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毕业设计资料整合：(3)谐波污染的危害电力电子技术的飞速发展，使它在国民经济中得到越来越广泛的应用，并且取得了巨大的社会效益和经济效益。但与此同时，电力电子技术及其设备的应用也造成了电力系统的谐波污染，并且日益严重。谐波对电力系统电磁环境的污染危害到系统的本身以及广大电力用户，归纳起来主要有:(a)产生附加损耗，增加设备温升与基波电流相比，尽管谐波电流的比例不大，但设备的有效电阻会因集肤效应而增大，在有铁芯的电气设备中，铁芯的磁滞损耗和涡流损耗也将增大。这些附加损耗除了增加电力系统的损耗外，还使设备温升增加，尤其局部发热点的温升可能增加更多，使设备绝缘老化加速。(b)恶化绝缘条件，缩短设备寿命除了附加发热影响绝缘寿命以外，还因为在较高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使其温升提高。当电压畸变波形出现尖顶波时，还增大了局部放电强度，从而降低绝缘寿命。(c)可能引起电机的机械振动由谐波电流和电机旋转磁场相互作用产生的脉动转矩可能使电机发生振动，当电机的机械系统的自然频率在受到上述转矩的激发而可能引起共振时，则会损坏电机设备，危及人身安全。(d)无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大，甚至造成谐振无功补偿电容与电力系统中的电感构成了局部的电感和电容回路，它们的一些组合有刚会对某次谐波电流起到放大作用，加剧了谐波危害。当它们构成的局部谐振回路的频率与系统中存在的某次谐波频率相近时，就会造成危险的过电压和过电流。(e)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这些保护和控制设备通常都是按照工作于所加电压或电流为标准的工业频率和正弦波形而设计的，谐波的存在使它们的正常工作条件受到干扰，严重时将造成误动作。(f)影响测量仪表的精度，造成电能计量的误差;(g)干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作。综上所述，电力系统受到谐波污染后，轻则影响系统的运行效率，重则损坏设备以至危害电力系统的安全运行。虽然谐波危害的程度因谐波量的大小以及设备的其他各种条件的不同而不尽相同，但其危害是客观存在的。因此，正确认识谐波污染的危害，进行有效的谐波测量、监控和抑制，已经成为电力工作者的首要任务之一。电能质量的分析方法有：傅立叶变换法、快速傅立叶变换法、短时傅立叶变化法、小波分析法电能质量的五项基本指标：电压偏差、频率偏差、谐波偏差、电压波动和闪变、三项电压不平衡、电能质量已有的分析技术大致上可分为:时域处理技术、变换域处理技术、神经网络处理技术、模糊数学分析技术和专家系统处理技术。其中后三者实质为基于前两者的分析手段，由于分析系统的非线性，从而可以较好的完成对于非线性系统的分析。4.2.4数据处理模块设计数据处理模块的功能是实时处理和计算数据，提供给存储和显示模块。由DSP板传入数据为原始采样数据和分解得到的谐波数据。根据这些数据可进行进一步的分析计算，可实时地得到各线路的有功功率(P)、无功功率Q()、视在功率S()、谐波畸变率H(R)、总谐波畸变率(THD)、波形系数(FF)、波峰系数(CF)等电能质量指标。(1)谐波含有率(HR)以电压含有率为例，第h次谐波电压含有率为h次谐波分量的有效值(或幅值)与基波分量的有效值(或幅值)之比，用百分数表示。电能质量的监测方式主要有定期巡检、专项检测或临时抽检、在线监测等。引起电能质量问题的原因主要有以下几个方面：(1)大量电力电子器件的使用。电力电子器件是一种典型的非线性负载，极易造成电压(流)波形的畸变和电压的下陷。随着整流技术的发展和不断完善，整流装置在各行各业中得到日益广泛的应用，大到直流输电用的整流和逆变装置，小到电视机、电池充电器与节能灯等，其应用遍布于电力系统的各等级电压，这些大大小小的谐波源都给电力系统造成了谐波污染。由于各种装置的接线状况和工作情况千差万别，所产生的谐波电流也不尽相同。(2)电网中本来存在大量的非线性元件，如变压器和旋转电机等。