1、毕业设计开题报告 电子信息工程 基于 DSP 的谐波电能计量装置软件方案的设计 一、前言 现代社会随着电力电子技术的发展 ,化工、冶金、电气化铁路及其他设备等非线性负载转换器和大电网系统谐波数量不断引进，造成了电网中的谐波量急剧上升以及电压波形严重“畸变” ,影响供电质量 , 造成电力系统的“污染”，致使电能质量下降。由于大幅值的谐波电流和谐波电压的出现 , 不仅给电网中设备的安全、稳定、经济运行带来了极大的危害 , 同时对传统测量方法及常用工频仪表的使用也带来了一系列的影响 ,除了影响计量装置的精度外 ,它的流动方向对计量 影响更大。 由于谐波存在许多方面的危害，因此了解谐波产生的机理，消除
2、供配电系统中的高次谐波，对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。要实现对电网谐波的综合治理 ,就必须搞清楚谐波的来源及电网在各种不同运行方式下谐波潮流的分布情况，以采取相应的措施限制和消除谐波，从而使供电系统的质量得到了改善，并确保了系统的安全运行。谐波分析仪使用时的负载产生的各种谐波量，使谐波作业人员要把握时间，地点，规律和原因，从而采取适当的措施来执行生产，具有相当大的实用价值。为了保证电网系统的安全、可靠、高效运行 , 减少电网谐波的含量是一个迫切的任务。 为了达到这个目的 , 必须实现方便准确地对电网谐波含量进行测量。根据测量结果 ,了解电网实际情况 , 并在此基础
3、上寻找出主要谐波源。根据具体情况采取相应的措施来减少谐波电流的注入 ,减少整个电力系统的谐波含量 1。 要实现对电网谐波的综合治理 ,就必须搞清楚谐波的来源及电网在各种不同运行方式下谐波潮流的分布情况，以采取相应的措施限制和消除谐波，从而改善供电系统供电质量和确保系统的安全经济运行。 目前的电能计量表都是基于基波研制的 ,对于含有谐波的电力系统不能准确计量。因此 ,急需一 种能准确计量基波和各次谐波电能的谐波电能计量装置 ,能定量地确定谐波源向电网输送的各次谐波电能 ,从而为制定相应措施治理谐波 ,对谐波源进行处罚提供可靠依据。 DSP 技术的迅速发展 ,为研制这种计量装置提供了有力的技术支持
4、。 谐波研究的意义： 第一，谐波带来的影响已对变电站设备、电气 设备以及电力载波通信系统造成了严重威胁。怎样才能减少谐波的危害，是迫切 需要解决的一个问题。要最大限度地解决这个问题，其关键在于定量测定谐波的相位 和振幅。这正是谐波分析的目的。 第二，由于电力供应的质量设备对现代工业、 商业和住宅用户来说，要 求越来越高，谐波抑制和补偿装置是必不可少的。这些 设备需要弥补多少谐波，需要什么样的补偿，以及需要达到什么样的补偿效果，都依 赖于谐波分析的结果。 第三，对于电力电网系统，“绿色”的主要标 志就是无谐波。在电力电子领域，实施“绿色”用电的呼声越来越大。目前，保 护地球环境已成为全人类的共识
5、。对电力系统谐波污染的治理也已成为电力电子科学 技术领域所必须解决的问题 1。 二、主题 谐波是电能质量的一个重要指标，它对电力系统电磁环境的影响不仅危害系统本身的安全，而且对广大电力用户的危害面也是十分广泛。其危害主要体现在以下 几个方面 2： (l)对旋转电机 (发电机和电动机 )产生附加功率损耗和发热，并引起振动。 (2)对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏，对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。 (3)增加变压器和电网的损耗，当发生谐振现象时，损耗可达到相当大的程度。 (4)对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。尤其是一
6、些衰减时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值和含量都很大，更容易引起继电保护的误动作。 (5)造成电能计量的误差。一方面是增 加电度表本身的误差，另一方面是谐波源负荷从系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率，这样受害的用户既从系统中吸收基波功率，又从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源负荷用户少付电费，而受害的用户多付电费。 (6)谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路产生干扰影响。 由于存在这些方面的危害，因此谐波的管理、检测和研究任务摆在了我国电力工作者的面前。随着基于大功率电力电子开关设备的普及应用，它所带来的各种电能质量问题已引起各国电
