（电力系统及其自动化专业论文）电能质量监测网络端点原型的研究.pdf

堑堑茎兰 一 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h e d e v e l o p m e n t o f e c o n o m y , e l e c t r i cp o w e rq u a l i t y h a s c a p t u r e di n c r e a s i n g a t t e n t i o ni n p o w e r e n g i n e e r i n g i nt h er e c e n t y e a r s t h e r e f o r e ，t h e r e i sa ni m m i n e n tn e e df o ra l l a p p r o p r i a t ep o w e rq u a l i t ym e a s u r e m e n ts y s t e m t h a tc a nb et l s e dt op e r f o r mq u i c ka l l r e l i a b l ep o w e rq u a l i t ys u p e r v i s o r y p o w e rq u a l i t yn e t w o r km o n i t o r i n gd e v i c e sa r e i n s t a l l e di ne i t h e rt h ep o w e rg r i d so ra tc u s t o m e re n dt om o n i t o rt h es y s t e m s r e a l - t i m e sp o w e rq u a l i t y b a s e do i lt h o s em e a s u r e dd a t a , t h ep o w e rq u a l i t yi nt h e p o w e rs y s t e mc a nb ea n a l y z e da n dt h u sc o n t r o l l e dm o r ee f f i c i e n t l y , p r e c i s e l ya n d s y s t e m a t i c a l l y t h i sp a p e rd i s c u s s e st h et e c h n i q u e st od e v e l o pp o w e r q u a l i t yn e t w o r km o n i t o r i n g d e v i c e sb yu s i n gt h et e c h n o l o g i e si nd s pb yc o m b i n i n gt h el a t e s tb r e a k t h r o u g h si n d s pa n dp c ，t h ep r o p o s e dp o w e r q u a l i t yn e t w o r km o n i t o r i n gd e v i c ei nt h i sp a p e r i s c a p a b l eo f m a j o r f u n c t i o n s p r o v i d e db y c o n v e n t i o n a lp o w e r q u a l i t ym o n i t o r i n gd e v i c e ， s u c ha sf r e q u e n c ya n a l y s i s i ta l s op r o “d e sa no p t i o nt or e c o r dt h ew a v e f o r m so ft h e i n p u t s b e s i d e s i no r d e r t oc o n f o r mt ot h en e ws t a n d a r d si np o w e r q u a l i t ym o n i t o r i n g n e t w o r k ，t h ep r o p o s e dd e v i c ea l s op r o v i d e sd i r e c td a t at r a n s f e ro v e rt h ei n t e r a c tb v a d o p t i n gt h el a t e s tt e c h n o l o g i e si ne m b e d d e ds y s t e m 玎抡d e v i c eo nf u n c t i o na sa n i n d e p e n d e n t n o d ei nt h ew h o l ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gn e t w o r k n l et c p i p p r o t o c 0 1 i su s e di nt h e d e v e l o p e dd e v i c e a si t sn e t w o r ki n t e r f a c e a 1 l t h e s e c h a r a c t e r i s t i c ss i m p l i f i e st