都发生在窗口过稃函数 3 6 第五章r 乜能质量：艋测装霄软件系统的设计 中，因为g i j i 程序的主要任务就是接收和处理窗口收到的各种消息。窗口过稃函数定义为如下形式： s t a t i ci n th e l l o w i n p r o c ( h w n dh w n d ，i n tm e s s a g e ，w p a r a mw p a r a m ，l p a r 删1 p a r a m ) 窗口过拌的4 个参数与m s g 结构的前四个域是相同的。第一个参数h w n d 是接收消息的窗口的句柄，该 值标识了接收消息的特定窗口；第一个参数与m s g 结构中的m e s s a g e 域相同，它是一个标识窗口所收到消 息的帮数值；最后两个参数部是3 2 仿的消息参数，它提供和消息相笑的特定信息。程序通常不直接调用 窗口过拌函数，而是由m m l g u i 进j i 惆州；也就是说，它是一个同调函数。 6 、屏幕输出 程序在响府m s g p a i n t 消息时进行屏幕输出。应川稃序麻首先通过调川b e g i n p a i n t 函数来获得设备 上下文句柄，并用它凋州g d i 函数米执行绘制操作。然后，稃序可以使_ l j t e x t o u t 文本输出函数在客户区 的中部显示相应内容。绘制结束之后，府h 稃序凋h j e n d p a i n t 函数释放设备上p 文句柄。 实际开发过秤中，按照上面的基本流群，渊川预定义控r 和相犬的a p i 函数完成m l n i g u i 程序的 设计，界面内容由实时卉询、历史青向、数据统计和参数设定四部分组成。土界面图如图5 - 9 所示。 实甜监测数据查询历史监钡9 数据查询“! 监铡敖据统计参数设定 ! 谐穆电压台有率i 基本设黄 。l谐渡电 1 7 ill 波形查询稻设置 谐穆潮 变比系数设置 丞l 。曼e 锴彼指檀一一l 。一其他设置 幽5 - 9土界面框幽 实时监测数据杏向时，可根据通道、相别管弃啕条f ，l 从s q l i t e 数据序中读取最新的电能质量数据 分别以表格和棒图两种形式显示在l c d 上。实时界面如幽5 一l o 所示。 买时暂渍电压台有率三相。通道1 雾篷瀵 时i 葡：2 0 0 4 0 7 0 1 1 2 ：2 3 ：1 团圆1 1 0 0 0 0 0 0 0 基波 2 4 遴 囊 圃壕b l 刨叫鱼| 剧。一翻 图5 1 0实时界面框图 历史监测数据杏洵时，首先可以白主选择存询时间犀间，然后根据指定通道、相别从s q l i t e 数据 库中读取所有的电能质最数据以表格和趋势幽两种形式显示在l e d 上。历史界面如图5 1 l 所示。 东南人学硕f 学位论文 沥史谮渡电压含有率三相通道1 一广雹 匦噩面团，次i 匦羽固 ； ：起始时间2 0 a o 年1 1 月2 1 日1 1 时3 3 分2 1 秒 爹 i 剃囡照| 鸽l 峰l 剧圄掣l 封闭徽0 0 0 。- 1 ：。1 ，- 2 1篙8 9 5 - 。1 ：2 1 - ，2 薯 圆b l 陵l 包l 匣i 睦l ；臣l 一：潼t 蠢 幽5 - 1 1 历史界面框图 监测数据统计时，根据没定的某个时间区间内的指定通道、相别，从s q l i t e 数据库中读取数据， 并通过程序处理比较，将最大值、最小值、平均值、监测次数、合格率等电能质量的统计量以表格形 式显示在l c d 上。统计界面如图5 - 1 2 所示。 融i 烛 匦| 船 。陇l 嘲园；h e l p 图5 一1 2 统计界面框图 参数设定是设定a r m 上的一些常用参数，以及向d s p 设定一些丁作参数。如图5 - 1 3 中的d s p 自动 标定、对时，状态查街等。 图5 一1 3参数设定界面框图 秒 纠笺 务 勰 时 11 日 纠 肖一 l1 争 5帅2 1 旦时 止 终 l； 第五幸i u 能质基船删杖霄软件系统的设计 5 2 6 串行通信模块 该模块的任务是川串口通信函数接收d s p 端传米的实时数据，将它竹j 按照约定好的协议格式解析， 提取其中的实时数据存入s q l l t e 数据j 芊中；同时完成a r m 向d s p 参数设定和杏询d s p 状态的功能。 