（检测技术与自动化装置专业论文）嵌入式电能质量监测系统设计.pdf

摘要 摘要 随着科学技术和国民经济的发展，对电能质量的要求也越来越高，为 了保证电力系统安全和用户用电的可靠性，研究和解决电能质量问题已成 为电力发展的当务之急。 另外，可编程逻辑器件f p g a ，具有性能好、功耗低、成本低、可裁减、 开发周期短等优点，在电子及通信等行业都得到了广泛的应用。 本设计正是以研究电能质量问题为出发点，以x i l i n x 公司开发板m l 4 0 3 为平台，构建电能质量监测系统。充分利用f p g a 的优势，大胆地替换以往 的工控机平台，实现电能质量监测。 本文的电能质量监测系统设计主要包括两部分，嵌入式硬件和软件系 统设计。其中嵌入式硬件系统设计包括裁减m l 4 0 3 ，位流文件的产生，配置 f p g a 等；嵌入式软件系统设计包括嵌入式l i n u x 系统实现和应用程序编写。 软件系统是在硬件系统的基础上运行的，因此务必保证硬件系统的正确， 否则再好的软件系统都毫无意义。 文中的重点在于嵌入式l i n u x 系统的实现与应用程序的编写。嵌入式 l i n u x 系统的实现包括u - b o o t 引导程序的移植、内核移植、文件系统制作。 应用程序包括电能质量监测各指标的计算程序( 参考上海宝钢安大电能质 量有限公司) 、q t 界面程序( 我们实验室罗锦才完成) 、信号源的模拟产生及 的存储( i e e e1 1 5 9 3 标准格式) 、h t m l 网页代码及c g i 应用程序。 本设计最终目的是实现电能质量的g u i 现场监测和远程监测。利用 q t e m b e d d e d 开发g u i 程序，添加内核对f r a m e b u f f e r 的支持，通过v g a 接 口即可实现g u i 现场监测。另外，添加内核对网络的支持，通过移植嵌入 式w e b 服务器，利用c g i 可实现电能质量的远程监测，充分利用了c g i 动 态更新的能力。 关键字嵌入式系统；电能质量；g u i 现场监测；远程监测 a b s t r a c t 1n e r e q u l r 啪e n t0 n p o w e rq u a l i t yi s h i g h e ra n dh i g h e rw i t h t h e d e v e l o p m e n to fs c i e n t i f i c t e c h n o l o g ya n dn a t i o n a le c o n o m y t h ep r o b l e mo f p o w e r q u a l i t yi sr e q u i r e dt ob er e s e a r c h e da n ds o l v e du r g e n t l y i no r d e rt oa s s u r e t h es a t e l yo fp o w e r s y s t e ma n dr e l i a b i l i t yo f e l e c t r i c i t yu t i l i z a t i 0 1 1 ma d d i t l o n ，p r o g r a m m a b l ed e v i c e f p g aw h i c hi s u 8 e di ne l e c t r o n i c s i n d u s t r ya n dc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r yw i d e l y h a sg o o d p e r f o r m a n c e ，1 0 wp o w e r c o n s u m p t l o n ，l o wc o s t ，s h o r td e v e l o p m e n t p e r i o da n ds oo n ，| y d e s i g ne s t a b l i s h e st h em o n i t o r i n gs y s t e mo f p o w e rq u a l i t yb a s e do nt h e p l a t f o 彻m l 4 0 3o fx i l i n x c o m p a n y , j u s tu s i n gt h er e s e a r c h m e n to fp o w e r q u a l l t yp r o b l e ma sap o i n to f d e p a r t u r e r e p l a c et h ep o s tp l a t f o 册i n d u s t r i a lp c w i t hf p g a t 。a c h i e v et h em 。n i t o r i n g 。fp 。w e rq u a l i t yw h i c hm a k e s g 。