（轮机工程专业论文）船舶电网电能质量实时监测终端的研究与设计.pdf

r e s e a r c ha n dd e s i g no fr e a l t i m ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g t e r m i n a lb a s e do ns h i pg r i d at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e rd e g r e e b y z h a n gq i n j i n ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uy a n c h e n g m a y 2 0 1 1 眦4jiii_哪269舢8_-_y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文! 盛魑鱼圆鱼篚厦量塞瞪监型终竭的婴塞皇遮让：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：鏊翔! 塾一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密d ( 请在以上方框内打“，) 论文作者签名：毵嘞谴岁师签名： 日期：炒悻6 月 中文摘要 摘要 随着船舶工业的发展，船舶电力系统的规模不断增大，电力推进方式也逐渐 成为了船舶技术的发展方向。船舶电力系统是船舶中一个极其重要的组成部分， 它与船舶各个系统均有牵连，直接影响着船舶运行的安全性与经济性，故如何提 高船舶电网的电能质量，确保船舶电力系统安全经济地运行已经成为了船舶工业 的焦点之一。本文针对船舶电网这一特殊微电网的电能质量展开研究，比较并分 析了陆地电网和船舶电网在电能质量衡量标准上的差别，并在此基础上设计了一 种基于d s p + a r m 架构的船舶电网电能质量实时监测终端装置，用于监测船舶电 网的基本电参量及电能质量参数。 在设计过程中，首先根据测量原理详细阐述了双c p u 架构的监测终端硬件和 软件的设计思想，并对d s p 采集及运算的时序进行了分析，结论证明系统能够满 足实时性的设计要求。硬件部分主要分为4 个模块，分别是信号采集模块、d s p 处 理模块、a r m 工程模块及电源模块。其中信号采集模块的功能是将高电压、大电流 信号转化为可直接测量的低电压信号；d s p 处理模块将采集上来的信号运算并存 储；最后由a r m 工程模块显示并通信。软件部分分为d s p 和a r m 两部分，d s p 部分 采用了f f t 实现各电能质量参数的计算，并利用双口r a m 进行数据的存储；a r m 部 分采用了l i n u x 操作系统为软件平台，成功将l i n u x 2 6 内核及嵌入式图形界面移 植进$ 3 c 2 4 1 0 芯片中。l i n u x 嵌入式操作系统的引入不仅提高了系统的可靠性，而 且使得应用程序的开发与扩展变得相对简单，缩短了系统的开发周期。本文还重 点强调了装置的抗干扰设计，通过硬件芯片的选型、滤波电路的设计、印刷电路 板的制作及软件编程实现最大程度的抗干扰。 最后本文对监测终端已完成部分的实验结果进行分析。实验结果证明了设计 思路的正确性，该装置能够完成量程内的高电压、大电流及频率信号的长期监测， 并且满足预定的精度要求。 关键词：船舶电网；电能质量；实时数据采集；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；嵌入式操作系统 r 一 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es h i p p i n gi n d u s t r y ，t h es i z eo fs h i p s p o w e rs y s t e mi s b e c o m i n gm o r ea n dm o r el a r g e ，a n de l e c t r i cp r o p u l s i o nm o d e a l s oi n c r e a s i n g l yb e c o m e s t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fs h i p p i n gt e c h n o l o g y s h i pp o w e rs y s t e mi sav e r y s i g n i f i c a n tp a r tw h i c hi n v o l v e dw i t he v e r ys y s t e