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基于DSP电力参数测量系统设计.doc

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基于DSP电力参数测量系统设计.doc

I基于DSP的供电系统电力参数检测的研究摘要电力参数的准确、快速测量对于实现电网调度自动化、保证电网安全与经济运行具有十分重要的意义。本文通过分析国内外电力参数监测装置的发展状况,针对我国电力部门的要求和实际问题,在建立基于FFT算法的电力参数测量模型的基础上,研制出一种新型多功能电力监测仪。本设计硬件采用TI公司的TMS320C5402作为核心处理器,根据电力系统中数据采集和处理的实际特点,用DSP控制可对6路进行同时采样的高速A/D转换器AD73360来完成6路信号的数据采集,满足电力系统中数据采集的实时性与同步性;并用CPLD与凌阳单片机实现部分控制功能,即键盘部分、LCD接口、语音部分以及串口通讯等电路。在软件方面进行了相关软件算法设计,系统采用128点离散采样,由DSP进行基-2FFT运算。在FFT算法之前设置了FIR数字滤波环节,有效的减小干扰,提高了测量的精度。同时介绍了电力参数检测的主程序,并实现了语音提示功能和更加人性化的操作显示界面。本设计将高速DSP芯片与精确的傅立叶变化运算这两种先进的软硬件技术结合起来,设计了基于DSP电力参数测量系统,提高了测量精度,保证了实时性。实现三相电网3路电压、3路电流信号的同步采集,被测电网信号电力参数的实时测量;键盘选择各路电网信号、被测参数,并对测量结果进行液晶显示;系统出现故障时实现语言报警等功能。关键词电力参数;FFT;TMS320C5402;CPLD;锁相同步IIABSTRACTTHEEXACTANDQUICKDETECTIONOFELECTRICPOWERPARAMETERSPLAYSAKEYROLEINTHEREALIZATIONOFTHEAUTOMATIONREGULATINGOFTHEELECTRICPOWERNETWORK,OFTHESAFEOFELECTRICPOWER,ANDOFTHEECONOMICALOPERATIONOFTHEWHOLEPOWERSYSTEMTHROUGHTHEANALYSISOFDOMESTICANDINTERNATIONALDEVELOPMENTALSTATUSQUOOFTHEMONITORINGDEVICEFORELECTRICPOWERPARAMETERSDETECTION,ANDAIMINGATTHEREQUIREMENTSANDTHEPRACTICALISSUESINELECTRICITYSECTOROFOURCOUNTRY,ANDONTHEBASISOFSETTINGUPFFTALGORITHMBASEDMODELOFELECTRICALPOWERPARAMETERSDETECTION,THEPAPERPROPOSESANEWTYPEOFMULTIPURPOSEELECTRICPOWERMONITORDEVICETHEHARDWAREDESIGNUSESTISTMS320C5402ASTHECOREPROCESSORACCORDINGTODATAOFTHEPOWERSYSTEMCOLLECTIONANDPROCESSINGINTHEPRACTICE,BYUSINGDSP,THESYSTEMCANCOMPLETETHESIXCHANNELSSIGNALCONVERTERTHROUGHHIGHSPEEDACCONVERTERAD73360;MEETTHEPOWERSYSTEMDATAACQUISITIONINREALTIMEANDSYNCHRONIZATIONCPLDANDSUNPLUSMCUIMPLEMENTPARTIALCONTROLFUNCTION,INCLUDINGKEYBOARD,LCDINTERFACE,ANDTHEVOICEANDSERIALCOMMUNICATIONSCIRCUITTOSOFTWARETHECONCERNINGSOFTWAREALGORITHMSISDESIGNEDTHESYSTEMADOPTS128POINTSSAMPLEANDDSPTOBERESPONSIBLEFOR2BASEDFFTOPERATIONBEFORETHEUSEOFFFTALGORITHM,FIRDIGITALFILTERSECTORISUSEDTOEFFECTIVELYREDUCEINTERFERENCEANDMEASUREMENTPRECISIONTHEMAINPROGRAMOFELECTRICALPOWERPARAMETERSDETECTIONISALSOINTRODUCEDTHEVOICEALERTANDMOREHUMANIZEDOPERATIONINTERFACEISALSOREALIZEDBYTHECOMBINATIONOFTWOADVANCEDHARDWAREANDSOFTWARETECHNOLOGIES,WHICHAREINCLUDINGHIGHSPEEDDSPCHIPANDTHEEXACTFOURIERTRANSFORMS,ADSPBASEDELECTRICALPOWERPARAMETERSMEASUREMENTSYSTEMISDESIGNEDTOIMPROVEMEASUREMENTPRECISIONANDGUARANTEETHEREALTIMEOPERATIONTHISSYSTEMIMPLEMENTSSYNCHRONOUSSAMPLINGOFTHREEPHASEVOLTAGEANDTHREECURRENTSIGNALOFTHREEPHASEELECTRICALPOWERNETWORK,ANDTHEREALTIMEMEASUREMENTOFELECTRICPOWERPARAMETERSOFTHEDETECTEDELECTRICALPOWERNETWORKSIGNALKEYBOARDISUSEDTOSELECTELECTRICALPOWERNETWORKSIGNAL,THEDETECTEDPARAMETERTHERESULTOFMEASUREMENTISIIIDISPLAYEDINLIQUIDCRYSTAL;THESYSTEMCANALSOGIVEANALARMWHENTHESYSTEMISINTROUBLEKEYWORDSELECTRICALPOWERPARAMETERS;FFT;TMS320C5402;CPLD;SYNCHRONOUSPHASELOCKIV目录摘要ABSTRACT第一章绪论11引言............................................................112国内外研究动态..................................................113课题研究意义、研究内容、技术开发路线..............................2第二章电力参数测量技术的数学模型21电力参数测量的数学模型..........................................4211电力参数测量技术..............................................4212基于FFT的电力基本参数测量模型.................................722电力系统的谐波及其测量模型.....................................12221电力系统的谐波及其测量技术...................................12222电网质量标准.................................................14223基于FFT的谐波测量模型........................................16第三章电力参数实时测量系统的整体设计方案31DSP基本处理系统的选择与设计....................................18311DSP芯片的选型................................................18312基于TMS320C5402的最小硬件系统................................2032VHDL语言以及CPLD的应用设计....................................22321VHDL的语言简介..............................................22322可编程逻辑器件的选择与设计...................................2433A/D转换器的选型................................................2634外围电路功能介绍...............................................28341SPCE061A功能介绍.............................................28342LCD选型与功能介绍...........................................3135电压电流互感器的选择...........................................32第四章电力检测系统的硬件设计41系统工作原理及框图.............................................3442电压、电流隔离传感器的设计......................................3543多通道数据采集系统.............................................36431A/D采集系统设计..............................................37432锁相同步采样设计.............................................3844开关量输入输出的设计...........................................3945模拟抗混叠低通滤波电路.........................................4146过零比较器.....................................................42V47信号调理电路...................................................4248缺相检测的实现.................................................4349键盘的实时控制及LCD实时显示的实现..............................44491按键电路.....................................................44492LCD显示电路..................................................44410RS485通讯接口.................................................45第五章电力检测系统的软件设计51系统软件设计概述...............................................4752CCS集成开发环境与流程..........................................4753系统软件整体设计...............................