h ed a t ah a n d l i n gf o rt h ep o w e r q u a i l t ym o n i t o r i n gn e t w o r k s e r v e ri n s t a l l e di nt h ep o w e r g r i d s w ea l s oi n t r o d u c ean e w f o r m a tf o rp o w e r q u a l i t y a n dq u a n t i t yd a t ai n t e r c h a n g e ( p q d i f ) ，i to f f e r sas o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fd i f f e r e n t p o w e rq u a i l t yf i l ef o r m a t s k e y w o r d s p o w e r q u a l i t y , d s p , e m b e d d e ds y s t e m ，p q d f 塑婆盔堂堡主堂垡堡壅一一 前言 第一章绪论 什么是电能质量? 这一研究领域的文献和报告中使用过许多相 关术语，如：电压质量、电流质量、供电质量、用电质量 等。i e e e 技术协调委员会已正式采用“p o w e rq u a l i t y ”这一术语， 并且给出了相应的技术定义：“合格电能质量的概念是指给敏感设备 提供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的”。这个 定义的缺点是不够直接和简明。文献【1 采用的电能质量定义为：“导 致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差”。这个定 义较简明，也概括了电能质量问题的成因和后果，但似乎将“用户 设备”改为“用电设备”更全面一些。当然这里的“偏差”应广义 理解，甚至应包括供电可靠性。 对电能质量进行监测是获得电能质量信息的直接途径，虽然这方 面的监测仪器已不少，但大多数只局限于持续性和稳定性指标的监 测，而传统的基于有效值理论的监测技术由于时间窗太长，仅测有 效值已不能精确描述实际的电能质量问题，因此需发展满足以下要 求的新监测技术：能捕捉快速( m s 级甚至n s 级) 瞬时干扰的波形。 因为许多瞬间扰动很难用个别参量( 如有效值) 来完整描述，同时随机 性强，因此需要采用多种判据来启动量测装置，如幅值、波形畸变、 幅值上升率等。需要测量各次谐波以及问谐波的幅值、相位，需 要有足够高的采样速率，以便能测得相当高次谐波的信息。建立 有效的分析和自动辨识系统，使之能反映各种电能质量指标的特征 及其随时间的变化规律。 1 1 电能质量问题的概述 1 1 1 电能质量问题的由来 改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品 质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。电能 质量直接关系到国民经济的总体效益。因此人们对电能质量问题的 浙江大学硕士学位论文 重视并非近几年的事，只不过早期对此认识比较简单，主要局限在 保持电网频率和电压水平( 即静态或平均偏差不过大) 上。自2 0 世纪 8 0 年代以来，随着新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量的要 求不断提高，电能质量才逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题。 臼前电能质量中某些问题已成为电工领域的前沿性课题，吸引了许 多高等院校、科研院所和大批电力科技工作者投入其中从事开拓 性或开发性工作。归纳起来，电能质量成为热门课题的主要原因有 以下几方面： ( 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 就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损 失几十万美元的产值。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，例如柔性制造 系统( f m s ) 或计算机综合制造系统( c i m s ) ，它们对配电系统中的干扰 和异常非常敏感，甚至几分之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可严格到1 2 个周波。 ( 2 ) 现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，诸如半导体整 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 用电器等负荷迅速发展，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，对供电质量造成严重的干扰或 “污染”。 ( 3 ) 电能作为商品在电力市场运行机制下不同的发电公司包括独 立电能生产者在发电侧实行竞争，输配电系统( 即电力公司) 与发电分 离独立经营管理，为发电公司和用户提供转送电能服务，用户侧也 可以作为独立实体参加价格控制。