（控制理论与控制工程专业论文）智能同步断路器的控制器的研究与设计.pdf

德襄 随蓑我国电力工业的发展，联鼹器在配邀窝像护线鼹中起饕嚣盏重要黝斓， 要求它其罄缎大的短潞电流分黼熊力，实现选择往秣护帮供电安全，嗣时其骞 一定的智能化功能。随着微处理器技术的发展，产生h 智能断路器，它比传统 静凝路器其宵筵佳鲶豫韪。智能鹾步舔路器俸建鬻髓聚鼹器的一转，能够在毫 力系统发生短路故障时，在窀流过零的时囊0 断开故障，极大的提高了愆路器的 分断能力，改善了断路器的性能，具有极大的应用前景。 餐戆繇鼹瓣熬捷露l 器 擘舞智麓数路器静中枢部捧，己蕊为当藩赣鼹器楚番先 遴的主要标惑之。本文研究设计了智能同步断路器的控制器。 本文首先分梃了电力系统发生短路妁长科| 愤提，建立了数学摸型，接卷分析 了棱统斡傅氏算法，对蒸进程深入磅究秘冀法馥遴，筏蠢诗冀短路馥障波形黪 各个参数以及计算电流过零时袤0 的方法。再次设计了控制器的硬件和软件，实 瓒了对售号懿捡测、袋嶷、分橱处理、摄警、显示等功能。最蓐通过携囊验证 了本文所提辣法的精确往和可行褴。 关键词：控帝8 器改进傅氏算法衰减商流分量d s p a 嚣s t 黎a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i ci n d u s t r y ，ac i r c u i tb r e a k e r0 n t h ep o w e rs u p p l ya n dt h ec i r c u i tp r o t e c t i o ni sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i ti sr e q u i r e dt h a tt h ec i r c u i tb r e a k e rh a se n o u g hs h o r tc i r c u jtb r e a k i n g c a p a c i t ya n ds o m ei n t e l l i g e n tf u n c t i o n s t h ec i r c u i tb r e a k e rc a na c h i e v e s e l e c t i v ep r o t e c t i o na n dt h ep o w e r s u p p l ys a f e t y 。器i t ht h ed e v e l o p e n to f t h e 融i o r o p r o e e s s o r ， a ni n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e ro c c u r s ，w h i c hh a s b e t t e rf u n c t i o n st h a nat r a d i t i o n a lc i r c u i tb r e a k e r t h ei n t e l l i g e n t s y n c h r oc i r c n i tb r e a k e ri st h eo n et y p e o fi n t e l l i g e n tc i r c u i t b r e a k e r s 。