船舶电网电能质量实时检测系统的设计.docx
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船舶电网电能质量实时检测系统的设计
前言
随着船舶电力系统规模的不断增大，电力系统中的整流型、冲击性等非线性负荷日益增多，这些非线性负荷的存在，往往导致船舶电网发生电压畸变、电压波动、电压闪变和三相不平衡等电能质量问题，使得船舶电网供电质量降低、甚至恶化电网运行状况。
在我国电力工业蓬勃发展、电力负荷急剧增长的同时，非线性和冲击性负荷也在不断地增长，这些负荷对供电系统电能质量造成了严重的污染。
对于船舶电站而言，特别是近几年来，电能质量不断下降，这样，如何提高船舶电网的电能质量、确保船舶电力系统安全经济运行，成为了船舶工业关注的焦点之一。
近些年，我国也开发了一些电力测控装置和电能质量检测装置，但在功能上、实用化方面均未达到理想效果。
本文提出了一种基于DSP（数字信号处理器）的船舶电网电能质量的实时检测系统，利用DSP芯片强大的计算功能进行电能质量参数波形失真的在线检测，实时显示参数波形的失真程度，为船舶电网电能质量的测评和改善提供了准确的依据。
DSP采用数字系统完成信号处理的任务，具有数字系统的一些共同优点，如抗干抗性强，便于大规模集成等。
与传统的模拟信号方法相比较，还有一些明显的优点，如精度高、灵活性强，可以实现模拟系统很难达到的指标和特性。
论文首先围绕电能质量这一主题，论述了电能质量的基本概念和船舶电网电能质量问题及其产生的原因，回顾了国内外电能质量检测领域的现状，概述了现有检测装置存在的问题；接着论述了衡量船舶电网电能质量的几个重要指标，介绍了DSP芯片的特点和发展情况以及它的性能指标和选择标准；然后详细介绍了该检测系统的数据采集和模数转换设计、DSP处理单元设计、数模转换设计等；最后介绍了该系统基于DSP的软件设计方法，对可能产生的误差进行了分析。
电能质量测量技术是电测量领域的拓展。
近年来，依托电力电子技术发展起来的供电系统的各种负荷，诸如变流装置、炼钢电弧炉和电力机车等，一方面对工农业生产自动化水平、效率的提高推动巨大；另一方面，由于它们非线形、冲击性及不平衡的用电特性，也造成供电网的电压波形发生畸变，引起电压波动和闪变以及二相不平衡，甚至导致系统频率出现波动，供电质量降低，影响电力网和电工、通讯及电力电子设备的安全与经济运行。
而对电能质量的监督有赖于准确可靠的测量仪器和科学合理的测量方法。
在对电能质量问题的研究的同时，也极大到促进了数据采集等多种测量方法的发展。
本装置采用TI公司的TMS320LF2407ADSP芯片作为系统的中央处理器，实现了对电能质量参数的实时检测。
另外，为了防止采样过程中的频谱混叠，在软件上采用了数字滤波的方法。
1绪论
1.1船舶电网电能质量课题的背景和研究意义
电能既是一种经济使用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是一种由电力部门向电力用户，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品。
如今，电能作为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑也应该讲求质量。
1.1.1电能质量的定义
在现代电力系统中，电能质量这一技术名词涵盖着多种电磁干扰现象。
迄今为止，关于电能质量的定义概括起来要有以下三种：
定义1：
合格电能质量是指，提供给敏感设备的电力和为其设置的接地系统均适合于该设备工作。
定义2：
造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题，其表现为电压、电流或频率的偏差。
定义3：
电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值的正弦波形电压与连续供电。
我们应当看到，电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的，所以用户的衡量标准占有优先的位置。
