（信号与信息处理专业论文）基于双cpu的高精度现场校验仪的设计与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 论文研究的现场校验仪是一种功能齐全、精度极高的电能表现场校验装置和综 合性电参数测量设备。适用于电力部门稽查、计量等工作。全文主要对现场校验仪的 发展及现状、电力参数测量的常用方法、系统的硬件电路设计、系统的软件设计和 实验数据分析等几个方面进行了详细的阐述。系统电路设计采用了a r m 和m c u 的双 c p u 的结构，a r m 负责采集处理数据，而m c u 则用于控制键盘显示。同时引入了f f t 的 软件算法以确保测量的精度。经反复实验证明系统的参数测量已经达到了预期的精 度。 关键词：现场校验仪，l p c 2 1 3 8 ，a 1 h e g a 6 4 ，m a x l 2 5 ，电力参数 a b s t r a c t s c e n ec a l i b r a t o rr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri sav e r s a t i l ea n dp r e c i s ee q u i p m e n t ， w h i c hi su s e d f 6 rc h e c k i n go u tt h ee l e c t r i ce n e r g ym e t e ra n dm e a s u r i n ge l e c t r i c a l p a r a m e t e r i ti su s u a l l ys u i t a b l ef o rm e a s u r e m e n ta n dc h e c k i n gi nd e p a r t m e n to f e l e c t r i c i t ya n ds oo n 。t h i st h e s i se x p a t i a t e st h ed e v e l o p m e n ta n d s t a t u sq u oo fs c e n e c a l i b r a t o r ，t h ew a y so fe l e c t r i c a lp a r a m e t e ra n dt h ed e s i g no fc i r c u i to fh a r d w a r e a n ds o f t w a r e ，a n da n a l y s e st h ee x p e r i m e n t a lf i n d i n g s t h ec i r c u i ta d o p t st od u a l c p ub a s e do na r ma n dm c u a r mt a k e sc h a r g eo fa n dc o l l e c t sd a t a ，a n dm c ui s u s e df o rc o n t r o l l i n gt h ek e y b o a r da n dd i s p l a y s i m u l t a n e o u s l y ，w em a k eu s eo ft h e a r i t h m e t i co ff f tt oi n s u r et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y a f t e rr e p e a t e de x p e r i m e n t s p r o v et h a t t h e p a r a m e t e rm e a s u r e m e n to fs y s t e m h a sr e a c h e dt h e e x p e c t e d p r e c i s i o n c h e nx u s h e n g ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f f a nh a n b a i k e yw o r d s ：s c e n ec a l i b r a t or l p c 2 1 3 8 ，a t m e g a 6 4 ，m a x l 2 5 ，p o w e rp a r a m e t e r s 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 论文研究的现场校验仪是一种功能齐全、精度极高的电能表现场校验装置和综 合性电参数测量设备。适用于电力部门稽查、计量等工作。全文主要对现场校验仪的 发展及现状、电力参数测量的常用方法、系统的硬件电路设计、系统的软件设计和 实验数据分析等几个方面进行了详细的阐述。系统电路设计采用了a r m 和m c u 的双 c p u 的结构，a r m 负责采集处理数据，而m c u 则用于控制键盘显示。同时引入了f f t 的 软件算法以确保测量的精度。