mi nt h es h i p ，i td i r e c t l ya f f e c t st h e s e c u r i t ya n dt h ee c o n o m yo f t h es h i po p e r a t i o n s oh o wt oi m p r o v ep o w e rq u a l i t yo ft h e s h i pp o w e rs y s t e m ，e n s u r es a f eo p e r a t i o no fs h i pp o w e rs y s t e mh a sb e c o m eo n e o ft h e f o c u s e so fs h i p b u i l d i n gi n d u s t r y t h i sp a p e rc o n d u c t sr e s e a r c ht op o w e rq u a l i t yo ft h e s p e c i a lm i c r og r i d s h i pp o w e rg r i d ，a n dt h e nc o m p a r e sa n da n a l y z e st h e d i f f e r e n c e so f i ti nt h em e a s u r e m e n ts t a n d a r d sb e t w e e nt h el a n da n dt h es h i pp o w e rg r i d a tl a s t ，t h i s p a p e rd e s i g n sa r e a l t i m es h i pp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gt e r m i n a lb a s e do nd s p + a r m ， w h ic _ hc a nb eu s e dt om o n i t o rt h eb a s i cs h i pp o w e rs y s t e mp a r a m e t e ra n dp o w e rq u a l i t y p a r a m e t e r s i nt h ed e s i g np r o c e s s ，f i r s ta c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l e ，w ee x p l a i n si n d e t a i lt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nt h o u g h to fm o n i t o r i n gt e r m i n a lb a s e do nt h e d u a lc p u t h e nt h et i m i n go fd a t aa c q u i s i t i o na n dc a l c u l a t i o nw h i c hp r o v e st h a td i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o rc o u l dm e e tt h er e a l t i m er e q u i r e m e n ti sa n a l y z e d t h eh a r d w a r ec i r c u i t c a nb ed i v i d e di n t of o u rm o d u l e s ：s i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ，d s pp r o c e s s i n gm o d u l e ， a r me n g i n e e r i n gm o d u l ea n dp o w e rm o d u l e t h ef u n c t i o no fs i g n a la c q u i s i t i o n m o d u l ei st oc o n v e r th i i g hv o l t a g e ，h i g hc u r r e n ts i g n a li n t ot h el o w v o l t a g es i g n a lw h i c h c a nb ed i r e c t l ym e a s u r e d ，t h e nt h es i g n a li sc a p t u r e da n ds t o r e du