（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式系统的谐波检测研究.pdf

a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t h a r m o n i cd e t e c t i o na l g o r i t h mi ss t u d i e di nt h i sp a p e r , e s p e c i a l l yo na d a p t i v eh a r m o n i c d e t e c t i o na l g o r i t h m ，a n dah a r m o n i cd e t e c t i o nd e v i c eb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mi sp r o p o s e d t od e t e c th a r m o n i c sf o ra c t i v ep o w e r f i l t e r ( a p f ) f i r s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a lh a r m o n i cd e t e c t i o na l g o r i t h m sa r es t u d i e d ，e s p e c i a l l y o nm i n i m u mm e a n s q u a r e ( l m s ) a d a p t i v eh a r m o n i cd e t e c t i o na l g o r i t h m a ni m p r o v e d a d a p t i v eh a r m o n i cd e t e c t i o na l g o r i t h mi sa p p l i e dt oh a r m o n i cd e t e c t i o no fa c t i v ep o w e rf i l t e r , a n dm a t l a bs o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t i n g ，a n a l y z i n gt h eh a r m o n i cd e t e c t i o nr e s u l t 功eh a r m o n i cd e t e c t i o nd e v i c ed e s i g nb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mi sd e s i g n e d 砀e h a r d w a r es y s t e mo ft h ew h o l ed e v i c eu s e sd u a l c p us t r u c t u r eo fa r m 7 + a r m 9 a i u 7i s u s e df o rd a t ac o l l e c t i o n ，a n d 删9i su s e df o rh a r m o n i cd e t e c t i o na n dm a n - m a c h i n e i n t e r f a c eo p e r a t i o n e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw i n d o w sc ei ss e l e c t e da st h eo p e r a t i n g s y s t e mo ft h eh a r m o n i cd e t e c t i o nd e v i c e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ed e v i c e ， w i n d o w sc eo p e r a t i n g s y s t e mc u s t o m i z i n g ，s t r e a mi n t e r f a c e d r i v e ra n d a p p l i c a t i o n d e v e l o p i n ga r ec o m p l e t e d w 油t h es y s t e md e s i g n e da b o v e ，t h ee x p e r i m e n t a lh a r m o n i cd e t e c t i o nd e v i c eb a s e do n e m d e d d e ds y s t e mi s d e v e l o p e di n t h i sp a p e r a n dv a r i o u sk i n d so fc h a r a c t e r i s t i ca r e e x p e r i m e n t e d ，i n c l u d i n gs i n u s o i d a ls y n c h r o n o u sw i mt h ep o w e rs y s t e mv o l t a g eg e n e r a t i n g ， v o l t a g ea n dc u r r e n