（电力系统及其自动化专业论文）基于嵌入式技术的电能质量检测研究.pdf

a bs t r a c t w i t ht h ee l e c t r o n i cd e v i c e sa n do t h e rn o n l i n e a rl o a d su s e di n p o w e r n e t w o r k ，t h en o n l i n e a r ，t h ei n s t a b i l i t ya n dt h eu n b a l a n c eo ft h ev o l t a g eh a y e b e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s b yt h eo n - l i n ea n dr e a l t i m e m o n i t o r i n g 。 r e c o r d i n ga n da n a l y s i s ，t h en e c e s s a r ye v i d e n c ec a nb ep r o v i d e dt oi m p r o v e t h ep o w e rq u a l i t y ，f o r m u l a t ec o r r e l a t i v es o l v em e a s u r e ；e s t a b l i s ht e c h n i c a l p a r a m e t e r so fc o n t r o l l i n gd e v i c e f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o na b o u tp o w e rq u a l i t y ， c l a s s i f i e sp o w e rq u a l i t yp h e n o m e n a ，a n de x p l a i n st h ec a u s eo f p o w e rq u a l i t y t h e nt h ew a v e l e tt r a n s f o r mi sd i s c u s s e d t h i ss e c t i o ne x p l a i n st h et h e o r i e s a n dh o wt ou s et h et h e o r i e si np o w e r q u a l i t ya n a l y s i s f o u rc o m m o np o w e r q u a l i t yt r a n s i e n t s ，n a m e l yv o l t a g es a g ，v o l t a g es w e l l ，v o l t a g ei n t e r r u p t i o n a n ds u r g ea r ed e s c r i b e dc a r e f u l l y a n ds u m m a r i z et h em e t h o d so f a n a l y z i n g t h ep o w e rq u a l i t yt r a n s i e n tp r o b l e m s t h ef o l l o w i n gr e s p e c ti st h er e s e a r c h o nt h ed e t e c t i o na n da n a l y s i so fp o w e rq u a l i t yt r a n s i en t t h i sp a p e ra d o p t san o v e l d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d - - t h e w a v e l e tt r a n s f o r m a c c o r d i n gt ot h e n o n - s t e a d yc h a r a c t e r i s t i co fp o w e r q u a l i t y ，t h eg o o dt i m e - f r e q u e n c yl o c a l i z a t i o nm a k e st h e s i n g u l a r i t y0 f s i g n a lc a nb es i g n i f i e da st h ew a v e l e tt r a n s f o r mm o d u l u sm a x i m a u s i n g m a l l a ta l g o r i t h m ，t h ew a v e l e tt r a n s f o r mm o d u l u sm a x i m ao fs i n g u l a r i t yi s e x t r a c t e d t h r o u g hm u l t i s o l u t i o na n a l y s i s b yw h i c h ，t h ea c c u r a t e l o c a l i z a