（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式实时操作系统的电能质量分析仪软件的研究.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕十论文 摘要 随着国民经济的迅速发展， 用电负荷快速增加， 其中非线性负荷更是增加迅猛。 这些负荷在提高生产力的同时，也恶化了电力系统的电能质量，而很多敏感装置对 电能质量有着非常高的要求。 木文综述了电能质量的定义，分类以及对各种负荷的影响，详细介绍了各电能 指标的测量方法，并在此基础上完成了对各电能质量测量装置的软件编写。 本系统使用 t i公司的浮点 d s p -t m s 3 2 0 v c 3 3作为系统的处理器。软件全部使 用 c语言编写，同时引入了嵌入式实时操作系统h c / o s - i i ，简化了应用系统软件 的设计， 具有较高的可移植性，同时提高了软件的可重用性， 减少软件的重复开发， 提高应用算法的研发效率。嵌入式实时操作系统k/ o s - i i 良好的多任务设计，有 助于提高系统的稳定性和可靠性。 通过试验证明了软件设计的正确性，同时验证了在电能质量分析装置中引入嵌 入式实时操作系统pi c / o s 一i i 的可行性。 关键词:电 能质量，嵌入式实时操作系统，p c / o s - ii abs t ract t h e n u m b e r o f t h e l o a d i s i n c r e a s i n g w i t h t h e q u i c k d e v e l o p m e n t o f t h e n a t i o n a l e c o n o m y , e s p e c i a l l y t h e n u m b e r o f t h e n o n l i n e a r l o a d . b u t t h e l o a d s a r e d e t e r i o r a t i n g t h e p o w e r q u a l i t y o f t h e p o w e r s y s t e m , w h i l e t h o s e l o a d i n c r e a s e t h e p r o d u c t i v i t y o f o u r c o u n t r y . a n d t h e m o s t i m p o r t a n t i s t h a t m a n y e x a c t i n s t r u m e n t s h a v e h i g h d e m a n d s o f p o w e r q u a l i t y t h e d e f i n i t i o n o f t h e p o w e r q u a l i t y a n d t h e m e t h o d o f c l a s s i f y i n g p o w e r q u a l i t y a r e d i s s e r te d , a n d t h e m e t h o d s o f m e a s u r i n g a l l in d e x e s o f p o w e r q u a l i t y a r e a l s o i n t r o d u c e d d e t a i l e d l y i n t h e p a p e r . a t t h e l a s t p a rt o f h e p a p e r , c o m p i l i n g t h e p r o g r a m f i l e s o f a l l i n d e x e s o f p o w e r q u a l i t y i s a c c o m p l i s h e d . f l o a t i n g - p o i n t d s p - - t ms 3 2 0 v c 3 3 i s u s e d a s t h e p r o c e s s o r o f t h e s y s t e m, w h i c h i s m a d e i n t i c o m p a n y . t h e d e s i g n o f a p p l i c a t i o n s o f t w a r e i s s i m p l i f i e d b y u s i n g c l a n g u a g e t o c o m p i l e t h e p r o g r a m f i l e s a n d t h e e m b e d d e d r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m- p c / o s - - i i . t h e p r o g r a m c a n b e t r a n s p l a n t e d e a s i l y , t h a t i s h e l p f u l t o i m p r o v e t h e c o m p i le d e f f i c i e n c y o f t h e a r i t h m e t i c a n d t o i m p r o v e t h e r e u s e d