（电工理论与新技术专业论文）嵌入式系统在谐波测量中的应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 二、电气设备调试、投运时的谐波测量，以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运 行。 三、谐波故障或异常原因的测量。 四、谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等。 1 1 2 谐波检测技术的发展趋势 随着科学技术水平的不断进步，集成电路的不断发展，谐波检测的实现技术也在不断的 发展和进步。先后经历了：l ，r ，c 器件不可编程电子器件可编程器件。谐 波检测实现技术将以模拟电路技术和不可编程数字电路技术为主转向追求高精度、高速度和 高可靠性、高实时性、高鲁棒性的可编程器件技术特别是数字信号处理技术。由于可编程器 件具有无可比拟的魅力，越来越成为实现各种算法的首选器件，特别是各种微处理器，按照 c m 0 s 的发展趋势，微处理器的运算速度完全再有可能提高1 0 0 倍，达到1 6 0 0 g l p s 以上， 在高精度、高速度、高实时性方面具有无可比拟的优势，对微处理器爆炸性需求的时代已经 来临，数字化谐波处理技术将很快成为谐波检测的主流实现技术【5 1 。 1 2 嵌入式技术的运用和发展 1 2 1 嵌入式系统的概念 引用英国电气工程师学会定义嵌入式系统为：控制、监视或者辅助设备、机器和车间运 行的装置。在国内则定义为：嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件 可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。嵌 入式技术并不是最近出现的新技术，只是随着微电子技术和计算机技术的发展，微控制芯片 功能越来越强大，而嵌入微控制芯片的设备和系统越来越多，从而使得这种技术越来越引人 注意。嵌入式系统与通用的计算机系统有相似之处，但也有明显的区别。通常，嵌入式系统 中的系统程序( 包括操作系统) 和应用程序是浑然体的，被固化在系统中运用 6 】。 1 2 2 嵌入式系统的应用 由于嵌入式系统具有体积小、性能好、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征 2 浙江大学硕士学位论文 目前已经广泛地应用于军事国防、消费电子、信息家电、网络通信、工业控制领域。嵌入式 系统可以说是无所不在、无处不在，就周围的日常生活用品而言，各种电子手表、电话、手 机、p d a 、洗衣机、电视机、电饭锅、微波炉、空调器等都有嵌入式系统的存在，如果说我 们生活在一个到处是嵌入式系统的世界，也是毫不夸张的。据统计，一般家用汽车的嵌入式 计算机在2 4 个以上，豪华汽车则在6 0 个以上。据估计，人们在2 0 0 5 年每天接触的嵌入式 计算机可达6 0 0 个以上。嵌入式系统的应用前景是非常广阔的，人们将会无时无处不接触到 嵌入式产品。特别是近年来的嵌入式无线i n t e m 时的逐渐成熟和广泛化、实用化，无线i n t e r n e t 的应用可能会发展到无所不在。在家中、办公室、公共场所，可能会使用数十片甚至更多这 样的嵌入式无线网络芯片，将一些电子信息设备甚至电气设备构成无线网络；在车上、旅途 中，可以利用这样的嵌入式无线芯片实现远程办公、远程遥控，真正实现把网络随身携带【7 】。 嵌入式系统主要应用于以下几个大的方面【8 】： 一、国防武器设备。如导弹瞄准、雷达识别、电子对抗等。 二、通倍信息设备。如路由器、程控交换机、移动电话、调制解调器等。 三、过程控制。即对生产过程中各种动作流程的控制，这种控制是在对被控制对象和环境进 行不断观测的基础上做出及时的反应的，如流水线控制、金属加工控制等。 四、智能仪器。如网络分析仪、示波器、医疗仪器等。 五、消费产品。各式各样的信息家电产品，如数字电视、微波炉等。 六、生物微电子技术。这是当今嵌入式技术的应用前沿，有着广阔的市场空间。 1 2 3 嵌入式技术的发展趋势 以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入 了新的生命；l 司时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战。这主要包括：支持 日趋增长的功能密度、灵活的网络连接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理，此外，当然 还需对付更加激烈的市场竞争。 今后嵌入式系统的发展趋势【9 】： 一、嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 随着i n l e 皿e t 技术的成熟、带宽的提高、a s p 在网上提供的信息内容日趋丰富、应用项 目多种多样，像电话、手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一， 电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理 浙江大学硕士学位论文 器如3 2 位、6 4 位刚s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力；同时还采用实时多任务编程 技术和交叉开发工具技术来控制功能的复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开 发周期。 