（电子科学与技术专业论文）基于嵌入式linux的在线电能质量监测仪的设计与实现.pdf

基于嵌入式l i n u x 的订：线i u 能质量监测仪的设计与实现 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ee l e c t r i c a lp o w e rq u a l i t yb e c o m e so n e o ft h ew i d e s p r e a da t t e n t i o n f o c a lp o i n ti nd o m e s t i ca n df o r e i g nc o u n t r i e s w i t hl o t so fe l e c t “ca n de l e c t r o n i c d e v i c e sa n do t h e rn o n l i n e a fl o a d sa r ew i d e l yp u tt ou s ei ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，p o w e r q u a l i t yo ft h ee l e c t r i c i t ys y s t e me n c o u n t e r ss e r i o u sd a m a g e t h ep a p e rd e a l sm a i n l y w i t ht h ed e s i g n i n ga n dr e a l i z i n go fa n o n l i n ep o w e rq u a l i t ym o n i t o rb a s e do n e m b e d d e dl i n u x t h ed e v i c ec a nm o n i t o rp o w e rq u a l i t yo n l i n e ，r e c o r da n da n a l y z e r e a l - t i m em e a s u r e dd a t a ，w h i c hc a np r o v i d en e c e s s a r ye v i d e n c et oi m p r o v et h ep o w e r q 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 ( 1 ) t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e r e s e a r c hb a c k g r o u n do fp o w e rq u a l i t ya n dt h e d e v e l o p m e n tt r e n do ft h ep o w e rq u a l i t yr e s e a r c hi nb o t ho v e r s e a sa n dd o m e s t i c ，t h e n p o w e rq u a l i t ys t a n d a r d sa n d t h ep r o v i s i o n so fo u rv a r i o u sp o w e rq u a l i t yi n d i c e s c a l c u l a t i o na n da n a l y s i sm e t h o d sa r ei n t l ? o d u c e di nd e t a i l ( 2 ) a f t e ri n v e s t i g a t i n g t h e p o w e rq u a l i t ye q u i p m e n t o ft h e p r e s e n tm a r k e t ， a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fp o w e rq u a l i t ym o n i t o f ，t h ep a p e rg i v e sad e s i g no f a o n 1 i n ep o w e rq u a l i t ym o n i t o rb a s e do ne m b e d d e dl i n u x ，t h ed e s i g nc o n s i s t so ft w o m o d u l e ：d a t aa c q u i s i t i o na n dp f o c e s s i n gm o d u l ea n dm o n “o r i n ga n dm a n a g e m e n t m o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm o d u l eb a s e do nd s p ，i sr e s p o n s i b l ef o rd a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e m m o d u l eb a s e do na r m ，i s r e s p o n s i b l ef o rt h em