................4854A/D采集程序设计................................................5055数据处理模块的软件设计.........................................52551数字滤波器的选择与实现.......................................53552FIR滤波器的基本原理和设计方法................................54553傅立叶快速变换的软件实现.....................................5656外围电路软件设计...............................................63561显示软件的设计...............................................63562语音报警功能的实现...........................................64第六章系统设计中涉及的问题及误差分析61PCB板设计要求..................................................66611安装与布局设计...............................................66612受力与受热情况情况分析.......................................67613PCB电源线和地线的布置.......................................67614PCB信号线的布置.............................................68615去耦电容的设计...............................................68616美观情况分析与设计...........................................6962DSP的软硬件设计与调试..........................................69621TMS320C5402硬件设计时的注意点小结............................69622硬件调试时的注意点小结......................................70623DSP软件设计与调试............................................7163误差分析与解决.................................................71631电力参数测量的误差分析.......................................71632误差传递公式.................................................72633误差模型的建立与软件校正.....................................73634系统实际测试.................................................74结论与展望.............................................................77致谢....................................................................80参考文献................................................................81学位论文1第一章绪论11引言随着科学技术的飞速发展,人民生活水平日益提高,各种各样的电力电子设备被广泛的应用到各个领域。诚然,这种变化给人们带来了极大的物质享受,但是也带来电力系统的电能质量问题,尤其是动态非线性负载的应用,其的冲击性和不平衡性使电网供电质量日趋恶化。丰富的现代家庭的家电设备使电网质量有了更高的要求,如对于无功功率的要求,以及谐波污染的要求都有了很大的提高。电网质量的下降将带来很多弊端,比如造成一些家用电器的无法使用或损坏,电能的浪费和污染,甚至更可怕的是造成电网、配电屏的损坏,从而造成更大范围的损失。因此,在供电系统的设计中,对谐波、负荷电流水平和功率因数等电网参数进行合理的估算,并采取相应的措施如加设滤波和无功补偿装置是非常必要的。自从20世纪70年代末80年代初诞生以来,DSP芯片得到了飞速发展。DSP在诸多领域取得了广泛而深入的应用,其在电力系统中的应用相对较晚。然而却有着广泛的应用前景。随着电力系统的快速发展,电力网容量不断增大,结构日趋复杂,电力系统中实时监控、调度的自动化就显得十分重要。由于电力参数监测系统具有数据采集路数多、瞬变的多输入输出等特点。为保证其安全运行,需要实时的监控各节点的运行状况,及时发现电力系统的不正常状态,并快速的进行控制和处理。这就要求在各个节点都有数据采集单元,将测得的电力参数进行分析和控制,就地快速解决问题。电力系统对数据处理的实时性要求很高而且数据量较大,包括频率、电压、电流、功率、谐波分量等,普通的微处理器不能适应要求,而DSP正可以发挥其快速强大的运算和处理能力,满足了电力系统监控的实时性和处理算法的复杂性等要求1。12国内外研究动态长期以来,电力系统中都有相对应的专用电表,其主要功能是单参数显示和记录,仍然脱离不了单一功能、单一参数的特征,使得电力系统布线配置过于庞杂,运行自动化程度低,故障查找及维修都比较困难。为此,一批测量功能更多、结构更简单的全新概念的电测仪表正在涌现,而且朝着取代传统的单一功能电表的方向发展,并深入到电学位论文2力监测的方方面面。