du s e 上n l sp a p e rm a i n l yc o n t a i n st w op a r t s ，e m b e d d e dh a r d w a r e a n ds o r w a r e s y s t e md e s i g n t h ef o r m e ri n c l u d e s c u t t i n gd o w nm l 4 0 3 ，p r o d u c i n gb i t s t r e a m 士1 j e ，c g u r i n gf p g aa n ds oo n a n dt h el a t t e ri n c l u d e se m b e d d e dl i n u xs y s t e m d e s l g na n da p p l i c a t i o np r o g r a m w r i t i n g t h es o f t w a r es y s t 锄c a n to p e r a t e c o r r e c t l y ，u n l e s sy o ua s s u r et h eh a r d w a r es y s t e m t h a ty o um a k ei sc o r r e c t 1n l sp a p e r p u t sc m p h a s i so nt h et r a n s p l a n t a t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n d t h ew r l t l n go f a p p l i c a t i o np r o g r a m t h ef o r m e ri n c l u d e st h e t r a n s p l a n t a t i o no f u b o o ta n dk e r n e l , a l s 0i n c l u d e st h em a k i n go ff i l e s y s t e m a sf o rt h el a t t e r i t c o l l t a i n st h ec o m p u t a t i o np r o g r a mo fp o w e r q u a l i t yp e r f o r m a n c e s ，q ti n t e r f a c e p r o g r a m ，t h es i m u l a t i o na n d s t o r a g eo fs i g n a l sw h i c hi s i ns t a n d a r d f o n i l a t ，h t m lc o d eo fw e b p a g ea n dc g ia p p l i c a t i o np r o g r a m t h eu n l m a t eg o a lo ft h i s d e s i g ni st or e a l i z et h eg u il o c a la n dr e m o t e m o n i t o n n g w i t nt h es u p p o r to f f r a m e b u f f e r , u s i n gt h eq ta p p l i c a t i o np r o g r a m c a n1 m p l e m e n tl o c a lg u i m o n i t o r i n g b e s i d e s ，t h i sd e s i g nf i n i s h e st h er e m o t e m o n l t o r l n go fp o w e rq u a l i t yw i t ht h ea i do fc g l w h i c hi sa b l et ou p d a t ed a t a s d y n a m l c a l i y b u tf i r s t l yt h ek e r n e lm u s th a v e t h es u p p o r to fn e t w o r ka n d e m b e d d e dw e bs e r v e rm u s tb e t r a n s p l a n t e di n t ol i n u xs y s t e m k e y w o r d 8e m b e d d e ds y s t e m ；p o w e t q u a l i t y ；g u il o c a lm o n i t o r i n g ；r - 衄o t cm o n i t o m g 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体己经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ： 立叔欠 1 年6 ) 口- j 够日 吲平dy u 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 绪论 1 。