a n a g e m e n to ft h e w h o l es y s t e m t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e p r i n c i p l e so f e a c hm o d u l eo ft h es y s t e m ，g i v e st h ec i r c u i to f e a c hm o d u l e ( 3 ) t h ep a p e rd e s c r i b e st h e s o r w a r ed e s i g no ft h ef u l i s y s t e m ，a n a l y s e s t h e s o f t w a r ep r o c e s so fd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，d i s c u s s e st h em o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n tm o d u l eb a s e do ne m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，g i v e st h ev a r i o u s p a r t so ft h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s s ，t h e nt h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to fh p id e v i c e d r i v e ra n dk e y sd r i v e r ，t h es y s t e mo fl i n u xd e v i c ed r i v e r sa r ei n t r o d u c e d ( 4 ) q t e m b e d d e di st h em o s tp o p u l a rg r a p h i c sd e s i g nt o o l i nl i n u xo p e r a t i n g s y s t e m ，t h eg r a p h i c si n t e r f a c eo fp o w e rq u a l i t ym o n i t o ri s b a s e do nq t e m b e d d e d d e v e l o p m e n t ，i t sd e v e l o p m e n tp r o c e s sa n di m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s ma r es t u d i e di n d e p t h i n t h i s p a p e r ， t h e p a p e ra n a l y z e s a n d d e s i g n si n p u t d e v i c ei n t e r f a c eo f q t e m b e d d e d ，o nt h e s eb a s e s ，t h ep a p e rd e s i g n st h eg u ld i s p l a ys y s t e mo fp o w e r q u a l i t ym o n i t o r c o m b i n e dw i t ht h ep f a c t i c a ls c i e n t i f i cr e s e a r c hs u b j e c t ，t h ep a p e rs u c c e s s f u l l y d e v e l o p sa n o n 1 i n ep o w e rq u a l i t ym o n i t o rb a s e do ne m b e d d e dl i n u x i t a d o p t s l 硕f j 学位论文 a d v a n c e da n dr e a s o n a b l eh a r d w a r ef t a m e w o r ko fd u a lp r o c e s s o r s ，e m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e ma n dq t e m b e d d e d ，h i g hs p e e dd s ps a m p l ed a t a ，t h r o u g hh p ib u s i n t e r f a c ed a t aa r es e n tt o a r m ， w h i c ha r ea n a l y z e da n dp r o c e s s e db yl i n u x a p p li c a t i o n sp r o g r a m ， a tl a s ti ta c h i e v e sh ig h p r e c i s i o no n - l i n e p o w e rq u a l i t y m o n i t o