二、网络互联成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 1 世纪的嵌入式系统要求配备标准 的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口，相应需要 t c 朋p 协议簇软件支持；由于家用电器相互关联及实验现场仪器的协调工作等要求，新一 代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 ，u s b ，c a n ，b l u e t o o t l l 或i r d i a 通信接口，同时也需要提供 相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如w 曲 或无线w 曲编程模式，还需要相应的浏览器，如h 州l 等。 三、支持小型电子设备，实现小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用 接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如选用最佳的编程模型和不断改进 算法，采用j a v a 编程模式，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富经验，更需要发 展先进嵌入式软件技术如j a v a ，w 曲和w a p 等。 四、提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力， 自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和 操纵杆。人们与信息终端交互要求以g u l 屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音 拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。 1 3 嵌入式实时操作系统i l c ，o s - i l ”c o s - l i 是一个高性能的嵌入式实时操作系统，是由多任务、多中断和高效实时内核组 成的一个有机整体。应用系统在实时内核的统一管理下协调工作，能够高效地实现任务切换、 任务调度、任务间通信、同步、互斥、实时时钟管理、中断管理等功能。 为了提高系统的实时能力，嵋o s - j l 可以将一个复杂的应用划分为多个相互独立的任 务，并根据任务的重要性来分配优先级。每个任务拥有自己的堆栈空间，并且当前任务运行 时独占c p u 资源。任务的调度完全由p c o s - l l 的实时内核完成，主要包括任务的状态管理、 选择最高优先级的任务、执行任务和撤销任务等。心o s 1 l 内核还负责c p u 时间分配，c p u 4 浙江大学硕士学位论文 时间总是优先分配给中断事件，其次是任务队列中当前优先级最高的任务。不同的任务问的 通信可以通过心o s i i 提供的信号量、邮箱、消息队列等机制完成。 作为一个优秀的实时操作系统，心，o s - i i 具有如下优点【lo 】： 一、可移植。绝大部分的嵋幻s l l 代码由a n s lc 编写，只有和处理器相关的部分才使用汇 编，这使得嵋o s 1 l 便于移植 二、可裁减。如果只使用部分功能，可以通过条件编译来裁减嵋o s l l 的代码 三、多任务。心o s 1 1 可以管理6 4 个任务，目前系统保留了8 个，用户的应用程序最多可 以有5 6 个任务，每个任务的优先级不同，这意味着心，o s - 1 i 不支持时间片轮转调度法 四、占先式。心o s l i 是占先式的实时内核，它总是运行就绪条件下优先级最高的任务 五、可确定性。p c o s - i i 的全部函数调用与服务的时间是可知的，p c o s i i 系统服务的时间 不依赖于应用程序的多少 六、任务栈。每个任务有自己单独的堆栈 七、系统服务。心o s i i 提供邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的内存申请与释放、时 间相关函数等 八、中断管理。中断可以使正在执行的任务挂起，可能会在中断结束的时候发生任务切换， 中断嵌套层数可达2 5 5 层 九、稳定性与可靠性。心o s i i 和心o s 自1 9 9 2 年以来已经有几百个商业应用 十、公开源代码。使得系统在商业应用中具有明显的价格优势 1 4 本论文的目的、意义及主要内容 嵌入式系统是信息产业走向二十一世纪知识经济时代的最重要的经济增长点之，这是 一个不可垄断的工业，对中国的信息产业来说充满了机遇和挑战。 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术广泛应用于工业控制、信息家电、 交通管理、农业、商业、服务业等各行业，已成为现代电子产品设计的一大领域和方向。同 时在计算机领域里面，微型化和专业化成为了发展的新趋势，同样也需要嵌入式系统的支持。 因此，研究嵌入式系统有着相当重要的理论和实际意义。 在谐波检测技术走向数字化的过程中，对于微处理器的要求和系统软件以及应用软件的 要求，随着实际应用的需求也越来越大。今后，谐波检授 仪器将朝着高性能，高可靠性，低 成本，小体积，低功耗，易于操作，用户界面友好等方向发展。因此，在谐波检测仪中引入 浙江大学硕士学位论文 嵌入式系统是十分必要，也是十分高效的。 本文主要从硬件和软件角度，分别介绍了嵌入式系统的引入( 包括嵌入式微处理器和嵌 入式实时操作系统) ，以现今运用最流行的嵌入式微处理器( s a l i l s u n g 的s 3 c 4 4 b o x ，当前 最廉价一j b 十元，接口最丰富，采用率最高的a r m 7 系列芯片) 和嵌入式实时搡作系统 ( ，o s i i ) 为例。