【正文】 電力系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)錄波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文第1章 緒論 課題背景電力供應(yīng)是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存的重要支柱。在我國(guó)電力工業(yè)蓬勃發(fā)展、電力負(fù)荷急劇增長(zhǎng)的同時(shí)，電能質(zhì)量成為了發(fā)、供、用電部門十分關(guān)注并且可以完善的重要指標(biāo)。在過去，電能質(zhì)量通常是指供電可靠性、穩(wěn)定性以及供電電壓的幅值、頻率等參量與規(guī)定值的偏差。而近年來，非線性和沖擊性負(fù)荷的使用也在不斷地增長(zhǎng)，這些負(fù)荷對(duì)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重的破壞，使電力系統(tǒng)面對(duì)了空前廣泛的諧波、閃變、不對(duì)稱等污染，電能質(zhì)量問題日益突出，引起了供電部門和廣大電力用戶的普遍重視。據(jù)國(guó)際會(huì)議報(bào)告介紹，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家每年由于電能質(zhì)量下降所引起的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億美元。劣質(zhì)電能引發(fā)的電網(wǎng)大面積停電，造成用戶生產(chǎn)力下降，其社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失是相當(dāng)嚴(yán)重的。另一方面，隨著高新技術(shù)、尤其是信息技術(shù)的發(fā)展，眾多基于計(jì)算機(jī)、微處理器、電力電子裝置控制或管理的現(xiàn)代化工業(yè)與民用用電設(shè)備，對(duì)電能質(zhì)量更加敏感，因此電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求在不斷提高。人們開始認(rèn)識(shí)到，電力系統(tǒng)運(yùn)行和工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)電能質(zhì)量的要求在逐步的擴(kuò)大和深化，提高電能質(zhì)量已成為保證供用電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本要求。行業(yè)方面，近年來隨著電力行業(yè)的深化改革，發(fā)電與輸配電體制分離，電能按質(zhì)按量論價(jià)、電力網(wǎng)逐步實(shí)行商業(yè)化運(yùn)營(yíng)與市場(chǎng)交易也已經(jīng)是大勢(shì)所趨。這些變化大大推動(dòng)了電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程和對(duì)供電質(zhì)量的監(jiān)督和管理。盡管在現(xiàn)代電能質(zhì)量的一些定義和解釋上還有待深入探討，在電能質(zhì)量問題的起因上仍然存在分歧，但供電部門和電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的關(guān)心程度卻與日俱增。深入理解現(xiàn)代電力質(zhì)量問題，把提高電能質(zhì)量與增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)、電力市場(chǎng)占有率聯(lián)系起來，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和運(yùn)行管理等方面加大力度，保證優(yōu)質(zhì)供電、以最小程度的減少對(duì)先導(dǎo)工業(yè)企業(yè)和重要電力用戶的影響，既是電力用戶的需求和電力系統(tǒng)運(yùn)行給我們提出的新任務(wù)，也是信息時(shí)代給我們提出的新挑戰(zhàn)。應(yīng)該說，當(dāng)代電力系統(tǒng)的發(fā)展賦予了電能質(zhì)量新的內(nèi)涵和意義。因此根據(jù)當(dāng)代電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)出現(xiàn)的各種電能質(zhì)量現(xiàn)象進(jìn)行分類整理和研究，不斷探索各種電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)手段，對(duì)尚待認(rèn)識(shí)的電磁干擾問題深入分析，成為了近十年來電力科技工作者的重要任務(wù)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于電能質(zhì)量問題的研究主要面向兩大方面：一是電力系統(tǒng)故障的分析方法，二是電力系統(tǒng)故障的監(jiān)測(cè)手段。在電力系統(tǒng)故障的分析方法方面，人們關(guān)心的電能質(zhì)量己經(jīng)不僅僅是早些時(shí)候的供電電壓和頻率兩個(gè)指標(biāo)，而是另外增加了電力諧波、電壓波動(dòng)與閃變，電壓瞬變、三相不平衡等一系列指標(biāo)。分析采樣電壓或電流波形對(duì)電力質(zhì)量提供了定量的描述。例如，分析諧波分量和它的相關(guān)譜，定位干擾開始和結(jié)束的點(diǎn)，與不同系統(tǒng)故障時(shí)導(dǎo)致干擾的一組數(shù)據(jù)。目前的研究表明很多數(shù)字信號(hào)處理方法能被應(yīng)用于這個(gè)目的。但是正如后面將要描述的一樣，一種信號(hào)處理方法可能十分適于一種電能質(zhì)量問題的分析但并不能適合于所有問題的分析[1. Math H. J. Bollen. Irene Gu. Signal Processing of Power [M],IEEE Press, 2006,16~18]。例如，小波變換在識(shí)別波形突變時(shí)可能很有吸引力，但它在諧波分析時(shí)卻沒什么優(yōu)勢(shì)。對(duì)于每種應(yīng)用，某一套方法可以作為候選，每套方法都帶來不同的性能表現(xiàn)和復(fù)雜性；這是一個(gè)平衡的問題。下面將總結(jié)目前電力質(zhì)量分析領(lǐng)域中有吸引力的信號(hào)處理方法的類型。