r i n ga n da n a l y s i s k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；o n l i n em o n i t o r i n g ；e m b e d d e dl i n u x ；q t e m b e d d e d i v 硕i j 学f 讧论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 电能既是一种经济、实用、清洁且容易传输、控制和转换的能源形式，又是 一种由电力部门向电力用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品，其 使用程度是一个国家经济发展水平的主要标志之一。 一个理想的电力系统应以恒定的频率和正弦波形，按规定的电压水平( 标称电 压) 对用户供电。在三相交流电力系统中，三相交流电压是平衡的，各相的电压和 电流应处于幅值大小相等，相位互差12 0 度的对称状态，电压和电流的波形成正弦 波且无畸变。这需要负载为恒定的三相对称的线性负荷，但由于系统各元件( 发电 机、变压器、线路等) 参数并不是理想线性或对称的，加上调控手段的不完善以及 运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际应用中基本上是不 存在的，从而引起公共供电点的电压波形的不稳定、非正弦性和不对称性及电压 频率的变化，由此产生了电网供电和用电过程中的各种各样的问题，这是所谓的 电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 问题。 电能质量是指公用电网供到用户受电端的交流电能质量。从广义上讲，现代 电能质量包含三个方面【2 】l3 l ：供电可靠性、电能质量和提供的相关信息。供电可靠 性一般计及电力完全中断的事件，往往忽略了因重合闸或自投装置动作造成的短 时间中断。电能质量反映了电压和电流偏离其标准波形的程度，从工程实用上， 可分为电压质量和电流质量。前者包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、 瞬变现象、波动与闪变、暂升暂降与中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电 压等。后者包括电流谐波、间谐波、次谐波、相位超前与滞后等。提供的相关信 息是指通过监测和评估手段获得的电能质量状态量，并解释为公认的和可交换的 有用信息。 电能由于其生产、输送与消费过程的特性，其质量有以下特点5 j ：( 1 ) 电能质 量现象的动态性；( 2 ) 电能质量扰动的潜在性；( 3 ) 电能质量扰动的传播性；( 4 ) 电能 质量责任的特殊性；( 5 ) 电能质量评估的复杂性；( 6 ) 电能质量控制的整体性。 近年来，随着我国电力事业的迅猛发展，电力系统规模的不断扩大，虽然用 电紧张的情况已经逐步解决，但自上世纪中后期丌始大量使用的电力电子装置， 不可避免的造成了诸如电压、电流谐波等电能质量的问题；另一方面，随着现代 科技的发展，一些性能好、效率高但对电源特性变化敏感的高科技设备广泛应用 于工业生产和人民的日常生活之中，对电能质量提出了很高的要求，供电电能质 量的恶化可能使设备质量下降，从而造成重大损失。 幕于嵌入式l i n u x 的n i 线【u 能质嚣脓测仪的设计j 实现 电能质量问题已不仅仅是电力行业的专业技术问题，还是重要的经济问题， 它的好坏直接影响到国民经济的总体效益，对各国经济的发展起着重要的作用， 所以如何提高和保证电能质量已经成为了供、输、用电部门共同关注的重要问题。 为了电力系统的安全运行、电力用户的安全用电、满足各种电力设备的要求，以 及提高用电效率从而增加国民经济效益，改善电能质量势在必行。要解决电能质 量问题，首先需要建立电能质量各项指标的监测和分析系统，对各种电能质量指 标进行实时测量和分析，进而为制定改善电能质量和治理电网污染具体措施提供 可信的技术依据【6 】。由此可见，电能质量的监测和分析是解决电能质量问题的关 键前提。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 电能质量反映了公用电网供给用户端的交流电能的品质1 7 】。但是由于人们看 问题的角度不同，对电能质量的技术含义存在不同的认识。电力部门把电能质量 定义为电压、频率的合格率以及连续供电的年小时数，并且用统计数字来说明电 力系统是安全可靠运行的；电力用户则把电能质量简单的定义为是否向用电设备 提供了电力。 过去对电能质量分析和研究主要集中在谐波的分析。电网中谐波含量的增加， 将导致电气设备寿命缩短，网损增大，系统发生谐波谐振的可能性增加，严重时 会造成危险的过电压、过电流。随着对电能质量的要求越来越高，仅仅用谐波作 为电能质量唯一的指标是不全面，而且是不准确的。现今电能质量指标主要包括 电压波动、电压三相不对称、电压暂降、电压闪变以及频率偏差等，这些指标根 据不同的电能质量问题进行了分类定义。由于不同的电能质量问题会对用电设备 的正常工作产生不同的危害，对电能质量问题的表现和危害进行明确的分类，有 助于采取更有针对性的措施来改善电能质量1 8 】。 1 2 1 电能质量标准 在工业发达国家，电能质量问题已被视作电力系统的一个重要问题。