a b i l i t y o f t h e s o f t w a r e w h i c h c a n r e d u c e t h e n u m b e r o f t h e r e w r i t i n g s o f t w a r e . a d v a n t a g e s o f t h e e m b e d d e d r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m一 p c / o s - - i i i s u s e f u l t o i m p r o v e t h e s t a b i l i t y a n d t h e r e li a b i l i t y o f t h e s y s t e m . e x p e r i m e n t a t i o n s p r o v e d t h e e x a c t n e s s o f t h e s o f t w a r e d e s i g n , a n d v e r i f i e d t h e f e a s i b i l i t y o f c / o s - i i i n t h e p o w e r q u a l i t y a n a l y t i c a l i n s t r u m e n t y a n g l e i ( p o w e r e l e c t r o n i c s a n d e l e c t r i c d r i v e s ) s u p e r v i s e d b y p r o f . z h a n g y i g o n g k e y wo r d s : p o w e r q u a l i t y ; e mb e d d e d r e a l - t i me o p e r a t i n g s y s t e m: u c / o s 一1 1 7 1 3 1 9 4 华 北 电 力 大 学 倒 r o口 pq h 月 木人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 基于嵌入式实时操作系统的电 能质量分析仪软件的研究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师 指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 据本人所知， 除了文中特别加以标注 和致谢之处外， 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 获得华北电力大学或其他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仟何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定，即: 学校有 权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以采用影印、 缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文;学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以学术交流为目 的， 复制赠送和交换学位论文;同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作者签名:导师签名: 日期:日期 : 华北电力大学 ( 北京)硕十论文 第一章引言 随着时代的进步和科技的飞速发展，电能作为现代社会中最为重要的 二 次能 源，其应用越来越广泛，与此同时， 现代社会也随之对电能提出了新的要求。一方 面，随着我国电力事业的迅猛发展，在电能紧缺问题已经被逐步解决的同时，人们 关注的焦点已经逐步从对电能数量的需求转移到对电能质量的要求上来;另一方 面，随着电力电子器件与电力电子技术的飞速发展，扰动负荷接入电力系统或其他 扰动源的存在造成了大量的电能质量问题。由于高压直流输电系统的应用和大量的 变频器、整流器、电弧炉等非线性负荷的接入，使得电网中的谐波污染情况日益严 重， 谐 波含 量不断 增 加 【 。日 本电 气 学 会一 项 有关 谐 波 源的 调查 报告中 指出 ， 最 大 的谐波源为电力电子装置用户，其所占的比例高达 9 5 % ;由于电气化铁路、电弧炉 和电焊机等单相大容量负荷在三相系统中的容量和电气位置的分布不合理，使得局 部电网的二相不平衡情况比较严重;由于大容量轧钢机、电弧炉等冲击性负荷的接 入，使得电网中电压波动与闪变现象时有发生。这就使得电能质量问题成为了电力 行业目前需要迫切解决的问题，有关电能质量问题的研究已经引起了各国电力工作 者的高度重视。时至今日，电能质量的优劣己经成为电力系统运行与管理水平高低 的重要标志， 控制和改善电能质量也是保证电力系统自 身可持续发展的必要条件2 1 近年来大量对电能质量敏感的精密仪器和设备在电力系统中得到了广泛的应 用，由电能质量低劣造成的经济和社会损失日益增加。例如，半导体制造业对于当 今经济社会是十分重要的， 一个芯片的生产过程需要较长的时间， 其中一个持续8 0 毫秒的电压暂降就会造成上百万美元的损失。