t i o no ff a u l ts i g n a lc a nb er e a l i z e d ，t h ed u r a t i o na n da m p l i t u d eo f w h i c hc a na l s ob eo b t a i n e d t h i sm e t e ra d o p t sa d v a n c e da n dr e a s on a b l ef r a m e w o r ko fs u p e rs t r a t u m p l u ss u b s t r a t em a c h i n e ，e m b e d sl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n dq t ，3 2b i th i g h s p e e df l o a td s ps a m p l ed a t a ，t h r o u g hh p ib u si n t e r f a c ed a t aa r es e n tt o e m b e d d e di n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e rb a s e dp c 10 4b u s ，a r ea n a l y z e da n d p r o c e s s e db ya p p l i c a t i o n sp r o g r a m ，a tl a s ti tr e a l i z e sm o n i t o ra n da n a l y s e s f u n c t i o no fh i g ha c c u r a c y ，m u l t i f u n c t i o n k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；t r a n s i e n td i s t u r b a n c e ；w a v e l e t ；d s p ；l i n u x ； q t 长沙理工大学 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。 作者签名：逯碚戾 日期：( 7 莎年岁月加日 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。本人授权长沙理工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 、不保密团。 ( - i f f 在以上相应方框内打“4 ) 作者躲建壤更 翩虢和亍 日期：纱8 年月2 移日 日期：加仵r 月哆日 第一章绪论 1 1 电能质量检测研究的背景与意义 随着电力电子技术的发展，晶闸管整流和换流技术得到广泛的应用， 例如：冶金、化工、矿山部门大量使用晶闸管整流电路；工业中大量使用 的变频调速装置；电气化铁路中采用的交流单相整流供电的机车：高压 大容量直流输电中的换流站；家用电器( 电视机、电冰箱、洗衣机、电子 节能灯) ，以及炼钢中应用的电弧炉等。另外电力变压器容量的不断扩大， 其本身也成为电力网中的一个重要的非线性负荷。 非线性负荷从电力网中吸取非正弦电流，引起电网电压畸变，这些 非线性负荷统称为谐波源。电网电能质量的恶化造成了诸如变电站因谐 波引起保护装置误动作、继电保护调试困难、电能计量误差大等威胁电 网和用电设备的安全经济运行的问题。同时由于谐波引起的谐波功率增 加了电网损失，增加了供电成本，并且使电力系统的附加装机容量增大， 还造成了电气设备的使用寿命降低。而近年来对计算机、可编程逻辑控 制器件和精密电子仪器等电能质量敏感设备的广泛应用，使电能质量问 题引起了越来越多国家和用户的普遍关注，电网污染问题必须采取措施 加以解决。 早在二十世纪三、四十年代，德国就提出了静态整流器引起波形畸 变的问题，电网谐波问题从那时起就引起了人们的重视心1 。六十年代以 来，一些工业发达国家先后对谐波问题进行了大量的研究，其中包括基 本的理论，谐波源的特性，谐波的危害，谐波的测量计算方法和仪器， 谐波的抑制措施和制定谐波标准等问题。从1 9 8 4 年开始，每两年召开一 次电力系统谐波国际会议( i c h p s ) ，19 9 6 年第七届会议上又将其更名为 电力谐波与电能质量学术会( i c h q p ) ，这大大推动了该领域的发展。自 19 8 0 年以来，我国的许多科研单位、高等院校也开始对谐波问题进行了 研究和测试工作，并取得了一定的进展。目前，我国不少电网的谐波含 量已大大超过了标准值，并引起了不少问题，例如湖南省云田5 0 0 k v 变 电站s v c ( s t a ticv a rc o m p e ns a t o r ，静止无功补偿器) 装置的电容器组由 于受到3 次谐波的影响，l9 8 8 年投运以来已发生4 次爆炸事故。因此电 力部门对此很关注，谐波管理和监督工作正在纳入电力生产的正常轨道。 非线性负荷大多功率因数很低，在运行过程中需要吸收大量的无功 功率，这不但增加了变压器等设备的容量，而且还会引起电压波动，影 响供电质量的保证。