td a t as a m p l i n go fp o w e rs y s t e m ，h a r m o n i cd e t e c t i n g ，a n ds o0 1 1 i ti s p r o v e db yt h ee x p e r i m e n t st h a tt h eh a r m o n i cd e t e c t i o nd e v i c ed e s i g n e di nt h i sp a p e ri sc o r r e c t ， a n dc a nw o r kw e l l k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ，h a r m o n i cd e t e c t i o n ，a d a p t i v ea l g o r i t h m ，a r m ，w i n d o w sc e 声明尸i 刃 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：壶垒些 卅年l f 月“日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盘缝 叫年f 月铝日 硕士论文基于嵌入式系统的谐波检测研究 1 绪论 随着大量新型高效的电力电子设备的广泛应用，电网谐波污染问题日益突出，严重 威胁了电网的电能质量和用户设备的安全运行。有源电力滤波器( a p f ) 能够动态抑制 谐波，能对大小和频率都变化的谐波进行补偿，是当前电力电子技术研究的热点。 1 1 谐波抑制的重要性 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率和规定的电压幅值。谐波电 流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，使用电设备所处环境恶化。随着谐波污 染的日益严重，有谐波引起的各种故障和事故也不断发生。谐波的危害性大致有以下几 个方面【1 】： 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设 备的效率。 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。 3 ) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使上述两项 危害大大增加，甚至引起严重事故。 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表不准确。 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰。 由此可见，需要对电力系统中的谐波进行有效的抑制。采用合适的有源电力滤波器 对谐波进行动态抑制，是今后的发展方向。 1 2a p f 的研究背景 针对谐波问题，传统方法是采用无源滤波器， 1 i l c 滤波器。它是由电容器、电抗器 和电阻器适当组合而成的滤波装置，与谐波源并联，起旁路谐波的作用。l c 滤波器具有 结构简单、设备投资较少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此至今仍是应用 最多的方法。但这种方法有如下不足【2 】： 1 ) 只能补偿固定频率的谐波，但有时高次谐波成分复杂，必须同时加入多个滤波 电路，这会使整个无源滤波装置的容量和体积增人，损耗增加。同时考虑到成本问题， 不可能仅靠增加无源滤波器数量的办法来提高滤波效果。 2 ) 无源滤波器的滤波效果将随系统的运行情况而变化，特别是对电网参数的变化 十分敏感。在一个复杂的电力系统中，参数的变化规律很难精确预知的，因此一个实际 的无源滤波器要达到理想的滤波效果是很难的。 3 ) 有可能与电源阻抗在电源侧发生并联谐振，从而使无源滤波装置无法正常工作， 1 l 绪论硕士论文 严重时会损害无源滤波器。 4 ) 可能与电力系统发生串联谐振，造成电压波形畸变而产生附加的谐波电流流进 无源滤波器，影响滤波效果。 与无源滤波器相对应的是有源滤波器，解决了无源滤波器的诸多局限性。早在2 0 世 纪7 0 年代初，日本学者就提出了有源电力滤波器的概念，当时由于电力电子器件制造水 平的限制，这项技术没有引起广泛的关注。直n s o 年代，随着大中功率全控型半导体器 件的成熟，脉宽调铝i j ( p w m ) 控制技术的进步以及赤木泰文( a k a g in j ) 瞬时无功功率理 论的提出，有源电力滤波器才得到迅速发展和完善。 1 3a p f 在国内外的研究概况及发展趋势 在国外工业发达国家，电能质量问题早已被当作电力系统面临的重要问题看待，有 源电力滤波器作为改善供电质最的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业发达国家 己得到了高度重视和广泛的应用。目前，世界上a p f 的主要生产产家有日本名电舍公司、 瑞士a b b 公司等。以日本为代表，有源电力滤波器己步入大量实用化的阶段。随着容量 的逐步提高，其应用范围也从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向 发展 4 1 。 我国在a p f 领域的研究起步较晚，但发展迅速，一些科研院校都开展了卓有成效 的研究工作。