pt h r o u g hd s p p r o c e s s i n gm o d u l e ，a tl a s ti tc a nb ed i s p l a y e da n dc o m m u n i c a t e db ya r m e n g i n e e r i n g m o d u l e t h es o f t w a r ei sd i v i d e di n t ot w op a r t s i nt h ed s pp a r t ，w en e e dt of i n i s ht h e c a l c u l a t i o no ft h ep o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r s ，a n df f t i sa d o p t e dt oi m p l e m e n th a r m o n i c c a l c u l a t i o n ，a tl a s ta l lt h ep a r a m e t e r ss h o u l db ed e p o s i t e di n t od u a l p o r tr a m t h e a r mp a r tu s e st h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e ml i n u xa ss o f t w a r ep l a t f o r m ，w e s u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n t sl i n u x 2 6k e r n e la n di m b e d d e dg r a p h i c ss o f t w a r ei n t ot h ec h i p $ 3 c 2 410 t h ei n t r o d u c t i o no fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ml i n u x ，n o to n l yi m p r o v e s s y s t e mr e l i a b i l i t y ，a n dm a k e sa p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ta n de x p a n s i o nb e c o m er e l a t i v e l y s i m p l e ，a n dm a k e st h es y s t e md e v e l o p m e n tc y c l eb e c o m es h o r t e r i na d d i t i o n ，t h i s p a p e re m p h a s i z e st h ed e v i c ea n t i - i n t e r f e r e n c ed e s i g n ，t h r o u g ht h es e l e c t i o no fh a r d w a r e c h i p ，t h ed e s i g no f f i l t e rc i r c u i t s ，t h ep r o d u c t i o no fp r i n t e dc i r c u i tb o a r d sa n ds o f l w a r e p r o g r a m m i n ga c h i e v e sm a x i m u md e g r e eo fa n t i - j a m m i n g f i n a l l y , e x p e r i m e n t a lr e s u l t sb a s e do nf i n i s h e dp a r tw h i c h p r o v e st h ec o r r e c t i o no f t h ed e s i g na r ea n a l y z e d t h ed e v i c ec a n c o m p l e t el o n g t e r mm o n i t o r i n go fh i g hv o l t a g e ， h i g hc u r r e n ta n df r e q u e n c ys i g n a lw h i c hw i t h i nt h er a n g e ，a n dm e e tt h ea c c u r a c y