臺灣博碩士論文加值系統

能源問題乃時下全世界最關心的議題，隨著科技不斷地進步，相對也帶動各產業的發展，但在追求高經濟成長的同時，各產業使用的設備耗電率及使用壽命則成為生產成本中的關鍵角色。電力能源使用相關政策近年來已成為政府及民眾首要關切的問題，舉凡工業生產機台、大電力使用設備及公共用電設施等，若能在電力品質監控下達到最有效率使用，節約能源的議題必定能大大躍進。
本論文以ARM Cortex-M3單晶片作為電力品質監控系統的核心；系統利用移動視窗進行電壓有效值運算以作為判斷不良電力品質事件的依據，並配合事件通道儲存機制的設計建立由電力品質資料交換格式(Power Quality Data Interchange Format, PQDIF)所記錄而成的檔案文件，以方便監測人員可透過PQDIF格式檔案詳細觀察電力異常發生時的前後狀態。在事件檔案傳輸功能方面，監控系統利用簡單式檔案傳輸通訊協定(Trivial File Transfer Protocol, TFTP)作為PQDIF資料傳輸基礎，進行電力品質監控後端監測工作。為求高精準度的不良電力品質事件時間定位資訊，本論文藉由接收全球定位系統(Global Position System , GPS)信號作為監控系統內部時鐘更新標準以及秒脈衝信號作為事件發生之時間戳記。綜合本論文開發重點，電力品質監控系統在監測到電力異常發生後，能即時將事件資料記錄成具有高精準度時間戳記的PQDIF格式文件，並藉由檔案傳輸機制將事件檔案同步傳送至指定後端監測器以完成電力品質監控作業。

Energy problems are the most concerned issue of the world nowadays. As the technology is constantly evolving, various industries are in the status of thriving. In order to achieve high economic growth, it’s important to care about the power consumption and life time of all equipment that we use. Policies relate with the usage of the power energy has become a primary concern of the government and people in recent years. If the equipment, like industrial production machines, heavy load equipment and public electricity facilities can be operated more efficiently, the energy conservation issues can certainly be achieved.
In this thesis, a microcontroller that is ARM Cortex-M3 based is used as the kernel of the monitoring platform. The monitoring system calculates the root mean square (RMS) data of voltage is used to determine the status of the power quality event. Moving window is used to speed up the detection of these events. With the design of storage architecture, the monitoring platform is able to record the event in a file that complies the PQDIF standard. Therefore, the waveform before and after the state of the abnormal power quality event can be observed through PQDIF file when an event occurs. To transfer the recorded file to a central station, TFTP is used. To obtain higher time tag precision, GPS receiver module is employed in the monitoring platform to achieve internal time clock update work and mini second precision for the power quality event recording. By integrating peripheral functions, e.g. PQDIF, TFTP based recorded files transmission work and event timestamp that GPS based for the monitoring system. The power quality measurement and data transmission work are developed and tested with real environment to verify the functionality.

目 錄

中文摘要 i
英文摘要 iii
誌 謝 v
目 錄 vi
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻探討 2
1.3 論文架構 4
第二章 電力品質事件辨識標準與分析 6
2.1 電力品質事件電壓變動定義與判別 6
2.1.1 電壓變動定義 6
2.1.2 電力品質事件辨識機制 11
2.1.2.1 移動視窗計算法 11
2.2 電力品質事件時間戳記 14
2.2.1 全球定位系統(GPS) 14
2.2.2 美國國家海洋電子學會傳輸資料碼(NMEA) 16
第三章 電力品質資料交換規範(PQDIF) 20
3.1 資料格式(PQDIF)介紹 20
3.1.1 物理層結構分析 21
3.1.1.1 內部記錄結構分析 23
3.1.2 邏輯層結構分析 24
3.1.2.1 資料源與觀測記錄的邏輯結構 26
3.1.3 壓縮程序 28
3.1.3.1 記錄層級壓縮程序(Record Level Compression) 28
3.2 資料格式(PQDIF)建構 29
3.2.1 通道規範概述 30
3.2.2 監測設定規範概述 31
3.2.3 觀測規範概述 32
第四章 電力品質監控系統架構與設計 33
4.1 電力品質監控系統規劃 33
4.2 系統架構與設計 34
4.2.1 即時作業系統應用 34
4.2.2 電力品質事件系統判別方法 37
4.2.3 電力品質事件取樣點儲存機制 39
4.2.4 GPS時間軸定位 43
4.3 PQDIF格式系統傳輸流程 47
4.3.1 TFTP 簡單式檔案傳輸通訊協定 47
4.3.2 SPI串列周邊介面 50
第五章 系統實測與結果 52
5.1 電力品質監控系統軟硬體應用系統與環境 52
5.1.1 ARM Cortex-M3 LPC1788開發板 52
5.1.2 RK-104 GPS信號室內發射器 53
5.1.3 UP-501 GPS信號接收模組 55
5.1.4 Wiznet W5200乙太網路模組 56
5.1.5 可程式交流供應器61705 57
5.2 不良電力品質事件 58
5.2.1 電壓驟降實測 59
5.2.2 電壓中斷實測 64
5.2.3 電壓驟升實測 66
5.3 電力品質事件GPS時間校準 68
5.4 TFTP傳輸機制實現 70
第六章 結論與未來展望 75
6.1 結論 75
6.2 未來展望 76
參考文獻 77

