（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的远程电能质量监测系统的研究.pdf

硕- i ：论义摧于a r m 的远程i 【i 能质量；临测系统的研究 摘要 随着社会的进步和经济的快速发展，电能质量问题不断恶化，使得高效的电能质量 监测变得越来越重要。传统的电能质量监测仪器往往功能单一、缺少网络功能，不能满 足实时在线监测的要求。本文提出了一种基于a r m 的远程电能质量监测的方法，系统 完成实时信号的采集，并利用嵌入式l i n u x 自带的t c p i p 协议栈内建一个w e b 服务器， 且提供现场人机界面。网络用户可以在任何一个w e b 浏览器访问这个系统。 本文首先阐述了电能质量监测仪的国内外发展状况和电能质量的标准，并给出相应 的测量方法，然后分别从硬件和软件方面构建监测系统。硬件方面主要讨论了硬件系统 各个功能模块的设计。系统软件方面首先构建嵌入式l i n u x 系统，并编写和修改了l i n u x 操作系统下的接口驱动程序，主要是编写了a d 转换器的驱动，并且移植了嵌入式数据 库s q l i t e ；应用程序中主要介绍了数据处理中最重要的谐波算法( f f t 算法) 的实现、 远程监测b o a 服务器的配置以及q t 的显示界面的制作。 关键词：电能质量，f f t ，$ 3 c 2 4 1 0 ，b o a 服务器，q t a b s t r a c t 硕1 ：论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y , p o w e rq u a l i t yp r o b l e m sa r eg e t t i n g w o r e ，s om a k i n ge f f i c i e n tp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gi sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t t r a d i t i o n a lp o w e rm o n i t o r i n ge q u i p m e n t su s u a l l yh a v es i m p l ef u n c t i o n s ，a n da l s oh a v en o n e t w o r ki n t e r f a c e ，t h e r e f o r e t h e y c a l l n o tm e e tt h er e a l t i m eo n - l i n e m o n i t o r i n g r e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rp r e s e n t saa r m - b a s e dl o n g d i s t a n c ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g m e t h o d sw h i c hc o m p l e t et h ea c q u i s i t i o no fr e a l - t i m es i g n a la n db u i l t - i naw e bs e r v e ru s i n g e m b e d d e dl i n u xt h a th a st h et c p i p p r o t o c o ls t a c k i ta l s op r o v i d e sao n s i t eh u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c e n e t w o r ku s e r sc a nv i s i tt h es y s t e mw i t ha n yw e bb r o w s e r f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rn a r r a t e st h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r sd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l d e v d o p m e n ts i t u a t i o na n ds o m ep o w e rq u a l i t ys t a n d a r d s ，t h e ni tg i v e st h ea p p r o p r i a t e m e a s u r e m e n tm e t h o d s ，a tl a s ti tb u i l d sam o n i t o r i n gs y s t e mf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a s p e c t s i nh a r d w a r ed e s i g ni tm