1 引 言
1.1 电力系统核相技术研究的背景及意义
美国能源部信息管理局在《国际能源展望 2006》中预计，世界用电量将从 2003年的 147,810亿千瓦时，增加到 2015年的 216,990亿千瓦时，到 2030年将达到 301,160亿千瓦时，年均增长 2.7%；全世界发电装机容量将从 2003 年的 37.1 亿千瓦增加到2030 年的 63.49 亿千瓦；2020 年前，中国用电量和装机容量跃居世界第一，但是目前电力建设尚不能够满足用量的快速攀升，投资需求甚大。这将导致我国乃至世界进行大规模建设和改造城市发电系统。新发电站并网，新变电站投产前，输变电工程扩建、改造或主设备大修后，竣工投运现场经常要做核相试验，即所谓的定相，包括核对相序和核对相位。核对相序，主要是为了发电机、电动机的正常工作。在电力生产实践中，发电机并网前必须做核对相序和相位的试验，相序和相位不对，发电机是无法并网的，强行并网会造成设备损坏，此类事故的性质是相当严重的。
在电网的改造中，也经常注意保持电网原有的相序，以免给用户带来麻烦。不仅是在设备发生变化时才突出核相的作用，在电力系统出现稳定事故时，实时测量技术在确定故障类型、位置及原因并帮助提供有效的反事故措施等方面具有十分重要的作用。相角是反映系统稳定性的最主要的状态量，如果它能够被实时测量，调度员能通过计算机实时监视系统母线电压相角的变化，及时发出调度命令。随着近些年嵌入式系统的快速发展，将嵌入式智能控制方法引入电力系统成为一种趋势。利用嵌入式处理器可以对各种仪器所测量出来的结果进行汇总分析，得出工作人员需要的结果。其小型化和抗干扰性是电力系统中所需要的，可以充分减设备投资，优化设备集成性，提高系统运作效率。配合 Internet 技术，完美实现嵌入式的远程控制，让工作人员进行在线监控，促进电力系统自动化。
1.2 国内外研究的技术现状和发展趋势
近些年电力发展十分迅速，电网复杂度与日俱增，带来便捷的同时也带来了安全隐患。庞大系统中的任何一个小地方出现了问题，都可能引起恶性连锁反应，最终导致系统的全面崩溃。最近一次的，世界电力史上最严重的一次事故于 2003 年 8月 14 日下午 16 时 10 分发生在美国东北部与加拿大的部分地区，导致 100 多个发电厂停机，其中 22 座核电站保护性关闭，停电持续 31 小时，经济损失 40~60 亿美元，5000 万人的工作与生活受到严重影响；此次事故引起了各国的极大关注，尤其是我国，全国性联网初步形成，跨区域功率在日益增加，如何确保大电网的稳定运行，防止重大灾变的发生，成为急需解决的重大课题。电力系统对相位的实时测量长期未能实现的根本原因就在于电力系统地域辽阔，采用常规的方法和技术难以找到合适的参考量。电磁波虽是以光速 300000km/s传播，但是对工频信号（50Hz）而言，传播 100km 相位就滞后 6°。
早期的相位测量方法就是将交流电压信号送到控制中心进行比较显示，由于存在这种不确定的延时，无法确定不同地点之间相同的参考量，造成这种方法的测量误差太大。后期采用同步时钟进行相角测量时，对于工频信号 1ms 的同步时钟误差，就会带来 18°的相位偏差。由于过去时钟精度低，再加上过去通讯技术和计算技术水平的限制，这个问题一直没有得到很好的解决。随着卫星技术，计算机技术和通信技术的发展也为相位测量提供了成熟的基础。1980 年，加拿大 G.Missuot 首次采用无线电导航定位系统：罗兰-C 提供的时间作为同步时钟，进行相位测量；由于罗兰-C 接收困难，1981 年又采用卫星系统 GOES（Geostationary Operational Environment Satellites）提供的时间作为同步时钟[3]。1981 年，瑞士人 P.Bonanomi 采用无线电广播授时，其时间作为同步时钟信号进行相角测量，并首次展望了相位的应用前景。
2 系统总体设计
2.1 系统方案设计目标
智能控制的电力核相系统方案设计要求达到如下目标：
(1)同时检测 6 路信号的相位，数据集中送到数据处理中心。每路信号采集数据都加上时间坐标信息，时间信息由 Internet 提供。
(2)嵌入式平台包含了数据处理中心，数据库，Web 服务器。
(3)数据处理中心有独立的操作界面软件，能将相位出现大范围偏差的数据储存如数据库，可以随时查询分析，并处理完的实时相位数据通过 Web 服务器发布到Internet，供远程工作人员查看。
2.2 核相方法的选择
2.2.1 核相方法介绍
核相系统的关键部分就是核相方法的选取，如何检测相位信息是优先考虑的问题。目前，相位检测的方法有很多种类，大致可分为模拟方法和数字方法两种。模拟方法是将两路信号过零点时间差转化成电压或者电流，从而计算出频率。采用模拟方法检测相位，需要一套专用的硬件电路，这种方法对相位差信号的变化不敏感，精度较差。数字方法是直接用计数脉冲对相位差脉冲进行填充，然后计算计数脉冲个数，再取平均值求相位，这种方法计数脉冲频率越高，测量精度越高。可以根据具体条件采用不同的方法来适应不同的系统。下面则根据需要简单介绍几种常用的相位检测方法。
3 系统硬件平台设计.......................................... 28-39
3.1 硬件平台总体结构 .......................................... 28
3.2 采集电路 .......................................... 28-33
3.3 嵌入式平台的核心电路.......................................... 33-38
3.4 本章小结 .......................................... 38-39
4 系统软件平台 .......................................... 39-62
4.1 嵌入式Linux 系统概述.......................................... 39
4.2 嵌入式Linux 移植 .......................................... 39-46
4.3 数据库移植 .......................................... 46-48
4.4 数据处理软件 .......................................... 48-57
4.5 Web 服务器 .......................................... 57-61
4.6 本章小结 .......................................... 61-62
5 实验结果与分析.......................................... 62-67
5.1 嵌入式平台软件测试.......................................... 62-64
5.2 硬件平台测试 .......................................... 64-65
5.3 Web 服务器测试.......................................... 65-66
5.4 本章小结.......................................... 66-67
结论
随着电力行业的逐渐扩大，对电网要求越来越高，核相工作就变的不容轻视，本文着眼传统核相工作的危险性和复杂性，研究出智能控制的电力核相系统，从根本上解决核相的难题。本文采用二次核相的原理再搭配上嵌入式系统，可以实现安全的、高效率的核相工作。同时采用 B/S 模式 Web 服务，实现了远程的对相位的实时监控，对于电力系统自动化起到了积极的推动作用。
设计中的相位计算采用的 DFT 算法，并利用锁相环扩频技术提高了采样频率的同步性，保证了采样的精度，提高了算法的准确度。硬件上采用了 ARM9 内核的微处理器 S3C2440 作为系统处理器，嵌入式 Linux 作为实时操作系统，以此为基础设计数据处理软件和 Web 服务器。为保证系统的嵌入式特性，还选择单文件型的数据库 SQLite 作为数据储存和查询工具。这些都是传统的核相工作所无法比拟的，更具灵活性和智能性。
由于系统是建立在嵌入式平台上的，还具有很好的扩展功能，移植了嵌入式 Web服务器后，除了可以进行核相工作外还可以执行对电网的远程实时监控。本文设计的远程监控是针对于相位信息，可以让远程的工作人员了解当前电网中的相位变化情况，并根据变化情况作出相应的判断。