（控制科学与工程专业论文）基于arm的电力谐波检测仪的研究.pdf

摘要 随着电子技术和自动化技术的大规模应用，电力电子装置如变流设备、变 频设备等，容量日益扩大，数量日益增多，电网中的谐波污染日益严重，给系 统的安全稳定运行以及用电设备带来严重的危害。如何把谐波的损害降到最小 已经成为一个亟待解决的课题。谐波的成分十分复杂，要解决谐波污染的问题， 谐波检测是关键。谐波检测是指定量的测量各次谐波分量，弄清楚各次谐波的 幅值、频率，是迸一步谐波分析的基础。近年来嵌入式技术的发展很快，a r m 处 理器具有性能高、成本低和功耗低等特点，应用范围十分广泛。研究一种基于 嵌入式a r m 的谐波检测仪具有十分广阔的应用前景。 本文对电力谐波检测方法进行了深入研究，从计算量、实时性、精度、可 靠性、实现难易性、自适应能力、有效范围等几个方面，对各种检测方法进行 综合比较，重点对f f t 检测方法的理论进行了详细的探讨，目前f f t 检测法是 研究最为成熟应用最为广泛的谐波检测方法，它也具有一定的不足，文中通过 硬件同步电路来减小误差并给出了实现的方法以及程序框图。 本文选用三星公司的s 3 c 2 4 1 0 芯片作为硬件核心，探讨了满足谐波检测仪 功能要求的硬件电路，包括谐波数据采样模块、数据处理、谐波分析和通讯模 块四个主要部分，设计了各硬件接口电路并给出电路图。针对f f t 检测法的频 谱泄漏和栅栏效应问题，设计了硬件同步电路，通过锁相环来实现采样频率与 信号频率的同步，降低了误差。在硬件电路的基础上引入l i n u x 操作系统，根 据系统所设计的硬件电路裁减一个符合要求的l i n u x 内核并进行编译，进行 b o o t l o a d e r 、内核、文件系统等的烧写，完成设备驱动程序和应用程序的编写， 包括主程序、谐波检测算法程序、通讯程序等。最后进行系统的整体测试，给 谐波检测仪一组模拟谐波信号，观察谐波检测仪的输出，并结合有关国家标准 对谐波检测仪的谐波检测效果进行鉴定。 关键词：谐波检测，谐波分析，f f r ，嵌入式l i n u x ，$ 3 c 2 4 1 0 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c sa n dt h ea u t o m a t e dt e c h n o l o g y , t h e e l e c t r i cp o w e re l e c t r o n i ci n s t a l l a t i o nl i n k dv a r i a b l ec u r r e n te q u i p m e n t ，t h ef r e q u e n c y c o n v e r s i o ne q u i p m e n ta n ds oo n t h ec a p a c i t ye x p a n d sd a yb yd a ya n dt h eq u a n t i t y i n c r e a s e sd a yb yd a y , w h i c hc a u s em o r ea n dm o r es e r i o u sh a r m o n i ci nt h ee l e c t r i c a l n e t w o r k h o wt om i n i m i z et h ed a m a g eh a r m o n i c sh a sb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e mt o b es l o v e d t h ec o m p o n e n to fh a r m o n i ci nt h ep o w e rn e t w o r ki sv e r yc o m p l i c a t e d t h e r e f o r e ，h a r m o n i cd e t e c t i n ga n da n a l y s i sh a sb e c o m et h ep r e m i s ef o ra v o i d i n go r r e d u c i n gh a r m o n i cp o l l u t i o n r e s e a r c hak i n d so fh a r m o n i cm e a s u r e m e n td e v i c e a p p l i c a t i o nb a s e do n a l n lh a sv e r yw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t b a s e do nt h ea n a l y s i so fh a r m o n i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a do n t h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ef o u n d a t i o n , t h i