国内高校如西安交通大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、中国电力科学研 究院等高校和单位在a p f 方面开展了大量有效的工作。但目前国内还没有大量的a p f 产品投入使用，国产a p f 的实用化正处于攻坚阶段。 随着电能质量问题的日益严重和用户对电能质量要求的提高，a p f 研究将更加深 入，其研究将趋向以下几个方面【4 6 】： 1 ) 采用混合型有源电力滤波系统，减小装置的容量以达到降低成本和提高效率的 目的： 2 ) 随着电力电子器件的发展、微机控制技术的完善、数字信号处理器( d s p ) 运算速 度的提高以及补偿控制策略的不断改进，将会逐步实现滤波器控制系统的简化与数字 化，进一步提高装置的可靠性； 3 ) 随着谐波检测算法向智能化、多功能实用化发展，a p f 将会实现多功能化，不 仅可以补偿系统谐波，还可以补偿无功电流，抑制闪变，稳定系统电压等； 4 ) 对谐波理论的进一步研究，完善现有的谐波检测理论体系并建立新体系，提出 新的检测方法和控制策略，进一步发展在线测量谐波电流的技术和产品。 现有谐波检测法按原理可分为模拟滤波器，基于f r y z e 传统功率定义的谐波检测 法，基于瞬时无功功率理论的谐波检测法，基于傅里叶变换的谐波检测法。前两种方法 由于检测误差大，实时性差已基本不再使用。基于瞬时无功功率理论的谐波检测法实时 2 硕上论文基于嵌入式系统的谐波检测研究 性好，延时小，既能检测谐波又能检测无功；基于傅里叶快速变换的谐波检测法，在谐 波检测、无功补偿和频谱分析方面，均获得较广泛的应用，这两种是目前采用的主要方 法。此外，除了上述检测方法外，还有基于神经网络的谐波检测法、基于自适应噪声对 消原理的谐波检测法、基于小波分析的谐波检测法等。这些谐波检测方法则是极具潜力 的谐波检测法。 1 4 研究的主要内容 有源电力滤波器系统有两大部分组成，即谐波检测运算电路和补偿电流发生电路 ( 由跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成) 。实时、简单、准确地实现谐波 检测是实现有源电力滤波器的基础。本论文对谐波检测部分进行研究并实现，主要包括 以下几个方面： 1 ) 研究自适应谐波检测算法：将自适应算法引入谐波检测中，对基本的最小均方 自适应算法和几种改进的最小均方自适应算法进行研究。 2 ) 谐波检测算法仿真：将m a t l a b 作为仿真工具，对各自适应算法进行仿真。根 据仿真结果和理论分析选择一种合适的自适应算法应用于a p f 的谐波检测中。 3 ) 嵌入式硬件设计：研究各a r m 嵌入式微处理器的性能及特点，采用 a r m 9 + a r m 7 的双c p u 硬件结构。a r m 9 作为主芯片，用于数据处理，谐波检测和人 机界面操作等，a r m 7 作为辅芯片，用于数据采集。两者之间以1 2 c 实现通信。并构建 a r m 9 和a r m 7 的外围电路，实现两者的功能。 4 ) 嵌入式软件设计：研究嵌入式实时操作系统w i n d o w sc e ，对其进行裁减定制以 符合谐波检测装置需求，并编写设备驱动程序和m f c 界面应用程序，完成谐波检测功 能。 5 ) 完成系统样机的制作，对其性能进行实验测试，并对实验结果进行分析。 2 系统方案设计与论证硕士论文 2 系统方案设计与论证 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗 有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作 系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等 功能。嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括微处理器、存 储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和 多任务操作) 和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为，而操作系统控制着 应用程序编程与硬件的交互作用。下面就从软硬件两方面来设计与分析系统方案。 2 1 硬件平台选择 2 1 1 嵌入式微处理器简介 嵌入式系统硬件的核心是嵌入式微处理器。目前嵌入式处理器常见的有a r m 、 p o w e r p c 、m i p s 、m o t o r o l a6 8 k 、等，但a r m 占据了绝对主流。a r m 是一个只卖知识 产权的公司，目前购买了a r mc p u 核授权许可的大公司有很多，包括i n t e l 、s a m s u n g 、 a t m e l 、m o t o r o l a 、n x p 等，他们都在a r mc p u 核的基础上进行了一些外围扩展，形 成自己的处理器，如s a m s u n g 的$ 3 c 2 4 1 0 ，a t m e l 的a t 9 1 r m 9 2 0 0 等处理器都是采用a r m 9 内核。而众多中小公司又购买了这些处理器，设计了各种各样的开发板，供用户使用 或供教学实验。目前应用最多的是a r m 7 和a r m 9 两类处理器。 a r m 7 与a r m 9 主要的区别是：a r m 7 内核是0 9 m i p s m h z 的3 级流水线和冯诺伊曼 结构；a r m 9 内核是5 级流水线，提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构。