经反复实验证明系统的参数测量已经达到了预期的精 度。 关键词：现场校验仪，l p c 2 1 3 8 ，a 1 h e g a 6 4 ，m a x l 2 5 ，电力参数 a b s t r a c t s c e n ec a l i b r a t o rr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri sav e r s a t i l ea n dp r e c i s ee q u i p m e n t ， w h i c hi su s e d f b rc h e c k i n go u tt h ee l e c t r i ce n e r g ym e t e ra n dm e a s u r i n ge l e c t r i c a l p a r a m e t e r i ti su s u a l l ys u i t a b l ef o rm e a s u r e m e n ta n dc h e c k i n gi nd e p a r t m e n to f e l e c t r i c i t ya n ds oo n t h i st h e s i se x p a t i a t e st h ed e v e l o p m e n ta n ds t a t u sq u oo fs c e n e c a l i b r a t o r ，t h ew a y so fe l e c t r i c a lp a r a m e t e ra n dt h ed e s i g no fc i r c u i to fh a r d w a r e a n ds o f t w a r e ，a n da n a l y s e st h ee x p e r i m e n t a lf i n d i n g s t h ec i r c u i ta d o p t st od u a l c p ub a s e do na r ma n dm c u a r mt a k e sc h a r g eo fa n dc o l l e c t sd a t a ，a n dm c ui s u s e df o rc o n t r o l l i n gt h ek e y b o a r da n dd i s p l a y s i m u l t a n e o u s l y ，w em a k eu s eo ft h e a r i t h m e t i co ff f tt oi n s u r et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y a f t e rr e p e a t e de x p e r i m e n t s p r o v et h a t t h e p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t o fs y s t e mh a sr e a c h e dt h e e x p e c t e d p r e c i s i o n c h e nx u s h e n g ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f f a nh a n b a i k e yw o r d s ：s c e n ec a l i b r a t or l p c 2 1 3 8 ，a t m e g a 6 4 ，m a x l 2 5 ，p o w e rp a r a m e t e r s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于双c p u 的高精度现场校验仪的 设计与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：期：丝垦：圣：世 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日 期：型肇乡：j 一 日期：巡：至：乡 华北电力大学硕士学位论文 1 1 现场校验仪概述 第一章绪论 随着电力工业的发展，现代电力工业生产、电能计量、电力通讯以及自动化调 度的安全、可靠、准确和经济的运行都必须依靠安装在电力生产现场上的监测电压、 电流、功率、功率因数、频率等电力参数的仪器仪表来保证。这些安装在电力生产 现场的仪器仪表叫做现场仪表或二次仪器仪表。现场仪器仪表是否准确、安全可靠 地运行需要定期使用实验室的标准仪器仪表来比对、测试。由于现场比对校验与 实验室的检测校验有环境和设备的差异，有些现场仪器仪表只能作简单的比对、测 试，有些仪器仪表受多种条件的影响无法用实验室的标准仪表完成检测，而且有些 现场测试仪表不能或不便于从现场中取下来送实验室去测试、检定，因此便携的可 带到现场进行实地测试的电测仪表现场校验仪应运而生。 