近几年,随着微电子技术和数字处理技术的飞速发展,相关新产品不断问世,使开发新式电力参数综合监测装置成为可能。目前,国内外新型的多功能电力监测装置正朝着以下方向发展体积小型化、功能多样化、功耗减小,维持电流降低、采用新器件,提高了可靠性、显示方式普遍更新。一些电力系统测量装置除了能够对电网的基本电参量如电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等进行精密测量外,有的还能够对电网的频率、相位角、高次谐波等进行测量并进行电能质量的分析,精度和其它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校正,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。我国虽然自制研发了一些多功能的电力参数监测装置,但其在功能、价格、维护等方面不能完全适合我国现阶段的需要,因此迫切需要一种高质量、高可靠性、功能齐全、价格低廉的综合监测装置。我国电力系统测量各方面的技术水平与国外还有较大差距,国产的谐波测量装置一般采用单片机,高精度测量、实时监控和先进算法的运用受到限制,而且功能相对单一,如国产比较典型的GXF908A应用MSC8098单片机,能实现三相电压和三相电流共6路信号同步采样,可以显示或输出三相2~39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2。在国外,早己经有专门机构来制定各种电能质量的规范,而我国在近年也逐渐提出了各种质量标准,并在最近几年的电网改造中越来越重视电能的质量监控。国外产品发展相对成熟,如美国福禄克公司的F43B型电能质量分析仪是一种将示波器、万用表和电能质量分析仪集为一体的手持式仪器,能够测量包括真有效值电压、电流、功率、功率因数和真功率因数,高至51次谐波、谐波相位和谐波失真总量,可用于电能质量和一般设备故障的诊断,常规电力维护,预防事故发生。13课题研究意义、研究内容、技术开发路线电力系统中各重要节点的电压、电流、用电量及绝缘设备老化程度等都对整个电力系统的安全稳定运行起着关键作用,因此,对它们的监测技术也就尤为重要。同时电力参数的准确、快速测量对于实现电网调度自动化、保证电网安全与经济运行也具有十分重要的意义。随着经济的快速发展,电网中非线性设备的使用日益增多,所产生的高次学位论文3谐波电流大量注入电力线路中,使得电网电压、电流波形发生畸变,原有的电力监测仪就不能满足现阶段电力的需要,迫切需要一种新型多功能电力监测仪应用于电力系统的监测。电力参数和电能质量参数成为人们掌握供电线路状态和评价供电质量的重要指标。采用数字信号处理技术进行电力参数和电能质量参数的测量,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。通过充分调研并翻阅大量资料,针对课题要求设计了以下的研究总体思路及技术开发路线研究内容(1)熟悉本设计的产生和应用背景,了解并熟悉其他电力参数监测系统的实现原理。(2)在分析电力参数和电能质量参数及其测量技术的基础上,研究基于FFT的电力参数和电能质量参数测量模型。(3)了解DSP应用系统开发流程,研究以DSP与CPLD为核心的电力参数实时测量系统的软硬件设计。技术开发路线(1)解决强电到弱电的转换,实现同步采样网6路信号。(2)研究基于FFT的电力基本参数和电能质量参数的测量模型。(3)电力参数实时测量系统软硬件设计。(4)电力参数实时测量系统软硬件调试。(5)系统误差分析与解决方法学位论文4第二章电力参数测量技术的数学模型21电力参数测量的数学模型211电力参数测量技术近几年来,随着微机技术的发展,国内微机监控系统开始进入电力系统监控,系统的主要功能是监测、控制,而数据采集又是实现自动化的最重要的环节,尤其是如何准确快速地采集电力系统中的各个模拟量,一直是电力工作者关注的问题。电力系统电力参数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。根据被采集信号的不同,数据采集可分为直流采样和交流采样两大类。直流采样是采集经过变送器整流后的直流量,然后由A/D转换器送入主机,此方法软件设计简单、计算方便,对采样值只需作一次比例变换,即可得到被测量的数值,因而采样周期短,因此在微机应用的初期,此方法得到了广泛的应用。但投资大,维护复杂,特别是不能及时反应被测量的突变,具有较大的时间常数。因此,为了提高响应速度,变送器的时间常数应特殊设计,因而不宜普遍使用。另外测量谐波有误差,以及测量精度直接受变送器的精确度和稳定性的影响。随着微机技术的发展,交流采样以其优异的性能价格比,有逐步取代直流采样的趋势。交流采样的应用范围非常广泛,根据应用场合不同,其算法也有很多种,按照其模型函数的不同,大致可分为正弦模型算法、非正弦模型算法。正弦模型算法主要有最大值算法、单点算法、半周期积分算法、两点算法、导数算法3和快速三点算法4。非正弦模型算法主要有有效值算法、傅立叶及改进的傅立叶算法5,6(包括全波傅立叶算法、半波傅立叶算法、快速傅立叶算法、递推傅立叶算法等)、最小二乘算法(LEASTERRORSQUAREALGORITHM)、卡尔曼滤波算法(KALMANFILTERALGORITHM)、小波变换算法7等。其中,有效值算法的计算精度与采样点数N和采样的同步度有关,在系统允许的前提下,可以增加采样点数来提高运算精度。该算法实时性好、简单,能够计及信号中的高次谐波的影响,在不需要测量基波和各次谐波参数的情况下,可以选用此方法;傅立叶及改进的傅立叶算法是目前应用最多的算法,可以一次算出信号中所用谐波,应用方便,已经在电力系统测量中得到了长久的应用,小波变换算法因其在时频域都具有较好的分辨率,在电力系统测量中有很好的研究价值。

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