嵌入式系统在综合自动化中应用的研究（数据采集和处理部分）

上海交通大学硕士学位论文嵌入式系统在综合自动化中应用的研究（数据采集和处理部分）姓名：杨杰申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：张明20060101上海交通大学硕士学位论文嵌入式系统在综合自动化中应用的研究数据采集和处理部分摘要近年来电能质量问题逐渐引起人们的重视一方面由于电力电子器件和非线性设备的广泛应用使得电网中的电压电流波形发生畸变造成电能质量的严重恶化;另一方面由于工业自动化水平的提高微处理器和PLC等智能器件大量应用于工业过程控制而这些精细过程控制更容易受到电力系统抖动的影响因此现代工业对电能质量提出了更高的要求与此同时随着电力工业的快速发展稳态电能质量问题如电压波动频率波动谐波等已经引起了足够的重视暂态电能质量问题越来越突出如电压跌落骤升短时断电等现象经常发生给用户带来了很大的损失电能质量监测系统的开发成了系统和用户的共同需求因此必需发展满足要求的新监测技术嵌入式系统技术是近几年电子产品设计领域最为热门的技术之一目前己广泛应用在工业控制智能交通信息家电公共服务等领域一个完整可应用嵌入式系统一般包括嵌入式硬件和嵌入式软件两部分嵌入式硬件一般采用32位RISC为系统主芯片(如ARMPowerPCMIPS)并配备丰富的外围设备接口而嵌入式软件系统一般以专用或免费的嵌入式操作系统如LinuxuC/OS上海交通大学硕士学位论文VxWorksWinCE为基础并辅以必要的外围设备驱动程序和应用程序来实现系统功能嵌入式技术的迅猛发展为工程师们构建新一代的电能质量监测系统提供了全新的思路和方法只要加以合理的选择运用势必将全面改善电能质量监测的面貌提高监测水平为今后的电能质量的治理工作打下坚实的基础关键词关键词关键词关键词电能质量嵌入式系统傅立叶变换信号采集上海交通大学硕士学位论文STUDYANDREALIZATIONOFEMBEDDEDSYSTEMININTEGRATIONAUTOMATION(PARTOFDATAACQUISITIONANDANALYSE)ABSTRACTInrecentyears,powerqualityhasgraduallybecomeanimportantconcern.Theextensiveapplicationsforpowerelectronicapparatusandnonlinearequipmentdistortthewaveformsofvoltagesandcurrents.Asaresult,powerqualityisgoingmuchworse.Inaddition,duetotheimprovementofindustrialautomatization,suchpartsofanapparatusasMPUandPLCareappliedtoindustrialprocesscontrols,whicharedisturbedeasilybystirsfrompowersystem.Thereforemodernindustryneedshigherpowerqualitythanoldonedoes.Atthesametime,withtherapiddevelopmentofelectricpowerindustry,stabilepowerqualityissues,suchasvoltagefluctuationandflicker,frequencyfluctuation,harmonics,haveincreasinglycapturedconsiderableattentionfromutilitycompaniesandtheircustomers.Transientpowerqualityissueshavebeenbecomingextrusive,suchasvoltagewell,voltagesagandvoltageinterruption,andbringcustomersamountofloss.DevelopingasystemforPowerQualityMonitoringhasbecometherequirementsofboththefacultyand上海交通大学硕士学位论文customers.Itisnecessaryfornoveltechniquestomeetthedevelopment.Embeddedsystemtechnologyisoneofthemostpoptechnologyinthefieldofelectronicdesign,whichisavidlyusedinindustrialcontrol,Intellectualtraffic,Informationhouseholdappliances.afullEmbeddedsystemcompriseEmbeddedhardwaresystemandEmbeddedsoftwaresystem.Embeddedhardwaresystemadopt32-bitRISCashostchip(suchasARM,PowerPC,MIPS),andbeequippedwithabundantperipheralequipmentEmbeddedsoftwaresystemsisbasedonspecialorfreeEmbeddedOS(suchasLinuxuC/OSVxWorksWinCE),andassistedwithperipheralequipmentdriverandapplyprograms.TheflyingdevelopmentofEmbeddedsystemtechnologyprovidenewthoughtsandmethodforconstructingnewgenerationofpowersupervisesystem.Aslongasitisselectedandmanagedproperlyitcertainlywillimprovethefeatureofpowerqualitymonitorcompletely,enhancemonitorlevel,establishsolidfoundationforimprovingpowerqualityforthefuture.KEYWORDS:powerquality,embeddedsystem,fft,signalsampling上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学学位论文原创性声明学位论文原创性声明学位论文原创性声明学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明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过的作品成果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结果由本人承担学位论文作者签名杨杰日期2006年1月15日上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书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上海交通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保密保密保密保密在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密不保密不保密不保密请在以上方框内打学位论文作者签名杨杰指导教师签名张明日期2006年1月15日日期2006年1月15日上海交通大学硕士学位论文第1页1绪论绪论绪论绪论现代社会中电能是一种最为广泛使用的能源其应用程度成为一个国家发展水平的主要标志之一随着电力市场的形成和推进电力部门不仅要满足用户对电力数量不断增长的需求还必须满足较高电能质量的要求一个理想的电力系统以恒定的频率(50赫兹)正弦波形按规定的电压水平(额定电压)对用户供电在三相交流电力系统中各相的电压和电流应处于幅值大小相等相位互差0120的对称状态由于系统各元件(发电机变压器线路等)参数并不是理想线性和对称的负荷性质各异且随机变化加之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中并不存在而由此产生了电网运行电气设备和用电中的各种各样的问题也就产生了电能质量(Powerquality)的概念从普遍意义上讲电能质量是指优质供电它包括频率供电持续性电压稳定和电压波形迄今为止人们对电能质量的技术含义还存在着不同的认识这一方面是由于人们看问题的角度不同如电力部门可能把电能质量简单地看成电压与频率的合格率并且用统计数字来说明电力系统99%是符合质量要求的:电力用户则可能把电能质量笼统看成是否向负荷正常供电;而设备制造商则认为合格的电能质量就是指电源特性完全满足电气设备正常设计工况的需要但实际上不同厂家和不同设备对电源特性的要求可能相差甚远另一方面对电能质量的认识也受电力系统发展水平的制约特别是用电负荷的性能和结构到底什么是电能质量?IEEE技术协调委员会正式采用powerquality这一术语并且给出了相应的定义:合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均适合该设备正常工作的这个定义的缺点是不够直接和简明本文采用的电能质量定义为:导致用户设备故障或不能正常工作的任何异常现象如电压电流或频率偏差电压凹陷谐波等这个定义较简洁也概括了电能质量问题的成因和后果当然这里的偏差应广义理解甚至应包括供电可靠性1.1电能质量问题的由来电能质量问题的由来电能质量问题的由来电能质量问题的由来改善电能质量对于电网和电气设备的安全经济运行保障产品质量和科上海交通大学硕士学位论文第2页学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义电能质量直接关系到国民经济的总体效益因此人们对电能质量问题的重视并非近几年的事只不过早期对此认识比较简单主要局限在保持电网频率和电压水平(即静态或平均偏差不过大)上自20世纪80年代以来随着新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量的要求不断提高电能质量才逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题日前电能质量中某些问题已成为电工领域的前沿性课题吸引了许多高等院校科研院所和一大批电力科技工作者投入其中从事开拓性或开发性工作归纳起来电能质量成为热门课题的主要原因有以下几方面:为了提高劳动生产率和自动化水平大量基于计算机系统的控制设备和电子装置投入使用这些装置对电能质量非常敏感一个计算中心失去电压2s就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几十万美元的产值当今自动化设备的连续精加工生产不论是变速拖动还是机器人工作母机还是自动化生产线例如柔性制造系统或计算机综合制造系统它们对配电系统中的干扰和异常非常敏感甚至几分之一秒的不正常就可能在工厂内部造成混乱这些用户对不合格电力的容许度可严格到1-2个周波现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化诸如半导体整流器晶闸管调压及变频调整装置炼钢电弧炉电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展由于其非线性冲击性以及不平衡的用电特性使电网的电压波形发生畸变或引起电压波动和闪变以及三相不平衡甚至引起系统频率波动等对供电质量造成严重的干扰或污染电能作为商品在电力市场运行机制下不同的发电公司包括独立电能生产者在发电侧实行竞争输配电系统(即电力公司)与发电分离独立经营管理为发电公司和用户提供转送电能服务用户侧也可以作为独立实体参加价格控制这样一个开放和鼓励竞争的运行环境必然对电能质量提出越来越高的要求并促使电能质量标准化的发展和不断完善1.2电能质量检测的意义电能质量检测的意义电能质量检测的意义电能质量检测的意义通常采用电网电能质量的实测数据作为发现问题研究问题和解决问题的最终手段实测电网质量的状况己成为保证电网安全可靠经济运行高质量供电必不可少的措施之一为此世界各国都相应研制和开发了一系列的电能质量分析装置和仪器以谐波测量为例其大致经历了三个阶段第一阶段是从19世纪初至20