随着科学技术的发展，近几年研制、生产的电测仪器仪表现场校验仪已解决了 一系列现场仪器仪表的校验问题，接近在实验室检定、校验的水平。使用电测仪器 仪表现场校验仪对现场运行的仪器仪表进行及时、准确的校验测试是保证电力生 产、电能计量管理、电力通讯自动化调度、安全经济可靠运行的必要手段。尤其是 电力工业进入商品市场经营的管理模式，电测仪器仪表现场仪器仪表的校验比对是 电力工业生产科学管理，确保校验结果准确可靠的必要条件，也是发展电力工业现 代化生产管理的必要条件之一1 2 j 。 1 1 1 现场校验仪的发展 电测仪器仪表现场校验仪的产生是电力工业发展的必然产物。我国电测仪器仪 表现场校验仪的发展与国外发达国家相比起步较晚，在技术水平上也有较大的差 距。8 0 年代初期随着改革开放，电力工业进入商品市场经济阶段，我国有些省、市 电力部门从国外引进了电能计量现场校验仪及互感器现场校验仪，但价格较高，有 一些也不太符合国情。随着电子技术的发展，计算机技术的广泛应用，我国在9 0 年代中期研制生产出符合电力生产、电能计量的电能表与电测仪器仪表多功能现场 校验仪，解决了电能表与其他现场电测仪器仪表的现场校验与测试问题，为发展电 力工业做出了贡献。随后在国内又先后研制出互感器、指示仪表、电测量变送器等 现场校验仪【3 】。9 0 年代中期国内研制生产的电能仪表现场校验仪的准确度已经达到 了国际平均水平，并从原来的8 位数码管显示发展到彩色大屏幕液晶显示，从单一 的电能计量现场校验发展到多功能可校验电压、电流、功率、频率、相位等多种功 能的现场校验仪。现场校验仪中高精度钳型电流互感器是一个关键，它解决了不开 华北电力大学硕士学位论文 路而取样电流的技术问题，使现场校验能方便地实现【4 1 。随着高精度钳型电流互感 器的发展，电测仪器仪表现场校验仪的大电流测量有了明显的提高，也解决了电流 二次在线测试安全的问题，使电测仪器仪表现场校验仪的准确度和测量范围都有了 明显的提高。 1 1 2 现场校验仪的研究现状 目前国内生产的电测仪器仪表现场校验仪已经进人智能化时代。软件技术参数 与各仪器仪表的实时测量和自动测量成为现实。目前在国内研制的电测仪器仪表现 场校验仪主要是以计算机技术和测量技术相结合的智能化测试系统，它是以测试技 术为核心，采用一个或几个c p u 来同时完成测量、数据采集、数据处理和显示、控 制等功能的智能化仪表【5 j 。 电测仪器仪表现场校验仪主要分单功能与多功能两大类，单功能电测仪器仪表 现场校验仪是单台仪表只完成某一种现场仪表的参数的模拟和测量，这种现场校验 仪性能可靠，价格相对较便宜，如电能表现场校验仪、互感器现场校验仪等。多功 能现场校验仪能完成多种现场电测仪器仪表的参数模拟输出和测量，如指示仪表现 场校验仪，电测仪器仪表多功能现场校验仪，电测量变送器现场校验仪等，它们不 仅能校验电能表，还可以完成电压、电流、功率、频率、相位、功率因数等测量仪 表及电流、电压、功率、频率等电测量变送器仪器仪表的现场测量与校验。多功能 现场校验仪具有功能强大、自动化程度高、操作简便、能识别现场仪器仪表的相位 与接线是否正确等优点，比单一功能现场校验仪的技术含量高，但仪表结构复杂， 价格相应也较高。为了提高电力工业自动化管理水平，在计算机网络技术在电力行 业应用不断扩大的条件下，电测仪器仪表现场校验仪将会进一步向智能化、系统化、 网络化的方向发展，现场校验仅的准确性和可靠性也将不断提高，使现场校验仪的 现场校验测试工作逐渐代替实验室校验测试检定工作【6 j 。 1 2 课题的研究意义及内容 课题所研究的现场校验仪是一种功能齐全，精度极高的电能表现场校验装置和 综合性电参数测量设备。是根据电力部门稽查、计量等工作需要而设计的新型检测仪 表。该机采用大规模集成电路和大屏幕液晶显示，汉化菜单。整机技术先进，功能齐全， 操作方便。系统设计的主要特点是： 1 不停电、不改变计量回路、不打开计量设备的情况下，在线实负荷检测单相、 三相三线和三相四线等有功和无功电能表记的综合误差。 2 电压测量回路自动切换量限，避免了因选错档位而对仪器造成的损坏。 3 精确测量电压、电流、有功功率、无功功率、相角、功率因数、频率等多种电 2 华北电力大学硕士学位论文 参量从而计算出被测计量设备的测量误差。 4 直观显示被测电压和电流的向量图。 5 可实时显示三相电压和三相电流的波形曲线。 6 大屏幕液晶显示，汉字菜单提示，具备友好的人机界面。 7 可保存3 0 0 组测试数据结果。 8 可采用手动、光电、脉冲等多种方式进行电能表校验。 9 具备时钟功能，实时显示日期和时间。 l o 可实时打印测试结果。 1 1 可检索历史测试记录。 1 2 具备r s 2 3 2 接口，可将历史测试数据上传至后台计算机。 系统等性能指标如下： 1 输入特性 电压输入范围：1 0 4 8 0 v ，l o o 、2 0 0 、4 0 0 等三个档位，自动转换量程。 电流输入范围：o 5 a 。 相角测量范围：0 3 5 9 9 。 频率：4 5 5 5 h z 。 2 准确度 内部互感器输入： 有功、无功电能：o 0 5 功率：o 0 5 电压、电流：o 0 5 频率：o 0 1 h z 相位：优于0 1 。 