与我们 日常生活息息相关的塑料、化 工行业，需要使用大容量的电机及驱动装置，生产工艺过程需要连续不断地运行， 一 旦电能质量不能达到要求而使生产中断，就需要花费很长的时间来重新启动，在 这个过程中可能会造成数十万美元的损失。而电能质量对于商业及数据处理中心的 正常运行是至关重要的，一个短暂的电压暂降或电压中断就会使他们丢失很多重要 的数据，给国民经济带来无法估量的损失。根据有关国际会议文献，在美国由于电 能质量的下降引起的损失，每年高达 1 3 3 亿美元。随着各国电力市场的逐步建立、 成熟，电能作为一种特殊的商品已经不可避免地迈入市场化的大门，在电力市场这 个开放竞争的环境中，电能的质量与其经济效益结合得更加紧密。因此，电能质量 问题已不仅仅是一个电力行业的专业技术问题，还是一个重要的经济问题，对各国 经济的发展起着重要的作用， 逐渐成为了供、 输、 用电部门共同关注的重要问题川。 显而易见，为了电力系统的安全运行、电力用户的安全用电、满足各种电力设 备的要求，以及提高用电效率从而增加国民经济效益，改善电能质量势在必行。而 华北电力大学 北京)硕十论文 要解决电能质量问题，首先就需要建立电能质量各项指标的监测和分析系统，并对 其进行正确地检测、定位、评估和分类。无疑，测量是解决这一问题的第一步，通 过测量获得电能质量各项指标的基础数据，对各种数据进行分析处理，从中发现规 律，为最终解决电能质量问题提供依据。只有及时、准确的监测电能质量的各项指 标并对其进行分析、统计，才能找出电能质量存在的问题及其严重程度，从而得出 治理和改善方法。采取的治理和改善方法是否有效、测量方法是否正确也需要通过 测量的手段做出分析，并利用测量结果来验证。 1 . 1电能质量的概念及分类 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 ( 标称电压)对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应 处于幅值大小相等， 相位互差 1 2 0 0 的对称状态。由于系统各元件 ( 发电机、 变压器、 线路等)参数并不是理想线性或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段 的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际中并不 存在，而由此产生了电网运行、电器设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了 电 能 质量 ( p o w e r q u a l i t y ) 的 概念p 1 i e c标准将电能质量定义为:导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流 或频率偏差， 其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、 三相不平衡以及电压波动和闪变等。 人们对电能质量问题的重视并非近几年的事情，而是伴随电力系统发展的全过 程， 不过早期包括的内容比较简单， 主要局限在频率偏差和电压偏差两个方面0 1 9 8 0 年代以来，随着新型电力负荷的出现以及它们对电能质量不断增加的要求，电能质 量问题刁 逐渐引起电力公司和电力用户的普遍关注，其主要原因有以下几个方面: ( 1 )为了提高劳动生产率和自动化水平， 大量基于计算机系统的控制设备和电子 装置投入使用， 这些装置对电能质量非常敏感。 一个计算中心失去电压2 s 就可能毁 掉几十个小时的数据处理结果，造成很大的经济损失。当今自动化设备的连续精加 工生产，不论是变速拖动还是机器人，工作母机还是自 动化生产线，对配电系统的 干扰和异常非常敏感，甚至几分之一秒的不正常就可能在工厂内部造成混乱，这些 用户对不合格电力的容许度严格到只有持续工频 1 -2 周期。 ( 2 )现代电力系统中用电负荷结构发生了重大的变化， 诸如整流器、晶闸管调压 及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家庭用电器等负荷的迅速发展，由于 其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变，或引起电 压波动和闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率波动等，这些对供电电能质量会 造成严重的干扰或污染。 华北电力大学 北京)硕十论文 要解决电能质量问题，首先就需要建立电能质量各项指标的监测和分析系统，并对 其进行正确地检测、定位、评估和分类。无疑，测量是解决这一问题的第一步，通 过测量获得电能质量各项指标的基础数据，对各种数据进行分析处理，从中发现规 律，为最终解决电能质量问题提供依据。只有及时、准确的监测电能质量的各项指 标并对其进行分析、统计，才能找出电能质量存在的问题及其严重程度，从而得出 治理和改善方法。采取的治理和改善方法是否有效、测量方法是否正确也需要通过 测量的手段做出分析，并利用测量结果来验证。 1 . 1电能质量的概念及分类 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 ( 标称电压)对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应 处于幅值大小相等， 相位互差 1 2 0 0 的对称状态。