着重介绍了以s 3 c 4 4 b o x 为硬件平台的嵌入式实时操作系统n c o s l j 的移植工作。因为在a r m 工程开发中，为了实现功能复杂的资源复用，提高软件功能设计 效率，简化开发难度，需要采用高性能的实时嵌入式操作系统c o s - i i 作为软件设计平台， 而将心o s 】l 移植到a r m 平台也是一项十分重要且难道较高的任务。这是一个非常重要的 起点。移植的成功，为以后的后续开发提供了便利，移植的同时，也可以深入学习到嵌入式 系统( 包括软、硬件两方面) 的知识。因此，此移植工作是非常有必要的。 本文在第二章中介绍了谐波检测方面的背景知识，指出了谐波的危害，更体现了谐波检 测的重要性，在章末，介绍了现在流行的谐波检测都是采用数字化方法的，因此，提供一颗 功能强大的微处理器是多么的重要。在第三章中，对于现今的嵌入式技术作了介绍，可以充 分认识到，当前嵌入式技术如此流行的原因，以至于它的应用深入到了社会的方方面面，因 此在谐波检测中，运用嵌入式技术是合乎发展的潮流，也是十分的必要的。在第四章中，简 要介绍了流行嵌入式实时操作系统心，0 s - 1 l 之后，就着重讲述了心o s - i i 在基于s 3 c 4 4 b o x 微处理器上的移植工作，文中的代码，都是在实际的基于s 3 c 4 4 b o x 的开发板上运行成功 的，因此都是正确，对各移植代码进行了详细的叙述，可以充分了解到移植的过程。 移植过程是十分重要的一步，也是基础的一步，它为以后的基于谐波处理的软件开发提 供了一个强大的平台，用户可以根据自己在谐波处理中的算法及需求编写代码，加入到系统 中去，也可以编写程序，发挥微处理器的强大功能，如网络传输，液晶显示，编写友好的谐 波处理软件界面，支持u s b 接口等等。因此，本文既是对嵌入式系统在软、硬件方面的进 一步深入研究，具有理论研究的价值；同时，为嵌入式谐波检测仪的研制提供了一个强大的 软、硬件平台，扩大了嵌入式系统的应用，因此，对于嵌入式系统在应用方面也有实用的价 值。 6 塑垩查堂堡主兰堡笙苎一 第二章谐波检测概述 交流电力系统自诞生起，在产生基波电量的同时就孪生了谐波问题。近1 0 年来，由于 电弧炉、电力电子装置、电力机车等各种非线性设备被广泛使用，产生了大量的高次谐波， 造成电力系统电压、电流严重畸变，影响仪表正常工作，增加电力元件损耗，危及电力系统 安全运行。目前，谐波己成为污染电力系统的严重公害之一，解决电力系统谐波问题显得非 常迫切。电力系统谐波问题涉及面很广，包括谐波检测、谐波分析、谐波源分析、电网谐波 潮流计算、谐波抑制、谐波标准以及在谐波情况下各种电气量的测量和分析等。谐波检测是 谐波问题中的一个重要分支，是解决其他谐波问题的基础。电力系统的谐波由于受随机性、 分布性、非平稳性等因素影响，对其进行准确检测并非易事，因此人们在不断探索更为有效 的谐波检测方法及其实现技术。 2 1 谐波的定义 谐波是一个频率为基波频率( 即发电机产生的主要频率) 整数倍数的周期性波形分量。 例如：3 次谐波是基波频率的3 倍，即频率为1 5 0 h z 的周期分量。如图2 1 1 所示，下半部 - 量嚣隆譬h 争警-量臻工工生王 | o 土0 ii o j * 一 霹剿嬖喜除1 鹭群辩：绘 篓：! 臣浏：溪濂劐王：! ：j ： ：；：! ： 专* 舱黼特j 妊嚣走：曩i劐萋黎吲一。i 笸： v ，j 王掣j ：x ：。薯搿鞲黼萎。 型“望 ，、 一。叶一”。j f 。”卜一_ ”。r 跨羹l ； i一一ii鞴黼j j毒； 繁瓣簿蘸瓣 群 瓣谶 孛泰 - 计。 u _ 煽 渊渤 ：擞；：篝 婷嘲 w- ； 撼j 艇：；：挺；瀚 ：骥卜 了。劬 眨；：鬻一牾一- r嚣卜妊讳“簪n ， ；冀一 曩二 - - - ： 、一l j ， r ? 。4 j 。笼。：芦“4 “。“ t ，一 圉2 1 1 谐波示意图 分为基波和3 次谐波，而上半部分是基波与3 次谐波叠加后的实际波形。虽然基波与3 次谐 波都是标准的正弦波，但是叠加后，电网的波形已经发生了畸变。 7 塑望查兰堡主堂垡堡苎一一 2 2 谐波产生的原因 在理想的干净的供电系统中，电流和电压都是正弦波。在只含有线性元件( 电阻、电感 和电容) 的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流为正弦波。其数学表 达式为【1 l 】： u ( ，) = 2 u s m ( d 卯+ 口) ( 2 - 2 1 ) 其中：= 2 万，= 2 万丁 式中：u 一电压的有效值，其幅值为2 u ，口初相角，甜工频角频率，一工频频率， r 一工频周期。 在电路中线性无源元件上的电压和电流的关系，不外乎比例、微分和积分的关系。正弦 周期函数在进行加、减、微分和积分等运算时仍保持正弦函数的特点。在实际的供电系统中， 由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，电网电压的波形 往往偏离正弦波而发生畸变，就成为非正弦电流。根据傅里叶级数，任何周期性波形都可以 分解为个基频正弦波和许多谐波频率的正弦波。 造成波形畸变的原因如下： ( 1 ) 电力系统本身存在着周期性的非正弦独立电源，如有下面的电流源 t ( f ) ：羔皿s i n ( n 耐+ q ) ( 2 2 2 ) n = 0 由不同频率的正弦电流分量叠加而成，当它注入线性时不变的电力系统后，产生的电压、电 流将仍然是由这些频率的正弦分量组台而成，输入的畸变直接造成了输出的畸变。 ( 2 ) 工频电压或电流作用于非线性负载，如有一工频电压 u ( r ) = 孤s i n 耐 作用在一个电流一电压特性为 雄) = 老扩( f ) ( 2 2 4 ) 的非线性时不变电阻两端时，产生的电流为 潭) = 三压k 3s i n 埘一圭压曙s i n 3 科 ( ： 可见，输入电压的频率为国，输出电流中则包含有频率为和3 融的两种频率的正弦分量 ( 3 ) 电力系统中存在时变负载，如有一电导，其电气特性为； 8 浙江大学硕士学位论文 g ( f ) = g os i n 唿， f ( f ) = g ( r ) v ( f ) 如果电压仍为工频电压v ( f ) = 互ks i n 删，则 f ( f ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 譬k g 0 c 。s ( m 一咚) ，一c 。s ( + 略) ， c z 2 s ) 其结果是，当是的偶数倍时，i ( r ) 中的频率就是国的奇数倍，当吐是的奇数倍时 f o ) 中的频率就是的偶数倍e 如果与珊之比为有理分数，则f ( ，) 中的最低频率可能小 于出，大于国的频率也可能出现在的整数倍数间，而且输入频率还有可能消失在输出 中。电力系统中具有周期性或非周期性开关功能的各类电子器件，它们的电气特性都可用一 个时变元件来表示。 2 3 主要的谐波源 在电能的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。 2 3 1 来源于发电机 这是由于发电机制造工艺问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此 产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然几个这 样的电源并网时，总电源的电流也偏离正弦波【1 2 】。 另外，发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致 以及其他一些原因，发电机多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。 2 3 2 来源于输配电系统 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器含有铁心，铁心具有磁饱和性， 铁心饱和后是非线性的，变压器铁心常工作在磁通密度较高的区段，磁化曲线更陡，更易产 生谐波。据统计由电力变压器产生的谐波中，其中的3 次谐波电流可达额定电流的5 。 9 浙江大学硕士学位论文 2 3 3 来源于电气设备 2 3 j 1 电力电子整流设备 主要是晶闸管整流设各。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源 等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置采用的是 移相控制，它从电两吸收缺角的正弦波，留给电网的也是缺角的正弦波，显然留下的这部分 缺角正弦波中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路。在接感性负载时则含有奇次 谐波电流，其中3 次谐波的含量可达基波的3 0 ；若接容性负载时则含有奇次谐波电压， 其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6 脉整流器，变压器原边及 供电线路含有5 次及以上奇次谐波电流：即使是性能较好的1 2 脉冲整流器，也还有1 1 次及 以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近4 0 。这是最大 的谐波源【1 3 】。 2 3 3 2 多台整流机组并联 多台整流机组其网侧输入电流中的谐波电流含有率取决于下列因素： ( 1 ) 整流机组的脉动数p ； ( 2 ) 整流装置导通的控制角口和换相角； ( 3 ) 整流装置的控制类型，可分为非相控、半控和全控型； ( 4 ) 整流装置是否处在检修工况； ( 5 ) 供电电源的电能质量； 2 3 3 3 电弧炉、电石炉 电弧炉是利用电弧的热量熔化金属原料，在熔化期内，由于熔化的炉料倒塌，使电极发 生短路，引起电流冲击。由于电极分别控制，三相电弧炉的各相电阻也不可能同步变化，甚 至差异很大，造成三相电流不对称。电弧电阻又是非线性的，并且随着电弧电压瞬时值的变 化而变化。因此，电弧炉是一种冲击性、不对称、时变和非线性负荷，是系统中另一种主要 的谐波源。 虽然，各种电弧炉的特性和运行方式不同，但在熔化初期电弧炉电流含有较多的奇次和 偶次谐波；在熔化期电流中偶次谐波减少，以奇次谐波为主：在糖炼期，由于负荷较平稳， 电流中奇次谐波和偶次谐波都很小。 2 3 3 。4 变频装置 随着变频调速的发展，变频装置对电网造成的谐波也越来越多。变频装置常用于风机、 1 0 塑垩查堂堡主堂堡丝苎 一 水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份极其复杂，除含有整数次谐波外，还 含有分数次谐波。 2 3 3 5 气体放电光源 工厂车间照明、办公室照明、家窿照明目前都广泛采用高压汞灯、高压钠灯和荧光灯等 气体放电照明光源。由于气体放电光源的非线性，产生了大量的谐波，也成为供电系统中不 可忽视的谐波源。气体放电灯具有负阻特性，工作时须串联一电感作镇流器，才能使其工作 稳定，灯管电压和电流波形为一近似方波。气体放电灯中含有3 、5 、7 等奇次谐波。当其三 相星形联结时，零线电流为3 的倍数谐波电流之和 1 4 】。 