这些非线性元件在电网正常的稳态运行条件下，并不产生大的畸变分量，但是在有扰动产生或电能瞬态等正常状态范围之外的条件下运行时，会产生大量谐波。变压器的励磁回路具有非线性电感，因此励磁电流是非正弦波形。在正常运行状态下，励磁电流只占总电流的5%左右，电流波形接近正弦波，波形畸变可以忽略。而在空载时，非正弦的励磁电流在变压器原边绕组的漏感上产生压降，使变压器感应电动势上包含谐波分量。在变压器空载合闸时的瞬态过程中，常常会出现很大的励磁涌流，其大小取决于铁心材料、剩磁大小和合闸初相角。更为严重的是，涌流波形强烈畸变，不但幅值可高达数十倍的额定空载电流，而且正负半周的波形极不对称。同步发电机产生的谐波电动势是由于转子和定子之间空气气隙中的磁场非正弦分布所引起的。发电机每对磁极下气隙中的磁场不可能完全按正弦分布，这是由磁极的结构所决定的。因此电动势中必然含有谐波分量。根据国际电工委员会(InternationalEleetrotee俪 ealeonunission，简称IEC)规定，发电机端电压的波形畸变率不得大于5%，因此，通常可以认为发电机的电动势是正弦波形而忽略其谐波分量。(3)电弧设备所带来的电网污染。如现代炼钢用的电弧炉，并不同于电力电子变流器，因为它的电流及电压是随机变化，从理论上是无法只用整数倍谐波表示的，它包含大量的间谐波与次谐波成分。由于弧长的突然改变而引起的随机性电压变化就引起了谐波频率的散布，这些谐波频率散布的主要范围是0.1一30Hz。这就成了电压闪变产生的原因。(4)大负荷切换。在电网中，大负荷切换引起的电网暂态过程是一个相当普遍的现象，它可以波及其他附近的电器设备，这种暂态过程可以产生惊人的电压幅值，由于持续时间很短(通常只有几毫秒)，它的能量非常小，但是那些对电压冲击非常敏感的电器设备可能由此导致运行混乱。例如，在大电机启动的过程中，电机向电网吸收其正常运行所需6一7倍的电流。这种在电网中突然增加的负荷会引起电压下陷，下陷的幅度由电网的阻抗和电机的启动电流决定。综上所述，随着非线性、冲击性和不对称性负荷的大量投入使用，使电网供电电压的非线性、不稳定性和不对称性日趋严重。小到计算机死机、硬盘受损，大到变压器过热、企业生产线停产等一系列因电能质量引起的供电事故时有发生。如果不采取对应措施，电力事故发生的可能性将逐步表现为由电能质量不合格所引起电能质量问题将会变得更加突出，对电网运行、敏感电气设备的影响和危害将更加明显。六个电能质量标准：供电电压允许偏差、电力系统频率允许偏差、公用电网谐波、三相电压允许不平衡度、电压波动和闪变、暂时过电压和瞬态过电压基本电参量主要包含有:电压有效值、电流有效值、系统频率、三相有功功率、三相无功功率、三相视在功率和功率因数等;稳态电能质量指标主要有:各次谐波电压/电流含量、含有率以及总畸变率、电压波动值、短时间、长时间电压闪变以及三相不平衡度等参数。电力系统运行的内、外故障，如短路故障、雷击、误操作、电网故障时发电机及励磁系统的工作状态的改变、电力电子设备的启动等都将造成各种电能质量问题，电力系统受到的“污染”也越来越严重，电能质量问题对系统和用户带来严重的危害3，主要表现在几个方面:(l)谐波使电网中的元件产生附加的损耗，设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏，降低了发电、输电及用电设备的效率。使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严重过热。(2)谐波容易引起电网谐振，这种谐振可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，经常使电容器和电抗器烧毁。(3)波动、闪变与高次谐波都会导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失;谐波会使电气测量仪表计量产生误差，给供用双方带来经济损失。(4)不平衡、过电压、谐波等会对临近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量;重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。