因此电能质量可以定义为：
导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性。
1.1.2船舶电网的电能质量问题
在我国电力工业蓬勃发展、电力负荷急剧增长的同时，非线性和冲击性负荷也在不断地增长，这些负荷对供电系统电能质量造成了严重的污染。
对于船舶电站而言，特别是近几年来，电能质量不断下降，例如，在动态条件下，电压平均值的偏差可达20％或更多，频率的偏差可达10％。
船舶电网的电能质量问题越来越严重，具体原因如下：
（1）为了提高船舶自动化水平和节约能源，大量控制设备和电子装置投入到使用，如对冷却水温的控制有阀门的档板调节改为对冷却水泵电机的调速，以及越来越多地应用轴带发电机。
而这些装置对电能质量常常产生不利影响。
（2）船舶电力系统中用电负荷结构发生了较大的变化，负荷的种类和容量有显著增长。
值得一提的是，近年来船舶电力推进方式已越来越成为船舶技术的发展方向。
目前，交流电力推进通常使用同步电动机，其变频器有交-交变频器、交-直-交变频器和PWM变频器。
这些都需要应用GTO、IGBT等大功率电力电子器件，也都将产生大量的谐波。
（3）一些大负载的功率占船舶电网总容量的百分比较高，所以这些大负载的合闸，将使多台发电机并联运行，而发电机在并联运行时的次瞬态电抗对谐波的影向较大。
例如，当次瞬态电抗为10％时，12脉波的总谐波畸变为11％。
（4）由于船舶设备的容量选择比较保守，正常运行时功率因数偏低。
（5）另外，由于船舶电网是一个独立的小容量电网，而冲击性、波动性负载较多，在运行中不仅产生大量谐波，而且使得电网的波动、闪变、三相不平衡日趋严重。
当然，还有另外一些原因起到了推波助澜的作用，如负荷性质各异且随机变化，系统参数的非线性与不对称，加之调控手段的不完善及各种故障，均对电网产生不利影响。
正因为船舶电力系统与船舶的各个系统均有牵连，它是船舶系统中一个极为重要的组成部分，直接影响着船舶运行的安全性与经济性，故船舶电网的电能质量问题是值得关注的。
1.2国内外的发展现状
计算机和微电子技术的发展进一步促进了电能质量问题的研究及其监测装置的研制。
电测量理论及仪表技术的发展历经了早期、初期、中期和近期四个阶段。
早期和中期的电测量技术主要是以模拟量测量为主。
20世纪50年代，数字电子技术和微电子技术的引入，促进了电测量及其仪表技术的发展，模拟式电测仪表逐渐在越来越多的场合被数字式仪表所代替。
1974年出现的电压、电流波形等间隔采样技术，使数字电子技术在测量领域中作用日益增大，成为电测与仪表技术步入中期发展阶段的重要标志。
在这一阶段，以微型计算机、独立操作系统、各种标准总线式结构为特征，可相互通讯、可扩展式仪器和自动测试系统以及相应的测量技术得到了蓬勃发展，并逐渐走向成熟。
20世纪80年代中期以来，电测与仪表技术进入了迅猛发展的近期阶段。
大规模集成电路技术的发展使得芯片体积缩小到可以置入传统仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能化特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度及解决测量问题的广度和深度等方面均有了明显的进步。
电能质量测量技术是电测量领域的拓展。
近年来，依托电力电子技术发展起来的供电系统的各种负荷，诸如变流装置、炼钢电弧炉和电力机车等，一方面对工农业生产自动化水平、效率的提高推动巨大；另一方面，由于它们非线形、冲击性及不平衡的用电特性，也造成供电网的电压波形发生畸变，引起电压波动和闪变以及二相不平衡，甚至导致系统频率出现波动，供电质量降低，影响电力网和电工、通讯及电力电子设备的安全与经济运行。
而对电能质量的监督有赖于准确可靠的测量仪器和科学合理的测量方法。
在对电能质量问题的研究的同时，也极大到促进了数据采集等多种测量方法的发展。
电能质量测量技术己成为电测与仪表技术领域的一个不可缺少的重要分支。