sp a p e ra n a l y z e sa n d s t u d i e sa l lk i n d so fh a r m o n i cd e t e c t i n gm e t h o d si nt h ew o r l d i n c l u d i n gg i v e s e m p h a s i st oi n t r o d u c et h em e t h o db a s e d o nf f t t h e o r y i nt h i sp a p e r , w eu s ea r m 9s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0p r o c e s s o rh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e o ft h eb u i l d i n ga n dt h eu s eo fl i n u xe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mf o rh a r m o n i c d e t e c t o rd e s i g np r o g r a m d e s i g no ft h ep r o g r a mo i lt h eb a s i so ft h i sp a p e r , t h e h a r m o n i cd e t e c t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m sf o re a c hs p e c i f i cd e s i g n h a r d w a r e ，t h es e l e c t i o nf r o mt h ec p u ，t h ec o l e $ 3 c 2 4 1 0c i r c u i tm o d u l ed e s i g n , l c di n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n , k e y b o a r di n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n , i d ei n t e r f a c ec i r c u i t a n a l o gi n t e r f a c ec i r c u i td e s i g nd e s c r i b e di nd e t a i l ；t h r o u g ht h es y n c h r o n i z i n gc i r c u i t i nt h i sa r t i c l e ，w ec a no b t a i nt h ec y c l eo ft h r e e - p h a s ev o l t a g ea n dc u r r e n ti nt h ep o w e r n e t w o r k , b ym u l t i c h a n n e ls y n c h r o n i z e dg a t h e r i n g ，t oa v o i do rr e d u c et h es p e c t r u m l e a k a g ea n dh u r d l ee f f e c to ff f r s o f t w a r ef o re m b e d d e dl i n u xg a v ead e t m l e d p r e s e n t a t i o nd i s c u s s e di n t h el i n u xp l a t f o r m $ 3 c 2 410t r a n s p l a n t a t i o no fs p e c i f i c m e t h o d sa n ds t e p st od e v e l o pt h ei d e ，k e y b o a r di n t e r f a c ec i r c u i ta n di d ei nl i n u x h a r d w a r ed r i v e r s ，a n dt h e nw r i t et h ea p p l i c a t i o n si n c l u i d i n gt h em a i np r o g r a m , h a r m o n i cd e t e c t i o np r o c e d u r e s ，c o m m u n i c a t i o np r o c e d u r e sa n ds o o n f i n a l l y , t h r o u g ht h et e s to fs a m p l em a c h i n e , t h eh a r m o n i cd e t e c t i n ga n da n a l y s i ss y s t e m w h i c hd