它們可以大致分為兩大類：一是變換或基于子帶濾波器的方法，二是基于模型的方法。一、基于變換或子帶濾波的數(shù)據(jù)分解：這些方法將待測(cè)的電力信號(hào)分解成各分量成分。根據(jù)待測(cè)數(shù)據(jù)（或數(shù)據(jù)塊）的平穩(wěn)性，可以選擇頻域分析或時(shí)頻域分析。（1）頻域分析[2. 袁全. 電能質(zhì)量分析儀的研制[D]，南京，南京理工大學(xué)，2006]：如果待測(cè)信號(hào)是比較平穩(wěn)的，信號(hào)的頻域分解是值得考慮的。目前一種標(biāo)準(zhǔn)的并廣受青睞的方法是DFT或它的快速算法FFT。小波變換是另一種與頻域分析密切相關(guān)的變換。小波變換將數(shù)據(jù)分解為尺度域分量，其尺度與頻率的對(duì)數(shù)尺度有關(guān)。（2）時(shí)頻（或時(shí)尺度）域分析：如果待測(cè)數(shù)據(jù)是非平穩(wěn)的，那么將其分解為與時(shí)間相關(guān)的頻率分量較為合理。要獲得數(shù)據(jù)的時(shí)頻表達(dá)，目前一種普遍使用的方法是STFT（短時(shí)傅里葉變換）。STFT可以解釋為一系列等帶寬的帶通濾波器的等效，其帶寬取決于所選窗函數(shù)與窗的大小。另一種實(shí)施時(shí)頻分析的方法是離散小波濾波。二、基于模型的數(shù)據(jù)分析方法：另一種重要的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的信號(hào)處理方法是基于模型的方法。由于我們對(duì)系統(tǒng)事先了解，我們可以假設(shè)數(shù)據(jù)序列是由特定模型產(chǎn)生的?；谀Ｐ偷姆椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)是一旦正確選定了模型，它將達(dá)到可與基于變換的方法相媲美的高分辨率。相反的，如果選錯(cuò)模型，則得到的結(jié)果會(huì)很不準(zhǔn)確。（1）正弦模型：信號(hào)被看成是一系列有限長(zhǎng)頻率分量之和。分量的總數(shù)量是預(yù)先選定的，而且其頻率和幅度也事先估計(jì)出來，并使其適應(yīng)模型。目前共有三個(gè)估計(jì)方法：MUSIC，ESPRIT，與Kalman濾波。（2）其他隨機(jī)模型：這類模型僅限于自回歸模型（AR），自回歸滑動(dòng)和模型（ARMA），狀態(tài)矢量空間模型三種。在這些模型中，信號(hào)被看作白噪聲通過線形時(shí)不變系統(tǒng)的響應(yīng)，系統(tǒng)也被模型化為有限長(zhǎng)的樣值與零的和。需要聲明的是以上這些電力故障分析方法還遠(yuǎn)沒有完善，在將其硬件實(shí)現(xiàn)過程中需要對(duì)其進(jìn)行必要的修改與優(yōu)化。在電力系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)手段方面，主要任務(wù)是對(duì)電力信號(hào)波形分析來判斷故障發(fā)生時(shí)刻和原因，比較早出現(xiàn)的是基于計(jì)算機(jī)的監(jiān)測(cè)方法[3. 李旭. 謝運(yùn)祥. 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的技術(shù)現(xiàn)狀[J]，電源技術(shù)應(yīng)用，2006，9：49~52。二十世紀(jì)九十年代初的電力故障檢測(cè)系統(tǒng)基本都是獨(dú)立工作的微機(jī)型設(shè)備，且并不具備通信能力，這種系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是安裝有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)，通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集卡采集的電力信號(hào)進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)，這種設(shè)備的缺點(diǎn)主要是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要操作系統(tǒng)支持和軟件支持，穩(wěn)定性差。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能及時(shí)返回給監(jiān)測(cè)人員，需要監(jiān)測(cè)人員定期更新系統(tǒng)，備份監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就不能及時(shí)得到分析處理。這種早期的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精確度與實(shí)時(shí)性雖然都已不能滿足現(xiàn)在的電力故障錄波要求，但是它們?cè)谝欢ǔ潭葹楹罄m(xù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。隨著DSP和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，電力故障錄波設(shè)備的研制已主要轉(zhuǎn)向DSP芯片環(huán)境的開發(fā)研制，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，集成度高，穩(wěn)定性好。DSP數(shù)據(jù)處理能力優(yōu)越，系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性都得到了保證。這種設(shè)計(jì)目前被大量應(yīng)用在便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)中。隨著網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電力系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)設(shè)備又進(jìn)行了新的改進(jìn)。將監(jiān)測(cè)與分析分開，由單獨(dú)的設(shè)備負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)故障，并記錄故障數(shù)據(jù)，再由分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)分析故障數(shù)據(jù)找出故障原因。