同时由于电力机车等的小对称负荷，给电力系统注 入了大量的负序电流，从而引起变压器等电气设备的附加发热，并可能 造成继电保护的误动作，。 供电质量的保证关系着国家的工农业生产和社会经济发展，至2 0 0 0 年底我国结合国内外的研究成果和实际情况分别制定了五个国家电能质 量系列标准：g b 12 3 2 5 9 0 供电电压允许偏差；g b 12 3 2 6 2 0 0 0 电 压允许波动和闪变；g b tl4 5 4 9 9 3 公用电网谐波；g b t15 5 4 3 9 5 三相电压允许不平衡度；g b t 15 9 4 5 9 5 电力系统频率允许偏差。 从上述标准可以看出：国标已将反映电能质量的5 个主要指标包括在内， 这些指标和电力系统正常运行状态密切相关。 衡量系统是否达到国家电能质量的标准能为电力系统的设计提供参 考，通过对电能质量的监测，可以为电力部门提供电力系统运行的基本 状态和性能情况，据此可以了解公用电网的电能质量水平和存在的问题， 从而对公用电网的性能做出正确和全面的评估。进行有针对性的系统性 能监测，主要是对特定的系统的质量问题进行监测，以便找到问题的根 源，给出解决问题的办法和采取相应的措施。对于提高整个电力系统的 电能质量也是必须的，对电能质量的测量势在必行。 1 2 国内外研究现状与发展趋势 电能质量污染的治理离不开电能质量的检测，准确完整地对电能质量 进行检测是成功解决矛盾的必要条件之一，也是进行电能质量管理的必 要手段之一。在过去的几十年里，电力系统的检测一直被用来作为准确 确定故障的类型、解决故障的正确方法，以及检查保护装置是否能正确 动作。因此实际上，这种检测仅仅为了测量一些数据，并根据这些数据 进行故障类型的分析，把这些数据汇总在报告中，以供决策者、管理者 和权力部门的使用1 。 系统检测的另一目的就是用于研究电网的理论模型精确度以及适用 性。根据实测的数据和理论的数据进行对比，来验证模型的可用性。测 量的时间长度也随着测量的目的而有所不同，对于故障和电网参数的检 测，一般半天或一天的测量就足够了，对于要分析电力系统设计对故障 造成的后果，则需几个月的测量时间。 从上面可以看到，所有检测的数据仅供发、配、变、送电各环节和部 门使用，也就是供电力系统内部使用，而对用户这些结果是不透明的。 随着非线性负荷及冲击性负荷的增加，电能质量问题日益突出，一些新 2 型的带处理器或电力电子器件的设备对电能质量要求较高，这种矛盾客 观的存在使得用户越来越关注电能质量并可能对供电企业提出电能质量 具体要求。另一方面，随着人们对电能质量的日益关注，电能作为一种 商品，消费者需要及时地了解自己所购买产品的质量，同时随着电力市 场的日臻完善，电能商品的价格不仅由供需关系来决定，而且和其他商 品一样，质量将是决定其价格的主要因素，并成为这种商品是否有竞争 力的重要指标。因此电能质量的检测目的也发生了明显的改变。从以前 的内部使用逐渐转向作为一种评价标准。电能质量检测仪器已由当初单 一地为了解决问题的目标发展到今天一种多目的和用途的检测仪器。这 些目的和用途包括：1 ) 确保接入电网设备符合合同或国家入网标准。2 ) 决定防范措施。3 ) 为电能供应者和消费者的争端提供裁决的技术依据。 4 ) 为电网设计决策者提供技术数据。 国外电能质量的研究起步较早，对电能质量各指标算法都做了比较详 尽的研究，同时也研制众多相应测试仪器，如美国福禄克公司( f l u k e ) 推出的f 4 3 。f 4 3 可测量电压和电流的波形、计算谐波、捕捉电压瞬变和 骤升骤降及浪涌电流并显示。瑞典联合电力公司( u n i p o w e r ) 的p q s e c u r e 系统能实时检测电能质量的各项指标，并具有强大的网络功能。 随着这种用途和目标的改变，电能检测设备已经融合许多领域的高科技， 如网络技术、通信技术、数字信号处理技术、数据挖掘技术等，特别是 在大规模集成电路快速发展的推动下，各种专用混合信号处理器和高速 采样芯片的出现，用这种电路和所获得的数据信息来满足测量目的是很 自然的。测量精度和深度要求变得越来越重要。无论从技术上和市场上 电能质量检测装置都发生很大变化，原先它使用的对象主要针对服务工 程师，所用的技术也就是简单的电压测量和纸带记录技术。到了八十年 代，随着技术的发展，出现界面友好的图形化显示，同时供电部门也对 电能质量的检测颇有兴趣。随着数字信号处理技术和计算机技术的迅速 发展，基于网络的分布式电能质量检测系统出现，它广泛应用在供电企 业、工厂以及电力咨询行业 1 。 国内外对电能质量的检测方式大致有三种： 1 、在线监测，也称为连续监测、全过程监测或日常监测，即对于大 型干扰源必须按照国家标准对电压偏差、频率偏差、三相不平衡、谐波、 电压波动与闪变等指标进行连续跟踪监测。 2 、定期或不定期测量，即针对普通电力干扰源，根据干扰的大小、 危害程度和需要等采取定期或不定期的监测方式。定期监测多用于电网 电能质量的定期普查，主要目的是全面了解电网的电能质量水平和干扰 3 源的特性。不定期监测主要是针对电力用户的特殊电能质量问题进行监 测分析。 3 、专门测量，即对各种干扰负荷或补偿设备在接入电网前后，测量 这些设备对电网电能质量各项指标的影响，通过与国家相关标准相对照， 决定其是否可投入运行。 目前国内对电能质量各项指标的监测大多数还处在专门监测和定期 或不定期监测阶段，不能形成对电能质量的长期连续监测。