i tc a nb r e a kt h em a l f u n c t i o n8 tt h et i m ew h e nt h ev a l u eo f s h o r t c i r c u i ti sz e r ow h e np o w e rs y s t e mc o m e sf o r t ht h es h o r tc i r c u i t t m l f u n c t i o n i n t e ll i g e n ts y n c h r oc jr c u i tb r e a k e re n h a n c e st h eb r e a k in g c a p a c i t y ，a n dh a s8h u g ea p p l i e df o r e g r o u n d t h ec o n t r o l l e ro fa ni n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e ri sac e n t r a lu n i t f o rt h ei n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e r 。i tb e c a m e so n eo ft h em a i ns y m b o l s w h i c hi su s e dt oj u d g et h ea d v a n c e m e n to ft h ec i r c u i tb r e a k e r i nt h i s p a p e r ，w er e s e a r c ha n dd e s i g nt h ec o n t r o l l e ro ft h ei n t e l l i g e n ts y n c h r o c i r c u i tb r e 8 k e r i nt h ep a p e r ，f i r s t l y ，w ei n t r o d u c et h ev a r i o u ss h o r tc i r c u i to ft h e p o w e rs y s t e m ，a n de s t a b l i s ht h em a t h e m a t i cm e d e lo ft h es h o r tc i r c u i t a n d w ea n a l y s et r a d j t i o n a lf r o u r i e ra l g o r i t h m ，r e s e a r c hi ti n - d e p t h l ya n d i m p r 。e v eo nit ，a n df i n dt h em e t h o dinw h i c hw ec a nc a l c u l a t ee v e r y p a r a m e t e r so ft h es h o r tc i r c u i ta n dt h et i m ew h e nt h ev a l u eo fs h o r t c i r c u i ti sz e r o 。s e c o n d t y 。w ed e s i g nt h eh e r 洳a r ea n ds o f t w a r es y s t e mo f t h ec o n t r o l l e r i tc a nd e t e c t ，g a t h e r ，a n a l y s ea n dd i s p o s es i g n a l ，g i v e a na l a r m 。s h o wi n f oa n ds oo n 。是tl a s t ，t h er e s u l to fe m u l a t i o ns h o w s t h ea c c u r a c ya n df e a s i b i l i t yo fa r i t h m e t i cw ei m p r o v eo n k e y w o r d s ：c o n t r o l l e r i m p r o v e df r o u r i e ra l g o r i t h m d s p d e c a y i n gd cc o m p o n e n t 撬豳列袭 图2 一l 无限大功率电源供电的三褶电路的突然短路 图3 - 1 硬箨示意国。 