監(jiān)測(cè)設(shè)備與分析系統(tǒng)統(tǒng)通過各種通信方式進(jìn)行連接，組成電力系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)的整體系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在通信能力上也作了很多改進(jìn)，可以在多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行工作[4. 魯玉. 故障錄波裝置的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳方案探討[J]，陜西電力，2006，7：59~61]，甚至出現(xiàn)了便于組網(wǎng)的無線連接方式[5. 王俊鵬. 基于DSP和CDMA技術(shù)的遠(yuǎn)程電能質(zhì)量測(cè)量終端的設(shè)計(jì)[D]，浙江，浙江大學(xué)，2007]，并出現(xiàn)了基于GPS對(duì)時(shí)的廣域測(cè)量系統(tǒng)(Wide Area Measurement System,WAMS)[6. 盛浩. 基于WAMS的動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真軌跡誤差校正的研究[D]，吉林，東北電力大學(xué)，2007]。這種系統(tǒng)的各個(gè)子監(jiān)測(cè)設(shè)備分布在電力系統(tǒng)的各點(diǎn)上，通過網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控總站（監(jiān)控總站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)）連接，每個(gè)子系統(tǒng)都通過GPS對(duì)時(shí)，以保證系統(tǒng)時(shí)間一致。目前廣域測(cè)量系統(tǒng)已成為了電力系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)發(fā)展的新趨勢(shì)。 課題意義及研究對(duì)象由于電力用戶對(duì)電能質(zhì)量要求越來越高，衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)也有了相應(yīng)的增加[7. 董其國(guó). 電能質(zhì)量技術(shù)問答[M]，北京，中國(guó)電力出版社，2003，46]。目前比較流行的電力系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)算法，可能十分適于某一種電能質(zhì)量問題的分析，但都不能適合于所有電能質(zhì)量現(xiàn)象的分析，而且在把這些算法實(shí)現(xiàn)成為真正產(chǎn)品的過程中，還需要根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要對(duì)它們進(jìn)行必要的優(yōu)化和改造。如何將這些算法結(jié)合使用，發(fā)揮各個(gè)算法的優(yōu)勢(shì)就成為了在實(shí)際應(yīng)用中需要深入研究的課題。在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備方面，基于網(wǎng)絡(luò)的電力故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為近年來的發(fā)展趨勢(shì)。其故障數(shù)據(jù)記錄能力與傳輸能力，廣為人們所看好，使電力故障的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)成為了可能。但是目前這種設(shè)備正處在研制階段，還沒有正式成為產(chǎn)品，各國(guó)都在這方面做了許多的工作。我國(guó)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展也有著重要的意義。本課題的研究對(duì)象。本文在對(duì)包括GB123251990《供電電壓允許偏差》、GB/T145491993《公用電網(wǎng)諧波》、GB/T155431995《三相電壓允許不平衡度》、GB/T159451995《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》、GB123262000《電壓波動(dòng)和閃變》、GB/t184812001《電能質(zhì)量 暫時(shí)過電壓和瞬時(shí)過電壓》在內(nèi)的六項(xiàng)國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了仔細(xì)分析的基礎(chǔ)上，深入研究了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與記錄裝置算法的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)故障檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)以《中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——電能質(zhì)量測(cè)試分析儀檢定規(guī)程》為基礎(chǔ)，應(yīng)用了高性能的ARM嵌入式處理器及高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），并實(shí)現(xiàn)了無線GPRS和以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通信功能。本設(shè)計(jì)在提高電能質(zhì)量檢測(cè)與記錄裝置性能、存儲(chǔ)能力、實(shí)時(shí)處理能力、信息共享、通信能力等方面也做深入的研究。課題源于2006年申報(bào)立項(xiàng)的沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目基金課題“電能質(zhì)量與電力系統(tǒng)故障檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究”。 文章結(jié)構(gòu)本文共分為6章。