e s i g n e di nt h i sa r t i c l e , , c a n a c h i e v eh a r m o n i cc o n t e n to ft h ed e t e c t i o na n d 甘、 a n a l y s i se x a c t l ya n dr e l i a b l y 、 i l k e yw o r d s ：h a r m o n i cd e t e c t i o n ，h a r m o n i ca n a l y s i s ，f f t ，e m b e d d e dl i n u x ， s 3 c 2 4 1 0 l l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说 明并表示了谢意。 研究生签名：蚀 学位论文使用授权书 日期：垒! ! ：! ! 竺 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ： 武汉理工人学硕+ 学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 电力系统正常运行时，它以额定电压和额定频率向用户供应电能。但在实 际运行中，电网中的负载是不断变化的，负载中包含有各种非线性电力电子设 备，如电感电容等，特别是在电器设备和电子系统控制领域广泛采用的开关电 源、晶闸管等电子器件不可避免地产生非正弦波形，给电网带来扰动。除了这 些电力电子设备外，供电系统中挂载有电弧炉、变频器、整流器、旋转电机等 非线性负载，这些负载不像纯电阻用电设备，它们在消耗有功功率的同时还消 耗大量的无功功率给电网造成很大的干扰，使供电网中的波形发生畸变，不再 是单一的额定频率( 5 0 h z ) 的正弦波波形。电网中产生大量频率大于额定频率 的电流分量，这些频率大于额定频率的分量称为谐波分量。谐波的大量产生， 成为当前电力系统中影响电能质量的重要因素之一。 电力谐波对电力系统的危害主要表现在以下几个方面【l - 2 】： ( 1 ) 谐波对线路的影响 电路中由于串联或并联谐振容易引起谐波水平的放大，由于电路的谐振作 用使谐波被进一步放大，在供电线路中受集肤效应和邻近效应的作用，线路的 电阻随着谐波频率的增大而增大，谐波频率越大线路电阻增加越快。根据功率 公式尸= u 2 r ，当线路电阻尺增加时，功率p 减小，大量的电能在传输的过程 中被浪费。发电厂生产一定数量的电能，当在传输的过程中浪费很多时用户最 终能够使用的电能相对减少了，发电、输电和用电这一过程的效率降低。大量 的电能在线路中转化为热能，容易引起线路发烫加速绝缘层的老化，破坏绝缘 效果，严重时会造成线路短路，甚至引起火灾。 ( 2 ) 对电力变压器的影响 通常变压器由于磁场的极性变化过程和铁芯的封闭性会产生磁滞损耗和涡 流损耗，谐波的出现增加了磁滞损耗和涡流损耗，使变压器产生额外的发热。 由于变压器输入的功率是一定的，当一部分电能损耗掉后用于转换输出的功率 将减少，降低了变压器带负载的能力。另外变压器的电感容易与系统电容之间 会产生震荡，当谐波频率与这一震荡频率相同时会发生谐振，引起变压器机械 武汉理工大学硕士学位论文 振动。 ( 3 ) 对电力电容器的影响 由于电容器具有通交流阻直流的特性，它对交流电的阻抗很小，当电流经 过系统中电容器时谐波电流和基波电流混叠到一起，会使电容中瞬时流过的电 流增加到一个极大的值，使电力电容器的温度升高，引起电容器过负荷甚至爆 炸。 ( 4 ) 对电机的影响 谐波电流在定子绕组和转子回路以及定子和转子的铁芯中流过，使电机的 损耗增加，也会产生机械振动，甚至引起谐波过电压，使得电机绝缘性能变差。 ( 5 ) 对继电保护和自动装置的影响 由于继电器的工作原理和作用，它是被设计用于检测当输入量达到某一规 定值时控制 线路接通或断开的电器。当有谐波产生时，常常会引起继电保护、自动装置工 作紊乱，降低了电力保护系统的可靠性，严重时可能会引起大面积的线路故障， 给工业生产和生活带来巨大的损失。 ( 6 ) 对通信线路产生干扰 电力线路中的奇次低频谐波电流畸变，通过电磁耦合作用会引起电磁干扰 使通信线路产生噪声，对线路和通信设备产生危掣引。通信线路中的噪声会对通 信质量产生很大的影响，严重的噪声会使通信线路信息丢失造成通信失败，较 小的噪声会干扰通信的准确性给通信带来烦恼。 为了电力系统及其用电设备安全有效的运行，国际电工组织制定并颁布了 谐波标准，我国也制定了相应的国家谐波标准。它包括限制电力系统产生和控 制谐波含量的各种标准和规定【4 】。 