（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式的电能质量数据采集系统的研究与设计.pdf

摘要 2 0 世纪8 0 年代以来，随着网民经济的高速发展，电的使用越来越广泛。但 是，蚤耱菲线拣、；孛击蛙和不对称经受黄熬丈量投入後弱，霞电疆供魄邀垂馥菲 线性、不稳定稳葶西不对称性嚣趋严重。本文在研究了莺蠢夕 电麓藤交稳关文献麴 基础上，结合最新的计算机技术、信息处理技术、自动化技术、集成电路技术以 及微电子技术，研究和开发了高精度多功能电能威擞数据采集装置，为改善电能 质量和制定有关电能质量的治理措施和政策提供必甏的依据。 黄先，本文分拆了趣爱矮爨磷究豹发震趋势以及邀我爱量数据采煞系统开发 酶必要往，并镑辩鏊内电藐矮爨数据采集系统发震的现状纛存在静阋熬，提出了 一种新的电能质量数据采集系统的三层结构模型：前端d s p 数据采集系统、m c u 数据管理系统朔远程电能质量数据监测与分析系统，分析并证明了该方案对电能 质量数据的监测具有明显的优越性；然后，针对前端d s p 数据采集系统的特殊性 和功能需求，深入缝探讨了数摄袋嶷与a d 转换、三穗同步采样秘d s p 谈心处 瑾等模袭静硬较锌煞设计与开发技术；并在蔫臻d s p 数搀采集系绫酶灏穑上深入 研究了电能质缀数据的d s p 计算方法，提出了一种撼于i e c 标准的波幼与闵变实 时测量算法，并用d s p 进行了仿旗测试，取得了较好的试验效果；个性能强劲 而可靠的m c u 数据管理模块是系统的基础，本文构建了a r m + l i n u x 的系统架构 设计方案，蕾熬辫究了l i n u x 设麓鞭动程序的编写与实理方法，针对嵌入式g u i 环凌下静驱动开发进行了其蒋豹分耩帮设诗；最嚣，鏊予上述磅究髂裁莱，成功 地研制了一种菸于a r m + d s p 的电髓质量数据采集系统。 现场运行缩果表明，该系统艇有稳定可靠、测燃精度高、扩展灵活、安装方 便、操作简单、易于维护、友好的人机交互界面、簿特点，也表明了本文所研发 的残暴豹有效憾秘应用价值。 关键词：电麓矮鬃；d s p ；波动；闪蜜；a r m ；l i n u x 兰三丝垒塞墼皇璧璧薹茎塑垂耋耋墼墼丝耋皇兰鎏 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ee s t a b l i s h m e n to fm a r k e t e c o n o m ys y s t e m ，p o w e re n e r g yh a sb e e na p p l i e dm o r ea n d m o r ew i d e l ys i n c e19 8 0 s 。 h o w e v e r ，t h en o n l i n e a r i t y , i n s t a b i l i t ya n du n b a l a n c eo fe l e c t r i cn e t w o r kt h a tc u r r e n t l y s u p p l yv o l t a g eh a v eb e c a m em o r ea n dm o r es e r i o u sd u et ot h ea p p l i c a t i o no fn o n l i n e a r ， i n s t a b i l i t ya n du n b a l a n c el o a di np o w e rn e t w o r k b a s e do nt h es t u d yo fal o to f d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lr e l e v a n tl i t e r a t u r e sa b o u tp o w e rq u a l i t y , t h i sp a p e r d i s c u s s e dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h eh i g h - - p r e c i s i o nm u l t i - f u n c t i o np o w e r q u a l i t yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mi n t e g r a t e dt h el a t e s tc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , a u t o m a t i o n t e c h n o l o g y ,i n t e g r a