(5)电压中断、骤升或骤降会影响许多特殊行业的生产过程，降低生产工效和产品质量，直接造成经济损失，这也是动态电能质量问题日益受到重视的关键所在。国内外对电能质量的监测方式大致分为三种:专门测量、定期或不定期检测以及在线监测：专门测量，即对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器组、滤波器等在接入电网前后，测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响，通过与国家相关标准对照，决定其是否可以投运。定期或不定期监测，即针对普通电力干扰源，根据干扰的大小、危害程度和需要等采取定期或不定期监测方式。定期监测多用于电网电能质量的定期普查，主要目的是全面了解全网电能质量水平和干扰源的特性;不定期监测是针对电力用户的特殊电能质量问题进行检测分析。在线监测，也称为连续监测、全过程监测或日常监测等。即对于大型干扰源如炼钢厂、电气化铁路等必须按照电能质量标准，对电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三相不平衡等指标进行连续跟踪监测。目前，国内对电能质量各项指标的测量大多数还处在专门测量和定期或不定期检测阶段，没有形成对电能质量的长期连续监测，在电能质量问题日益严重的今天，前两种方式显然己不满足需要。测量装置应向在线监测方向发展，并形成网络化，对全网多个监测点进行全面的监测分析，建立起表征电能质量的真正有用的数据库。较常见的电能质量监测装置主要有以下几种:(1)基于工控机+采集卡的设计方案在电力系统监测装置的发展中，该种方式是最早采用的。它在对电能质量进行分析的同时，PC机自带的网络接口和硬盘可以实现网络通讯和大容量存储功能。这种装置采集功能强、人机交互性好，但是设备价格昂贵、体积较大、灵活性不够，不适宜大量定点安放在各监测现场进行实时监测。而且由于当时人们认识水平和技术条件的限制，没有实现智能化和网络化，难以保证系统的实时性。(2)基于单片机的设计方案采用单片机来进行数据分析，同时扩展所需要的其它功能。单片机上集成有丰富的外设，具有良好的控制能力。但是其数据处理能力不够强大，尤其是乘法运算速度慢，在运算量大的领域中就很难有所作为。并且由于没有移植好的协议栈，实现基于以太网的通信比较困难，只能实现基于总线的短距离通信。这种设计方案一般适用于对数据处理要求不高、运算量不大的监测装置中。(3)基于DSP的设计方案由于数字处理器普遍采用改进的哈佛总线结构，内部有硬件乘法器、累加器，使用流水线结构，具有良好的并行特性，更适合于运算量大，实时性要求高的系统。缺点是控制能力较低，不适合运行较大规模的嵌入式实时操作系统，且USB和以太网等性能扩展需要额外的费用。(4)基于单片机十DsP的设计方案此种设计方案包括了单片机和DSP各自的优点:单片机控制特性很强，DSP具有强大的数据处理能力。采用这种设计方案，在满足处理大运算量实时任务要求的同时，系统的设计成本也相对较低。但是由于系统中采用了两个处理器，其间的信息交互是设计这类监测装置时着重考虑的问题。实现单片机和DSP间通信协调的常用方法是采用双口RAM，但是，为了实现实时任务的调度，软件上必须结合嵌入式实时多任务操作系统，才能设计成真正意义上的嵌入式实时系统。(5)基于虚拟机的设计方案采用虚拟机的设计方案，即通过在PC机上扩展一些简单的外围采集电路，然后通过特定的软件LabView在PC机上虚拟出一台测量仪器，这样就可充分利用PC机上的软硬件资源，又可根据测量的具体信号修改软件从而获得了很大的灵活性。但也有缺陷，实时性无法保证，并且在每个测量点都要有一台PC机，而PC机的体积较大，在某些环境下根本不能使用;另外如果测量点很多，成本将非常高，每台PC上运行的软件相对又比较单一，这样运算资源就很浪费。(6)基于DSP+ARM的设计方案目前在嵌入式技术领域，出现了基于ARM的嵌入式Linux的解决方案，充分将ARM芯片丰富的外围接口和Linux对网络的良好支持融合在一起，得到了广泛的应用。ARM微处理器最大的优势在于速度快、低功耗、高性能、芯片集成度高。而ARM芯片的价格也只略高于单片机。在ARM上可以移植嵌入式实时操作系统，容易实现多任务调度，硕士论文基于ARM和DSP技术的电能质量监测系统的研究与设计而且简化了LCD显示、硬盘存储、网络通信等功能的开发，大大减少了产品的开发周期。