r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：s h i pp o w e rg r i d ；p o w e rq u a l i t y ；r e a lt i m ed a t a a c q u i s i t i o n ； t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m 目录 目录 第l 章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 电能质量概念及标准2 1 2 1 电能质量的概念2 1 2 2 电能质量国家标准简介2 1 3 国内外研究现状4 1 3 1 电网电能质量问题的研究现状4 1 3 2 船舶电网电能质量的研究现状4 1 3 3 电能质量监测装置的研究现状一5 1 4 本文所作的工作一8 第2 章船舶电网电能质量分析及测量方法10 2 1 通用电网的电能质量指标10 2 1 1 电压及频率值变化的指标l o 2 1 2 波形与畸变的指标1 2 2 1 3 功率畸变的指标1 4 2 1 4 电压电流不平衡的指标1 5 2 2 船舶电网的电能质量指标16 2 3 船舶电网电能质量测量方法l9 2 3 1 电流电压有效值的测量2 0 2 3 2 频率的测量2 0 2 3 3 功率及功率因数的测量2 0 2 3 4 谐波的测量2 l 2 4 本章小结2 2 第3 章监测终端硬件设计2 3 3 1 系统硬件总体设计方案2 3 3 2 信号采集模块的设计2 4 3 2 1 模拟信号采集及预处理2 5 3 2 2a d 转换2 7 3 3d s p 数据处理模块的设计3 0 3 4a r m 工程模块的设计3 3 3 5 电源模块的设计3 5 3 5 抗干扰设计3 7 3 6 本章小结3 7 目录 第4 章监测终端软件设计3 9 4 1d s p 处理模块软件设计3 9 4 1 1 软件设计思想3 9 4 1 2 软件主程序及中断程序设计4 0 4 1 3 数据处理程序4 3 4 2a r m 工程模块软件设计4 4 4 2 1 典型的嵌入式操作系统4 4 4 2 2 嵌入式l i n u x 开发环境的建立与配置4 6 4 2 3 l i n u x 内核的裁剪与移植4 8 4 2 3a r m 单元软件设计4 9 4 3 本章小结5 l 第5 章监测终端的功能及实验结果分析5 2 5 1 电能质量实时监测终端功能介绍5 2 5 2 实验结果与分析5 3 5 2 1 数据采集模块测量结果与分析5 3 5 2 2 数字量结果与分析5 6 5 3 本章小结6 0 第6 章结论与展望6 1 6 1 结论6 1 6 2 展望6 2 参考文献6 3 攻读学位期间公开发表的论文一- 6 7 致谢6 8 研究生履历6 9 船舶电网电能质餐实时监测终端的研究与设计 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着科学技术的不断发展和人民生活水平的不断提高，电能的使用与同俱增， 各种电气设备越来越多，电力在我们生活中扮演的角色越来越重要。众所周知， 电能也是商品的一种，也有优劣之分，随着国民经济的飞速发展，近年来，电能 质量问题逐渐引起人们的重视【l 】。一方面，各种电力电子器件和非线性设备广泛使 用，从低压小容量家用电器到高压大容量工业设备，都会给电网带来大量的非线 性负载，引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网的谐波污染。另外，诸如 电弧炉、大型轧钢机、电力机车等冲击性、波动性强的负荷在运行过程中不仅会 产生大量的高次谐波，而且会给电网带来电压波动、闪变、三相不平衡等诸多电 能质量问题。另一方面，由于工业自动化水平不断提高，大量带微处理器及p l c 的高精密设备被应用于工业领域，而这些高精密设备往往容易受到电能质量扰动 的影响，电能质量问题j 下变得同益严峻【2 1 。 就船舶电网而言，近年来，随着自动化水平的提高，用电设备不断增加，发 电量及用电量急剧上升，但电能质量问题却没有得到很好的重视，它直接或n l j 接 地影响了船舶运行的安全性和经济性。船舶电网电能质量问题越来越严重f 刈j 具 体有以下几个原因： ( 1 ) 船舶电力系统中用电负荷的结构发生了较大的变化，负荷的种类和容量 有显著增长，大量自动化设备和电子装置投入使用。比如船舶上曾大量 使用的机械液压式调速器己被电子式调速器所取代，同时越来越多地应 用轴带发电机。近年来，船舶电力推进方式成为船舶技术的发展方向， 大量同步电动机被使用于船舶电力推进中，其变频器有交直交变频器、 交交变频器和p w m 变频器，这些都需要使用g t o 、i g b t 等大功率电 力电子器件。