1 嵌入式系统 第一章绪论 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁 剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专 用计算机系统。是一种为特定应用而设计的，可以根据实际应用量体裁衣的系 统。它与通用计算机系统不同的是，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的、 预先定义的任务，正是这种特性使得设计人员能够对它进行优化、减小尺寸、节 约成本、增加系统的可靠性以及性能等。目前嵌入式系统已经遍布我们生活中的 各个角落，从大型的网络设备到便携式手持终端。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统 以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视 或管理等功能。它的核心是由一个或几个预先编程好的微处理器或者微控 制器，用来执行少数几项任务的。嵌入式对成本是较为敏感的，硬件资源 有限，硬件配置通常是刚好满足某种应用需求，固态存储器大多不采用硬 盘，而是用f l a s h 。正因为硬件资源有限，必然要求操作系统尽量不断优化， 精简到不能再小的地步。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 1 具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由 板卡完成的任务集成在芯片内部，有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移 动能力大大增强。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个 行业的具体应用相结合后的产物。 3 嵌入式系统的硬件和软件都是可以量体裁衣的，其设计都必须是高 效率的，力求在同样的硅片面积上实现更高的性能。 4 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化 在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 5 嵌入式系统一旦设计完成后，通常需借助一套开发工具和环境对其 1 绪论 中的程序功能进行修改。 1 2f p g a 的未来 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 现场可编程门阵列是可编程半 导体器件，具有逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。f p g a 是 在p a l 、g a l 、p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成 电路( a s i c ) 中集成度最高的一种。内部包括可配置逻辑模块 c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。 现在f p g a 的功能、容量、性能在不断提高，而功耗和成本显著下降， 足以成为大批量、低成本应用非常可靠的选择方案之一。 目前的工艺平台，单个芯片提供可重新配置电路模块、经过优化的实 时信号处理专用模块、片内存储器、高速互联，并且与现有软件兼容。这 种现代化的f p g a 硬件体系结构显然是一种发展趋势，传统的处理器、d s p 和可编程逻辑器件必将紧随其后。 不断提高的开发成本、越来越短的产品生命周期、越来越窄的市场窗 口以及产品细分，这些发展趋势促使更多的设计人员使用可编程技术来满 足技术和业务需求。硬件工具更加抽象，使设计人员更容易掌握软件设计， 能够更迅速地完成算法直至设计实现，越来越多的i p 库也加速了设计开发。 我们认为这些趋势对于f p g a 供应商来说，意味着近期电子行业的关键支撑 技术将是设计工具。 到2 0 1 1 年，半导体制造工艺将采用3 2 r i m 节点，芯片制造商可以制造 包含数十亿个晶体管的单芯片产品，而采用这种工艺的f p g a 会包含一亿个 可编程逻辑门，而且f p g a 平台会采用创新的封装技术将存储器、模拟混合 信号电路、通用接口、传感器、各种i o 集成到一起，这样的f p g a 会成为 许多电子产品的核心。 现在的f p g a 和9 9 年的相比，成本降低了5 0 0 倍，容量提高了2 0 0 倍， 功耗降低了5 0 倍，速度加快了4 0 倍。预计到2 0 1 0 年，f p g a 的价格会降 低5 倍，容量会增大5 倍，速度提高5 倍，在单位功耗上会有更多的功能， 2 绪论 目前f p g a 已经用于各种各样的应用中，这个趋势预示着未来f p g a 的价值 会越来越高。 1 3 嵌入式电能质量监测系统的研究意义 1 3 1 嵌入式f p g a 的优势 随着现代芯片工艺的改进，f p g a 的等效系统门达到到几百万门，工作 频率也随之提高，致使f p g a 在电子产品中大量出现。在通信行业，传输网， 医疗仪器，各种电子仪器，安防监控，电力系统，汽车电子，消费类电子 中都大面积的使用。