（电力系统及其自动化专业论文）基于arm技术的嵌入式电能质量监测系统的研究.pdf

东北电力人学t 学坝十学位论义 a b s t r a c t w i t ht h ee l e c t r o n i cd e v i c e sa n do t h e rn o n l i n e a r1 0 a d su s e di np o w e rn e t w o r k ，t h e n o n l i n e a r , t h ei n s t a b i l i t ya n dt h eu n b a l a n c eo ft h ev o l t a g eh a v eb e c o m em o r es e r i o u s b y t h eo n 1 i n ea n dr e a l t i m em o n i t o r i n g ，r e c o r d i n ga n da n a l y s i s ，n e c e s s a r y e v i d e n c ec a n c o r r e l a t i v e l y s o l v em e a s u r ep r o v i d e dt oi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t y , f o r m u l a t e e s t a b l i s ht e c h n i c a lp a r a m e t e r so fc o n t r o l l i n gd e v i c e a ne m b e d d e ds y s t e mi ss o m ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ， e i t h e rf i x e di nc a p a b i l i t yo rp r o g r a m m a b l e ，t h a ti ss p e c i f i c a l l yd e s i g n e df o rap a r t i c u l a r k i n do fa p p l i c a t i o nd e v i c e i n d u s t r i a lm a c h i n e s ，a u t o m o b i l e s ，m e d i c a le q u i p m e n t ， c a m e r a s ，h o u s e h o l da p p l i a n c e s ，a i r p l a n e s ，v e n d i n gm a c h i n e s ，a n dt o y sa r ea m o n gt h e m y r i a dp o s s i b l eh o s t so fa ne m b e d d e ds y s t e m i ti sg r a d u a l l yb e c o m i n gt h ec o r eo f t h e c o m p u t e rt e c h n o l o g y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , e m b e d d e d s y s t e m sw i l lb e c o m em u c hm o r ew i d e l yu s e di np e o p l e sl i f e t h i sp a p e rc o m b i n e sp o w e rq u a l i t ym o n i t o rw i t he m b e d d e ds y s t e m sb a s e do n a r m ，d e s i g ne m b e d d e dp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do na r m t e c h n o l o g y f o rp o w e rq u a l i t yi n d i c a t o r sf o rr e a l - t i m em o n i t o r i n g f i r s t l y , t h i sp a p e rp r e s e n t e d t h e c o n c e p to fp o w e rq u a l i t y , e x p a t i a t e d t h e e n d a n g e r m e n to fo nt h e i s s u eo fp o w e rq u a l i t ya n dt h es i g n i f i c a n c eo fm o n i t o r i n gt h e p o w e rq u a l i t y , a n a l y s e dt h er e s e a r c h i n ga c t u a l i t y a n dd e v e l o p m e t a lt r e n do