【畢業(yè)學(xué)位論文】基于ARM-Linux嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測儀的研究與設(shè)計(jì)-控制理論與控制工程

東北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文基于景琦申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：王建國20080301摘要大量的電力電子裝置及非線性負(fù)荷在電力系統(tǒng)中廣泛的應(yīng)用，使電能質(zhì)量(題晶盞突出。電能質(zhì)量問題不僅危害電力系統(tǒng)本身的安全及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對系統(tǒng)中用戶也造成嚴(yán)重威脅。因此，對電能質(zhì)量的實(shí)時臟測具有十分重要的意義。論文蓄先介紹了電能質(zhì)量的概念，分析了國內(nèi)外電能質(zhì)量監(jiān)濺的研究現(xiàn)狀及開發(fā)新型電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的意義，同時對影響電能質(zhì)量的指標(biāo)參數(shù)的數(shù)字測量原理與算法進(jìn)行了深入的研究。在此基礎(chǔ)上，提出了以片為嵌入式文建立了基于成了蒸本的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)方面，根據(jù)電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集和處理的實(shí)際特點(diǎn)，在裁雹測量采集模塊中，采用了用鎖相環(huán)保證了多路信號的硬件同步采樣；在通訊方式上，除了采用采用了以太網(wǎng)和而提高了裝置應(yīng)用的靈活性。軟件設(shè)計(jì)方面，依據(jù)裝置所要實(shí)現(xiàn)的功能，剪裁并成功移植了嵌入式成了各應(yīng)用程序的編制，給出了詳細(xì)的程序流程圖：設(shè)計(jì)了基于基于機(jī)交互性好、系統(tǒng)升級簡單、還能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步開發(fā)，向微型化、高度智能化等方向發(fā)展，以滿足不同場會的需求，具有較大的使用價值和廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：電能璇量；入式測裝置東北電力人學(xué)碩十學(xué)位論文to a of 0ad in of of a to of is of he of he of of is as as of n is o)as PU as of on ainlto of in in LL of SB on an he is to RM on of to Ae is UI)is ton of n an be to be in t ey RM；呈交的學(xué)位論文系在導(dǎo)師指導(dǎo)下本人獨(dú)立完成的研究成果。文中依法引用他人的成果，均已做出明確標(biāo)注或得到許可。論文內(nèi)容未包含法律意義上已屬于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他學(xué)位申請的論文或成果。本人如違反上述聲明，愿意承擔(dān)以下責(zé)任和后果：1 交回學(xué)校授予的學(xué)位證書；2 學(xué)?？稍谙嚓P(guān)媒體上對作者本人的行為進(jìn)行通報；3 本人按照學(xué)校規(guī)定的方式，對因不當(dāng)取得學(xué)位給學(xué)校造成的名譽(yù)損害，進(jìn)行公丌道歉；4 本人負(fù)責(zé)因論文成果不實(shí)產(chǎn)生的法律糾紛。論文作者簽名：讎墮 日期：以年互月。以日論文知識產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識產(chǎn)權(quán)歸屬東北電力大學(xué)。學(xué)校享有以任何方式發(fā)表、復(fù)制、公開閱覽、借閱以及申請專利等權(quán)利。本人離校后發(fā)表或使用學(xué)位論文或與該論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時，署名單位仍然為東北電力大學(xué)。論文作者簽名：縫毪隰導(dǎo)師簽名：盟年土月單日魄地；月孕日第1幸緒論第1章緒論11課題背景及研究意義現(xiàn)代社會中，電力能源的使用程度是一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一，而電力系統(tǒng)供電的電能質(zhì)量也已成為了電力工業(yè)產(chǎn)品的重要指標(biāo)。理想的電力系統(tǒng)應(yīng)以恒定的頻率(50正弦波形，按規(guī)定的電壓水平(標(biāo)稱電壓)對用戶供電。在三相交流電力系統(tǒng)中，各相的電壓和電流應(yīng)處于幅值大小相等，相位互差120。的對稱狀態(tài)。由于系統(tǒng)各元件(發(fā)電機(jī)、變壓器、線路等)參數(shù)并不是理想線性或?qū)ΨQ的，負(fù)荷性質(zhì)各異且隨機(jī)變化，加之調(diào)控手段的不完善以及運(yùn)幸亍操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想狀態(tài)在實(shí)際中并不存在，而由此產(chǎn)生了電網(wǎng)運(yùn)行、電器設(shè)備和用電中的各種各樣的問題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量(概念【”。