同时，国际 测控技术正向网络化发展，电能质量在线监测也正是适应这个潮流，利 用网络通信的快捷、方便实现对电能质量的远程监测和网络化管理。利 用形成的多个监测点的全面监测，建立起能够真正表征电能质量的数据 库。国外公司相继开发出多种电能质量监测分析方面的仪器和设备，多 是采用硬件d s p 技术对电信号进行分析和处理的，技术比较成熟，功能 多样但价格昂贵。相对国外而言，我国对电能质量监测装置的开发研究 比较落后，国内大多数厂家采用的是单片机或工控机结构，这些仪器性 能单一、通用性和扩展性差、开发和维护相对复杂。 传统的电能质量监测手段存在明显的局限性： 1 实时性不强：由于监测手段落后、监测周期长、监测点分散、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。 2 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。 3 缺乏决策判断的依据：由于监测手段落后，无法对监测点进行跟踪 测试，难以深入分析造成电能质量的成因。 4 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。 近些年，我国也开发了一些电力测控装置和电能质量监测装置，但 随着电力行业的发展，电力系统日益复杂，谐波污染日益严重，对于电 能质量的要求也越来越高，所以对于电能质量监测装置的要求也越来越 高。这就要求监测装置满足下列要求： 1 具有强大的数据处理能力，能进行越来越复杂的数学运算。随着各 种新算法和新指标的出现，所需的数值计算量越来越大，仅靠单片机已 不能满足如此庞大的计算量，无法达到电力监测的高实时性的要求。 2 能够和上位机进行通讯。在当前电力网、通讯网、因特网三网合一 的趋势下，电力网日趋庞大和复杂，对于电力网稳定的要求越来越高， 监测装置必须具有通讯功能才能使系统处于有效的监控之下。对于一些 4 要求在线连续监测的地方，更是无法满足。 3 能对各种电能质量指标进行快速、准确的计算。单片机的广泛使用 实现了简单的智能控制功能。但随着电力系统对实时性、数据量和计算 要求的不断提高，这些器件在计算能力方面已不能很好地适应电力系统 的要求。致使电力系统的高精度测量、实时监控和先进算法的运用受到 了限制。但随着计算机科学与技术、信号处理理论与方法的迅速发展， 需处理的数据量越来越大，对电测仪表的实时性和精度的要求也越来越 高。目前也开始逐步采用d s p 取代5l 系列和9 6 系列等控制器，d s p 优 势在于某些场合的数字信号处理速度极快。这是设计实现电能质量分析 装置的一个发展方向。 随着数字信息技术和网络技术的高速发展，嵌入式系统已经广泛的 渗透到科学研究、工程设计、军事技术、商业文化艺术、娱乐业以及人 们的日常生活等方面。随着国内外嵌入式产品( 如车载计算机、机顶盒等) 的进一步开发和推广，嵌入式技术与人们的日常生活越来越密切相关。 嵌入式系统是计算机软件与硬件的综合体，它是以应用为中心，以 计算机技术为基础，软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、 可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式计算 机在应用数量上远远超过了各种通用计算机。一台通用计算机的外部设 备中就包含了5 10 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显卡、 显示器、m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、u s b 集线 器等均是由嵌入式处理器进行控制的。在制造业、过程控制、通讯、仪 器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方而， 嵌入式计算机都有用武之地。美国有人预言：嵌入式智能( 计算机) 工具将 是p c 和因特网之后最伟大的发明。 由于r is o ( 精简指令集计算机) 架构微处理器的硬件设计单纯、成本 低廉、功耗低等特性，目前的嵌入式系统设计中3 2 位r i s c 微处理器尤 受青睐，当中领先的是a r m 嵌入式微处理器系列。 随着嵌入式l i n u x 技术的成熟和l6 3 2 位r i s c 的a r m 处理器的快 速发展，嵌入式技术成为电能质量监测装置的另外一个重要发展方向。 1 3 电能质量检测的关键技术 高精度在线式电能质量监测仪的研制是电能质量评价理论、谐波与 间谐波分析理论、电力系统暂态分析理论、功率理论、电能计量算法理 论、测量技术、智能技术、信号处理技术、微电子技术、计算机技术等 的最新发展成果的应用，需要解决很多理论和技术问题，其中的电能质 5 量评价理论、谐波与间谐波检测算法、算法工程化、d s p 电路和嵌入式技 术等是该项目的关键技术难点。 ( 1 ) 电能质量评价及标准1 电能质量评价理论是进行电能质量监测的理论基础。电能质量评 价理论包括如何定义电能质量，如何科学建立电能质量评价指标体系， 以及各评价指标参数的检测理论和方法。早期的电能质量评价主要局限 于频率偏移和电压偏移两个方面，电能质量评价涉及的理论主要是频率 和电压检测的理论和方法。