钳表输入： 有功、无功电能：0 1 功率：o 1 电压、电流：0 1 频率：o o l h z 相位：优于o 5 。 3 工作温度：一2 0 + 5 0 0 c 4 工作电源：a c 8 5 2 6 5 v 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力参数测量、计算原理 2 1 各点参数的测量及算法 2 1 1 各电参数的数学模型 对于电力系统电流、电压一般是以其有效值进行计量的，其计算公式如下【7 】： u = ( 1 r ) r 材2 ( f ) 们 ( 2 1 ) ，2 扣丁) n 咖 ( 2 - 2 ) 其中t 为信号周期、u 为电压有效值、i 为电流有效值。 由上两个式子可以得到 u 2 = ( 1 丁) r 材2 ( f ) 以 ( 2 3 ) 2 = ( 1 丁) f ，2 ( ，) 刃 ( 2 4 ) 根据以上电流、电压的有效值u 、i ，由以下公式可计算出有功、无功功率，视在功率， 功率因数【8 1 。 视在功率：s = ( 2 5 ) 有功功率： 尸= ( 1 r ) r 铭f 砒 ( 2 6 ) 无功功率：q = s 2 一尸2 ( 2 7 ) 功率因数： c o s 妒= 尸s( 2 8 ) 由上可见各参数的计算都以电流、电压的计算为基础，所以电流电压的计算误差的 大小直接影响到系统的测量精度。 2 1 2 几种常用的采样算法 1 积分和法【9 】 对积分部分采用累加和的算法，在一个周期内采n 个点得电压有效值和电流有效值 的计算公式如下： 4 华北电力大学硕士学位论文 ， u 2 = l 2 ( 玎) 月= 0 ， ，2 = 1 厂2 ( 刀) 月= o ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 其中n 为一个周波内的采样点数，甜( 刀) 为电压在一个周期内第n 个采样点的电压值。 f ( 刀) 为电压在一个周期内的采用点的电流值。开方后即得电压、电流的有效值： u = 阿 ( 2 一1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 积分和算法的精度与采样点数n 和采样的同步度有关，在系统速度允许的情况下， 可以增加采样点数以提高运算精度，一般每周波可采样几百个点。 2 递推傅立叶级数法 利用傅立叶变换，每周期采样点为n 的离散采样系统，在第一采样周期内的 交流电压或电流的实部和虚部为： 实部为 d 尺= 等套印。s 等 ( 2 - 1 3 )实部为 d 尺= 丢争d ，c o s 等 ( 2 - 1 3 ) 虚部为 卟等和m 等 ( 2 1 4 ) 那么电流或电压的有效值为： d = d ；+ d ； ( 2 - 1 5 ) 式中，n 为每周期采样点个数，z 为第f 个离散采样点【10 1 。 此方法提高了响应速度，但具有延迟效应，当电量发生突变时，会产生较大误差。 3 离散傅立叶变换法 根据微积分理论，任何一个函数若满足d i r i c h l e t 【1 1 1 条件，则可以展成傅立叶 级数形式。电压信号甜( ，) 的傅立叶级数形式为： 甜( ，) = u 加s i n ( 加，+ 缈) 其可展开为 “( f ) = ( u 白，lc o s 纨s i n 后纠+ u 砌s i n 仇c o s 后耐) 七= 0 = ( s i n 忌耐+ k c o s 七耐) 七= 0 ( 2 一1 6 ) 式中= u 拥c o s 仇，6 切= u | b ，ls i n 仇为电压信号的傅立叶级数系数。 设对甜( ，) 每周期均匀采样点，得到序列“( ) ，对序列“( 厅) 作离散傅立叶变换1 2 1 ，= 专势，时= 专徊s 等叫专弘埘n 等砌p 由于 = 号f “( f ) c o s 七耐出 ( 2 - 1 8 ) = 事f 砸) s i n 尼础 ( 2 。9 ) 积分离散化后得 铲号篓咖徊s p 2 小号篓m n 争 ( 2 - 2 1 ， 比较式( 2 1 7 ) 、( 2 - 2 0 ) 、( 2 - 2 1 ) 得出 = 2r e u ( 七) 】 ( 2 _ 2 2 ) k = - 2i m u ( 尼) 】 ( 2 2 3 ) 这样可求出第七次谐波电压的振幅、相角、有效值 振幅u 拥= 乙+ 6 三 ( 2 _ 2 4 ) 相角缈i = 伽矽一口。 ( 2 - 2 5 ) 有效值 u 。= 吉u 拥= 丢 乙+ 6 三) ( 2 - 2 6 ) 电流的计算方法与电压类似。 由于非正弦周期函数的有效值等于信号中各次谐波的有效值的平方和的平方根，因 此电压、由流的有效值分别为： u 矿厨 u 。= 罾 同理，对于有功功率： 6 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 华北电力大学硕士学位论文 p ：圭f “( 咖( f ) 出 ( 2 2 9 ) p = 素【“( 咖( f ) 出 ( 2 - 2 9 ) 上 一 若将“( f ) 、以) 分别用傅立叶级数表示再展开，并考虑正弦函数的正交性，可得 尸= u 。