l i n u x 操作系统对串彳一口提供了很好的支持，为进行串彳一通信提供了大量的函数。在稃序中，按 如下步骤对串口进行操作： ( 1 ) 在程序头部加入与串口编群相关的头文f ，i - 、 、( f c n t l h 、 等； ( 2 ) 打开串口。在l i n u xf ，串口文们俯丁：d e vf ，串口l 为d e v t t y s o ，串口2 为d e v t t y s l ， 打开串口是通过使削标准的文件打开函数操作。 ( 3 ) 设置串口。最基本的设置串口包括波特率设置，校验位和停i t 位设置。串口的设置主要是设 置s t r u c tt e r m i o s 结构体的各成员值。 ( 4 ) 读写串口。设置盘r 串口之后，读写串口变得很容易，把串口当作文似读写就可以了。读取 串口数据使用文件操作r e a d 函数读取，如果设置为原始模式( r a wm o d e ) 传输数据，那么r e a d 函数 返回的字符数是实际串口收剑的字符数。 ( 5 ) 关闭串口，也就是关闭文竹。 在串口通信协议中，对通信接口参数、通信帧格式以及通信的只体命令都作了详细的定义，按照 该协议实现数据包解析以及生成数据包与d s p 通信。 a r m 端的串口通信稃序分为以f 两部分： 串口发送线程：定时向d s p 发送命令数据包，主动采集本单元电能质颦分析数据和波形记录数据 以及d s p 状态等。 串口接收线程：监听串口，如果读剑报告d s p 状态、报告自动波形记录起始条件、报告修正系数 这三种数据包，将其值读剑内存数组中，不断地刷新数组，以供界面存询；如果是报告本单元电能质 量分析数据和报告本单元d s p 波形记录数据这两种数据包，将其值存放剑队列中，以供队列访问线程 提取。 5 2 7 网络通信模块 l i n u x 系统通过套接字( s o c k e t ) 进行网络编稗。稗序通过s o c k e t 和其他儿个函数调用返回一个通 信的文件描述符，将这个描述符石成* 通的文f ，| 描述符米操什，通过向描述符的读写操作就可以实现 网络之间的数据交流，这就是l l n u x 没备无芙性的灯处。 建立网络分布式府心时晶常用的是客户机7 服务器模掣。这种方案中客户应川稃序向服务器程序请 求服务，该方式隐含了客户机服务器间通信的1 f 对称性。客户机服务器模型上= 作时要求有一套为客 户机和服务器所共识的惯例，以保让服务能够被提供( 绒被接收) 。当网络服务被提供时存在“客户进 程”和“服务进程”。一个服务器通常在一个众所周知的地卅监听对服务的请求。也就是说，服务器一 直处于休眠状态，直到一个客户对这个服务的地址提出连接请求。服务挥序放唤酮并且为客户提供服 务，对客户的请求做出适当的反府。 典犁的t c p 客户端稃序先创建s o c k e t 文俐描述符，近接服务器，然后写进或读取数据。重复该过 程，直至写入和凄取完所需信息后犬闭t c p 迎接。本系统中，该部分功能由t c p c l i e n t 线程实现。通信 时，p c 机作为服务器，a r m 板作为客户端。 具体实现中，客户端必须向服务器注册，并验让其合法性。实现步骤如f ： ( 1 ) 服务器的服务端口号殴为5 5 8 8 ，传输协议为t c p ； ( 2 ) a r m 必须先向服务器提交注册，注册成功以后，发送当前有效d s p 终端数目和编号，等待服 务器返回“o k ”以后才能继续： 东南人学顿i 学位论文 ( 3 ) 完成以上步骤后，a r m 端必须等待服务器的命令或请求，不能主动发送任何数据，不允许改 变当前状态，如需改变，要求重新登录； ( 4 ) 对丁- 服务器发出的命令或请求，a r m 必须予以【亓i 复。对丁错误的指令，a r 将断开连接，重 新注册。 5 2 8 实时时钟模块 一般地，l i n u x 启动后，可以通过d a t e 命令来设置更改系统时间，但掉电就会丢失，重新启动后 又是“1 9 7 0 ”这样的时间。