a i n l yd i s c u s s e st h ev a r i o u sh a r d w a r em o d u l e i ns o f t w a r e d e s i g ni tf i r s tn a r r a t e st h ec o n s t r u c t i o no fe m b e d d e dl i n u xs y s t e m ，a n dt h e nt h ec o d i n ga n d a m e n d m e n to fl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi n t e r f a c ed r i v e r sp r o g r a m m i n g i tm a i n l yf o c u s e so nt h e a dc o n v e r t e r sd r i v e ra n de m b e d d e dd a t a b a s es q l i t et r a n s p l a n t i n g i na p p l i c a t i o np r o c e d u r e s ， i ti n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no ft h em o s ti m p o r t a n th a r m o n i ca l g o r i t h m ( f f ta l g o r i t h m ) i nt h e p r o c e s s i n go ft h ed a t a , t h ec o n f i g u r a t i o nf o rl o n g - r a n g em o n i t o r i n gb o as e r v e ra n dt h e p r o d u c t i o no fq t i n t e r f a c ed i s p l a y i n g k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，f f t , $ 3 c 2 4 t 0 ，b o as e r v e r ，q t l l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：差1 1 111l 多：lb 7 柝7 月f 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：酗雌c ) 一降7 月日 硕i j 论文 皋于a r m 的远程l 乜能质量：盗测系统的研究 1 绪论 在现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平 的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，人类对电能的需求日益增加，同时 对电能质量的要求也越来越高。 1 1 课题背景及意义 近年来，电能质量问题越来越引起人们的重视。电能质量问题主要表现在以下几方 面：( 1 ) 随着电力电子器件和非线性设备的广泛应用，供电系统中增加了大量的非线性 负载，特别是静止变流器，从低压小容量家用电器到高压大容量用的工业交直流变换装 置，由于静止变流器是以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形发生畸变，引起 电网的谐波“污染”。( 2 ) 冲击性、波动性负荷，如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等运 行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重，这 些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干扰 电网的经济运行，造成对电网的“公害”。( 3 ) 由于大量基于计算机系统的控制设备和电 子装置等一类敏感负荷的出现，使暂时过电压和瞬态过电压、电压凹陷与短时间断等一 些以前未被人们所重视电能质量问题日趋严重，造成的经济损失也在不断增加。所以对 电能质量的管理和电力污染的治理工作势在必行，而国内电力用户对电能质量的重视程 度也在不断提高。( 4 ) 随着市场经济的建立和发展，电力生产对计划调度、经济调度的 要求越来越高，利用经济杠杆的力量促使用户主动限制高峰负荷，控制最大需求量，既 有利于电力系统的运行，促进电力行业的发展，又有利于用户合理地使用电能，减少经 济开支。为了保障电能质量，改善和提高供电水平，使用电能质量检测装置来检测电能 质量的各个参数，以便采取各种技术措施，抑制电能质量的恶化或进行负荷的调整、电 网的改造。所以开发功能齐全、操作简便的电力参数综合监测装置对电网的各种运行参 数( 如三相电压、电流等) 测量，得到电网中电压、电流和各次谐波成分，以实现对电网 的实时监测，具有非常重要的现实意义。 1 2 国内外电能质量监测设备的发展现状 在国外许多工业发达国家，电能质量问题早己被当作电力系统面临的重要问题来 看，在加强有关电能质量问题的研究，已得出不少理论成果，并提出一系列综合检测控 制和管理方法【2 ，3 】。