fp o w e r q u a l i t ym o n i t o r i n ga th o m ea n da b r o a d ，i n t r o d u c e dt h en a t i o n a ls t a n d a r d sa b o u tp o w e r q u a l i t ya n dm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e t h e np a p e re x p o u n d e d t h ec o n c e p ta n dc o m p o s eo f n e s t e ds y s t e m t h ee m p h a s e sa r et h ea t t e m p e r i n gm e c h a n i s mo nr e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e mk e r n e l ，c o m p l e t e d i t s t r a n s p l a n t i na r mp r o c e s s o r s oe m b e d d e d h a r d w a r e s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mi sc o n s t r u c t e d b a s e do nt h i sp l a t f o r m ，i d e s i g n e dt h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mh a r d w a r ec i r c u i t s ，a n dp r e s e n t e dt h e s c h e m ew h i c hi sh o wt od e s i g nt ot h eo v e r a l lp r o g r a m m eo fe m b e d d e ds o f t w a r es y s t e m k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ；i a c o s i i i i 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：j 阜芝a 一 日期：二塑翌年月业日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名： 趟! 塑一 钠签名：年 日期：兰塑筮年土月业日 日期： 型! 堡年l 月掣日 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文 数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全 文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：口硕士口博士 作者签名：主斗_ 一匠l 指导教师签名： 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 第1 章绪论 第1 章绪论 电能质量监测是发现和分析各种电能质量问题的主要手段，为电能质量的改 善和电力系统故障的诊断提供决策依据。随着时代进步与科技的飞速发展，现代 电网与负荷构成出现新的变化趋势，由此带来的电能质量问题越来越引起电力部 门和电力用户的高度重视。为适应市场发展的需要，对电能质量指标进行监测、 统计和分析，实现对电z 日匕l - , 的全面质量控制是十分必要的【l j 。 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 电能质量问题的提出 随着科学技术的进步，特别是电力电子技术的发展，电网中冲击性、非线性 负载不断增加，使得电网出现谐波污染、电压波动、功率因数降低、三相不平衡 等问题。这些问题的出现，严重影响了电力系统的安全、稳定运行。同时，人类 社会己经进入以计算机技术为基础的信息型社会，高速计算机、网络通信设备、 数字存储器等电子设备在人们的生产、生活中得到了广泛的应用，这些精密设备 对电能的供应提出了更高的要求。在这样的背景下，如何衡量电能的好坏成为人 们关注的问题，为此提出了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 这_ 概念【2 j 。 所谓电能质量，是指将电能看作一种商品，从而对它的各种技术指标做出规 定，以判断其是否合格【3 l 。从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。但由于人们 看问题的角度不同，所以迄今为止，人们对电能质量的技术含义存在着不同的认 识，还不可能给出一个准确统一的定义1 4 j 。