基于DSP和ARM的电能质量监测系统

上海交通大学硕士学位论文基于DSP和ARM的电能质量监测系统姓名：王丽颖申请学位级别：硕士专业：精密仪器及机械指导教师：赵春宇20090101上海交通大学硕士学位论文I基于DSP和ARM的电能质量监测系统摘要随着电力电子技术的广泛应用，电能污染日益严重，电能质量已成为电力部门及用户日益关注的问题。电能质量的好坏直接关系国民经济的总体效益，对电能质量进行监测与分析从而提高和改善电能质量具有重要的现实意义。本文根据IEC和国家标准，并且经过对国内外电能质量研究现状及同类产品进行认真分析的基础上，主要针对我国电力行业面临的现状提出了一套基于DSP和ARM的电能质量监测系统。论文首先介绍电能质量的相关概念、电能质量的研究背景、国内外电能质量和电能质量监测装置的研究现状，以及各项电能指标的监测标准。接下来介绍了本套电能质量监测装置的设计方案，说明与以往方案相比所具有的优点。之后是系统的软件设计与开发调试过程，主要是ARM软件的设计过程，包括了工程与任务的创建、μC/OS-II操作系统的移植和各功能模块的设计等。昀后是全文的工作总结与展望。本文所研制的电能质量监测装置满足了合作企业的设计要求，相对以往的设计，具有实时性好，性能高，体积小，成本低等优点，符合电能质量监测的昀新发展要求。关键词：电能质量，嵌入式系统，μC/OS-II，DSP,ARM上海交通大学硕士学位论文IITHEPOWERQUALITYMONITORINGSYSTEMBASEDONDSPANDARMABSTRACTWithwidelyapplicationsofthemodernpowerelectronicstechnology,powerpollutionbecomesincreasinglyserious.Moreandmorepowerdepartmentsandconsumerspaytheirattentionstothepowerquality.Itisofgreatpracticalsignificancetoimprovethepowerqualitybymonitoringandanalyzingpowerparameters.Aftersurveyingsimilarproductionsfromworld-wildmanufacturers,apowerqualitymonitoringsystemisdesignedbyusingDSPandARM.ThispowermonitoringsystemmainlyaimsattherequirementsofournationalelectricpowerindustryandsatisfiesrelatedIECandChinesenationalstandards.Chapter1introducesthebasicconceptsandprinciplesofpowerqualities,powerparameters,aswellastheengineeringbackgroundandstate-of-the-artofthepowerqualitymonitoringsystems.Inchapters2and3,thedesignschemeisdescribedindetail.Chapter4presentsthedevelopmentofthesystemsoftware,includingtheprojectsetup,taskarrangement,migrationofμC/OS-IIoperatingsystem,creationofthefunctionalmodulesandproceduresofthesoftwaredebug,etc.Chapter5givesthesummaryandconclusions.Comparedwithotherexistingpowermonitoringsystems,theproposedsystemhasadvantageswithgoodreal-timeperformance,highquality,smallsizeandlowcost.Thissystemcansatisfytheup-to-daterequirementsofpowerqualitymonitoring.Keywords：Powerquality,embeddedsystem,μC/OS-II,DSP,ARM上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1第一章绪论1.1电能质量描述“电能质量”这一技术术语从出现到广泛应用经历了很长一段时间。昀初，人们在谈到电压和电流对电气设备工作的干扰和供应的电力质量问题时，有的使用电力系统质量，也有的使用供电质量、电压质量、电流质量等术语。电能质量昀早出现是在1968年发表的一篇关于美国海军电子设备用电源规范要求的研究论文中，后来随着对电能质量问题的研究越来越多，世界各国的电气工程界对电能质量问题采用的技术名词便趋于统一。昀后，电子工程师协会(IEEE)标准化协会委员决定统一采用“PowerQuality”（电能质量）术语[1]，并给出电能质量的定义：合格电能质量的概念是指提供给敏感设备的电力和接地适合于该设备运行。通俗来讲，电能质量一般是指电压或电流的幅值，频率，波形等参数与标准值的偏差。电能质量问题基本上属于EMC（电磁兼容）中的传导低频现象。EMC的基本任务是协调干扰发射者和接收者之间的关系，使其“兼容”。协调方法是制定合理的规定值。1.2电能质量的研究背景和意义1.2.1电能质量的研究背景电力电子技术的蓬勃发展和广泛应用为人们的日常生活带来了诸多的便利，但与此同时，技术的创新也给电网的安全运行带来了许多负面影响和不稳定因素，使得电能质量的恶化程度越发严重，这便引起了电力部门、工业生产、人们生活等多方面的关注，由此也给电力工作者和研究者带来许多新的研究课题，自二十世纪80年代以来，电能质量就成为电力部门和用户使用越来越频繁的技术术语。