7、力工作者的高度重视，提高电能质量的新技术己成为近年来电力系统 研究领域中新的研究热点。 国外电能质量的研究起步较早，对电能质量各指标算法都做了比较详尽的研究。随后国内外也出现了相应的测量仪器仪表。随着计算机科学技术的不断发展，时域仿真，频域分析以及建立在不同变换基础上的各种数字技术，已在解决电能质量问题等方面得到了广泛应用。随着用途和目标的改变，电能检测设备己融合了许多领域的高科技，如网络技术、通信技术、数字信号处理技术、数据挖掘技术等，特别是在大规模集成电路的快速发展推动下，各种专用混合信号处理器和高速采样芯片出现，测量精度和深度的要求变得越来越严格。无论从技术上或 是市场上，电能计量监测设
8、备发生了非常大的变化。随着计算机技术和 DSP 技术的迅猛发展，随之出现了基于网络式的分布式电能质量测试装置，它被广泛地应用于电力供应公司、工厂以及电力咨询行业 3。 随着对电能质量问题研究的深入，国内外也出现了相应的测量仪器仪表，如美国FLUKE 公司的 FLUKE43 型手持式供电质量分析仪，可以提供电力系统维修，供电故障排除及设备故障诊断所需的测量值；瑞士莱姆公司的钳形功率谐波分析仪 (AN2060)，它是集电力表、示波器、谐波分析仪和数据记录仪于一身。瑞典联合电力公司的便携式电能质量分 析仪 (Unilyzer 900F)，可测量记录全部电力参数及谐波，三相不平衡度和闪变等电能质量参数
9、。随着用途和目标的改变，电能检测设备己融合了许多领域的高科技，如网络技术、通信技术、数字信号处理技术、数据挖掘技术等，特别是在大规模集成电路的快速发展推动下，各种专用混合信号处理器和高速采样芯片出现，测量精度和深度的要求变得越来越严格。无论从技术上或市场上，电能质量检测装置都发生了很大的变化，随着数字信号处理技术和计算机技术的迅猛发展，基于网络的分布式电能质量检测系统出现，它广泛应用于供电企业、工厂以及电力咨询 行业。 与此同时，我国许多科研和生产单位及一些高等院校相继开展了谐波研究工作，在多次学术会议上，交流了这一方面的研究成果。目前，我国在谐波研究领域主要有以下几个方面 4: 1）谐波源的
10、特性。在许多情况下，电力系统高次谐波源可以当作电流源来处理，在谐波源特性方面尚有大量的问题需要研究。 2）电力系统的模型及其精度。变压器、电机、电容器、输电线路和线性负荷，他们有精确的谐波电流的数学模型。目前来说，非线性负载谐波阻抗只是一个粗略的数学模型，更精确的仍在探索。电力系统谐波和电源系统有着极其密切的关系。网络中的畸 变波传播由网络参数而定，它可能是抑制失真也可能放大失真。 3）谐波电流和电压的分析计算。大致分为线性分析、非线性频域分析和非线性时域仿真三种方法。 4）谐波的测试方法、测量仪器及设备。用计算的方法精确地获得电网谐波参数是比较困难的，因此谐波的测试工作在谐波研究中占非常重要
11、的地位。 5）谐波的危害。主要影响表现为对电力装置的运作、常用仪器仪表的指示、自动装置和继电保护、干扰对通信以及自动化设备和网络损失的影响。 6）谐波的抑制措施。采取措施抑制谐波源是最有效的。首先，将滤波器安装在谐波源，这是比较常见的方法； 第二，是对于整流设备，增加进入变电站的换相序数，以减少谐波注入系统。 7）谐波的管理与标准。国家技术监督局于 1993 年批准颁发了电能质量一一公用电网谐波，以促进电力用户和电力部门采取措施，控制电源的谐波水平在一定允许的范围内，对谐波的危害起到很好的抑制作用，保证了电能质量，确保了良好的经济效益。 我国的电力工业在全球的影响下取得了迅猛的发展，但是对电能
12、质量检测装置的研究发展仍处于初始化阶段，自行研制开发的高质量电力系统自动化测量装置还很少。目前国产设备的监测控制装置大部分是用单芯片的计算机来实现，它的主 要的优点是结构较为简单、容易实现、相对便宜。 但还存在一些问题 5： 1)处理功能较差、可扩展存储空间较小、运算速度较馒，难以运用精确严格的算法进行大量的实时数据处理，不满足电力监测高实时性的要求； 2)电力系统中最常用微处理器包括 51 系列和 96 系列等控制型器件，但随着电力系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高，这些器件在计算能力方面已不能很好地适应电力系统的要求，致使电力系统的高精度测量、实时监控和先进算法的运用受到了限制； 3
13、)有的产品虽然直接引进了国外的技术模块，功能较强，可是价格较高，且不完全适 合我国市场 ; 4)有的产品无通讯和控制输出功能，不满足电力系统网络化、自动化的发展方向 ; 5)人机交互性不好。 因此，开发实用、可靠性高并且能满足精度要求的低成本产品，提高国内测量装置的自动化水平，是一件迫在眉睫的并具有重要意义的任务，这也是摆在我国电力工作者面前难得的机遇和挑战 6。 在过去的几十年中，一个简单的单芯片实现了智能控制功能，并被广泛使用。但随着信号处理理论和方法、计算机科学与技术的快速发展，需要处理的数据量不断增大，高精度要求的实时测量工具亦不断增加。电能质量监测设备与一般的电力基本参数测 量装置不