但大多数专家认为，电能质量可以理解 为：导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频 率偏差、电压偏差、电压波动和闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸 变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性【5 j 。 国际电工委员会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的物理特性1 6 j 。 国际电气电子工程师协会( i e e e ) 标准化协调委员会正式采用“p o w e rq u a l i t y ” 这一术语，并且给出的定义如下：合格的电能质量是指给敏感设备提供电力和设 东北电力大学工学硕上学位论义 置的接地系统是均适合该设备正常工作的【7 1 。 此外，电能质量与一般产品质量不同，具有其显著的特点：不完全取决于 电力生产部门，甚至有的质量指标( 例如谐波、电压波动和闪变，三相电压不平衡 度) 往往是由用户干扰所决定：对于不同的供( 或用) 电点在不同的供( 或用) 电时 刻，电能质量指标往往是不同的。也就是说，电能质量在空间上和时间上均处于 动态变化之中；电能质量不仅仅反映“电”的质量，而且和用电设备的性能密 切相关例。 1 1 2电能质量问题的危害 电能质量问题的危害有以下一些表现桫j ： 1 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，威胁系统 的安全运行( 如继电保护及自动装置误动) ，干扰通信。谐波导致的涡流会增加系统 的功率损耗( 如线损) ，使测量仪表的误差( 如电能表) 增大。 2 无功功率的增加会导致电流增大和视在功率的增加，从而使发电机、变压 器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，无功功率的增加，使总电流增大、 因而使设备及线路的损耗增加。 3 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，干扰通信等。 4 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。 5 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。 6 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。 1 1 3电能质量监测的意义 在如今的电力市场中，电能质量监测已在电网一些重要连接点应用，建立了 第1 章绪论 日常的统计监测。电力部门通过电能质量监测保证电力系统的可靠运行、供电质 量，监测扰动负荷的电力污染向电网的排放情况，增强和提高整个系统的电能质 量。同时通过实时监测的数据，电力工作者可进一步研究各种改善及提高电力系 统电能质量的方法和技术，在此基础上通过实施网络的改进，设计各种新型的补 偿设备，从而提高各种电能质量的指标，使电能质量得以优化。作为负荷端，使 用扰动负荷的用户通过电能质量监测了解自己向电网排放的电力污染是否超过国 标，所采用的控制手段是否有效；使用敏感负荷的用户需要电能质量监测了解供 电质量是否会损坏敏感设备或产品质量；电力部门通过电能质量监测保证电力系 统的可靠运行、供电质量；同时监测扰动负荷的电力污染向电网的排放情况，当 在用户和电力部门发生电能质量纠纷需要第三方仲裁时电能质量监测的数据可向 双方提供客观真实材料【l m l 2 】。 1 2 电能质量监测的研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 近年来，电能质量问题早己被当作电力系统面临的重要问题看待，各国均在 加强有关电能质量问题的研究，各种类型电能质量分析仪应运而生。国外公司开 发了若干典型的电能质量监测系统，如日本日置公司( h i o k i ) 开发的3 19 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 e4 3 型手持式供电 质量分析仪，瑞典联合电力公司开发的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处理，其技术水平先进，质量可靠。 目前市场上国产仪器已有多个厂家的系列产品问世。如上海宝钢安大电能质 量有限公司、安徽省振兴科技股份有限公司、保定三伊方长电力电子有限公司、 深圳领步科技有限公司等。产品基本上都采用数字式，有单一功能的，也有多功 能的；有固定式的，也有便携式的。大多数以测量相对稳定的质量指标为主，也 有记录某些暂态质量指标的功能；大多数有一定的数据通信功能，有的还具有一 定的统计分析和自动生成报表功能。但总体上我国的电能质量监测产品还存在不 少问题，如：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；许多测试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【l 3 1 。 东北l 乜力大学一i ：学硕l 学位论文 1 2 2 存在的问题 总体来说目f j 仃的电能质量分析仪主要分成三类，分别是手持式谐波分析仪、 便携式多功能电能质量分析仪、电能质量远程监测仪。