为了便 于开展电能质量工作，国际上制定了各种电能质量标准。国际电工委员会( 1 e c ) 把电能质量归为电磁兼容范畴，在l e c6 l0 0 0 ( 1 6 部分) 标准系列中，制定了专 门的电能质量标准，主要有l e c6 1 0 0 0 4 3 0 电能质量测量方法i 引、i e c6 1 0 0 0 - 4 7 供电系统及其连接设备的谐波与间谐波测量与仪器通用指南l lo 。、i e c6 1 0 0 0 4 一1 5 闪变仪功能与设计规范i 1 。欧洲电工标准化委员会在广泛吸收i e c 标准的基础上 发布公用配电系统的供电特性，对中、低压配电系统用户供电端的电能质量作 了全面规定，包括频率、电压( 电压偏差、电压波动及闪变、短时和长期停电、暂 态过电压_ ) 、电压不平衡、电压波形以及电源的信号电压等。l9 9 6 年，l e e e 将每 2 硕i 二学位论文 年召开一次的电力谐波国际学术会议( i c h p s ) ，更名为电力谐波与电能质量学术会 议( i c h q p ) ，把电能质量提高到一个新的高度来认识【i2 1 。目前电能质量相关国际 标准有i e c 标准，欧盟e n s 0 1 6 0 标准以及美国l e e e 标准。 我国也制定了相应的电能质量标准，并不断修订以适应电力系统的发展变化， 九十年代以来，国家技术监督局陆续发布了六个标准，对涉及的主要技术指标和 相关的测试方法作了规定。电能质量国家标准主要包括： ( 1 ) 电能质量一电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) ； ( 2 ) 电能质量一三相电压允许不平衡度( g b t15 5 4 3 19 9 5 ) ； ( 3 ) 电能质量一供电电压允许偏差( g b12 3 2 5 2 0 0 3 ) ； ( 4 ) 电能质量一公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) ； ( 5 ) 电能质量一电压波动与闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) ； ( 6 ) 电能质量一暂时过电压和瞬间过电压( g b t18 4 8 l 一2 0 0 1 ) 。 但是，我国整体电能质量标准还不够完善，包括其科学性、可操作性和指标 的完善性均还有待于进一步提高【l3 1 。目前国际上对电压暂降和短时中断问题十分 关注，虽然尚无标准，但对其预测计算和相关的技术措施已作了大量研究。这方 面工作我国起步较晚，进一步完善电能质量国家标准还有大量工作要做。 1 2 2 电能质量监测的现况 国内外对电能质量的监测方式大致有三种i m 】【15 】： ( 1 ) 专项监测：针对干扰源设备接入电网前后的监测方式，用以确定电网电 能质量指标的背景状况和干扰发生的实际量或验证技术措施效果。此项监测任务 一般由便携式电能质量分析仪完成。 ( 2 ) 定时巡回监测：主要用于需要了解电网电能质量水平和干扰源的特性但 不需要连续监测或不具备连续监测条件的监测方式。通常用在居民、商业及工厂 供电系统公共点的定期电能质量普查，根据重要程度一般一个月或一季度监测一 次即可。巡回监测任务主要由便携式电能质量分析仪或手持式谐波分析仪完成。 ( 3 ) 连续监测：也称为在线监测或同常监测，主要用于连续跟踪监测重要变 电站或实施无人值班变电站的公共配电点或重要电力用户的配电点的电能质量， 监测的功能包括：数据显示、数据存储、数据远传、对监测项目的越限报警和远 程控制，将监测的实时数据、历史变化曲线、指标越限报警信号等进行本地显示， 并通过网络通信实现远程监控。 目前国内对电能质量各项指标的监测大多数还处在专项监测和定时巡回监测 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i m j 。 3 幕于嵌入式l i n u x 的在线l u 能质量：| f i 测仪的设计j 实现 国外公司已经相继开发出了多种电能质量监测分析方面的仪器和设备，它们 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，致力于电能 质量监测装置研究的科研单位还不多，国内电能质量监测装置的性能与国外先进 水平存在着明显的差距。国内目前生产电能质量监测仪水平较高的厂家有深圳领 步科技有限公司、上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽振兴科技股份有限公司、 保定方长电子有限公司等等，他们生产的电能质量监测仪产品代表着我国电能质 量监测装置的先进水平。但是由于国内在电能质量研究上比国外相对较晚，又由 于电能质量所涉及的指标众多，并且部分指标国际上没有相关实现方法的介绍， 因此电能质量问题研究的深度和广度远不及国外先进水平，国内众多厂家和科研 院所研制的电能质量监测仪的性能、功能及工艺与国外先进水平也存在着明显的 差距。目前采用的各种电能质量监测设备和手段，主要存在以下一些不足【1 7 儿1 8 】： 设备配置的灵活性、通用性差，往往只能用于特定的操作环境； 远程通信能力有限，不易实现远程监控、数据共享和长期评估与预测； 对干扰的分析和故障的辨识能力有限，不具备智能分析功能，不能提供 给用户可直接用于决策的信息； 由于采用各种计算机作为现场监测分析工具，导致设备成本提高； 现场设备不具备实时分析能力，大量采样数据都要传送给专门的分析工 具去处理，导致对现场设备的存储容量要求很大。 