熙3 2 控铡器电路示意图。 图3 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的g l 脚分布 阁3 4 滤波电路示意两， 5 1 5 1 6 1 8 i g 蹿3 5 勰转羧模块示意銎。2 0 阁3 - 6s n 7 4 l v c 4 2 4 5 a 与l f 2 4 0 7 a 的按嗣。2 2 图3 7m g l s l 2 8 6 4 与删s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的接阳电路2 4 图3 8l e d 指示电路2 5 弱3 - 9 电源转换奄路。2 6 图3 1 0 硬件复位电路+ 2 6 圈3 1 1 光电隔离输出电路2 7 圈3 1 2c v t 投入辩弓 怒的干扰电蓬。2 8 鞠3 一1 3 凇接遣线医抗引起豹子挽。2 9 圈3 i 4 控制出口逆辑闭锬羁控铡糕痔蠲锁。3 l 豳4 - 1 主程序流程图3 5 隧4 2a d 中断腋务程序流程圈。3 7 餮4 - 3 蔽障毫流参数计算程垮流程餮。3 8 燮4 4 电流过攀融间计算程序流程图。3 9 圈4 5 显示模块流程图4 0 圈5 - i 仿褰结巢一4 3 鬻5 2 傍褰结果二。4 5 表格清单 表2 一l 誊见的短路类裂。，。；+ ，4 表3 一l 选择遗遭。2 l 表3 2h d 6 1 2 0 1 2 的撩令集。2 3 表5 - 1 仿粪结果比较一4 4 表2 傍粪缩采澎鞍= 。，。聪 独创惶声嘴 本入声明新呈交的学镣论文魁本九在导蟀指导下进行的研巍：r 传及取得的研究成 鬃。据我掰知。除了文中特捌加吼话注和致谢的地方外，论文中不包禽冀能人蠢经发表 躐撰驾道的研究戒聚，也不包食为获褥 盒黧王鏊鑫堂 藏葵镪教育棍褐韵学位 藏征书而使淄过的材料，与我一嗣工俸鹩淘志_ ；：幸本研究嚣骰的饪蜘贡献甥己在论文中 挈 了明确的说咧弗表示谢意。 学位论文作者签名 签字蟊期谬g 年f 彬理 学位论文鞭投使精蹬投书 本学经论文捧蠹完全了髂盒惩王些太篷露关糅留、使蠲学位论文的规定，裔 毂摄辫并向国家有关酃门或梳构遴交论文煞复印辫秘磁盘；兔诲论文被套润爨| 氆 阉。本人授权叠壁圣些太璧可阻蒋攀谴论文静全部藏部分瘫容编入有荧教嚣簿避 行检索，可以采用影印、缩印或于j 描等复制手段探存、汇缡学能沦u 文。 保密静学使论文程解密后适用本授权书) 学使论文体者签名 龄爻 签字目期；8 年【嗣，笋 学健论文作者毕监詹啬两： 工千# 举钕： 递讯地址： 粼名：芬毛心 签字目期：辱年f 雕f ；匿 电话； 邮编； 致谢 本人谯从事课题研究和论文的撰写过程当中，得到了秦养港导师秘陈梅、李 鑫老惩精心指导，无逡是论文瓣整铸毒筠逐是其髂翡章苇，稳饲囊g 绘了我建疆 性的意蔸。研究生阶段的生滤帮学习申，谴们绘了我亲诺的关瞬和笼微不至黪 照颞，不仪使我学到了事富的瓤匝知识，还让敬懂缌了诲多做人的道理。在此 对我的母师秦养浩老师和际梅、李鑫老师表示深深的谢意。 我述嚣感谢我嗣实验变的鞫学这凡年给予戳熬帮助，以及所有辨经帮助过 我、荚遗我麴老雾器秘霹擘髓，在这对稼粥巍声 翥 落了i 爨焘我逐螫糁剐簿落 我的父蹲帮家人。 作者：王俊才 2 0 0 6 年3 月 1 1 研究课蹶的提出 绪论 工业的发展对配电系统的要求越来越高。作为电力系统的重要电气设备一 断路器在配电、保护线路和保护工业设备中起着非常重要的作用。 颤路器俗称自动开关其作熠是保护电气配电网络和工业设备免受短路、过 载、欠电压等故障的破坏。它被广泛应用于配电系统、电力输送系统阻及用电 设备巾。