（控制理論與控制工程專業(yè)論文）基于嵌入式的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).pdf

摘要 2 0 世紀(jì)8 0 年代以來，隨著網(wǎng)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電的使用越來越廣泛。但 是，蚤耱菲線揀、；孛擊蛙和不對(duì)稱經(jīng)受黃熬丈量投入後弱，霞電疆供魄邀垂馥菲 線性、不穩(wěn)定穩(wěn)葶西不對(duì)稱性囂趨嚴(yán)重。本文在研究了鶯蠢夕 電麓藤交穩(wěn)關(guān)文獻(xiàn)麴 基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、集成電路技術(shù)以 及微電子技術(shù)，研究和開發(fā)了高精度多功能電能威擻數(shù)據(jù)采集裝置，為改善電能 質(zhì)量和制定有關(guān)電能質(zhì)量的治理措施和政策提供必甏的依據(jù)。 黃先，本文分拆了趣愛矮爨磷究豹發(fā)震趨勢(shì)以及邀我愛量數(shù)據(jù)采煞系統(tǒng)開發(fā) 酶必要往，并鎊辯鏊內(nèi)電藐矮爨數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)震的現(xiàn)狀纛存在靜鬩熬，提出了 一種新的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)模型：前端d s p 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、m c u 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)朔遠(yuǎn)程電能質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，分析并證明了該方案對(duì)電能 質(zhì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)具有明顯的優(yōu)越性；然后，針對(duì)前端d s p 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特殊性 和功能需求，深入縫探討了數(shù)攝袋嶷與a d 轉(zhuǎn)換、三穗同步采樣秘d s p 談心處 瑾等模襲靜硬較鋅煞設(shè)計(jì)與開發(fā)技術(shù)；并在蔫臻d s p 數(shù)攙采集系綾酶灝穡上深入 研究了電能質(zhì)綴數(shù)據(jù)的d s p 計(jì)算方法，提出了一種撼于i e c 標(biāo)準(zhǔn)的波幼與閔變實(shí) 時(shí)測(cè)量算法，并用d s p 進(jìn)行了仿旗測(cè)試，取得了較好的試驗(yàn)效果；個(gè)性能強(qiáng)勁 而可靠的m c u 數(shù)據(jù)管理模塊是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本文構(gòu)建了a r m + l i n u x 的系統(tǒng)架構(gòu) 設(shè)計(jì)方案，蕾熬辮究了l i n u x 設(shè)麓鞭動(dòng)程序的編寫與實(shí)理方法，針對(duì)嵌入式g u i 環(huán)凌下靜驅(qū)動(dòng)開發(fā)進(jìn)行了其蔣豹分耩幫設(shè)詩；最囂，鏊予上述磅究髂裁萊，成功 地研制了一種菸于a r m + d s p 的電髓質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行縮果表明，該系統(tǒng)艇有穩(wěn)定可靠、測(cè)燃精度高、擴(kuò)展靈活、安裝方 便、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、友好的人機(jī)交互界面、簿特點(diǎn)，也表明了本文所研發(fā) 的殘暴豹有效憾秘應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：電麓矮鬃；d s p ；波動(dòng)；閃蜜；a r m ；l i n u x 蘭三絲壘塞墼皇璧璧薹莖塑垂耋耋墼墼絲耋皇蘭鎏 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ee s t a b l i s h m e n to fm a r k e t e c o n o m ys y s t e m ，p o w e re n e r g yh a sb e e na p p l i e dm o r ea n d m o r ew i d e l ys i n c e19 8 0 s 。 h o w e v e r ，t h en o n l i n e a r i t y , i n s t a b i l i t ya n du n b a l a n c eo fe l e c t r i cn e t w o r kt h a tc u r r e n t l y s u p p l yv o l t a g eh a v eb e c a m em o r ea n dm o r es e r i o u sd u et ot h ea p p l i c a t i o no fn o n l i n e a r ， i n s t a b i l i t ya n du n b a l a n c el o a di np o w e rn e t w o r k b a s e do nt h es t u d yo fal o to f d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lr e l e v a n tl i t e r a t u r e sa b o u tp o w e rq u a l i t y , t h i sp a p e r d i s c u s s e dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h eh i g h - - p r e c i s i o nm u l t i - f u n c t i o np o w e r q u a l i t yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mi n t e g r a t e dt h el a t e s tc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , a u t o m a t i o