基于ARM的实现电力多参数测量的实时系统.doc

毕业论文-1-摘要····································································ABSTARCT·······························································1概述····································································11.1提出问题·····························································11.2国内外研究现状及发展趋势···············································11.3本文主要工作···························································22电力参数测量及谐波分析原理与算法····································32.1交流采样的实现方法·····················································32.2电力参数算法···························································52.3谐波信号分析理论基础···················································82.4电力仪表内温度检测电路原理············································172.5本章小结·······························································193主要器件的原理与选用·················································203.1主控制器的选择························································203.2存储器的选择··························································223.3A/D转换器的选择·····················································233.4本章小结·····························································244硬件电路设计与软件编程实现··········································254.1总体硬件方案··························································254.2电源电路的设计························································264.3电压电流测量电路的设计················································274.4复位电路的设计························································294.5存储器扩展电路的设计··················································304.6液晶模块电路的设计····················································314.7键盘电路的设计························································324.8CAN总线接口电路的设计················································334.9A/D转换电路的设计····················································35毕业论文-2-4.10温度测控系统的硬件设计设计···········································364.11软件设计·····························································374.12本章小结·····························································425结论····································································43谢辞·····································································44参考文献··································································45附录·····································································46毕业论文-3-摘要随着科学技术和国民经济的快速发展，各种工业生产对电力系统电能质量的要求越来越高。然而，现代电力电子设备和非线性负载的大量使用又造成电能污染日趋严重，电能质量成为电力部门及其用户日益关注的问题。本文对电能质量检测的有关理论进行了深入的分析研究，并在理论研究的基础上给出了电力参数测量及谐波分析的方法。本文引入了利用ARM技术测量电力参数的基本思想，采用同步锁相技术，实现同步采样。给出了硬件电路的结构和工作原理以及软件设计。采用数字信号处理技术进行电力参数的测量，在提高测量精度、实时性和智能化、系统化水平方面都具有独特优势。