由于系统各元件 ( 发电机、 变压器、 线路等)参数并不是理想线性或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段 的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际中并不 存在，而由此产生了电网运行、电器设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了 电 能 质量 ( p o w e r q u a l i t y ) 的 概念p 1 i e c标准将电能质量定义为:导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流 或频率偏差， 其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、 三相不平衡以及电压波动和闪变等。 人们对电能质量问题的重视并非近几年的事情，而是伴随电力系统发展的全过 程， 不过早期包括的内容比较简单， 主要局限在频率偏差和电压偏差两个方面0 1 9 8 0 年代以来，随着新型电力负荷的出现以及它们对电能质量不断增加的要求，电能质 量问题刁 逐渐引起电力公司和电力用户的普遍关注，其主要原因有以下几个方面: ( 1 )为了提高劳动生产率和自动化水平， 大量基于计算机系统的控制设备和电子 装置投入使用， 这些装置对电能质量非常敏感。 一个计算中心失去电压2 s 就可能毁 掉几十个小时的数据处理结果，造成很大的经济损失。当今自动化设备的连续精加 工生产，不论是变速拖动还是机器人，工作母机还是自 动化生产线，对配电系统的 干扰和异常非常敏感，甚至几分之一秒的不正常就可能在工厂内部造成混乱，这些 用户对不合格电力的容许度严格到只有持续工频 1 -2 周期。 ( 2 )现代电力系统中用电负荷结构发生了重大的变化， 诸如整流器、晶闸管调压 及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家庭用电器等负荷的迅速发展，由于 其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变，或引起电 压波动和闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率波动等，这些对供电电能质量会 造成严重的干扰或污染。 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 ( 3 )在当今社会，电能己经作为一种商品参与到了市场竞争中去， 而目前我国电 力行业也正在打破垄断格局，实行厂网分离，以形成一个开放和竞争的运行环境， 从而适应电力市场的新形势，这一趋势必然对电能质量提出越来越高的要求，并促 使电能质量标准化的发展和不断完善。 电能质量与一般的产品质量不同，有两个特点:其一是电能质量不完全取决于 电力生产企业，有些质量问题 ( 例如谐波、电压波动与闪变、三相不平衡度)往往 是由于用户千扰所造成;其二是电能质量在空间和时间上均处于动态变化之中。 这些特点表明，全面保证电能质量，既是电力企业的责任，也是电力用户应尽 的义务。因此我国 电力法规定:供电企业应当保证供给用户的供电质量符合国 家标准，对公用供电设施引起的供电质量问题，应当及时处理;用户用电不得危害 供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序。其次，因为电能质量在空间上和时间上 均 处于动态变化之中，电能质量指标宜用概率统计结果来衡量，并且需指明检测点。 国内外大多数取9 5 %概率值作为衡量依据 ， 这样一个指标特点也对用电设备性能提 出了相应的要求，即电气设备不仅应能在规定的标准内正常运行，而且应具备短时 超标运行的能力。 电能质量问题的分类有很多种方法，按照产生和持续时间可分为稳态电能质量 问 题和动态电 能质量问 题 u 1 . 稳态电能质量问题 稳态电能质量问题以波形畸变为主要特征，一般持续时间较长，在一段时间内 ( 通常是 i m i n以上)出现的电能质量不正常的情况，主要有以下类型: 过电压:是指持续时间大于 i m i n ，数值大于标称电压的电压。 欠电压:是指持续时间大于 l m i n ，数值小于标称电压的电压。 电压不平衡:是指电压的最大偏移与三相电压的平均值得比值超过规定的标 准。 谐波:对周期性电压或电流进行傅立叶分解，得到频率为基波整数倍分量的含 有量。谐波是衡量电能质量的重要指标之一。 频率偏差:指电力系统频率的实际值和标称值 ( 5 0 h z )之差;电力系统正常频 率允许频率偏差为士 0 . 2 % h z o 2 . 动态电能质量问题 动态电能质量问题通常是以暂态持续时间为特征，包括脉冲暂态和振荡暂态两 大类，主要有以下几种形式: 电压暂升、暂降:持续时间为 0 . 5 个周期至 l m i n ，电压有效值上升或下降至标 称电压的 1 1 0 9 /0 -1 8 0 %或 1 0 % 9 0 %0 电压瞬变:持续时间很短的电压值发生快速的变化。 电压闪变:电压波形包络线呈规则的变化或电压幅值一系列的随机变化一 般 华北电力人学 ( 北京)硕士论文 表现为人眼对电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。闪变分为周期性和非 周期性两种。 短时断电:持续时间在 0 . 5个周期至 3 s 之间的供 电中断。 1 . 2 国内外发展概况 国际上对 电能质量 问题的系统研究可 以追溯到上世纪八十年代兴起的电磁兼 容 ( e mc )学科。