近年來，隨著我國電力事業(yè)的迅猛發(fā)展和電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，用電緊張的情況已經(jīng)逐步解決，于是潛在的電能質(zhì)量問題越來越受到重視，同時又出于上世紀(jì)中后期開始使用大量的電力電子裝置，使諸如電壓、電流諧波、電壓閃變等電能質(zhì)量的問題變的更為突出：另一方面，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)、精密的加工工具、自動生產(chǎn)線、變頻調(diào)速驅(qū)動器等對電能特性變化敏感的高科技設(shè)備的廣泛使用，也使得電力用戶對電能質(zhì)量的要求在不斷提高，供電電能質(zhì)量的惡化可能使產(chǎn)品質(zhì)量下降，造成重大損失。隨著各國電力市場的逐步建立、成熟，電能作為一種特殊的商品已經(jīng)不可避免地邁入市場化的大門，在電力市場這個開放競爭的環(huán)境中，電能的質(zhì)量與其經(jīng)濟(jì)效益結(jié)合得更加緊密。電能質(zhì)量問題已不僅僅是電力行業(yè)的專業(yè)技術(shù)問題，還是重要的經(jīng)濟(jì)問題，對各國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的作用，逐漸成為了供、輸、用電部門共同關(guān)注的重要問題121131。為了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行、電力用戶的安全用電、滿足各種電力設(shè)備的要求，以及提高用電效率從而增加國民經(jīng)濟(jì)效益，改善電能質(zhì)量勢在必行。要解決電能質(zhì)量問題，首先需要對電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測和分東北電力人學(xué)碩士學(xué)位論文析，保證對電能系統(tǒng)基本運(yùn)行工況的觀測、記錄；然后根據(jù)各質(zhì)量指標(biāo)的具體特征對電能質(zhì)量問題進(jìn)行分析，完成對多種擾動信息的識別、提取和分析，為制定改善電能質(zhì)量和治理電網(wǎng)污染具體措施提供可信的依據(jù)：進(jìn)而完整了解電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，對電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，優(yōu)化整個系統(tǒng)的監(jiān)測體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與交流【41。無疑，測量和分析是解決這一問題的第一步，而采取的治理和改善方法是否有效也需要通過測量的手段做出分析，并利用測量結(jié)果來驗(yàn)證。電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平過低會對電網(wǎng)和用戶造成很大的危害，改善電能質(zhì)量對于電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行以及降低能耗等均具有重要的意義，電能質(zhì)量關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益，尤其是大城市電網(wǎng)的電能質(zhì)量，更要加以重視，這對于提高城市的國際形象及創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)和社會效益有更重要的意義。具體改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的意義表現(xiàn)在以下幾個方面15】：(1)它是電力系統(tǒng)安全(包括用戶設(shè)備的用電安全)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要條件，是電網(wǎng)運(yùn)行水平高低的重要標(biāo)志，同時也是電力企業(yè)用電管理水平考核的重要指標(biāo)。(2)它是提高國民經(jīng)濟(jì)總體效益，用電效率(節(jié)能、降耗)和改善電氣環(huán)境，以及工業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保證。(3)它是面向電力市場、適應(yīng)競爭機(jī)制強(qiáng)有力的手段。(4)它便于通過建立和健全電能質(zhì)量的全面管理，保障各行各業(yè)的正常用電秩序，為千家力2國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀121電能質(zhì)量指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)過去對電能質(zhì)量分析和研究主要集中在對諧波的分析。電網(wǎng)中諧波含量的增加，將導(dǎo)致電氣設(shè)備壽命縮短，網(wǎng)損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加，嚴(yán)重時會造成危險的過電壓、過電流。同時還可能引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作、儀表指示和電度計(jì)量不準(zhǔn)、使通信系統(tǒng)受干擾等一系列問題。第僅用諧波作為電能質(zhì)量唯一的指標(biāo)是不全面的，而且是不準(zhǔn)確的?，F(xiàn)今電能質(zhì)量指標(biāo)還包括電壓波動、電壓三相不平衡度、電壓閃變以及頻率偏差等，這些指標(biāo)根據(jù)不同的電能質(zhì)量問題進(jìn)行了分類定義。不同的電能質(zhì)量問題會對用電設(shè)備的正常工作產(chǎn)生不同的危害，因此對于不同的現(xiàn)象能夠采取更有針對性的措施來改善電能質(zhì)量已經(jīng)成為當(dāng)今電力系統(tǒng)非常必要的研究課題61。