除上述谐波源外，电石炉、感应加热设备、旋转电机( 槽形谐波) 、电机车、电焊机、 输电线路、家用电器( 如电视机、洗衣机) 、有磁饱和现象的用电设备以及使用电力、电子 装置的用电设备，也都会产生谐波。如上所述，诸多因素都会引起交流系统的波形畸变- 也 就是常说的产生电力谐波，这些引起波形畸变的因素称之为“谐波源”。 2 4 谐波的危害 相当含量的谐波电流，将导致电气设备寿命缩短，网络损耗加大，系统发生谐波谐振的 可能性增加。以往，相当数量的这类故障归结为产品质量问题。事实上大量的非正弦波交流 产生的三重谐波( 即3 ，9 ，1 5 ，1 8 ，2 l ，谐波电流) 和其他的零序电流，会使中性点对 地产生电压，也会耦合入“三角星形”变压器的初级三角绕组中去，使电压产生畸变和过度 发热。普通三相或三相非线性负荷( 一般为6 脉冲) 即不含3 次也不含三重谐波，大量的5 次和7 次谐波是负序和正序的在中性线上流经变压器绕组，然后并入上一级系统，使上一级 电网同样受到冲击又反馈给配电系统及终端用户。目前无论在电力系统，还是在变电系统， 或配电系统，有时几乎同时发生因受谐波电流冲击，引起继电保护和自动装置误动作，开关 跳闸，仪表指示和电度计量不准以及通信系统受干扰等一系列问题，使电力系统整体水平不 断恶化。即使各级电网谐波电压不超过标准，由于谐波引起的损耗以及电气设备绝缘寿命的 缩短所造成的等值损失电量也很可观，据统计为用电量的7 肛1 5 。 谐波会增加设备损耗进而加剧设各的热应力。还可以使电压峰值增大，导致绝缘应力升 高，缆绝老化，最终可能使电缆绝缘击穿。同时由于电压畸变引起设备故障或不正常工作， 造成负载设备损坏。谐波对变电系统设备的影响尤为明显。谐波导致损耗增加和设备寿命缩 短。3 倍数次谐波即使在负载平衡的情况下也会使中性线带电流，并且此电流有可能等于甚 2 5 2 瞬时无功功率理论 日本学者h a k a g i 于1 9 8 3 年提出瞬时无功功率理论，以瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义为基础即p q 理论。后又补充定义瞬时有功电流f p 和瞬时无功电流f o 等物理量，经历 了一个逐渐完善的过程。它首先用于三相电路谐波检测中，目前在有源电力滤波器中，该谐 波检测法应用最多。以计算p 和q 为出发点的称为p q 法，以计算f p 和f 。为出发点的称 为一f d 法。它们都能准确地检测对称三相电路的谐波值，实时性较好，在只需测量谐波 时可省去锁相环电路。一f o 法的适应范围更宽，能适应不对称电网和电压波形畸变时的 情况，因按、岛运算方式时只读取s i n 耐和c o s 耐参与运算，畸变电压的谐波成份在运 算中不出现，因而它在电源电压畸变情况下也能准确检测出谐波电流，而眦法在这种情 况f 则误差较大 1 7 1 。 图2 5 2 1 是用、岛法检测三相电路谐波电流的原理框图t 首先将检测到的三相电流 囤2 5 2 1 用、名运算方法检测谐波电流框图 l 曲 t 婚 l 。 信号变换到互相垂直的两相坐标系中得到互相垂直的两相信号、( 式2 5 2 1 ) ，再按、 i 口运算方法可得到式( 2 5 2 2 ) ： 讣 计巳卧q 巳 1 5 = c ( 2 5 2 1 ) ( 2 5 2 2 ) 浙江大学硕士学位论文 x ( f ) = s i n ( 耐) ，c o s ( 叫) ，s i n ( 2 耐) ，c o s ( 2 耐) ， s i n ( ，z 研) ，c o s ( 门耐) 。并采用了2 种 在线训练权值的算法，其一是w j d r o w h d f f 算法，其二采用虽小均方( l m s ) 算法，并分 别从收敛速度、精度和自适应能力方面，通过仿真对这2 种算法进行了比较，基于a n n 自 适应的谐波测量方法对于不确定的谐波进行跟踪测量来说是一种好方法。在基于多层前馈网 络的谐波测量中，构建多个结构类似的m l f n n ，有多少待测量谐波，就对应多少个m l 补j n 。 利用离散的采样点来测量初相角，然后再对谐波的幅值进行在线和离线训练，实时性和精度 上较好，仿真结果表明，幅值精度可达到1 0 。对于确定的电力电子装置。若采用这种方 法，实时性和精度上容易满足。 ( 3 ) 引入惯性系数的神经网络方法 对传统的神经网络法进行了改进，提高了人工神经元自适应的学习率，并采用前k 次 采样值，用于检测畸变电流中的谐波电流。其中神经元学习采用l m s 算法。通过误差e 来 调节权值，相应的修正权值公式： 哆( 七+ 1 ) = 哆( 七) + 2 班( | | ) t ( i ) + 口 皑( 】j ) 一q ( _ j 一1 ) ( 2 5 3 1 ) f = 1 ，2 ，m + l( 2 5 3 2 ) 口( 七+ 1 ) = 口( 七) + 2 玎p ( 七) + 口 口( j i ) 一目( 七一1 ) ( 2 ，5 3 3 ) 其中：0 ( 吁1 ，是学习率，最后一项为惯性项，系数o o ) 。上标“”代表共轭。在 小波变换中，采用小波母函数、壬，( f ) 经伸缩和平移后的函数甲。j ( f ) 为小波变换的积分函数， 其参数a 和b 反映了对信号频率和时位的限制，特别是它经整数放缩和整数平移后的函数被 要求是正交的。 信号采样后，连续小波变换式可写为： 阮( 口，6 ) = ：2 x ( 玎归： ( n ) 西 ( 2 m 2 ) x ( n ) 和甲啪( n ) 分别是连续波形x ( r ) 和小波y 础( f ) 的采样函数，出则是采样间隔， 和 由n + 乞和d + 0 2 决定，他们决定了甲础o ) 的时间长度，而和f 0 2 则是、壬，( f ) 的时闻长 度，并且对于给定的甲( r ) 的值是固定的。