该学科对干扰的产生、传播、接收、抑制机理及相应的测量、计 量技术进行深入的研究，根据经济、技术最合理的原则，对产生的干扰水平、抗干 扰水平及抑制措施做出规定，使处于同一电磁环境中的设备 “ 兼容” 。电磁兼容学 科的根木就是寻求使运行于某一给定空间内的任何实体在抗扰水平和发射水平上 达到最佳配合，而电能质量问题基本上属于电磁兼容中的传导低频现象。 因其重要性，电能质量问题己引起各国的广泛重视，各国均在加强有关电能质 量问题的研究，尤其是在工业发达国家，电能质量问题已被视作电力系统的一个重 要问题。自1 9 9 2 年7 月，欧洲电工标准化委员会发布 公用配电系统的供电特性 草案以来，该草案在广泛吸收i e c标准的基础上，对中、低压配电系统用户供电端 的电能质量作了全面规定。包括频率、电压 ( 电压偏差、电压波动及闪变、短时和 长期停电、暂态过电压) 、电压不平衡、电压波形以及电源的信号电压等。1 9 9 3 - 1 9 9 5 年，美国e p r i 在全国范围内 进行了大规模的电能质量普查，得到了大量的电 能质量数据。1 9 9 6 年， i e e e 将每年召开一次的电力谐波国际学术会议( i c h p s ) ，更 名为电力谐波与电能质量学术会议( i c h q p ) ，把电能质量提高到一个新的高度来认 识 。 电测量理论的发展历经了早期、初期、中期和近期四个阶段。早期到中期的电 测量技术主要是以模拟量测量为主。2 0世纪 5 0年代，数字电子技术和微电子技术 的引入，促进了电测量技术的发展，模拟式电测仪表逐渐在越来越多的场合被数字 式仪表所代替。2 0世纪 7 0年代出现的电压、电流波形等间隔采样技术，使数字电 子技术在测量领域中的作用日益增大，成为电测量技术步入中期发展阶段的重要标 志。在这一阶段，以微计算机、独立操作系统、各种标准总线式结构为特征，可相 互通讯、可扩展式仪器和自动测试系统以及相应的测量技术得到了蓬勃发展，并逐 渐走向成熟。2 0世纪 8 0年代中期以来，电测量技术进入了迅猛发展的近期阶段。 大规模集成电路技术的发展使得芯片体积缩小到可以置入传统仪器内部，使仪器具 有控制、存储、运算、逻辑判断及自 动操作等智能化特点，并在测量准确度、灵敏 度、可靠性、自动化程度及解决测量问题的广度和深度等方面均有了明显的进步。 电能质量监测分析技术是电测量技术针对电力系统电能质量问题派生出的一 个重要分支。日前， 国外公司相继开发出多种电能质量监测分析方面的仪器和设备， 华北电力人学 ( 北京)硕士论文 表现为人眼对电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。闪变分为周期性和非 周期性两种。 短时断电:持续时间在 0 . 5个周期至 3 s 之间的供 电中断。 1 . 2 国内外发展概况 国际上对 电能质量 问题的系统研究可 以追溯到上世纪八十年代兴起的电磁兼 容 ( e mc )学科。该学科对干扰的产生、传播、接收、抑制机理及相应的测量、计 量技术进行深入的研究，根据经济、技术最合理的原则，对产生的干扰水平、抗干 扰水平及抑制措施做出规定，使处于同一电磁环境中的设备 “ 兼容” 。电磁兼容学 科的根木就是寻求使运行于某一给定空间内的任何实体在抗扰水平和发射水平上 达到最佳配合，而电能质量问题基本上属于电磁兼容中的传导低频现象。 因其重要性，电能质量问题己引起各国的广泛重视，各国均在加强有关电能质 量问题的研究，尤其是在工业发达国家，电能质量问题已被视作电力系统的一个重 要问题。自1 9 9 2 年7 月，欧洲电工标准化委员会发布 公用配电系统的供电特性 草案以来，该草案在广泛吸收i e c标准的基础上，对中、低压配电系统用户供电端 的电能质量作了全面规定。包括频率、电压 ( 电压偏差、电压波动及闪变、短时和 长期停电、暂态过电压) 、电压不平衡、电压波形以及电源的信号电压等。1 9 9 3 - 1 9 9 5 年，美国e p r i 在全国范围内 进行了大规模的电能质量普查，得到了大量的电 能质量数据。1 9 9 6 年， i e e e 将每年召开一次的电力谐波国际学术会议( i c h p s ) ，更 名为电力谐波与电能质量学术会议( i c h q p ) ，把电能质量提高到一个新的高度来认 识 。 电测量理论的发展历经了早期、初期、中期和近期四个阶段。早期到中期的电 测量技术主要是以模拟量测量为主。2 0世纪 5 0年代，数字电子技术和微电子技术 的引入，促进了电测量技术的发展，模拟式电测仪表逐渐在越来越多的场合被数字 式仪表所代替。2 0世纪 7 0年代出现的电压、电流波形等间隔采样技术，使数字电 子技术在测量领域中的作用日益增大，成为电测量技术步入中期发展阶段的重要标 志。在这一阶段，以微计算机、独立操作系统、各种标准总线式结构为特征，可相 互通讯、可扩展式仪器和自动测试系统以及相应的测量技术得到了蓬勃发展，并逐 渐走向成熟。2 0世纪 8 0年代中期以来，电测量技术进入了迅猛发展的近期阶段。 大规模集成电路技术的发展使得芯片体积缩小到可以置入传统仪器内部，使仪器具 有控制、存储、运算、逻辑判断及自 动操作等智能化特点，并在测量准确度、灵敏 度、可靠性、自动化程度及解决测量问题的广度和深度等方面均有了明显的进步。 电能质量监测分析技术是电测量技术针对电力系统电能质量问题派生出的一 个重要分支。