t e d c i r c u i t t e c h n o l o g y a n d m i c r o - e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y t h r o u g ht h eo n - l i n ea n dr e a l t i m ed a t ac o l l e c t i o na n d a n a l y s i s ，t h es c i e n t i f i ce v i d e n c e , w h i c hs u p p l yt h ei m p o r t a n td a t af o rl a t e rp o w e r q u a l i t yc o n t r o la n dt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r ss e t t i n gf o rc o n t r o l l i n gd e v i c e ，c a nb e p 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 ya n df o r m u l a t et h ep o l i c yo fb r i n g i n gt h ep o w e r q u a l i t yu n d e rc o n t r 0 1 f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y s e dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ep o w e rq u a l i t yr e s e a r c h a n dt h ed e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n to ft h ep o w e rq u a l i t yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m a i m i n g a tt h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t i e sa n dd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp r o b l e m so ft h ep o w e r q u a l i t yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h et h r e e l a y e rm o d e lo ft h e p o w e rq u a l i t yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ：d s pd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m m c ud a t a m a n a g e m e n ts y s t e ma n dt h el o n g - d i s t a n c ep o w e rq u a l i t yd a t am o n i t o ra n da n a l y s i s s y s t e m 。a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e ra n a l y s e da n dp r o v e dt h ea d v a n t a g e so ft h es c h e m e i np o w e rq u a l i t yd a t ac o l l e c t i o n s e c o n d l y , a i m i n ga tt h ep a r t i c u l a r i t ya n dc o m p l e x i t yo fd s pd a t ac o l l l e e t i o n f o r e p a r ts y s t e mi nt h ep o w e rq u a l i t yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rd e e p l y r e s e a r c h e dt h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo ft h ed a t ac o l l e c t i o n ，a d c o