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，電能質(zhì)量問題已被視作電力系統(tǒng)的一個重要問題。自1992年7月，歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會發(fā)布公用配電系統(tǒng)的供電特性草案，該草案在廣泛吸收中、低壓配電系統(tǒng)用戶供電端的電能質(zhì)量作了全面規(guī)定。包括頻率、電壓(電壓偏差、電壓波動及閃變、短時和長期停電、暫態(tài)過電壓)、電壓不平衡、電壓波形以及電源的信號電壓等)。19931995年，美國到了大量的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。1996年，更名為電力諧波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會議(把電能質(zhì)量提高到一個新的高度來認(rèn)t【”。近十幾年來，許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)制定和頒布實(shí)施了更加完備的電能質(zhì)量系列標(biāo)準(zhǔn)。隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)國際化的發(fā)展，世界各國制定的電力系統(tǒng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)正在與國際權(quán)威專業(yè)委員會推薦標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的試驗(yàn)條件等一系列規(guī)定接軌，逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的完整與統(tǒng)一。目前電能質(zhì)量相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)有國際電工委員會(準(zhǔn)，歐盟國也制定了相應(yīng)的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并不斷修訂以適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展變化，至2003年底我國結(jié)合國內(nèi)外的研究成果和實(shí)際情況分別制定并修改了六個國家電能質(zhì)量系列標(biāo)準(zhǔn)：003供電電壓允許偏差：169451995電力系統(tǒng)頻率允許偏差；000電壓允許波動和閃變；1454993公用電網(wǎng)諧波；1554395三相電壓允許不平衡度：但是我國整體電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)還遠(yuǎn)不夠完善，包括其科學(xué)性、可操作性和指標(biāo)的完善性均還有待于進(jìn)一步提高【8】I 91。目前國際上對電壓暫降和短時中斷問題十分關(guān)注，雖然尚無標(biāo)準(zhǔn)，但對其預(yù)測計(jì)算和相關(guān)的技術(shù)措施已作了大量研究。這方面工作我國還剛起步，進(jìn)一步完善電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)還有大量工作要做。北電力人學(xué)碩十學(xué)位論文1。22電能質(zhì)量監(jiān)測及裝置電能質(zhì)量污染的治理離不開電能質(zhì)量的監(jiān)測，準(zhǔn)確完整地對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測是進(jìn)行電能質(zhì)量管理的必要手段之一。同時，對電能質(zhì)量指標(biāo)的監(jiān)測也可以被用來作為準(zhǔn)確確定故障的類型、解決故障的正確方法。對電能質(zhì)量的監(jiān)測因目的和監(jiān)測對象的不同，所采用的監(jiān)測方式和監(jiān)測裝置也不同。國內(nèi)外對電能質(zhì)量的監(jiān)測方式主要有三種1)在線監(jiān)測，也稱為連續(xù)監(jiān)測、全過程監(jiān)測或日常監(jiān)測。一般對重要的變電站的公共供電點(diǎn)的電能質(zhì)量實(shí)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測的主要技術(shù)指標(biāo)：供電頻率、電壓偏差、三相電壓不平衡度、有功功率、電網(wǎng)諧波、功率因數(shù)?？刂苾?nèi)容主要是當(dāng)電壓偏差、三相電壓不平衡度、電網(wǎng)諧波等指標(biāo)越限時，發(fā)出報警或控制指令。連續(xù)在線監(jiān)測任務(wù)主要由安裝在變電站內(nèi)的電能質(zhì)量監(jiān)測儀完成。(2)定期或不定期測量，即針對普通電力干擾源，根據(jù)干擾的大小、危害程度和需要等采取定期或不定期的監(jiān)測方式。定期監(jiān)測多用于電網(wǎng)電能質(zhì)量的定期普查，根據(jù)重要程度一般一個月或一季度檢測一次。主要目的是全面了解電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平和干擾源的特性。不定期監(jiān)測主要是針對電力用戶的特殊電能質(zhì)量問題進(jìn)行監(jiān)測分析。主要由便攜式電能質(zhì)量分析儀或手持式諧波分析儀完成。(3)專項(xiàng)測量，即對各種干擾負(fù)荷或補(bǔ)償設(shè)備在接入電網(wǎng)前后，測量這些設(shè)備對電網(wǎng)電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的影響，用以確定電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)的背景狀況和干擾發(fā)生的實(shí)際量或驗(yàn)證技術(shù)措施效果。