手持式谐波分析仪t 要测 量谐波，功能单一，多数不具备综合测量、分析、判断功能。便携式多功能电能 质量分析仪，可分析多个电能质量指标，但多用于专项测量，监测不连续，多为 定时测量，对数据的自动统计分析和历史数据的刈比功能不强。电能质量远程监 测仪大多用于对公共连接点电能质量的连续测量，统计和对比功能有限，给出的 测量结果不直观，缺乏超标报警、自动诊断等综合控制功能【l4 1 。 我国的电能质量检测装置大多使用单片机、d s p 等来实现，基于这种结构的 测量装置结构简单，功能单一，不同的功能需要不同的测量装置才能实现；处理 和分析的数据量小，不能实时地保存大量的数据，更不能长f ：i 、j4 间地保留重要的历 史数据；不能进行远程测试和分析，与电力系统朝自动化和网络化方向发展不相 适应；不z f j - - , 匕匕对电网进行多点测试，对一段电网的评价需要对它进行多点测试，而 传统仪器很难做到；人机交互性差：测量仪器升。级难度非常人【15 1 6 j 。 1 2 3 电能质量监测的发展趋势 随着电能质量对国民经济的影响逐渐加大1 u 又1 - 电能质量研究的逐步深入，人 们对电能质量关注的焦点已不仅仅是电压、频率和谐波等各种稳态指标，还包括 影响电能质量的实时信息，如瞬时扰动和暂态谐波等，同时也要求电能质量监测 系统提供更为直观的分析结果，以利于对电能质量问题做出决策，如要求系统能 够进行故障辩识、干扰源识别、故障预测和信息共享等。如今电子技术和网络技 术的飞速发展使得这种需求的实现成为可能。电能质量监测系统f 在朝着在线盟 测、实时分析、网络化和智能化的方向发展，系统体系结构如图1 1 所示【1 7 l 。 幽1 1l u 能顾鼙嗡测系统模) 纠 第1 章绪论 目前电能质量监测系统的发展趋势倾向于采用永久性的固定设备对现场数据 进行在线监测。对设备的具体要求可以概括为1 1 8 j ： 1 设备要能满足实时性要求，具备对电网问题的快速捕获能力。 2 在分析手段上要能够对采样数据预处理，比如小波去噪，能对数据实时分 析，对瞬时和稳态干扰性事件进行跟踪和预分类，这样可以降低对存储容量的要 求，同时为现场的实时监控提供更快速、更有价值的评估和决策信息。 3 要具备强大的通信能力，能方便集成到企业信息管理系统中和互联网上， 以便于为电能质量的深入分析、事件统计、长期评估和预测提供可靠数据。 4 在功能上要具备配置的灵活性，以适应电力系统的不同应用场合。 5 在成本上要适合于大量安装到现场。 综合起来，可以归纳出智能监控系统除了具备传统的监测功能外，在功能和 技术上更加强调：各种信息的提取、收集、分类和管理；分析手段的智能化， 如小波变换技术、神经网络技术、模式识别技术和专家系统的应用；电网运行 性能和条件的自动评估；为用户提供决策支持；对问题能够进行预测。 1 3 基于a r m 和l ac 0 s - i i 的嵌入式系统 嵌入式系统是计算机软件与硬件的综合体，它是以应用为中心，以计算机技 术为基础，软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体 积、功耗等严格要求的专用计算机系统。随着集成电路技术和计算机技术的飞速 发展，网络技术和嵌入式实时系统技术日益成熟和完善，嵌入式系统已经被引入 到电能质量监测领域圳。 在嵌入式系统领域中，a r m 处理器因其低功耗、高性能等突出优点己在3 2 位嵌入式入式应用中稳居世界第一，己成为高性能、低功耗嵌入式处理器的代名 词。a 1 w 处理器已占据3 2 位、6 4 位嵌入式应用的绝大部分市场，就像早期在8 位中的8 0 5 1 的广泛应用一样，在3 2 位微控制器领域应用非常广泛，a r m 已成为 移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案事实上的标准。优良的 性能和广泛的市场定位极大地增加和丰富了a r j k 4 的资源，加速了基于a r m 处理 器面向各种应用的系统芯片的开发和发展。因此，在嵌入式系统应用中应首选a r _ m 处理器【2 0 1 。 东北电力大学t 学硕士学位论文 皇曼量曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼蔓! 皇曼曼曼! 曼! ! 曼曼曼曼皇曼! 曼曼曼邕! ! ! ! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼i l l ；一曼i l l i _ t c o s i i 是由美国著名嵌入式系统专家j e a nj l a b r o s s e 先生编写的一个嵌入式 操作系统。该系统是一个源代码完全公开的实时内核，设计人员在应用过程中可 以按照自己的需求对内核进行裁减和扩展，以满足不同工程对应用软件设训的要 求。i ，t c o s i i 是完全占先式的实时内核，支持多任务操作，并且每个任务都有自 己单独的栈，这样就清晰了任务之间的界限，增强了系统的稳定性。