而这些装置和器件的使用都将给电能质量带来不利的影 响。 ( 2 ) 船舶电网中存在一些大负载，其占电网总容量的百分较高，合闸会带动 多台发电机并联运行，而多台发电机在并联运行时的次瞬态电抗对谐波 的影响较大。 第1 章绪论 ( 3 ) 船舶电网运行过程中，其功率因数较低。 ( 4 ) 船舶电网是一个独立的小容量电网，冲击性和波动性负载较多，在运行 过程中不仅会产生大量的谐波，而且会使得电网的电压电流波动，闪变 及三相不平衡问题r 趋严重。 鉴于以上各种因素，为了电力系统的安全运行，电力终端用户的安全用电， 更为了降低损耗，提高设备使用效率及寿命，改善船舶电网电能质量迫在眉睫。 要全面掌握电能质量污染的实时状况，首先必须通过实时的监测手段来获取电能 质量的相关信息，这是进行电能质量综合治理的前提和基础。因此结合船舶电网 的特殊要求，研制符合国家测量标准的电能质量监测装置具有很强的现实意义。 1 2 电能质量概念及标准 1 2 1 电能质量的概念 从普遍意义上讲，电能质量就是指电网供到用户端的交流电能的质量。但是 由于人们看待问题的角度不同，所以迄今为止，国内外对电能质量的确切定义尚 不能形成统一的共识。但绝大多数专家认为：电能质量的定义应理解为：导致用 户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备故障或误动作 的任何电力问题部是电能质量问题【5 - 6 。 国际电工委员会( i e c ) 标准将电能质量定义为：供电装置正常工作情况下不中 断和干扰用户用电力的物理特性。 i e e e 协调委员会对电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的技术定义为：合格的电能质 量是指敏感设备提供的电力和设置的接地系统均是适合该设备正常工作的。 无论如何表达，电能质量的概念中应包括电能供应过程中所要考虑的一切方 面。 1 2 2 电能质量国家标准简介 从1 9 9 0 年至2 0 0 1 年的1 1 年问我国陆续制定和颁布了6 项电能质量国家标准， 并在之后又进行了2 次修订【7 1 羽。这六项电能质量国家标准的摘要如下表所示。 2 船舶电网电能质鼙实时监测终端的研究与设计 表1 1 电能质量国家标准 t a b 1 1n a t i o n a ls t a n d a r d so fp o w e rq u a l i t y 标准编号标准名称 允许限值 g b 厂r1 2 3 2 5 电能质量 供电 1 3 5 k v 及以上正负偏差绝对值之和不超过1 0 2 0 0 8 电压偏差2 1 0 k v 及以下三相供电为7 3 2 2 0 v 单相供l 乜为+ 7 ，1 0 4 对供电点短路容箭较小、供电距离较长以及对供电电压 偏差有特殊要求的川户，由供州电舣方协商解决 g b 厂r1 2 3 2 6 l 乜能质量电压 电压变动d 的限值与变动频皮r 有关； 2 0 0 8 波动和闪变闪变限值与电压等级及波动负荷人小有关 g b 厂r1 4 5 4 9 电能质量公川 电压( v ) t h d 奇次偶次 1 9 9 3 电网喈波( )0 3 854 02 o 6 1 0 4 3 21 6 3 5 6 632 41 2 1 1 0 忆2 021 6o 8 g b 厂t1 5 5 4 3 电能质量 三相 电力系统公共连接点电压不平衡度限值： 2 0 0 8 电压不平衡电网正常运行时 负序电压不平衡度不超过2 ，短时不得超过4 ； 每个用户二般不得超过1 3 ，短时不超过2 6 g b 厂r1 5 9 4 5 电能质量电力1 正常允许o 2 h z ，根据系统容量可以放宽剑4 - o 5 h z 2 0 0 8 系统频率偏差2 用户冲击引起的频率变动一般不得超过o 2 h z g b 厂r1 8 4 8 1 电能质量暂时l 、按照过电压的幅值、波形和持续时间，可分为： 2 0 0 8 过电压和瞬态过一暂时过电压，包括：i ：频过电压、谐振过电压 电压 一瞬态过电压，包括操作( 缓波前) 过电压、雷电( 快 波前) 过电压 2 、过电压各分类具体限值 3 第l 章绪论 1 3 国内外研究现状 1 3 1 电网电能质量问题的研究现状 电能质量研究是当前和今后一段时问内电力工程师和研究者的一个重要课 题，它主要包括电能质量分析、检测、自动识别和补偿等问题。 国内在电能质量领域的研究起步相对较晚，大量研究是从2 0 世纪8 0 年代中 后期开始的，概括起来可分为以下3 个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪8 0 年代以前，供电部门普遍认为，保证了电网的频率以及保证 供电电压在合适的范围之内，也就保证了电网的供电质量；同时，电力企业还把 提高功率因数放在一个非常重要的位置。 ( 2 ) 随着改革开放的深入，工业负荷大量增加，电网飞速发展，电能作为一 种特殊的商品。除用频率、电压等参数外，还需用其他物理量才能比较全面地描 述其性能。这些参数一般有谐波、电压偏差、三相不平衡度、负序、电压波动及 闪变等。这方面的电能质量研究是目前及今后的热点。 ( 3 ) 最近几年来，人们对电能质量的认识和要求又发展到了一个新的阶段， 开始注意到一些暂态电能质量参数，并认为电力系统电能的传输不仅是能量的传 递，同时是- - j t t 信息的输送。其主要信息包括电压、电流、频率、功率，而这些 信息中又依附了许多“坏 信息，包括谐波电压、谐波电流、电压波动( 偏差) 、 负序量和闪变信息；同时还有一些所谓的暂态电能质量依附在其中，例如瞬时脉 冲、电压凹陷、瞬时供电中断等。 随着改革丌放的不断深入及国际化大环境的影响，大量的高精尖技术和高新 企业进入了中国市场。电网电能质量能否满足经济技术发展要求将会成为一个突 出的技术问题，电能质量的研究与发展是信息革命的必然要求，而且电能质量的 提高，可降低网损、提高设备使用寿命、减少电力生产事故，产生直接经济效益。 电力逐步进入市场，必将引起更大的竞争，在这种悄然来临的区域间电网竞争中， 谁把握好电网电能质量，谁将成为最终的赢家。电能质量分析和综合治理已成为 现代电力生产发展的紧迫要求【m 14 1 。 1 3 2 船舶电网电能质量的研究现状 船舶电网也存在着类似于陆地电网的电能质量问题，然而对于船舶电网的电 4 船舶电网电能质量实时监测终端的研究与设计 能质量改善，国外几个造船大国的相关资料仅局限于采用多相电机和传统的并联 无源滤波器等，还少有采用有源滤波器或混合型滤波器等先进方法来改善电能质 量。我国在这方面的研究更是明显滞后。而由于船舶环境的特殊性，陆上有关改 善电能质量技术的研究成果，很多都无法直接投入船舶应用。 随着船舶工业电气化水平的不断提高，船舶电力推进方式成为了船舶技术的 发展方向，经过多年的发展，其电能质量问题也得到了越来越多人的关注，人们 意识到，电能质量的下降，不仅会造成能耗的增加，也降低了电力系统的可靠性 和船舶运行的安全裕度。因此，在进行船舶电力系统的开发时，就必须考虑到电 力系统的监控问题，即检测相应的电气参数并对其所表征的电能质量进行评估， 从而提出相应的电能质量改善方法，这己成为目前船舶电工界的一个热门话题【1 5 】。 然而，船舶电网电能质量测量与评估的现状却不尽人意，主要为下面4 个方 面： ( 1 ) 对于船舶电网电能质量的概念，没有确切的定义。 ( 2 ) 对于船舶电网电能质量规范值所采用的标准，缺乏完整性。 ( 3 ) 对于船舶电网电能质量的参数评估方法，缺乏统一标准。 ( 4 ) 对于船舶电网电能质量的综合评估方法，需要进行探索。 1 3 3 电能质量监测装置的研究现状 电能质量的监测与分析技术是电力系统电能质量问题派生出的一个重要分 支。众所周知，要想准确地判断电力系统的电能质量指标是否满足国家标准，前 提就是要能够实时准确地测量反映电能质量指标的电参量，因此随着电力系统和 电力用户对电能质量问题日益重视，关注的焦点越来越集中于利用先进的测量技 术和使用标准可靠的测量仪器【1 3 , 1 6 1 5 】。 随着微电子技术和计算机技术的发展，电测量理论及仪表技术的发展历经了 早期、初期、中期和近期四个阶段。早期和初期的电测量技术主要是以模拟量测 量为主。上个世纪5 0 年代，随着数字电子技术和微电子技术的发展，电测量及其 仪表技术开始转向数字化方向，模拟式电测仪表逐渐被数字式仪表所代替。1 9 7 4 年出现的电压、电流波形等问隔采样技术，使数字电子技术在测量领域中的作用 日益增大，是电测与仪表技术步入中期发展阶段的里程碑。在这阶段，以微型 第1 章绪论 计算机、操作系统及各种总线式结构为特征，可相互通讯、可扩展和自动测试系 统以及相应的测量技术得到了蓬勃发展，并逐渐走向成熟。自8 0 年代中期以来， 电测与仪表技术进入了迅猛发展的近期阶段。大规模集成电路技术使得芯片体积 缩d , n 可以置入传统仪器内部，使得仪器能同时具有控制、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、自动化程度等 方面均有了明显的进步。 目前国内外电力监控装置主要有四种类型，分别是模拟指针仪表、以单片机 为主的电力仪表、电量变送器与工控机p l c 构成的监控系统、基于高速处理器的 网络化电能仪表。 ( 1 ) 模拟指针仪表 对电力参数的测量，传统的办法是采用模拟指针仪表，如电流表、电压表、 功率表、电度表、频率表、相位表、功率因数表等等。