再通過與國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相對照，決定此類設(shè)備或負(fù)荷是否可投入運(yùn)行。此項(xiàng)監(jiān)測任務(wù)一般由便攜式電能質(zhì)量分析儀完成。目前國內(nèi)外電能質(zhì)量監(jiān)測裝置種類非常繁多，就其性能來說，可以分為高、中、低檔電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。國外高檔電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的特點(diǎn)突出表現(xiàn)在功能豐富和精度高兩個方面，如美國的福祿克公司、加拿大電力測量公司、瑞典聯(lián)合電力公司、美國測指標(biāo)多、功能豐富等特點(diǎn)。其中瑞典聯(lián)合電力公司(產(chǎn)的基本電力參數(shù)測量有電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電度、無功電度等；電能質(zhì)量第0次的諧波和間諧波、率諧波及諧波方向、閃變分析(瞬時閃變、短時閃變、長時閃變)、電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡度等，能檢測目前幾乎所有的電力和電能質(zhì)量參數(shù)，基本精度達(dá)01。但是，瑞典聯(lián)合電力公司的2不能代表國際最先進(jìn)的水平。當(dāng)前國際上最先進(jìn)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置已經(jīng)集高精度電能計(jì)量、多功能電力測量、電能質(zhì)量分析、保護(hù)與監(jiān)控、智能邏輯控制、事故記錄與分析、數(shù)據(jù)記錄和波形記錄等儀表于一身，功能多達(dá)數(shù)百種，精度達(dá)到001級以上。此外，國際測控技術(shù)工現(xiàn)了“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”的概念，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)化管理。瑞典聯(lián)合電力公司開發(fā)的司開發(fā)的(域網(wǎng)等)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測。國內(nèi)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的性能與國外先進(jìn)水平存在著明顯的差距。最初國內(nèi)生產(chǎn)廠家的前沿測控裝置大多是采用單片機(jī)柬實(shí)現(xiàn)的，直到上世紀(jì)九十年代，出現(xiàn)了數(shù)字處理芯片應(yīng)用的熱潮，有強(qiáng)大數(shù)字運(yùn)算能力的數(shù)字信號處理芯片才被應(yīng)用到電能質(zhì)量領(lǐng)域。當(dāng)前國內(nèi)致力于電能質(zhì)量產(chǎn)品研究的企業(yè)還不多，生產(chǎn)電能質(zhì)量監(jiān)測儀水平較高的廠家有深圳領(lǐng)步科技有限公司、上海寶鋼安大電能質(zhì)量有限公司、安徽振興科技股份有限公司、保定方長電子有限公司等等，他們生產(chǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測儀產(chǎn)品代表著我國電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的先進(jìn)水平。如上海寶鋼安大電能質(zhì)量有限公司開發(fā)的金及電力系統(tǒng)中得以應(yīng)用。但是由于國內(nèi)在電能質(zhì)量研究上相對國外較晚，又由于電能質(zhì)量所涉及的指標(biāo)眾多，并且部分指標(biāo)在沒有相關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)的頒布，因此電能質(zhì)量問題研究的深度和廣度遠(yuǎn)不及國外先進(jìn)水平，國內(nèi)眾多廠家和科研院所研制的電能質(zhì)量監(jiān)測儀的性能、功能及工藝與國外先進(jìn)水平也存在著明顯的差距。123電能質(zhì)量監(jiān)測存在的主要問題隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行管理的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化，單一功能的東北電力人學(xué)眵十學(xué)位論空電能質(zhì)量監(jiān)測儀己經(jīng)不適合現(xiàn)代化電能管理的需要。新型高精度在線式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置展示了很好的優(yōu)越性能和廣闊的應(yīng)用前景。但是由于我國工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，電子行業(yè)與世界先進(jìn)水平相比差距較大，雖然我國專家學(xué)者已進(jìn)行多方面的研究，并取得了很大成績，但是在測量手段和裝置上與國外先進(jìn)水平相比，還有很大距離，還有很多問題有待解決。歸結(jié)起來有以下幾方面的主要問題尚待解決和研究。(1)國內(nèi)對電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測大多數(shù)還處在專門監(jiān)測和定期或不定期監(jiān)測階段，不能完全形成對電能質(zhì)量的長期連續(xù)監(jiān)測。這種電能質(zhì)量監(jiān)測手段和管理模式存在著實(shí)時性差、工作量大、效率低等明顯的局限性。