14、同，其各种指标的监测、计算和分析也不同。如果算法的频率为 12M，使用更先进的微控制器来进行基本 32 点 FFT 的快速运算，还需要大约 0.25 秒，如果使用更复杂的算法，则将需要更长的时间。由此可知，传统的微控制器技术已不能满足实时监控系统的需要。 数字信号处理器 DSP是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的 CPU 还快 1050 倍。在当今的数字化时代背景下， DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手业内人士预言， DSP 将是未来集成 电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素，它将彻
15、底变革人们的工作、学习和生活方式 7-8。 目前，谐波已成为污染电力系统的严重公害 ,解决电力系统谐波问题显得非常迫切。电力系统谐波问题涉及面很广 ,包括谐波检测、谐波分析、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波抑制、谐波标准以及在谐波情况下各种电气量的测量和分析等。谐波检测是谐波问题中的一个重要分支 ,是解决其他谐波问题的基础。 谐波检测伴随着交流电力系统发展的全过程 ,诞生了各种理论 ,如频域理论和时域理论；形成了多种检测方法 ,如模拟滤波、傅里叶变换 、小波变换、瞬时无功功率理论、广义 d q 旋转坐标变换、神经网络等；创造出了各种检测装置，如手持式供电质量分析仪、钳形功率谐波分析仪、便携式
16、电能质量分析仪等。 在谐波检测装置中，软件是其不可或缺的一部分，它在一个系统中占有举足轻重的地位。在硬件相同的情况下，软件的效率决定了整个系统的效率。因此优化软件结构，编制高效率的软件是我们软件设计的目标之一。 系统软件设计采用模块化设计方法，针对系统要实现的是对电网数据实时采集分析计算，做到在线监测的目的，在软件设计上有以下原则 15-16: 实时性 :谐波质量检测装 置要实现的是对电网数据实时采集分析计算，不间断的采集数据达到在运行期间的同步计算。 快速性 :在硬件上要求采样和计算芯片的高速性，软件上要求算法的高效率，从而可以在每 128 点采样间隔的时间内完成各个电能质量参数的计算和数据
17、存储，达到计算和采样的同步性。 系统软件主要由两部分组成 :DSP 软件设计单元和人机接口的软件设计单元。 DSP单元主要用来进行数据采集，并对数据进行分析计算；人机接口单元主要完成数据的显示和上位机通信等功能。程序采用模块化，结构化设计思想，主要考虑便于移植，修改方便，功能模块可以很容易实现程序 的扩展。 只有同时做好硬件、软件与算法的研究和设计，才能保证谐波检测的准确无误，最有效地去除谐波的危害，真正创造出高质量、高效率的电能计量装置，提高整个电力系统的水平。 三、总结 工业的发展、社会的进步、生活水平的不断提高，要求越来越高的电能质量，科技的发展为利用更先进的技术监测和改善电能质量带来了
18、可能。 在未来的几年，电能计量可能存在两个发展方向，即向网络化、复杂化方向和远程通信方向发展。 网络化、复杂化方向：计算机网络技术和现代数字信号处理技术的发展为电能质量检测系统提供了广阔的发展空间，电能质 量检测系统应该是以数字信号处理技术为核心，以数据采集系统为平台，集计算机网络为一体的系统。一旦出现问题能及时处理，为采取措施提供充足的时间。 远程通信方向：目前仪器的工作方式主要是移动式的，将来要重点开发仪器的远程通信能力，使它成为分布式仪器，一切功能都可以通过远程控制得以实现，这样就可以大大提高工作效率，降低运作成本，更符合用户的利益 8-9。 虽然许多学者对谐波检测问题进行了广泛、深入的
19、研究 ,取得了丰硕成果 ,形成了丰富多彩的谐波检测理论方法和实现技术 ,但由于电力系统的谐波受随机性、分布性、非平稳性等因 素影响 ,对其进行准确检测并非易事 , 而且电力系统日益复杂化以及电能质量要求日益提高 ,因此我们还需要不断探索更为有效的谐波检测方法及其实现技术。 总之，随着各种科学和技术的进步，电能计量装置始终处于不断的发展中。网络化、智能化、高效率等特性的不断加强，各种高效算法的提出，微处理器性能的增强，为电能计量装置的发展提供了坚实的基础和持续的动力。 四、参考文献 1李瑞福 ,王秀丽 .电力谐波的分类、危害及其治理 J.锦州师范学院学报 (自然科学版 ).2003.3,24(1
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