i x c o s i i 还 提供了很多的系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的内存的申 请和释放、时问函数等，并且还支持多达2 5 5 层的中断嵌套。利用此系统服务就 能轻而容易举的完成复杂逻辑的要求，从而缩短系统开发的周期，降低开发的成 本。同时l x c o s i i 良好的可扩展性和可移植性，使其能够广泛的应用到各种架构 的微处理器上。 1 4 本文的主要工作 本文根据电力行业的发展需要，结合生产实际，研究、设计一套基于a r m 技 术的嵌入式电能质量监测系统。主要工作如下： 1 参考国内外文献资料，对电能质量的基本概念，电能质量的主要问题以及 电能质量对负荷的影响，进行归纳总结。阐述对电能质量进行实时在线监测在生 产实践中的重要意义； 2 根据现己颁布的国家电能质量标准，归纳各种电能质量指标的监测及计算 模型，为电能质量在线监测系统的研制提供理论依据； 3 设计基于a r m 技术的嵌入式电能质量监测系统的硬件系统。采用 s a m s u n g 公司基于a r m9 2 0 t 核的$ 3 c 2 4 1 0 a r m 处理器作为系统的核心，辅以外 围设备构建电能质量监测系统的硬件开发平台； 4 把l x c o s i i 嵌入式实时操作系统移植在a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 上，构建电 能质量监测系统的软件开发平台； 5 在基于a r m 处理器的嵌入式硬件平台和基于i ，t c o s i i 的嵌入式软件平台 的基础上，并综合嵌入式平台的各种软硬件资源完成电能质量监测系统的软件系 统设计，实现系统的各种功能。 第2 章l 乜能质量标准及其测量原理 第2 章电能质量标准及测量原理 为了保证电网安全、经济运行的秩序和对用户连续、可靠地供应电能，保障 输配电设备、用电设备与装置的正常使用，就必须以科学技术和运行经验的综合 成果为基础，按照标准化的原则对产品制定并发布统一的和适合的基本指标规定， 以及统的质量检验方法和实验指导。 2 1电能质量国家标准 电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常 使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理，推广电能质量控制技术， 维护供用电双方合法权益的法律依据。 从六七十年代开始，世界各国几乎都制定了有关供电频率和电压允许变动的 计划指标，部分国家还制定了限制谐波电压和电流畸变、电压波动等推荐导则。 近十几年来，许多工业发达国家已经制定和颁布实施了更加完备的电能质量系列 标准。随着工业经济国际化的发展，世界各国制定的电力系统电能质量标准正与 国际权威专业委员会推荐标准及相应的试验条件等一系列规定接轨，逐步实现标 准的完整与统一。 1 9 9 8 年，我国为加强电力系统电能质量管理工作，曾颁布执行了电网电能 质量技术监督管理规定，提出了“谁干扰，谁污染，谁治理”的原则，并指出为 保证电力系统安全、稳定、经济、优质运行，全面保障电能质量是电力企业和用 户共同的责任和义务。 迄今为止，我国已经制定并颁布的电能质量国家标准有：g b1 2 3 2 5 1 9 9 0 电 能质量供电电压允许偏差、g b1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪变、 g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波、g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三 相电压允许不平衡度、g b t1 5 9 4 1 9 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差、 g b t1 8 4 8 1 - 2 0 0 1 电能质量暂时过电压和瞬态过电压六项国家标准。这六项 电能质量国家标准的摘要如表2 1 所示u 。 东北电力大学工学硕士学位论文 表2 1 六项电能质量国家标准摘要 标准编号标准名称允许限值说明 g b1 2 3 2 5 电能质量1 3 5 k v 及以上为正负偏差绝对值之和1 0 衡量点为供电产权分 1 9 9 0 供电电压允 2 1 0 k v 及以下三相电压为7 界处或电能计量点 许偏差3 2 2 0 v 单相供电为+ 7 一1 0 ( p c c ) g b1 2 3 2 6 电能质量电压变动d 的限值和变动频率r 自关：当1 衡量点为公共点p c c 2 0 0 0 电压波动和 r 1 0 0 0 h 一1 时，对于低压( l v ) 和中压( m v ) ， 2 只，每次测量周期为 闪变 d = 1 2 5 4 ；对于高压( h v ) ，d = 1 0 9 6 3 ；对于 1 0 m i n ，取其9 5 概率 随机不规则的变动d = 2 ( l v ，m v ) 和d = 1 5 ( h v ) 值；疡每次测量为两 闪变限值 小时 系统电压 l vm vh v 3 限值分三级处理原则 b ， 1 00 9 ( 1 o )0 8 4 提供预测汁算方泫， 疡 o 8 0 7 ( o 