(2)國內(nèi)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置存在著功能單一、通用性和擴(kuò)展性差、開發(fā)和維護(hù)相對復(fù)雜等問題，綜合測量、分析、判斷功能不強(qiáng)，人機(jī)交互性不好。一般不對電壓閃變進(jìn)行測量，需要另外的閃變儀進(jìn)行專門的檢測。有的產(chǎn)品雖然直接引用了國外的技術(shù)模塊，功能較強(qiáng)，但是價格較高，且不完全適合我國市場。(3)由于采用各種計(jì)算機(jī)作為現(xiàn)場監(jiān)測分析工具，導(dǎo)致設(shè)備成本提高：(4)遠(yuǎn)程通信能力有限，不易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享和長期評估與預(yù)測；(5)現(xiàn)場設(shè)備不具備實(shí)時分析能力，大量采樣數(shù)據(jù)都要傳送給專門的分析工具去處理，導(dǎo)致對現(xiàn)場設(shè)備的存儲容量要求很大。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式實(shí)時系統(tǒng)技術(shù)的日益成熟和完善，電能質(zhì)量監(jiān)測裝置正在朝著在線監(jiān)測、實(shí)時分析、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。因此，開發(fā)一種實(shí)時處理功能強(qiáng)、系統(tǒng)升級簡單、保存歷史數(shù)據(jù)量大、與實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控、入機(jī)交互性好的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測裝置勢在必行。13本論文的主要工作基于上述對電能質(zhì)量及其監(jiān)測的重要性的認(rèn)識，在總結(jié)國內(nèi)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，論文對各個電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)的算法進(jìn)行了深入研究，引入嵌入式1 計(jì)實(shí)現(xiàn)了多功能，交互性好的基于采用嵌入式C、c+語言對電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測第1章緒論方法進(jìn)行了程序編寫。論文的工作主要有以下幾個方面：(1)芯片和操作系統(tǒng)的選擇。選取三星公司基于入式)作為軟件開發(fā)平臺，學(xué)習(xí)基于2)開發(fā)環(huán)境的建立。針對自己設(shè)計(jì)研究的需要剪裁嵌入式剪裁好的內(nèi)核與根文件系統(tǒng)(植到作針對建立開發(fā)環(huán)境。(3)硬件電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)電力系統(tǒng)信號特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了前端數(shù)據(jù)采集電路，調(diào)理電路，鎖相環(huán)電路和基于轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)了對六路電壓、電流信號的高速同步采樣。(4)數(shù)據(jù)處理程序編制。研究了電能質(zhì)量各指標(biāo)參數(shù)的算法，并編制程序?qū)Σ杉降娜嚯娐窋?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得到電能質(zhì)量各指標(biāo)的測量、分析結(jié)果。(5)軟件移植調(diào)試。將電能質(zhì)量各指標(biāo)的監(jiān)測分析程序在行實(shí)際三相電網(wǎng)信號采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，電能質(zhì)量的監(jiān)測、存儲等功能。(6)用東北電力大學(xué)顧能質(zhì)量是指電力系統(tǒng)通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)。針對我國目前對電能質(zhì)量的研究與分析，電能質(zhì)量的指標(biāo)主要包括供電電壓偏差，電力系統(tǒng)頻率偏差，三相不平衡度，公用電網(wǎng)諧波以及電壓波動與閃變。21基本交流電參數(shù)的測量211電壓、電流有效值的測量正弦波交流電的電流、電壓的大小通常用其有效值(均方根)來計(jì)量。按照電工理論的基本定義，在連續(xù)的時問域電壓有效值：電流有效值：U=1=曠廝西(21)(22)式中u(t)是交流電壓瞬時值，i(t)是交流電流瞬時值，將連續(xù)信號離散化，在周期電壓、電流有效值的計(jì)算方法如下：電壓有效值：電流有效值：u=露巧=悔T 2章電能質(zhì)量指標(biāo)發(fā)其測量計(jì)算I=氍確=瓣24)式中： 酢一個周期內(nèi)第一個周期內(nèi)第12功率及功率因數(shù)的測量正弦波交流電的功率測量包括：有功功率測量、無功功率測量和視在功率測量【11l。(1)有功功率有功功率即平均功率，由定義可得其計(jì)算公式如下：尸=吉)中 “O)電壓瞬時值；以)電流瞬時值；丁電壓、電流的變化周期。若以采樣周期流一個周波采樣離散的有功功率的計(jì)算方法如下：肚專酗& (：相總有功功率：1 ；一1 Nl2專(薈k+善“也) (2_7)(2)視在功率由視在功率定義可知其計(jì)算公式：S=28)式中u電壓的有效值；I電流的有效值三相總的視在功率：Sm=Ul七+2一跳(3)無功功率由于有功功率P、視在功率s、無功功率s=2 (210)即無功功率計(jì)算公式：Q=211)(4)功率因數(shù)尸 2)213頻率的測量電工學(xué)定義交流電在1單位為赫茲，記為用的頻率測量的方法有頻譜測量法和頻率計(jì)數(shù)法【12】。