在相当一段时间内，被认为电能质量评价的 理论问题已经解决，因此研究的侧重点放在如何对频率偏移和电压偏移 进行控制方面。2 0 世纪8 0 年代以后，新兴负荷的出现提高了对电能质量 的要求：同时，以电力电子装置为代表的新型电力设备在电网中广泛应 用，使得电网特性复杂化，出现许多新问题，如波形畸变、三相不对称 等。旧有的电能质量评价方法已不适应新形势，迫使人们去研究如何评 价电网复杂化后的电能质量。近年来，电能质量评价理论研究掀起了一 个小高潮。目前的电能质量评价指标，已从过去的2 个增加到了6 个， 即频率偏移、长时电压偏移、短时电压偏移、电磁暂态、三相不对称、 波形畸变。但是，新的6 项电能质量指标是否科学，是否还需要发展， 还应进行理论探索和实践检验。新的电能质量评价体系涉及诸多理论， 如功率理论、谐波理论、电力系统暂态分析理论等等。由于对复杂电网 电能质量评价理论的研究时间不长，所以还需要做深入的研究。 ( 2 ) 电能质量扰动检测方法 谐波与间谐波检测算法 电能质量监测涉及各种算法，如有效值、功率、谐波、间谐波、闪变 等，其中最为复杂的算法是谐波与间谐波算法n 1 。对复杂电网的电压、 电流等电量进行高精度谐波与间谐波检测，是电能质量监测的重要指标 工作，也是进行其他电能质量指标监测的基础，因此必须首先解决好谐 波高精度的检测与间谐波的算法问题。f f t 已被证明可以检测谐波与间谐 波分量，但是它更适合检测谐波，并且需要采取提高精度的措施，用于 间谐波时不可避免地存在“栅栏 效应和受频率泄漏影响，难以检测出 全部间谐波和难以实现间谐波高精度检测。神经网络是一种智能方法， 具有学习和纠错功能，在检测谐波过程中相对于f f t 在理论上具有精度 高、实时性好等优点4 】，神经网络方法在检测谐波中得到了成功应用， 但是检测间谐波有些力不从心。 暂态电能质量检测 小波变换由于具有时一频局部化的特点，克服了f o u rie r 变换方法和 6 短时f o u rie r 变换方法的缺点，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， 也属一种暂态波形，将其用于电能质量分析领域，尤其是暂态过程中分 析领域将具有f f t 和s f f t 所无法比拟的优点。近年来，已有不少文献介 绍应用小波变换进行电能质量评估、电磁暂态波形分析和电力系统扰动 建模等电能质量的问题的研究。但是，目前小波变换方法在电能质量研 究领域的应用还处于起步阶段，随着小波变换技术的进一步发展和性能 更好的小波基函数的出现，小波变换技术将在电能质量研究中得到更为 广泛的应用。 ( 3 ) 算法工程化 理论算法工程化是比较困难的一环。例如，有功功率的理论运算式 非常简单：p = u l e o s 矿，就是这么简单的理论运算式，在工程实现中并非 易事，它要求首先求出电压、电流的有效值，而电压有效值的理论运算 式虽然也很简单，但是其工程化实现也较复杂，因此有功功率的工程化 运算模型，一般采用对瞬时有功功率求和的方法，即p = 只。由此可见， 7 如何根据理论运算式给出一个正确无误的、可行的工程化算法模型是决 定由理论算法转为实际应用成败的一个关键问题。对于一些虽然理论算 法原理清晰，但是工程实现困难重重的检测对象，更需要另辟蹊径寻找 工程可行的算法。对此我们采用严格的数学推导验证和仿真实验相结合 的方法，务求使每一个检测对象得到一个最佳的工程化算法模型 ( 4 ) 硬件实现技术 d s p 与接口电路 d s p 近年来在各领域得到广泛应用。高速d s p 的出现，进一步提高了 d s p 处理信号的实时性；浮点d s p 的诞生，t 使d s p 的精度进一步提高，算 法变得更为简单、方便、通用。但是，要想充分发挥d s p 特别是高速d s p 的性能，不仅要设计好原理电路，选择好d s p 外围元件配置和p c b 布线 也显得十分重要。因此拟对以d s p 为核心的高速多通道数据采集板进行 充分的理论分析、仿真试验和多方案试验比较，以及采取一些行之有效 的电磁兼容及抗干扰技术。另外，在高精度在线式电能质量监测仪中， 有大量数据需要采集、储存、传输、调用，各环节之间的数据传输方式 各有不同，因此需要各种各样的接口电路，如何解决好接口问题也非常 重要。 嵌入式技术 7 一提到监控系统就离不开嵌入式技术。嵌入式系统( e m b e d d e ds ys te m ) 简单来讲，是一种用于控制、监测或协助特定机器和设备正常运转的专 用计算机系统。它通常由3 个部份组成：嵌入式处理器，相关的硬件支持 设备，以及嵌入式软件系统。 嵌入式系统这一概念实际上很久以前就己经存在了。早在上世纪六十 年代，它就被用于对电话交换进行控制，当时被称为“存储式过程控制 系统”( s t o r e dp r o g r a mc o n t r o lsy s te m ) 。真正意义上的嵌入式系统是 在上世纪七十年代出现的，发展至今已经有3 0 多年的历史，它大致经历 了以下4 个发展阶段：第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器系统， 同时具有检测、伺服、指示设备相配合的功能。这一类型的系统大部分 用于专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统支持，通过汇编 语言对系统进行直接控制。