n t e c h n o l o g y ,i n t e g r a t e d c i r c u i t t e c h n o l o g y a n d m i c r o - e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y t h r o u g ht h eo n - l i n ea n dr e a l t i m ed a t ac o l l e c t i o na n d a n a l y s i s ，t h es c i e n t i f i ce v i d e n c e , w h i c hs u p p l yt h ei m p o r t a n td a t af o rl a t e rp o w e r q u a l i t yc o n t r o la n dt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r ss e t t i n gf o rc o n t r o l l i n gd e v i c e ，c a nb e p r o v i d e dt oi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t ya n df o r m u l a t et h ep o l i c yo fb r i n g i n gt h ep o w e r q u a l i t yu n d e rc o n t r 0 1 f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y s e dt h ed 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 h a n dt h ed e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n to ft h ep o w e rq u a l i t yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m a i m i n g a tt h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t i e sa n dd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp r o b l e m so ft h ep o w e r q u a l i t yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h et h r e e l a y e rm o d e lo ft h e p o w e rq u a l i t yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ：d s pd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m m c ud a t a m a n a g e m e n ts y s t e ma n dt h el o n g - d i s t a n c ep o w e rq u a l i t yd a t am o n i t o ra n da n a l y s i s s y s t e m 。a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e ra n a l y s e da n dp r o v e dt h ea d v a n t a g e so ft h es c h e m e i np o w e rq u a l i t yd a t ac o l l e c t i o n s e c o n d l y , a i m i n ga tt h ep a r t i c u l a r i t ya n dc o m p l e x i t yo fd s pd a t ac o l l l e e t i o n f o r e p a r ts y s t e mi nt h ep o w e rq u a l i t yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rd e e p l y r e s e a r c h e dt h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo ft h ed a t ac o l l e c t i o n ，a d c o n v e r s i o n ，t r i p h a s es y n c h r o n o u ss a m p l i n ga n dd s pp r o c e s s o rm o d u l e t h e nt h e p a p e rd e e p l yr e s e a r c h e dt h ea l g o r i t h m sf o rm e a s u r e m e n t so fp o w e rq u a l i t yo nd s p , a n dp r e s e n t e da na l g o r i t h mf o rm e a s u r e m e n to fv o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e rb a s e d o ni e cs t a n d a r d ，t h ea l g o r i t h mg o tg o o de f f e c ti ne x p e r i m e n t a t i o no fd s p t h e nt h e p a p e rp r e s e n t e dad e s i g ns c h e m eo fa r m l i n u xa r c h i t e c t u r e a n dr e s e a r c h e dt h e d e v e l o p m e n to fl i n u xd e v i c ed r i v e ra n dd r i v e r so ne m b e d d e dg u ie n v i r o n m e n t i i f i n a l l y ，b a s e do nt h ea c h i e v e m e n to fa b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c h e s ，t h ep a p e r s u c c e s s