頻譜測量法對本文的應(yīng)用并不適用，所以下面只討論計(jì)數(shù)法。計(jì)數(shù)法是最常用的測量頻率的方法，分為頻率計(jì)數(shù)與周期計(jì)數(shù)兩種。對周期信號而言，每一次正向(或負(fù)向)過零便代表了一個新的周期。頻率計(jì)數(shù)法就是通過測量標(biāo)準(zhǔn)時基t。內(nèi)被測信號的正向過零點(diǎn)數(shù)11來求得頻率，的。f=n“。 q13)周期計(jì)數(shù)法則是通過測量被測信號兩個相鄰?fù)蜻^零點(diǎn)這段時間內(nèi)某一頻率為，。的參考脈沖信號的計(jì)數(shù)而求得信號的頻率。f=工珂 (214)這兩種方法，前者宜于測量較高頻率的信號，時基越準(zhǔn)、越長，測量精度越高；而后者則適宜于測量較低頻率的信號，參考源頻率越高、越準(zhǔn)，測量精度越高?？紤]到本文所要測的交流電的工頻為50此選用周期計(jì)數(shù)測量法，以提高系統(tǒng)效率。第2章電能質(zhì)量指標(biāo)及姐測量計(jì)算22電壓偏差和頻率偏差的測量221電壓偏差的測量供電電壓偏差是指實(shí)際電壓與系統(tǒng)額定電壓之差。根據(jù)電能質(zhì)量供電電壓允許偏差(232590)的規(guī)定，。電壓偏差公式為31： 電壓偏差()=塞型皂墨耄警10096(2貝疋電j=11頻率偏差的測量電力系統(tǒng)頻率允許偏差是指系統(tǒng)頻率的實(shí)際值和標(biāo)稱值之差【14l。根據(jù)電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差( 159451995)的規(guī)定，電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為02系統(tǒng)容量較小時，偏差值可以放寬到05率偏差=頻率實(shí)測值一頻率標(biāo)稱值23三相不平衡度的測量三相供電系統(tǒng)中，三相相量大小相等、頻率相等、相位依次相差120。時，稱為三相對稱，否則稱為三相不對稱。三相不平衡系統(tǒng)的檢測采用對稱分量法把三相量分解為三組對稱的正序、負(fù)序、零序分量，并以負(fù)序分量與正序分量之比定義為三相不平衡度或不對稱度，用符號占表示【5l【1 61。三相電壓電流不平衡度的表達(dá)式為：“：生。q=魯100 (217)式中： 2三相電壓正序、負(fù)序分量均方根值；、厶三相電流正序、負(fù)序分量均方根值。東北電力大學(xué)頌I學(xué)位論文任何不對稱的三相相量均可用對稱分量分解為三組對稱的正序、負(fù)序、零序分量，在三相系統(tǒng)中，若三相相量為j，擊，亡則【17】【l 8】：正序分量負(fù)序分量零序分量4=(一+口B+口2c)，墨=口2一l，c：=(+口2臺+口6)，毫=口互，t：口：丘 (219)4=島=c；=喜(彳+口+c) (2中口叫塒；一三+，譬2“=，孚在有零序分量的三相系統(tǒng)中，采用對稱分量法。而為了簡化計(jì)算，在不含零序分量的三相系統(tǒng)中，(如三相線電壓、線電流、線系統(tǒng)中三相相電壓、相電流時)，只要給出三相量a、b、c，即可由下式求出不平衡度占119：式中， 三= 口4-1型!三竺10011+廁”不平衡度的統(tǒng)計(jì)分析按電能質(zhì)量155431995)規(guī)定的測量要求。每次測量，樣的測量儀器，按下式計(jì)算：弘仁善(221)三相電壓允許不平衡度(GBT般按3于離散采式中：矗在3m在3m6)。(222)24諧波分析測量國際公認(rèn)的諧波含義是：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為第2章電能質(zhì)量指標(biāo)及其測量計(jì)算基波頻率的整數(shù)倍?！痹谥腥A人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)中，諧波的定義是：“諧波是對周期性的交流量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，得到的頻率大于1的整數(shù)倍分量”【20】。241電力系統(tǒng)諧波參數(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)諧波對一個電力系統(tǒng)的影響，可以按許多種因素建立標(biāo)準(zhǔn)并規(guī)定適當(dāng)?shù)南揞~。其中，涉及到的指標(biāo)參數(shù)有諧波含量、諧波含有率、總諧波畸變率。1454993標(biāo)準(zhǔn)中各參數(shù)指標(biāo)的定義如下【21】：諧波電壓含量2中：璣第第諧波最高次數(shù)。)和)分別定義為：，導(dǎo)(2=爭，10。慚) (2_26)式中以第均根值)；U基波電壓(方均根值)；L第均根值)：基波電流(方均根值)。電壓總諧波畸變率電流總諧波畸變率四j。蜃醫(yī)百UHl。慚)閱=等枷。()(22。4。2諧波分析方法諧波分析的方法有綴多種，如傅立葉變換、卡爾曼濾波、小波分析等。傅里葉變換作為經(jīng)典的信號分析方法已經(jīng)比較成熟。特別是快速傅里葉變換(應(yīng)用，有效地提高了信號處理的實(shí)時性231。本文利用。利用傅立時變換進(jìn)行諧波分析電力系統(tǒng)中，實(shí)際的電信號都能滿足狄里赫利條件，可以分鱗為如下形式的傅立葉級數(shù)。甜(，)=帆f)+k (2m=角頻率，印=等為直流分跫；aI，l、b。分別為諧波的余弦項(xiàng)系數(shù)和正弦項(xiàng)系數(shù)。