随着产品研发周期的逐步缩短，定制型产品的开发使 f p g a 的应用面越来越广。它与d s p ，m p u 一起大量出现通信类设备中，例如 2 g 通信，3 g 通信，以后的4 g 通信，w i m a x 设备。尤其是通信的数字化，软 件无线电等概念涌现到电子行业的各个领域，芯片设计的工艺的改进，4 5 n m 工艺的出现，使得f p g a 成为必不可少的流行实惠器件。 f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个新概念， 用户可对f p g a 内部的逻辑模块和i o 模块重新配置，以实现用户的逻辑。 它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以 像软件一样通过编程来修改。作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半 定制电路，f p g a 既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电 路数有限的缺点。可以毫不夸张的讲，f p g a 能完成任何数字器件的功能， 上至高性能c p u ，下至简单的7 4 系列电路。 传统的电能质量监测软件都是基于工控机运行的，而本文却是基于 f p g a 平台，之所以大胆地替换平台，是考虑到f p g a 所具有的特点，并且能 较好地完成本设计的任务。f p g a 的基本特点主要有： 1 f p g a 最大的特点就是灵活，它减少了专用芯片的束缚，可以实现你 想实现的任何数字电路，定制各种电路，真正为自己的产品量身定做，在 设计的过程中可以灵活的更改设计。而且它强大的逻辑资源和寄存器资源 可以让你轻松的去发挥设计理念，硬件实现的方式也可以应对设计中大量 高速电子线路的设计需求。 2 f p g a 比d s p 拥有更快的速度，可以实现非常复杂的高速逻辑，可以 3 绪论 随时裁减，随意增加你想要的功能，回避芯片厂商的限制。 3 保密性好，知识产权概念的不断涌现，f p g a 完全可以让设计得以保 护，让公司的利益在较长时间内得到保证。 4 随着f p g a 芯片供应商和第三方公司的重视，非常现成的i p 核被提 供，进一步缩短设计周期，减小开发成本。很多免费的软i p 核和硬i p 核 的出现更是压缩了成本。 5 f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择 之一。 f p g a 与工控机相比，同样具有可编程能力，尽管电能质量监测已经在 工控机上应用得很成熟，但与具有最先进工艺的f p g a 相比，主要具有如下 缺点： 1 工控机对信号的采集一般采用软件采集方式，而软件采集方式 速度慢，可靠性低。 2 面积大，成本高，集成度低，移动不便。 3 数据安全性低，而f p g a 的保密性却很高，可以充分保护公司的利益。 4 功耗高，工业上用的都是长期运行，这样低功耗的f p g a 无疑会节省 很多的功率。 基于工控机以上的缺点以及f p g a 本身具备的优点，本文采用f p g a 平 台，移植l i n u x 系统，使电能质量监测软件可靠地运行于f p g a 上，并实现 对电能质量的远程及g u i 现场监测。 1 3 2 电能质量监测系统的广泛运用 导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电 设备故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问题。电能质量通常以 电压偏差、电压波动和闪变、公用电网谐波、三相电压不平衡度、频率偏 差、暂时过电压和瞬态过电压等指标来衡量。 随着科学技术和国民经济的发展，对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，为此电力部门和用户对电能质量的关注也日 4 绪论 益增加。尤其随着信息技术的飞速发展，一方面，用电负荷日趋复杂化和 多样化，如半导体整流和逆变装置以及变频调速装置等电力电子设备的应 用，这些具有非线性，谐波丰富，冲击性和不平衡特征的负荷会影响到供 电电网，给电能质量提出了新的问题。另一方面，用户对供电可靠性的要 求越来越高，众多基于计算机，微处理器控制的精密电子和电力电子装置 在电力系统的大量使用，对供电质量的敏感程度也越来越高。 为了保证电力系统安全和用户用电的可靠性，研究和解决电能质量问 题已成为电力发展的当务之急。而从市场经济的商品质量这个普遍意义上 来讲，了解、改善电能质量也是必不可少的。目前电能质量领域主要研究 的方向包括： 一研究电压暂降对高新技术企业用户的影响； 一研究谐波对电网污染以及对电力计量方面的影响； 一加强研究对各种电能质量问题的治理技术。 了解到电能质量问题的重要性，本文选择电能质量监测系统设计为课 题内容，以f p g a 为平台，进行系统设计，实现对电能质量的监测。当然， 并非对以上三个方向中的任何一个方向进行研究，而仅仅是对电能质量进 行监测，通过对电能质量主要技术指标进行计算和显示，来达到监测电能 质量的目的。 