參考文獻

[1]台灣電力公司，2010，電力品質介紹。2014年5月6日，取自網址：
http://info.taipower.com.tw/big/Electric_power_quality/Quality.htm
[2]Gerson Eduardo Mog, Lactec and Eduardo Parente Ribeiro, " Zero crossing determination by linear interpolation of sampled sinusoidal signals," Transmission and Distribution Conference and Exposition, Latin America, 2004, pp. 799-802.
[3]Antony C. Parsons, W. Mack Grady and Edward J. Powers, " A wavelet-based procedure for automatically determining the beginning and end of transmission system voltage sags," Power Engineering Society 1999 Winter Meeting, vol.2, 1999, pp. 1310-1315.
[4]Alexandre B. Nassif, Edwin E. Nino and Wilsun Xu, " A V-I slope-based method for flicker source detection," Power Symposium, Proceedings of the 37th Annual North American, 2005, pp. 364-367.
[5]Emmanouil Styvaktakis, M. H. J. Bollen, and I. Y. H. Gu, " Automatic classification of power system events using RMS voltage measurements," 2002 IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, vol. 2, 25-25 Jul. 2002, pp. 824 - 829.
[6]趙東旭、馬素霞、林天華，電能質量數據採集策略的研究與實現，計算機與現代化，第八期，2010年，第80-84頁。
[7]陳鈺萍，無線低功耗網路之同步對時機制研究，碩士論文，國立暨南國際大學電機工程學系通訊工程研究所，南投，2012。
[8]R. N. Barnes, N. H. Younan, and J. C. Harden, " Spectral Analysis of Timestamp Data on Unsynchronized Computer Systems," Proceedings of the 33rd Southeastern Symposium on, Athens OH, Mar 2001, pp.305-308.
[9]IEEE Std. 1159-2009, " IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality," June 26 2009.
[10]IEEE P1159.3/D9 -2002(2002), " Recommended practice for the transfer of power quality data," August.
[11]Wikipedia . "Global Positioning System." Internet:
http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System, [April 18, 2014].
[12]袁曉冬、羅曦、顧偉，電能品質監測統一平台及PQDIF 資料格式研究，江蘇電機工程，28(5)，江蘇南京，29-32。
[13]黃文增，MicroC/OS-II：即時作業系統核心 (MicroC/OS-II: The Real-Time Kernel, 2/e)，新北市：全華，2006。
[14]Richard Barry, Using The FreeRTOS Real Time Kernel, 2009, pp.19-21.
[15]Wikipedia . "Trivial File Transfer Protocol." Internet:
http://en.wikipedia.org/wiki/Trivial_File_Transfer_Protocol, [May 20, 2014].
[16]ChinaUnix , "TFTP walkthrough." Internet:
http://linux.chinaunix.net/techdoc/net/2009/05/04/1109928.shtml, [May 20, 2014].
[17]NCKU CSIE , "SPI." Internet:
http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/SPI#introduction, [May 28, 2014].
[18]NXP , "NXP Microcontrollers Cortex-M3 LPC1788FBD208." Internet:
http://www.nxp.com/products/microcontrollers/cortex_m3/LPC1788FBD208.html, [May 18, 2014].
[19]Fastrax , "Fastrax UP501 GPS Antenna Module." Internet:
http://www.elecfreaks.com/wiki/index.php?title=Fastrax_UP501_GPS_Antenna_Module, [May 25, 2014]. 
[20]Chroma , "Chroma AC Source Model 61700 series." Internet:
http://www.chroma.com.tw/product/61700_series_Programmable_AC_Source.htm, [May 27, 2014].
[21]何學農，現代電能質量測量技術，美國：美國福祿克公司，2011。
[22]呂紹平，以SOPC實現電力品質事件辨識系統，碩士論文，國立國立臺北科技大學自動化科技研究所，臺北，2013。
[23]李志宏，多功能智慧型電度表開發，碩士論文，國立國立臺北科技大學自動化科技研究所，臺北，2011。