日前， 国外公司相继开发出多种电能质量监测分析方面的仪器和设备， 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 如日 本日置公司开发的 3 1 9 3系列电能质量分析仪、谐波测试分析仪，美国福禄克 公司生产的f l u k e 4 3 型手持式供电质量分析仪，瑞典联合电气公司开发的u 9 0 0 f 便 携式电能质量分析仪等，这些仪器多是采用硬件d s p 技术对电信号进行分析和处理 的。现今，国际测控技术正向网络化发展，电能质量在线监测也正是适应这个潮流 应运而生的，其目的是利用网络通信的快捷、方便实现对电能质量的远程监测和网 络化管理。相对国外而言，我国对电能质量监测装置的开发研究比较落后，国内大 多数厂家采用的是单片机或工控机结构，这些仪器性能单一、通用性和扩展性差、 开发和维护相对复杂。 国内外对电能质量的监测方式大致有三种:1 、专门测量，即对各种干扰负荷 或补偿设备在接入电网前后，测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响，通过 与国家相关标准相对照，决定其是否可投入运行。2 、定期或不定期测量，即针对 普通电力干扰源，根基干扰的大小、危害程度和需要等采取定期或不定期的监测方 式。定期监测多用于电网电能质量的定期普查，主要目的是全面了解电网的电能质 量水平和干扰源的特性。不定期监测主要是针对电力用户的特殊电能质量问题进行 监测分析。3 、在线监测，也称为连续监测、全过程监测或日常监测，即对于大型 干扰源必须按照国家标准对电压偏差、频率偏差、三相不平衡、谐波、电压波动与 闪变等指标进行连续跟踪监测。目前国内对电能质量各项指标的监测大多数还处在 专门监测和定期或不定期监测阶段，不能形成对电能质量的长期连续监测。在电能 质量问题日益严重的今天，电能质量监测装置和技术应向在线监测方向发展，并形 成网络化，对全国多个监测点进行全面的监测分析，建立起能够真正表征电能质量 的数据库。 1 . 3 新问题的提出 1 .随着电力系统的发展，对电网某些点的电能质量检测分析，已经不能满足 当前的需要。对一定的区域甚至是整个电网进行实时监测和分析的要求，已经越来 越迫切。这些新的要求使得不同监测点之间能够有通讯联系。同时也要求对数据能 高长时间保存，大大增加了需要处理的数据，这些都需要有大容量的存储设备。这 样就对电能质量监测分析装置提出了更高的要求。 2 在电能质量监测分析装置中，其核心处理芯片更新换代的速度很快，为了 提高电能质量监测分析装置的性能，不可避免的需要采用性能更好、功能更强大的 处理芯片。同时由于装置中可以采用多种不同类型的芯片，这些芯片之间又会有很 大的差别，比如其内部寄存器、指令系统等等，即便是同一家公司的产品，也会有 不小的差别，因此在前一代产品上所作的工作要移植到新的平台上，这样，每研发 一种新型的电能质量监测分析装置时，就需要对其原有功能进行重新开发或者修 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 如日 本日置公司开发的 3 1 9 3系列电能质量分析仪、谐波测试分析仪，美国福禄克 公司生产的f l u k e 4 3 型手持式供电质量分析仪，瑞典联合电气公司开发的u 9 0 0 f 便 携式电能质量分析仪等，这些仪器多是采用硬件d s p 技术对电信号进行分析和处理 的。现今，国际测控技术正向网络化发展，电能质量在线监测也正是适应这个潮流 应运而生的，其目的是利用网络通信的快捷、方便实现对电能质量的远程监测和网 络化管理。相对国外而言，我国对电能质量监测装置的开发研究比较落后，国内大 多数厂家采用的是单片机或工控机结构，这些仪器性能单一、通用性和扩展性差、 开发和维护相对复杂。 国内外对电能质量的监测方式大致有三种:1 、专门测量，即对各种干扰负荷 或补偿设备在接入电网前后，测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响，通过 与国家相关标准相对照，决定其是否可投入运行。2 、定期或不定期测量，即针对 普通电力干扰源，根基干扰的大小、危害程度和需要等采取定期或不定期的监测方 式。定期监测多用于电网电能质量的定期普查，主要目的是全面了解电网的电能质 量水平和干扰源的特性。不定期监测主要是针对电力用户的特殊电能质量问题进行 监测分析。3 、在线监测，也称为连续监测、全过程监测或日常监测，即对于大型 干扰源必须按照国家标准对电压偏差、频率偏差、三相不平衡、谐波、电压波动与 闪变等指标进行连续跟踪监测。目前国内对电能质量各项指标的监测大多数还处在 专门监测和定期或不定期监测阶段，不能形成对电能质量的长期连续监测。在电能 质量问题日益严重的今天，电能质量监测装置和技术应向在线监测方向发展，并形 成网络化，对全国多个监测点进行全面的监测分析，建立起能够真正表征电能质量 的数据库。 1 . 3 新问题的提出 1 .随着电力系统的发展，对电网某些点的电能质量检测分析，已经不能满足 当前的需要。对一定的区域甚至是整个电网进行实时监测和分析的要求，已经越来 越迫切。这些新的要求使得不同监测点之间能够有通讯联系。同时也要求对数据能 高长时间保存，大大增加了需要处理的数据，这些都需要有大容量的存储设备。这 样就对电能质量监测分析装置提出了更高的要求。 2 在电能质量监测分析装置中，其核心处理芯片更新换代的速度很快，为了 提高电能质量监测分析装置的性能，不可避免的需要采用性能更好、功能更强大的 处理芯片。