1 2 3 电能质量监测的发展趋势 电力工业快速发展的同时也使配电系统只益复杂，轻微的电力问题就有可能 导致工业设施配电系统崩溃。如何从技术上解决电能质量的管理问题，除了加强 电能质量的科学研究外，还要成立各级电力技术检测鉴定机构，运用高标准的电 能质量检测装置及时、准确地发现电网中存在的电能质量隐患，为实施有效的电 能质量技术控制提供保斟旧j 。 随着电力系统的发展和科学技术的进步，尤其是近二十年来，计算机技术、 信息处理技术、网络技术、集成电路技术以及微电子技术的迅速发展，为发展高 性能电能质量监测装置提供了坚实的技术基础。目前，电能质量监测已在向数字 化、网络化、智能化、集成化的方向迅速发展，而且由于大量高新科学研究成果 的实际应用、跨学科的综合设计以及高精尖的制造技术，因而还使它正朝着更高 速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、检测、控制对象全方位信息的方向 前进。 4 硕j ：学位论文 1 3 本文的主要研究内容 全文共包括五章： 第1 章绪论。介绍了电能质量监测的背景及意义，并对目前该领域国内外的 研究现状和发展趋势进行了简要概述。 第2 章电能质量参数的分析方法。对电能质量标准中规定的电能质量指标的 计算和分析方法进行了详细说明。 第3 章在线电能质量监测仪的总体结构和硬件设计。基于对当前电能质量监 测系统的设计方案的调研，根据新的功能需求提出了一种基于嵌入式l i n u x 的在 线电能质量监测仪的设计方案，然后对其工作原理和主要芯片的选型进行了详细 的描述，并给出了各个模块的具体电路原理图。 第4 章在线电能质量监测仪的软件设计与实现。首先分析了数据处理模块的 工作过程，接着重点讨论基于嵌入式l i n u x 系统的监测管理模块设计和实现过程， 在此基础上对嵌入式l i n u x 系统的组成、开发环境以及设计实现进行详细阐述， 并结合h p i 接口和输入子系统的的驱动设计分析了l i n u x 系统设备驱动的原理和 实现方法。 第5 章在线电能质量监测仪的g u i 设计与实现。介绍嵌入式g u i 的发展概 况，对嵌入式l i n u x 系统下流行的图形界面开发工具q t e m b e d d e d 的整个开发流 程进行了探讨，包括它的安装、信号与槽实现机制、底层输入设备接口开发以及 显示界面设计，并基于q t e m b e d d e d 实现了监测仪的人机交互界面。 总结与展望总结本文主要完成的工作及取得的成果，并对电能质量监测仪的 进一步研究进行了展望。 5 笨于嵌入式l i n u x 的神：线f 也能质量监测仪的设计j 实现 第2 章电能质量参数的分析方法 根据设计要求，本电能质量监测仪监测的电网参数包括基本电参数和各项电 能质量指标，基本电参数是指电压、电流和功率，电能质量指标是对电能质量各 个方面的具体描述，目前我国对电能质量的分析和监测主要包括供电电压偏差、 电力系统频率偏差、三相电压不平衡度、公用电网谐波以及电压波动和闪变这五 项指标。 2 1 基本电参数 2 1 1 电压、电流有效值的计算 正弦波交流电的电流、电压的大小通常用其有效值( 均方根) 来计量。根据电工 理论的基本定义，在连续的时问域， 电压有效值： u = 扛m 咖 ( 2 t 1 ) 电流有效值： j = 据n 触 ( 2 2 ) 式中：“( ，) 为交流电压瞬时值，砸) 为交流电流瞬时值，丁为交流信号的周期。 在满足采样定理的前提下，对z ，( ，) 、砸) 进行离散化采样，得到离散化序列 ) 、 屯) ，则u 的离散化表达式为： u ( 2 3 ) 式中：表示一个周期内采样点数，蜥表示第k 个时间间隔采样瞬时值，瓦 表示相邻两次的采样问隔。若相邻两次采样的时问间隔相等( 即瓦为时间常数 丁，= 丁瓦) ，在满足同步采样的条件下，有 电压有效值： 电压有效值： 6 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 一 甜 一 2 0 l _ d 脚 曲魔露 硕l ：学位论文 2 1 2 功率及功率因数的计算 ( 1 ) 有功功率 正弦波交流电的有功功率为尸= c o s 矽，其中u 和，为电压和电流的有效值， c o s p 为功率因数。对于存在谐波的非正弦交流电，其有功功率为： 尸= 亭r 甜( f ) 讹) 击 ( 2 6 ) 当以固定的采样周期对电压、电流一个周波采样n 个点时，得到离散的有功功 率表达式： 肚专荟蚝 ( 2 - ) 三相总有功功率为： 圪脚2 专( 篆“舭玩+ 荟甜傩+ 荟吹也) ( 2 盘) ( 2 ) 视在功率 视在功率定义为： s = ( 2 9 ) 三相总视在功率为： ( 3 ) 无功功率 无功功率定义为： ( 4 ) 功率因数 2 2 电能质量指标 s m d = ua i a 七u8 lb 七u c i c p c o s p 2 i ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 2 2 1 供电电压偏差 电力系统在正常运行条件下，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来描述，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的电压偏差，即 ，r r 万u = 兰生1 0 0 ( 2 1 3 ) u n 式中：砌为电压偏差，吒为实际电压，u 为系统标称电压。 