毕业设计（论文）-基于ARM7的电网谐波测量系统软件设计.doc

本科毕业设计(论文)题目：基于ARM7的电网谐波测量系统软件设计院、 系：电子信息工程学院 学科专业： 自 动 化 学 生： 学 号： 指导教师： 2011年 6月基于ARM7的电网谐波测量系统软件设计摘 要电力电子装置谐波是公用电网中最主要的谐波源，近年来随着电力电子设备的应用日益广泛，电网中的谐波污染越来越严重，这种谐波污染对各种电力设备、通信设备及线路都会产生有害的影响，严重时不仅会损坏设备，甚至会造成电力系统事故，直接影响安全生产与生活的正常运行。因此，对电网谐波进行监测与研究是限制、消除谐波危害的前提，也是保证供电系统安全经济运行及保证设备和人身安全的迫切需要。但是很长一段时间以来，对设备安全稳定运行的重视仅仅停留在设备本身质量的提高上，而电能质量对仪器、设备安全稳定运行的影响则长期得不到重视。在这种情况下，必须对电能质量进行实时监测，本文将讨论电网谐波测量系统的软件设计。在参阅大量技术文献的基础上，然后根据技术指标要求，设计并编写了系统相应的数据处理软件。系统的核心-微处理器是选用基于ARM7的LPC2132处理器，通过对电压和电流的采样数据分析计算和所得出影响电网的各次谐波电压和电流的值，各次谐波含有率、谐波畸变率等参数。根据系统的功能要求，对系统各个模块进行设计，通过数据采集将电网电量数据输入系统，在处理器中完成数据倒序处理和快速傅立叶变换等相关的运算处理工作，实现谐波的准确检测。最后经过样机测试证明，本文设计的电网谐波检测与分析系统能够准确、可靠的实现谐波含量的检测与分析。关键词：ARM7微处理器；谐波监测；FFTAbstractPower electronic device is the most common source of harmonic in power grid.Inrecent years,because of rapid growth of power and electronic device,harmonic pollution in power system becomes more and more serious.It can produce harmful affection to all kinds of power device,communication equipment and wiring,even generate accident of power system so that directly affect safety production and normal running of lives.As a consequence,monitoring and studying power network harmonic is not only a premise to confine and eliminate harmonic,but also a urgently demand to assure power supply system and other apparatus to run economically and safely. Howerver,people only pay more attention to improving these apparatusquality to realize that goal,ignoring the affect of electric power quality on apparatussafe and stable operation.In this case,it is necessary to monitor power quality in real-time. This paper will discuss the harmonic wave in the power grid measurement system software design.Referring to a great deal of literature，Then according to these specifications, The system design and to produce corresponding data processing software .As the core of the system-microprocessor using LPC2103,which is based on ARM7.By sampling voltage and current ofthe power system,the device can analyze the amplitude and phase of all timesharmonics,the harmonic ratio and total harmonic distortion in power system.According