若要在d a t e 设苴后保存系统时间，使得在 次重启后还能保持，就必须有 r t c 和后备电池的软硬件支持。 $ 3 c 2 4 1 0 芯片已经内置了r t c 模块，这样在埂f 1 设计中只要提供后备电池即可。在嵌入式系统上， 实现的方法可以灵活多样，比较简单的实现方法是l l n u x 启动时，不从r t c 芯片里读取时间。而是直 接修改d a t e 命令的代码，让它不要从l i n u x 提供的接口豉取，而是通过驱动从r t c 里面直接读取。如 果系统允许，也可以不修改d a t e 命令，而是自己编写读写时间的函数，例如r e a d r t c * r i t e r t c ， 用这两个函数取代d a t e 命令读取平设置系统时间的功能。本系统中实时时钟的读写就是用该方法实现 的。 5 3 上位机软件设计 上彳上机软卅部分的基本功能是综合管理各a r m 客户端，存储各点实时传送的电能质量数据，同时 提供良蚶的界面供川户杏询各a r m 端的实时数据，历史数据、统计指标等，升可根据需要做更深入的 电能质量分析和数据比较。该部分群序在d e l p h i 集成环境f 开发，使用i n d y 控件实现服务器功能， s q l j e r v e r 数据库存储数据。 d e l p h i 是美国b o r l a n d 公司推出的一款面向对象的可视化开发r 且，它具备优秀的可视化开发环 境、高效率的编译器、结构良好的编稃语言、对数据库和网络编稗的灵活支持以及层次清晰和可伸缩 的框架。 i n d y 的全名是i n t e r n e td i r e c t ，是套开放源代码的i n t e r n e t 控件集，支持大部分流行的 i n t e r n e t 协议，包招t c p 、u d p 、d n s 、i c m p 等，提供i n t e r n e t 流行协议的客户端和服务器控件。i n d y 是完全基丁s o c k e t 阻塞i 作模式的开发_ 芊，支持b o r l a n dd e l p h i 、c + + b u i d e r 等开发平台。 s o ls e r v e r 是美国微软公司开发的一款芙系掣数据库管理系统的产品，具有成本低，易操作，工 具全等优点。适州于大犁或超人刑数据库服务器端。 程序中的界面部分采h jb o r l a n d 公司提供的t r e e v i e w 、m a i n m e n u ，s t n n g g r i d 等常用控件设计， 服务器功能采用i d t c p s e r v e r 控俐设计，数据序部分使_ l l ja d o 控们与s q l s e r v e r 连接。 程序的i 作流稃如r ： 1 、监听服务瑞口，有a r m 客户端请求t c p 迎接时，接受迎接并启动一个新的服务线程，以后与通 信相关的_ f 作都在该线稃中完成。线稃之间且不相笑，个线稃即为与一个a r m 客户端的通信情况。 2 、在每个服务线群中，首先验让a r m 客户端是否为注册用户，如果否即断开该连接并销毁线程； 如果是注册用户，开始接受当前有效d s p 终端的登记，并做相应闸复。然后服务器就轮询式地向已登 记的d s p 终端请求数据，止确接收数据后存入数据库中。 3 、与i 、2 步骤同时进行的是，用户可在p c 机界面上进行相应的实时查询、历史查询，历史统计 等操作，此时稃序响应这些操作之访问数据库，然后以报表或图形方式给出显示。程序的界面部分如 图5 - 1 4 雨j 图5 - 1 5 所示。 第五帝屯能质量5 斑剧袈胃软件系统的设计 幽5 1 4实时谐波电流界面示意| 璺| 图5 一1 5历史谐波电流脊匈界面示意图 4 1 东南人学颁f 学位论叟 第六章电能质量监测装置的测试结果分析 本文设计的电能质草监测装置的实物照片如图6 1 所示。该装置由l 块电源电路板、l 块硬盘电 路板、1 块a r m 电路板和6 块d s p 电路板构成。