f u l l yd e s i g n e dap o w e rq u a l i t yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do nd s p & a r m t h ef i e l dw o r kp r o v e dt h a tt h es y s t e mh a v eh i g hr e l i a b i l i t y ，h i g hp r e c i s i o n ， f l e x i b l e e x p a n s i b i l i t y ，f r i e n d l y m a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o ni n t e r f a c e ，c o n v e n i e n t d e b u g g i n ga n dm a i n t e n a n c ee t c ，w h i c hi n d i c a t e dt h ev a l i d i t ya n da p p l i c a t i o nv a l u eo f t h er e s e a r c hr e s u l t k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；d s p ；v o l t a g ef l u c t u a t i o n ；v o l t a g ef l i c k e r ；a r m ；l i n u x i i i 湖南大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取 得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其 他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè) 人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果 由本人承擔(dān)。 儲(chǔ)虢申釤步吼口二年擴(kuò)月咖 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué) 校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查 閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān) 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位 論文。 本學(xué)位論文屬于 1 、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 2 、不保密卒。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”) 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： r 卜 形鞏 杪姒 沖新 碩士學(xué)位論文 1 1 電能質(zhì)量的概念 第1 章緒論 迄今為止，一方面，用什么樣的詞語來描述供電與用電( 系統(tǒng)與負(fù)荷) 雙方的 相互作用和影響還未完全統(tǒng)一；另一方面，人們對(duì)電能質(zhì)量的技術(shù)含義還存在著 不同的認(rèn)識(shí)，還未能給出一個(gè)準(zhǔn)確統(tǒng)一的定義。 起初，人們?cè)谡劦焦╇娕c用電( 系統(tǒng)與負(fù)荷) 雙方的相互作用和影響問題時(shí)， 使用的技術(shù)名詞上很不規(guī)范。例如，有使用“e l e c t r i cp o w e rs y s t e m sq u a l i t y ”( 直 譯為電力系統(tǒng)質(zhì)量) ，或使用“q u a l i t yo fp o w e rs u p p l y ”( 供電質(zhì)量) 等詞語的， 對(duì)其含義也各有解釋【1 1 。有文獻(xiàn)報(bào)道，在1 9 6 8 年發(fā)表的一篇關(guān)于美國(guó)海軍電子 設(shè)備電源規(guī)范研究的論文中，最先使用了“p o w e rq u a l i t y ( 電能質(zhì)量) 這一詞語。 與此同時(shí)，前蘇聯(lián)等國(guó)家開始使用“v o l t a g eq u a l i t y ”( 電壓質(zhì)量) 。此后，越來越 多的研究人員表現(xiàn)出對(duì)電能質(zhì)量或電壓質(zhì)量的關(guān)心，并在關(guān)于電能質(zhì)量問題應(yīng)采 用規(guī)范的技術(shù)名詞上逐漸趨向一致，i e e e 標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)委員會(huì)和國(guó)際電工委員會(huì) ( i e c ) 也接受了“p o w e rq u a l i t y ”( 電能質(zhì)量) 這一術(shù)語【2 5 】。但是，i e c 此前并 沒有采用“p o w e rq u a l i t y ”( 電能質(zhì)量) 這一術(shù)語，而是提出使用“e m c ”( 電磁兼 容) 【6 】術(shù)語，指出和強(qiáng)調(diào)設(shè)備與設(shè)備之間的相互作用和影響，以及電源與設(shè)備之間 的相互作用和影響。 什么是電能質(zhì)量，由于出發(fā)點(diǎn)不同，電能質(zhì)量存在很多不同的定義。i e e e 標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)委員會(huì)對(duì)電能質(zhì)量的技術(shù)定義為【2 】：合格電能質(zhì)量的概念是指，給敏 感設(shè)備提供的電力和設(shè)置的接地系統(tǒng)是均適合于該設(shè)備正常工作的( 在許多情況 下，接地系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量有很大的影響，以往對(duì)其認(rèn)識(shí)不足) 。國(guó)際電工委員會(huì) ( i e c ) 給出的電能質(zhì)量定義是指：在電力系統(tǒng)中某一指定點(diǎn)上電的特性，這些 特性可根據(jù)預(yù)定的基準(zhǔn)、技術(shù)參數(shù)來評(píng)價(jià)。