厶+ 矾厶c o s 纨= 最 ( 2 3 0 ) 七= l七= o 离散傅立叶算法可以计算出各次谐波的参数值，总的电参数由各谐波分量求 出。该算法不需增加硬件滤波装置，具有很强的滤波能力，这样减少了前向通道误 差，降低了系统成本，适用于电力线路的继电保护、谐波分析等。但傅立叶算法复 杂、运算量大，虽然可以采用算法提高运算速度，所需时间仍大大高于积分和法， 如采用3 2 点周波基一2 f f t 算法延时高达2 秒多13 1 。积分和法对信号每周波采样几百 点是很容易实现的，傅立叶算法就比较难达到，通常傅立叶算法每周波采样3 2 点、 6 4 点或1 2 8 点，这种采样除了滤除了信号中的高频干扰外，还滤除了2 次以上的 有用谐波分量，所以当波形畸变严重时会产生较大误差。 4 复序列f f t 算法 为减少离散傅立叶算法的计算次数，缩短计算时间，使离散傅立叶算法能在实 际测量装置上在线使用，可采用一种高效的复序列快速傅立叶变换算法，只需一次 复序列f f t 就能求得各次谐波参数。 设实际测量得到的电压电流序列分别为： “仍) 、 f ( ，2 ) ) ，构成一个复序列 x ( 门) = “( ，z ) + f ( 船) o 即一1 ) ，x ( 行) 的j 下t 变换为【1 4 】： x ( k ) = 胛【x ( ，z ) = 舰( k ) + 日( k ) = u ( k ) + ( k ) ( 2 - 31 ) 可以证明，电压和电流的频谱为： u ( k ) = 【x r ( k ) + 舰( 一k ) 】2 + 以( k ) 一材( k ) 】2( 2 - 3 2 ) ，( k ) = 船( k ) + 船( 一k ) 2 + 艘( 一k ) 一凇( k ) 】2( 2 3 3 ) 由此可见，只需进行一次点复序列的傅立叶变换，就能利用式( 2 3 2 ) 、( 2 3 3 ) 同时求出电压、电流的频谱，继而求出其他参数。 对于倒序输入、正序输出、按时间抽取的点基一2 f f t 算法，其迭代级，= l o g ：， 每一级运算都是由个输入数据通过2 个蝶形迭代运算后，输出另一组个数据 作为下一级蝶形运算的输入数据，这样依次地从第一级开始，逐级迭代运算，直到 求得最终结果。第三级用可的任意一对对偶结点，蝶形迭代运算公式为l l5 j ： x ( k ) = x ( k ) + ，x ( k + 2 l - 1 )( 2 - 3 4 ) x ( k + 2 ) = x ( k ) 一p x ( k + 2 卜1 ) 7 华北电力大学硕士学位论文 其中尸随迭代级次及结点数变化。形p = p 1 等尸令9 = 等尸，则：尸= c 。s 秒一，s i n 9 在实际计算中，复数的运算是由实数运算来实现的，而对偶结点x ( k ) 和x ( k + 2 卜1 ) 可表示为： x ( k ) = 舰( k ) + 日( k )( 2 3 5 ) x ( k + 2 川) + 舰( k + 2 卜1 ) + 脚( k + 2 纠) 因此，复序列用可算法的实现公式为： 舰( k ) = 舰( k ) + 义r ( k + 2 工一1 ) c o s 秒+ 朋( k + 2 一1 ) s i n 秒 ( k ) = ( k ) + ( k + 2 l 一1 ) c o s 臼一舰( k + 2 一1 ) s i n 目 姗( k + 2 ) = 舰( k ) 一欣( k + 2 川) c o s 秒一( k + 2 川) s i n 口 船( k + 2 l 一1 ) = 船( k ) 一舰( k + 2 一1 ) c o s 口+ 躲( k + 2 l 一1 ) s i n 口( 2 3 6 ) 式中的c o s 秒和s i n 伊值可根据尸的不同取值将其固化在程序中，通过查表法取代三角 函数法进行计算以提高计算速度。 2 1 3 各参数测量所采用的方案 系统的电参数测量主要要求很高的精度和很好的稳定性，对于实时性的要求不 是很高。所以在各参数测量的方法上采用了多元测量的方法，也就是说不同的参数 采用不同的方法测量，以达到系统的要求，下面就分别介绍主要参数测量的方案。 在2 1 1 参数测量的数学模型中可以看到，电流电压的有效值是计算有功、无功 功率及其它参数的基础，所以，对其精度的要求也相对较其它参数要高。比较并经 试验后采用离散傅立叶变换法的方法测量电流电压的有效值。采用这一方法的主要 优点在于抗干扰性好，测量精度高，稳定性好。其计算原理2 1 2 节已有详细介绍。 谐波和有功的测量算法都是由离散傅立叶变换法和复序列f f t 相结合实现的。 由2 1 2 对此方法的介绍可以看到，复序列f f t 的计算相对简单，而且计算速度快， 用此方法可以很方便的求出各次谐波的精确的谐波量，并计算得到电流电压的频 谱。求得频谱后可根据式( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 求得系数口蛔、6 加、再由根据公式( 2 2 5 ) 计算的出相位角矽即可，继而由式( 2 3 0 ) 可求得有功功率。 