1 9 9 6 年，欧共体率先将电气产品的电磁兼容性要求纳入国家技术法 规的范畴，其中就包括电能质量标准【4 1 。 目前，常见的电能质量监测设备从简单到复杂，大致可以分为三大类5 ，6 】： l 绪论硕j 二论文 第一类是比较早的传统监测仪器，包括万用表、数字相机( 记录扰动波形) 、示波器( 记 录波形和时变数据) 、扰动分析仪、谐波分析仪和频谱分析仪。缺点是实时性较差，当 电能质量波动较大时，无法得到全面的质量信息。设备功能也很单一，一般只能检测几 项电能质量指标。而且，它们大多安装在孤立的节点上，受器件和分析方法的限制，对 系统中的短时暂态扰动难以快速、准确地捕捉，精度也往往达不到要求。 第二类是数字型监测仪器，这是目前用的最多的一类。它采用采用单片机或数字信 号处理器，用数值计算的方法对信号进行采集、解析与识别等加工处理，以达到提取 信息和便于应用的目的：首先可以改善监测速度和准确性，趋向于高性能的实时处理， 例如数字式闪变测量仪；再次可以向多功能方向发展，例如扰动与谐波综合分析仪等。 这类仪器对单个站点的测量有比较好的效果。不足之处在于：由于装置本身限制，无法 同时监测多项指标；需要大量人力、物力进行测量、分析；数据量有限，不利长期跟踪 和深入评估。 第三类就是目前要大力发展的智能型综合监测仪器，特点在于除了对采集到的数据 进行信号识别之外，还可以进行进一步的分析处理，从而提供更有意义的结论和建议。 电能质量监测设备的研制，我国也有2 0 多年的历史了。国内的厂家有如上海宝钢 安大电能质量公司、保定三伊方长电力电子有限公司、安徽省振兴科技股份有限公司、 深圳领步科技有限公司等，这些公司产品基本上是数字式的监测设备，功能比较单一。 如目前国内广泛使用统计型电压表监测电压的质量水平，这些电压监测仪只能监测电压 的合格率，需要人工到现场，费时费力，缺乏统计分析功能。而对于谐波和电压波动、 闪变的测试则用便携式测量仪器，这种电能质量监测手段和管理模式存在着实时性差、 测量指标少、工作量大、测量误差大、效率低等缺陷。总之，我国的电能质量监测产品 还存在不少问题【7 】：检测指标不全面；不少产品没有经过权威部门的全面认证，质量不 高：检测不方便，效率低；实时监测系统尚处于试点阶段，离成熟推广还有相当距离： 产品缺乏相应的国家标准或工业标准。 目前，国内的电能质量监测设备在高端产品的市场份额基本上被国外公司占有，如 日本h i o k i ( 日置) 公司、美国f l u k e ( 福禄克) 公司、瑞典联合电力u n i p o w e r 公 司、瑞士l e m ( 莱姆) 等国际p q ( p o w e rq u a l i t y ) 领域的知名公司。虽然他们的技术 水平先进，质量可靠，但价格很高。 现代电网规模越来越大，监测点越来越多，未来电能质量的监测要实现不同供电点 甚至多个供电系统的集中监测。在功能上，更强调智能化，除具有计算、显示功能外， 还要有一定的判断、决策功能，例如能进行事件预测、故障辨识、干扰源识别和实时控 制等，初步具有自动的、实用先进的智能评估功能。电能质量在实现了在线监测、实 时分析的基础上，正向着网络化、信息化、标准化和智能化的方向发展完善【6 】。目前， 已经出现了“网络就是仪器”的概念，利用网络实现电能质量的远程监测和网络化管理， 2 顾：l 论文 基于a r m 的远程i u 能质量监测系统的研究 象瑞士联合电力公司最新开发p qs e c u r e 的在线式电能质量监测分析系统和瑞士莱姆公 司开发p qf i x 电能质量监测装置都可以非常灵活地利用现有通讯接口( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、 m o d e m ) 等实现电能质量网络化监测【8 1 。 1 3 本文的主要研究工作 根据电力行业的发展需要，在对电能质量检测，的意义、发展现状、发展趋势有了一 定认识后，本文提出了基于嵌入式系统的远程电能质量监测装置的设计思路和设计方 法。整个系统以实际需要为出发点，硬件设计上采用流行通用的基于a r m 9 2 0 t 核的 $ 3 c 2 4 1 0 处理器，软件基于嵌入式l i n u x 下丌发、f f t 等信号处理方法进行电能质量 指标分析计算，实现对电能各项指标的实时监测，并且具有远程通讯功能，并研究q t 作为嵌入式显示界面丌发的设计方法。 本文各部分安排如下： 第1 章绪论。主要介绍了当前电力系统的电能质量问题和国内外电能质量监测装 置发展状况。 第2 章电能质量的概念及其数学分析方法。介绍电能质量的基本概念，对电能质 量参数提供了计算方法，重点介绍了f f t 算法。 第3 章系统的总体设计。介绍了系统的功能模块组成，处理器的选择和嵌入式操 作系统的选择。 第4 章远程电能质量监测系统的硬件设计。该装置主要由信号调理电路、a d 转 换电路、存储器电路、通讯电路和l c d 显示等部分构成，本章详细介绍了各个部分的 硬件设计。 第5 章远程电能质量监测系统的系统层软件设计。介绍了l i n u x 开发环境的建立、 a d c 设备驱动的编写和嵌入式数据库的移植。 第6 章远程电能质量监测系统的应用层软件设计。