我国国家标准电能质量供电电压允许偏差( g b12 3 2 5 2 0 0 3 ) 中规定：3 5 k v 及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的lo ；l0 k v 及以下三 7 幕于嵌入l i n u x 的相! 线i u 能质量舱测仪的设计j 实现 相供电电压允许偏差为额定电压的士7 ；2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为额定电压 的+ 7 、一1 0 。 电压偏差的测量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 测仪来直接监测电压的偏差，并根据相关的电能质量国家标准统计电压合格率和 电压超限率【2 0 1 。 2 2 2 电力系统频率偏差 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称为系统的频 率偏差。用公式表示为： = 厶一厶 ( 2 1 4 ) 式中，艿厂为频率偏差，厶为实际频率， 为系统标称频率。 我国国家标准电能质量电力系统频率允许偏差( g b t15 9 4 5 19 9 5 ) 规定： 电力系统正常频率偏差允许值为士o 2 h z 。当系统容量较小时，频率偏差值可以放 宽到士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 士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。 频率偏差的测量方法较多，工程中通常采用的有周期计数法，即将电网电压 信号整形为方波信号，通过它对某固定的时钟信号进行计数( 固定频率信号要远远 大于电网基波频率) ，进而得到其频率值。本文即采用周期计数法来测量频率。另 外，频率的测量还有2 1 】：解析法、误差最小化原理类算法、d f t ( f f t ) 类算法及其 改进算法、正交去调制法等。 2 2 3 三相电压不平衡度 当三相系统的电压幅值不等或相位差不为1 2 0 度时，则此三相系统的电压三相 是不对称的，也称三相不平衡。电力系统中三相不平衡的程度称为三相不平衡度， 不平衡度的准确算法是对称分量法。 根据对称分量法，三相系统中的电量可分解为正序分量、负序分量和零序分 量三个对称分量。电力系统在正常运行状态下，电量的负序分量均方根值与正序 分量均方根值之比定义为该电量的三相不平衡度，用符号s 表示，即： 三相电压不平衡度： ，厂 毛= 詈1 0 0 ( 2 1 5 ) u l 三相电流不平衡度： 乞2 和慨 8 ( 2 1 6 ) 硕l ：学位论文 刚煳 亿 参 = 三 i 荤葶 妻 c 2 8 ， 式中：口为旋转因子，口= 缈= 一三+ ，鲁，= 一埘= 一三一害，为零序分量， u 为正序分量，为负序分量。 = 晤 ( 2 1 9 ) 式中：& 为在3 s 内第忌次测得的不平衡度，所为在3 s 内均匀间隔取值次数( 聊6 ) 。 电能质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 规定，电力系统正常 运行状态下，公共连接点电压不平衡允许值为2 ，短时不平衡度不得超过4 。对 接入公共连接点的每个用户，规定其引起该点正常电压不平衡允许值一般为1 3 。 2 2 4 公用电网谐波 谐波是一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。由于 谐波的频率是基波频率的整数倍数，常常也称之为高次谐波。为了定量表示谐波 对一个电力系统的影响，最常用的特征量有谐波含量、谐波含有率、总谐波畸变 率。 ( 1 ) 第1 1 1 次谐波电压含有率 r r 瑚= 争1 0 0 ( 2 2 0 ) u l 式中：为第办次谐波电压( 均方根值) ；u 为基波电压( 均方根值) 。 ( 2 ) 第厅次谐波电流含有率 ， 舰厶= 孚l o o ( 2 2 1 ) l 式中：厶为第h 次谐波电流( 均方根值) ；j 。为基波电流( 均方根值) 。 ( 3 ) 谐波电压含量u 9 基于嵌入式l i n u x 的n i 线i 乜能质蘑舱测仪的设计j 实现 = ( 2 2 2 ) y = 2 ( 4 ) 谐波电流含量厶 f - = 露 ( 2 2 3 ) v = 2 ( 5 ) 电压总谐波畸变率觋 弛= 鲁l o 。 ( 2 “) ( 6 ) 电流总谐波畸变率m p 强哆：孕1 0 0 ( 2 2 5 ) ， 、 根据国家标准电能质量公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) ，对公用电网谐 波电压的限值见。表2 1 。 表2 1 各级电网谐波电压限值 谐波测量通常是先利用谐波分析的方法求出信号的各次谐波的幅值和相角， 然后由相应的公式得到谐波的各项特征量。 谐波分析的方法很多，有快速傅罩叶变换( f f t ) ，卡尔曼滤波以及近些年兴起 的小波分析法【2 3 1 。