上面已经求出电流电压和谐波及有功功率，根据式( 2 5 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 可以求得 功率因数c o s 缈。 频率的测量主要采用计数填充的方法，由于系统采用的是锁相环采用的方法， 8 华北电力大学硕士学位论文 所以保证了一个周期内采固定的点数( 系统为1 2 8 个点) ，测量频率只需在开始测量 时打开计数器，当采样1 2 8 点时，关闭定时并读取起始计数寄存器的计数值设为，0 、 ，l 。设1 个周波周期为r 则【1 6 1 ：f ：堡竺 c 傲 其中如为系统的工作时钟，从而可以求得其频率厂为： 1，1 一r 0 ，= 一= 一 t f c 嘬 测试证明此方法可以准确有效的测量信号的频率。 2 2 本章小结 ( 2 - 3 7 ) 本章主要对电力各参数的测量的数学模型进行了介绍，并根据各个参数的不同 数学模型，列出了几种不同的测量方法。从理论的角度对系统的参数测量给予了详 细的剖析。为以后的系统软件设计奠定了基础。 9 华北电力大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 3 1 系统硬件的总体设计 由于本设计对于精度的要求较高，所以模拟量输入后要经处理电路( 其包括信 号低通滤波和继电器切换) 后进入a d 采集芯片，在a d 芯片将模拟量转换成数 字量后，数字量通过数据总线传输给数据处理单元( 主c p u 为a r m ) ，a r m 将各 项d 转换的数据进行处理、计算后经由串行总线( r s 2 3 2 ) 送给第二个c p u ( a v r 单片机) 再对数据进行分析，按照系统要求通过l c d 显示各路电压电流、有功、 无功、相位、频率等参数，并根据电流、电压的相位画出向量图。系统框图如3 1 ： l c d 显示 各 项 模 模 拟 且 y 运茹峨 ) v 量_ 程是否满足测毫 一 y n 切换到2 0 0 v 继电器通路 切换到4 0 0 v 继电器通路 娑竺苎三兰岁刊竺竺竺竺竺竺兰 n 切换到1 0 0 v 继电器通路 主程序) - - - - 4 2 继电器切换流程 3 7 华北电力大学硕士学位论文 4 1 2 模拟开关控制 在硬件设计中已经提到了模拟开关的功能，主要是用来切换处理过的三相电 流、三相电压信号，直到找到稳定的信号作为锁相环电路的输入，模拟开关的有三 个控制端，可以选择八路不同的信号。系统中判断锁相环输入是否稳定的条件是看 实际测量的频率是否与5 0 h z 相差不多，如果相差太多或倍数关系则表示锁相环输 入信号有误，切换下一路比较，直到找到相对稳定的信号输入。 其切换控制由l p c 2 13 8 芯片的s e l e c t l s e l e c t 3 端口，分别对应模拟开关 的a 、b 、c 端口。其端口的输出状态与所选择通道的关系如表4 1 ： 表4 1 模拟开关输入选择对应表 s e l e c t l s e l e c t 2 s e l e c t 3对应选通的通道 0o 0 i n l 001i n 2 010i n 3 olli n 4 l00i n 5 1oli n 6 11oi n 7 111i n 8 程序设计中，当所测频率与工频5 0 h z 相差较远时，控制端输出上表相应的电 平切换下一路信号输入( 输入信号只有六路，所以i n 7 和i n 8 未用，皆为接地，3 2 6 图3 1 2 所示) 。其程序流程图如4 3 ： 3 8 华北电力大学硕士学位论文 4 1 3 数字滤波 4 3 模拟开关控制流程 数字滤波的主要功能是滤除由于硬件造成，但在硬件设计中不可彻底消除的噪 声干扰，如电能突变和电网电压波动等情况。在测量中这些干扰将导致各参数的误 差，严重影响参数测量的精度。系统设计中数字滤波部分主要包括f f t 算法计算和 对已求参量采用多次测量平均并去除最大值最小值法【3 8 1 。f f t 算法的流程图如下图 4 4 。 3 9 华北电力大学硕士学位论文 导入c o s 和s i n 数值表 上 送入入口参数数据数组d a 诅【】和 采样点数n 上 聊= l o g ， 土 数组数据倒序令 l = l 1r 。， n n 少 y 工 6 = 2 ，_ ，= 0 1 r c = ?b 一1 入 n 弋二：7 y ， p = p d ，( 2 ，竹一三) 上 k = j y 上 数组d a t a 【】的蝶形运算 上 七= 七十2 幸6 1 r j + 七 r 1r 三+ + 4 4f f t 算法流程图 华北电力大学硕士学位论文 所谓多次平均是指在测一组参数后将其平均以求减少误差，去除最大值、最小 值法是指在所取参数的一组数据中去除其最大值最小值。系统采用两种方法的结合 即去除最大最小值然后平均的方法。其软件实现较简单这里不在给出流程图。 4 1 4 其他软件设计 数据处理单元除了上述几个主要的程序设计外还包括串口通信、参数整合等程 序设计。串口主要是用来收发数据。所涉及的只有两个函数( 收、发数据函数) ， 而参数整合则是将已经测量好的参数打包的过程，只需设置足够大的数据缓冲区即 可。