利用三角函數(shù)的正交性，即可從式229)得到ao、am、吾rw(t)或=；知)2 f“31)2u(t)=Cm (2m=量計(jì)算式中： =b22果每周期的采樣次數(shù)為N，則采樣時間間隔t=TN，u(t)的第)表示(0nN1)，將規(guī)格化歸入中，則可得到傅立葉計(jì)算式的離散形式如下：=號脅t：一m=號坷呱等ml， 陋s，于是可以求出第位等參數(shù)。幅值公式：=d：+醒 (2位公式：。) (2流的各次諧波的相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算方法類似于電壓的各次諧波的相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算【24l【25l【261。2基于復(fù)序列快速傅立葉變換(是離散傅立葉變換(一種快速算法。因?yàn)辇嫶蟮倪\(yùn)算量是實(shí)際應(yīng)用難以接受的。1)充分利用變換核2)由于直接計(jì)算成正比，因此將長序列的按時間抽取(和按頻率抽取(。本文利用的是基2時間抽取里以8點(diǎn)的輸入序列為例簡單介東北電力人學(xué)碩士學(xué)位論文紹一下基2 流程圖如下圖：w： -1 w； 1 w； =8時稱為蝶行運(yùn)算，每個蝶行運(yùn)算需要一次復(fù)數(shù)乘法和兩次復(fù)數(shù)加法。直接2)，可見其是點(diǎn)數(shù)于實(shí)際上采集的電壓u(n)、電流f(”)值是實(shí)序列信號，直接用實(shí)際處理序列時，可以將兩個同長度的實(shí)序列分別作為復(fù)序列的實(shí)部和虛部組成一個新的序列來進(jìn)行變換處理，這叫做基于復(fù)序列的81。本文將同一相的電壓和電流分別作為復(fù)序列的實(shí)部和虛部來進(jìn)行傅立葉變換，即定義：x(胛)=“(甩)+ji(n)On于復(fù)序列x(n)經(jīng)過傅立葉變換可得X(七)=x(n)=U(_j)+)(2x+(n)為x(n)的共軛復(fù)數(shù)，X+(X(Nk)的共軛復(fù)數(shù)。則可得電流、電壓的頻譜為挪砌37蚺蝌螂邢圳耶邢印第2章電能質(zhì)量指標(biāo)及其測量計(jì)算u(七)=丟J(七)+x(一七)，丟r。c一七， 擔(dān)42由此可見只需一次復(fù)序列43頻譜泄漏及加窗插值修正算法1頻譜泄漏所謂頻譜泄漏就是信號頻譜中各譜線之間的相互影響，使測量結(jié)果偏離實(shí)際值，同時在真實(shí)譜線兩側(cè)其他基波整數(shù)倍頻率點(diǎn)上出現(xiàn)一些較小的假譜【291。簡言之，造成頻率泄漏的原因是因?yàn)椴蓸宇l率與信號頻率不同步，造成周期采樣信號的相位在始端和終端不連續(xù)。如果采樣是同步的，泄漏頻譜在整數(shù)次諧波點(diǎn)上的幅值為零，則不會造成分析的誤差。但是如果采樣是非同步時，泄漏頻譜在整數(shù)次諧波點(diǎn)上的幅值不為零，這時泄漏頻譜將引起頻譜分析誤差。頻譜泄漏包括長范圍泄漏和短范圍泄漏兩部分30】。長范圍泄漏是由于信號截斷造成的信號頻譜旁瓣之間的相互干擾；短范圍泄漏是指由于離散頻譜的柵欄效應(yīng)導(dǎo)致的信號峰值點(diǎn)觀測上的偏差長范圍泄漏通過加合適的窗函數(shù)加以抑止，短范圍的泄漏通過插值算法進(jìn)行修正本文對信號加海寧窗函數(shù)后再通過雙峰插值修正的方法來抑制頻譜泄漏，使諧波分析結(jié)果更加精確。2加窗插值修正算法1)窗函數(shù)在數(shù)據(jù)采集時，既使采樣頻率滿足了采樣定理，但如果不是同步采樣，就將帶來泄漏誤差以及柵欄效應(yīng)誤差，使得算出的信號參數(shù)如幅值和相位等不準(zhǔn)確，尤其是相位誤差很大，從而無法滿足諧波測量要求；對信號進(jìn)行際上就是對信號進(jìn)行了加矩形窗后再就是說在存在同步偏差時加矩形窗再是選擇合適的窗函數(shù)(該窗函數(shù)指除了矩形窗以外的其它窗函數(shù)，稱之為特殊窗)則可能使泄漏誤差減小，從而提高諧波測量的準(zhǔn)確度。因?yàn)橛貌煌拇昂瘮?shù)截斷無窮序列，其頻譜的變化是不同的。其特點(diǎn)是：時域截斷越突然，則頻域波動越大(即頻譜圖中旁瓣大，如矩形窗截斷)，南北電力大學(xué)碩上學(xué)位論文反之，則頻域截斷越突然，則時域波動越大(如理想濾波器)。所以選擇合適的窗函數(shù)可以減小旁瓣，從而使頻譜泄漏減輕p”。一般來說，窗函數(shù)中旁瓣衰減較大，高頻衰減快的有利于減小截斷過程中產(chǎn)生的頻譜泄漏問題。但是具有這兩個特性的窗函數(shù)，其主瓣寬度較大，相應(yīng)會帶來一些副作用。所以應(yīng)用中，要根據(jù)具體情況選擇合適的窗函數(shù)。電網(wǎng)信號主要含有整數(shù)次諧波，因而常采用余弦窗函數(shù)，只要選取觀測時間是信號周期的整數(shù)倍，其頻譜在各次整數(shù)倍諧波頻率處幅值為零，因而諧波之間不發(fā)生相互泄漏。即使信號頻率作小范圍波動，泄漏誤差也較小。余弦窗函數(shù)一般可以表達(dá)為(w=萬1毳M。2，。N(2刪余弦窗根據(jù)所取項(xiàng)數(shù)的不同、各項(xiàng)系數(shù)的不同，則窗的名字也不一樣，常用窗所對應(yīng)得各項(xiàng)系數(shù)取值如表21【32】：所以，本文所用的海寧(函數(shù)表達(dá)式如下：w(H)=05一O5) n=0，1，Nl(2)插值修正算法表21各余弦窗的系數(shù)表窗名稱 n 啦 口35 一O554 一O4642 一O5 008窗 035875 048829 000f)，在經(jīng)過了采樣率為=崩“2萬要斛口) (，其連續(xù)頻譜為出(2萬，)，則加窗后該18第2章電能質(zhì)量指標(biāo)及其測量計(jì)算信號的連續(xù)傅立葉變換為：砌=砌坂謝砌 =專樺，一嘩，2刪如果忽略負(fù)頻點(diǎn)一五處頻峰的旁瓣影響，在正頻點(diǎn)磊附近的連續(xù)頻譜函數(shù)可以表達(dá)為：i(伊魯墨!