而在i e c 提出的電磁兼容概念中，采 用排放( e m i s s i o n ) 來表示由設(shè)備產(chǎn)生的電磁污染【4 】，反映出電流質(zhì)量問題【6 】，采用 抗擾( m m u n t y ) 來表示設(shè)備免除電磁污染的能力，反映電壓質(zhì)量問題。但是，電 力公司常將電能質(zhì)量定義為供電可靠性，并用統(tǒng)計(jì)數(shù)字來表示；設(shè)備制造商常將 電能質(zhì)量定義為能使設(shè)備正常運(yùn)行的供電特征，因此不同的設(shè)備制造商往往采用 不同的電能質(zhì)量指標(biāo)；從用戶方面考慮，電能質(zhì)量定義為導(dǎo)致用戶設(shè)備失效或不 能正常工作的電壓、電流或頻率偏差。除此之外，在這一研究領(lǐng)域的許多文獻(xiàn)和 報(bào)告中還采用了一些并未得至0 公認(rèn)的定義。例如，有把電能質(zhì)量描述為眾多單一 類型的電力系統(tǒng)干擾問題總稱的；有把電能質(zhì)攝簡(jiǎn)單定義為優(yōu)質(zhì)供電的。 另外，在電工學(xué)中、“p o w e r ”( 電力、魄功率等) 韻含義是指能量傳輸?shù)乃?率，它與電壓和電滾螅乘積成正比，“p o w e r ”本身并不具冬壤量鼴牲，因此不 可能定義這一物理量的質(zhì)照概念。因此需鼴采用其他概念來描述供電與用電( 系統(tǒng) 與負(fù)荷) 雙方的褶互作用和影響的問題，盡管這些術(shù)語和定義未得到公認(rèn)，如： 電匿質(zhì)量，給爨實(shí)黲逮壓與理想電器聞黲攘羞，戳發(fā)映供邀部門蠢懲戶供給靜電 力是否合格；電流質(zhì)量( c u r r e n tq u a l i t y ) ，為反映與電壓質(zhì)量有緊密關(guān)系的電流 變化情況，除了對(duì)用戶取用電流提出恒定頻率征弦波形要求外，還力圖使該電流 波形與供瞧電爨霜穩(wěn)住，以保程系縫以贏功率函數(shù)逮行；供毫囊鬃( q u a l i t yo f s u p p l y ) ，它包括技術(shù)含義和非技術(shù)含義兩部分，技術(shù)含義有電壓質(zhì)量和供電可靠 性，非技術(shù)含義是指服務(wù)質(zhì)量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，它包括供電部門對(duì)用戶投訴與 撬怨瓣反疲速浚幫毫力儈格熬逶贅溲等；靂瞧質(zhì)豢( q u a l i t yo fc o n s u m p t i o n ) 包 括電流質(zhì)擻和戢技術(shù)含義，如用戶是否按時(shí)、如數(shù)繳納電費(fèi)等，它眨映供用雙方 相互作用與影響中用電方的責(zé)任和義務(wù)；如此等等，這壁不一一列舉【7 00 1 。 蠢詫蜀冕，孵至今疆在供溺電雙方，甚至在電力研究者中關(guān)予電能麓量的范 疇、定義，以及質(zhì)量下降的起因等許多方謠仍卷在麓分蚊與爭(zhēng)論，程使鼷的提關(guān) 名詞上也并未完全達(dá)成共識(shí)。不過，采用“p o w e rq u a l i t y ”( 電能質(zhì)艟) 術(shù)語描述 茯電與簿電系統(tǒng)與負(fù)荷) 雙方的相互作用幫影響不議已經(jīng)蘑本得到普遍接受，而 且統(tǒng)一到“p o w e rq u a l i t y ”( 電鏈質(zhì)爨) 術(shù)語已是一秘必然趨勢(shì)。 1 2 電畿質(zhì)羹研究豹臂景稻意義 1 2 ，1 開發(fā)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置背景 ( 1 ) 我重魄力系絞急焉奩性能電能袋量數(shù)據(jù)采集裝囂 2 0 世紀(jì)8 0 年代以來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電的使用越來越廣泛。但 是可控硅熬流器、電弧爐、軋鋼機(jī)、電力機(jī)車、計(jì)算機(jī)及備種通訊設(shè)備等非線性、 沖毒瞧翻不對(duì)稱性受蕊的大量投入使鼴，使毫嬲供墩毫壓豹j 線淫、不穩(wěn)定經(jīng)和 不對(duì)稱性臼趨嚴(yán)匿”“。小到計(jì)算機(jī)死機(jī)、硬盤受損，大到變壓器過熱、企業(yè)生產(chǎn) 線停產(chǎn)等一系列因電能質(zhì)羹引起的供電事放時(shí)有發(fā)生。電能質(zhì)嫩的惡化威脅著國(guó) 民經(jīng)淡的安全、歪零運(yùn)行。婦何提高秘僳諼奄熊震量已經(jīng)成為我國(guó)亳力系統(tǒng)萄幅 的重簧問題。為了改鎣電能質(zhì)鬣和制定有關(guān)電能質(zhì)量的治理措施和政策提供必要 的依攢，電力部門需對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行漣續(xù)的監(jiān)測(cè)。 蠡j 于魄力宅予器件擒袋靜各靜裝覆在魄力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，一方面對(duì)電力 系統(tǒng)的電能質(zhì)量提出了更高的要求，另一方面繪電力系統(tǒng)榮來7 贛的污染，惡佬 2 碩士學(xué)位論文 了電能質(zhì)量，使傳統(tǒng)的電能質(zhì)量指標(biāo)體系不能適應(yīng)新的情況，迫使提出和推行新 的電能質(zhì)量指標(biāo)體系，從而使傳統(tǒng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置面臨淘汰的命運(yùn)，開 發(fā)和使用新的高性能電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置成為必然。 ( 2 ) 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì) 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是近二十年來，微電子技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、高密封技術(shù)、特種加工技術(shù)、集成技術(shù)、薄膜技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、納米技術(shù)、激光技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)等高新技術(shù)獲得了迅猛發(fā)展。這一背 景和形勢(shì)，不斷地向電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度 更快、靈敏度更高、穩(wěn)定性更好、使用更方便、成本更低廉等。