表1 1 我国用户注入电网的谐波允许值 供吼谐波次数及谐波电流允许值( 有效值安培) 一 ( h ) p 2 03 p4 05 矿6 07 ，8 口9 p1 0 c1 1 1 2 p1 3 1 如1 5 01 6 1 7 0 1 8 # o 3 如5 3 矿3 8 2 7 06 l o1 3 p4 3 09 如3 4 p 7 和2 1 06 孙1 和5 和4 1 97 1 6 7 94 2 ， 6 或l 1 4 1o ，7 加1 知8 和8 豁3 6 i ，3 加4 3 ，7 如2 4 o6 和2 如2 铷2 和2 如1 融 3 5 或6 3 5 和3 &2 和 4 知 2 1 p3 1 p1 和 1 扫1 扣2 如1 扣2 5 01 知0 7 0 7 01 扫4 6 9 1 1 0 及以上，4 如 3 如3 4 p 2 02 8 ，1 加1 扣1 p21 p1 p3 1 和1 弘1 加1 加2 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 表1 2 公用电网谐波电压( 相电压) 限值 困际偕波标准t圈家谐波标准 电压等级一 1 = m 一h r 【m 侈知 电压等级一 卫印d h r i m 一0 0 k vp 一钿 宜熔， 偶次一 k 枷一如 壹次一 偶次一 低压电网一 扣5 p3 缶。2 3 。o ，3 ，5 矿4 j3 。 l 矿 中压电网，2 5 pl 和 l 如6 i 舢和3 ，2 ，一1 白 2 4 7 2 f3 5 - 4 6 * 3 2 ，4 - ，1 知 高压电网， l 2 0 7 - 。2 0 90 5 1 o 一1 l 2 - 1 白0 孙 l 矿 谐波标准是指注入电网的谐波电压( 或电流) 允许限值。谐波源注入电网的谐波电 压( 或电流) 应控制在谐波标准允许限值以内，表1 1 、1 2 分别给出了公用电网 的谐波标准和我国的国家谐波标准【5 】。 通过前期的调查研究和查阅大量的文献资料发现谐波对人们日常生产与生 活的影响已经越来越大，谐波的研究也越来越受到世界各国研究人员和政府决 策部门的重视。随着电子技术和控制技术日新月异的发展，企业生产和人民生 活对电能质量提出了更高的要求。传统的电能分析方法只考虑电网中电能的频 率和电压，但是这种分析模式已经不能满足人们对电能质量的要求，大量的实 践表明还需要对电能进行谐波分析以获得更加精确的质量报告。 在国民经济日益发展的过程中要保证电力电网安全稳定运行，提高对电网的 综合管理水平，为用户提供优质的电能，必须对影响电能质量的诸多因素进行 综合治理，改善电能质量的各项指标，使其达到国标规定的正常水平【6 】。而合理 的治理方案的提出，必须依赖于对电网运行状态的实时准确跟踪。如何把电力 谐波的危害最大限度的减少，是目前电力电子领域极其关注的问题。高“污染 企业的电力谐波抑制及补偿装置已大量投入使用。这些装置到底需要补偿多大 的电力谐波，需要进行怎样的补偿配置，以及需要达到何种的补偿效果都是以 定量地确定谐波的成分、幅值和相位等为依据的。 电力系统谐波问题涉及领域很广，谐波问题涉及面很广，包括对畸变波形 的分析方法、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制标 准以及谐波测量及在谐波情况下对各种电气量的检测方法等【_ 7 1 。其中的关键在谐 波检测，谐波检测是谐波问题中的一个重要分支，对抑制谐波有着重要的指导 作用，对谐波的分析和测量是电力系统分析和控制中的一项重要工作，是对继 电保护、判断故障点和故障类型等工作的重要前提。准确、实时的检测出电网 中瞬态变化的畸变电流、电压，是众多国内外学者致力研究的目标。因此，研 3 武汉理：i = 大学硕士学位论文 制一种实用、便携、低功耗、可靠性高的测量配电网各次谐波幅值和相位、具 备通讯功能的谐波检测装置，在需要的时候方便的对电网电能质量进行测量， 有效的进行电能质量监测，对保证电网和各种电气设备的安全经济运行、保障 国民经济正常运转具有重要意义。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 早在2 0 世纪3 0 年代德国就研究了由静止换流器引起波形畸变的课题，从 那个时候开始谐波已经成为一个全新的研究领域。到了5 0 年代第三次工业革命 拉开序幕各种电力电子装置被广泛使用工业生产，谐波所造成的危害日趋严重， 世界各国对谐波问题也越来越关注。特别是在最近十几年间，对电力系统谐波 问题的研究，已经渗透了数字信号处理、计算系统仿真技术、通信原理、电力 电子、网络拓扑理论和非线性系统理论等其它学术领域的各种知谚 【8 1 。国际电工 委员会( i e c ) 、电气和电子工程师协会( i e e e ) 等国际学术机构，成立了专门的电 力系统谐波工作组，制定各种谐波标准、定期召开国际学术会议。在世界范围 开展工作指导各国应对日益严重的谐波危害。 我国对谐波问题的研究起步较晚，但是近年来随着国家经济建设的巨大发 展，国家对电网谐波的问题也越来越重视，2 0 0 0 年底分别制定了5 个国家电能 质量系列标准：g b l 2 3 2 5 9 0 供电电压允许偏差：g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 电压允许 波动和闪变；g b 厂r 1 4 5 4 9 9 3 公用电网谐波；g b 厂r 1 5 5 4 3 9 5 三相电压允许 不平衡度；g b t 1 5 9 4 5 9 5 电力系统频率允许偏差【9 】。为在我国积极的开展 科学，规范治理谐波工作提供了指导。 1 2 1 谐波检测方法研究现状 电力系统的谐波由于受随机性、分布性、非平稳性等各种因素影响，想要 对其进行准确的测量并不是一件容易的事情，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。 