这样一个开放和鼓励竞争的运行 环境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。 1 1 2 电能质量的分析和计算 电能质量的分析计算涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述， 需要开发相应的分析软件和工程方法来对各种电能质量问题进行系 统的分析，为改善电能质量提供指导。由于于扰源性质各异，电网 元件在不同干扰作用下呈现不同的性能，因此建立干扰源和电网元 浙江大学硕士学位论文 件( 或局部电网) 准确的数学模型有时困难很大，而分析计算的准确性 不仅取决于数学模型和计算方法，还有赖于电网基础资料的可信度。 近年来。基于数字技术的各种分析方法已在以下电能质量领域中得 到应用：分析谐波在网络中的分布：分析各种扰动源引起的波 形畸变及在网络中的传播；分析各种电能质量控制装置在解决相 关问题方面的作用；多个控制装置的协调以及与其他控制器的综 合控制等问题。 目前所采用的方法有三种： ( 1 ) 时域仿真方法该方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其 主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态 现象进行研究。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 、b p a 等系统暂态仿真程序和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。由于这些仿真程序在不断发展 中，其功能日益强大，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 ) 频域分析方法该方法主要用于谐波问题的分析计算，包括频 率扫描，谐波潮流计算等。考虑到一些非线性负载的动态特性，近 年来又提出一种混合谐波潮流的计算方法，即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。 ( 3 ) 基于变换的方法这里主要指f o u r i e r 变换方法、短时f o u r i e r 变换方法和小波变换( w t ) 方法。 作为经典的信号分析方法f o u r i e r 变换具有正交、完备等许多优 点，而且有象f f t 这样的快速f o u r i e r 算法，因此已在电能质量分析 领域中得到广泛应用。 1 2 国内外电能质量研究的内容及其比较 1 2 1 国内外的电能质量标准 ( 一) 国内电能质量标准： 电能质t ( p o w e rq u a l i t y ) ：是指公用电网供电端到用户受电端的交 流电能质量。目前电力企业对电能质量的评估主要依据国家质量技 术监督局颁布的系列标准。分别为： 浙江大学硕士学位论文 公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) ； 电压允许波动和闪变( g b1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 ) ： 三相电压允许不平衡度( g b tl5 5 4 3 1 9 9 5 ) ； 电力系统频率允许偏差( g b tl5 9 4 5 1 9 9 5 ) ； 供电电压允许偏差( g b1 2 3 2 5 1 9 9 0 ) ； 暂时过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 8 1 - 2 0 0 1 ) 显然，传统的电能质量的概念主要强调供电系统稳态的特征， 如电力企业常统计供电电压和颏率的合格率百分数( 如9 9 9 9 ) 来 说明供电对用户的可靠性，而不注重其暂态即动态的特征。因此， 目前电力企业对电能质量的控制手段仍主要依赖于对供电电压的 调整。 ( 二) 国外电能质量标准： 1 9 8 9 年欧洲共同体委员会从对居民用电的责任感出发，确定电 能的质量标准。1 9 9 2 年7 月欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ) 发 布c l c b t t f 6 8 - - 6 ( s e e ) 15 号文件公用配电系统的供电特性， 作为欧洲共同市场的电能质量标准。该标准对每种供电电压的电能 有五大类( 频率、电压值、不平衡、电压波形、传输信号) 的l3 个 标准( 见表1 ) ，内容颇为全面，已为国际电工委员会( i e c ) 所采用， l 凹陷k t t t 断电 阿1坷c b e m a ( 计算机及商业用具制造商协会) 电压窖限曲线有关的典型电压扰动 在美国，认为电能质量主要与电压扰动( v o l t a g ed i s t u r b a n c e ) 确- 关- 分凹陷( s a g ) 、隆起( s w e l l ) ，尖峰脉冲( s p i k e s ) 署1 断电( i n t e r r u p t i o n ) 等四类( 见图1 ) 。 塑婆查兰塑圭堂堡堡兰 一一 图l 是代表美国c b e m a 为防止电压扰动引起计算机及有关控制 设备故障的实际最大容许极限值，在包络线外属不合格t 该图也是 i e e es t d4 4 6 1 9 8 0 的部分。 