to the systems function requirement, design of system modules Through the data acquisition will power grid power data input system processor, in reverse chronological order processing and complete data fast Fourier transform and other related operation to handle the job, Realize the harmonics accurately detection.Finally,through the test of sample machine,the harmonic detecting and analysis system which designed in this article can achieve harmonic content of the detection and analysis exactly and reliably.Keywords:ARM7 microprocessor; harmonic detecting；FFT目 录中文摘要英文摘要 1 绪 论1.1谐波的研究现状和研究意义1.2电网谐波的相关概述1.2.1谐波的产生1.2.2谐波的危害1.3本课题的研究任务2 电网谐波检测方法及分析原理2.1谐波的基本概念2.2谐波测量算法 2.2.1 傅立叶变换 2.2.2离散傅立叶变换(DFT) 2.2.3快速傅立叶变换(FFT)2.3本章小结第三章 系统软件设计3.1 ADS1.2集成开发环境简介 3.1.1 ARM ADS的组成 3.1.2 CodeWarriorIDE简介3.1.3AXD调试器简介4.2系统软件设计4.2.1 主程序设计4.2.2数据采集模块软件设计4.2.3数据处理模块的软件设计4.2.4实时时钟读取和数据存储模块4.2.5按键与液晶显示模块4.3本章小结第四章 结论第一章 绪论在电力系统中，正常的电压和电流波形应当是工频下的正弦波，但是实际的波形总有不同程度的畸变，尤其是近年来，配电网中换流器、变频调速、电弧炉、电气化铁路、家用电子设备以及各种电力电子设备不断增加，这些负荷的用电特性(非线性、冲击性和不对称性)使电力系统中的电压和电流波形发生严重的畸变，这就是通常讲的电力谐波。在公用电网中，谐波使供电和用电设备过热、电能损耗增加，影响它们的正常运行，轻则降低设备的使用寿命和系统的功率因数，重则会导致短路和对谐波敏感的继电保护等设备误动作，甚至烧毁元器件、电机或变压器。因此，对于电力谐波的检测己日益成为人们关注的问题。1.1谐波的研究现状和研究意义电力系统谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分的关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。因此，不论从保证电力系统的安全经济运行或是从保证用户设备和人身的安全来看，对谐波污染造成的危害影响都应加以研究、分析。电力系统中谐波的实际测量结果是谐波问题研究的主要依据，也常常是分析问题的出发点。制定限制谐波的标准是解决电力系统谐波危害和影响的重要措施。世界上许多的国家都已制订了限制谐波的国家标准或全国性规定。我国也先后于1984年和1993年分别制定了限制谐波的规定和国家标准。在国际上，各个国际组织，如国际电气电子工程师协会（IEEE）、国际电工委员会（IEC）和国际大电网会议（CIGRE）也纷纷推出了各自建议的谐波标准，其中较有影响的是IEEE519-1992和IEC555-2。前者是修订后第二次发表，后者是正在修订之中。今年来，国际上有关谐波的研究十分活跃，每年都有大量的论文发表。这一方面说明了这一研究的重要性，另一方面也预示这一领域的研究将取得重大突破。由于现代工商业及居民用户的用电设备对供电质量的要求越来越高，因此，电力谐波抑制及补偿装置的研制已势在必行。这些装置到底需要进行怎么样的补偿配置，以及需要达到何种补偿效果都是以电力谐波分析得到的结果为依据的。对于电力系统这个环境来说，无谐波是“绿色”的主要标志之一。目前，对地球的环境保护已成为全人类的共识，对电力系统谐波污染的治理已成为亟待解决的问题。1.2电网谐波的相关概述12.1谐波的产生通常认为，谐波是一个周期性的正弦波分量，其频率为基波的整数倍，因此有人把谐波也称为高次谐波。实际上，“谐波”这一术语已经包含了频率高于基波频率的意思，因此加上“高次”两字是多余的。在有的文献中，称谐波中频率较高者为高次谐波，频率较低者为低次谐波。此外，实际电网中有时也存在一些频率不是基波频率整数倍的正弦分量，称为分数次谐波或间谐波，低于工频的间谐波称为次谐波。在电力电子装置大量应用之前，变压器是主要的谐波源，随着电力电子装置应用的日益广泛，它们代替了变压器成为了最大的谐波源。