8 ) o 6 规定测量仪器 注1 括号中的值仅适用于同电压等级 2 b ，为短时间闪变值；岛为长时间闪变值 g b ，r1 5 9 4 5 电能质量 1 正常允许o 2 h z ，根据系统容量可以放宽到对测量仪器提出了具 一1 9 9 5 电力系统频o 5 月2体要求 率允许偏差 2 用户冲击引起的频率变动一般不得超过 0 2 爿 g b t1 4 5 4 9 电能质量各级电网谐波电压限值( )1 衡量点为p c c ，取实 1 9 9 3 公用电网谐电压( k v )t h d 奇次 偶次测9 5 概率值 波0 3 8 5 4 02 o2 对用户允许产生的 6 1 043 2l - 6谐波电流，提供计算方 3 5 6 632 41 2 法 1 1 021 60 8 3 对测量方法和测量仪 注t 2 2 0 k v 电网参照1 1 0 k v 电网执行 器做出规定 2 表中t h d 为总谐波畸变率 4 对h 次谐波随机性 合成提供算法 g b t 15 5 4 3 屯能质量 1 正常允许2 ，短时不超过4 1 备级电肤要求一样 一1 9 9 5 三相电压允2 每个用户一般不得超过1 3 2 衡量点为p c c ，取实 许不平衡 测9 5 概率或日累计超 标不超过7 2 m i n ，且每 3 0 m i n 中超标不超过 5 m i n 3 对测量方法和测量 仪器做出规定 4 提供不平衡度算法 8 第2 章电能质量标准及其测量原理 g b 厂r1 8 4 8 1电能质量 1 系统丁频过电压限值 1 暂时过电压包括工 2 0 0 l 暂时过电压电j 玉等级( k v ) 过电压限值( p u ) 频过电压和谐振过电 和瞬态过电 u 。 2 5 2 ( i ) 1 3 压。瞬态过电压包括操 压 u m 2 5 2 ( i i ) 1 4 作过电压和雷击过电 1 1 0 及2 2 0 1 3 压 3 5 6 6 压 2 工频过电压 1 0 p t 1 2u 4 3 。 3 ，一1 0 i i 压 谐振过电压1 0 p u = 指工频峰值电压， 2 5 2 ( i ) 和 2 5 2 ( i i ) q 2u m q 3 分别指断路器两侧变电所的线路 3 除统计过电压外，凡 3 操作过电压限值 未说明的操作过电压 电乐等级( k v )过电压限值( p u ) 均为最人操作过电雉 5 0 0 2 0 +4 瞬态过电爪还对分 3 3 0 2 2 + 闸过咆爪，断路器及其 “0 2 5 2 3 0 它限值作出了规定 ：i c 表示该过电压相对地的统计操作过电压 2 2电能质量标准分析及测量原理 2 2 1供电电压允许偏差 电压偏差供电系统在正常运行方式下，某一节点的实际电压与系统标称电 压( 通常，电力系统的额定电压采用标称电压去描述，对电气设备则采用额定电压 的术语) 之差对系统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差。数学表达式为： 8 u ：兰出1 0 0 ( 2 1 ) 式中5 u 电压偏差； 乩检测点电压实测值，k v ； 砜检测点标称系统电压，k v 。 供电系统正常运行方式是指系统中所有电气元件均按预定工况运行。供电系 统在正常运行时，负荷时刻发生着变化，系统的运行方式也经常改变，系统中各 个节点的电压也随之发生改变，会偏离系统电压额定值【2 2 t2 3 1 。 电压偏差的测量一个周期丁内对电压信号进行次采样，测得的离散采样 值为“( f ) ( f _ o ，l ，2 ，3 ，n ) ，因此被测电压的有效值为： u r = 阿n - i ( 2 2 ) 东北电力大学【：学硕士学位论文 式中n = 丁a t 为每个周期采样点数，出为采样时间间隔。然后根据式( 2 1 ) 即可求 出电压偏差。 2 2 2 电压波动和闪变 1 电压波动电压方均根值一系列相对快速变动或连续改变的现象，称为电压 波动。其变化周期大于工频周期。电压波动程度以电压在急剧变化过程中，相继 出现的电压最大值与最小值之差或其百分数来表示： d ：当唑当1 0 0 ( 2 3 ) u n 式中d 电压波动； u 一电压方均根值极大值； 电压方均根值极小值； 砜检测点标称系统电压。 国家电能质量标准规定，电压由大到小或由小到大的变化各算一次变动。同 时一方向的若干次变动，如果变动间隔小于3 0 m s ，则算一次变动。 电压波动的测量为了描述电压波动的特征，我们在l m i n 内测量各个周期的 电压有效值，取其最大的差值( 戤一i 。) ，根据式( 2 3 ) 式求出波动的大小【2 4 1 。 2 电压闪变电光源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应称为闪 变。换言之，闪变反映了电压波动引起的灯光闪烁对人视感产生的影响。严格地 讲，闪变是电压波动引起的有害结果，是指人们对照度波动的主观视觉反映，它 不属于电磁现象。 电压闪变的测量由于每个人的感光特性和大脑的反映特性不同，对灯光照 度变化的感觉存在差异，决定闪变的因素比较复杂，所以对于电压波动与闪变问 题一直难以建立精确的数学模型。