n v e r s i o n ，t r i p h a s es y n c h r o n o u ss a m p l i n ga n dd s pp r o c e s s o rm o d u l e t h e nt h e p a p e rd e e p l yr e s e a r c h e dt h ea l g o r i t h m sf o rm e a s u r e m e n t so fp o w e rq u a l i t yo nd s p , a n dp r e s e n t e da na l g o r i t h mf o rm e a s u r e m e n to fv o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e rb a s e d o ni e cs t a n d a r d ，t h ea l g o r i t h mg o tg o o de f f e c ti ne x p e r i m e n t a t i o no fd s p t h e nt h e p a p e rp r e s e n t e dad e s i g ns c h e m eo fa r m l i n u xa r c h i t e c t u r e a n dr e s e a r c h e dt h e d e v e l o p m e n to fl i n u xd e v i c ed r i v e ra n dd r i v e r so ne m b e d d e dg u ie n v i r o n m e n t i i f i n a l l y ，b a s e do nt h ea c h i e v e m e n to fa b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c h e s ，t h ep a p e r s u c c e s s f u l l yd e s i g n e dap o w e rq u a l i t yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do nd s p & a r m t h ef i e l dw o r kp r o v e dt h a tt h es y s t e mh a v eh i g hr e l i a b i l i t y ，h i g hp r e c i s i o n ， f l e x i b l e e x p a n s i b i l i t y ，f r i e n d l y m a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o ni n t e r f a c e ，c o n v e n i e n t d e b u g g i n ga n dm a i n t e n a n c ee t c ，w h i c hi n d i c a t e dt h ev a l i d i t ya n da p p l i c a t i o nv a l u eo f t h er e s e a r c hr e s u l t k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；d s p ；v o l t a g ef l u c t u a t i o n ；v o l t a g ef l i c k e r ；a r m ；l i n u x i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 储虢申钐步吼口二年扩月咖 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密卒。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： r 卜 形巩 杪姒 冲新 硕士学位论文 1 1 电能质量的概念 第1 章绪论 迄今为止，一方面，用什么样的词语来描述供电与用电( 系统与负荷) 双方的 相互作用和影响还未完全统一；另一方面，人们对电能质量的技术含义还存在着 不同的认识，还未能给出一个准确统一的定义。 起初，人们在谈到供电与用电( 系统与负荷) 双方的相互作用和影响问题时， 使用的技术名词上很不规范。例如，有使用“e l e c t r i cp o w e rs y s t e m sq u a l i t y ”( 直 译为电力系统质量) ，或使用“q u a l i t yo fp o w e rs u p p l y ”( 供电质量) 等词语的， 对其含义也各有解释【1 1 。