同时由于装置中可以采用多种不同类型的芯片，这些芯片之间又会有很 大的差别，比如其内部寄存器、指令系统等等，即便是同一家公司的产品，也会有 不小的差别，因此在前一代产品上所作的工作要移植到新的平台上，这样，每研发 一种新型的电能质量监测分析装置时，就需要对其原有功能进行重新开发或者修 华北电力大学 ( a l. 京)硕十论文 改，这种重复劳动会浪费大量的时间精力。 由此，本文引进了实时操作系统 ( r t o s ) , r t o s无需熟悉硬件平台的开发环 境，因此具有很强的适应性。在操作系统的基础上，本文完全采用高级语言 ( c语 言) 进行程序设计开发，使得开发工作变得简便，能够提高软件的可重用性，减少 软件的重复开发，提高应用算法的研发效率。r t o s将应用分解成多个任务，简化 了应用系统软件的设计;良好的多任务设计，有助于提高系统的稳定性和可靠性， 同时在原有的基础上进行的功能增强也变的非常容易。 1 . 4本论文的主要工作 基于上述对电能质量及其监测的重要性的认识，本论文在引入了嵌入式实时操 作系统的基础上完全采用c语言对电能质量各项指标的监测方法进行了程序编写。 论文的工作主要有以下几个方面: 1 . 阐述了电能质量的含义及重要性，并对电能质量的电压偏差、电压波动与 闪变、频率偏差、电压暂降、三相不平衡等几项指标的定义、国家标准及其危害进 行了简要的介绍。 2 ， 论述了目前常见的几种电能质量监测分析方法，对这些方法进行了深入的 研究， 选用了合理的方案，并以此为基础采用c语言完成了对电能质量各项指标的 监测分析程序的编写。 3 ， 引入嵌入式实时操作系统a c l o s -1 1 将监测分析程序分成不同的任务模块， 可以分别完成不同的功能，使程序具有较高的可移植性，从而能够提高软件的可重 用性，减少软件的重复开发，提高研发效率。 4对应用程序进行了调试和试验，验证了程序的可行性，并力求实现程序设 计的最优化。 华北电力大学 ( a l. 京)硕十论文 改，这种重复劳动会浪费大量的时间精力。 由此，本文引进了实时操作系统 ( r t o s ) , r t o s无需熟悉硬件平台的开发环 境，因此具有很强的适应性。在操作系统的基础上，本文完全采用高级语言 ( c语 言) 进行程序设计开发，使得开发工作变得简便，能够提高软件的可重用性，减少 软件的重复开发，提高应用算法的研发效率。r t o s将应用分解成多个任务，简化 了应用系统软件的设计;良好的多任务设计，有助于提高系统的稳定性和可靠性， 同时在原有的基础上进行的功能增强也变的非常容易。 1 . 4本论文的主要工作 基于上述对电能质量及其监测的重要性的认识，本论文在引入了嵌入式实时操 作系统的基础上完全采用c语言对电能质量各项指标的监测方法进行了程序编写。 论文的工作主要有以下几个方面: 1 . 阐述了电能质量的含义及重要性，并对电能质量的电压偏差、电压波动与 闪变、频率偏差、电压暂降、三相不平衡等几项指标的定义、国家标准及其危害进 行了简要的介绍。 2 ， 论述了目前常见的几种电能质量监测分析方法，对这些方法进行了深入的 研究， 选用了合理的方案，并以此为基础采用c语言完成了对电能质量各项指标的 监测分析程序的编写。 3 ， 引入嵌入式实时操作系统a c l o s -1 1 将监测分析程序分成不同的任务模块， 可以分别完成不同的功能，使程序具有较高的可移植性，从而能够提高软件的可重 用性，减少软件的重复开发，提高研发效率。 4对应用程序进行了调试和试验，验证了程序的可行性，并力求实现程序设 计的最优化。 华北电力大学 ( 北京)硕十论文 第二章整体方案 目前，电能质量监测分析装置的设计通常采取以下几种方案: i .以p c为核心，在对电能质量进行分析的同时，p c机 自带的网络接口和硬 盘 可以实现上述的网络和大容量存储功能 2 采用单片机来进行数据分析，同时扩展所需要的其它功能。 3 .采用数字信号处理器 ( d s p ) . 以p c为核心的设计方案，系统价格昂贵，体积较大，不适合现场的适时监测; 采用单片机设计方案，由于单片机资源有限，尤其是乘法运算速度慢，在运算量大 的领域中就很难有所作为。 近年来现代微处理器的发展十分迅猛，其中比较有代表性的就是d s p( 数字信 号处理器)器件的飞速发展，与面向控制的单片机相比，有着更适合做数字处理的 优点。它们普遍采用改进的哈佛总线结构，内部有硬件乘法器、累加器，使用流水 线结构，具有良好的并行特性，更适合于运算量大，实时性要求高的系统;而且随 着d s p产品的性能价格比不断提高，d s p的应用领域越来越广泛。 在综合评价和分析各方案后，提出了采用高性能的d s p芯片作为核心处理器， 同时引入开放源码的嵌入式实时操作系统i l c i o s - 1 1 ，并在此基础上扩展所需要的 各种功能， 包括以太网和u s b接口功能， 人机接口功能等。 这样不仅使设计变得简 单，功能扩展也变得容易，同时既降低了该分析仪的价格，又使它更加适合现场运 行 。 2 . 1 数字信号处理器 ( d s p ) 目前市场上的 d s p芯片以美国德州仪器公司 ( t i )的t ms 3 2 0 c x系列为主流。 其他公司，如 a t 要想提高精度，数的表示范围就相应地减小。 华北电力大学 ( 北京)硕十论文 第二章整体方案 目前，电能质量监测分析装置的设计通常采取以下几种方案: i .以p c为核心，在对电能质量进行分析的同时，p c机 自带的网络接口和硬 盘 可以实现上述的网络和大容量存储功能 2 采用单片机来进行数据分析，同时扩展所需要的其它功能。 3 .采用数字信号处理器 ( d s p ) . 