而在电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。常用的整流电路几乎都是采用晶闸管相控整流电路或者二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路居多。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的谐波污染源。另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子也会在输入侧产生大量的谐波电流。1.2.2谐波的危害谐波的危害十分严重，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波还会引起继电保护和自动自动装置误动作，是电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波研究的意义还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。综上所述，谐波污染对电力系统的危害归纳起来主要有：1、使供电线路和用电设备的热损耗增加，主要表现在：(1)、谐波对线路的影响对供电线路来说，由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很快增加，在线路中会有很大的电能浪费。另外，在电力系统中，由于中性线电流都很小，所以其线径一般都很细，当大量的谐波电流流过中性线时，会在其上产生大量的热量，不仅会破坏绝缘，严重时还会造成短路，甚至引起火灾。(2)、对电力变压器的影响谐波的存在增加了电力变压器的磁滞损耗及铜损，对带有不对称负荷的变压器来说，会大大增加励磁电流的谐波分量。(3)、对电力电容器的影响由于电容器对谐波的阻抗很小，谐波电流叠加到基波电流，会使电力电容器中流过的电流有很大的增加，使电力电容器的温度升高，引起电容器过负荷甚至爆炸。同时，谐波还可能与电容器一起在电网中形成谐振，又施加到电网中。(4)、对电机的影响谐波会使电机的附加损耗增加，也会产生机械振动，甚至引起谐波过电压，使得电机绝缘损坏。2、对继电保护和自动装置的影响对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动，造成整个保护系统的可靠性降低，容易引起系统故障或使系统故障扩大。3、对通信线路产生干扰在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时，通过电磁耦合，会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作，使通话清晰度降低，甚至会引起通信线路的破坏。4、对用电设备的影响电力谐波会使电视机、计算机的现实亮度发生波动，图像或图形发生畸变，甚至会使机器内部元件损坏，导致机器无法使用或系统无法运行。5、对产品质量的影响当一定频率的谐波对用电设备有影响时，会使设备工作不稳定，导致产品质量下降。严重时会产生批次性产品报废。6、谐波对计量仪表的影响谐波的存在会使计量仪表的指示产生误差，甚至会导致计量设备无法工作。为了电力系统及其用电设备安全经济运行，国际电工组织规定了谐波标准，我国也制定了相应的国家谐波标准。它包括限制电力系统产生和控制谐波含量的各种标准和规定。1.3本课题的研究任务本课题研究以ARM7核的LPC单片机为核心的电网谐波实时测量系统的软件设计。测量系统以LPC单片机为主芯片，扩展外围功能电路模块，可以完成对三相电压电流谐波等参数的实时监测，同时可实现监测数据的统计存储、通信、人机交互等功能。重点研究该测量系统的工作原理和软件结构，以及谐波分析的相关算法。 设计的基本要求 （1）研究谐波实时测量方法，理解谐波检测分析的工作原理，明确谐波检测分析系统工作的功能需求。；（2）根据系统的功能需求确定设计方案，做出信号采集及处理等程序流程图； （3）以ARM为核心，构建嵌入式开发平台，将CPU和实序列FFT算法相结合编写谐波的测量与分析实现的各模块软件。（4）编写各个模块的程序并调试系统各部分软件，检验系统检测分析效果第二章 电网谐波检测方法及分析原理2.1谐波的基本概念在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形，正弦电压可以表示为： u（t）= Usin（t+） (2-1)式中：U-电压有效值；-初相角；-角频率，=2f=2/T；f-频率；T-周期。正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和微分的关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期为/的非正弦电压u(t)，一般满足狄里赫利条件，可分解为式(2-10)或式(2-11)形式的傅里叶级数，在这里频率为1/T的分量称为基波，频率为大于1整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式中的u(t)转成i(t)即可。