因此，闪变的评价方法不是通过纯数学推倒与 理论证明得到的，而是通过对同一观察者反复进行闪变实验和对不同观察者的闪 变视感度进行抽样调查，经统计分析后找出相互间有规律性的关系曲线，最后利 用函数逼近的方法获得闪变特性的近似数学描述来实现的口引。 目前，世界上许多国家均采用由国际电热协会( u i e ) 釉j 定、推荐，并由国际电 工委员会( i c e ) 发布的测量统计方法和相应的闪变严重度评估标准。i c e 在其标准 i c e8 6 8 中从测量仪器的角度出发，通过对电压信号进行处理，阐述了闪变值的计 第2 章 乜能质量标准及c 测量原理 算原理，给出了检测电压闪变的设计规范，如图2 - 1 所示【2 6 1 。 b 八母k 2 鲢塾k 叫 伍 ( 三m 蚤口 图2 - 1i c e 推荐的闪变测量仪框图 首先以连续的电压信号为输入量，通过平方解调器、转折频率( c u t o f f - f r e q u e n c y ) 为o 0 5 h z 和3 5 h z 的带通滤波器、中心频率8 8 h z 的加权滤波器，再通过一个平 方器、一阶平滑滤波器后获得输出信号。该信号具有电压波动的幅值、波形和频 率特性，直接反映了电压波动引起灯光闪烁对人视感的影响，是计算短时间闪变 值( 只，) 的中间过程，定义其为瞬时闪变值p ( i n s t a n t a n e o u sp e r c e p t i b i l i t y ) 。i e c 8 6 8 中先对该信号进行a d 模数转换，继而运用累计概率函数( c p f ) 曲线对p 进行统 计：首先对一段时间( 如1 0 m i n ) 内的p 信号进行分级，以不小于每一级p 的各级的 时间在该时段内所占时间长度的百分比为纵坐标，以p 为横坐标，做出c 尸f 曲线。 c 盼曲线纵坐标o 1 、1 、3 、1 0 、5 0 对应的瞬时闪变值分别为。，p ， 岛，n 。，鼽。，则这段时间的只可按下式计算： 儿= 4 0 ，0 3 14 p ol + 0 0 5 2 5 p 1 + 0 0 0 6 5 7 p 3 + 0 2 8 p l o + o 0 8 p 5 0 ( 2 。4 ) 由式( 2 4 ) 可以看出，闪变值的计算过程较繁琐，电压信号处理框图仅说明了 计算原理，a 下曲线的统计方法也不直观，都无法进行任何实际的数值计算。 本文采用基于f f t 的频谱分析法计算闪变值，此方法对i e c 标准推荐的闪变 仪的设计过程进行了一些等效替换拉7 j ： a 、因为电压波动对灯一眼一脑的影响是由电压方均根值波动引起的，于是可 将图2 1 中电压信号平方解调器对电压调幅信号的解调过程，等效为求取电压方均 根值曲线后再滤除直流分量的过程。 b 、由于一阶低通滤波器是截止频率较低的低通滤波器，平方和一阶低通滤波 可看成为求解低频周期信号( ) 或 v o i dy o u r t a s k ( v o i d + p d a m ) 严用户代码奉 o s t a s k d e i ( o s _ p r i o _ s e l f ) ； 5 2 2 任务优先级的设置 l x c o s i i 的任务调度是按优先级进行的，所以必须为每个任务分配不同的优 先级，其中0 ，1 ，2 ，3 ，o s l o w e s tp r i o 一3 ，o s l o w e s t p r i o 一2 ，o s l o w e s tp r i o 1 ，o sl o w e s tp r i o ，这几个优先级供系统使用，所以必须保 留。给任务指定( 分配) 优先级不是件简单的事，因为实时系统相当复杂。许多系统 中，并非所有的任务都至关重要。不重要的任务自然优先级可以低一些。 根据电能质量监测系统实时多任务软件的实际情况，参照单调执行率调度法 r m s ( r a t em o n o t o n i cs c h e d u l i n g ) ，各任务优先级设置如表5 一l 所示。 表5 1 任务函数的划分及优先级的设置 任务名内容优先级 t a s ka d ( )电压、电流采样6 t a s kf f t ( ) f f t 数据分析处理 8 t a s kl c d ( )l c d 显示1 0 t a s k _ k e y ( ) 按键处理1 2 t a s k _ u a r t ( ) 串口通信1 4 t a s k c a n ( ) c a n 总线通信1 6 i n t _ a d c c a d 采样中断服务程序中断 i n tk e y c按键响应中断服务程序中断 i n t u a r t c 串口通信中断服务程序中断 i n t c a n c c a n 总线通信中断服务程序中断 第5 章嵌入是电能质量监测系统的软件改计 采样任务t a s ka d ( ) 、数据计算任务t a s kf f t ( ) 是所有任务中执行的频率最 高的任务，因此其优先级应设置的较高。可靠的采样是计算等功能的实现基础， 它的实时性要求最高，所以优先级设置的最高；数据计算是实现电能质量监测功 能的最主要任务，包括各种电能参数的测量和分析计算，所以也应该给予较高的 任务优先级。