介绍了数据采集中的软件同步、 数据处理模块、远程通讯模块和q t 人机界面的设计。 最后为结论。 一 3 2i u 能质量指标及测量顾i j 论文 2 电能质量指标及测量 2 1 电能质量指标 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。理想状态的公共电 网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电【l 】。国内外对电能质量确切的定义 还没有形成统一的共识。i e c ( 1 0 0 0 2 2 4 ) 标准将电能质量定义为：供电装置正常工作情 况下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备的接地系统均是适合该设备正常 工作的。由此看到，电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的，所以用户的衡 量标准应占有优先的位置。 目前为止，我国已经制定了电能质量的国家标准，主要集中在以下几个方面：( 1 ) 电力系统频率允许偏差；( 2 ) 供电电压允许偏差；( 3 ) 公用电网谐波；( 4 ) 三相电压允许 不平衡度；( 5 ) 电压波动和闪变；( 6 ) 暂时过电压和瞬态过电压。下面就这六项指标的 定义、意义及其数学分析方法进行了阐述和探讨。 2 1 1 电力系统频率允许偏差【9 , 1 0 电力系统允许频率和电压允许偏差是电能质量传统两大基本指标。允许频率偏差的 大小不仅体现了电力系统运行管理水平的高低，同时反映了一个国家工业发达的程度。 电力系统正常运行情况下，应在标称频率下运行，但是电力系统负荷在不断地变动其大 小，电源出力及其调节系统追随负荷变化又有一定的惯性，致使系统频率一直在变动的 状态当中，这种电力系统在正常的运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为系 统的频率偏差。用公式表示为： a f = 厂一f o ( 2 1 ) 其中，鲈为频率偏差，厂为系统频率的实际值，厶为系统的标称值，在我国电力 系统中，标称频率为5 0 h z 。 电能质量电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 0 ) 中规定电力系统正常的频率 偏差标准为5 0 h z 0 2 h z ，当系统容量较小时，偏差值可放宽到5 0 h z 0 5 h z 。标准中 并没有说明系统容量大小的界限。全国供用电规则中有规定供电局供电频率的允许偏 差：电网容量在3 0 0 0 m w 及以上者为0 2 h z ；电网容量在3 0 0 0 m w 以下者为0 5 h z 。 实际运行中，我国各跨省电力系统频率偏差都保持在0 1 h z 范围内，这样使电网运行 更有保障。 4 硕j ：论文基于a r m 的远程电能质量临测系统的研究 2 1 2 供电电压允许偏差【l l 】 电压是电能质量的重要指标之一，其中电压偏差是衡量供电系统正常运行与否的一 项主要指标。供电电压允许偏差是指电力系统各处的电压允许偏离其额定值的百分比。 其数学表达式为： 电压偏差c ，= 兰盟等蓁蹇巢荔秽，o o c 2 2 ， 电能质量供电电压允许偏差( g b1 2 3 2 5 1 9 9 0 ) 规定：3 5 k v 及以上供电电压正、 负偏差的绝对值之和不超过额定电压的1 0 ；1 0 k v 及以下三相供电电压允许偏差为额 定电压的7 ；( 委) 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为额定电压的+ 7 1 0 。 用电设备的额定寿命和运行指标是对其额定电压而言的。当出现电压偏差时，其运 行参数和寿命将受到影响。电压基本上取决于电能供求平衡关系。另外，不合理的电力 系统运行方式和电网结构也会造成电压的偏差。 2 1 3 公用电网谐波【l 2 】 比较公认的谐波定义是：谐波是存在于电力系统中的一个周期性电气量的正弦波分 量，其频率为基波频率的整数倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也称它为高次 谐波。电网谐波主要的来源是各种非线性负荷用户，如各种整流设备、调节设备、轧钢 机以及电气拖动设备。各种低压电气设备和家用电器，即使供给给它理想的正弦波电压， 它的电流也是非正常的，即有谐波电流存在。变压器的激磁回路也会产生谐波电流。家 用电器数量比较大，如果谐波含量过大，也会对电力系统造成严重的影响，所以在制造 时应限制在一定数量范围内。 谐波对电力系统的危害极大，将导致电器设备寿命缩短，网损加大，还会干扰保护 继电器、测量设备、控制和通信电路以及用户电子设备等，使灵敏设备发生误动作或元 件故障。提高电能质量，防止谐波的危害，限制电力系统的谐波，就是要把上列指标限 制到国家标准规定的允许范围之内。根据国家标准电能质量公共电网谐波，对公共 电网谐波的限值如表2 1 所示。 表2 1 国标中各级电网谐波电压限值 电压k v总谐波畸变t h d ( )奇次( )偶次( ) o 3 85 4 o 2 0 6 ，1 043 21 6 3 5 ，6 63 2 4 1 2 l l o 2 2 021 60 8 2i u 能质量指标及测量硕：l ：论文 2 1 4 三相电压允许不平衡度【1 3 】 三相不平衡度是由于三相负载不平衡以及系统元件参数的不对称所致。