随着对电能质量问题的研究与重视，国内外也出现了相应的测量仪表。
如美国福禄克公司生产的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，功能先进。
我国对电能质量监测装置的研制尚处于起步阶段，国内生产厂家的前沿测控装置大多是采用单片微机来实现的，其主要优点是构成简单、实现方便，价格也比较低廉。
电能质量的含义和内容非常广泛，对不同电能质量问题的监测方式和要求也不尽不同。
迄今为止，国内外对电能质量的监测方式可概括为连续监测、定期或不定期检测和专门测量三种方式。
（1）连续监测
连续监测也称为在线监测或日常监测。
按电能质量标准的规定和要求，需要进行连续监测的内容有电压偏差和频率偏差，以及大型干扰源、危害较大或容易引发事故的有关电能质量指标，如大型电弧炉引起的电压波动、大型电容器组的谐波电流、易受干扰的大型设备或线路的谐波电流、以及重要用户的电能质量指标。
连续监测对使用的监测设备有一定要求。
特别是电网中监测点较多、监测信息需要远传时，则需要建立一个监测网络系统。
（2）定期或不定期检测
对于普通干扰源的监测，根据干扰的大小、危害程度、以及需要等，选择采取定期或不定期检测方式。
定期检测多用于电网电能质量的定期普查。
定期普查是每隔一定时间（如2～3年）对全网进行普查测试，全面了解和掌握全网的电能质量水平或干扰源的特性。
定期普查的检测点和检测指标由普查需要确定，但应包括连续监测的内容。
对于一些特殊情况根据电能质量监督管理的需要，也可采取不定期检测方式。
定期或不定期检测一般采用专门仪器、设备到现场进行测试，测试之后根据测试结果提出测量和分析报告。
（3）专门测量
专门测量是指对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器组、滤波器等接入电网前后，比较这些设备投入前后对电网电能质量水平及影响进行的测量，以决定其能否正式投入运行。
对于可能产生各种干扰的设备，如果投入电网之后产生的干扰超过标准，则不允许该设备投入运行。
就名词含义和意义而言，监测和检测是两个不同的概念。
监测是一个连续时间的概念，在监测时间段内往往持续不断地执行某个例行的任务；而检测则是一个时间的概念，它大多是为了完成某一具体的任务而执行一次操作，虽然有些检测也需要持续一段时间，但这只不过是一个过程中的不同阶段而己。
另外，监测往往是对全程的跟踪监视，在监测伊始，往往不能具体预测监测结果；而检测则带有明确的目的，所有的操作都紧紧围绕着检测的目的而进行着。
电能质量检测在改善电能质量的过程中起着关键的作用，因为为了改善电能质量问题就必须首先将电能质量中存在的问题认识清楚。
如为了减轻或消除谐波对系统造成的不利影响就必须先检测出谐波分量的大小，并以此作为控制变量来削弱谐波造成的不利影响。
1.3当前电能质量检测装置存在的问题
近些年，我国也开发了一些电力测控装置和电能质量检测装置，但在功能上、实用化方面均未达到理想效果。
还存在一些问题：
◆处理功能较差，可扩展存储空间较小，运算速度较慢，难以运用精确严格的算法进行大量的实时数据处理，不满足电力检测高实时性的要求。
◆电力系统中最常用微处理器包括51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。
◆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。
◆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。
◆人机交互性不好。
在过去的几十年里，单片机的广泛使用实现了简单的智能控制功能。
但是随着计算机科学与技术、信号处理理论与方法的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，对电测仪表的实时性和精度的要求也越来越高。
而电能质量检测装置不同于一般的电力基本参数测量仪器，要进行电能质量指标的计算、分析，并且要运用复杂的数学算法。