通过对电力参数、电力系统谐波源特征和现有电力参数测量技术的分析，建立了基于FFT的电力参数测量模型和谐波测量模型；为了消除FFT频谱泄漏，采用数字锁相同步方法进行误差修正；最后采用NXP公司的LPC2292作为核心处理器，进行多通道数据采集、FLASH存储等关键模块的软硬件设计与实现，该系统具备高质量的三相谐波信号源和电力参数测量功能。3路电压、3路电流信号的同步采集，六路被测信号电力参数的实时测量。能够实时测量信号的幅值、有效值、相位等电力参数。同时，本文就系统中使用的关键算法进行了论述。使用整周波的采样序列均方根值来计算电压、电流有效值；使用整周波的同时采样的电压、电流采样做乘积，再取平均值的方法来计算有功功率；使用FFT变换的方法来进行谐波分析，包括谐波状态下的功率因数的计算等。关键词：ARM；电力参数；锁相倍频；FFT1概述1.1问题的提出电能是用途最广泛的能源之一，也是人类社会不可缺少的重要能源。它广泛地应用于现代社会的各个领域，而电能质量与国民经济的各个部分和人民日常生活也有着密切的关系。在理想的交流供电系统中，三相交流电压是平衡的，电压和电流的波形呈正弦无畸变状态。近年来，随着电力电子技术的广泛应用，电力系统谐波污染日益严重，已成为影响电能质量的公害，对电网系统的安全、经济运行造成极大的影响。如：大功率可控硅器件、开关电源、变频调速、交直流变换设备等，至今为止机械式采油机仍是油田普遍使用的采毕业论文-4-油机械，它以交流感应电动机为动力，而这些典型非线性负荷将向电网注入大量的谐波电流，从而引起电网电压畸变，使电网波形受到污染，供电质量恶化，附加损失增加，传输能力下降，这对电力系统本身和广大电力用户，均会造成不良的影响和危害。同时各种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备的普及，使人们对电能质量的要求也越来越高，特别是大量使用微电子器件的仪表和设备，其对电网谐波干扰极其敏感。谐波可对电器设备造成瞬时干扰及长期影响。瞬时干扰包括使调速电机误动，使变压器振动并产生噪声，使电机出现扭矩振荡而迅速损坏，对电力线路邻近的通信系统产生干扰。长期影响主要是谐波的热效应：使电气设备的附加损耗增加而使温度升高，导致设备老化，过早损坏。例如电容器因介质的时滞现象过载而损坏。且随着谐波频率增高，导体的集肤效应与磁场的涡流效应产生的附加损耗加大，这是电机与变压器温度升高的主要原因。因而进行有效的电力参数测量、特别是谐波测量、谐波分析，进而进行控制，已成为一项迫切而又重要的任务。现在，有关部门已经制定了完整的电能质量标准和公用电网谐波标准。为了保障电网的安全运行和了解电网运行状态，需要对电网进行实时监控，而实时的对各种电力参数如电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等进行测量，才能有效地监控整个电力系统运行状况。因此，开发功能齐全、操作简便的电力参数测量装置对电力参数进行实时测量，具有非常重要的现实意义。1.2国内外研究现状及发展趋势目前，国内外的电力参数测量装置除了能够对电网（功率源）的基本电参量进行精确测量外，有的还能够对频率、相位角、高次谐波等进行测量并进行质量分析。精度和其他技术指标也得到了大幅度的提高，能在微处理器的控制下，通过软件对以上各项参数的测量误差进行修正，对整个系统进行满量程矫正，同时通过各种接口输出以便进行键盘输入、结果显示或与PC机进行数据交换。国产的谐波测量装置一般采用单片机，如国产的GXF-908A应用MSC-8098单片机，现三相电压和三相电流共六路信号同步采样，可以显示或输出三相239次谐波含有率、电压畸变率、相位关系及谐波功率和阻抗等，可绘出被测信号波形、谐波直方图和变化曲线，可以从多次测量值中筛选出前5个大值，每次测量结果可以为一个周期或3S平均值等，达到国家标准的要求。我国电力系统测量分析方面正在飞速发展，技术水平不断提高，但与国外还有较大差距，高精度测量、实时监控和先进算法的运用方面不够先进，而且大多功能单一。在国外工业发达国家，电能质量问题毕业论文-5-早已被当作电力系统面临的重要问题看待，各国均在加强有关电能质量问题的研究，并提出一系列综合检测控制和管理方法。1.3本文主要工作本文的主要工作是设计一个基于ARM的实现电力多参数测量的实时系统。重点是建立FFT的电力参数分析模型，并对电力参数实时测量系统的相关技术进行研究。通过对电力参数、谐波源特征和现有电力参数测量技术的分析，建立基于FFT的电力参数测量模型和谐波分析模型；为了消除FFT频谱泄漏，采用数字采样方法进行误差修正；最后采用NXP公司的LPC2292作为核心处理器，构建多通道数据采集、外部扩展存储、锁相倍频电路等关键模块的软硬件系统。充分利用ARM的运算功能来实现针对电力参数的实时测量、实时采样、有效值运算、功率计算、谐波分析等关键运算，同时进行实时按键处理，将测得的参数和波形进行显示。在系统调试方面使用JTAG接口进行调试，既简化了系统设计，又提高了系统的性能。2电力参数测量及谐波分析原理与算法电力系统的电压、电流的理想波形是标准的正弦波，正弦波供电能够减少铁损并提高效率。然而正弦波形只是一种理想状态，实际上是不可能完全实现的。对于一个畸变的非正弦周期函数，可以用傅里叶级数表示：kktkmtmtfcoscos1110其中，0为直流分量；km为周期分量的峰值；k是响应周期分量的初相角。由于毕业论文-6-电力系统中的非正弦周波都是不规则的畸变波形，所以无法从函数解析式转化为上式，进而获得谐波参数。常用的方法是对该种波形的连续时间信号进行等间隔采样，并把采样值转化为数字序列，然后借助相关算法进行谐波分析。电力参数的测量主要包括：电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率等。而根据被采集信号方法的不同，交流电参量的采样测量方法主要有两种：直流采样法和交流采样法。直流采样法是把交流电压、电流信号转化为直流电压，采样经过整流后的直流量，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，这种方法的主要优点是算法简单，便于滤波。