a r m 7 大多数没有内存 管理单元( m m u ) ，a r m 9 主要包括a r m 9 t d m i 和a r m 9 e s 等系列，是有m m u 的。新 一代的a r m 9 处理器，能够达到两倍以上a r m 7 处理器的处理能力。这种处理能力 的提高是通过增加时钟频率和减少指令执行周期实现的。 1 ) 时钟频率的提高 a r m 7 处理器采用3 级流水线，而a r m 9 采用5 级流水线，增加的流水线设 计提高了时钟频率和并行处理能力。5 级流水线能够将每一个指令处理分配到5 个时钟周期内，在每一个时钟周期内同时有5 个指令在执行。在同样的加工工艺 下，a r m 9 t d m i 处理器的时钟频率是a r m 7 t d m i 的1 8 - - ，2 2 倍。 2 ) 指令周期的改进 指令周期的改进对于处理器性能的提高有很大的帮助。性能提高的幅度依赖 于代码执行时指令的重叠，这实际上是程序本身的问题。对于采用最高级的语言， 一般来说，性能的提高在3 0 左右。 4 硕士论文 基于嵌入式系统的谐波检测研究 a ) l o a d s 指令和s t o r e s 指令 指令周期数的改进最明显的是l o a d s 指令和s t o r e s 指令。从a r m 7 到a r m 9 这两条指令的执行时间减少了3 0 。指令周期的减少是由于a r m 7 和a r m 9 两种 处理器内的两个基本的微处理结构不同所造成的。 b ) 互锁( i n t e r l o c k s ) 技术 当指令需要的数据因为以前的指令没有执行完而没有准备好就会产生管道互 锁。当管道互锁发生时，硬件会停止这个指令的执行，直到数据准备好为止。虽 然这种技术会增加代码执行时间，但是为初期的设计者提供了巨大的方便。编译 器以及汇编程序员可以通过重新设计代码的顺序或者其他方法来减少管道互锁的 数量。 c ) 分枝指令 a r m 9 和a r m 7 的分枝指令周期是相同的。而且a r m 9 t d m i 和a r m 9 e s 并没有对分枝指令进行预测处理。 从微处理器可运行的操作系统来考虑：a r m 7 可运行u c l i n u x ( 是一个不支持高级内 存管理功能的嵌入式l i n u x 系统) 、i - l c o s i i 等实时操作系统，但因处理器不带内存管理 单元m m u ( 无内存分页和地址映射机制，所以不能使用虚拟内存) ，所以不能运行 w i n d o w sc e ，另外通用l i n u x 中的某些内存管理功能也不能用在a r m 7 上。a r m 9 是一个 带m m u 功能的高端处理器，可运行w i n d o w sc e 或通用l i n u x 的大多数功能。 2 1 2 本装置硬件平台选取 综合考虑本装置的工作需求和各嵌入式微处理器的特点，采用a r m 7 + a r m 9 双c p u 的结构。选取a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 作为主芯片，用于数据处理、计算和显示结果等，选 用a r m 7 芯片l p c 2 1 3 l 作为辅芯片，用于数据采集。两者之间以1 2 c 实现通信。系统结构 如图2 1 所示。 三相电流 | 电压互感器卜_ j 信号l 删7 a i 洲9 1 屯皿l ，口艄i7 1 2 c 、 l c d 单相电压l 霍尔电流传感器卜j 调理l 显示 图2 i 系统结构图 $ 3 c 2 4 1 0 处理器是s a m s u n g 公司的a r m 9 2 0 t 核处理器，采用o 1 8 u m $ 1 j 造工艺的 3 2 位微控制器。该处理器提供了以下丰富的内部设备：独立的1 6 k b 指令c a c h e 和 1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 虚拟存储器管理，l c d 控制器( 支持s t n 和t f t ) ，支持 n a n df l a s h 系统引导系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) ，3 路u a r t ，4 路 d m a ，4 个带p w m 的定时器，i o 口，r t c ，2 4 个外部中断，8 路1 0 位a d c ，触摸 5 2 系统方案设计与论证 硕士论文 屏接1 2 1 ，1 路多主1 2 c 总线接口，1 路1 2 s 总线接1 ：3 ，2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备 接口，s d 卡和m m c 卡接口，2 路s p i ，以及内部p l l 时钟倍频器。$ 3 c 2 4 1 0 处理器 最高可运行在2 0 3 m h z 。 l p c 2 1 3 1 是p h i l i p s 公司的a r m 7 t d m i s 核处理器，它具有高性能和低功耗的特性。 拥有8 路1 0 位a d c ，每个通道转换时间小于2 4 4 u s ，2 个定时器，1 路多主1 2 c 总线接口。 完全能满足系统数据采集的要求。 2 2 软件平台选取 2 2 1a r m 7 处理器软件平台 本装置采用的a r m 7 芯片为l p c 2 1 31 ，可运行实时操作系统g c o s i i 或直接运行应 用程序。