如果采用比较先进的单片机Intel80C196KC进行基本的32点FFT运算，在12M主频下采用快速算法仍然需要0.25秒左右，如采用更加先进复杂的算法则需要的时间更长。
显然，传统的单片机技术已不能满足电力系统实时监控的需要。
1.4本论文的任务
数字信号处理采用数字系统完成信号处理的任务，具有数字系统的一些共同优点，如抗干抗性强，便于大规模集成等。
与传统的模拟信号方法相比较，还有一些明显的优点，如精度高、灵活性强，可以实现模拟系统很难达到的指标和特性。
本文在研究船舶电力系统电能质量指标和测量方法的基础上，研制出一种基于数字信号处理器（DSP）的电能质量检测系统，主要工作包括：
1．回顾了电能质量的概念以及发展的概况，指出了现有的船舶电力系统存在的电能质量问题，介绍国内外电能质量的检测方法以及现有电能质量检测装置存在的问题。
2．讨论了衡量船舶电网的电能质量指标。
3．简单介绍了DSP的发展和特点，以及DSP的性能指标和选择标准，设计基于DSP技术的电能质量检测系统的软硬件结构。
4，对于基于DSP技术的检测系统进行了误差分析。
5．结论与展望。
2船舶电网的电能质量分析
根据国家技术监督局先后颁布的六个有关电能质量国家标准，我们得知，衡量电能质量的主要指标是：
电压偏差，谐波畸变率，三相不平衡度，电压波动与闪变以及暂时过电压和瞬时过电压。
通常提及的电能质量指标总是指电压质量。
但这显然是不够的，还应该同喇采用其它指标，如有功功率和无功功率方面的指标。
因此，船舯电网的电能质量指标常为：
主配电板汇流排的电压特性（电压偏差，电压波形畸变率，不平衡电压）、电网频率偏差和并联运行发电机组的有功功率和无功功率的畸变特性。
判断电能质量的最好方法即为分析其各项质量指标。
2.1电压偏差
电压偏差是衡量电压质量的重要指标，它的计算公式比较简单，表示如公式（2.1）[1][2]：
（2.1）
（1）35KV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10％。
（2）10KV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7％。
（3）220V单相供电电压允许偏差为额定电压的7％、10％。
对电压质量的评价需要许多静态和动态的电压参数值，这些参数值涉及电压波形特性，电压对称性、频率、电压均方根值等。
这些参数可用于确定电压受干扰情况。
从测量的角度来看，电压均方根值和频率都是易于测量的，相形之下，波形畸变的测量会复杂一些。
在静态条件下，电压波形的畸变可由其谐波（有时还包含间谐波）来描述。
通常可被检测到40次谐波至50次谐波。
但在大多数情况下，这样高次的谐波在实际电力系统中影响很小，通常检测2至20次谐波已经足够忆另外，我们并没有必要具体地将每一次谐波均表达出来，而应是分析各次谐波产生的共同影响，最典型的就是求THD（谐波总畸变因子）的值，其定义如公式（2.2）：
（2.2）
其中，s1为基波的均方根值。
求THD值无需测出每次谐波的值。
如果THD较大或波动较明显，则要对谐波进行总的谐波频谱分析，可以通过简单的傅氏变换进行在线分析，而无需采用仪表测量窗口或同步采样频率，而且可以采用离线形式。
因谐波在频谱中是下降趋势，故对于谐波的各种规定，如船级社的规定，超过一定次数的高次谐波在分析时忽略不计。
以一条实船（滚装船）为例，THD相对较小，为1．78％，而25次谐波的幅值达基波的1.68％。
解决这个问题的方法在检测阶段考虑补充因素，用DBF表述，其定义如公式（2.3）：
（2.3）
其中，Urms（f1-f2）为在f1至f2频段中电压的均方根值。
求DBF值的最好的办法是采用数字小波变换法。
此外，如果将数字小波变换用于瞬态分析，则测量装置无需附加运算功能便可对DBF进行有效计算。
总之，只有在DBF值较高时才有必要对相应频带的谐波幅值进行测量，而且大多数情况下离线测量即可。
但是当DBF值较低而THD值较高时，则应仔细分析低次谐波。