表1公用配电系统供电特性允许限值表 允许限值 参数类别 说明 低压中压 与系统5 0 h z 1 ( 即0 5 h z ) 一 5 0 h z 1 ( 即0 5 h z ) 一 互联的年的9 9 ；5 0 h z + 6 ( 即 年的9 9 ：5 0 h z _ _ _ 6 ( 即 频 电阿3 h z ) 一年的1 3 h z ) 一年的i 取配电系统 塞孤立电 5 0 h z 2 ( 即i h z ) 一5 0 h z 2 ( 即1 h z ) 一 1 0 s 的基频平 网如岛 年的9 5 ；5 0 h z - + 1 5 ( 即年的9 5 ：5 0 h z _ 1 5 ( 即 均值： 7 5 h z ) 一年的5 7 5 h z ) 一年的5 屿供电 慢速电 u n 1 0 公布电压1 0 u n 2 0 0 3 年前，u n 压变化 每周期间9 5 的供电电压公布电压由电力部门规定 = 2 3 0 v 三线 供 的1 0 r a i n 均方根值停电除每周期间9 5 的供电电压 三相制，u n 外的1 0 r a i n 均方根值停电除 = 2 3 0 v 相中 电 外电压，三相四 电 线制相闻u n 压 = 4 0 0 v ，相 中性点u n = 值 2 3 0 v ，2 0 0 3 年以前标准 可能不同。 电压波 ( 1 ) 正常运行情况下不超过5f 1 ) i e 常运行情况下不超过4 电压波动主 动 快速 o n j l 特殊情况下持续时u n ，很特殊情况下持续时 要由系统故 间少于3 0 m s ，一天几次可间少于3 0 m s ，一天几次可障及用电负 电压变 荷变化引起达1 0 o n 。( 2 ) 发生闪变达5 o n 。( 2 ) 发生闲变的 化】的电压波动、短期烈度p s t电压波动、短期烈度p s t =的。 = l 、长期烈度p l t = 0 8 ，每1 、长期烈度p i t = 0 8 ，每周 周的9 5 的9 5 电压突 一年中期望次数：l o 1 0 0 0一年中期望次数：1 0 1 0 0 0 次电压突波持续时间大多次电压突波持续时间大多 波( d i p ) 小于0 5 s ，深度小于6 0 。小于0 5 s ，深度小于6 0 。 短期断 每年短期断电次数几十到每年短期断电次数几十到电压降到零 几百次、7 0 短期断电持续几百次、7 0 断电持续时间或接近零称 电 时间小于i s 。小于i s 。为断电。 长期断 每年长期断电限制在l o 每年长期断电限制在l o 由 5 0 次，断电持续时间大于5 0 次，断电持续时间大于 3 m i n 。l m i n 。 浙江大学硕士学位论文 暂时工 不超过1 s k v ，由于中性点 暂时工频过电压期望值是暂时工频过 位移过电压可达到相间电线对地电压乘以接地故障 电压由于系 频过电 压。因数：统或用电装 压 直接或经阻抗接地：1 7置故障引起 不接地或谐振接地：1 7 2的。 瞬态过 不超过6 k v ，时间几m s 或操作过电压一般低于雷电由于雷电及 更短，偶然有超过6 k v 的 过电压。操作引起的 电压 过电压。 电 负序分量1 0 r a i n 均方根值不 负序分量1 0 m i n 均方根值不大多数由单 压 超过相关正序分量的2 的超过相关正序分量的2 的相或两相负 不 2 4 小时取样值。 2 4 小时取样值。荷起的。 亚 衡 各次谐波电压值的一周内 各次谐波电压值的一周内 电 谐波电 9 5 的1 0 m i n 平均值不超过9 5 的1 0 m i n 平均值不超过 压 压表2 的埴。总畸变率( t h d ) 表2 的值。总畸变率( t h d ) 不超过8 * 0 不超过8 波 谐间波 谐间波电压水平低于邻近谐间波电压水平应大大低谐间波是出 形 谐波水平。( i e c 规定为 于邻近谐波水平。( i e c 规定现在谐波间 o 5 1 u m为0 5 1 u m 的寄生频率。 干信号电压每曰9 5 的3 s 平信号电压每1 5 19 5 的3 s 平在工频波上 线 均值不超过图2 规定值。 均值不超过图2 规定值。叠加一个正 传弦波的系统， 输在主电网电 信压回路上加 号入某种标记 的系统。 1 2 2 国内外电能质量监测仪的研制现状 ( 一) 、国内生产的电能质量监测仪 目前。我国对电能质量的重视程度比以前有了很大的提高，也在研制各种 电能质量监测装置，但是由于各种原因，现在在市场上使用的电能质量监测仪 大多数都是国外的产品或者是和外国公司合作生产的。要解决这个问题就需要 我国的电力工程师共同努力，开发出性能价格比更高的产品。我们正是在向这 方面努力。下面简单介绍几种中外合作生产的电能质量监测仪。 i 、瑞典u n i p o w e r 公司专业从事电能质量测量和监测产品的开发，与北 京航天华辉自动化有限公司合作推出了u p 一2 2 1 0 新一代在线式电能质量监测 浙江大学硕士学位论文 仪。 一可测量全部电力参数和谐波( 至5 0 次) 、 闪变和三相不平衡度等电能质量参数。 一具有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、调制解调器和以 太网等通讯方式 一全中文操作软件，可实时显示数值、波 形、频谱图、历史趋势图和相量图。 一通过p q r e p o r t 可对测量数据根据国标 进行分析评估，自动生产评估报告。 一体积小、重量轻、安装方便、适合现场 安装。 一硬件全电子化，无任何机械部件( 如风扇、硬盘等) ，可长时间连续运行 2 、美国e i g 公司n e x u s1 2 5 0 多功能电力监测装置集高精度电 能表、多功能电力仪表、电能质量分析仪、数据记录仪和波形记录 仪于一身。 