这一阶段系统主要的特点是：结构和功能相对 单一、效率较低、存储容量较小、几乎没有用户接口。由于这种嵌入式 系统使用简单、价格便宜，以往在工业领域中应用较为普遍。但是，它 们已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和 后p c 时代新兴的信息家电等领域的要求。第二阶段是以嵌入式中央处理 器( c p u ) 为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的 主要特点是：c p u 种类繁多、通用性较弱、系统开销小、操作系统只具 有低度的兼容性和扩展性、应用软件较为专业、用户界面不够友好。这 种嵌入式系统的主要任务是用来控制系统负载，以及监控应用程序的运 行。第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统 的主要特点是：嵌入式操作系统能够运行于各种不同类型的处理器之上、 操作系统内核精小、效率高、模块化程度高、具有文件和目录管理、支 持多任务处理、支持网络操作、具有图形窗口和用户界面等功能、具有 大量的应用程序接口、开发程序简单，并且嵌入式应用软件丰富，然而 在通用性、兼容性和扩展性方面仍不理想。第四阶段是以基于网络操作 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段，也是嵌入式系统 和网络相互作用的结果。正是第四阶段的到来加速了工程机械监控系统 的发展，使得某些设备或底层网络可以直接嵌入i n t c r n c t 。随着网络在人 们生活中的地位日益重要，越来越多的应用需要采用支持网络功能的嵌 入式系统，所以在嵌入式系统中使用操作系统将成为今后的发展趋势。 目前，嵌入式技术已被广泛地应用于科学研究、工程设计、军事技术以 及文艺商业等方方面面，成为后p c 时代i t 领域发展的主力军。 1 4 本文主要研究工作 对于发展迅速的电力系统，由于非线性负荷的大量使用，其负荷也是 瞬息万变，电网电能质量的问题也是随之不停变化的。l9 9 8 年，原国家 电力部颁布了电网电能质量技术监督管理规定，旨在依据国家所制定 的电能质量标准来管理电网电能质量的问题。对于重要监测点实行电能 质量连续监测、分析和统计，可以让电力系统管理部门实时掌握电网电 能质量水平，为后续的治理提供必要的依据 本文正是在这种形势下，结合实际科研课题，针对基于嵌入式l i n u x 的电能质量在线监测系统的开发进行研究。本文将探讨现代电力系统的 电能质量基础理论，研究电能质量测量的理论方法，暂态电能质量扰动 的检测和仿真，l i n u x 系统的选择及特点，研究q t 作嵌入式显示界面开 发的设计方法。本文研究内容主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 采用小波算法对暂态电能质量的各种扰动进行检测。小波算法 是最近比较流行的暂态电能质量扰动检测方法。小波变换能够很好地提 取扰动的特征信息，在时域和频域上都有良好的检测性能，从而进一步 为电能质量扰动的分类与治理提供了依据。 ( 2 ) 采用嵌入式l i n u x 操作系统，采用性价比非常高的m c u 和嵌入 式l i n u x 操作系统，具有高精度的数据处理和强大的数据管理功能，数 据处理和管理功能达到或超过国内最先进的电能质量监测装置。 ( 3 ) 采用嵌入式的g u i 设计，选用q t 来进行显示界面的开发，给 用户提供精美的图形和用户界面所需要的所有元素。 9 第二章稳态电能质量检测原理分析 国际电工委员会o e c ) 和美国电气电子工程师学会( i e e e ) 均对电能质 量问题进行了相关界定和分类i s , 9 】。在参考i e c 标准和i e e e 标准的基础 上，结合我国电力系统实际情况，我国相继颁布了下述六项电能质量国 家标准，即：l ：供电电压偏差( g b 1 2 3 2 5 19 9 0 ) ， 公用电网谐波 ( g b t 14 5 4 9 19 9 3 ) ，电力系统频率允许偏差( g b t 15 9 4 5 19 9 5 ) ，三相 电压允许不平衡度： ( g b t l5 5 4 3 19 9 5 ) ，电压波动和闪变 ( g b 12 3 2 6 2 0 0 0 ) 以及暂时过电压和瞬态过电压( g b t - l8 4 81 2 0 01 ) 。 电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户 正常使用电能的基本技术依据，是实施电能质量监督管理，维护供用电 双方合法权益的法规条文，各级供电部门和用户均需按照标准进行供用 电。 下面具体介绍电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡、电压波动和 闪变等五项稳态电能质量指标。 2 1 电压偏差检测 2 1 1 电压偏差的定义 供电系统的正常运行方式下，某一节点的实际电压与系统标称电压 ( 通常，电力系统的额定电压采用标称电压去描述，对电气设备则采用 额定电压的术语) 之差对系统标称电压的百分数称为该节点电压偏差n 。 