其中f f t 是离散傅立叶变换( d f t ) 的一种快速算法，作为经典的 信号分析方法，f f t 算法己十分成熟，使用此方法测量精度高、实现简单、功能多 且使用方便，是当今应用最广泛的一种谐波测量方法。本电能质量监测仪即采用 了f f t 方法。 运用f f t 算法必须满足两个条件：( 1 ) 满足奈奎斯特采样定理，即采样频率 必须大于信号最高频率的两倍；( 2 ) 被分析的波形必须是稳态的、随时间周期性 变化。但是实际采样信号的长度总是有限的，这相当于对无限长的信号做了截断， 因而不能满足上列条件。这种人为的截断将导致“频谱泄露”现象，即某个频率分 量的能量泄漏到其他的频率分量上，给分析带来误差。为了减小泄漏，提高测量 精度，通常采用加窗算法和插值算法来解决1 2 引。 另外由数字信号分析可知，信号的采样周期必须是信号周期的严格整数倍， 否则会产生栅栏效应【2 5 1 。由于电网频率是不断波动的，本设计采用了硬件锁相倍 i o 硕1 ：学位论文 频电路来跟踪电网频率，获取整数倍同步采样信号。 2 2 5 电压波动与闪变 电压波动是指电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变。电压波动值为 电压均方根值的相邻两个极值( 。、i 。) 之差与标称电压( u ) 的百分比值，其计 算表达式为： d ：竺鲤监1 0 0 ( 2 2 6 ) u n 电压波动引起照明灯的照度波动。闪变用来说明对不同频率电压波动引起灯 闪的敏感程度及引起闪变刺激性程度的电压波动值。 电压波动与闪变的测量，一般是测量短时间闪变值只，及长时间闪变值圪，在 我国标准中，短时间闪变的统计时间取l o m i n ，长时间闪变的统计时问取2 h 。 短时问闪变值只，表示实际检测到的短时间闪变水平严重度，是衡量短时问内 ( 1 0 m i n ) 闪变程度的统计值。i e c 推荐用累计概率函数( c p f ) 曲线对该时间内的短时 闪变严重度进行统计【2 6 1 ，短时问闪变值只，定义为： 只= ( o 0 3 l4 昂1 + o 0 5 2 5 鼻+ o 0 6 5 7 e + o 2 8 只o + o 0 8 e o ) ( 2 2 7 ) 式中5 个测定值昂1 、露、e 、墨o 、e 。分别为该时间段( 1 0 m i n ) 瞬时闪变视感度 超过0 1 、1 、3 、1 0 、5 0 的觉察单位值。 长时间闪变值最可由n 个连续的只，的立方和求根得到： 厂弋一 冗2 ( 专善焉j ( 2 2 8 ) 式中：只。为第k 个1 0 m i n 短时间电压c i j 变严重度。 根据我国国家标准电能质量电压允许波动和闪变( g b12 3 2 6 2 0 0 0 ) ，对电 压波动和闪变的限值见表2 2 ，表2 3 所示。对于很少的变动频度( 每同少于1 次) ，电 压波动限值还可以放宽。对于随机性不规则的电压波动，依9 5 概率大致衡量1 2 7 1 ， 表中标有“ 的值为其限值。本标准中系统标称电压等级按以下划分： 低压( u 5 l 后y ) ，中压( 1 七y 3 5 后y ) ，高压( 3 5 七y u s 2 2 0 尼y ) 。 表2 2 电压波动限值 柒于嵌入l i n u x 的确：线i 【i 能质最监测仪的设计j 实现 表2 3 各级电压的闪变限值 1 2 硕l ：学位论文 第3 章在线电能质量监测仪的总体结构和硬件设计 3 1 在线电能质量监测仪的设计要求 3 1 1 设计原则 在线电能质量监测仪是一套安装在现场，对现场各供电回路的电压、电流信 号进行长时间不问断监测，分析各回路基本电力参数和电能质量指标，并能在供 电系统发生故障或扰动时对电网参数进行精确记录，以实现实时监测的终端装置。 在设计在线电能质量监测仪的时候，为了保证系统的功能以及工程应用的推 广，应遵循以下原则： ( 1 ) 满足实时性要求，具备对电网问题快速捕获处理的能力； ( 2 ) 具备强大的通信能力，方便将其集成到区域电能质量管理平台上，以便 于实现对区域电网电能质量的监控，为电能质量的深入分析、事件统计、长期评 估和预测提供可靠数据； ( 3 ) 硬件配置上要留有扩展空间，方便软件升级和功能扩充； ( 4 ) 在功能上，要具备配置的灵活性，以适应电力系统的不同应用场合； ( 5 ) 充分考虑产品的工作环境，保证系统运行的可靠性和抗干扰能力； ( 6 ) 在成本考虑上，应适合现场的规模应用。 3 1 2 功能要求 1 监测功能 在线监测的电力参数和电能质量指标包括： 频率，电压有效值，电流有效值，基波电压、电流相角； 电压偏差； 三相电压不平衡度、三相电流不平衡度； 谐波； 电压波动、闪变。 要求电能质量监测仪能够对以上指标进行连续的测量，并且能够以固定的时 间间隔进行存储，基本精度要求：频率偏差o 0 1h z ，电压、电流有效值准确度o 5 ， 基波电压、电流相角的偏差1o ，电压偏差o 5 ，三相电压不平衡度绝对误差o 2 ， 三相电流不平衡度绝对误差1 ，谐波准确度要求达到国标a 级及以上，电压波 动、闪变要求相对误差5 。 2 触发录波和指标越限记录功能 当触发条件满足时，电能质量监测仪能够根据设定的录波条件进行录波。触 1 3 基于嵌入式l i n u x 的“：线l u 能质量舱测仪的设计j 实现 发条件包括：电压暂降骤升，电压中断，电压突变。 