1 4 本文的研究对象及主要内容 1 4 1 本文的研究对象 本文研究的内容主要包括两个部分，一是嵌入式系统，二是电能质量 监测。其中嵌入式系统的内容包括两部分，f p g a 硬件配置和嵌入式l i n u x 系统的构建。采用的平台是x i l i n x 公司的开发板m l 4 0 3 ，它主要含有以下 主要器件： x i l i n x 器件：x c 4 v f x l 2 - f f 6 6 8 - 1 0 c ，x c c a c e ( s y s t e ma c e 控制器) ， x c f 3 2 p ( p 1 a t f o r mf l a s h ) ，其中x c 4 v f x l 2 一f f 6 6 8 - 1 0 c 是一种专为嵌入式平台应 用设计的高性能芯片，内含有1 2 3 1 2 个逻辑单元，并集成了1 个p o w e r p c 4 0 5 硬 核和一个辅助处理器单元a p u 。 s 时钟：1 0 0 z ，双时钟插槽 存储器：6 4 肺d d rs d r a m ，8 船l i n e a rf l a s h ，1 m bz b ts r a m ，6 4 m bf l a s h ， 4 k b i i ce e p r o m 连接端口和接口z2 个p s 2 连接端口( 键盘与鼠标) ，r s 一2 3 2 串口，3 个u s b 端口i 1 个主的，两个外设端口) ，p c 4j t a g 口，d b l 5v g a 显示接口， 1 0 1 0 0 1 0 0 0r j - 4 5 以太嚼端口通用的1 0 口( 按键和l e d 显示灯) 显示器件：1 6 x 2 字符型l c d 如图卜i 能更清楚地看到m l 4 0 3 所包含的硬件资源和外设接口 蕾翟譬一w 誓薯叠一“ 目l tm l 4 0 3 结构图 m l 4 0 3 含有的外设接口较多，利用f p g a 的灵活可裁减性，可根据实际 需要去配置，选择所需要的硬件，构建最小化硬件系统，以防不必要的浪 费，以及c p u 资源的额外浪费。 1 4 2 本文的内容简介 本设计在于构建电能质量监测系统，监测是目的，系统是环境。设计 的最终目的是实现电能质量的g u i 现场监测和远程监测。本文就如何构建 电能质量监测系统进行了较为详细的讲述，概括本文，主要包含两部分。 一部分是嵌入式系统的构建，包括硬件配置和嵌入l i n u x 操作系统的移植。 绪论 而另一部分就是电能质量监测，实现g u i 现场监测和远程监测。利用 q t 应用程序，通过v g a 接口就可以实现现场g u i 监测；移植嵌入式w e b 服 务器，利用c 语言编写c g i 应用程序就可以实现电能质量的远程监测。同 时将信号源( 原始) 数据以i e e e11 5 9 3 标准文件格式进行存储，通过w e b 服务器可以很方便地远程下载数据文件，以便离线分析。 全文总共分为六章，主要内容如下： 第一章主要论述f p g a 嵌入式系统的优点及未来的发展前景，以及选择 此设计的意义，并给出了本文的内容简介。 第二章则是描述电能质量的发展前景以及电能质量几大主要技术指 标，以及电能质量指标的计算及信号源数据的存储，介绍标准的数据存储 方式。 第三章主要从系统的高度对本设计进行描述，包括系统功能总述、系 统硬件描述和软件描述，给出硬件和软件总体框架图，使得对软硬件有一 个总体的认识。 第四章是本文的重点，主要描述f p g a 的硬件配置实现和嵌入式l i n u x 系统的移植，而l i n u x 系统移植包括u - b o o t 的引导实现、内核移植和文件 系统的制作。最后还描述了映像文件的定位，描述a c e 文件的制作及c f 卡 的分区，以及目录结构等等。 第五章也是本文的重点，用于实现电能质量监测，包括现场g u i 现场 监测和远程监测。而g u i 监测的实现，关键在于硬件和软件对f r a m e b u f f e r 的支持及o t e m b e d d e d 应用程序的编写。远程监测部分涉及到嵌入w e b 服 务器的移植，c g i 应用程序的编写。 第六章是对本文进行了正确而概括性的总结，并给出了本设计的不足 及改进的潜力。 7 电能质量 2 1 电能质量概述 2 1 1 电能质量定义 第二章电能质量 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 电压水平对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压，电流应处于幅值大 小相等，相位互差1 2 0 0 的对称状态。但实际情况下，由于电能在输送过程中受到 各种因素的影响，到达用户的电能会偏离正弦波形而发生畸变。特别是当前不对 称负荷、冲击性负荷在容量上、数量上日益增大，使干扰成分不断增大，电能质 量日益恶化口1 。为此现如今，电能质量已经成为我们迫切需要解决的一个问题。 对于电能质量的定义目前还没有一个统一的标准，i e e e 技术协调委员会对 “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 置的接地系统适合于该设备正常工作哺1 ；而i e c 标准对电能质量的定义为：电能 质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性阻1 。 