考虑a r m 7 只需完成数据采集与数据通信的功能，而并不要求完成复杂的任务， 所以采用直接运行应用程序的方法。 直接运行应用程序就是即将应用程序编译后直接下载至a r m 7 芯片的f l a s h 中运行， 由应用程序管理和调用各资源，直接对硬件进行操作，这样做的优点是结构简单，程序 编写简单，并大大提高了程序的执行效率。 2 2 2a r m 9 处理器软件平台 本装置采用的a r m 9 芯片为$ 3 c 2 4 1 0 ，要完成数据通信、数据处理与计算、数据显 示等多种功能，这就需要采用嵌入式实时操作系统构建软件平台，对系统的资源进行统 一调度与管理，以满足上述功能需求。下面对$ 3 c 2 4 1 0 支持的几种嵌入式操作系统进行 一一介绍1 7 1 。 2 2 2 1i x c o s i i i - t c o s i i 是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。 i 上c o s i i 的前身是i t c o s ，最早在1 9 9 2 年由美国嵌入式系统专家j e a nj l a b r o s s e 发表 提出。i t c o s 和i t c o s i i 是专门为计算机的嵌入式应用设计的，绝大部分代码是用c 语言编写的。c p u 硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约2 0 0 行的汇编语言部分 被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的c p u 上。用户只要有标准的 a n s i 的c 交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具，就可以将“c o s i i 嵌入到开 发的产品中。i - t c o s i i 具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特 点，最小内核可编译至2 k b 。 严格地说i _ t c o s 1 1 只是一个实时操作系统内核，它仅仅包含了任务调度，任务管 理，时间管理，内存管理和任务间的通信和同步等基本功能，没有提供输入输出管理， 文件系统，网络等额外的服务。这些功能需由用户自己根据需要来实现。 i _ t c o s i i 中最多可以支持“个任务，系统保留了4 个最高优先级的任务和4 个最 6 硕士论文基于嵌入式系统的谐波检测研究 低优先级的任务，所有用户可以使用的任务数有5 6 个。i t c o s i i 采用的是可剥夺型实 时多任务内核。可剥夺型的实时内核在任何时候都运行就绪了的最高优先级的任务。 p c o s i i 的任务调度是完全基于任务优先级的抢占式调度，也就是最高优先级的任务一 旦处于就绪状态，则立即抢占正在运行的低优先级任务的处理器资源。为了简化系统设 计，i ，t c o s i i 规定所有任务的优先级不同，因为任务的优先级也同时唯一标志了该任务 本身。 2 2 2 2v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时操 作系统，是t o r n a d o 嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的 内核以及友好的用户开发环境，在嵌人式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。 v x w o r k s 具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活的任务间通讯；微秒级的 中断处理；支持p o s i x1 0 0 3 1 b 实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完整的 t c p i p 网络协议等。 然而其价格昂贵。由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，价格一般都比较昂 贵。一般不通供源代码，只提供二进制代码。由于它们都是专用操作系统，需要专门的 技术人员掌握开发技术和维护，所以软件的开发和维护成本都非常高。而且支持的硬件 数量有限。 2 2 2 3 嵌入式l i n u x l i n u x 最大的特点是免费、源代码开放、支持软件多。目前应用在嵌入式领域的l i n u x 系统主要有两类：一类是专为嵌入式设计的已被裁减过的l i n u x 系统，最常用的是 u c l i n u x ( 不带m m u 功能) ，目前占较大应用份额，可在a r m 7 上运行；另一类能在 a r m 9 上运行，一般是将l i n u x2 4 1 8 内核移植在其上，可使用更多的l i n u x 功能。 在嵌入式系统上运行l i n u x 的一个缺点是l i n u x 体系提供实时性能需要添加实时软 件模块。而这些模块运行的内核空间正是操作系统实现调度策略、硬件中断异常和执行 程序的部分。由于这些实时软件模块是在内核空间运行的，因此代码错误可能会破坏操 作系统从而影响整个系统的可靠性，这对于实时应用将是一个非常严重的弱点。 