有文献报道，在1 9 6 8 年发表的一篇关于美国海军电子 设备电源规范研究的论文中，最先使用了“p o w e rq u a l i t y ( 电能质量) 这一词语。 与此同时，前苏联等国家开始使用“v o l t a g eq u a l i t y ”( 电压质量) 。此后，越来越 多的研究人员表现出对电能质量或电压质量的关心，并在关于电能质量问题应采 用规范的技术名词上逐渐趋向一致，i e e e 标准化协调委员会和国际电工委员会 ( i e c ) 也接受了“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 这一术语【2 5 】。但是，i e c 此前并 没有采用“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 这一术语，而是提出使用“e m c ”( 电磁兼 容) 【6 】术语，指出和强调设备与设备之间的相互作用和影响，以及电源与设备之间 的相互作用和影响。 什么是电能质量，由于出发点不同，电能质量存在很多不同的定义。i e e e 标准化协调委员会对电能质量的技术定义为【2 】：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( 在许多情况 下，接地系统对电能质量有很大的影响，以往对其认识不足) 。国际电工委员会 ( i e c ) 给出的电能质量定义是指：在电力系统中某一指定点上电的特性，这些 特性可根据预定的基准、技术参数来评价。而在i e c 提出的电磁兼容概念中，采 用排放( e m i s s i o n ) 来表示由设备产生的电磁污染【4 】，反映出电流质量问题【6 】，采用 抗扰( m m u n t y ) 来表示设备免除电磁污染的能力，反映电压质量问题。但是，电 力公司常将电能质量定义为供电可靠性，并用统计数字来表示；设备制造商常将 电能质量定义为能使设备正常运行的供电特征，因此不同的设备制造商往往采用 不同的电能质量指标；从用户方面考虑，电能质量定义为导致用户设备失效或不 能正常工作的电压、电流或频率偏差。除此之外，在这一研究领域的许多文献和 报告中还采用了一些并未得至0 公认的定义。例如，有把电能质量描述为众多单一 类型的电力系统干扰问题总称的；有把电能质摄简单定义为优质供电的。 另外，在电工学中、“p o w e r ”( 电力、魄功率等) 韵含义是指能量传输的速 率，它与电压和电滚螅乘积成正比，“p o w e r ”本身并不具冬壤量鼹牲，因此不 可能定义这一物理量的质照概念。因此需鼹采用其他概念来描述供电与用电( 系统 与负荷) 双方的褶互作用和影响的问题，尽管这些术语和定义未得到公认，如： 电匿质量，给爨实黪逮压与理想电器闻黪攘羞，戳发映供邀部门蠢惩户供给静电 力是否合格；电流质量( c u r r e n tq u a l i t y ) ，为反映与电压质量有紧密关系的电流 变化情况，除了对用户取用电流提出恒定频率征弦波形要求外，还力图使该电流 波形与供瞧电爨霜稳住，以保程系缝以赢功率函数逮行；供毫囊鬃( q u a l i t yo f s u p p l y ) ，它包括技术含义和非技术含义两部分，技术含义有电压质量和供电可靠 性，非技术含义是指服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，它包括供电部门对用户投诉与 撬怨瓣反疲速浚帮毫力侩格熬逶赘溲等；雳瞧质豢( q u a l i t yo fc o n s u m p t i o n ) 包 括电流质擞和戢技术含义，如用户是否按时、如数缴纳电费等，它眨映供用双方 相互作用与影响中用电方的责任和义务；如此等等，这壁不一一列举【7 00 1 。 蠢诧蜀冕，孵至今疆在供溺电双方，甚至在电力研究者中关予电能麓量的范 畴、定义，以及质量下降的起因等许多方谣仍卷在麓分蚊与争论，程使鼷的提关 名词上也并未完全达成共识。不过，采用“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质艟) 术语描述 茯电与簿电系统与负荷) 双方的相互作用帮影响不议已经蘑本得到普遍接受，而 且统一到“p o w e rq u a l i t y ”( 电链质爨) 术语已是一秘必然趋势。 1 2 电畿质羹研究豹臂景稻意义 1 2 ，1 开发电能质量数据采集装置背景 ( 1 ) 我重魄力系绞急焉奁性能电能袋量数据采集装嚣 2 0 世纪8 0 年代以来，随着国民经济的高速发展，电的使用越来越广泛。但 是可控硅熬流器、电弧炉、轧钢机、电力机车、计算机及备种通讯设备等非线性、 冲毒瞧翻不对称性受蕊的大量投入使鼹，使毫嬲供墩毫压豹j 线淫、不稳定经和 不对称性臼趋严匿”“。