当三相电源 电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电压中除了含有谐波分量外，还含有正序、 负序、零序分量。对于三相三线制电路，没有零序分量。所以，三相电量的不平衡度通 常以负序分量均方根值与正序分量均方根值的百分比值来表示。用符号占表示，即 & ，= u 2 u i 1 0 0 ( 2 3 ) 占，= 1 2 i lx 1 0 0 一 ( 2 4 ) 其中旬、8 表示三相电压不平衡度和三相电流不平衡度； u 、表示电压正序、负序分量均方根值； ，、，表示电流正序、负序分量均方根值； 三相电压不平衡带来的一系列危害，主要有：( 1 ) 在低压配电线路中，三相不平衡会 影响计算机正常工作，还会引起照明电灯寿命缩短、电压过高或照明不足等。( z ) - - 相不 平衡时，将引起电网耗损的增加。( 3 ) 干扰通讯系统，影响正常的通信质量。 电能质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 规定了电力系统公共连接时 电压不平衡允许值为2 ，短时不平衡度不得超过4 ，其短时允许值是指任何时刻都不 能超过限制值，以保证继电保护和自动装霹正确动作。对接入公共连接点的每个用户， 规定其引起该点正常电压不平衡允许值一般为1 3 。 2 1 5 电压波动与闪变【1 和1 6 】 电压波动是指电压幅值在一定范围内有规则变动时，电压变动或工频电压包络线的 周期性变化，或电压幅值不超过o 9 1 1 ( 9 u ) 的一系列随机变化。电压波动值为电压均 方根值的相邻两个极值之差与标称电压的百分数表示其相对百分值，即 d 拳竺磐! = 竺疃2x 1 0 0 u ( 2 5 ) 为了抑制电压波动，可以采取以下措施：( 1 ) 合理地选择变压器的分接头以保证用电 设备的电压水平；( 2 ) 设置电容器进行人工补偿；( 3 ) 线路出口加装限流电抗器：( 4 ) 采用 电抗值最小的高低压配电线路方案；( 5 ) 配电变压器并列运行；( 6 ) 大型感应电动机带电容 器补偿；( 7 ) 采用电力稳压器稳压。 电压波动引起照明灯的照度波动。闪变用来说明对不同频率电压波动引起灯闪的敏 感程度及引起闪变刺激性程度的电压波动值。 电压波动会使得多种电工设备工作异常。对于民用设施而言，白炽灯的应用广泛， ， 6 硕i ：论文基于a r m 的远程i u 能质量j l ：f 测系统的研究 电压的波动更容易引起白炽灯闪变。供电电压波动的幅值、频率、波形等都会对闪变起 到不同作用，而每一个人对于光照变化的感觉存在差异，所以闪变的度量也相对麻烦。 闪变的主要决定因素有：( 1 ) 供电电压波动的幅值、频度和波形；( 2 ) 照明装置，以 对白炽灯的照度波动影响最大，而且与白炽灯的瓦数和额定电压等有关；( 3 ) 人对闪变的 主观视感。， 。 ， 显然，电压波动的幅值越大，闪变越严重。不同频率的电压波动分量，引起的照度 变化对人的感觉的影响是不一样的，人眼对6 1 2 h z 的电压波动感觉最灵敏，其中对以 8 8 h z 的波动分量最为敏感，人眼能感觉到的极限频率范围是0 0 5 - - 3 5 h z 。 2 1 6 暂时过电压和瞬时过电压【1 7 】 一实际运行的电力系统当中，系统也会受到过电压的影响，即供电电压超过标 准电压可以分成暂时过电压和瞬时过电压。暂时过电压是指在电网给定点上持续时间较 长的不衰减或弱衰减的( 以工频或其一定的倍数或分数的频率) 振荡过电压。瞬时过电 压是指持续时间较短、通常带有强阻尼的振荡或非振荡的过电压。暂时过电压和瞬时过 电压是由于电力系统运行操作、受雷击、发生故障等原因引起的，是供电特性之一。 2 2 电能质量的分析方法概述 目前电能质量分析方法主要有以下三种 1 8 , 1 9 】： ( 1 ) 时域仿真方法 它的主要用途是利用各种时域仿真程序对电能质量中的各种暂态现象进行研究。在 电能质量分析中，其应用最为广泛。目前较通用的时域仿真程序主要有e m t p 、e m t d c 、 n e t o m a c 等系统暂念仿真程序和s p i c e 、p s p i c e 、m a t l a b 、s a b e r 等电力电子仿 真程序两大类。由于这些系统暂态仿真程序在不断发展，功能r 益强大，还可利用它们 进行电力设备、元件的建模和电力系统的谐波分析。 ( 2 ) 频域分析方法 频域分析方法主要用于谐波问题的分析计算，包括频率扫描、谐波潮流计算和混合 谐波潮流计算等。频率扫描和谐波潮流计算在反映非线性负载动念特性方面有一定局限 性，因此混合谐波潮流计算法在近些年中发展起来：它是在常规的谐波潮流计算法基础 上，利用e m t p 等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算，可求出各次谐波动态电流 矢量，从而得到动态谐波潮流解的计算结果。 ( 3 ) 基于变换的分析方法 在电能质量分析领域中广泛应用的基于变换的方法主要有f o u r i e r 变换方法、短时 f o u r i e r 变换方法( s t f t ) 以及小波变换方法。