但直流采样法存在一些问题：测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响；整流电路参数调整困难且受波形因素影响较大；此外，用直流采样法测量工频电压、电流是通过测量平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同时，平均值与有效值之间的关系也将发生变化，给计算结果带来了误差。因此，要获得高精度、高稳定性的测量结果，必须采用交流采样技术。2.1交流采样的实现方法交流采样法，即直接对连续的模拟信号进行等间隔采样，再用特定的数值算法（如DFT）进行处理得到谐波结果。但由于存在栅栏效应和频谱泄漏，采样前常需要采取同步措施校准。根据校准措施不同，交流采样法可分为同步采样法、准同步采样法、非整周期采样法等。2.1.1同步采样法同步采样法是指采样时间间隔s、被测交流信号周期0和一个周期采样点数之间满足关系式0=s。但实际采样中s不一定是一个整周期，故同步采样法需要保证采样截断区间等于被测连续信号整周期的整数倍。同步采样法的实现方法有两种：硬件同步采样法和软件同步采样法。软件同步采样法一般实现方法是：由ARM提供同步采样脉冲，首先测出被测信号的周期T，用该周期除以一周期内采样点数，得到采样间隔，进而确定定时器的计数值，利用定时中断方式实现同步采样。硬件同步采样法是：由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。它能克服软件同步采样法存在截断误差等缺点，测量精度高。硬件同步采样一般是利用锁相频率跟踪原理实现同步等间隔采样的，电路如图2-1所示。毕业论文-7-在相位比较器PD、低通滤波器LP、压控振荡器VCO构成的锁相环内加入分频器，输入被测信号的频率if，作为锁相环的基准频率，输出0f为采样频率。0f经分频后与if相比较，根据锁相环工作原理，锁定时0f/if，即0fif。由于锁相环的实时跟踪性，当被测信号频率if变化时，电路能自动快速跟踪并锁定，始终满足0fif的关系，即采样频率为被测信号频率的整数()倍，从而实现一周期内等间隔采样点，从根本上克服了软件同步采样法存在的上述问题。本文采用硬件同步采样法，利用锁相电路来构成频率跟踪电路，然后通过分频电路来控制AD转换的触发信号，从而实现同步等间隔采样。2.1.2准同步采样法实际采样测量中，采样周期经常不能与被测信号周期实现严格同步，即次采样不是落在2区间上，而是落在2+区间上（称为同步偏差或周期偏差），产生了同步误差。为解决该项误差，在八十年代初，清华大学戴先中教授提出了准同步采样法，即在不太大的情况下，当满足>(2+)M/2（M为最高谐波次数）时，通过增加采样数据量和增加迭代次数来提高测量准确度。它不要求采样周期与信号周期严格同步，不要求同步环节，对第一次采样的起点无任何要求。准同步采样降低了对信号频率、采间间隔和振荡器频率的要求，因此可以用要求低的振荡器代替同步采样中要求高的同步环节，使测量装置简单，简化电路。准同步采样法的不足之处在于，它需要通过增加采样周期和采样点数，并采用迭代运算的方式来消除同步误差，所需数据较多，计算量较大，运算时间长，不适合多回路、多参量、实时性要求高的交流测量系统，而且受短暂突发性干扰的影响可能性比同步采样法大。2.1.3非整周期采样法由于同步偏差会对谐波分析造成误差，人们采用准同步采样、加窗技术等来抑制频谱图2-1倍频锁相同步电路毕业论文-8-泄漏误差，但在原理上，它们多少存在着测量方法上的误差。因此，有人提出了一种“非整周期采样理论”，所谓非正周期采样就是采样时间间隔11/1s为同步偏差，T为信号周期，N为采样次数，K为采样周期数)，对连续周期信号进行采样。非正周期采样谐波分析方法所需要的数据可以仅约为一个周期，从而使谐波分析有可能跟踪信号的波动，且不管实际采样是否同步，均能准确地分析谐波。该方法适合于快速测量，但采样/保持误差、A/D转换器误差、外部或内部随机干扰以及计算机舍入误差等对非整周期采样谐波分析方法的影响，还有待于进一步研究。对于分析样本值获取结果来说，谐波检测方法也可以划分为傅里叶变换法、瞬时无功功率理论法、小波变换法、神经网络方法等。考虑到数字信号处理在电力系统测量方面的优势及FFT算法的成熟程度，本文设计的电力参数测量模型及实时测量系统采用传统FFT算法，并通过锁相同步硬件技术修正其测量误差。2.2电力参数算法从有效值的定义可知，有效值是按照功率来定义的，即被测电压（或电流）与一直流电压（或电流）在同相阻止的电阻上，在相同时间发热相等，就认为被测电压（或电流）的有效值等于该直流电压（或电流）的幅值。1、交流电压、电流有效值的测量设输入电压、电流为tu和ti，计算某一周期电压、电流信号有效值如（2-1）和（2-2）。TdtuUT021（2-1）TdtiIT021（2-2）式中，u、i为t时刻的电压、电流信号瞬时值u(t)、i(t)；T该电压信号波形的周期；U交流电压信号有效值；I交流电流信号有效值。如果将式（2-1）、（2-2）离散化，以一个周期内有限个（N个）采样电压、电流数字量来代替电压、电流函数，则毕业论文-9-TuUNnn102（2-3）TiINnn102（2-4）式中，相邻两次采样的时间间隔；nu和ni分别为第n个时间间隔的电压、电流信号瞬时采样值；N一个周期的采样点数。若相邻两次采样的时间间隔都相等，为常数。因为N=则有102NnnuU（2-5）102NnniI（2-6）这就是根据一个周期内采样瞬时值及每周期采样点数计算电压、电流信号有效值的公式。2、平均功率W的计算101NnnniuNW（2-7）其中，N为电压、电流的一个周期的采样点数，当一个周期内采样点数越多时，使用式（2-7）的误差越小，精度越高。3、有功功率P、无功功率Q和视在功率S的测量正弦波情况下，有功功率为cosUIP，但是在电压、电流含有各种谐波的情况下，此时的有功功率为dtiuTPtTt01,那么单相有功功率离散化后可得：101NnniuNP（2-8）