监测所有电力参数： 一电压有效值，电流有效值 一频率，相位，不平衡度 一有功功率，无功功率，视在功率，功率因数 一谐波幅值，谐波相位，总谐波畸变率( t h d ) ，k 因数 灵活的记录功能： 一对所有参数进行历史记录 一记录参数和记录间隔均可设置 一越限记录 一事件触发的波形记录 完美的能量管理： 一a c c u - m e a s u r e 专利技术 一电度精度达到o 0 4 一变压器损耗和线损补偿 一分时计费 一需量及最大需量计量，多种积分算法 强大的通信能力： 一具有可同时工作的四个通信接口 一多种标准的开放式通信协议 浙江大学硕士学位论文 一m o d b u sr t u m o d b u sa s c i i d n p3 0 3 、d m m s 3 0 0 多功能电力监测仪表同时 测量全部电力参数，取代多个电量变送器和 数据采集器 监测所有电力参数： 一电压有效值，电流有效值 一频率，相位，不平衡度 一有功功率，无功功率，视在功率，功 率因数 一有功电度，无功电度，视在电度 一总谐波畸变率( t h d ) ，k 因数 一基本精度o 2 方便的显示和设置： 一高亮度、长寿命数码管显示 _ 一显示所有测量参数 一通过键盘和显示进行参数设置 一“智能键盘”能够方便地进行显示切换和参数设置 灵活的通信和输出： 一r s 2 3 2 或r s 4 8 5 通信接口： 一m o d b u sr t u a s c i i 或d n p 3 0 通信协议 一2 、4 、6 或1 0 通道4 - 2 0 m a 模拟输出 一越限报警及继电器输出 ( 二) 、国外生产的电能质量监测仪 1 、a n d e r s o nc o n t r o l s a n d e r s o n 公司生产的r o c h e s t e r 仪器系统是在世界范围内处于领先水 平的，他们可以为电力系统提供先进的记录仪器，电能质量监视仪等等。 2 、f l u k e4 3 b 电能质量分析仪 f l u k e 公司的电能质量分析仪可以测量用于维持电力系统的安全运行，分析 电力系统的问题和诊断仪器故障所需的所有参数。 ( 1 ) 结合了电能质量分析仪，万用表，示波器中的最有用的功能。 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 可以根据单相的测量值计算平衡负载下的三相功率。 ( 3 ) 测量电力谐波，捕捉电压闪落，瞬态和瞬间起峰电流。 ( 4 ) 具有监测功能可以跟踪间歇性的问题和电力系统的性能。 ( 5 ) 菜单使用与电有关的术语。 ( 6 ) 用一个简单的按键就可以选择常用的电能质量模式。 ( 7 ) 可以记录两个可选择的参数，并且可以储存1 6 天以上。 ( 8 ) 2 0 个存储区用来保存重现探针记录的数据。 ( 9 ) f l u k e v i e w 软件可以随时间变化的谐波和其他数据。 ( 10 )f l u k e v i e w 软件可以提供5 1 次的谐波频谱。 ( 1 1 ) 可以测量阻抗，二极管压降，电感和电容。 ( 1 2 ) 用户手册和电能质量录像可以帮助用户解决遇到的闯题。 ( 1 3 )附件还包括电压探针和5 0 0 a 的电流钳子，f l u k e v i e w 软件 和可选择的接口电缆。 3 、r e l i a b l ep o w e rm e t e r s r e l i a b l ep o w e rm e t e r s ( r p m ) 在电能监控技术领域是处于领先的。它为监测 和分析电力系统潮流和电能质量提供可靠的硬件和软件。它的近期产品包括： ( 1 ) 便携式电能记录仪它可以同时测量 电能质量：下陷，上升，波形偏差，瞬态现象，断电，频率，不 平衡度。 电力系统损耗和电力系统潮流：能量，需求量，w a t t s ，v a ，v a r ，p f , a n d k w h 谐波和闪变：可以测量6 3 次的谐波，t h d ，i e c 8 6 8 规定的闪变 谐波记录：电压和电流的所有6 3 次谐波的幅值和相位。 实时仪表和示波器：显示电压，电流，功率，波形，闪变，频谱， 阻抗。 ( 2 ) 多点电能记录仪它可以测量 电能损耗：( w a t t s ，v a , v 他p f , d i s p l a c e m c n tp o w c rf a c t o d e m d ，k w h ) 谐波：( 6 3 次谐波，t h d ，电压和电流的幅频和相频特性) 闪变：( p s t 和p i t ) 电能质量：( 下陷，上升，瞬态，长期电压电流有效值的变化趋势， 频率和不平衡度) 实时显示：( 波形，谐波，功率，阻抗) 浙江大学硕士学位论文 1 3 今后的发展趋势 1 3 1 在信号分析方法方面的发展趋势 作为经典的信号分析方法f o u r i e r 变换具有正交、完备等许多优 点，而且有象f f t 这样的快速f o u r i e r 算法，因此已在电能质量分析 领域中得到广泛应用。但在运用f f t 时，必须满足以下条件：满 足采样定理的要求，即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上： 被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的。因此，当采样 频率或信号不能满足上列条件时，利用f f t 分析会产生“旁瓣”和 “频谱泄漏”现象，给分析带来误差。