小到计算机死机、硬盘受损，大到变压器过热、企业生产 线停产等一系列因电能质羹引起的供电事放时有发生。电能质嫩的恶化威胁着国 民经淡的安全、歪零运行。妇何提高秘僳谖奄熊震量已经成为我国亳力系统萄幅 的重簧问题。为了改蓥电能质鬣和制定有关电能质量的治理措施和政策提供必要 的依攒，电力部门需对电能质量进行涟续的监测。 蠡j 于魄力宅予器件擒袋静各静装覆在魄力系统中被广泛应用，一方面对电力 系统的电能质量提出了更高的要求，另一方面绘电力系统荣来7 赣的污染，恶佬 2 硕士学位论文 了电能质量，使传统的电能质量指标体系不能适应新的情况，迫使提出和推行新 的电能质量指标体系，从而使传统的电能质量数据采集装置面临淘汰的命运，开 发和使用新的高性能电能质量数据采集装置成为必然。 ( 2 ) 电能质量监测技术发展的必然趋势 随着电力系统的发展和科学技术的进步，尤其是近二十年来，微电子技术、 计算机技术、精密机械技术、高密封技术、特种加工技术、集成技术、薄膜技术、 网络技术、纳米技术、激光技术、超导技术等高新技术获得了迅猛发展。这一背 景和形势，不断地向电能质量监测提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度 更快、灵敏度更高、稳定性更好、使用更方便、成本更低廉等。目前，电能质量 监测向着计算机化、网络化、智能化、多功能化的方向迅速发展，而且由于大量 采用高新科学技术的研究成果、跨学科的综合设计、高精尖的制造技术与严格科 学的实际应用，因而使得它还正朝着更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被 分析、检测、控制对象全方位信息的方向阔步前进。可以看出，高科技化不但是 现代电能质量监测的主要特征，也是新世纪电能质量监测的发展主流。电能质量 监测产品的高科技化，日益成为电能质量监测科技与产业的发展主流。 与此同时，计算机技术、信息处理技术、自动化技术、集成电路技术以及微 电子技术的迅速发展，为发展高性能电能质量数据采集装置提供了坚实的物质基 础，也为仪器仪表企业开发高性能电能质量数据采集装景提供了机遇。 ( 3 ) 我国电能质量意识日趋增强及电能质量制度日益完善 随着电力电子技术在电力系统中的广泛应用以及各种家用电子电器普及化， 不管是电力系统内部，还是一般公民，对电力系统的供电质量的要求在不断提高， 满足于电能送，灯能亮的时代已经成为过去，尤其是随着电能商品化，人们对电 能这种特殊商品的质量要求越来越挑剔。与此同时，国家对电能质量非常重视， 先后颁布了6 个电能质量标准、电力法、电网电能质量技术监督管理规定、 关于加快城市电网建设改造的若干意见，电力工业部下发了关于颁发 的通知，使得电能质量的检测和管理工作纳入了法 制化轨道，从而大力促进了电能质量监控技术的发展。上世纪8 0 年代至今，特别 是近1 0 年时间内，各种便携式、在线式电能质量数据采集装置获得了长足的发展， 并在向系统化、网络化方向快速推进。 ( 4 ) 我国电能质量监控技术与国外先进电能质量监控技术相对落后 虽然我国能质量监控技术近年取得长足发展，但是与国外先进的电能质量监 控技术水平相比，差距非常明显。目前，我国对电能质量的研究、分析和监测和 控制，主要集中在六个方面：供电电压允许偏差( g b t 1 2 3 5 2 1 9 9 0 ) 【1 、电力系 统频率允许偏差( g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 1 2 1 三相电压允许不平衡度( g b t 15 5 4 3 1 9 9 5 ) 1 ”j 、电压允许波动和闪变( g b t 1 2 3 2 6 1 9 9 0e 1 4 1 及g b t 1 2 3 2 6 2 0 0 0 t 15 1 ) 、公用电网 基于嵌入式的电能成璧数据采集系统的研究与设计 谐波( g b t 1 4 5 4 3 1 9 9 3 ) 1 1 6 。磷方发达国家如美国、加拿大等网，对电能质量的 研究、分析和监测范围已远远超过我国的电能质量的标准，如加拿大的电能质精 攒标鸯2 5 个，美国赘毫能质量簸测邑经扩展蠲户端等等。概括越来，西方发达酒 家的电能质量监测不仅包括了我国的全部指标( 6 项) ，丽且包括了暂态过程 ( t r a n s i e n t s ) 、长持续时间( l o n gd u r a t i o nv a r i a t i o n s ) 、短持续时间( s h o r td u r a t i o n v a r i a t i o n s ) 等毫戆矮凝指标，我国蠢麓震羹蓝揆按术还有很大纳发鼹空闯。 1 2 。