键盘t a s k _ k e y ( ) 、显示t a s k _ l c d ( ) 、串口通信t a s k u a r t ( ) 、c a n 总线通信t a s kc a n ( ) 等任务的执行次数并不是很高，实时性要求不是很严格，只 要在一定的时间内给予处理就可以，因此其优先级设置的较低。 5 3 任务函数的实现 5 3 1 数据采集任务 可靠的采样是计算等功能的实现基础，是电能质量监测实现的前提条件，因 此，数据采集任务的优先级设置的最高。 1 任务配置 ( 1 ) 分配任务堆栈和优先级：在任务建立前分配任务堆栈和优先级。 # d e f i n e t a s k s t k a d p r i o 6 严分配任务的优先级，i c # d e f i n e t a s k s t k s i z e a d 2 5 6 产分配任务的堆栈容量宰 o s s t ks t a c k _ t a s k _ a d t a s k _ s t k _ s i z e _ a d ( 2 ) 建立任务 o s t a s k c r e a t e ( t a s k _ a d ，( v o i d 奉) o ，( o s s t k 幸) & s t a c k t a s k a d t a s k s t k _ s i z e a d - l 】，t a s k _ s t k _ a d _ p r i o ) ； 2 任务的实现流程 采样频率定为6 4 k h z ，即一个周波2 0 m s 内等间隔采集1 2 8 个数据点。测量闪 变的采样频率为1 0 0 h z ，在实际采样数据中每6 4 个点取一个作为闪变分析的有效 数据。t a s ka d ( ) 任务的实现如图5 2 所示： 东北电力大学t 学硕上学位论文 圈5 - 2 数据采集任务流程阁 5 3 2 数据计算任务 数据计算任务主要对数据采集部分所得到的离散信号进行处理，运用各种算 法实现电能质量指标以及其它电气量的计算与分析。主要包括时域的频率偏差、 电压、电流有效值、功率、功率因数等值的计算；而离散化信号经过f f t 运算可 实现频域内的基波、各次谐波分量、电压不平衡度以及电压闪变的计算。 1 任务配置 ( 1 ) 分配任务堆栈和优先级：在任务建立前分配任务堆栈和优先级。 # d e f i n et a s ks t kf f tp r i o 8胪分配任务的优先级 i # d e f i n et a s ks t ks i z ef f t2 5 6 产分配任务的堆栈容量木 o s s t ks t a c k _ t a s k _ f f t t a s k _ s t k _ s i z e _ f f t 】 ( 2 ) 建立任务 o s t a s k c r e a t e ( t a s k _ f f t ，( v o i d ) 0 ，( o s s t k ) & s t a c k t a s k f f t 【t a s k _ s t k _ s i z e _ f f t - 1 ，t a s k _ s t k _ f f t _ p r i o ) ； 2 快速傅立叶变换( f f t ) 的实现 在频域的计算中，主要是进行f f t 运算，该算法与传统的d f t 算法比较起来， 大大减少了运算的次数。f f t 算法有按时间抽选的基2 f f t 算法( d i t ) 和按频率抽 第5 章嵌入是电能质量监测系统的软件设汁 选的基2 f f t 算法( d f t ) ，在此采用按时间抽选的基一2 f f t 算法( d i t ) 来计算，并使 其输入为倒位序、输出为自然顺序。这样f f t 程序包括变址( 倒位序) 和l 级递推 计算( = 2 l ，l 为正整数) 两大部分。f f t 具体的实现流程如图5 3 和5 4 所示。 图5 3 变址( 倒位序)图5 4m 级递推关系 东北电力大学t 学硕j 学位论文 3 电压闪变检测的实现 a ) 检测方法 对输入的电压电流信号进行交流采样，每半个周波计算一次电压方均根值 ( 每次计算为一个工频的电压方均根值) ； 对电压方均根值序列进行快速傅立叶变换，求出各频率分量的幅值及电压 波动值； 对电压方均根值频谱序列的两倍进行视感度加权，即乘上相应频率下的视 感度加权滤波系数，再平方，可得到各频率下的瞬时闪变值p ； 根据一段波形方均根值的平方等于组成该波形各频率成分的方均根值的 平方和，将各个频率下的瞬时闪变值进行叠加，得到该段时间内电压方均根值曲 线对应的瞬时闪变值p ； 以1 0 分钟为一个测试时间段，将这个时间段内的用离散方法计算出的瞬 时闪变值s 进行排序、统计，直接求出层1 ，岛，忍，暑。，岛，代入式( 2 - 4 ) 求出 短时间闪变值p ，即为闪变指标； 如果需要求得长时间闪变值b ，需长时间统计( 2 h ) 才能得出。即将两小时 内测得的短时闪变值只。代入式( 2 - 9 ) ，即得长时闪变值最。 b 1 实现的原理框图 图5 - 5 闪变计算方法原理框图 4 任务的实现流程 数据分析处理任务的实现流程如图5 6 所示。 第5 章嵌入是电能质量监测系统的软件设汁 (开始) 计算u 、i 、p 参数 f f t 变换( 1 2 8 点) u a o 、u a l