2 2 2 4w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是一个抢先式多任务并具有强大通信能力的w i n 3 2 嵌入式操作系统， 是微软专门为信息设备、移动应用、消费类电子产品、嵌入式应用等非p c 领域而从头 设计的战略性操作系统产品。 与w i n d o w s9 5 9 8 、w i n d o w sn t 不同的是，w i n d o w sc e 是所有源代码全部由微软 自行开发的嵌入式新型操作系统，其操作界面虽来源于w i n d o w s9 5 9 8 ，但w i n d o w sc e 是基于w i n 3 2a p i 重新开发、新型的信息设备的平台。w i n d o w sc e 具有模块化、结构 化和基于w i n 3 2 应用程序接口和与处理器无关等特点。w i n d o w sc e 不仅继承了传统的 7 2 系统方案设计与论证硕士论文 w i n d o w s 图形界面，并且在w i n d o w sc e 平台上可以使用w i n d o w s9 5 9 8 上的编程工具 ( 如v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等) 、使用同样的函数、使用同样的界面风格，使绝大多 数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在w i n d o w sc e 平台上继续使用。 w i n d o w sc e 的设计目标是：模块化及可伸缩性、实时性能好，通信能力强大，支 持多种c p u 。根据以上目标，w i n d o w sc e 具备以下特征： 1 ) 高可靠性。w i n d o w sc e 具有比其他任何桌面版w i n d o w s 都可靠的稳定性，其 可靠的操作系统服务保证系统可靠和持久，有效地保护用户应用和数据。 2 ) 多c p u 支持和丰富的驱动程序支持。从w i n d o w sc e 4 0 开始，支持x 8 6 、a r m 、 m i p s 、s h x 四种构架，其支持的c p u 总的种类近2 0 0 种。w i n d o w sc e 提供了丰富的 b s p 和驱动程序支持，为每种不同类型的硬件设备、总线或端口都提供了例驱动程序源 代码，便于用户直接运用这些驱动程序或快速为自己的硬件设备开发驱动程序。 3 ) 具有灵活的电源管理功能，包括睡眠唤醒模式。在w i n d o w sc e 中，还使用 了对象存储( o b j e c ts t o r e ) 技术，包括文件系统、注册表及数据库。它还具有很多高性能、 高效率的操作系统特性，包括按需换页、共享存储、交叉处理同步、支持大容量堆( h e a p ) 等。 4 ) 良好的通信能力。w i n d o w sc e 广泛支持各种通信硬件，亦支持直接的局域网连 接以及拨号连接，并提供与p c 、内部网以及i n t e m e t 的连接，包括用于应用级数据传输 的设备至设备间的连接。在提供各种基本的通信基础结构的同时，w i n d o w sc e 还提供 与w i n d o w s9 x n t 的最佳集成和通信。 5 ) 出色的图形用户界面。w i n d o w sc e 拥有基于m i c r o s o f ti n t e m e te x p l o r e r 的 i n t e m e t 浏览器，此外，还支持t r u e t y p e 字体。开发人员可以利用丰富灵活的控件库在 w i n d o w sc e 环境下为嵌入式应用建立各种专门的图形用户界面。w i n d o w sc e 甚至还 能支持如手写体和声音识别、动态影像、3 d 图形等特殊应用。 6 ) 多语言支持。w i n d o w sc e 使用u n i c o d e 字符编码，并被本地化为多种语言。从 w i n d o w sc e 4 0 开始，全方位支持开发本地化的中文操作系统，支持全中文的用户界面 ( 包括简体中文和繁体中文) 和中文输入法。 在比较了上述嵌入式操作系统的特点后，选用嵌入式实时操作系统w i n d o w sc e 作 为a r m 9 的软件平台。而且相比较w i n d o w sc e 和l i n u x ，前者开发起来相对较容易， 开发时间也较短。 2 3 本章小结 本章分析比较了多种软硬件平台，确定了装置使用的硬件平台及其基本构架，并且 确定了软件平台，即系统使用的嵌入式操作系统。本章是开展后续工作的基础。 8 硕士论文 基于嵌入式系统的谐波检测研究 3 谐波检测算法的研究与仿真 由于谐波检测需要对数据进行大量的处理和运算，且其结果直接影响到整个装置的 谐波检测的准确性和实时性，所以选用适当的算法加以实现，是目前有源电力滤波器研 究的重点之一。根据检测原理不同，目前主要有以下几种方法【扪。 3 1 几种谐波检测算法 1 ) 基于快速傅立叶变换( f f t ) 的数字化分析法 该方法是建立在傅立叶分析基础上的。其原理是通过f f t 将检测到的一个周期的 谐波信号进行分解，得各次谐波的幅值和相位系数，将拟抵消的谐波分量通过带通滤波 器或傅立叶变换器得到所需的误差信号，再将误差信号进行f f t 反变换，即可得到补 偿信号。该方法的优点是可以选择拟消除的谐波次数，缺点是具有较长的时间延迟，实 时性较差。采用f f t 快速算法可以很快的监测到测量波形中的各次谐波，但这种方法 的缺点是需要一个周期的采样数据，所以具有较大的延时，不能成为快速检测方法。