2 1 2 电能质量特点 由于电能质量的特殊性，电能质量有以下几个特点盯1 ： 1 电能质量的动态性：电能从发电生产到用户消耗是一个整体，其流动始 终处于动态平衡中，并且随着电网结构和负荷的改变而不断变换。在整个电力系 统中，不同时刻、不同地点，电能质量指标往往是不同的。 2 电能质量的相关性：电能不易大量存储，其生产、输送、分配和转换过 程直到消耗几乎是同时进行的。当系统处于各种运行状态时，电能质量一旦不达 标，相关的设备会受到不同程度的影响。 3 电能质量的传播性：电力系统是一个复杂的网络，为电能提供了最好的 传输途径。电能传播速度快、电气污染波及面大，会大大降低相连系统的电能质 量。 电能质量 4 电能质量的潜在性：电能质量扰动复杂多变，事故诱发条件复杂，其质 量的下降造成对系统用电设备的损害，有时并不立即显现，为安全运行留下了隐 患。 5 电能质量的复杂性：电能质量的多个指标作用于同一个系统时，综合给 出电能质量的评判标准是非常困难的。目前尚没有一个准确和普遍认可的定量评 估计算方法。 2 1 3 电能质量分析方法 现代电能质量分析的常用方法：时域仿真法、频域仿真法、基于变换的方法。 其中时域仿真法应用最为广泛，而频域分析法主要用于电能质量中谐波问题的分 析。常用的变换方法主要包括快速傅里叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) ，短 时傅里叶变换( s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m ，s t f t ) 、二次变换法和小波变换法 ( w a v d c tt r a n s f o r m ，w t ) 。快速傅里叶变换在电能质量问题分析领域具有广泛的 应用，不过它只适于信号是稳定的，且信号最高频率小于采样频率的1 2 ，否则 会产生较大的误差n 们。 2 2 电能质量标准 2 2 1 电力系统频率允许偏差 电力系统的频率偏差是指电力系统的实际频率偏离标称频率的程度，即系统 频率的实际值与标称值之差，公式如下所示： a f = f f 0 ( 2 一1 ) 国家标准g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差规定以 5 0 h z 作为我国电力系统的标准频率( 工频) ，并规定电力系统正常的频率标准为 5 0 h z 0 2 h z ，当系统容量较小时，可以放宽到5 0 h z 0 5 h z 。 运行频率偏差对电力系统及其设备的影响，取决于偏离值的大小和偏移持续 时间3 。当频率偏差在0 5 h z 之内时主要是经济问题，即造成设备的效率降低。 若偏差值大于o 5 h z ，则不仅仅使设备的效率降低，还会危及设备的安全，引 起设备的累计性损伤，损坏设备，甚至导致系统瓦解和崩溃。 9 电能质量 2 2 2 供电电压允许偏差 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 计算公式如下所示： 电压偏差= 苎塑笺裟茅x 1 0 0 ( 2 2 ) 国家标准g b l 2 3 2 5 2 0 0 3 电能质量电力系统频率允许偏差规定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- i - 7 ；2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为标称系 统电压的+ 7 1 0 n 羽。 2 2 3 公用电网谐波 谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，也常称 作高次谐波。现如今负载多数是非线性的，致使电流也呈非线性，非线性谐波电 流可分解为基波电流和谐波电流的叠加，其中谐波电流注入电网将产生谐波电 压，谐波电压叠加在基波电压上，使电压波形产生畸变。 将畸变的周期性电压和电流分解成傅立叶级数： 甜( f ) ：m 佤s i n ( h c o l t + g h ) 拓1 ( 2 - 3 ) = 凰s i n ( h c o l t + f l h ) ( 2 4 ) 式中：u ，厶：电压，电流的基波有效值( 方均根值) ； q ：基波角频率，q = 2 顽，其中z 为基波频率； ，厶：( h 2 ) 第五次谐波电压和电流的有效值( 方均根值) ； m ：电压和电流截取的谐波最高次数，由波形畸变程度和分析的准确度要 求来决定，通常取m 1 0 0 ； ，孱：h 次谐波电压，谐波电流的相位，取决于分析的起点位置。 由( 2 3 ) 、( 2 4 ) 两式可以得出以下电力参数n 3 1 ： ( 1 ) 第h 次谐波电压、电流含有率h r ，月巩 1 0 电能质量 h r u h = 长1 0 0 ( ) h r i h = i i h 1 。o ( ) ( 2 ) 谐波电压，电流含量、厶 ：- 兰( 蚶1 j l h = 2j 如：兰( 耵 j l h = 2j ( 3 ) 电压、电流总谐波畸变率 t h e ) = u u h 1 。