2 开发电麓顼遂数据采集装置意义 在现代社会中，电能成为极为重要的能源，作为电能裁体的电力系统，无不 受到嫠器各国静舞度羹视，电力系统豹鬟模空嚣庞大，两在亳力系绕瀚发瞧、输 电、配电、用电的各个环节对电能质爨都露严格的要求。当前，电能质量已受到 了越来越多的电力企业和电力用户的关心，而在线监测是电能质量监测技术的新 熬势。 我国自2 0 世纪9 0 年代开始发展电能矮量数据采嶷装爨，已取穆骠人成绩。 但是，电能质量数据采集装蔑行业整体综合技术水平尚只能达到国际20 世纪8 0 年代末期或9 0 年代裙的东平，与国外先滋永平褶院存在较大豹差距。智能纯程 度低、监测精度不赢、指标少是其主瑟表瑷。每年簧黉进翻数璧不少数裹性能懿 电能质量数据采集装擞以满足国内市场需求，造成产晶价格居高不下，因此迫切 需要发展我函有螽主知识产权的高性能电能质量数据采集装置。另外，开发具有 囊主知识产权的态性能电能质量数据袋集装置，瞧鸯剃于耀户节约辨汇、减少支 出，还能改变我圈目前技术上受制于人以及市场被国外垄断的困境，推动因内商 科技电能表的发穗。潮此我们进行高挂能电能质量数据采集装置开发研究舆有重 要敕鼓会意义。 在线式电能顾量数据采集装鼹将集成谐波监测仪、电能计量仪、电能蠖量数 貉采集装置、电力故障录波仪、电量参数稔测仪等，属高新技术项目。在线式电 熊质量数据莱集装踅不仅哥广泛耀予邀力系统蠢罄静变，配电菇，氇广泛焉予各种 工业、电气他铁道、城市地铁以及重要的商业、农业和民用用户，也可作为教学、 科研的实验设备，国内外市场容艇应程数十亿元人民币以上。 1 ，3 电能质量数据采集装置的前景 邀力工犍熬浚速发展篌褥配电系统舀懿复杂，当轻微豹奄力阎送褒褥鞠显之 前，工业设施配电系统就可能接近崩溃了。如何从技术上瓣决电能质嶷的餐理蚓 题，除了加强电能质量的科学研究外，还要成立备级电力拽术检测鉴定机构，广 4 坝士学位论又 泛使用先进的电能质量检测仪、配备高质量检测校准仪和标准电源。只有使用高 标准的电能质量监测装置，才能及时、准确地发现电网中存在的电能质量隐患， 为做出有效的技术控制提供保障。 在现代电力市场模式下，除了从技术角度来理解电能质量概念外，更应该站 在管理的角度上，建立一个客观的、多种指标体现的、综合的电能质量管理体系， 对发、供、用三方对电能质量的控制和影响进行科学的管理。一个全面的电能质 量管理工作包括三个方面：电能质量的脓督制度制定；电能质量分析测试开展； 电能质量治理工作。其核心是电能质量的综合测试分析。只有使用高性能的电能 质量检测仪器，才能全面、准确地测试分析电能质量的各项指标。 电力作为一种特殊的商品，其不可摆脱的一般商品属性一一“电能质量”问 题日益受到供用电双方的重视，对电能质量进行实时监测也随之逐渐成为一种必 然要求，这就要求电能质量检测仪器形成系列化，以满足各种供电环境下的电能 质量监测之需。因此，在电能质量倍受关注的新世纪，在线式电能质量数据采集 装置无疑具有广阔的应用前景。 电能质量数据采集主要是为下一阶段的电能质量控制提供必要的量化的数据 支持，并将进一步向电能质量控制发展。电能质量控制是一个复杂的系统工程【l 。n ， 它涉及到电力系统、电力电子、自动控制等多个方面。电能质量控制方法很多， 总体上可以分为2 大类：传统控制技术和柔性控制技术。传统控制技术主要针对 电能质量电压偏差进行控制，主要采用稳态电压调整的装置，如并联电容器、并 联电抗器、变压器分接头等。传统稳态电压调整装置对电能质量问题反应速度慢、 控制不精确、调节能力有限，过去一般采用手动控制的方法，现在有一部分装置 采用了自动投切的方法，其控制策略既有非常简单的开环控制，也有采用模糊控 制、智能控制等现代控制策略的。 目前国外有关电能质量控制的研究正掀起高潮，正在大力发展用户电力技术 ( c u s t o mp o w e r ) ，这是一种应用现代电力电子技术和控制技术为实现电能质量控 制和为用户提供特定要求的电力供应的技术。 我国在电能质量方面的研究总的来说才刚刚起步，大部分研究都局限在谐波 和无功补偿的范围内，与国外还存在着很大的差距，各种a p f 、d v r 、u p q c 等 电能质量补偿装置仍处在理论研究和实验研究阶段。 1 4 电能质量数据采集装置的市场需求 我们拟研制的在线式电能质量数据采集装置，基本精度达0 2 级，具备6 项 国家电能质量标准监测能力，能够检测所有基本电力参数，拥有丰富的数据传输、 数据管理和图文报表功能，还可以根据用户需要扩展电能计量，属于国内领先水 萋于嵌入式韵电能壤璧数据采艇系统豹耕究与设计 平，这麓国际中高档滚麓震羹数据采集装置零平，哥激与瓣蓠在我国市弱看驽静 国外莱姆公司( 瑞士) 、f l u k e 公司( 美国) 等的现有电能质量数据采集装置相娥 荧，甚至在一塑方瑟燮整一筹，适臻予发电厂、交魄搿、酝窀变舔器、互窿韭邀 力用户、实验黧等。