目前，電能質(zhì)量 監(jiān)測(cè)向著計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多功能化的方向迅速發(fā)展，而且由于大量 采用高新科學(xué)技術(shù)的研究成果、跨學(xué)科的綜合設(shè)計(jì)、高精尖的制造技術(shù)與嚴(yán)格科 學(xué)的實(shí)際應(yīng)用，因而使得它還正朝著更高速、更靈敏、更可靠、更簡(jiǎn)捷地獲取被 分析、檢測(cè)、控制對(duì)象全方位信息的方向闊步前進(jìn)。可以看出，高科技化不但是 現(xiàn)代電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的主要特征，也是新世紀(jì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的發(fā)展主流。電能質(zhì)量 監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的高科技化，日益成為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)科技與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主流。 與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、集成電路技術(shù)以及微 電子技術(shù)的迅速發(fā)展，為發(fā)展高性能電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基 礎(chǔ)，也為儀器儀表企業(yè)開發(fā)高性能電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝景提供了機(jī)遇。 ( 3 ) 我國(guó)電能質(zhì)量意識(shí)日趨增強(qiáng)及電能質(zhì)量制度日益完善 隨著電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用以及各種家用電子電器普及化， 不管是電力系統(tǒng)內(nèi)部，還是一般公民，對(duì)電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量的要求在不斷提高， 滿足于電能送，燈能亮的時(shí)代已經(jīng)成為過去，尤其是隨著電能商品化，人們對(duì)電 能這種特殊商品的質(zhì)量要求越來越挑剔。與此同時(shí)，國(guó)家對(duì)電能質(zhì)量非常重視， 先后頒布了6 個(gè)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、電力法、電網(wǎng)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)定、 關(guān)于加快城市電網(wǎng)建設(shè)改造的若干意見，電力工業(yè)部下發(fā)了關(guān)于頒發(fā) 的通知，使得電能質(zhì)量的檢測(cè)和管理工作納入了法 制化軌道，從而大力促進(jìn)了電能質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。上世紀(jì)8 0 年代至今，特別 是近1 0 年時(shí)間內(nèi)，各種便攜式、在線式電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展， 并在向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化方向快速推進(jìn)。 ( 4 ) 我國(guó)電能質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)電能質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)相對(duì)落后 雖然我國(guó)能質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)近年取得長(zhǎng)足發(fā)展，但是與國(guó)外先進(jìn)的電能質(zhì)量監(jiān) 控技術(shù)水平相比，差距非常明顯。目前，我國(guó)對(duì)電能質(zhì)量的研究、分析和監(jiān)測(cè)和 控制，主要集中在六個(gè)方面：供電電壓允許偏差( g b t 1 2 3 5 2 1 9 9 0 ) 【1 、電力系 統(tǒng)頻率允許偏差( g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 1 2 1 三相電壓允許不平衡度( g b t 15 5 4 3 1 9 9 5 ) 1 ”j 、電壓允許波動(dòng)和閃變( g b t 1 2 3 2 6 1 9 9 0e 1 4 1 及g b t 1 2 3 2 6 2 0 0 0 t 15 1 ) 、公用電網(wǎng) 基于嵌入式的電能成璧數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 諧波( g b t 1 4 5 4 3 1 9 9 3 ) 1 1 6 。磷方發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、加拿大等網(wǎng)，對(duì)電能質(zhì)量的 研究、分析和監(jiān)測(cè)范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我國(guó)的電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，如加拿大的電能質(zhì)精 攢標(biāo)鴦2 5 個(gè)，美國(guó)贅毫能質(zhì)量簸測(cè)邑經(jīng)擴(kuò)展蠲戶端等等。概括越來，西方發(fā)達(dá)酒 家的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)不僅包括了我國(guó)的全部指標(biāo)( 6 項(xiàng)) ，麗且包括了暫態(tài)過程 ( t r a n s i e n t s ) 、長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間( l o n gd u r a t i o nv a r i a t i o n s ) 、短持續(xù)時(shí)間( s h o r td u r a t i o n v a r i a t i o n s ) 等毫戇矮凝指標(biāo)，我國(guó)蠢麓震羹藍(lán)揆按術(shù)還有很大納發(fā)鼴空闖。 