断路器不仅能够在正常情况下接通或断开负载电流，而且允许在不正 常情况下( 过载、短路、欠电驱等) 自动切断电路，从雨保护用电设备和电缆等： 故障排除后，可迅速恢复供电。它可以就地操作，还可以远距离操作，且安全、 方便。 随着微处理器技术和传感技术的发展，开关设备与微电子技术、控制技术、 通讯技术、电力电子技术也日益紧密，电力设备的操作、运行、保护均向智能 化方向发展。遏年来人靠j 推出_ 智能型断路器，所谓智能断路器是在现有的断 路器的基础上增加一个智能控制单元，其有较好的兼容性，不一定要改变现有 的变电站和继电保护系统结构，也不影响现有系统的各种功能，只是增加了一 些新的功能。它具有智能化保护功能，选择性保护精确，能提高供电可靠性， 避免不必要的停电，可实现配电自动化。由于以上诸多优点，因而在电器装嚣 保护中获得了广泛应用。 当前，智能化已是断路器的一个重要发展方向。相对传统的断路器，智能 断路器有以下意义：1 可实现有关检测、保护、控制、通讯等开关设备一般的 智能化功能；2 改善了电网供电质量，增加了电嘲的稳定性 3 提高了断路器 的可靠性，延长了断路器的操作使用寿命，在工稚上有较大的经济效益；4 智能操作理论的深入研究将涉及断路器的性能、自适应控制的原理与装置、系 统工作状态的信号处理和自动识别等一系列新内容，不仅对断路器的发展爨有 理论上的意义，而且还有利于一些新兴学科在电力设备中得到应用和发展。 为了满足市场需求及提赢产品竞争力，要求我们设计出性能优良、馀格合 理、保护功能完善的智能化断路器。目前，国内外己出现众多不同类型的智能 断路器。智能同步断路器便是其中一种，所谓智能同步断路器，是指断路器在 电路发生故障时，在电漉或电压最袁利的时刻叛开故障。与普通断路嚣相比， 同步断路器其有如下优势：1 改善了电网供电质量；2 更好的提高了断潞器的 短路电流分断能力；3 。提高了断路器电寿命及性能。 智能断路器的控制器是断路器的中枢控制部件，它承担断路器的荐种保 护、报警、显示、试验与故障诊断功能，己成为断路器是否先进的主要标恣之 一。早期的产晶称智能脱扣器，以过电流保护和脱扣功能为主，但通过逐步改 进和发靛至令，其功戆远不止戴。狳过魄淀缳护步 还有爨示、报警、接域保护、 电流显示、电雉显示、故障记录和计算机接口游动能。 应合琵并发嚣裁立公霹鹣要求，本漂愆瞬究竣量 了餐戆强步錾臻器魏核心 部分一控制器，目的以实现在短路救障电流过零时刻睽开故降。 1 。2 聚鼹箍静发蓑及磷狡 传统的断路器，怒一个被动魏行开矫帮关合线路斡装誊，英搽俸獾夸采螽 予人工命令域继电保护单元，蛭路器本身并无梭测、判断电力系绕故障和贬规 裔身状态的能力。因而其体秘较大，动俸时阉长，傈护精度低，整宠困难，效 粜也不够理想。随着皴会的发展，技术的避步，人艇对供电系统的自动化瑕度 要求越来越离，传统峨路器瓣功能融不满足供电系统自动 电的需要。为了防 壹曩电设餐发垒簸骧瓣影响整个袋邀线路，羧及凌供龟瓣终爨瑰暴豢瓣损螺媚 电设备，因此，在传统版路器的基础上就要求其自动他、智能化、模块化，更 霹靠窝爨有更多保护勰链。擞楚邃器技拳懿发袋为酝路嚣熬罄琵纯捷袋了条 件。近颦来不断推出的智能趔断路器，性能更好，可实现配电自动化。它不仅 髓够提供营邋断鼯器鹃各释保护功麓，还巢霄传绫甄辩器无法院羧瀚特点接餐 信号准确可靠、实时盥示电路中的备种参数( 电流、电魇、功率、功率因数锋) 、 随时设建凌佟电流和劝作时辩、存储故障信息、预报警、联网通信等。由予敬 上诸多优点，嚣露在魄器装疑中获缮了广泛应用。 荚阐早在2 0 世纪6 0 年代初就掖出了半导体脱翔器，但其w 靠憔受蓟担心。 爨翦国外生产的鞭路器，除小窑量越终，大都装蠢铿毙型控毒4 器( 也称脱扣嚣) 。 翔法国虢g 公司的耕系列断路器、a b b 公司的f 系列断路器、西门予公司的3 w e 累列 凝魏器、德鏊a e 6 公司瓣麓e 系蘸瑟爨器，以及美溪娆公霹、| ! ! ；j 零三菱逛投黪琏 系列断路器和海蟪电气公司的a h 系列峨路器等。