此外，由于f f t 变换是对整 个时间段的积分，时间信息得不到充分利用：信号的任何突变，其 频谱将散布于整个频带。 为解决上述问题，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 r 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。而且 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，克服了以上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 一种新的数字技术被引入工程界后，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 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 域将具有f f t 、s t f t 所无法比拟的优点。 近年来，已有文献介绍应用小波变换方法进行电能质量评估、电 磁暂态波形分析和电力系统扰动建模等电能质量问题的研究。 1 3 2 在电能质量管理方面的趋势： 电能质量的监测方式分为非在线监测和在线监测两种，非在线监 测采用便携式测试仪，不定期对所关注的某些点进行测试，这种测 试方式的弊端如下： 实时性不强：由于监测手段落后、监测周期长，监测点分散， 塑坚查兰堡主兰篁堡茎 造成数据实效性差，管理部门无法及时了解各地区各电压等级的电 能质量水平，从而无法及时采取相应措施改善电能质量。 监测指标少：受监测装置的影响，无法同时提供多项电能质 量指标，如电压跌落、短时断电、电压波动和闪落等等。 缺乏决策判断的依据：由于监测手段的落后，无法对监测点 进行跟踪测试，从而难以深入分析造成电能质量的威因，也难进一 步提出改善电能质量的敏感点。 工作量大：一方面，需要花费很多的人力和物力去采集数据； 另一方面，还要对收集的数据进行大量的统计分析。 效率低：从发现电能质量的问题到解决该问题，往往需要很 长的时间，不利于管理工作的展开，无法形成一个高效率的电能质 量监督管理体系。 由于这些弊端，国内外开始研究在线监测方式。目前我国的电能 质量在线监测一般都以某一个厂家的监测设备为核心，建立小范围 的数据中心，通讯方式有基于m o d e m 的，有基于以太网的，这类 方式存在着明显的闯题： 各监测仪器之间的数据不能互相交换，无法实现数据的共享， 不同测试点考察的电能质量指标不同，而且指标也在不断增 加，那些小范围的数据中心灵活性不够，数据维护困难， 目前数据的分析仍停留在汇总、统计上，没有更进一步的专 家分析系统。 而国外的在线式监测水平明显高于我国，早在1 9 9 3 年，美国电 力研究院e p r i 做了一个课题，针对全美2 4 种不同供电企业的2 7 7 个监测点进行了数据采集和统计分析，研究系统性能如何监测、特 殊的电能质量问题如何监测、为提高供电的服务质量如何监测等等。 这个研究成果成为美国开展电能质量监测的指导方针。随后，e p r i 又针对不同的数据采集源研究制订电能质量数据交换格式p q d i f ， 该格式被i e e e 采纳并将其作为标准来制订。近年来，基于w e b 网 络技术，采用p q d i f 标准格式的在线监测系统已经有成功的应用实 例，并且有关人士正在积极探索和应用如何通过电能质量的在线监 测对电力设备的预防性维护提供一些有用的建议。 根据目前的电能质量监测现状，我们认为应该建立电能质量在线 监测网。以实用性、先进性、可靠性和可扩充性为原则，在全国各 级电网中逐步建立和完善电能质量在线监测系统，并在该网络系统 上建立一套具有管理先进、技术超前的从省公司到各级基层电网之 浙江大学硕士学位论文 间的电能质量在线监测管理信息系统。 电能质量监测的目的是为了更好的改善电能质量，但是仅仅依靠 电能质量的监测是没有办法改善电能质量水平的。电能质量的管理 也是不可缺少的环节，为此必须进行下列工作： 建立质量管理体系 制定与国家标准配套的行业标准或规程。导则 电气产品的电能质量管理。 1 4 、本文的工作 本文在借鉴了很多已有设备的功能和特性的基础上，利用数字信 号处理技术，进行电能质量监测网络端点原型的研究。该系统是建 立在数字信号处理器( d s p ) 和p c 网络的基础上，主要是进行谱分 析、长期电压波动和一些暂态电压分析等，并提供了简单的录波功 能。同时实现了电能质量监测仪就有直接上网传输数据的功能。针 对目前电能质量数据交换没有统一文件格式的情况，采用了i e e e 的 推荐格式( p q d i f ) 来设计实现本系统的交换文件，并提供了应用 实例。该格式适用面广，可扩展性强，这为将来开发更完善的电能 监测系统打下了坚固的基础。 浙江大学硕士学位论文 第二章d s p 原理 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 是一门涉 及很多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以 来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而 生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已 经在通信等领域得到极为广泛的应用。