仍以上述的滚装船为例，对于频率f1=812.5Hz和f2=1625Hz，用DBFf1-f2的值为1.7％。
通过这个值对频带进行分析是困难的，还有一个类似的参数为频带总谐波畸变THBD。
另一个问题是在瞬态情况下，常用峰-峰值和脉冲持续宽度，有时还有其能量来描述。
瞬态时其能量常如公式（2.4）所描述：
（2.4）
其中，Ut（t）为瞬时电压值，t1为瞬态起始时间，t2为瞬态结束时间。
上述对能量的定义可以被认为是消耗在1欧姆电阻上的被分析的信号的能量。
2.2电压波动
电压波动Ut，用式（2.5）表示。
（2.5）
式中：
Umax，Umin──工频电压调幅波的相邻两个极值电压。
为了使电压波动与电压偏差相区别，规定电压变化率大于每秒0.2%时为电压波动，否则视为电压偏差。
2.3电网频率偏差
电力系统的标称频率为50Hz，频率的偏差可由公式（2.6）表示：
[3]
（2.6）
式中：
∆f—频率偏差
f—实际频率额定
fn—额定频率
2.4三相不平衡度
三相不平衡度的度量用式（2.7）表示。
（2.7）
式中：
U2──三相电压用对称分量分解后的负序分量的幅值；
U1──三相电压用对称分量分解后的正序分量的幅值。
《电能质量三相电压允许不平衡度》（GB/T15543-1995）中规定，电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。
2.5谐波畸变率
由于电力系统中非线性负荷的增加，给系统带来了大量的谐波污染，影响了电网的安全运行和用户对电能质量的要求。
在谐波测量上多数采用数学方法对电压电流信号进行谐波分析，对于稳态谐波的测量，快速傅里叶变换（FFT）是分析谐波的最好方法，利用FFT可以直接得到波形所含的各频谱分量。
3基于DSP实时检测系统的硬件设计
3.1数字信号处理器DSP的选择
数字信号处理（DigitalSignalProcessing）是一门以众多学科为理论基础而又广泛应用于许多领域的新兴学科。
数字信号处理器（DigitalSignalProcessor）是微电子学、数字信号处理、计算机技术这三门学科综合研究的成果。
两者的简称都是DSP。
[8][9]
3.1.1数字信号处理器（DSP）的发展和特点
自然界中的模拟信号（如声音、图象）通过采样成为.组用数字表示的序列即数
字信号。
数字信号处理就是对这样的数字信号进行分析、处理，它侧重于理论分析、算法确定及软件实现，如快速傅立叶变换（FFF）、卷积、数字滤波等。
要实现这些算法，特别是要实现实时地完成某种算法，就需要有特殊的硬件支持，这种硬件支持的最佳方案之一就是数字信号处理器。
随着人们对实时信号处理要求的不断提高和大规模集成电路技术的迅速发展以及数字信号处理器性能的提高和价格的下降，数字信号处理技术（简称DSP技术）得到广泛的普及和应用。
[10][11][12]
3.1.2DSP芯片的类别和使用选择
数字信号处理器的采用是为了达到实时信号的高速处理，为适应各种各样的实际应用，产生了多种类型、档次的DSP芯片。
在DSP市场上，从廉价型到超高性能型各类品种都有，世界上生产和开发DSP芯片的公司也很多，著名的有美国德州仪器（TexasInstruments，简称TI）公司，美国模拟器件（AnalogDevices，简称AD）公司，MOTOROLA，AT＆T，Intel，NEC，Fujitsu，National等。
在我国推广和应用较多的有TI公司、AD公司和MOTOROLA公司的DSP芯片。
1．芯片的类别
从DSP芯片的数据结构分，DSP芯片分为定点和浮点两种类型。
数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP芯片；数据以浮点格式工作的芯片称为浮点DSP芯片。
从使用的广泛性可以把DSP分为通用DSP和专用DSP芯片两种。
专业型DSP芯片一般用以完成特定的运算功能，并且已经将控制算法固化在芯片内，通用性比较差；通用型DSP芯片是内部资源对用户开放的系统，用户可以根据不同的需要进行编程，可以实现各种数字信号的处理算法。