1 2 。2 開發(fā)電麓頊遂數(shù)據(jù)采集裝置意義 在現(xiàn)代社會(huì)中，電能成為極為重要的能源，作為電能裁體的電力系統(tǒng)，無不 受到嫠器各國(guó)靜舞度羹視，電力系統(tǒng)豹鬟?？諊听嫶?，兩在亳力系繞瀚發(fā)瞧、輸 電、配電、用電的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)電能質(zhì)爨都露嚴(yán)格的要求。當(dāng)前，電能質(zhì)量已受到 了越來越多的電力企業(yè)和電力用戶的關(guān)心，而在線監(jiān)測(cè)是電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)的新 熬勢(shì)。 我國(guó)自2 0 世紀(jì)9 0 年代開始發(fā)展電能矮量數(shù)據(jù)采嶷裝爨，已取穆驃人成績(jī)。 但是，電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝蔑行業(yè)整體綜合技術(shù)水平尚只能達(dá)到國(guó)際20 世紀(jì)8 0 年代末期或9 0 年代裙的東平，與國(guó)外先滋永平褶院存在較大豹差距。智能純程 度低、監(jiān)測(cè)精度不贏、指標(biāo)少是其主瑟表璦。每年簧黌進(jìn)翻數(shù)璧不少數(shù)裹性能懿 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝擻以滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，造成產(chǎn)晶價(jià)格居高不下，因此迫切 需要發(fā)展我函有螽主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置。另外，開發(fā)具有 囊主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的態(tài)性能電能質(zhì)量數(shù)據(jù)袋集裝置，瞧鴦剃于耀戶節(jié)約辨匯、減少支 出，還能改變我圈目前技術(shù)上受制于人以及市場(chǎng)被國(guó)外壟斷的困境，推動(dòng)因內(nèi)商 科技電能表的發(fā)穗。潮此我們進(jìn)行高掛能電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置開發(fā)研究輿有重 要敕鼓會(huì)意義。 在線式電能顧量數(shù)據(jù)采集裝鼴將集成諧波監(jiān)測(cè)儀、電能計(jì)量?jī)x、電能蠖量數(shù) 貉采集裝置、電力故障錄波儀、電量參數(shù)稔測(cè)儀等，屬高新技術(shù)項(xiàng)目。在線式電 熊質(zhì)量數(shù)據(jù)萊集裝踅不僅哥廣泛耀予邀力系統(tǒng)蠢罄靜變，配電菇，氌廣泛焉予各種 工業(yè)、電氣他鐵道、城市地鐵以及重要的商業(yè)、農(nóng)業(yè)和民用用戶，也可作為教學(xué)、 科研的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)容艇應(yīng)程數(shù)十億元人民幣以上。 1 ，3 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置的前景 邀力工犍熬浚速發(fā)展篌褥配電系統(tǒng)舀懿復(fù)雜，當(dāng)輕微豹奄力閻送褒褥鞠顯之 前，工業(yè)設(shè)施配電系統(tǒng)就可能接近崩潰了。如何從技術(shù)上瓣決電能質(zhì)嶷的餐理蚓 題，除了加強(qiáng)電能質(zhì)量的科學(xué)研究外，還要成立備級(jí)電力拽術(shù)檢測(cè)鑒定機(jī)構(gòu)，廣 4 壩士學(xué)位論又 泛使用先進(jìn)的電能質(zhì)量檢測(cè)儀、配備高質(zhì)量檢測(cè)校準(zhǔn)儀和標(biāo)準(zhǔn)電源。只有使用高 標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，才能及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中存在的電能質(zhì)量隱患， 為做出有效的技術(shù)控制提供保障。 在現(xiàn)代電力市場(chǎng)模式下，除了從技術(shù)角度來理解電能質(zhì)量概念外，更應(yīng)該站 在管理的角度上，建立一個(gè)客觀的、多種指標(biāo)體現(xiàn)的、綜合的電能質(zhì)量管理體系， 對(duì)發(fā)、供、用三方對(duì)電能質(zhì)量的控制和影響進(jìn)行科學(xué)的管理。一個(gè)全面的電能質(zhì) 量管理工作包括三個(gè)方面：電能質(zhì)量的膿督制度制定；電能質(zhì)量分析測(cè)試開展； 電能質(zhì)量治理工作。其核心是電能質(zhì)量的綜合測(cè)試分析。只有使用高性能的電能 質(zhì)量檢測(cè)儀器，才能全面、準(zhǔn)確地測(cè)試分析電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)。 電力作為一種特殊的商品，其不可擺脫的一般商品屬性一一“電能質(zhì)量”問 題日益受到供用電雙方的重視，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也隨之逐漸成為一種必 然要求，這就要求電能質(zhì)量檢測(cè)儀器形成系列化，以滿足各種供電環(huán)境下的電能 質(zhì)量監(jiān)測(cè)之需。因此，在電能質(zhì)量倍受關(guān)注的新世紀(jì)，在線式電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集 裝置無疑具有廣闊的應(yīng)用前景。 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集主要是為下一階段的電能質(zhì)量控制提供必要的量化的數(shù)據(jù) 支持，并將進(jìn)一步向電能質(zhì)量控制發(fā)展。電能質(zhì)量控制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程【l 。n ， 它涉及到電力系統(tǒng)、電力電子、自動(dòng)控制等多個(gè)方面。電能質(zhì)量控制方法很多， 總體上可以分為2 大類：傳統(tǒng)控制技術(shù)和柔性控制技術(shù)。