电能质量监测仪能够对连续监测的电能质量指标进行判断，设置指标限值， 当实测指标超过限值时，能够提供指标越限记录，记录越限的指标名称、位置、 幅值、时间、相别等。指标越限包括：电压有效值越限，电流有效值越限，频率 越限连续，三相不平衡度越限，电压波动和闪变越限。 3 通信功能 电能质量监测仪支持以太网或g p r s 为介质的远程通信，支持基于t c p i p 的 通信协议，实现监测数据的实时传输或定时提取存储记录。 4 数据记录功能 电压偏差、频率、三相不平衡度、谐波监测的结果应该能以固定的记录周期 在电能质量监测仪进行存储，记录周期应该可以设定，存储记录应至少保存9 0 天， 之后可按先进先出的原则更新。 5 对时功能 电能质量监测仪须具备远程对时功能，通过主站进行时钟同步。 6 报警功能 电能质量监测仪在软、硬件故障情况下能够产生报警信号。 7 界面显示功能 界面显示是设计中的重要部分，系统的管理、数据分析结果的实时显示都须 通过交互界面来完成，界面除可显示文字、表格外，还应能显示波形。 3 2 在线电能质量监测仪的设计方案比较 目前，在线电能质量监测装置的设计通常采取以下几种方案【2 8 】【2 9 1 ： ( 1 ) 基于工控机平台进行开发，即以p c 机为核心进行扩展，通过p c 机处 理器的强大处理能力完成对电能质量的分析，同时p c 机的网络通信和大容量的 数据存储功能可以为电能质量监测系统的区域化网络管理提供方便。缺点就是这 种系统体积过大，而且价格比较贵，不适合现场的长时间实时监测。 ( 2 ) 采用数字信号处理器( d s p ) 做为核心处理单元对电能质量进行分析运算， 同时扩展其外设通信接口。由于数字信号处理器多采用改进的哈佛总线结构进行 设计，内部集成有硬件累加器、乘法器，采用流水线作业，具备良好的并行处理 能力，适合运算量大，实时性要求高的系统。缺点是其不适合运行嵌入式实时操 作系统，整体控制能力往往不够，而且系统扩展不方便。 ( 3 ) 基于虚拟机的设计方案，即通过在p c 机上扩展一些简单的外围采集电 路，然后通过信号分析软件l a b v i e w 在p c 机上虚拟出一台测量仪器，这样就可 充分利用p c 机上的软硬件资源，又可根据测量的具体信号修改软件从而获得了 很大的灵活性。但同样有体积较大，浪费资源，工作环境限制等缺点。 1 4 硕i ：学位论文 ( 4 ) 基于d s p + a r m 的双核处理器架构进行设计，一方面利用d s p 的快速 运算能力进行电能质量的实时分析，同时在a r m 处理器上运行嵌入式l i n u x 操 作系统，利用a r m 芯片丰富的外围接口和l i n u x 对网络的良好支持来完成对系 统的控制管理和通信扩展。这样，两者的优势得到了互补，因此得到了广泛的应 用。 综合分析以上各种设计方案后，本在线电能质量监测仪采用了第四种方案， 基于当前市场上高性能的d s p 和a r m 处理器进行硬件平台设计，并结合了目前 嵌入式技术领域的a r m + 嵌入式l i n u x 操作系统的解决方案。由3 2 位a r m 处理 器和d s p 芯片构成主从式并行处理系统，a r m 处理器完成对各种外设的管理和 通信，d s p 完全用于对数据的采集、运算和分析，双处理器的结构使d s p 专注于 数字信号处理，在兼顾成本的前提下使电能质量监测仪的性能得到了很大提高， 功能扩展更加容易，产品的体积也比较小，更加适合复杂环境下的现场实时作业。 3 3 在线电能质量监测仪的总体结构 图3 1 在线电能质量监测仪的系统结构框图 本在线电能质量监测仪主要由两部分组成：前端数据采集处理模块和监测管 理模块，系统组成结构见图3 1 。整体采用d s p 和a r m 双处理器平台进行设计， 以t m s 3 2 0 v c 5 5l0 为核心数据处理单元，以运行嵌入式l i n u x 操作系统的 a t 9 1 s a m 9 2 6 1 为监测管理单元，实现对电网电能质量的在线实时监测，并能通 过扩展通信接口与远程主机通信，对电网电能质量进行远程监控和历史数据分析。 前端数据采集处理模块由电压互感器( p t ) 、电流互感器( c t ) 、前置滤波信号 调理电路、a d 转换器、同步信号电路、d s p 核心算法处理器和存储模块组成， 主要负责对电网信号数据的采集处理，其具体工作流程：电网上各相电压、电流 首先经过互感器变换，然后通过前置滤波、信号调理得到适合a d 采样的电压信 号，由同步信号电路触发a d 转换器a d s 8 3 6 5 对其进行同步采样，d s p 处理器 t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 对a d s 8 3 6 5 采样得到的各路信号进行运算处理，完成对基本电 参量、谐波、闪变等电能指标的测量与分析工作，并通过h p i 通信接口和监测管 1 5 基r 嵌入式l j n u x 的n ：线l u 能质量雌测仪的设计1 j 实现 理模块进行数据交换。 监测管理模块采用先进的a r m 9 处理器和稳定的嵌入式l i n u x 操作系统构 成，主要完成显示、数据存储、远程通信以及系统管理等工作，其组成单元包括 a r m 9 处理器a t 9 1 s a m 9 2 6 l 、s d r a m 存储单元、f l a s h 存储单元、人机接口 l c d