同时该方案也兼具了DSP运算能力强的优点。在综合评价和分析各种设计方案后，本系统采用DSP+A又M的设计方案，重新构建电能质量监测系统的硬件结构。用32位ARM处理器和DSP芯片构成主从式并行处理系统，由ARM处理器完成对各种外设的管理和通信，DSP完全用于对数据的采集、运算和分析;移植成熟的嵌入式操作系统内核，为增加更多的实际功能和适用更广泛的用户建立一个更加稳定可靠的嵌入式系统平台。目前的研究主要基于以下几个方面：1.电能质量暂态信号的分类主要研究各种暂态电能质量现象，如电压暂降、电压闪变、电压波动等产生的原因、信号识别及抑制等。日前使用的分析方法较多，如小波变换、dq变换、最优小波包基、粗糙集、S变换等。2.电能质量测量装置的开发国内现阶段电能质量测试装置的开发，正进入一个澎渤发展期，各种测量装置层出不穷。硬件方面有基于DSP芯片、基于单片机、基于双CPU系统、基于ARM系统等；软件方面有充分利用了LabView技术、CAN总线、Web技术等技术，实现在线检测；此外还有一些专门测量电压闪变等暂态量的测量装置。3.新型算法的研究软件算法是电能质量研究的重要内容，国内外目前相关的算法研究主要致力于利用FFT算法、小波分析、窗函数等工具，进行信号去噪、信号提取以及谐波分析等方面的处理，这方面的参考文献较多。4.电能质量控制技术及控制装置电能质量控制技术及控制装置的研究涉及面也较广。为减小频率和电压偏差，应实施电网调度自动化、无功优化、负荷控制等装置的开发和应用。在抑制谐波、降低电压波动和闪变以及解决三相不平衡方面，目前己有几种装置可供选择，例如技术已相当成熟的无源滤波器、静止无功补偿装置(SVC)等。对于人机交互界面设计的基本要求:要有较成熟的、可靠的界面;能快速实时的显示电能质量参数;可在界面上直接操作，有良好的反应速度;支持中文显示。在简单介绍几种常用的嵌入式GUI实现系统后，对比选出最适合系统的界面设计系统。MicrowindowS是典型的客户/服务器体系的GUI系统，分为三层，最底层的是面向图形输出、键盘和鼠标等的驱动程序;中间层是提供硬件的抽象接口，并实现一个与硬件平台无关的图形引;最高层提供兼容XWindow和WindowsCE的API。有较好的移植性，而且图形引擎功能比较完善，但是系统的稳定性和开发工具的支持等方面都还有很大欠缺。MiniGUI是一种面向嵌入式系统或实时系统的图形界面支持系统，主要运行于Linux平台，有良好的移植性，是中国人做得较好的自由软件之一。优点主要有:基于线程的多窗口机制、多字符集和多字体的支持、小巧，包含全部功能的库存文件大小为3OOK左右、可移植性好。但是体系结构不完善，自有图形引擎的功能较弱，没有一个好的图形开发环境。Qt/ Embedded用c+封装的，为开发者提供了清晰的程序框架，能够方便的编写自定义的用户界面程序;有自己的图形引擎，可以直接对底层的图形驱动famebuffer进行操作;有平台无关性、良好的Gul编程接口以及强大的开发工具的支持;有Designer和Qmake等界面设计工具;支持unicode编码，利于产品的国际化。本文最后采用Qt/Embedded作为嵌入式Gul实现方式。在ARM硬件平台上，以嵌入式Linux为操作系统，软件主要是以Qt/Embedded编写图形用户界面。Qt/Embedded的应用软件的开发基本是在PC机上完成的，信号/槽(signal/slot)是Qt最核心的机制。由于在Qt/Embedded系统中并不能直接显示汉字字符，必须对其汉化或翻译后才可以显示。当设计的界面在PC机上调试成功后，交叉编译到目标板上运行。小波变换(waveletTransform)是一种信号的时间一尺度(时间一频率)分析方法，它具有多分辨分析(MultiresolutionAnalysis)的特点，在时频两域都具有表征信号的能力，是一种窗口大小固定不变但其形状可改变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，很适合探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展现其成分，被誉为分析信号的显微镜。小波分析对信号的奇异点非常敏感，适用于时变非平稳信号的检测与分析。