这种模拟指针仪表的缺点 是显而易见的： 1 每块仪表只能同时测量一个参数； 2 每个配电回路均需大量仪表，配电仪表盘占地面积和所占空间大； 3 测量精度受电网谐波的影响较大； 4 无记忆功能，不能汜录和保存历史数据，只能监视当前数据； 5 仪表之间彼此孤立，无法进行信息交换； 6 功能单一，只有参数测量功能，无状态测量、控制及故障报警等。 ( 2 ) 以单片机为主的电力仪表 随着电子技术、单片机技术、计算机技术的发展，出现了以单片机为主的电 力仪表。这种仪表可以测量多个电力参数，但其主要缺点是通信功能较差，一般 只配有可靠性较低、通信距离较短的r s 2 3 2 接口，无法真j 下构成要求严格的现场 通信系统，因此其应用受到了很大限制。 ( 3 ) 电量变送器与工控机p l c 构成的监控系统 在电量变送器与工控机或p l c 组成的配电监控系统中( 如图1 1 ) ，电量变送 器是将某一电力参数变为4 - - - 2 0 m a 电流的装置；工控机或p l c 中除含有a d 采样 卡外，还含有通信卡，以便与上位机进行通信。这种方案应用成熟、产品众多， 为配电监控系统的发展起了巨大作用，但却存在许多缺陷： 6 船舶电网i 乜能质精实时监测终端的研究与设计 1 占地空间大、接线繁杂 由于每个电力参数均需变为4 - - - 2 0 m a 的电流信号，然后再送给工控机或p l c ， 因此所需变送器多、接线多。 2 故障率高、调试困难 虽然目前变送器的质量同益提高，但由于接线复杂、设备种类繁多，导致易 于发生故障，又由于一般变送器上无显示，安装后不知币确与否，导致调试困难。 3 电压互感器( p t ) 、电流互感器( c t ) 的负载太重，影响系统测量精度。 4 电网谐波对变送器的精度有较大影响，成本较高 测量一个配电回路的多个电力参数需大量变送器及一台工控机或p l c ，因此 成本较高。 5 功能有限 变送器无法给出配电回路状态及故障报警等信息，因此功能有限。 来自 来自 三相 i 毡骶 变送 l 乜量变送器 三相 电流 变送 a b c 口口 口口 丁控 目u p l c 通信2 图1 1 变送器+ l 6 控机p l c + 上位机 f i g 1 1t r a n s m i t t e r + i n d u s t r i a lp c p l c + p c 日 ( 4 ) 网络化电力监控器 上世纪8 0 年代，作为通信、计算机、控制技术发展汇集的结果，产生了现场 总线。现场总线对传统的工业自动化带来了革命，从而丌创工业自动化的新纪元。 现场总线控制系统成为了上世纪自动化控制系统的主流。现场总线的出现和发展， 为电力仪表和配电系统的发展带来了新的机遇。基于现场总线的电力监控器( 如 图1 2 ) 和智能配电系统代表了该领域的最新成果和发展趋势。 7 第1 章绪论 来自p t 来自c t i 即 现场总线i u 力监控 1 1 0 o 通信线 连接j e 他现场总线l 乜力 舱控器 一条通信线町以连接 多个i 【i 力监控器 曰 图1 2 现场总线电力监控器 f i g 1 2f i e l d b u sp o w e rm o n i t o r 目前，我国已有部分生产电力监测设备的厂家，大多数产品结构简单、价格 低廉，但存在着功能不全、测量精度不高、智能化水平低、网络功能弱等缺陷。 在硬件配置方面，多数电力监测设备采用单片机、d s p 芯片硬件为基础；在测量 参数方面，多数的产品能测量三相电压、三相电流、频率、功率、功率因数和电 度等参数，个别产品还具有谐波测量功能；在人机交互方面，使用数码管显示和 使用液晶显示的产品数量各占一半；在通信功能方面，大多数的产品都具有r s 4 8 5 接口，并且使用m o d b u s 协议，个别产品具有现场总线通信功能。与国外的电力监 测设备相比，国内产品在测量精度、功能、性能和可靠性方面都有一定的差距。 而且，国外的产品测量的参数更多，如谐波和不平衡度等。另外，国外产品的通 信功能更强大，例如罗克韦尔公司和福禄克公司的产品都支持 r s 。2 3 2 r s 4 8 5 d e v i c e n e t 以太网等多种通信方式。 1 4 本文所作的工作 本文对船舶电网这一特殊微电网的电能质量展丌研究，比较并分析了陆地电 网和船舶电网在电能质量衡量标准上的差别，并在此基础上提出了一套基于 d s p + a r m 架构的船舶电网电能质量实时监测终端的设计思想。完成的主要工作包 括以下几个方面： 1 分析了船舶电网电能质量问题产生的原因，指出了电网电能质量的定义及 类型，并介绍了国内外电能质量的研究现状以及现有电能质量监测装置存在的问 船舶电网电能质量实时监测终端的研究与设计 题： 一 2 详细讨论和比较了船舶电网与陆地通用电网电能质量的衡量标准，并提出 其测量方法； 3 提出并完成了基于d s p + a r m 的船舶电网电能质量实时监测终端的整体构 架，完成了数据采集模块、d s p 处理模块及电源模块的硬件设计，重点对采集模 块的抗干扰部分展丌了研究； 4 完成了d s p 处理模块的软件主体设计； 5 利用实验室已有资源完成了l i n u x 操作系统在嵌入式芯片$ 3 c 2 4 1 0 上的移 植。 