其数学表达式为： 8 u = u 也- u n 1 0 0 ( 2 1 ) u n 式中6 u 一一电压偏差o u 。一一实际电压，k v ； u n 一一系统标称电压，k v 。 供电系统正常运行方式是指系统中所有电气元件均按预定工况运行。 供电系统在正常运行时，负荷时刻发生着变化，系统的运行方式也经常 改变，系统中各节点的电压随之发生改变，会偏离系统电压额定值。电 压的这种变化是缓慢的，其每秒电压变化率小于额定电压的1 。 电压的均方根值偏离额定值的现象称为电压变动，所以电压偏差属于 电压变动的范畴。与同属电压变动范畴的过电压和欠电压相比，电压偏 l o 差仅仅针对电力系统正常运行而言。过电压和欠电压既可能出现在电力 系统正常运行方式，也可能出现在电力系统非正常运行方式，如故障状 态等。电力系统在正常运行方式下，机组或负荷的投切所引起的系统电 压偏差并不大，其绝对值不大于标称电压的10 。系统在非正常运行方式 下，由于故障所引发的系统电压变动与故障点距离的远近有很大关系。 此时，系统实际电压可能严重偏离标称值，也可能偏离标称值的幅度并 不大。距离越近，电压低于标称值越多。反之，距离越远，电压低于标 称值越少“5 1 。此时，电压偏差强调的是实际电压偏离系统标称电压的数 值，与偏差持续的时间无关。而过电压和欠电压强调实际电压严重偏离 标称电压，分别为高于标称电压的l1o 和维持在标称电压的lo “9 0 ， 并且持续时间超过1r a in 。 2 1 2 电压偏差的限值 一般而言，3 5 k v 以上供电电压无直接用电设备，用电设备大多通过 降压变压器接入供电系统，合理选择降压变压器的分接头位置可以起到 一定的调压作用。因此，目前我国对35 k v 及以下供电电压规定了允许电 压偏差，具体情况如下： ( 1 ) 3 5 k v 及以上供电电压的正、负偏差的绝对值之和不超过标称电 压的10 。如供电电压上下偏差同号时( 均为正或负) ，按较大的偏差绝 对值作为衡量依据。 ( 2 ) 1o k v 及以下三相供电电压允许偏差标称电压的7 。 ( 3 ) 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为标称电压的+ 7 、一lo 。 我国国家标准g b 12 3 2 5 1 9 9 0 电能质量供电电压允许偏差对电压 偏差做出了详尽规定。 2 1 3 电压偏差过大的危害。 电压偏差过大对广大用电设备以及电网的安全稳定和经济运行都会 产生极大的危害。 对用电设备的危害 所有用户的用电设备都是按照设备的额定电压进行设计和制造的。当 电压偏离额定电压较大时，用电设备的运行性能恶化，不仅运行效率降 低，很可能会由于过电压或过电流而损坏。例如，白炽灯设备，当电压 低于额定电压的5 时，白炽灯的光通量减少18 ；当电压低于额定电压 的10 时，白炽灯的光通量减少3 0 。发光不足会影响人们的视力，降低 工作效率。当电压高于额定电压的5 时，白炽灯的寿命减少3 0 ；当电 压高于额定电压的lo 时，白炽灯的寿命减少一半。电炉等电热设备的发 热量与电压的平方成正比。如果电压偏低，则设备的发热量急剧下降， 导致生产效率降低。系统中大量使用的异步电动机，其电磁转矩与端电 压的平方成正比。当电压过低时，电动机滑差加大，定子电流显著增加， 导致绕组温度升高，从而加速绝缘老化，缩短电动机寿命，严重时可能 烧毁电动机：电压过高时，可能损坏电动机绝缘或由于励磁电流过大而 过电流，同样也会缩短电动机寿命。电压偏差过大对家用电器的使用效 率和寿命均产生不良影响。例如，电压过低时，电视机屏幕显示不稳定， 图像模糊，甚至无法收看：而过电压则将大大缩短显像管寿命。 对电网的危害 输电线路的输送功率受功率稳定极限的限制，而线路的静态稳定功 率极限与线路的电压平方成正比。系统运行电压偏低，输电线路的功率 极限大幅度降低，可能产生系统频率不稳定现象，甚至导致电力系统频 率崩溃，造成系统解列。如果电力系统缺乏无功电源，可能产生系统电 压不稳定现象，导致电压崩溃。频率稳定和电压稳定的破坏都会造成严 重的灾难，给电力系统和各行各业的生产以及人民生活带来重大的损失。 系统运行电压过高有可能使系统中各种电气设备的绝缘受损，使带铁心 的设备饱和，产生谐波，并可能引发铁磁谐振，同样威胁电力系统的安 全和稳定运行。 电压偏差大不仅对系统的稳定造成威胁，而且影响系统的经济运行。 当输送功率一定时，输电线路和变压器的电流与运行电压成反比，而输 电线路和变压器的有功损耗与电流的平方成正比。因此，系统电压偏低 将使电网的有功损耗、无功功率损耗以及电压损失大大增加；系统电压 偏高，超高压电网的电晕损耗加大，所有这些都使供电成本增加。 2 1 4 电压偏差的监测与考核 电压偏差的监测与考核是评价电力系统电压质量的重要方法，其结 果也是修订无功功率和电压曲线、制定电网规划和技术改造计划的依据。 电力系统中设置足够数量并具有一定代表性的电压监测点是保证电压偏 差的监测具有合理性、科学性和普遍性的前提。 电压监测点的设置原则是： ( 1 ) 与主网( 2 2 0 k v 及以上电力系统) 直接连接的发电厂高压母线。 ( 2 ) 各级调度“界面一处的33 0 k v 及以上变电所的一、二次母线， 2 2 0 k v 变电所二次母线或一次母线。 ( 3 ) 所有变电所的1o k v 母线。 ( 4 ) 具有一定代表性的用户电压监测点宜采用这样的选取原则： 所有的1 10 k v 及以上供电的用户；所有3 5 k v 专线供电的用户；其它 3 5 k v 用户和1o k v 用户中，每1 万k w 负荷至少设一个电压监测点，并应 包括对电压有较高要求的重要用户和每个变电所1o k v 母线所带有代表性 的线路末端用户；低压( 0 4 k v ) 用户中，至少每百台配电变压器设一 个电压监测点，并且应设在有代表性的低压配电网的首末两段和部分重 要用户中。 电压监测的方法是在电压监测点安装具有自动记录和统计功能的 “电压监测仪”。它能直接检测电压的偏差，并能统计电压合格率和电 压超限率。 电压合格率是指实际运行电压在允许电压偏差范围内的累计时间与 对应的总运行时间的百分比，计算公式为 电压合格率= 司占妻揣t 。= c 一i 苫呈揣，- 。 c2 2 ， 电压超限率为实际运行电压超过允许电压偏差的累计时间与对应的 总运行时间的百分比，数学表达式为 电压超限率= 窨譬揣1 。 ( 2 3 ) 我国电力行业对电压偏差的考核是指各供电企业的以下五类指标是 否满足企业安全文明生产达标和创一流标准。 ( i ) a 类电压合格率一一城市变电所lo k v 母线的电压合格率； ( 2 ) b 类电压合格率一一1 lo k v 及以上供电或3 5 ( 63 ) k v 专线供电 用户的电压合格率； ( 3 ) c 类电压合格率一一其他高压用户的电压合格率； ( 4 ) d 类电压合格率一一0 4 k v 用户的电压合格率。 ( 5 ) 供电( 综合) 电压合格率计算式为 供电电压合格率：0 5 a + 0 5 ( 旦型生坐) ( 2 4 ) 3 式中，a 、b 、c 和d 分别代表a 、b 、c 类和d 类电压合格率。 2 0 0 0 年，我国城市供电电压合格率达到9 5 ，农村地区供电电压合 格率为9 0 。我国一些大城市供电企业结合自身城市电网的实际情况，提 出了更高的电压偏差考核指标。如我国某大城市供电部门2 0 0 2 年创一流 标准中规定上述各类指标分别是9 9 6 、9 8 、9 8 7 、9 8 2 、9 8 95 。 2 2 电力系统频率偏差检测 频率是电能质量最重要的指标之一。系统负荷特别是发电厂厂用电 负荷对频率的要求非常严格。要保证用户和发电厂的正常运行就必须必 须严格控制系统频率，使系统的频率偏差控制在允许范围之内。允许频 率偏差的大小不仅体现了电力系统运行管理水平的高低，同时反映了一 个国家工业发达的程度n 1 。 2 2 1 频率偏差的定义 根据电工学理论，正弦量在单位时间内交变的次数称为频率，用f 表示，单位为h z ( 赫兹) 。交变( 含正负半波的变化) 一次所需要的时间 称为周期，用t 表示，单位为s ( 秒) 。频率和周期互为倒数，即 f ：三( 2 5 ) t 交流电力系统是以单一恒定的标称频率、规定的几种电压等级和以 正弦函数波形变化的交流电向用户供电。交流电力系统的标称频率分为 5 0 h z 和6 0 h z 两种。我国采用5 0 h z 标称频率。所有与电力系统直接相连 的电气设备都必须在该频率下才能正常运行，所以标称频率的系统要实 现互联，只能通过换流设备才能实现。电气设备如果与系统进行非同步 运行，必须通过变频调速装置才能实现并网。比如抽水蓄能机组，其工 作频率在3 0 5 0 h z 范围内变化。他们通过静止频率变换器接入电网，实 现与交流主系统的并联。 电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差为系 统的频率偏差，用公式表示为： 8f=名一fn ( 2 6 ) 式中6 f 一一频率偏差，h z ； 乞一一实际频率，h z ； f n 一一系统标称频率，h z 。 频率偏差属于频率变化的范畴。电力系统的频率变化是指基波频率 偏离规定正常值的现象。 2 2 2 频率偏差的限值 我国国家标准g b t 15 9 4 5 19 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差 规定：电力系统正常频率偏差允许值为0 2 h z 。当系统容量较小时，频 率偏差值可以放宽到0 5 h z 。标准还规定：用户冲击负荷引起的系统频 率变动一般不得超过0 2 h z 。在保证近区电网、发电机组的安全、稳定 运行和用户正常供电的情况下，可以根据冲击负荷的性质和大小以及系 统的条件适当变动限值引。一些经济发达国家的系统频率允许偏差为 0 1h z ，日本的系统频率允许偏差达到0 0 8 h z 。随着科学技术的发展， 现代工业必将大量采用对频率变化十分敏感的新设备，所以各国对该指 标的规定会愈加严格。预计不远的将来，经济发达的国家的系统频率允 许偏差将达到0 0 5 h z 。 2 2 3 频率偏差过大的危害 频率偏差过大对广大用电负荷以及电力系统的安全稳定和经济运行 都会造成很大的危害。 频率偏差过大对用电负荷的危害 产品质量没有保障。工业企业所使用的用电设备大多数是异步电动 机，其转速与系统频率有关。系统频率变化将引起电动机转速改变，从 而影响产品的质量。如纺织、造纸等工业将因频率的下降而出现残次品。 降低劳动生产率。电动机的输出功率与系统频率有关。系统频率下 降使电动机的输出功率降低，从