以p c为核心的设计方案，系统价格昂贵，体积较大，不适合现场的适时监测; 采用单片机设计方案，由于单片机资源有限，尤其是乘法运算速度慢，在运算量大 的领域中就很难有所作为。 近年来现代微处理器的发展十分迅猛，其中比较有代表性的就是d s p( 数字信 号处理器)器件的飞速发展，与面向控制的单片机相比，有着更适合做数字处理的 优点。它们普遍采用改进的哈佛总线结构，内部有硬件乘法器、累加器，使用流水 线结构，具有良好的并行特性，更适合于运算量大，实时性要求高的系统;而且随 着d s p产品的性能价格比不断提高，d s p的应用领域越来越广泛。 在综合评价和分析各方案后，提出了采用高性能的d s p芯片作为核心处理器， 同时引入开放源码的嵌入式实时操作系统i l c i o s - 1 1 ，并在此基础上扩展所需要的 各种功能， 包括以太网和u s b接口功能， 人机接口功能等。 这样不仅使设计变得简 单，功能扩展也变得容易，同时既降低了该分析仪的价格，又使它更加适合现场运 行 。 2 . 1 数字信号处理器 ( d s p ) 目前市场上的 d s p芯片以美国德州仪器公司 ( t i )的t ms 3 2 0 c x系列为主流。 其他公司，如 a t 要想提高精度，数的表示范围就相应地减小。 华北电力大学 ( 北京)硕十论文 t i公司的定点 d s p主要用于控制系统中，它们的设计一般都是针对特定的控 制领域，例如t ms 3 2 0 f 2 4 0 , t ms 3 2 0 f 2 8 1 2芯片中就带有适合做 p wm ( 脉冲宽度 调节)的脉冲发生电路。 t i 公司的浮点 d s p芯片有支持浮点加法和乘法的硬件结构，从而具有运算精 度高、浮点运算快，更适合与做大数据量的计算分析。综合考虑以上因素以及价格 因素，在这里选择的是 t i 公司的一款浮点 d s p芯片一一t ms 3 2 0 v c 3 3 a 2 . 1 . 1 3 2 位浮点 d s p 一一t ms 3 2 0 v c 3 3 t ms 3 2 0 c 3 x系列芯片是美国t i 公司推出的第一代浮点 d s p芯片，具有丰富 的指令集、很高的运算速度、较大的寻址空间和较高的性价比，在各领域得到了广 泛 的 应 用 12 1 t ms 3 2 0 v c 3 3是一种低功耗高性能的浮点 d s p a t ms 3 2 0 v c 3 3能工作在 1 5 0 mh z 的时钟频率下，指令运行速度达到 1 5 0 mf l o p s o t ms 3 2 0 v c 3 3 芯片的组成如图2 . 1 所示:3 2 位 c p u, 3 4 k字静态r a m ( 可满 足大多数系统对 r a m 的要求) 、1 个 d ma通道、1 个串口、2 个定时器、引导加载 程序 ( b o o t l o a d e r ) , 6 4 x3 2 位的指令c a c h e( 用来存储经常使用的代码块，这可大 大减少片外访问的次数，从而提高程序运行速度) 。 另外还有如下的通用寄存器: 8 个4 0 b i t 的寄存器( r o -r 7 ) ， 可以用来存放 3 2 b i t 的整数，同时也可以用来存放 4 0 b i t 的扩展精度的浮点数;8 个 3 2 b i t 的辅助寄存器 ( a r o - a r 7 ) ，它们的主要作用是存储地址、参与各种模式的寻址等，也可以作为 一般的寄存器来使用;状态寄存器s t( 含全局中断使能位) 、堆栈寄存器s p 、中断 标志寄存器i f 、中断使能寄存器i e , 1 / o标志寄存器i o f 、数据页指针寄存器d p , 索引寄存器 i r o , i r 1 、块寄存器 b k 、重复执行寄存器 r s( 块起始地址) 、r e( 块 终止地址 ) 、r c ( 重复次数) 。 分开的程序总线、数据总线和 d ma总线使得取指、读写数据和 d ma操作可 并行进行。由于主总线的地址总线是 2 4 位，因此t ms 3 2 0 v c 3 3 可以访问多达 1 6 m 的3 2 位字的存储器空间，其中程序、 数据和1 / o空间都包含在这 1 6 m字的空间中。 从软件资源上看t ms 3 2 0 v c 3 3 有丰富的指令系统、 灵活的程序流控制、 流水线 操作和多种寻址方式。 对t ms 3 2 0 v c 3 3 进行开发可以使用汇编语言， 也可以使用c 语言。使用汇编语言的优点在于运行速度快、可以充分利用芯片的硬件特性，但开 发速度较慢， 程序的可读性差; 而 c语言的优势在于编程容易、 调试快、 可读性好， 可以大大缩短开发周期 从 t ms 3 2 0 v c 3 3的结构和内部特点来看，它具有完成在此论文中要实现的功 能，用它作为核心处理芯片是比较合适的。 华北电力大学( 北京) 硕士论文 t i 公司的定点d s p 主要用于控制系统中，它们的设计一般都是针对特定的控 制领域，例如t m s 3 2 0 f 2 4 0 、t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片中就带有适合做p w m ( 脉冲宽度 调节) 的脉冲发生电路。 t i 公司的浮点d s p 芯片有支持浮点加法和乘法的硬件结构，从而具有运算精 度高、浮点运算快，更适合与做大数据量的计算分析。综合考虑以上因素以及价格 因素，在这里选择的是t i 公司的一款浮点d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 。 2 1 1 3 2 位浮点d