n次谐波电压含有率以HR (Harmonic Ratio )表示。HR = / 100 (2-2)式中：-第n次谐波电压有效值(均方根值)；-基波电压有效值。n次谐波电流含有率以HR (Harmonic Ratio )表示。HR=/100 (2-3)式中：-第n次谐波电压有效值(均方根值)；-基波电压有效值。谐波电压含量和谐波电流含量分别定义为：= (2-4) = （2-5） 电压谐波总畸变率TH (total harmonic distortion)和电流谐波总畸变率TH分别定义为：TH=/100 (2-6)TH=/100 (2-7)以上介绍了谐波及与谐波有关的概念。可以看出，谐波是一个周期电气量中频率大于1整数倍基波频率的正弦波分量。由于谐波频率高于基波频率，有人把谐波也称为高次谐波。实际上，“谐波”这一术语已经包含了频率高于基波频率的意思。谐波次数n必须是大于1的正整数，n为非整数时的正弦波分量不能称为谐波。当n为非整数的正弦波分量出现时，被分析的电气量已不是周期为T的电气量了。2.2谐波测量算法电力系统谐波测量仪，就是要在畸变的波形中分析出各次谐波(含直流和基波分量)的幅值和初相位的大小。畸变波形的频域分析，通常所用的数学方法是傅立叶级数展开法，目前国内外的谐波分析仪，均采用傅立叶算法。2.2.1傅立叶变换傅里叶算法的基本思想源于傅里叶级数。一个非正弦的时间周期波形，如电压、电流等，可用对于时间t的周期函数表示为：f(t)=f(t+kT)(k=0，1，2.) (2-8)式中：T-周期函数以时间表示的周期，单位为s。该周期函数变化的频率为f=1 /T，角频率为=2f=2T,令时间轴及角度=t，周期函数可表示成为：f(t)=f(t+k)(k=0,1,2.) (2-9)式中：-以角度表示的周期，单位rad，=T=2。用傅立叶级数的方法可把上面周期函数分解成基波和无数高次谐波之和的三角级数:x(t)= (2-10)也可将式中同频项合并，可以改写为:x(t)= (2-11)式中：-直流分量；和-谐波的幅值和初相角。= =arctan(/) (2-12)=1/T (2-1)=2/T (2-14)=2/T (2-15)一般情况下电力系统的畸变波形，都满足傅立叶级数的存在条件，都能分解得到基波和无数高次谐波之和。傅里叶级数也可以写成复指数函数形式。根据欧拉公式有： j= (2-16)=1/2(+) (2-17) =1/2j(-) (2-18)因此式(2-11)可改写为x(t)= + (2-19)令 =1/2 (2-20) =1/2 (2-21) = (2-22)则 x（t）=+ (2-23) 或 x(t)= (2-24)这就是傅里叶级数的复指数函数形式。2.2.2离散傅立叶变换(DFT)我们知道，电压和电流信号是正弦连续信号f(t)=sint (2-25)如果一个信号只是在离散的时刻才有确定值，就称离散信号。如果将一个连续信号通过一个开关，这个开关每隔T时间间隔就开关一次，就可得到离散信号离散型号通过A/D转换器量化后称为数字信号，只有转换为数字信号后才能用算机对其进行处理。在数字化测量系统中随着计算机技术的应用，通过采样及A/D变换，对输入量进行离散化和量化处理而得到一组离散化的数据序列x(n)。对于这种有限长离散数字序列x(n)，0nN-1，它的频谱X(K)可由离散傅里叶变换(DFT)求得。 设x(t)为一周期连续信号，如果以抽样间隔为T的抽样率进行抽样，抽样结果为： (2-26)设一个周期的采样点数为N，即n=0到N-1，则 (2-27)(2-26)式可表示为： (2-28)对x(t)进行采样等于先将它的一个周期抽样成x(nT),然后把这一个周期进行延拓，所以有： (2-29)式中T为采样间隔，NT为x(nT)的周期，令并将展开为傅里叶级数，有： (2-30)式中： (2-31)将和(2-30)代入(2-29)式得: (2-32) 其中 k=0,1,2.N-1 (2-33) 为离散傅里叶变换。式中，X(K)为离散频谱中的第k个分量，x(nT)为时间记录中第n个分量，k为频域样本序列，n为时间记录的样本序号。离散傅里叶变换完成离散时域信号到频域信号的转换，其逆变换为 (2-34)2.2.3快速傅立叶变换(FFT)由于直接计算DFT的计算量与变换区间长度N的平方成正比，当N较大时，计算量太大，在工程上是不适用的。1965年图基库利在计算机数学上发表了著名的“机器计算傅立叶级数的一种算法”一文，经其他人改进形成了一套高效的运算方法，即快速傅立叶变换(FFT)。这使离散傅立叶变换在投入实际应用成为可能。利用的对称性和周期性，可以将N点的DFT分解为两个N/2点的DFT，这样二个N/2点的DFT总的计算量只是原来的一半。这样的分解可以继续下去，将N/2点的DFT再分解为N4点的DFT。最小的分解点数称为基数(radix)，基2的FFT就是最小变换为2点DFT。