从性能上可以按精度／动态范围和处理速度将通用作进一步的划分。
另外，各个厂家还根据DSP芯片的CPU结构和性能将产品分成若干系列。
2．使用选择
在设计DSP系统时，如何根据系统要求选择合适的DSP芯片，是决定系统性能的一个重要环节。
由于DSP芯片的发展速度很快，并且种类很多，用户在选用芯片，要考虑以下几种因素：
（1）性能：
描述DSP性能的最重要的技术指标是运算速度。
在快速的实时处理系统中，要选择运算速度快的DSP芯片，例如定点运算的DSP芯片特点是运算速度快、功耗低，价格便宜，体积小，但运算精度不高，般是16位，片内也只有32位，所以用得最多。
而浮点运算的DSP芯片特点是运算速度慢、功耗大，成本较高，体积稍大，但运算精度高，一般是32位，片内一般可达40位，适合丁对数据动态范围和精度要求高的特殊应用。
（2）片内硬件资源：
不同的DSP芯片所具有的片内硬件资源是不相同的，即使是同一公司的同一系列的DSP芯片，也具有不同的片内硬件资源。
片内硬件资源包括片内RAM、ROM的数量，I/O接口的种类和个数，总线驱动能力，外部可扩展的程序和数据空间等。
选用片内硬件资源丰富的DSP芯片，其系统设计更为简单、可靠，且体积小、抗干扰能力强。
（3）价格：
TI公司的价格规律是刚上市的DSP芯片价格一般较高，上市一至两年后，芯片价格会大幅度下降；将要淘汰的芯片（公司不推广的）价格略高；量越大，价格越便宜，厂家主推的产品，价格较便宜。
因此，选择DSP除了考虑运算速度以外，还要对其总线结构、数据的传输能力、运算精度、存储器容量、可编程能力、功耗、价格等因素进行选择，同时还要有功能完善的开发工具（软、硬件仿真）支持，这样力。
能使所选的芯片不仅满足数字信号处理系统设计的要求，而且使用方便，性能价格比高。
3.1.3TI公司TMS320LF2407DSP介绍及选择原因
前面已经提过，数字信号处理器（DSP）是当前发展非常迅速的一类电子器件，其功能强大，应用相当广泛。
在世界上几个生产DSP芯片的大公司中，TI（TexasInstruments）公司的TMS系列DSP芯片的市场占有率最高。
目前，国内应用的DSP主要以TI公司的TMs320系列为主。
C2000系列DSP是TI公司TMS320DSP的三大系列之一，它既具有一般DSP芯片的高速运算和信号处理能力，又和单片机一样在片内集成了丰富的外设，所以特别适用于数字控制系统，TMS320C2000系列包括TMS320C20x、TMS320C24x和TMS320C28x三类。
TMS320C24x系列DSP芯片针对数字控制系统应用作了优化设计，芯片内部具有多达16路的10位数模转换功能，具有多个通用定时器和一个监视（Watchdog）定时器，具有多达16个通道的PWM（PulseWidthModulation）通道，最多具有41个通道输入输出引脚。
表3．1列出了TMS320C24x系列芯片的资源配置。
图3．1是该系列芯片中TMS320LF2407ADSP的方框图。
表3.1TMS320C24x系列新品的资源配置
Tab.3.1TMS320C24xseriesofallocationofresources
TMS320
C24x
MIPS
RAM/字
ROM/字
Flash/字
I/O引脚
比较/PWM通道
定时器
同步
串行口
异步
串行口
A/D通道数/
（转换时间/us）
F240
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4k
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F243
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1
1
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LF2407
30/40
2.5k
—
32k
41
升级会员 