9 第2 章船舶电网电能质餐分析与测量方法 第2 章船舶电网电能质量分析及测量方法 电能质量足不能进行直接测量的。然而，对决定电能质量的相关量值可以作 详细规定，描述这些量的变化可归因子一些适当定义的可测量的参数指标。因此， 尽管不能直接测量电能质量，但是我们可通过描述电压和频率的变化、电压和电 流的畸变，相问电压的不平衡，有功功率和无功功率的分配比例，产生和吸收的 干扰水平，间接得到评估。若适当定义这些指标并长期跟踪测量，便可在被控系 统中评估电能质量。电能质量指标可分为应用于陆地电力系统的通用量指标，以 及有关船舶电力系统特色的补充量指标【1 9 之0 1 。 2 1 通用电网的电能质量指标 通常认为，多相交流电网向负载提供较高电能质量的条件之一是正弦的平衡 电压，有效值和频率适当且恒定。实际上，与上述理想要求相比，整个电网或者 其中的一部分，都存在着或大或小的偏差值。出现这些偏差与下列情形相关：电 压、电流的有效值和频率发生变化，电压、电流波形不平衡、畸变，供电不连续、 噪声以及无功电流等。电力系统中供电质量不佳以及负载质量不高导致了这些干 扰的产生。这里我们需要注意的是，提到供电质量是不能和负载质量割裂丌来的， 反之亦然，它们是不可分割的整体。概括而言，描述电能特征和性质的参数，即 电压、电流、频率、功率等，决定了电能质量的好坏。电能质量指标一般可以分 为几组：描述电压及频率值变化的指标、描述电流和电压波形与畸变的指标、描 述功率畸变的指标以及描述电压电流不平衡度的指标【2 卜2 5 1 。 2 1 1 电压及频率值变化的指标 描述电压与频率值偏离其额定值的指标，由负载终端值与额定值之间的差异 来决定。电压偏差u 可由下式表示： a u = u 一 ( 2 1 ) 式中，己，为负载电压的有效值，u 为电压额定值( 有效值) 。或者也可用百分数 形式来表示： 6 u = 等x 1 0 0 = 学1 0 0 ( 2 2 ) 1 0 船舶i 乜网电能质量实时临测终端的研究与设计 对于频率可以用同样的方式来表示： 鹭= f - l n 8 f = 等舢学舢。 式中，厂为负载终端的电压频率，厶为额定频率值。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 电网中出现的电压变化，取决于电压变化幅值u 或者是一组电压的幅值变 化，或者表述这一特性的其他参数，如电压频率变化系数 。电压变化幅值表示 如下：扩= 。一魄： ( 2 5 ) 也可用百分数形式表示： = 筹则慨= 枷 ( 2 6 ) u nu ， 式中，。、玑b ：为电压随时问变化过程中的相邻极限有效值。 电压频率变化系数厂，定义为电压幅值变化量肌，与变化发生的时间丁，的 比率： z 2 ( 2 7 ) 电压能量变化量d ，也是r ，时间内电压变化的特征之一，定义为： d 户r 础d t ( 2 8 ) 同理我们也可以定义频率变化，这取决于频率变化幅值，或者是一组频率 幅值的变化，或者是其他特性以及频率变化频率，。其中频率变化幅值af 及 其百分数形式的定义与电压变化幅值au 类似。频率变化频率，定义频率值 变化量脚，与变化发生的时间乃的比率： 乃= 鲁 ( 2 9 ) 有一组指标用于描述电压突降、电压骤降、电压脉冲等。电压突降，即电压 在经历了较大下降值之后回到或接近币常值，一般在数个电压周期到几十秒地时 间内。相应指标描述如下。 电压降的深度a v 。 ： 嬲：u m i n ，- ，u n 1 0 0 ( 2 1 0 ) 。 m 、 第2 章船舶电网电能质量分析与测量方法 式中。代表电压在突降过程中的最低有效值。 电压骤降，即瞬时值剧烈的变化，可通过电压骤降系数k ，来描述，即瞬时电 压变化值( 电压纵向骤降) a u ，与供电电压的瞬时值沙的比率 彪：等 ( 2 11 ) 沙 电压脉冲，即电压回到或者接近初始值之后，电压瞬时值突然超标，其时间 在几微秒到几十微秒内。对该指标的描述有：脉冲电压，即电压脉冲瞬时最大值； 电压脉冲幅值，即电压脉冲瞬间，脉冲电压值与基波瞬时电压值的差值；电压脉 冲持续时间。 另外，下述指标也用于描述瞬态过程中电能质量的扰动：瞬时扰动幅值么、 扰动能量e 、扰动持续时间a t 。 瞬时扰动幅值可定义为最大扰动电压一与最小扰动电压址谢。的差值 4 = 一q 曲( 2 1 2 ) 扰动持续时间定义为扰动电压值超出预设限定值的时间。然而，用持续时 间以及最大值来评定电压扰动是不够的，若考虑到扰动对电力负载，尤其是电子 设备运行的影响，扰