现有的电网谐波电流检测方法主要有睁1 们： ( 1 ) 模拟带通或带阻滤波器谐波检测法； ( 2 ) 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法； ( 3 ) 同步检测法； 4 武汉理下大学硕士学位论文 ( 4 ) 基于小波变换的谐波检测法； ( 5 ) 基于人工神经网络的谐波检测法； ( 6 ) 基于傅立叶变换的谐波检测法。 常用的谐波检测算法将在下一章作详细的研究和比较，通过分析可以发现 快速傅立叶变换是目前谐波检测过程中广泛应用的理论依据，它具有很好的频 率识别特性可以精确的检测各次谐波分量的幅值和相角，在谐波检测、无功补 偿和频谱分析方面获得广泛的应用，是研究和应用开发最成熟的谐波检测算法。 人工神经网络理论和小波变换分析方法仍是谐波检测算法领域研究人员研究的 热点，它可以提高谐波检测的实时性和精度，具有很大的发展潜力是研究人员 研究的重点；基于瞬时无功功率理论的检测算法计算量低、系统具有很好的实 时性适用于对于实时性要求高的检测场所。它可以测量谐波的瞬时值在治理谐 波的无功功率方面具有广泛的应用。模拟带通或带阻滤波器是最早采用的谐波 检测方法，简单易于实现，但精度低，误差大，目前已很少采用。 1 2 2 谐波检测技术发展趋势 人类对电力谐波的测量具有很长的历史，最初的谐波测量完全以记录谐波 波形数据为基础，通过手工来对函数进行解析，计算的精度低，耗费时间长， 这种方法比较笨拙且实用效果差。随着电子技术的迅猛发展，微处理器芯片的 集成度越来越高，以及人们对谐波检测算法研究的不断深入，谐波检测向智能 化，数字化方向飞速发展。以快速傅里叶变换为基础，运用高性能数字芯片的 谐波测量仪器不断推陈出新，促进谐波检测技术的飞跃发展。 目前现有的数字式谐波检测仪有的使用d s p 为核心，这种谐波检测仪具有 运算速度高、存储空间大等优点，但是其价格昂贵，片外扩展电路复杂，与之 配套的开发系统如仿真器等价格也不菲，受社会经济发展水平的影响，以d s p 为核心的谐波测量仪在我国使用的还不多，随着电子技术的发展，成本的降低， 未来在我国将会得到更大的发展。近年来，具有性能高、成本低和能耗低等特 点的a r m 处理器越来越得到人们的青睐，基于a r m 的嵌入式系统在检测方面 得到广泛应用。 1 2 3 嵌入式系统研究概述 近年来，对电子专业的研究人员来说，嵌入式系统已经成为一个炙手可热 武汉理工人学硕士学位论文 的名词。嵌入式系统一般指非p c 系统，它是以应用为中心，以计算机技术为基 础，软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、功耗有严格要求 的计算机系统。它包括硬件和软件两个部分，硬件包括嵌入式处理器、存储器， 外设等；软件包括嵌入嵌入式操作系统以及用户应用程序等，用于实现对特定 设备的控制或管理。嵌入式系统的组成如图1 2 所示。 在单片机应用设计中，由于单片机的计算和处理能力、以及存储空间的不 足，一般很少使用嵌入式操作系统。但是随着电子技术的不断发展，一系列高 性能电子产品如：智能手机、带触摸屏掌上电脑、智能监控终端等的不断涌现， 多任务，多应用的应用要求必须使用嵌入式操作系统来解决。嵌入式操作系统 已成为嵌入式系统的重要组成部分。 图1 - 2 嵌入式系统的组成 嵌入式操作系统通常包括系统内核、与硬件相关的底层驱动软件及其设备 驱动接口、网络通信协议、用户图形界面、浏览器掣】。嵌入式操作系统具有 通用操作系统的基本特点，能有效的管理日益复杂的系统资源；虚拟化硬件使 开发人员从繁忙的驱动程序开发和移植中解脱出来；能够提供库函数、驱动程 序、以及各种丰富的应用程序。与通用操作系统比较，嵌入式操作系统具有对 硬件的相关依赖性较高，系统实时性好、软件固化、以及应用专用性等特点。 嵌入式系统编程杂志的最新报告显示，目前世界上已成功推出了2 0 0 余种 可供选择的嵌入式操作系统。主要有p a l mo s ，w i n d o w sc e ，e p o c ，q n x ， v x w ，o r k s 、l y n x 等【l l 】。其中w i n d o w sc e 和l i n u x 可能是人力资源最丰富的两 大操作系统，w i n d o w sc e 有微软公司众多的程序员提供支撑，而l i n u x 在开源 社区的网站上有大批的志愿者为之服务。由于嵌入式产品开发是以快速、低成 本、高质量的推出适合用户需要的产品为目的的。集中精力研发出产品的特色， 6 武汉理工人学硕十学位论文 其他功能尽量由操作系统附加或采用第三方产品，因此操作系统的可利用资源 是操作系统选择过程中的一个重要参考。w i n d o w sc e 和l i n u x 都有大量的资源 可以利用，而其它操作系统都比较封闭，开发时可以利用的资源比较少，大部 分功能都需要自己独立开发。大大增加了工作量，从而影响开发进度。因此 w i n d o w sc e 和l i n u x 近年来越被看好。