近年来，由于大量采用电力电子技术的工业设备和家用电器的应用，致使电能质量逐渐恶化，带来严重的后果。由于高压直流输电系统的应用和大量变频器、整流器、电弧炉等非线性负载的接入，使得电网中的谐波污染情况日趋严重，谐波含量不断增加；由于个别超高压输电线路不循环换位和电动机车等大容量非对称负载上海交通大学硕士学位论文第一章绪论2的接入，局部电网的不对称度比较严重；由于大容量轧钢机等冲击性负载的接入，部分电网的暂态干扰较大，电压闪变现象时常发生；此外，还由于目前电力供需矛盾仍比较大，电网中的自动调压、无功自动补偿装置正确动作率不高等原因，造成用户端电压严重不稳定，用电高峰时电压过低，而在用电低谷时又会偏高，电网的频率有时也会受到负荷过重的影响。以上这些现象，都属于电能质量方面的问题，它们不仅对电网的安全、稳定运行极为不利，而且还会对用户用电设备的正常工作以及工农业的持续高效生产有十分不利的影响。因此电能质量问题越来越受到了相关各界人士的广泛关注。目前，电力科研工作者们正力图根据当代电力系统的特点将电能质量现象视为一个整体进行分类整理和研究，给出符合本地区本系统实际情况的质量标准，逐步开展综合治理和法规管理，昀终构成电力工业的全面管理体系，从而提供优质的电能。提供优质电能是由供用电双方共同保证的，因而对电能质量日益关注的原因也是多方面的[2]~[3]。归纳几点主要原因如下：（1）现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高，许多新的电器和装置都带有基于微处理器的控制器和功率电子器件，他们对各种电磁干扰都极为敏感。（2）对电力系统运行总效率的重视程度不断加强，特别在用电设备方面表现突出，但这些设备的使用又会导致电网谐波污染（广义称为电气环境污染），致使供电电压干扰水平加重，对电力系统安全运行带来直接的或潜在的危害。（3）电力用户已经提高了对电能质量的认识，正在了解如供电中断、电压凹陷、电路通断引起的暂态现象等实际问题。为满足高效生产流程的需要，维护用电设备的正常运行，越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要求，甚至通过签订供电合同和质量协议的方式以获得保证。（4）电网的各个部分都是相互联系的，因此综合协调处理至关重要。任何一个局部的故障或事件都有可能造成大面积的影响，甚至是重大损失。这迫使供电部门在保证用户提供优质电能的同时，还需极力避免遭受用电设备产生的电力干扰，维护电网的安全运行。1.2.2电能质量的研究意义现代电网与负荷构成出现的变化是工业生产不断发展的必然结果，这有利于电力用户提高生产率并获得更大的经济效益。同时，采用高效电力负荷设备可大量节约能源、延缓用电需求，从而节省电力建设所需的大量投资。因此现代工业对电能上海交通大学硕士学位论文第一章绪论3质量提出了较高的要求，对电能质量进行监测和分析从而提高和改善电能质量，满足生产发展的需求已经成为供用电双方共同的愿望。提高电能质量的重要现实意义如下：（1）是电力系统安全、稳定、经济运行的必要条件，是电网运行水平高低的重要标志，同时也是电力企业用电管理水平的重要指标；（2）是提高国民经济总体效益、用电效率和改善电气环境，以及工业生产可持续发展的技术保证；（3）是面向电力市场适应竞争机制强有力的手段；（4）通过建立和健全电能质量的全面管理，保障各行各业的正常用电秩序，为用户提供信得过的产品。1.3电能质量问题的研究现状1.3.1国外研究现状在工业发达国家，电能质量问题早已经被当作电力系统面临的重要问题看待，各国均在加强有关电能质量问题的研究，已经得出不少的理论成果并提出一系列综合监测控制和管理方法。国际上对电能质量问题的研究，可以追溯到上世纪80年代电磁兼容学科EMC的兴起。该学科对干扰的产生、传播、接受、抑制机理及相应的测量、计量技术进行深入的研究，根据经济技术昀合理的原则，对产生的干扰水平、抗干扰水平及抑制措施做出了规定，使处于同一电磁环境的设备兼容。1972年7月，欧洲电工标准化委员会发布公用配电系统的供电特性草案[4]。该草案在广泛吸收IEC标准的基础上、对中低压配电系统用户供电端的电能质量做出了全面规定：包括频率、电压（电压偏差、电压波动和闪变、短时和长期停电、暂态工频过电压、瞬时过电压）、电压不平衡、电压波形及电源的信号电压等。1993～1995年，美国电力科学研究院（EPRI），在全国范围内进行了大规模的电能质量普查，得到了大量电能质量数据。1996年，由欧共体率先将电气产品的电磁兼容性要求纳入国家技术法规的范畴，其中就包括电能质量标准。目前，西方发达国家对电能质量的研究主要集中在以下几类：（1）暂态电能质量问题；（2）短持续时间电能质量问题；（3）长持续时间电能质量问题；上海交通大学硕士学位论文第一章绪论4（4）三项电压不平衡；（5）波形畸变；（6）电压波动和闪变；（7）频率变化。1.3.2国内研究现状长期以来，我国的电力供应一直比较紧张，人们关注的焦点主要在电力供应量方面，对电能质量关心不多，通常只对电压、频率两个指标进行考核。进行大规模的城网、农网改造之前，我国城网、农网网架十分薄弱，在我国电力系统自动化水平低，明显地影响到电力系统的供电可靠性。20世纪90年代后期，在经过电网改造之后，电能质量明显得到提高，但是主要电能质量指标仍不能完全满足国家标准的要求。35kV及以下的电压合格率，特别是用户昀多的低压380V/220V电网的电压合格率是昀低的。据某电业局的统计，1999年380V/220V的电压合格率只有77.68%；某电业局的35kV及以上专供用户，1999年的电压合格率也只有89.55%。随着电力供应紧张局面的初步缓解，电能质量的日益恶化和用户对电能质量要求的不断提高，这一问题也已引起了各级电力部门的高度重视。国家已颁布了有关的技术标准，而电能质量仍主要由承担供电的电力企业来保证。目前电力企业对电能质量的评估主要依据国家质量技术监督局颁布的系列标准，均针对供电系统稳态性能方面的要求而制定[5]。显然传统的电能