傳統(tǒng)控制技術(shù)主要針對(duì) 電能質(zhì)量電壓偏差進(jìn)行控制，主要采用穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整的裝置，如并聯(lián)電容器、并 聯(lián)電抗器、變壓器分接頭等。傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整裝置對(duì)電能質(zhì)量問題反應(yīng)速度慢、 控制不精確、調(diào)節(jié)能力有限，過去一般采用手動(dòng)控制的方法，現(xiàn)在有一部分裝置 采用了自動(dòng)投切的方法，其控制策略既有非常簡(jiǎn)單的開環(huán)控制，也有采用模糊控 制、智能控制等現(xiàn)代控制策略的。 目前國(guó)外有關(guān)電能質(zhì)量控制的研究正掀起高潮，正在大力發(fā)展用戶電力技術(shù) ( c u s t o mp o w e r ) ，這是一種應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和控制技術(shù)為實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量控 制和為用戶提供特定要求的電力供應(yīng)的技術(shù)。 我國(guó)在電能質(zhì)量方面的研究總的來說才剛剛起步，大部分研究都局限在諧波 和無功補(bǔ)償?shù)姆秶鷥?nèi)，與國(guó)外還存在著很大的差距，各種a p f 、d v r 、u p q c 等 電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置仍處在理論研究和實(shí)驗(yàn)研究階段。 1 4 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置的市場(chǎng)需求 我們擬研制的在線式電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置，基本精度達(dá)0 2 級(jí)，具備6 項(xiàng) 國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)能力，能夠檢測(cè)所有基本電力參數(shù)，擁有豐富的數(shù)據(jù)傳輸、 數(shù)據(jù)管理和圖文報(bào)表功能，還可以根據(jù)用戶需要擴(kuò)展電能計(jì)量，屬于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水 萋于嵌入式韻電能壤璧數(shù)據(jù)采艇系統(tǒng)豹耕究與設(shè)計(jì) 平，這麓國(guó)際中高檔滾麓震羹數(shù)據(jù)采集裝置零平，哥激與瓣蘺在我國(guó)市弱看駑靜 國(guó)外萊姆公司( 瑞士) 、f l u k e 公司( 美國(guó)) 等的現(xiàn)有電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置相娥 熒，甚至在一塑方瑟燮整一籌，適臻予發(fā)電廠、交魄搿、醞窀變舔器、互窿韭邀 力用戶、實(shí)驗(yàn)黧等。并且，我們充分吸收了國(guó)內(nèi)外目前一必大型電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀 爨公司瓣技術(shù)袋集，充分蔽浚了國(guó)家建箋矮爨懿最耨標(biāo)準(zhǔn)，充分綴收了囂蘺徽電 子技術(shù)發(fā)展的墩新成果，具有很強(qiáng)的后發(fā)優(yōu)勢(shì)，可以推出性能與萊姆公司的電能 簇量監(jiān)測(cè)分輯儀程燕美、絞楱逶低予菜姆公蠲馥寒標(biāo)準(zhǔn)毫麓痰量數(shù)器采繁裝囂， 因此我們擬研制的在線式電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置的市場(chǎng)需求前景很好。 1 5 本文所做的主要研究工作 本文以研制新型商精度多通道電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置為背景，探討現(xiàn)代電力 聚統(tǒng)蛉嗽能質(zhì)擻基礎(chǔ)理論，磺究電戇矮量測(cè)爨戇理論方法葶鞋d s p 實(shí)現(xiàn)鼓寒，磺 究數(shù)據(jù)螢理、輸出的理論方法和嵌入式a r m 實(shí)現(xiàn)技術(shù)，在完成新型高精度多通 邀電能殿量數(shù)攢采集裝鼴研鍘工作中，勢(shì)對(duì)魄戇質(zhì)鬃基礎(chǔ)鬢論弱電能質(zhì)量撿測(cè)測(cè) 鬣新理論方法進(jìn)行了有益的探索。 本文的主要研究工佟如下； t 、提出并設(shè)計(jì)一種電能斌量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并對(duì)備個(gè)部分的工作 原理及過程作了簡(jiǎn)單的介紹。 2 、研究了前端d s p 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊軟、硬件設(shè)計(jì)技術(shù)，利用高速1 6 位 a d 轉(zhuǎn)換器和d s p 高速數(shù)字信號(hào)對(duì)各桷電流、電壓邀括高速實(shí)時(shí)采集，由d s p 完 成對(duì)基本電參量、諧波、閃交等的測(cè)麓與分析工作。 3 、研究了呶能質(zhì)量數(shù)據(jù)的d s p 算法的突現(xiàn)，詳纓介紹了波動(dòng)與閃交爨法模 塑豹實(shí)現(xiàn)過程。 4 、研究了m c u 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)模塊的硬、軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于a r m 幫l i n u x 韻m c u 數(shù)據(jù)管理系繞。 5 、研究了嵌入式g u i 系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)基于g u i 的設(shè)器驅(qū)動(dòng)的開發(fā) 避行了詳維豹介紹。 