这些断路器程我国均有应用。 隧饕技术不鼗进_ 步，获这番家鼗类产品氇不骣更薪换钱。8 0 拳找寒絮，潋 法国m g 公司为代表的圈外低压电器生产商推出了不带电磁脱扣器的电子式过 蘸漉脱翔器，袋矮了徽褪按镑l 援术，摆脱了电磁臌扭嚣鹣束缚。熬上其它一娑 辅助功能，如电流表、电疆袭、故障报警、自诊断的应用。翻本寺崎电机推出 了) ( l 系捌塑壳冁踌嚣采餍了8 位徽处理枫，实现了多功能。9 0 年代劾，荚阑逶 爝毫气公接是了带数字纯圆漆脱翔器秘p o w e rb r e a k e r 系列塑患断路器。a e g 公司开发 f i e - 0 7 系列代替m e 系列：西门予猕出3 w n 6 系列代替3 w e 系列，其经济技 术指标酾保护特性均挺裹了一大步。 我阉自六十年代起，开发生产了d w l 0 系列断路器。它的优点是结构简举， 锼瘸方便，矮予绫掺；获熹怒短路分獗熬力诋，绦护栏麓蓑，只鸯疆时动槔， 2 难以满足现代电网的配电要求。在八十年代，为了满足电两选择性保护的需要， 提螽我鼷瓣数路嚣设诗与剡造水平，先后萼l 避了一些国外技拳，丰富了我嚣断 路嚣系确品种，提高了断路器制造行、韭的工艺水平。八十年代我圈开发成功 d w l 5 系列万越式凝爨器，宅不傻爨舞7 短爨分凝糍力( 5 0 8 0 k a ) ，还袋瑗了半 导体式；建电流脱聿b 器，实现了过载长延时秘短路短延时，特大靛路电流瞬时动 佟僳护，至今纛耀 露广泛。在褒代佬奄蘸窝工矿金敛中，己广泛采蠲毫子诗 算机监控系统，对与之配套的断路器提出y 癍性能、智能化的要求，并要求产 晶兵有保护、髓溺、试验、秘诊舔、显示等功能。磊蓠，矫路器己蓑展为餐麓 断路器，其功髓除实现基本的保护功能外，还能对主予线路的电压、电流、功 率、功率因数、谐波旃电参数及环境温度簿进行实时显示、虢测及撤警，熊透 过瑷场憨线遴行远程黢控等，劳且滤足聚邀系统( 茏其蹲琊潮蒸统) 级闻精确的 选择性鼹求、且具有逛方控制、能凝监视和记录、事故记忆、谯线调试等功能， 鬃保护、浸囊、篮控于一体。 目前，国外已开发研制出系列智能断路器，这些智能断路器的性能通远 大予传统躲鼗蹿器产黯牲辘。我嚣在这方嚣豹产稿殴及褥究逐冀裂嚣l 起步。鼗 方舀的研究人擞的工作可谓任重遂遮。 1 3 本文主要研究内饔和工作 智能同步断路器的核心是基于微处璞器的控制嚣，该控制器的设计首先 蘩满足铰高的可靠往、实时性、准确往、电磁兼静陛要求，同时也需要展产最 恕度考虑其体积及成本。 因为镑髓间步断路器需要完成在电路发生短路故障时，在电流或电压舔有 利驰对剡龌舞敲障。疑以针对智能网步断鼹爨熟控剑器越硬突与设计，本文主 要做了以下研究和工作。 l 。 首先分横了电力系绕短旗餐耱荣况。 2 针对三相短路故障建立的数学模型，分析了传统的傅氏算法，对英 逆学深入矫究帮算法潋述，找出诗算短路鼗薄渡澎嚣每个参数静方法，逮瑟熊 够较为精确的计算出短路电流过零时刻； 3 设计了鞋t 穗s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为援心静控器嚣磋俘系统，以及与之稳 成韵软件系统。此软硬件系统具宥较高的可靠糗、实时性、准确性、亦满慰电 磁兼窑憔要求。 4 。 剐致滋豹算法避抒了仿真，验谖了其糖虢性鞠可行我。 第二耄鬯力系统短路故障的分耩与控制褥算法酌磷究 2 魄龙系统短路故障耩遴 由于我们所要设计的智能同步断路器需要完成存电力系统发生短路情况 鞋，在穗滚最饔秘豹壤凝下帮本文要交戆在程漉邋零豹愤嚣下，叛开短路敷障， 群以我们寄必要对蘸力系统短踌情况进幸亍分析。 电力系统在运行对，鲦中性点於，捆岛糨或捆与城之间是穗互绝缘的，当 趱璇了穗与稳或翥秘与遗 醴孛嫒线) 之润的连接，我窘j 稳之为短路。电力系 统的经验表明，单相短路接地占大多数。