掣)(2上式進(jìn)行離散抽樣，即可得到它的離散傅立葉變換的表達(dá)式為：i(七，)=(x(Z)(2中離散頻率間隔為V=ZN，值頻率石=很難正好位于離散譜線頻點(diǎn)上，也就是說，ko kk：一般不是整數(shù)設(shè)峰值點(diǎn)左右兩側(cè)的譜線分別為第兩條譜線也應(yīng)該是峰值點(diǎn)附近幅值最大和次最大的譜線顯然，毛ko十1令這兩條譜線幅值分別是：M=I x(毛)l，兒=l x(也，)，所以可以引入一個輔助參數(shù)口=毛一南一05顯然，05，05這樣必：2x(05)N)2x(-a-o5焉)N)2+婦 x(一a+o5)I+l(2石(一do5)1)l 令=(兒一Y1)f(1)，通過多項(xiàng)式逼近的方法得到海寧窗函數(shù)所對應(yīng)的修正公式如式(250)。綜上所述，基于海寧窗函數(shù)的插值修正31：選取適當(dāng)周期長度截取實(shí)域數(shù)據(jù)：對實(shí)域信號數(shù)據(jù)加海寧窗；作到頻譜數(shù)據(jù)；東北電力人學(xué)預(yù)十學(xué)位論空尋找各次諧波峰值點(diǎn)附近幅值最大和次最大的譜線；利用修正公式得到各次諧波的幅值和相位。刪c(2)(n=0,1,“j N1)a=f)+號一n(1y，2)=2)(2356194+3873a?+5電壓波動及閃變251電壓波動與閃變的定義本文所研究的電壓波動和閃變是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。它主要反映在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的狀況下，波動性負(fù)荷引起供電系統(tǒng)的電壓波動，該電壓波動可能危害電氣設(shè)備并引起照明閃變。1電壓波動根據(jù)電壓波動與閃變的國家標(biāo)準(zhǔn)000，電壓波動是指每半個基波電壓周期均方根值的一系列變動或連續(xù)的改變。在配電系統(tǒng)中，這種電壓波形現(xiàn)象有可能多次出現(xiàn)，變化過程可能是規(guī)則的、不規(guī)則的，亦或是隨機(jī)的。為了更具體地描述電壓波動的特征，在1分鐘內(nèi)，測量各個周期(20電壓有效值，取其最大的差值(u。一c，m)根據(jù)下式求出波動大小341。d：墜二墜100 (25”U式中2U。額定電壓2電壓閃變廣義的電壓閃變包括電壓波動的全部有害作用，但是，不能以電壓波動來代替閃變，因?yàn)殚W變是人對照度波動的主觀視感。閃變主要由下面幾個因素決定：1供電電壓波動的幅值、頻率和波形。第2章電能質(zhì)量指標(biāo)及其測量計(jì)算明裝鼴，以對自熾燈的照度波動影響最大，而且與自熾烀的瓦數(shù)和額定電壓有關(guān)。3入對閃變的主觀視感。由于人們視感的差異，需對觀察者的閃變視感作抽樣調(diào)查。為了了解人對閑變的視覺反應(yīng)程度，率、幅值的調(diào)幅波和工頻電壓作為載波向工頻230V、60觀察者抽樣(500入)調(diào)查閃變覺察率F()的統(tǒng)計(jì)公式為：F： 竺望 100 2，A+B+沒有覺察的人數(shù)： 卜略有覺察的人數(shù)；不能忍受的人數(shù)；電壓波動弓超人對照發(fā)波動的主觀視覺反應(yīng)稱為瞬時閬?zhàn)円暩卸萻。通常以閃變覺察率為50作為瞬時閃變視感度的衡量單位，即定為S=的，見表22覺察單位的電壓波動值頻率f(電毯被動 頻率f(電壓波動 頻率f(電艇被動() () ()O5 2340 65 0300 14O 03881O 1432 7O 0280 15O 0462l。5 1080 75 O266 16O O48020 0，882 80 0256 170 O53025 0754 88 0250 180 05843O 0654 95 0254 190 064035 0568 100 0262 20O 07004。0 0500 0270 210 076045 0，445 110 0282 220 08245O 0398 115 0，296 23O 089055 0360 12O 0312 240 09626O 0328 13O 0348 25O 1042東北電力人學(xué)碩士學(xué)位論文人腦神經(jīng)對照度變化需要有最低的記憶時間，高于某一頻率的照度波動普通人便覺察不到，這一頻率稱為停閃頻率。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，人的眼和腦對230V、605變敏感的頻率范圍約為612弦調(diào)幅波在88對照度波動的最大覺察頻率范圍不會超過O0535兩個頻率限值均稱為截止頻率。閃變是經(jīng)過燈一眼一腦環(huán)節(jié)反映人對照度波動的主觀視感，引入視感度系數(shù)七(，)可以更為本質(zhì)地描述燈一眼一腦環(huán)節(jié)的頻率特性。甓需糕器”7 產(chǎn)生同樣視感度的 電壓d() ”71090 8OT，、06呈0500120圖中可以看出，k(f)隨著頻率=88f)達(dá)到最大值1，這時如果廠再繼續(xù)增加，則k(f)的值將不斷減小。從這條曲線就可以反映出廠=88上所述，閃變就是電壓波動引起自熾燈照度變化在人腦內(nèi)的主觀感受，是用來表明電壓波動大小和影響的一種數(shù)值特征。第2章2閃變值的計(jì)算方法1際電工委員會出閃變儀的功能和設(shè)計(jì)規(guī)范，其框圖如圖2992年國際電熱協(xié)會2輸入的被測電壓適配成適合儀器的電壓數(shù)值，并能發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制波電壓作儀器自檢用。框2至框4，為對燈一眼一腦環(huán)節(jié)的模擬。框2，模擬燈的作用，用平方檢測方法從工頻電壓波動中解調(diào)出反映波動的調(diào)幅波。閃變儀要求在相對電壓變動為5的范圍最為靈敏，解調(diào)調(diào)制波的幅值變動必須不小于1的范圍，其對二倍工頻120衰減須在90個衰減作用要平方檢測濾波器和框3的加權(quán)濾波器來完成?？?，模擬人眼的頻率選擇特性。由質(zhì)上是用傳遞函數(shù)K(s)逼近圖22所示的覺察率為50的視感度曲線。K(s)以乘積形式表述，乘積的后一項(xiàng)所對應(yīng)于二階帶