6 碩士學(xué)位論文 第2 章電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置的總體設(shè)計(jì) 2 1 裝置的三層結(jié)構(gòu) 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置采用層次清晰的模塊化設(shè)計(jì)方案，主要由三個(gè)層次系 統(tǒng)構(gòu)成，包括：前端d s p 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、m c u 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程電能質(zhì)量數(shù) 據(jù)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。利用高速h p i 總線連接方式組成的 多d s p + a r m 嵌入式系統(tǒng)，將d s p 高速數(shù)字信號(hào)處理功能和嵌入式系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的 管理功能完美結(jié)合。其基本工作原理如下： 高速1 6 位a d 轉(zhuǎn)換器和d s p 高速數(shù)字信號(hào)對(duì)各相電流、電壓進(jìn)行高速實(shí)時(shí)采 集，由d s p 完成對(duì)基本電參量、諧波、閃變等的測(cè)量與分析工作。計(jì)算數(shù)據(jù)通過 高速h p i 通信接口和管理層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；管理層采用先進(jìn)的嵌入式a r m 和穩(wěn)定 的l i n u x 嵌入式操作系統(tǒng)組成，主要完成顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、通信等工作。 圖2 1 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置總體結(jié)構(gòu)圖 1 、前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：本項(xiàng)目的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)e h d s p 部分完成對(duì)8 路信 號(hào)的檢測(cè)，經(jīng)過過鎖相同步后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，d s p 處理器完成各項(xiàng)電能指標(biāo)的分析 董主堂壘鎏墼耋2 1 重塞鍪堡蔞叁至釜塑墼童量簍蘭 計(jì)算、存儲(chǔ)和上傳，m c u 部分完成對(duì)d s p 數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)和顯示。d s p 部分 包括a 國(guó)轉(zhuǎn)換單元、鎮(zhèn)褚確步單元、數(shù)據(jù)處理單元d s p 、程序存儲(chǔ)警元, f l a s h 、 數(shù)據(jù)存德單元s d r a m 、邏輯攘裁零元等模塊，其結(jié)梅絮圖2 2 掰示。 s d r a m f l a s h m c u 存儲(chǔ) 顯示 密2 2 蘩端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)毒奄圖 2 、m c u 數(shù)撼管理系統(tǒng)：位于整個(gè)系絞的中潤(rùn)層，起蕃承上癔下的佟用?？?慮到電能質(zhì)量數(shù)搬采集裝鼴需疆不間斷地運(yùn)行農(nóng)惡劣工業(yè)環(huán)境中，我們采用 a r m + l i n u x 嵌入式系統(tǒng)作為m c u 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理和對(duì)外通信，最大限度的確保了設(shè) 備可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。為了充分提高裝置的適應(yīng)性，我們?cè)赼 r m 芯片的外圍器件中 豳2 3a r m 系絞硬1 牛構(gòu)成框暾 集成了目前多種通信接口：4 8 5 接口、2 3 2 接口、u s b 接口以及以太網(wǎng)接口。a r m 系統(tǒng)硬件梅成框圖如閏2 3 所示。 3 、遠(yuǎn)程電能質(zhì)攫數(shù)據(jù)臟測(cè)與分析系統(tǒng)：位于整個(gè)系統(tǒng)的最頂層，通過確定系 統(tǒng)的熬體體系梅架精，在爨體實(shí)藤架梅酶進(jìn)程中，電能葳量數(shù)籀采集系統(tǒng)采角了 分子系統(tǒng)、分模塊實(shí)現(xiàn)的思路，經(jīng)過對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體的業(yè)務(wù)進(jìn)行分析，整個(gè)系統(tǒng) 一共設(shè)計(jì)了鼗示子系統(tǒng)、秘始往翻參數(shù)設(shè)蹩子系繞、應(yīng)箱塹務(wù)鯰瑗子系統(tǒng)、d s p 數(shù)據(jù)讀寫予系統(tǒng)等4 個(gè)子系統(tǒng)來究成系統(tǒng)的功能如圖2 4 所示。通過w e b 服務(wù) 器和閼絡(luò)，蹭戶在遠(yuǎn)潰藏霹疆對(duì)宅能質(zhì)量籃測(cè)裝潼迸彳亍實(shí)薅藍(lán)溺，并撼供統(tǒng)詩分 析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與刪除、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)通信處理等系統(tǒng)管理功能。 網(wǎng)2 4 遠(yuǎn)程電熊質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2 2 裝置的主要功能 電能質(zhì)艇數(shù)據(jù)采集裝霸主要實(shí)現(xiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電能質(zhì)量的五大指標(biāo)：電壓 鑣差、頻率鑣差、電壓波動(dòng)與閑交、諧波與闐諧波、三提不平餐等粒梭測(cè)，勢(shì)能 夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基本電量如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)進(jìn)行商精度的測(cè) 量；熊夠采用多神邋訊方式實(shí)現(xiàn)逡穗組網(wǎng)避