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号 进行采集，变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以符合 人们需要的信号形式。 数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个 方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处 理应用的发展。反过来，数字信号处理的应用又促迸了数字信号处 理理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁。 2 1 、数字信号处理的实现方法： ( 1 ) 在通用计算机( 如p c 机) 上用软件( 如f o r t r a n 、c 语言) 实 现； ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现； ( 3 ) 用通用的单片机( 如m c s 5 1 、9 6 系列等) 实现； ( 4 ) 用通用的可编程d s p 芯片实现； ( 5 ) 用专用的d s p 芯片实现。 在上述几种方法中，第一种方法的缺点是速度较慢，一般可用于 d s p 算法的模拟；第二种和第五种方法的专用性强，应用受到很大 的限制，第二种方法也不便于系统的独立运行；第三种方法只适用 于实现简单的d s p 算法；只有第四种方法才使数字信号处理的应用 打开了新的局面。下面具体介绍一下第三种和第四种方法的区别： 近2 0 年来，将c p u 、存储器和接口电路等集于一体的单片机技 术得到了迅猛的发展。通用单片机以其极高的性能价格比，在控制 领域得到了广泛的应用。尽管单片机的性能在不断的提高，但随着 通用单片机应用领域的不断拓宽，人们还是觉得单片机在高速控制 和复杂运算方面，尤其是在数字信号处理方面显得力不从心，为此 必须寻求性能更优的微处理器来开发这类系统。通用单片机技术的 浙江大学硕士学位论文 普及促进了更高级微处理器芯片的开发。为了提供控制系统的速度 和系统的运算能力，一些高性能的3 2 位微处理器芯片，如 i n t e l 8 0 3 8 6 、a m 2 9 0 0 、t 1 8 8 0 0 等也常用作系统的开发。 那么，我们为什么不用通用微处理器，特别是用高档微机来实现 高速信号处理任务呢? 考察数字信号处理技术的基本运算可以看 出，有三个方面是一般微处理器所不能适应的。 一是d s p 基本运算中，乘法累加、矢量旋转、以及三角函数等是 很普通的，要求能很快的计算： 二是通用微处理器的体系结构对高速信号处理应用中经常出现 的数据结构，例如循环缓冲等，只能提供繁琐的寻址算法，效率很 低： 三是信号处理算法具有很好的并行性，在通用微处理器的体系结 构中就不能有效的利用。 数字信号处理器与通用微处理器之间的关键区别在于体系结构 区别，d s p 对v o nn e u m a n n 体系进行了改进，将程序与数据分开 放在两个不同的存储空间，从而可以使取指令、指令执行完全重叠 进行，就是所谓的h a r v a r d 体系结构。如图2 1 所示。这正是d s p 在信号处理方面的优势。即d s p 具有适应于信号处理技术基本运算 的指令、体系结构，能够完成复杂的灵活的寻址操作，能充分利用 算法并行性。实际上d s p 采用的大都为修正的h a r v a r d 体系结构 d s p 芯片主要是用在数字信号处理方面，数据处理能力很强，但 其他方面的功能较通用处理器弱。为了适应市场的需要，各d s p 厂 家相继把核( c o r e ) 的概念用于d s p 领域，提出了d s p 核( 一般 是d s p 的运算处理器部分) ，并结合用户要求的存储器( 比如 c a c h e 、f l a s h 以及固化的专用软件等) 、外设( 包括串并口、定 时器等) 以及控制逻辑电路而组成特定的d s p 芯片。 浙江大学硕士学位论文 2 2 、d s p 芯片的典型应用 目前t i 公司的t m s 3 2 0 系列在d s p 市场中的占有率最高，而且 我们使用的也使t i 公司的d s p 芯片，所以下面的介绍都是针对 t m s 3 2 0 系列进行的。目前t i 公司主推的d s p 有：定点系列 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 ，浮点系列t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 。其中 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列中也有部分为定点d s p 。下面列表比较三者的特 点和典型应用( 表2 1 ) ： 特点典型应用 c 2 0 0 0 系列价格低，接口丰富，带片通讯；工业控制；交流电机 内f l a s h ，带p w m 发生。的矢量变频控制。 c 5 0 0 0 系列片内并行处理，语音压缩、编码、语音识别； 片内资源多，图像压缩，处理，模式识别： 处理速度快便携式系统：无线通讯，手 机，m o d e m 。 c 6 0 0 0 系列片内并行处理，多媒体信号混合处理；动态 片内资源多，图像压缩、处理；无线通信； 处理速度极快。雷达、宽带通信、声纳。 表2 1t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的特点及典型应用 2 3 、两款d s p 芯片的比较： t m s 3 2 0 系列同一产品系列中的器件具有相同的c p u 结构，单片 内存储器和外设的配置不同。