f o u r i e r 变换是电能质量分析领域中的基 本方法，优点是算法快速简单。但其缺点也很多：( 1 ) 虽然能够将信号的时域特征和频 7 2i u 能质量指标及测量硕i ：论文 域特征联系起来观察，但不能将二者有机地结合起来；( 2 ) 只能适应于确定性的平稳信 号( 如谐波) ，对时变非平稳信号难以充分描述；( 3 ) f f t 变换的时间信息利用不充分，任 何信号冲突都会导致整个频带的频谱散布；当条件比满足时，会产生“旁瓣”和“频谱泄 露”现象。为解决以上问题，g a b o r 利用加窗，提出了短时f o u r i e r 变换方法，即将不平 稳过程看成是一系列短时平稳过程的集合，将f o u f i e r 变换用于不平稳信号的分析。由 于实际多尺度过程的分析要求时一频窗口具有自适应性，即高频时频窗大、时窗小；低 频时频窗小、时窗大，而s t f t 的时一频窗口则固定不变。因此，它只适合于分析特征 尺度大致相同的过程，不适合分析多尺度过程和突变过程。这种方法的离散形式没有正 交展开，难以实现高效算法。小波变换由于具有时一频局部化的特点，克服了f f t 和 s t f t 的缺点，特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。小波变换作为一种新的数字 技术已在图像处理、数据压缩和信号分析等领域得到广泛应用。由于小波函数本身衰减 很快，也属一种暂态波形，将其用于电能质量分析领域，尤其是暂态过程分析领域将比 f f t 、s t f t 算法更具优点。 2 3 电能质量参数的测量 2 3 1 交流电压、电流、功率及功率因数的计算 周期为丁的电压“( f ) 、电流f ( f ) 的有效值定义为瞬时值的平方在一个周期内的均方 根值，即： u 2 1 = ( 2 6 ) ( 2 7 ) 在满足采样定理的前提下，对信号u ( t ) 、砸) 进行离散化采样，得离散化序列 u 。) 、 气) ，则u 的离散化表达式为： u 1 、 7 1 驴n - 1 2 瓦 ( 2 8 ) 表示一个周期内采样点数。 u 。表示第k 个时间间隔采样瞬时值： 疋表示相临两次的采样间隔： 若相邻两次采样的时间间隔相等( 即疋为时间常数丁，n = t a t k ) ，在满足同 硕：l 论文 基于a r m 的远程i u 能质量临测系统的研究 步采样的条件下，得到电压有效值： u = 同理：，= 1 万i 白n - i z 。2 当n 足够大时，功率可表示为： p = 专( “ a f ) 则： 三相有功功率： 尸5万白tv-i“+白tv-1“口屯+荟1,-tn-i n - 1 n - i 甜f u 、 j ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 视在功率：s = u 爿1 爿+ u 口l + 【，c ，c ( 2 1 3 ) d 功率因素：c o s ( p = 一l - ( 2 1 4 ) s 2 3 2 基于f i 呵的谐波测量 2 3 2 1f f t 算法原理【2 0 】 对于一个长度为的有限长序列x ( n ) ，只在n = 0 到( 一1 ) 个点上为非零值，其余 都为零，我们可以把它看成周期为n 的周期序列x ( n ) 中的一个周期，从而有限长序列的 傅里叶变换定义为： 一1 j ( 尼) = 肿 x ( ，z ) ：x ( n ) w n 础 n = o k = 0 , 1 ，n 一1( 2 1 5 ) 其中，职，= p 吖”。 直接计算d f t 的计算量与变化区间长度的平方成正比，当较大的时候，计算量 会变得很大。若x ( n ) 为复数的话，则计算d f t 每一个值就需要次复数乘法和( 一1 ) 次 复数加法，因此计算全部的个值总共需要2 次复数乘法和n ( n 一1 ) 次复数加法。而 每一个复数乘法需要4 次实数乘法和2 次实数加法。所以，对于每一个k 值，直接计算x ( 后) 就需要4 n 2 次实数乘法和2 n ( 2 n 一1 ) 次实数加法。由于计算机上乘法运算所需的机器时 间远比加法要长，所以一般均以乘法运算量作为量度。显然当值很大时直接计算d f t 所需要的算术运算的次数就非常大。 这样庞大的运算量使得d f t 的实际应用特别是实时处理难以实现。1 9 6 5 年库利 ( j w 。c o o l e y ) 和图基( j w t u k e y ) 首次提出了计算d f t 的一种快速算法f f t 。f f t 算法的 基本思想：可以将一个长度为n 的序列的离散傅旱叶变换逐次分解为较短的离散傅罩叶 9 2i u 能质量指标及测量 硕1 ：论文 变换来计算，这些短序列的d f t 可重新组合成原序列的d f t ，而总的运算次数却比直接 的d f t 算少得多，从而达到提高速度的目的。f f t 禾i j 用三角函数的周期性和对称性，使复 数运算量从2 次减到譬l o g ：n 次。图2 1 显示了直接计算d f t 和用快速算法在运算方面 的比较。 直接i ，一，f f l乍f j ， o6 41 2 82 5 6 ，1 2 1 0 2 4 n ( 抽样点数) 图2 1 直接计算和f f t 算法运算的比较 可以清楚地看出在运算量的节省上是非常显著的。