由于其设计比较简单所以在此不再详细介绍。 4 2 液晶显示界面 本节主要是对人机交互的软件设计做详细的介绍，其中包括键盘和显示两部 分，以下主要针对液晶界面的设置加以阐述。液晶界面的设计及功能如下： 1 开机界面：接通电源后，液晶屏即显示开机界面，按任意键进入运行主界面。 图4 5 2 主界面：如图4 6 所示，按方向键进行选择。 1 参势i 梦置4 电表校验 2 参数测量5 相量图 3 变比测量6 数据查询 0 7 1 0 2 00 8 ：0 6 ：1 8 图4 6 此界面主要是用户选择进入下一级菜单的选项，其中包括了参数设置、参数测量、 变比测量、电表校验、向量图以及数据查询等六项内容，用户可根据不同的需求选择不 4 l 华北电力大学硕士学位论文 同的界面进入，下面几个界面就是每个子节面的显示内容。 3 参数设置 将下划线移动到需要选择或修改的参数处，修改后按返回键即可。如图4 7 所示。 l 、设备编号：1 2 弘弼 2 、测量方式：互感器测量5 a 钳表测量 5 a泌 3 、修改时间 当前时间：0 7 年1 0 月2 0 日 0 8 时0 6 分1 8 秒 按返回键返同 图4 7 4 参数测量 可实时测量并显示a 、b 、c 三相电压、电流、相位、有功功率、无功功 率、功率因数、频率值。如图4 8 所示 a 相 b 相c 相 电压2 2 0 2 52 2 0 3 32 2 0 31v 电流5 0 0 0 14 9 9 9 55 0 0 1 8a 相位 3 5 9 9 6 0 0 0 2 40 o o l 3o 有功1 1 0 3 o1 1 0 0 11 1 0 1 5w 无功 - o 9 8 7 6o 2 0 1 9o 3 1 2 9v 打 c o s = o 9 9 9 9 频率= 5 0 o l oh z 0 7 1 0 2 0 0 8 ：1 2 ：3 9 图4 8 4 2 华北电力大学硕士学位论文 5 变比测量 将5 0 0 a 钳表接入要测量的互感器的一次接线端，5 a 钳表接入相应的二 次接线端。可同时测量三相c t 变比值。如图4 9 所示。 图4 - 9 6 电表校验 电能表校验是本仪器的主要功能，使用时和电参数测量一样，也应该先接通校验仪 电源，后接上电压、电流线和脉冲采样装置，再按以下步骤进行校验。 ( 1 ) 设置常数：用方向键选择相应参数设置常数值 ( 2 ) 校验：常数设置完成后自动进行( 见图4 1 0 ) 。 c t 变比选项是当大钳表测c t 一次时变比为c t 的实际变比值，如3 0 0 5 ；当大钳表与 电表输入同比例时为5 5 。校验结果可实时存储和打印。 4 3 华北电力大学硕士学位论文 7 相量图 实时显示3 相3 线和3 相4 线电压电流相位，如图4 1 l 所示。 儿薰嚣i 相量图显示 0 7 1 0 2 00 8 ：1 2 ：3 9 图4 1 l 8 查询： 可查看存储数据并打印。如图4 1 2 所示。 记录号：0 0 8打印删除清空 台区编号：2 2 3 设备编号：0 0 0 1 0 0 时间：0 7 0 4 2 21 7 ：4 6 圈数：0 3变比：0 0 2 5 5误差：0 0 5 2 1 a 相电压：2 2 0 1 7电流：2 0 1 5 6 b 相电压：2 2 0 2 3电流：2 0 0 4 8 c 相电压：2 1 9 9 8电流：2 0 1 5 6 0 7 1 0 2 00 8 ：1 2 ：3 9 图4 1 2 上述为液晶界面的显示图，图中多级菜单的编写占有很大的比例，每一级菜单 之间的切换都是通过键盘按键来操控的，键盘采用的是4 4 键盘，由于其程序编 写非常复杂，这里不在给出流程图 4 3 本章小结 本章主要从系统的软件设计方面介绍了各功能的实现以及人机交互界面的设 计，充分的从用户的角度出发，使系统的功能实现和界面显示有机的结合在一起， 完成了整个系统的“神经中枢”的操控。达到了设计的要求，取得了良好的效果。 华北电力大学硕士学位论文 第五章实验结果及误差分析 本章将对系统的误差做一个定性的分析，并根据实验测量的数据来讨论各参数 测量的精度，进而说明整个系统设计的可行性和先进性。 5 1 误差分析 在实际测量的过程中，人们对于客观事物认识的局限性，测量工具本身的不准 确，测量手段的不完善，受环境影响或测量工作中的疏忽等，都会使测量结果与被 测量的真值在数量上存在差异，这个差异称为测量误差。由于误差存在的普遍性和 必然性，因而人们只能将它控制在尽量小的范围内，而不能消除它。以下将对本系 统的测量误差作简要的分析。 5 1 1 测量误差的表示方法 测量误差的表示方法一般分为绝对误差和相对误差两种【3 9 】： 1 绝对误差：由测量所得到的被测量值x 与其真值以的差，称为绝对误差。 出= x 一心( 5 1 ) 当x 4 时，缸是正值；当x 4 时，缸是负值。所以缸是具有大小、正负、和 量纲的数值。它的大小和符号分别表示测得值偏离真值的程度和方向。 2 相对误差：测量误差与被测量的真值之比( 用百分数表示) ，称为相对误差， 用表示。 ：垒! 1 0 0 ( 5 2 ) 5 _ l u u 洵 l ) z j 以0 因为一般情况下得不到真值，所以可用绝对误差与实际值之比表示相对误差 ( 有必要区分时称为实际相对误差) ，用h 表示 舻筹1 0 0 = 孚1 0 0 ( 5 - 3 ) 可见，用相对误差可以恰当地表征测量的准确度。相对误差是一个只有大小和 符号而没有量纲的数值。 由上可见，测得值得相对误差愈小，表示它的准确度愈高。所以评价测量水平 时应当用相对误差来比较，它是误差计算中最常用的一种表达方式。 5 1 2 测量误差的来源 参数测量的高精度是本设计的关键，而影响测量精度的因素有很多。本装置中 华北电力大学硕士学位论文 将测量误差分为系统误差和随机误差，他们存在于测量的各个环节中。其中测量的 系统误差主要来源于两个方面：一是装置的硬件电路误差，另一个是算法误差。下 面就对本系统的误差进行分析。 在电网电压和电流转换成标准的采样电压的过程中会产生一个变送误差，其主 要是由仪器用互感器的励磁电流和漏磁压降等因素造成的。而本系统中选用的是由 变压器厂定做的变换误差为o o l 的互感器，这就最大限度的避免由此产生的误差。 信号经过变换后要经过一系列的滤波放大电路，对信号进行处理。器件主要有 运算放大器和各类电阻电容，这就导致电路中存在着一定线性误差。所以基于此， 系统的硬件设计中多选用高精密的电阻电容器件，同时放大器也是采用的是线性度 较高的o p 2 2 7 。 数据的采样变换处理电路由于采用的m a x l 2 5 芯片其内部自带四路采样保持 器，所以在模拟转换过程中的主要误差取决于a d 的分辨率，而系统选用的1 4 位 a d 转换器，由于其位数较高也就使的其精度较高，即减少了量化误差。( 其详细 的量化误差在3 2 1 节中有简单介绍) 。 与数字信号处理相关的误差主要取决于c p u 的字长、选用的算法、采用的频 率是否能跟踪系统频率的变化等因素。本系统选用的是l p c 2 1 3 处理器( 其有3 2 位的字长) ，同时采用f f t 的数据处理算法，引入锁相环跟踪技术使采样频率能跟 踪系统频率的变化。由此可见这部分的误差以大大减小，甚至可以忽略不计。 由上述分析可以看出本系统设计已经将系统的误差降到了最小，但这并不代表 系统中的误差降到了最低，因为还有随机误差的存在，所以很好的抑制随机误差的 产生也是相当关键的，这主要体现在信号的电路板走线以及电源和地线等细节方面 的设计，总的来说也就是电磁兼容性的设计，由于在3 6 节已经有详细介绍，这里 不再赘述。 5 2 实验测量结果评定 为了正确的说明测量结果，通常用准确度、精密度和精密度来评定测量结果， 它们的意义如下【4 0 】： 1 准确度：是指测量值与真值的接近程度。反映系统误差的影响。系统误差小 则准确度高。 2 精密度：是指测量值重复一致的程度。说明测量过程中相同的条件下用同一 方法对某一量进行重复测量时，所测得数值相互之间接近的程度。数值愈接近，精 密度愈高。换句话说，精密度用以表示测量值的重复性，反映随机误差的影响。 3 精确度：它反映系统误差和随机误差综合的影响程度。精确度愈高，说明准 华北电力大学硕士学位论文 确度及精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。 下面就以a 相电压电流、有功及功率因数为例来对参数测量的准确度、精密度 和精确度做详细的分析。下表中1 0 0 ( v ) 、1 5 0 ( v ) 、2 0 0 ( v ) 、3 0 0 ( v ) 和l ( a ) 、 1 5 ( a ) 、2 ( a ) 、3 ( a ) 分别代表输入信号的不同电压和电流值。后面的为输入 的相角值。实验过程中使用的信号发生源是由o n l l y 公司生产的6 1 0 8 g 型继电保 护测试系统。以下数据都以1 0 个为一组，如表5 1 表5 1 电压、电流、有功、功率因数测量记录表 电压数据表( 测量值为有效值) u 1u 2 u 3u 4 1 0 0 ( v ) 1 3 5 ( 度)1 5 0 ( v ) 1 5 0 ( 度)2 0 0 ( v ) 1 6 5 ( 度)3 0 0 ( v ) 1 6 5 ( 度) 1 0 0 0 1 81 5 0 0 1 01 9 9 9 9 03 0 0 0 3 6 1 0 0 0 2 21 4 9 9 8 82 0 0 0 3 53 0 0 0 4 4 9 9 9 8 61 5 0 0 2 82 0 0 0 1 52 9 9 9 7 7 1 0 0 0 1 0 1 5 0 0 3 22 0 0 0 0 8 3 0 0 0 1 2 1 0 0 0 1 01 5 0 0 3 02 0 0 0 2 52 9 9 9 8 0 1 0 0 0 0 91 5 0 0 2 41 9 9 9 9 53 0 0 0 1 7 9 9 9 8 11 4 9 9 8 52 0 0 0 3 03 0 0 0 3 5 1 0 0 0 1 41 5 0 0 1 92 0 0 0 1 22 9 9 9 5 9 9 9 9 7 61 4 9 9 7 l1 9 9 9 7 33 0 0 0 3 6 1 0 0 0 2 51 5 0 0 0 82 0 0 0 3 l 2 9 9