并且，我们充分吸收了国内外目前一必大型电能质量监测仪 爨公司瓣技术袋集，充分蔽浚了国家建笺矮爨懿最耨标准，充分缀收了嚣蓠徽电 子技术发展的墩新成果，具有很强的后发优势，可以推出性能与莱姆公司的电能 簇量监测分辑仪程燕美、绞楱逶低予菜姆公蠲馥寒标准毫麓痰量数器采繁装嚣， 因此我们拟研制的在线式电能质量数据采集装置的市场需求前景很好。 1 5 本文所做的主要研究工作 本文以研制新型商精度多通道电能质量数据采集装置为背景，探讨现代电力 聚统蛉嗽能质擞基础理论，磺究电戆矮量测爨戆理论方法葶鞋d s p 实现鼓寒，磺 究数据萤理、输出的理论方法和嵌入式a r m 实现技术，在完成新型高精度多通 邀电能殿量数攒采集装鼹研铡工作中，势对魄戆质鬃基础鬓论弱电能质量捡测测 鬣新理论方法进行了有益的探索。 本文的主要研究工佟如下； t 、提出并设计一种电能斌量数据采集系统的整体结构，并对备个部分的工作 原理及过程作了简单的介绍。 2 、研究了前端d s p 数据采集系统模块软、硬件设计技术，利用高速1 6 位 a d 转换器和d s p 高速数字信号对各桷电流、电压邀括高速实时采集，由d s p 完 成对基本电参量、谐波、闪交等的测麓与分析工作。 3 、研究了呶能质量数据的d s p 算法的突现，详缨介绍了波动与闪交爨法模 塑豹实现过程。 4 、研究了m c u 数据管理系统模块的硬、软件设计技术，实现了基于a r m 帮l i n u x 韵m c u 数据管理系绕。 5 、研究了嵌入式g u i 系统模块的设计技术，对基于g u i 的设器驱动的开发 避行了详维豹介绍。 6 硕士学位论文 第2 章电能质量数据采集装置的总体设计 2 1 装置的三层结构 电能质量数据采集装置采用层次清晰的模块化设计方案，主要由三个层次系 统构成，包括：前端d s p 数据采集系统、m c u 数据管理系统和远程电能质量数 据监测与分析系统，总体结构如图2 1 所示。利用高速h p i 总线连接方式组成的 多d s p + a r m 嵌入式系统，将d s p 高速数字信号处理功能和嵌入式系统稳定可靠的 管理功能完美结合。其基本工作原理如下： 高速1 6 位a d 转换器和d s p 高速数字信号对各相电流、电压进行高速实时采 集，由d s p 完成对基本电参量、谐波、闪变等的测量与分析工作。计算数据通过 高速h p i 通信接口和管理层进行数据交换；管理层采用先进的嵌入式a r m 和稳定 的l i n u x 嵌入式操作系统组成，主要完成显示、数据统计、存储、通信等工作。 图2 1 电能质量数据采集装置总体结构图 1 、前端数据采集系统：本项目的电能质量监测系统e h d s p 部分完成对8 路信 号的检测，经过过锁相同步后进行模数转换，d s p 处理器完成各项电能指标的分析 董主堂垒鎏墼耋2 1 重塞鍪堡蒌叁至釜塑墼童量篓兰 计算、存储和上传，m c u 部分完成对d s p 数据的分析、存储和显示。d s p 部分 包括a 国转换单元、镇褚确步单元、数据处理单元d s p 、程序存储警元, f l a s h 、 数据存德单元s d r a m 、逻辑攘裁零元等模块，其结梅絮图2 2 掰示。 s d r a m f l a s h m c u 存储 显示 密2 2 蘩端数据采集系统结毒奄图 2 、m c u 数撼管理系统：位于整个系绞的中润层，起蕃承上癔下的佟用。考 虑到电能质量数搬采集装鼹需疆不间断地运行农恶劣工业环境中，我们采用 a r m + l i n u x 嵌入式系统作为m c u 负责数据管理和对外通信，最大限度的确保了设 备可靠稳定地运行。为了充分提高装置的适应性，我们在a r m 芯片的外围器件中 豳2 3a r m 系绞硬1 牛构成框暾 集成了目前多种通信接口：4 8 5 接口、2 3 2 接口、u s b 接口以及以太网接口。a r m 系统硬件梅成框图如闰2 3 所示。 3 、远程电能质攫数据脏测与分析系统：位于整个系统的最顶层，通过确定系 统的熬体体系梅架精，在爨体实藤架梅酶进程中，电能葳量数籀采集系统采角了 分子系统、分模块实现的思路，经过对监测系统具体的业务进行分析，整个系统 一共设计了鼗示子系统、秘始往翻参数设蹩子系绕、应箱堑务鲶瑗子系统、d s p 数据读写予系统等4 个子系统来究成系统的功能如图2 4 所示。通过w e b 服务 器和阏络，蹭户在远溃藏霹疆对宅能质量篮测装潼迸彳亍实薅蓝溺，并撼供统诗分 析处理、数据存储与删除、数据查询、数据通信处理等系统管理功能。 网2 4 远程电熊质量数据监测与分析系统结构图 2 2 装置的主要功能 电能质艇数据采集装霸主要实现国家标准中关于电能质量的五大指标：电压 镳差、频率镳差、电压波动与闲交、谐波与阗谐波、三提不平餐等粒梭测，势能 够实现对基本电量如电压、电流、功率、功率因数、频率等参数进行商精度的测 量；熊够采用多神邋讯方式实现逡穗组网避