下面对按时间抽取的快速傅立叶变换作简要介绍。设N =2L，L为整数。将N =2L序列分为偶序列和奇序列两组：x(2r)= (r) r=0,1,2 (2-35) x(2r+1)= (r) r=0,1,2 (2-36)可得： （2-37）利用 , 上式可表示成 （2-38） 再利用可得（2-39）同理可得 （2-40）又因为可将X(k)表达为前后两部分前部分为 k=1,2,3, N/2-1 (2-41后部分为 （2-42）依此，可以继续将N2的子序列再按偶序列和奇序列分解为两个N4点的子序列。持续这样分解，最后可以得到2点的DFT。2.3本章小结本章研究了谐波检测和分析的数学理论，讲述了谐波的相关概念，即谐波是一个周期电气量中频率为大于1整数倍基波频率的正弦分量。首先通过傅立叶级数引出连续和离散系统的傅立叶变换以及它们的指数形式，然后研究分析了适合应用于数字芯片运算的离散傅立叶变换。为了减少运算量，提高运算速度，将傅立叶变换应用于实际，研究了快速傅立叶变换(FFT)，这也是本系统实现的理论基础。根据系统的实际运算需求，整合电压电流的多次FFT运算，采用了实序列快速傅立叶变换，进一步的提高运算速度。最后给出了系统需要的各参数运算公式。第三章 系统软件设计本检测仪系统软件是在ADS集成开发环境下，使用C语言编制的，系统各单元软件模块主要包括A/D采样、FFT变换、按键检测数据处理、液晶显示等功能模块。系统可计算电压、电流谐波总畸变率、各次谐波含量等参数，并在液晶屏上显示。本章将主要介绍ADS集成开发环境及各功能模块的软件开发与设计4.1ADS集成开发环境简介 ARMADs的英文全称为 ARMDeveloPerSuite，是ARM公司推出的新一代ARM集成开发工具，用来取代ARM公司以前推出的开发工具 ARMSDT，目前 ARMADS的最新版本为1.2。 ARMADS起源于 ARMSDT，它对一些SDT的模块进行了增强并替换了一些SDT的组成部分，与ARM相比，用户发现的最明显的变化是ADS使用Codewatrio:IDE集成开发环境替代了SDT的妙M，使用AXD替换了ADW，现代集成开发环境的一些基本特性如源文件编辑器语法高亮，窗口驻留等功能在ADS中才得以体现。ARMADS支持所有ARM系列处理器包括最新的ARMgE和ARM10，除了ARMSDT支持的运行操作系统外还可以在Windows2000/Me以及 RedHatLinux上运行。4.1.1ARMADS的组成 ARMADS由以下六部分组成。(l)代码生成工具 (codeGenerationTools)代码生成工具由源程序编译、汇编、链接工具集组成。ARM公司针对ARM系列每一种结构都进行了专门的优化处理，ARM公司宣称，其代码生成工具最终生成的可执行文件最多可以比其他公司工具套件生成的文件小20%。(2)集成开发环境 (CodewarriorIDEfromMetrowerks)Codewarrio;IDE是 Metrowerks公司一套比较有名的集成开发环境，有不少厂商将它作为界面工具集成在自己的产品中。 CodewarriorIDE包含工程管理器、代码生成接口、语法敏感编辑器、源文件和类浏览器、源代码版本控制系统接口、文本搜索引擎等，其功能与 VisualStudio相似，但界面风格比较独特。ADS仅在其PC机版本中集成了该IDE。(3)调试器(Debuggers)调试器部分包括两个调试器:ARM扩展调试器 AXD(ARMextendedDebugger)、ARM符号调试器 Arlllsd(ARMsymbolicdebu韶er)。AXD基于Windowsg沁叹T风格，具有一般意义上调试器的所有功能，包括简单和复杂断点设置、栈显示、寄存器和存储区显示、命令行接口等。(4)指令集模拟器 (histructionsetsimulatos)用户使用指令集模拟器无需任何硬件即可在PC机上完成一部分调试工作。(5)ARM开发包(妞 MFiaroSuite)ARM开发包由一些底层的例程和库组成，帮助用户快速开发基于ARM的应用和操作系统。具体包括系统启动代码、串行口驱动程序、时钟例程、中断处理程序等，Ang一el调试软件也包含在其中。(6)ARM应用库 (ARMAPplieationsubrary)ADS的ARM应用库完善和增强了SDT中的函数库，同时还包括一些相当有用的提供了源代码的例程。用户使用 ARMADS开发应用程序与使用 ARMSDT完全相同，同样是选择配合Angel驻留模块或者JTAG仿真器进行，目前大部分JTAG仿真器均支持ARMADS。 4.1.2Code节 /arrio:IDE简介ADS1.2使用了code研 /arrior其DE集成开发环境，并集成了ARM汇编器，ARM的C/C+编译器、Thumb的c/C+编译器和ARM连接器，包含工程管理器、代码生成接口、语法敏感(对关键字以不同颜色显示)编辑器、源文件和类浏览器等。4.1.3AXD调试器简介AXD调试器为ARM扩展调试器 (ARMeXtendedDebugger)，包括 ADw/ADU的所有特性，