但w i n d o w sc e 作为嵌入式操作系统也有 很多缺陷：没有开放源码，使应用人员很难实现产品的定制；运行程序庞大， 占用过多的系统内存；版权许可费较高等。l i n u x 从最开始就是一个开放的系统， 它始终遵循着源码公开的原则，它是一个成熟而稳定的操作系统，作为嵌入式 操作系统具有如下的优势【1 2 】： ( 1 ) 低开发成本。l i n u x 源码公开并且遵循g p l 协议，允许任何人获取并 修改l i n u x 源码，这样一方面大大降低了成本，另一方面又可以提高开发产品的 效率。在l m u x 社区中，用户只需发一份邮件就可以获得作者的帮助。 ( 2 ) 可应用于多种硬件平台。l i n u ) 【支持所有的硬件体系结构，包括x 8 6 ， a r m 等，并且已被移植到多种硬件平台。 ( 3 ) 可定制内核。l i n u x 具有独特的内核模块机制，用户可以根据自己的 应用需要，实时的在内核中插入或移走某些模块，并能进行剪裁使其支持不同 的配置。 ( 4 ) 性能优异。l m u x 系统内核精简，高效且稳定，它占用的资源少，运 行稳定，速度快，能够充分发挥硬件的功能。 ( 5 ) 良好的网络支持。l i i 嗽是首先实现t c p 口协议栈的操作系统，它的 内核对网络的支持非常完整。提供对包括以太网、无线网络、令牌环( t o k e nr i n g ) 、 光纤及卫星等的支持。 可见，研究基于嵌入式l i n u x 操作系统的谐波检测系统，具有移植方便，开 发周期短，成本低等便利条件。 1 3 本文的主要内容与安排 本文主要内容： ( 1 ) 对电力谐波检测方法进行了深入研究，从计算量、实时性、精度、可 靠性、实现难易性、自适应能力、有效范围等几个方面【，对各种检测方法进行 综合比较，确定电力谐波监测系统适宜采用的检测方法。 ( 2 ) 以$ 3 c 2 4 1 0 芯片核心处理器，研究并设计谐波检测仪所要求的硬件电 7 武汉理工大学硕士学位论文 路，包括谐波数据采集模块、数据处理、谐波分析和通讯模块四个主要部分。 完成a d 采样电路、频率跟踪电路的设计，解决a d 采样的同步问题； ( 3 ) 根据系统所需要的功能裁减一个符合要求的l i n u x 内核并进行编译， 进行b o o t l o a d e r 、内核、文件系统等的烧写，最后根据硬件的连接进行设备驱动 程序和应用程序的编写。 ( 4 ) 最后进行系统的整体测试，给谐波检测仪一组模拟谐波信号，观察谐 波检测仪的输出，并结合有关国家标准对谐波检测仪的谐波检测效果进行鉴定。 全文安排如下： 第l 章主要介绍课题的背景和意义以及国内外研究现状与趋势，包括谐波 检测方法研究现状、谐波检测技术方发展趋势、嵌入式系统研究概述等。同时 给出了本文主要内容和章节安排。 第2 章介绍对常用的谐波检测方法进行比较研究，重点对快速傅里叶算法 进行探讨。 第3 章给出嵌入式系统设计的一般步骤，制定嵌入式电力谐波检测仪的总 体设计方案，具体指出系统软硬件部分将要完成的工作。 第4 章主要对基于a r m 的电力谐波检测仪的硬件进行设计。对数据采集， 数据处理，数据分析和通讯模块四个主要部分进行分析，并设计完成原理图。 第5 章利用f f t 算法进行谐波检测，对l i n u x 内核进行剪裁并进行编译， 完成b o o t l o a d e r 、内核、文件系统等软件的烧写，根据硬件的连接进行设备驱动 程序和应用程序的编写。最后进行系统的整体测试。 第6 章对全文进行总结，指出本文不足和后期需要完成的工作。 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章电力谐波检测方法及原理分析 2 1 谐波的基本概念 谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，对电网中的电波 进行傅里叶分解，除了有基波分量即频率为5 0 h z 部分，其余频率大于基波 分量的部分均是谐波。它同时具有时域和频域的性质，通常在示波器上观察 的信号形状是谐波在时域上的形状，而谐波的不同频率成分则是谐波的频域 特性。谐波的频率特性也构成了进行谐波检测的基础。国际上公认的谐波定 义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍 【1 3 】。 如5 次谐波分量的频率是基波频率的5 倍，即2 5 0 h z 。根据国际电工委员会有 关文件中的定义，谐波还包括简谐波、次谐波和分数谐波【1 4 1 。在现实中，电网 中存在的主要是整数次谐波，它可以根据周期性波形，用傅立叶级数分解得到 各次谐波的幅值，相位等信息，本文中讲述的主要就是整数次谐波。 在人们日常生产与生活的应用中，理想的情况下电流和电压都是正弦波，频 率为5 0 h z ，以理想电压为例可以表达为： t ) = 2 c s i n ( c a t + 0 )( 2 1 ) 但是现实中电网中的电压和电流并不一定都是理想状态的，幅值跟相角都在 变化，对于任意幅值跟相角的电压或电流，可以描述如下( 以电流为例) ： 卫 石( f ) = 芝：s i n ( n e a t + 吮) ( 2 - 2 ) 2 2 主要的谐波分析算法 目前电网谐波检测分析有很多种方法，无数的科技工作者在谐波检测方法 的研究上投入了大量的时间和精力，谐波检测理论的研究已经很成熟，很多检 测方法已经在实践中得到了检验。