当n = 1 0 2 4 时，运算量节省近2 0 0 倍。 它的基本算法可分为两类：即按时间序列x ( n ) ( 以为时间标量) 进行逐次分解得到 的f f t 算法称为按时间抽取算法( d e c i m a t i o n i n t i m e ，d i t ) 和按傅里叶变换序列x ( k ) ( 七 为频率标号) 进行分解，叫按频率抽取算法( d e c i m a t i o n i n f r e q u e n c y ，d i f ) 。这里主要介绍 d i t 中的基2f f t 算法。 2 3 2 2 基2f f t 算法 c o o l e y - t u k e y 的基2 快速傅罩叶算法就是将n 点长度的d f t 分解成多个( 栉为基 数) 的d f t 进行计算。再将点的d f t 分解为2 点d f t ，直到不能岔解为止。从而就 使得工作量由原来的2 级到现在的n l o g 。n 级。算法的关键是利用砜础的下面两个特 性： 破的周期性：破皇啡+ 以的对称性：i + 譬：一赡 假设序列x ( n ) 的长度n = 2 7 ，其中7 是任意正整数。 首先将输入序列x ( n ) 按标号拧分解为奇数项和偶数项两个子序列： l o 硕l ：论文 皋于a r m 的远程l 乜能质量临测系统的研究 g ( n ) = x ( 2 n ) 而 ) = x ( 2 n + 1 ) g ( n ) 和h ( n ) 的d f t 分别为： g ( 七) = g ( 玎) 咙 n = o 7 日( 尼) = ( 刀) 暇n k n = o 7 这时，x ( n ) 的点d f t f f j 写成： 因为：p 一7 石音 所以孵：( e 啊t 研：e 一弦壁： 所以( 2 2 0 ) 式可写为 n = o 如2 ，i n 一1 删 2 ，譬一 p i ，2 in 2 - i x ( 尼) = z x ( 2 胛) 咙+ x ( 2 疗+ 1 咙孵 n = 0 7 n = 0 7 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) = 艺g ( 彬磁+ zh ( 缈x v r r 以n kr r r k ( 2 2 2 ) n = o 7 ，= o 7 将( 2 19 ) 代入( 2 2 2 ) 得： x ( 尼) = g ( 后) + 日( 后) 嚼 ( 2 2 3 ) 可见，点序列x ( ，z ) i 拘d f t ，可先通过计算两个冬点序列g ( 玎) 和j i l ) i 约d f t ，然 后按式( 2 2 3 ) 计算得来。 由( 2 1 9 ) 式可知，g ( 尼) 和日( 尼) 是以冬为周期的函数，只需计算尼：o ，1 ，2 ，了n 一1 这些点的值。而x ( 后) 则是以n 为周期的函数，需要计算k = 0 , 1 ，2 ，n - 1 各点上的值。 为了用g ( 尼) 和h ( 后) 在后：o ，1 ，2 ，i n 一1 时的计算值得到x ( 尼) 在尼= o ，1 ，2 ，一1 的值， 将( 2 2 3 ) 改为： 埔 肿 略d +栉 q x 芝脚 + 时 孵 聆 q x 芝脚 i i x ， 2l 乜能质量指标及测量 硕j 二论文 x ( 尼) = g ( 尼) + 日( 尼) 蝶k = 0 , 1 2 ，要一1 ( 2 2 4 ) x ( k + 了n ) 亍g ( 尼) 一日( 尼) 暇七：0 ，1 ，2 ，i n ， ( 2 2 5 ) 这样，就将n 点d f t 分解为两个n 2 点的d f t 的和，即式( 2 2 4 ) 与式( 2 2 5 ) 。式( 2 2 4 ) 和式( 2 2 5 ) 的运算可以用图2 2 所示的符号表示，根据其形状称之为蝶形运算符，蝶形运 算是f f t 的基本运算单元，孵称为旋转因子。 其运算公式可概括为： a = a + 6 蝶 口 图2 2 蝶形运算 b 譬a 6 孵 我们用流程图说明8 点d f t 的处理方法，首先将输入序列x ( n ) 划分成偶数部分和奇 数部分，偶数部分为石( o ) ，x ( 2 ) ，x ( 4 ) ，x ( 6 ) ；奇数部分x ( 1 ) ，缸3 ) ，x ( 5 ) ，x ( 7 ) 。利用 式( 2 18 ) 和( 2 19 ) 计算4 点d f t 的g ( 七) 和h ( k ) ，再利用式( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 将g ( k ) 和h ( k ) 合 成x ( 豇) 。这样，一个8 点的d f t 就可以分解为2 个四点的d f l r ，如图2 3 所示。 g ( o ) t = ) 【( 0 g ( 1 ) = x ( 2 g ( 2 产x ( 4 g f 3 啄( 6 h ( o 产x ( h t i 声= 【( h ( 2 产- - x ( h ( 3 户- x ( 4 点 d f t 4 点 d f t 图2 - 38 点d f t 分解成两个4 点d f t 按照这个方法，可以将每个4 点d f t 分解成两个2 点的d f f ，就可以得到如图2 4 所示的 8 点f f t 蝶形运算流程图。 