派生的器件集成了新的片内存储器和 外设，以满足世界范围内电子市场的不同需求。通过将存储器和外 设集成到控制器内部，t m s 3 2 0 器件减少了系统成本，节约了电路板 空间。我现在所设计的电能质量监测仪使用的是t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 芯 片，以前所使用的是t m s 3 2 0 f 2 4 0 。下面就这两款芯片进行比较。 ( 1 ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 是t i 公司生产的1 6 位定点数字信号处理器家族 中的一种，主要特性如下： 采用高性能静态c m o s 技术。供电电压5 v c p u 采用t 3 2 0 x l p 核。和t m s c 2 x x 的目标代码兼容：源代码和 t m s 3 2 0 c 2 5 兼容；采用1 3 2 脚p q 封装；5 0 n s 的指令周期。 内存：5 4 4 字x 1 6 位的双端口片内程序数据内存：1 6 k x l 6 位的 片内程序f l a s he e p r o m ：共有2 2 4 k 的寻址空间( 6 4 k 字数据 浙江大学硕士学位论文 空间，6 4 k 字程序空间，6 4 k 字i o 空间和3 2 k 字全局空间) 。 事件管理模块：1 2 个比较器p w m 通道：3 个定时器，分别有6 种计数模式；3 个带有死区带宽的1 6 位完全比较单元；3 个1 6 位的单比较单元。 两个1 0 位的a i d 转换模块，共有1 6 路a d 输入。 2 8 个可编程的多功能i o 脚。 锁相环时钟模块。 硬件狗定时器模块。 串行通信接口模块。 系列外围接口模块。 六个外部中断( 电源驱动保护、复位、n m i 和3 个可屏蔽中断) 。 ( 2 ) 在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 有以下特点： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了 控制器的功耗；3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ，从而 提高了控制器的实时控制能力。 基于t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的代码 核t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 片内高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据，程 序r a m ，5 4 4 字双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定 时器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相反 相器控制；p w m 的对称和非对称波形；当外部引脚p d p i n t x 出现低 电平时快速关闭p w m 通道；可编程的p w m 死区控制以防止上下桥 臂同时输出触发脉冲；3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路：1 6 通道a d 转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷 直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字：6 4 k 字程序存储器、6 4 k 字 数据存储器、6 4 k 字i o 寻址空间。 看门狗定时器模块( w d t ) 。 1 0 位a d 转换器最小转换时间5 0 0 n s ，可选择有两个事件管理器 来触发的两个通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换 器。 控制器局域网络( c a n ) 2 0b 模块。 串行通信接口模块。 浙江大学硕士学位论文 1 6 位的串行外设接口模块( s p i ) 。 锁相环时钟模块。 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入，输出引脚( g p i o ) 。 5 个外部中断( 电机驱动保护、复位和两可屏蔽中断) 。 电源管理包括3 种低功耗模式，并且可以独立将外设器件转入低 功耗模式。 从上面的比较可以看出，2 4 0 7 比2 4 0 的供电电压要低，这样就减 小了控制器的功耗。而且2 4 0 7 的指令周期比2 4 0 要短，所以运算速 度要快很多，可以更实时的处理数据，得出结果。无论是片内还是 可扩展的存储器，2 4 0 7 都比2 4 0 要多，这使得我们可以更方便的使 用。最重要的一点是2 4 0 7 有两个事件管理器模块，可控制的范围要 远远多于2 4 0 ，并且它还具有c a n 模块，为与外界的通讯提供了更 多的选择空间。而且可编程的i o 引脚也高达4 0 个，可以使我们更 方便的扩展外围电路。在价格方面2 4 0 7 也比2 4 0 要便宜。所以通过 比较我们选择2 4 0 7 作为电能质量监测仪的c p u 芯片进行系统开发。 2 4 、开发环境c c s 简介 用d