目 前通用的方法是采用移动窗口方法【9 ，即每采样得到一个新的数据，则剔除一个时间 较早的数据，将新数据与其他数据一起构成新的数据窗，进行f f t 分析得到各次谐波。 这样每个采样点即可计算得到各次谐波。看起来似乎是快速检测谐波的手段，但由于新 的采样点是逐渐加入进来的，当系统谐波含量发生突变时，必须经过一个周期的测量， f f t 分析得到的基波及谐波才能完全跟上系统谐波的变化。所以基于f f t 的数字分析 方法存在一周期的延时。f f t 方法思路比较简明，原理和工作过程十分清晰，对所补偿 的谐波可以进行有目的的选择，适用于各种情况。但缺点是这种方法由于需要对误差信 号进行重构，运算较为复杂，故具有一定的延时，实时性较差；而且该方法是建立在傅 立叶分析的基础上，因此要求被补偿的波形是周期性变换的，否则会带来较大误差，所 以限制了其使用范围。目前，电力系统中稳态谐波检测大多采用f f t 及其改进算法， 而对于波动谐波或快速变化的谐波，则需要采用其他方法。 2 ) 基于瞬时无功功率理论的检测方法 瞬时无功功率理论【l 卜。7 j 首先于1 9 8 3 年由赤木泰文提出，此后该理论经不断研究逐 渐完善，该理论在检测三相电路谐波及无功电流中得到了成功的应用。以该理论为基础， 可以得到三种检测谐波和无功电流的方法，即p q 法、i p i q 法以及d q 法。p q 法最早应 用，适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测；i p - i q 法不仅对电网电压畸变 时有效，而且也适用于不对称三相电网；而基于同步旋转坐标变换的d q 法不仅简化了 对称无畸变下的指令电流运算，而且在电网电压不对称、畸变情况下可以精确地检测出 谐波电流。此种检测方法全部采用模拟电路实现，具有较好的实时性，在三相三线制电 9 3 谐波检测算法的研究与仿真硕士论文 路中得到了成功的应用。但是这种方法使用了大量的模拟乘法器，计算量相对较大，调 整困难，参数依赖性很大，很难保证设计的计算精度。 瞬时无功功率理论是当今谐波检测技术的重要理论基础，在三相电压平衡无畸变的 电网条件下对谐波电流检测十分有效。但是也不能明确区分正序、负序和零序分量。这 项理论在实用中还存在一些工程实现卜的具体限制，影响了使用效果例如，检测电路的 开环结构无法消除乘法环节引起的误差和干扰，电路中使用低通滤波器严格要求其增益 为1 的条件难以保证；由于无法依据所需滤波性能准确设计出低通滤波器，常常采用简 单的一阶或二阶低通滤波电路来对付，致使检测精度受到影响等【1 8 1 。 3 ) 基于小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，w t ) i 均检测方法【1 9 2 2 】 小波变换是近几年来掀起的一个国际前沿领域，它是在傅里叶变换的基础上发展起 来的新的信号处理方法。它利用正交小波l 2 ( r ) 空间线性张成的标准正交小波基和小波 函数时域局部性的特点，将谐波时变幅值投影到小波函数和尺度函数张成的子空间上， 从而把时变幅值的估计问题转化为常系数估计，利用最小二乘法即可实现时变谐波检 测。小波变换克服傅里叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部化的缺点，即它在 时域和频域同时具有局部化，因此通过小波变换对谐波信号进行分析时可获得所对应的 时间信息，实现谐波检测的在线跟踪。这种方法只是在仿真上证明了它的有效性，但是 在实际现场没有证明它的可行性，在这方面还需进一步研究与探讨。当前小波在谐波检 测中的应用研究很多。 4 ) 自适应检测方法 自适应检测是基于信号处理的自适应干扰对消原理，将电压作为参考输入，负载电 流作为原始输入，从负载电流中消去电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波和 无功分量。基于该方法的检测系统是一个闭环连续调节系统，其运行特性与原件参数几 乎无关，对器件特性的依赖也不大，并且在电压波形畸变情况下具有较好的自适应能力， 但是动态响应速度较慢1 2 引。 综合以上几种算法的特点，系统采用理论成熟的自适应谐波检测算法，并通过分析 其基本原理，对比几种改进的自适应谐波检测算法，找出适合应用于电力谐波检测中的 算法。 3 2 最小均方自适应算法 自适应滤波算法分为两大类，随机梯度法和最小二乘估计。随机梯度法中的最小均 方( l m s ) 算法应用最为广泛，因为该算法简单，且在正确条件下能获得满意的性能， 其主要缺点是收敛速度较慢。因此论文采用改进的l m s 算法，以达到计算复杂度和收 敛速度都比较好的效果。 l m s 算法是线性自适应滤波算法。一般包含两个基本过程1 2 3 】： l o 硕士论文 基于嵌入式系统的谐波检测研究 1 ) 滤波过程：包括计算线性滤波器输出对输入信号的响应和通过比较输出结果与 期望响应产生估计误差。 2 ) 自适应过程：根据估计误差自动调整滤波器参数。 这两个过程一起工作组成一个反馈环。首先，有一个横向滤波器( 围绕它构造l m s 算 法) ，完成滤波过程；其次，有一个对横向滤波器抽头权值进行自适应控制过程的算法。 如图3 1 ( a ) 所示 在滤波过程中，期望响应d ( n ) 与抽头输入量u ( n ) 一起参与处理。在这种情况下给定 一个输入，横向滤波器产生一个输出d ( n ib 。) 作为期望响应d ( n ) 的估计。