1 2 ) ) ) ) ) ) ) i 凇 凇 剐 珊 姗 ” 动 筇 ” 动 ” q q q q 小 峨 小 瞰 硕：l j 论文 綦于a r m 的远程i 【 能质量：临测系统的研究 图2 48 点f f t 信号流程图 。 由此可见，一个n 点d f t 分解为两个n 2 点的d f t ，从而实现了运算量的减少，再 经过逐次分解最终分解为2 点的d f t ，实现了f f t 运算。 本章小节 本章节首先对电能质量的六大指标进行比较详细的阐述和研究；然后对电能质量的 三种分析方法进行了简单的介绍；最后是一些基本量的测量公式，重点介绍了基于f f t 的谐波算法，对时间抽取的基2 f f t 算法过程作了详细的推导。 d 劲 旬 鄄 d 乃 郇 动 研 ” 卵 越 瓤 板 啊 杖 枝 项 3 系统的整体设计 硕1 ：论义 3 系统的整体设计 由于对电能质量问题的日益重视，所以开发功能齐全、操作简便的电力参数综合监 测装置对电网的各种运行参数( 如三相电压、电流等) 测量，得到电网中电压、电流和各 次谐波成分，以实现对电网的实时监测，具有非常重要的现实意义。 较常见的电能质量监测装雹有以下几种【2 l j ： 。 工控机+ 采集卡的形式：这是电能质量监测装置最早采用的方式。这种监测装置采 集功能强、入机交互性好，但是设备成本偏高、体积大、灵活性不够，不适宜大量定点 安放在各监测现场。而且受当时认识水平和技术条件的限制，没有实现智能化和网络化， 很难保证系统的实时性。 基于单片机的设计形式：单片机上集成有丰富的外设，具有良好的控制能力。但是 其数据处理能力不够强大。并且由于没有移植好的协议栈，实现基于以太网的通信比较 困难，只能实现基于总线的短距离通信。这种设计方案一般适用于对数据处理要求不高、 运算量不大的监测装置中。 。 基于d s p 的设计形式：在数字处理方面的能力较强，技术已经很成熟，能处理各 种运算的通用或专用芯片也很多。以d s p 为核心设计开发的监测装置，可以完成高速 率数据处理，保证系统实时性方面的要求。缺点是其并不适合运行较大规模的嵌入式实 时操作系统，且以太网等性能扩展需要额外的费用。 基于a r m 的设计形式：a r m 微处理器最大的优势在于速度快、低功耗、高性能、 芯片集成度高、外围接口丰富。目前芯片的价格也只略高于单片机。在上可以移植嵌入 式实时操作系统，容易实现多任务调度，而且简化了显示、硬盘存储、网络通信等功能 的开发，大大减少了产品的开发周期。 3 1 监测装置总体结构 本系统的总体结构如图3 1 所示。软件部分主要分为三部分：l i n u x 开发环境建立、 驱动层软件实现、嵌入式数据库s q l i t e 的移植和应用程序开发。 1 4 硕i ：i k 文基于a r m 的远程i b 能质量j l 在测系统的研究 l _ j 、厂1 图3 1 系统总体结构图 3 2 硬件部分功能模块的规划 ，本系统以a r m 处理器为核心，芯片外围扩展了电网数据采集单元、显示单元、按键 模块、网络通讯单元、电源和存储器，并在a r m 处理器上移植l i n u x 操作系统，利用它 强大的网络功能和内置的t c p i p 协议栈，实现远程数据的采集和监控。监测的电网参数 主要有：三相电压、三相电流、有功功率无功功率、谐波含量及频率等。系统功能模 块如图3 2 所示。 图3 2 系统功能模块图 主要模块功能说明： ， 按键控制：设置四个功能键为“上”、“下”、“确认”、“返回”。配合l c d 上显示的 查询参数项，进行选择。 存储器：主要用到两种存储器，n a n df l a s h 和s d r a m 。本系统中n a n df l a s h 主要 用于存放启动代码、内核代码以及根文件系统。根文件系统中采用最新的y a f f s 文件系 统，与传统的嵌入式文件系统不同，是一种可读写的文件系统。因此可以将电网的参数 记录到根文件系统中，这样用户就可以随时调用历史数据了。 l c d 显示：本设计用的3 5 英寸的t f t 屏。硬件上只要把处理器上的一些控制线与 1 5 习习圈网习圃 3 系统的整体设计 硕：l ：论文 t f t 屏上相应的线接口即可。在软件上采用基于q t o p i a 完成用户图形界面，以便用户在 现场观看电网参数的各种图形分析，比如电压、电流的波动情况，各时期的电能参数。 网络控制器：在服务器端采用嵌入式l i n u x 操作系统，系统中运行着一个i n e t d 的服 务进程( 是一个后台进程) ，用来监控连接端口。当有用户连接请求时，该服务进程会调 用用户服务程序。用户服务程序完成的任务是响应用户的请求，其中包括连接请求和命， 令请求。当用户要得到现场数据时，它先会向服务器发送连接请求，得到连接响应后再 发送命令请求。服务器端收到命令请求后，会将电网参数发送给用户，这样用户就会得 到所要求的数据。 。 、 电源及复位：为处理器提供电源与复位信号。 其中a r m 处理器的选择至关重要，将决定系统性能的好坏。各个模块的具体电路将 在下一章详细阐述。 3 3a r m 处理器选型 3 3 1a r m 的简介 a r m 是a d v a n a c e dr i s cm a c h i n e 的缩写，微处理器行业的一家知名企业1 2 2 j 。a r m 公司1 9 9 0 年1 1 月在英国剑桥成立。该公司设计了大量廉价、高性