我们重点对以下几种谐波检测方法进行研究 分析。 ( 1 ) 模拟滤波器 模拟滤波器包括模拟带通滤波器和模拟带阻滤波器两种。模拟带通滤波是 9 武汉理工大学硕+ 学位论文 通过滤波器得到基波分量，将基波分量反馈到输入的电流或电压，相减后得到 谐波分量，这种方法可用图2 一l 表示。模拟带阻滤波是通过滤波器滤除基波分 量后直接得到谐波分量。这两种方法原理和实现电路都很简单，成本低，能滤 除一些固定频率的谐波，但是误差较大，只适用于一些检测精度要求低的场合。 l 柚 础的，假设三相电路中各相的电压和电流的瞬时值分别为、u b 、和屯、 之。把它们变换到口一两相正交坐标系，可以得到口一两相正交坐标系瞬时 电压和电流，分别为“矿和乞、。 阱：i i 弘3 ， 阱： | 仁 舯舒历l ：l 岩乞二，2i 向量图如图2 - 2 所示，在口一坐标系下上，u 为矢量、的模，i 为矢 量乞、的模。 弓 1 - ，。 鹅， l l ，。 z 二i ，i 7 声0 图2 - 2 口- p 坐标系下电压与电流的向量图 l o 武汉理丁大学硕士学位论文 其中： “2 甜口+ = u l p e( 2 - 5 ) i = i o + i , 2 i 么仍 ( 2 6 ) 三相电路瞬时有功电流f p 和瞬时无功电流分别为矢量i 在矢量e 及其法线 上的投影，即： f 。= fc o s q ，( 2 - 7 ) 之= is i n q ，( 2 - 8 ) 其中，伊= 纯一仍。 三相电路瞬时无功功率p 为电压矢量e 的模和三相电路瞬时无功电流的乘 积。 p = e f 。( 2 - 9 ) 三相电路瞬时有功功率q 为电压矢量e 的模和三相电路瞬时有功电流乞的乘 积。 q = e f 口( 2 1 0 ) 综合可以得到公式： ； = 乏乏 乏 = 乏 c 2 - t ， 其中： 2 巴乏 三相电路瞬时无功功率理论首先由日本学者h a k a 百( 赤木泰文) 于1 9 8 3 年提 出，最初以瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义为基础即p - q 理论，后又补充定 义了瞬时有功电流和瞬时无功电流等物理量，瞬时无功功率理论逐渐完善【1 6 1 。 目前在有源电力滤波器中，基于该理论的谐波检测方法应用最多。 基于p - q 理论的谐波电流检测法的原理如图2 - 3 所示 e o o b 氏 l “ k h k h 图2 3 基于p - q 理论的谐波电流检测法原理图 其中l p f 是低通滤波器，由三相电路瞬时无功功率理论，将三相电压吃、吃、 巳和三相电流乞、乇、之转换至u a - p 两相正交坐标系，可以计算出p 、q ，经过 武汉理上人学硕十学位论文 l p f 低通滤波后得到p 、q 的基波分量p 和q ，如以电流为例： 乏 = cc刍茎=lsinsco耐t-一cs。ons刎o)1j乏 ：压 厶c o s ( 1 + n ) o t + q ， n = l 虬c o s ( 1 - n ) o t - o ( 2 - 1 2 ) 经过低通滤波器后的基波分量、为： 忖压匕窭； 陋 再进行口一两相正交坐标系反变换，计算出被检测电流屯、的基波分 量0 、芬、i q r 。将检测到的电流值减去基波值就可以得到谐波值，即乞、之 减去0 、0 、0 可以得到谐波分量乙、l b h 、乙。 ( 3 ) 基于小波变换的谐波检测法 小波变换其实是在傅里叶算法的基础上深入发展而来的，傅里叶变换是以周 期函数的三角级数分解为基础将信号展开为不同频率的正弦信号的线性之和， 它在频域上对信号进行分解在时域上是无限连续的不能描述信号的时域局部特 征。小波变化是将信号在时域上展开为小波函数族的线性和，它在时域和频域 上都是局部化的n7 1 。小波变换可以同时在时域和频域上对信号展开分析。 令函数r ( 尺) 表示在r 上所有可测且平方可积的函数集合，在实数系上所有 ( 力口( 尺) ，如果矽( x ) 的傅里叶变换( 缈) 满足条件： e = r 逃i o , 屿i 缈 佃 ( 2 “) 则称( x ) 是一个基准小波或小波母函数，称 2 南烈孚) a 0 ，b r ( 2 - 1 5 ) 为由小波母函数痧( x ) 生成的依赖于参数a 和b 的连续小波，其中a 为伸缩因子， b 为平移因子n 8 1 。 对于任意函数f ( x ) 口( 尺) ，其连续小波变换为： ( 口6 ) = _ 南ae 厂( 聊( 字渺 ( 2 - 1 6 ) 。 i d 其中( _ t - _ a j 代衣烈t - _ a ) 的共轭复数n 8 1 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 其逆变换为： 厂( f ) 2 百1 e e 扔( 口6 ) 矽( 字) 如动 ( 2 - 1 7 ) 小波变换是空间( 时间) 和频率的局部变换，它在时域和频域都具有良好的局 部化性质，通过窗函数的概念可分析小波变换的这一优异的特性【1 9 】。