o ( ) 觋= 等1 0 0 ( ) ( 4 ) 电压、电流真有效值 u = u ( 1 + 豫域) 2 ，= 厶( 1 + 强研) 2 ( 5 ) 基波有功功率、无功功率p 。、q 。 p l = 厶uc o s ( o ：l 一屈) q l = ，l us i n ( a ：l 一届) ( 6 ) 总有功功率、总无功功率p 、q p = i h u hc o s ( 口 一尾) q = 厶s i n ( 一屈) 一般。t f f ；兄t ，谐波有功功率很小，p 墨，这里的五从l 开始。 ( 7 ) 基波视在功率 最= i i u l ( 8 ) 总视在功率 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 电能质量 c 。s 仍= c 。s ( 口- 一届) = 旦s l ( 2 - 1 9 ) ( 1 0 ) 真功率因素 c o s 9 ：!( 2 2 0 )够= 一 i z z u s 、7 ( 1 1 ) 电压、电流的峰值系数为呱、，设电压，电流的峰值为u e 、 妣c v 寺( 2 - 2 1 ) c v , = 争( 2 - 2 2 ) 224 = 相不平衡庸 电力系统的三相不平衡是由于三相负载不平衡以及系统元件参数的不对称 所致，其程度用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值百分比来表示电压或 电流不平衡度，分别用eu 或e ，表示。 一般，用于计算三相不平衡度的正序分量和负序分量均为基波分量。 勺= 鲁1 0 0 ( 2 - 2 3 ) q = 等1 0 0 ( 2 - 2 4 ) 1 1 式中： u 、厶为三相电压，电流正序分量的方均根值； 、厶为三相电压，电流负序分量的方均根值。 不平衡度的准确计算式： 1 在有零序分量的三相系统中，应用对称分量法，分别求出正序分量和负 序分量再由式( 2 2 3 ) 、( 2 - 2 4 ) 求出不平衡度。 2 在没有零序分量的三相系统中，当已知三相量口、b 、c 时，可用下式求不 平衡度1 4 3 ： 1 0 0 1 2 ( 2 - 2 5 ) 电能质量 式中：= 万a 4 + 可b 4 万+ c 4 国标中还给出了不平衡度的近似计算式。设公共连接点的正序阻抗与负序阻 抗相等，则有： 毛：百x 3 1 2 u l 1 o o ( 2 - 2 6 ) 0 s v l r 式中：厶为电流的负序值，a ； & 为公共连接点的短路容量，m v a ； u ，为线电压，k v ； 2 2 5 电压的波动与闪变 电压波动值为电压均方根的两个极值u 嗽和之差，常以其标称电压 的百分数表示其相对值，即： d ：挚1 0 0 ( 2 - 2 7 ) u ， 电压波动会引起照明灯的照度波动，而闪变用于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。闪变不仅与电压波动的 大小有关，而且与波动的频率以及人的视感等有关。人眼对频度为1 0 h z 的电压波 动最为敏感，这种刺激的不适感宣用一段时间的平均值来衡量，国际上规定为 i m i n 。 用来衡量闪变的还有短时闪变、长时闪变两个值。短时闪变值指衡量短时间 ( 若干分钟) 闪变强弱的统计量值，长时间闪变值是指可由短时闪变值推算出来反 映长时间( 若干小时) 闪变强弱的量值n 朝。 2 。3 电能质量指标计算 要监测和分析电能质量，必须计算电能质量五大电能指标。主要指标包括三 相电压的频率、偶畸变率、奇畸变率、总畸变率、闪变值、波动值、电压真有效 值、三相不平衡度、基波功率( 有功、无功、视在功率) 、总功率( 有功、无功、 视在功率) 、基波功率因数、真功率因数。 1 3 电能质量 本设计所用的指标计算程序是参考上海宝钢安大电能质量有限公司。其程序 是在v c 开发的，而本设计是要将其运用于l i n u x 平台之下，平台不同，有些地方 需要修改方可移植。 安大公司信号采集采用的是软件采集，采样频率是1 2 8 0 0 ，每个周期采样2 5 6 个点。而本设计以后将会采取硬件采集的方式，速度快。但目前由于a d 采集卡未 到位且无信号源，为此只能自己模拟信号源。其采样频率也是1 2 8 0 0 ，每个周期 采样2 5 6 个点。 程序总耗时9 秒左右，其中大部分时间是用于计算信号源数据，信号源包括 三相电压、三相电流。给定的是基波和一系列谐波正弦信号的叠加，共有1 6 5 0 0 个数据点，每个数据点都须经过计算其正弦值，因此相当耗时，其程序各部分所 耗的时间如表2 - 1 所示： 表2 1 程序时间消耗 c p u 时间( s 卜 4 0 0 m h z 主频 信号源计算 7 7 3 时间 程序耗时除( 信 1 2 5 号源计算外) 程序总耗时 8 9 8 可见程序的大部分时间都用于计算信号源数据，而实际上若是有信号源和采 集卡，则这部分时间可以大大减少，程序运行总时间不会超过两秒。 2 4 电能质量数据的存储 2 4 1p q d i f 的需求分析 现如今电能质量问题已经是人们相当关注的一个问题，也出现了很多的监测 设备，其类型和后台分析软件都不尽相同，相互之间数据不兼容。