因此把估计误 差e ( n ) 定义为期望响应与实际滤波器输出之差，如图3 1 ( b ) 所示。估计误差e ( n ) 与抽头 输入量u ( n ) 都被加到自适应控制部分，因此围绕抽头权值的反馈环是闭环的。 图3 1 ( c ) 表示自适应权值控制机制的详细结构。求出估计误差e ( 1 1 ) 与抽头输入u ( n _ k ) 的内积，所得结果定义了校正量赫。( n ) ，它将在第n + 1 次迭代中应用于。( n ) 。计算 中所用的标度因子用正数p 表示，称为步长参数。 a ) 自适应横向滤波器框图 ”横向滤波器结构框图 3 谐波检测算法的研究与仿真硕士论文 c ) 权值自适应控制算法模型 图3 1l m s 自适应滤波算法 经过一系列推导【2 3 】，可得出l m s 算法更新抽头向量的递归关系式( 3 1 ) 。 龠( n + 1 ) = 龠( n ) + 胛( n ) d ( n ) - u h ( n ) 龠( n ) 】 等效地，可用三个基本关系形式来表示： 1 ) 滤波输出 y ( n ) = 龠h ( n ) u ( n ) 2 ) 估计误差或信号误差 ( 3 1 ) ( 3 2 ) e ( n ) = d ( n ) 一y ( n ) ( 3 3 ) 3 ) 抽头权向量的自适应 龠( n + 1 ) = 诗( n ) + v u ( n ) e + ( n ) ( 3 4 ) 式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) 定义了估计误差e ( n ) ，其计算基于抽头权向量龠( n ) 的当前估 计。式( 3 4 ) 右边的第二项u ( n ) e + ( n ) 代表了抽头权向量龠( n ) 的当前估计的调整值。 该迭代过程从某一处是猜测点诗( o ) 开始。式( 3 2 ) 式( 3 4 ) 所描述的算法即自适应 l m s 算法的复数形式。在每一次迭代或时间更新中，这个算法都需要u ( n ) ，d ( n ) 和龠( n ) 的最近值。 图3 2 为反馈形式的l m s 算法的信号流图。这个信号流图清楚地说明了l m s 算法 的简单性。从图中可以看出，l m s 算法在一次迭代中只需要2 m + l 复数乘法和2 m 复 数加法，这里m 是自适应横向滤波器中抽头权值的数目。 1 2 硕士论文 基于嵌入式系统的谐波检测研究 图3 2 l m s 算法信号流图 3 3l m s 自适应谐波检测算法 将l m s 自适应算法引入到谐波检测中是基于自适应噪声对消原理。图3 3 为其原 理框图。自适应噪声对消法要求基本输入信号与噪声信号不相关，与参考信号也不相关， 而参考信号和和基本输入信号中的噪声信号是相关的。 系统 输出 图3 3 自适应噪声对消原理框图 运用到谐波检测中，其基本思想是将负载电流i 。作为原始基本输入信号，将幅值标 准化后的标准正弦和余弦波作为参考输入，谐波电流i 。看作要检测出来的信号，基波电 流i 视为噪声，原理框图如图3 4 所示。根据三角函数的正交性，i 。与i 是不相关的，i 。 与参考输入也不相关，而i 。与参考输入是相关的，因此自适应噪声对消法用于谐波电流 的检测是满足要求的。 3 谐波检测算法的研究与仿真硕士论文 系统 输出 图3 4 自适应谐波检测原理框图 在检测时，滤波器输出信号y ( n ) 跟踪参考输入的变化，即y ( n ) 在幅值和相位上逼近 电流的基波分量i ，然后从总的负载电流中减去该信号就得到了谐波的总和e ( n ) ，e ( n ) 也用来控制自适应滤波器中抽头权值的调整。这样就实现谐波电流的自适应检测。基于 该方法的检测系统是一个闭环连续调节系统，其运行特性与原件参数几乎无关，对器件 特性的依赖也不大，即使在电压波形畸变的情况下也具有较好的自适应能力。 3 4 几种改进的l m s 自适应算法的仿真与分析 3 4 1 几种改进的l m s 自适应算法概述 虽然l m s 自适应算法有诸多优点，但其动态响应较慢，所以对其进行改进，以加快 算法收敛速度。在诸多改进的l m s 算法中，以改变算法中的步长参数来达到加快响应速 度目的的居多。在基本的l m s 算法中步长参数“是固定的，这样就会出现一个问题，即 当“取得较小时，算法的稳态误差就会比较小，但收敛速度就会降低；而当“取得较大时， 算法的收敛速度会加快，但稳态误差又会变大，这是一个很大的矛盾。为解决这一矛盾， 可以采用变步长l m s 算法代替传统定步长l m s 算法，即当权值系数w ( n ) 远离其最佳值 时，步长较大，以加快算法收敛速度；当权值系数w ( n ) 接近其最佳值时，步长较小， 以减小稳态误差。 通过分析和比较相关文献资料 2 6 3 9 1 ，得到以下三种比较具有代表性的变步长l m s 自适应算法。 1 ) 步长( n ) 是e ( n ) 的s i 鲫o i d 函数3 4 】： ，1、 ( n ) = 【r i 鬲；而一n 5j 。5 其中口是控制s 形状函数的常数；是控制s 型函数范围的常数。此算法本次步长的更新 不需要直接用到上一次的步长。 2 ) 步长( n ) 更新由均方瞬时误差来控制【3 8 】： ( n ) = 掣( n ) + 7 e 2 ( n ) ( 3 6 ) 其中口主要控制权值w ( n ) 的收敛速度，y 对算法的稳态误差和收敛速度都有较大影响， 通常取得较小。此算法本次步长的更新需要用到上一次的步长。 1 4 硕士论文基于嵌入式系统的谐波检测研究 3 ) 步长( n ) 的更新由误差信号的时间均值估计来控制【3