在等式( 2 5 4 2 ) 中，甲( f ) 被放大和移位，并 且和x o ) 积分，降( 口，6 ) 的大小由甲。 o ) 的频率和谐波的频率所决定。当他们的频率相 同时，值最大；否则，值很小a 从式( 2 5 4 1 ) 、( 2 5 4 2 ) 可知，小波变换实质上是信号x ( f ) 与小波母函数的卷积，是对信号满足定附加条件的滤波。而滤波的范围则由参数a ，b 来 决定( 反映在小波母函数和小波因子的选择上) 。可见，小波变换是按频带而不是按频点的 方式处理频域信息，因此信号频率的微小波动不会对处理产生很大影响，且不要求对信号进 行整周期采样；其次，由小波变换的时间局部性可知，在信号的局部发生波动时，他不会像 浙江大学硕士学位论文 傅里叶变换那样把影响扩散到整个频谱，而只是改变当时一小段时间的频率分布，这使其可 以跟踪时变信号和暂态信号。 2 5 4 2 基于小波变换的谐波检测 国内对w r 的研究起步较晚，直到1 9 9 0 年才有论文公开发表，1 9 9 4 年形成国内的小波 高潮。目前，国内的小波文献以图象处理等应用性研究居多，用于电力系统谐波检测的研究 时间相对较晚，近几年才有较大进展。当前、v t 在谐波检测中的应用研究成果主要有： 基于w t 的多分辨分析，将含有谐波的原信号分解成不同频率的块信号，将低频段上的结 果看成基波分量，高频段为各次谐波，利用软件构成谐波检测环节，快速跟踪谐波的变化。 利用w r 和最小二乘法相结合来代替基于k a i m a n 滤波的时变谐波跟踪方法，它将各次谐 波的时变幅值投影到正交小波基张成的子空间，然后利用最小二乘法估计其小波系数，将时 变谐波的幅值估计问题转换成了常系数估计问题，从而具有较快的跟踪速度。提出暂态时 变非周期谐波畸变指标的定义，并用w t 实现这些指标的量化，从而有效检测各种谐波分 量。利用w t 的小波包具有将频率空间进一步细分的特性以及电力系统中产生的高次谐 波投影到不同的尺度上会明显地表现出高频、奇异高次谐波信号的特性进行谐波分析。通 过对含有谐波信号进行正交小波分解，分析原信号的各个尺度的分解结果，达到检测各种谐 波分量的目的，从而具有快速的跟踪速度。将小波变换和神经网络结合起来对谐波进行分 析，并设计和开发基于小波网络的谐波监测仪。 2 6 谐波测量的技术及发展 ( 1 ) l 、r 、c 器件 利用l ( 电感) 、r ( 电阻) 和c ( 电容) 器件构成模拟滤波器是一种经典的谐波检测实 现技术。采用l 、r 、c 可以构成模拟低阻滤波器和模拟窄带滤波器，前者能将基波分量阻 断从而检测到总的谐波分量，后者能通过并联连接检测出各次谐波分量。原理简单、实时检 测是l 、r 、c 谐波检测电路最为突出的优点，2 0 世纪7 0 年代之前它是谐波检测的主要实 现技术，并且还在使用着。但是电路的鲁棒性、抗干扰性、检测精度都比较差，并且体积大、 损耗高、因此随着新的实现技术的发展，目前已不再优先采用【s 】。 ( 2 ) 不可编程电子器件 随着真空二极管、真空三极管和晶体三极管的诞生，各种电子器件应用于谐波检测。早 期的电子器件不仅是不可编程的，而且是分立的，一般需要采用数量众多的电子器件构成各 1 9 浙江大学硕士学位论文 式各样的电子电路，不可编程的分立电子器件曾经在较长时间里是实现谐波检测电路的重要 器件。随着集成电路的诞生以及各种模拟和数字专用集成电路芯片相继问世，不可编程电子 器件由早期的电子管、晶体管分立器件发展到小中规模集成电路、超大规模集成电路咀及许 多具有特定功能的专用集成电路的芯片，并迅速应用于各个领域，其中就包括谐波检测。不 可编程电子器件与传统l 、r 、c 器件相比，具有体积小、功耗低、性能稳定等优点，但是 由于仍然是不可编程的，难以实现f f t 、w t 、n n 等较复杂的谐波检测算法，所以工程应 用还是受到一定限制。 ( 3 ) 计算机 最初的可编程器件为计算机。计算机自1 9 4 6 年诞生以来，给人们实现各种算法带来前 所未有的方便，能够轻而易举实现以前难以或者根本无法实现的算法，也由于计算机的诞生 和发展。使各种时域理论的算法实现起来非常容易，从而极大地促进了f f t 等复杂的时域 分析方法在谐波检测的应用。但是，由于计算机体积庞大、价格不菲，工程应用往往局限于 一些重要场合。 ( 4 ) 微处理器 微处理器诞生于2 0 世纪7 0 年代，是诞生时间最早，也是目前在谐波检测中应用最早、 撮广泛的一种嵌入式可编程芯片。微处理器已经跨过了6 个发展阶段，其中，第一代 ( 1 9 7 1 1 9 7 3 ) 为4 位或8 位低档微处理器，其代表产品是i n t e l 生产的4 0 0 4 c p u 和m c s - 4 ： 第二代( 1 9 7 扯1 9 7 8 ) 为8 位中高档微处理器；第三代( 1 9 7 8 1 9 8 4 ) 为1 6 位微处理器，代 表产品是i n l e l 8 0 8 6 ；第四代( 1 9 8 5 1 9 9 1 ) 为3 2 位高档微处理器，代表产品有a s t 3 8 6 、 c o 艘 q 3 8 6 等 第五代( 1 9 9 2 1 9 9 4 ) 为6 4 位微处理器，如i n t e l 的p 5 ；第六代( 1 9 9 5 ) 为6 4 位以上高性能微处理器，如p i i i 、p i v 。早期的微处理器，由于位数低，运算速度慢， 在实现f f t 时，存在实时性差的缺陷，有时为了提高谐波检测的实时性，不得不牺牲精度 和谐波检测的次数，同样的缺陷也存在于n n 、w t 等算法的实现过程中。随着高位、高速 微处理器的涌现，目前这问题已得到了解决，这也是微处理器目前在实际工程中应用最广 泛的原因之一。 ( 5 ) 可编程逻辑器件 逻辑器件有分立逻辑器件、集成逻辑器件和可编程逻辑器件之分。可编程逻辑器件可以 完全由用户配置以完成某种特定的逻辑功能。早期的可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ，p l d ) 只有可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读存贮器( e p r o m ) 和 电可擦除只读存贮器( e e p r o m ) 三种。2 0 世纪7 0 年代，在a s i c 芯片设计的基础上发展 2 0 浙扛大学硕士学位论文 起来了一系列高性能的可编程逻辑器件，并迅速应用于各工程领域。此后，高性能可编程逻 辑器件快速发展，并迅速从简单可编程逻辑器件( p r o g i 丑m m a b l el o 西cd e v i c e ，s p l d ) 发展 到可编程阵列逻辑( p m g r a m m 曲l e a n 可l o 舀c ，p a l ) 、通用阵列逻辑( g e n e r i c a m yl o g i c ， g a l ) 、现场可编程逻辑器件( f i e l dp r 。g r a m m 曲l el o g i cd e v i c e ，f p l d ) 、复杂可编程逻辑 器件( c o m p j e xp m 酽枷m a b i el 0 9 i cd e v i c e ，c p l d ) 、现场可程序化门阵列( f i e l d p r o 伊a m m a b l eg a l e a m y ，f p g a ) 等。其中c p l d 、f p g a 属高密度可编程逻辑器件，目前 集成度已高达1 千万门，片。 ( 6 ) 数字信号处理器 数字信号处理器( d 硒t a ls j g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 问世于1 9 7 8 年，它采用先进的哈佛 结构，将程序指令与数据的存储空间分开，各自拥有自己的地址与数据总线，可以同时处理 指令和数据，从而使d s p 的运算速度大大提高，即使是第一代d s p ，其运算速度也比m p u 快几十倍。d s p 芯片的问世标志着数字信号处理应用系统由大型系统向小型化芯片迈进了 一大步。随着c m o s 技术的进步与发展至2 0 世纪8 0 年代中期，第二代基于c m o s 工艺 的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高。8 0 年代后期，第三代d s p 芯片问世，运算速度进一步提高。9 0 年代之后，相继出现了第四代、第五代和第六代d s p 器件。经过2 0 多年的发展，当前一般低速d s p 的运算速度达几十m p s ，一些高速d s p 的 最高运算速度已超过2 0 0 0 m i p s 。目前，d s p 产品形成了定点和浮点两大系列d s p ，均已广 泛应用工程的各个方面，并逐渐成为电子产品更颜换代的决定因素。 由于d s p 在算法实现方面具有很高的运算速度，因此大大提高了在工程应用中的实时 性，特别是在实现复杂算法时其优越性更明显。在高精度、宽频谱的谐波检测中，谐波检测 的f f t 、d f t 、w t 和n n 等算法的计算量都非常大，d s p 的高速运算特性显得非常可贵。 有鉴于此，近年来，d s p 在电力系统谐波检测中的应用研究开展得如火如荼，呈现出后来 居上之势。 2 】 浙江大学硕士学位论文 器进行控制的。 3 2 3 嵌入式系统的特点 ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以 内核较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的o s e 分布式系统，内核只有5 k b ， 而w i n d o w s 的内核要大得多。 ( 2 ) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般 要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变 化和增减不断进行修改。同时，针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改；程序的编 译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能的设 计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统的成本，同时也利于实现系统安全。 ( 4 ) 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的摹本要求，而且软件要求固化存储，以提高 速度。软件代码要求高质量和高可靠性。 ( 5 ) 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用 程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为了合理的调度多任务，利用系统资源、 系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配r 1 d s ( r e a lt j m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开 发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 ( 6 ) 嵌入式系统开发需要专用的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具备自主开发能 力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因此必须有一套开发 工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设各以及各种 逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发， 目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 3 2 4 嵌入式系统的分类 由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进行划 分。 ( 1 ) 嵌入式系统的硬件。从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。 据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种数量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 2 5 浙江大学硕士学位论文 多个，其中8 0 5 l 体系占大多数。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多种衍 生产品，仅p h i l j p s 公司就有近1 0 0 种。目前嵌入式处理器的寻址空间为6 4 k b 2 5 6 m b ，处 理速度为o 1 2 0 0 0 m i p s 。 近年来嵌入式微处理器的主要发展方向是小体积、高性能、低功耗。专业分工也越来越 明显，出现了专业的i p 核( i n t e n e c n | a ip r o p e r i yc o r e ，知识产权核) 供应商如a r m 、m i p s 等，他们通过提供优质、高性能的嵌入式微处理器内核，由各个半导体厂商生产面向各个运 用领域的芯片。 如图3 2 4 1 所示【8 】，一般可以将嵌入式处理器分成4 类，即嵌入式微处理器( m i c m p r o c e s s o ru n j t ， 妇) u ) 、嵌入式微控制器( m i c mc o n 仃o l l e ru n t ，m c u ) 、嵌入式d s p 处理 器( d i g i t a js i g r i a ip r o c e s s o r ，d s p ) 和嵌入式片上系统( s y s i e mo nc h i p ，s o c ) 。 图3 2 4 i 嵌入式硬件系统分类【8 l ( 2 ) 嵌入式系统的软件。嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。 操作系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序。操作系统有两个基本功能：使计算机硬 件便于使用；高效组织和正确的使用计算机的资源。操作系统有4 个主要任务：进程管理、 进程间通信与同步、内存管理和帕资源管理。 目前嵌入式系统的软件主要有两大类：实时系统和分时系统。如图3 2 4 2 所示【8 】。 实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。实时操作系统的 2 6 浙江大学硕士学位论文 首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务；其次才着眼于提高计算机系统的使用 效率。其重要特点是通过任务调度来满足对于重要事件在规定时间内做出正确的响应。实时 操作系统与分时操作系统有着明显的区别。具体地说，对于分时操作系统，软件的执行在时 间上的要求并不严格，时间上的延误或者时序上的错误，一般不会造成灾难性的后果。而对 于实时操作系统，主要任务是对时间进行实时的处理，虽然事件可能在无法预知的时间达到， 但是软件必须在事件随即发生时，在严格的时限内做出响应( 系统的响应时间) 。即使是系 统处在尖峰负荷下，也应如此，系统时间响应的超时就意味着致命的失败。另外，实时操作 系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行的晟好和最坏情况做出精确的估 计。 图3 2 4 2 嵌入式软件分类【8 】 实时系统叉可以分为“硬实时系统”和“软实时系统”。硬实时和软实时的区别就在于 对外界的事件做出反应的时问。硬实时系统必须是对事件做出及时的反应，绝对不能错过事 件处理的时限。在硬实时系统中如果出现了这样的情况就意味着巨大的损失和灾难。比如说 航天飞机的控制系统，如果出现故障，后果不堪设想。 软实时系统是指，如果在系统负荷较重的时候，允许发生错过时限的情况而且不会造成 太大的危害。比如液晶屏刷新允许有短暂的延时。 硬实时系统和软实时系统实现的区别主要是在选择调度算法上。对于软实时系统，选择 基于优先级调度的算法足以满足软实时系统的要求，而且可以提供高速的响应和大的系统吞 吐量；而对硬实时系统来说，需要使用的算法就是应该是调度方式简单，反应速度快的实时 调度算法。 2 7 浙江大学硕士学位论文 4 1 引言 第四章嵌入式系统的移植 由第二章可以看到，随着现代电子技术的不断发展，各种电子器件的不断进步，虽然使 得电子技术的应用更加方便和高效。但由于许多电子器件的非线性和时变性，谐波问题不可 避免的严重