第一章介紹了課題的背景和研究意義。以及目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面的研究現(xiàn)狀，并介紹了本文的主要研究對(duì)象——電力系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)錄波通信系統(tǒng)。第二章介紹了目前比較流行的電能質(zhì)量現(xiàn)象的分類分類方法，并對(duì)電能質(zhì)量的衡量方法加以分析。最后介紹了我國(guó)的電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。第三章很據(jù)電能質(zhì)量衡量方法的計(jì)算要求，介紹了一套電能質(zhì)量數(shù)字測(cè)量算法。并提出了電力系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)錄波通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并對(duì)各功能模塊做了簡(jiǎn)單的介紹。第四章介紹了電力系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)錄波通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并將其分為信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、通信調(diào)度模塊三部分加以詳細(xì)介紹。第五章以數(shù)據(jù)在功能模塊間的流向?yàn)轫樞颍榻B了電力系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)錄波通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。第六章是對(duì)本課題的總結(jié)與展望。60東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第2章 國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與故障監(jiān)測(cè)技術(shù)要求 電能質(zhì)量現(xiàn)象描述電能質(zhì)量可以定義[8. 鄧少軍. 基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]，沈陽，東北大學(xué)，2006]為：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、暫時(shí)或者瞬態(tài)過電壓、波形畸變、電壓暫降與短時(shí)間中斷以及供電連續(xù)性等。研究電能質(zhì)量就要從電能質(zhì)量現(xiàn)象入手。為了系統(tǒng)地分析和研究電能質(zhì)量現(xiàn)象，并能夠?qū)ζ錅y(cè)量結(jié)果進(jìn)行分選識(shí)別，從中找出引起電能質(zhì)量問題的原因和采取針對(duì)性的解決方法，因此將電能質(zhì)量進(jìn)行分類和給出相應(yīng)的定義是很重要的。 電能質(zhì)量的基本分類對(duì)于電能質(zhì)量現(xiàn)象可以根據(jù)不同的基礎(chǔ)來分類[9. Math H. J. Bollen. Irene YuHua Gu. Categorization and Analysis of Power System Transients[J], IEEE Transactions on Power Delivery, 2005 (20)3:489496]。下面介紹近幾年國(guó)際上在電能質(zhì)量現(xiàn)象分類和特性描述等方面取得的研究成果。其中在國(guó)際電工界有影響的IEC以電磁現(xiàn)象及相互干擾的途徑和頻率特性為基礎(chǔ)，引出了廣義的電磁擾動(dòng)的基本現(xiàn)象分類，[10. Domijan A. Heydt G T. Meliopoulos A P S. Directions of Research on Power Quality[J]. IEEE Transaction on Power Delivery,2003,8(1):429436]： IEC關(guān)于引起電磁擾動(dòng)的基本現(xiàn)象分類 IEC classification of basic phenomenons cause electromagnetic disturbance現(xiàn)象分類現(xiàn)象分類傳導(dǎo)型低頻現(xiàn)象諧波，間諧波輻射型低頻現(xiàn)象工頻電磁場(chǎng)信號(hào)系統(tǒng)（電力線載波）輻射型高頻現(xiàn)象磁場(chǎng)電壓波動(dòng)電場(chǎng)電壓暫降和中斷電磁場(chǎng)電壓不平衡連續(xù)波工頻變化瞬變感應(yīng)低頻電壓靜電放電現(xiàn)象（ESD）交流電網(wǎng)中的直流成分核電磁脈沖（NEMP）傳導(dǎo)型高頻現(xiàn)象感應(yīng)連續(xù)波電壓或電流單方向瞬變振蕩性瞬變[11. Dugan R C. Mcgranghan M F. Beaty H W. Electrical Power System Quality[M],New York,McGrawHi11,2001,7376]。對(duì)于表中列出的各種現(xiàn)象，我們可進(jìn)一步用其屬性和特征加以描述。對(duì)于穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，可以利用以下屬性來描述：幅值、頻率、頻譜、調(diào)制、電源阻抗、下降深度、下降面積；對(duì)于非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，還可能需要一些其他特性來描述：上升率、幅值、相位移、持續(xù)時(shí)間、頻譜、頻率、發(fā)生率、能量強(qiáng)度、電源阻抗等?？梢哉f。 IEEE電力系統(tǒng)電磁現(xiàn)象的特性參數(shù)及分類 IEEE characteristic andclassification of power system electromagnetic phenomenons類別典型頻譜典型持續(xù)時(shí)間典型電壓幅值瞬變現(xiàn)象沖擊脈沖納秒級(jí)5ns上升50ns　微秒級(jí)1μs上升50ns1ms　毫秒級(jí)1ms　振蕩低頻5kHz04 .中頻5500kHz20μs08 .高頻