设 f ( t ) r ( 尺) ，如果 li t f ( t ) i d t 。 ) 。 肛一伽器删锄 u ( 后) 。 、 将式( 2 3 4 ) 展开成矩形的形式为： x ( o ) l x ( 1 ) i i2 ：l 工( 一1 ) 孵m 孵一 孵。d 暇0暇一 赡卅 孵。1 。0 赡i 吸。肛 石( o ) 缸1 ) z ( 一1 ) ( 2 - 3 7 ) ( 2 - 3 8 ) ( 2 - 3 9 ) ( 2 - 4 0 ) ( 2 4 1 ) 由式( 2 4 1 ) 可以看出，离散傅里叶变换的直接计算涉及到复数乘法与加法。 采样芯片精度高，n 值大时，计算量很大，所需的时间长，不利于系统的实时性， 因此这种方法并不适合嵌入式谐波检测仪的应用。一直以来，人们对傅里叶变 换的计算进行了大量深入的研究，提出了许多有效的快速计算方法。 2 4 基于快速傅里叶变换的谐波分析方法研究 基2 时分的快速傅里叶算法是应用最为广泛的一种f f t 算法。基2 时分的 快速傅里叶算法是以基2 时分蝶式运算为理论依据的。 基2 时分蝶式运算定理为【2 6 】： 设序列x ( n ) 长度为n ，z ( 七) = d f r x ( n ) ( 0 刀，k n l ，= 2 ”，以，七，m 为整数) ，x o = x ( 2 i ) ，五( f ) = x ( 2 i + 1 ) ( 0 f n 2 - 1 ，沩整数) ，若k ( 七) = 砑兀x o ( 0 】， 五( 后) 硼五( f ) 】则： 丝一， x ( 尼) ：n - ! x ( 靠删：- - 芝- ! x ( 2 f 孵趾+ 芝x ( 2 f + l 孵m ) t 丝一l 。 = x o ( i ) l j ：a + 嘴i 艺- - i 一( f 孵砖( o k n ，一1 ) ( 2 - 4 2 ) 因为 1 7 武汉理 人学硕十学位论文 昭陆：e 曙2 i t 膳：p 吖1 t kw m , i k ( o f ，腿n ，一1 )昭陆= e 吖= pi = ，2 ( o f ，腿，一1 ) 代入式( 2 1 9 ) 得： n i型一i x ( k ) = 2 x o ( i ) w 岩k ：+ 眩五( f ) 喋： = x o ( k ) + 陟z 墨( 七) ( o 后譬一1 ) ( 2 4 3 ) 因为 石( 后+ 2 ) ：艺x ( 刀蛾托艺z ( 刀煅t 略n ” ( o k u 1 1 ) 其中 孵：e 叫百i ：p 一归= - 1 因此 x ( k + n 2 ) = x ( 玎) ( - 1 ) r v y ( 2 掣) 譬一i譬一i = 艺x ( 2 f ) ( 一1 ) 2 嘭+ x ( 2 f + 1 ) ( 一1 ) 2 川嘴川 = 艺x o ( i ) w f f ：一蝶艺五( ；。少，k ：一m x o ( k ) 一孵墨( 后) ( 0 5 七丛2 一1 ) 上述定理告诉我们，将任一偶数点序列按n 的奇偶性分成两个子序列，则 序列的傅立叶变换为两个子序列的傅立叶变换的线性组合。 若n = 2 。( ，为正整数) ，则基2 时分快速傅里叶算法在计算时共分，级。它 在第i 级的蝶群长度为2 ，该级一共有n 2 。= 2 h 个碟群。在第i 级中，每个蝶群 含有2 卜1 个运算蝶，各个运算蝶的翅尖距为2 卜1 。因此，对第i 级的第，号蝶群， 蝶群址为j 2 ，并且对该蝶群中的第，号运算蝶，它的蝶址s 为： s = j 2 7 + ，( 1 f ，0 5 j 2 叫一1 ，0 ，2 卜1 1 ，f ，j ，均为整数) ( 2 - - 4 5 ) 它的翅权为孵。 若第i 级的输入序列为五一。( 尼) ，输出序列为五( 后) ( k = 0 ，1 ，2 ，n - 1 ) ， 则该级的各蝶式运算可用下式表述： 篡葛笺爱嚣：22 h ) ， 互0 + 2 卜1 ) = 五一l ( s ) 一晖五一。o + 2 卜1 ) i ( 1 i ，0 _ ，2 。彳一1 ，0 ，2 一一1 ，s = - ，2 + ，f ，j ，s 均为整数) 1 8 武汉理j i ：大学硕士学位论文 相应的运算蝶可以用图2 5 来表示： 置一。( s ) 、 形 五一。( s + 2 卜1 ) 置( s ) + 2 川) 图2 5 基2 时分f f t 的一般运算蝶 当n = 2 7 时，蝶式运算第一次分解得到的子序列的长度为2 卜1 ，第二次分解 后子序列的长度为2 卜2 ，一共进行，= l o g ，n 次分解后，可以使最后一次分解得到 的子序列的长度为l 。其中每次蝶式运算包括芸次复数乘法，n 次复数加法【2 7 1 。 总共需要进行运算的次数与直接傅立叶变换运算的次数比大幅减少，可由下表 看出。 表2 1 当n = 2 7 时f f t 与d f t 运算次数比较 即r 运算次数d f t 运算次数 复数乘法 譬1 。g ： 2 二 复数加法 n l 0 9 2n ( 一1 ) 计算量之比 上l 。9 2 2 n专。g ： 。z 当n 的值大时，运用f f t 算法可以节省大量的运算量。通过快速傅里叶变 换( f f t ) 可以获取各次谐波信号的幅值、频率和相位，具有测量精度高，实现 简单，功能多且使用