一般都以设备 厂家的监测仪器为核心，建立小范围的数据中心。致使数据的类型和描述格式都 不相同，这样不仅给共享带来极大的不便，而且也给电能质量数据的管理带来了 混乱。而在当今快速发展的网络年代，势必要求数据的共享。 为了适应电能质量有关测量数据和计算数据的存储，必须制定统一的数据 1 4 电能质量 存储体系，作为数据采集、交换和分析的标准。因此i e e e 标准委员会提出了一 种电能质量数据的交换格式p q d i f ( p o w e rq u a lit yd a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t ) 。 它完全独立于监测设备，不仅可以较好地解决多数据源数据的兼容问题，还可以 实现电能质量物理属性的多角度观察功能，满足了电能质量监测技术的发展需要 1 5 p q d i f 是专门针对电能质量数据特点设计的一种数据格式，完全从电能质量 信息的角度来考虑问题，位于整个系统中数据层的底层，所要解决的是相对于一 个数据库来说异构数据源之间的数据通用性问题，以便电能质量监测系统产生的 原始数据通过p q d i f 能与应用层的数据库打交道。p q d i f 很好地屏蔽了数据库面 对各种不同监测设备的数据复杂性。 p q d i f 格式作为一种标准规范，为数据的共享与管理提供了一个很好的通用 平台，有利于电能质量监测系统的标准化发展。p q d i f 格式以其良好的压缩性能 及多角度的观察特性，为实现广域电力系统的信息采集、存储、识别、控制、融 合及共享提供了条件。p q d i f 主要针对电能质量监测系统，其发展进程、应用前 景相当广阔n6 1 。 2 4 2p q d i f 文件 p q d i f 是一种特殊的文件格式，它是由一系列逻辑相关的记录链接而成。在 每个记录中有一系列元素，它定义了记录的内容。 p q d i f 文件分两层：物理层和逻辑层。物理层描述文件的物理结构使用标识 识别文件的特定元素，主要定义结构，并不关心实际被储存的内容，逻辑层使用 物理层定义的结构，利用特定标识在文件中建立元素，描述逻辑关系。 ( 一) p q d i f 文件的物理结构 p q d i f 文件的物理结构相当于一个链表结构， 每个记录头包括本身及其下 一个记录在文件中的位置，相当于链表中的指针，可以很方便的对文件中的记录 进行添加、插入和删除操作。 文件中的每一个记录都有相同的基础结构，包括记录头和记录体，如表2 1 所示，记录头包括一个唯一标识符g u i d ( g o l b a l l yu n i q u ei d e n t i f i e r ) ，一 个指定记录类型的标记符、记录头大小、记录体大小及与下一个记录的绝对链接。 电能质量 而记录体是由一系列的元素组成，分为三种类型：集合( c o l l e c t i o n ) 、标量 值( s c a l a r ) 和向量数组( v e c t o r ) 。标量是一个特定物理类型量的数值，向量代表 一组相同类型的数值，集合实质上是一些标识及与其相关链接组成的数组，属分 层结构，一个集合可以含有很多的标量及向量。 表2 - 1 记录的组成 记录头 标识：p q d i f 信息 4 a 1 1 1 4 4 0 一e 4 9 f 一1 1 c f 一9 9 0 0 5 0 5 1 4 4 4 9 4 6 0 0 标识：记录类型标识信息包( t a g c o n t a i n e r ) 记录头的大小6 4 b y t e 记录体的大小5 1 2 b y t e 记录体集合 以一个集合开始 数量1 2 ( c o l l e c t i o n )元素0 集合元素通过它在标识：文件名 记录中的位置来标类型：向量数组( v e c t o r ) 识，它与记录头中或者是标量值( s c a l a r ) 标识是相对应的 物理类型( p h y s ic a lt y p e ) 内容 ( 二) p q d i f 文件的逻辑结构 逻辑层结构由一系列记录组成，共有4 种类型的记录：信息包记录 ( t a g c o n t a i n e r ) 、数据源记录、监控设置记录和观测记录。信息包记录比较特殊， 它记录了文件的结构信息，在一个文件中有且只有一个信息包记录。而其它3 种记录在一个文件中则可多可少，也可以没有。文件的基本结构就是由各种记录 的逻辑分层组成，即由一个信息包记录连接着一个或多个数据源记录、监控设置 记录、观测记录组成，结构如图2 - 1 所示n 7 1 。 1 6 电能质t 图2 一lp q d i f 逻辑层结构 每个记录或者每个记录下的每个元素都有一个特定的标识，这样通过定义新 的标识可以扩展记录和元素，这对扩展信息和数据相当方便。 逻辑层结构主要定义元素的标识符、元素类型、数据类型及元素的数值，如 图2 2 所示。 t a g c o n i a l n e f t a g r e c d a t a s o l i c e t a g r e c m o n i b o f s e u r “ l a g r e c o b s e r v a l i o n t a # r e c o b