将该装置接入电网中的监测点，加电后即可开始对电 网谐波进行实时的监测，监删刨的数据经d s p 处理之后，实时地通过r s 4 2 2 总线传给a r m 在l c d 上显 示。通过触摸屏操作，在本地就可以实现实时数据有询、历史数据奇询、数据统计、参数设定，并根 据奋询刨的数据进 i 简单的分析。 ( a ) 电能质封监测仪止面外观图 ( b ) 电能质量监测仪背面外观幽 第六审l u 能质量舱蒯技冒的删l 式 果分析 ( c ) 屯能质草监测仪的l c d 显示界面 幽6 - 1屯能质晕监测仪实物照片 本装置在国电南自所进行了测试，所测指标均已达到国家标准和技术指标。表6 - 1 至表6 3 分别 列出了使用校准仪和本装置对睹波电流的测试结果以及测草误蔗。 表6 1校准仪1 1 ：o o 时测得的基波、2 1 5 谐波电流值 电流值 ( a ) ，lj 2 ，3，d，5，6i ，1 81 9i l o1 1 l1 1 21 1 31 1 4i l s a 相 7 0 14 18 ，62 54 ，12 5 2 2 1 31 0 0 4 o 50 5o 30 20 1 b 相 5 98 31 5 43 o362 31 71 61 21 20 7o 20 5o 50 2 c 相6 1 37 5 1 1 6 1 ，6 2 72 2 1 7 i 90 9 1 21 0 o 30 4o 5 0 1 表6 2本装置1 1 ：0 0 时测得的基波、2 1 5 谐波电流值 i 电流值 ( a ) ，2 1 3，4，5，61 71 81 9i l oi l l 1 1 2 1 1 31 1 41 1 5 a 相7 03 98 32 84 12 62 01 3 0 9 0 50 8 0 5 o 30 io 1 b 相5 9 8 11 5 03 2 3 8 2 3 1 ，7 l41 2 1 2 o 7o 20 50 3 0 2 c 相 6 1 37 41 1 7192 72 31 81 9o 81 31 1o 30 20 50 1 表6 31 l ：o o 时的基波、2 1 5 谐波电流值测昔误筹值 电流值 ( a ) 1 21 3 i 4 i 5，61 71 81 9i j oi li j 2i j 31 1 41 1 5 a 相0 10 2 o 3 0 3o o 1 o 2 00 1 o ，1 0 30 0 o 10 b 相oo 20 40 2o 2o00 3ooo0o0 20 c 相 oo 10 10 3oo 1o 1oo 10 1o 1oo 2oo 经计算，以上测得的谐波电流数据值j 厶士0 了设计指标。 同时，通过i ) s p 和a 肌通信，所删得的电流数据可以在本袈置的l c d 上显示出来。如图6 2 、图 6 3 和图6 - 4 所示。 4 3 东南人学硕i 学位论文 图6 2实时谐波电流表格币l 棒幽显示界面 从图6 2 的实时谐波电流棒图中可以亩观地观察剑，住谐玻次数人丁1 2 时，谐波电流值已经非常 小。对照表格可知，其数值均0 5 a 。 图6 3 是奇询2 0 0 6 年1 月1 日9 时至2 0 0 6 年1 月1 日1 1 时期间凿波电流的趋势走向。对于基波 电流，可以很清楚石剑其二相电流值的火小变化。但是对丁1 5 次谐波值，由于谐波含量很小，其值几 乎趋近于0 。 幽6 - 3 历史谐波电流趋势幽显示界面 对同一区间的谐波屯流进行统计分析，可得山该区间中的最人值、最小值、平均值、合格率等 在l c d 上以表格形式给出，如图6 4 所示。 第六章电能赝量；| ： 删装置的测试结果分析 幽6 4谐波电流统计表格显示界面 通过本装置的l c d 界面显示，可以在监测端方便地杏询剑监测数据，通过表格和图形两种方式 既直观又比较形象。 4 5 东南人学硕f 学位论文 第七章小结与展望 本文根据当前电力系统中存在的实际闷题提出研制电能质鼙监测袈置的必要性和紧迫性。分析 了国内外在这一领域的概况，找出了当前电能质草监测装置存在的问题及解决问题的技术难点。主要 工作如r ： 1 、对电力系统电能质草的指标及测封模掣进行了研究，选用了相府的测颦方法和分析途径； 2 、运爿 了先进的数字信号处理技术，没计了基丁d s p 芯片的