三榴短路时三相仍是对称的，故成为 对襁缀路，其他敦几静短路均使三橱融路不对称，敖成为不对称短路。袭2 ，l 绘趣了常觅的短路类黧。 裁2 一i 常觅魏短嬉粪觏 短路类型示意图符号 三栩短路 、矽 - ，3 ，| ， ，奶 ，2 两辑短路 f 、 零糗短路接她 ， ，1 f ，i ， 两稽短路按地 ，b ，1 1 ，l ，iji i - - 4 短路瀚蘧怒宅力系绕技零方瑟粒基本藤题之一。在发毫厂，变电骈班及整 个电力系统的设计瓢运行工作中，都必须霉先进行短路计算，以此为合理选据 电气接线选用有足够热稳定度和动力稳定度的电气设备。它也楚在电力系统中 合理鬣铡备稀继电僳护著整定其绝参数等的誊要依据。 2 2 三楣躞路电流模型分糈 在套嵇短路类型中，三榻短魏是魄力系统最严重鳇类型，为憩，鼗鲷在 这作蘸点分析。凋2 - 1 为简萃三相电路发生突然对称矮路的暂态过程。 圈2 1 无戳大功率电源供电的三栩电路的突然短路 程此壤路中强设电源毫压糖蘧和频率均为经迩。这秘魄懑拣魏趸陵大功率 电源酆： ( 1 ) 电源功率为无限大时，外电路整生短路( 一种扰动) 引起的功率改 变怼子电源来说怒徽否是遒的，邕雨电源静电蘼和矮率( 襁对毒同步电梳酶转 速) 像持燕定。 ( 2 ) 无艰大功率电源可以蕾作是幽凭限多个露龌功率电源并联丽威的， 因丽其内阻抗为零，电源电压保持恒定。 实际上，真正酌无陵大葫率奄源是没有的，蔼灵髓够楚令穗对鹊穰念。在 工程上，往捷是以供瞧堍源熬幽疆抗与短路总阻抗瓣耀对大小采判凝电源能镬 作为无限大功率电源。若是电源的内阻抗小于短路阐路总阻抗的1 0 时，贝8 可 以认为供电电源为无限大功牵连i 源。存_ 【 ：情况下，孙电路发生短路对于电源的 澎嫡檄，j 、，爵鞋遮儆认为电源懑漾旗僮稻壤率保持慷宠。 瓣于隧2 一l 魇示浆三楣电路。斑路发生鳆，电鼹处于稳定，其痒翔的电滚 裘达式为# = ，肿i o ls i n ( 硝+ 口一魄o ) ( 2 一1 ) 式中 钿“2 面雨裔 姑吨 5 韵zo 寸， 万一 攀 嗡= 嗽删 ( 2 - 3 ) 当在f 纛突然发生短路封，这个电路鄂褥被分戏两令独立托网路。左边的 醚薅爨与电滠连接，聪右逑麴錾爨羹交势没凑嘏源的鞭鼹。摩右边戆襄爨中， 电浚从短路发生瞬间的德不断的衰减，一赢袋减到磁场中储存豹能量全部褒为 奄辍中所消糕的热煞，电流都衰减为零。在与瞧淫连接的左边瑙踌中，每相隧 抗啦骧来的( 宸+ r + ) q 国( 上+ ) 减小为霞+ j 国三，嚣稳态彀溅毽必将增大。 短路暂悉过程的分柝与计算就是针辩这一豳路褥言的。 戳定短路发生在t = o s 发生，国子电路镄为对称，筏 | 、j 可叛只磺究蒸中鲍 一糨，镪热娃德，其窀流豹鼹时毽应满足下辩瓣微分方程： 讲 三羔； + 囊屯慧芒s i n ( 掰+ o t ) 中使可褥弼 毛：s i n ( c o t + 口。妒) + i , i o is i n ( 搿州- 1 s i n 皿一p ) 专( 2 - h ) 由予三相嚷路辩称，只要餍( 群一1 2 0 6 ) 鞫( o e + 1 2 0 。) 代替式 ，织努嗣为n 次 谐波熬辐蕴耱秘耀角。 ( 一) ：利用全波改进算法米计算各参数 糯在求”次谐波的参数，对( 2 2 2 ，进行采样： 1 取第一数据窑，使t f o ，r 】，根据式( 2 。1 4 ) 、( 2 ，1 5 ) 诧蹦肖： 控。严吾fi ( t ) e o s ( n o t ) d t = ；f 。( 疋( 国c 颤耐+ 吼) + 一毒) c 。s 科) 旃 弓r 胁( 一耐c o s ( n c 删) d t + 亍2r 专c o s ( 删嘏 = ；毛撵) c o s 垆, ol r c o s ( n m t ) c o s ( 拜t 缮) 盛一 吾厶( ”) 咖吼f 蜘扣耐) c 。n 耐) 廊+ ；f ”毒c 。s 妇耐) 旃 咆c o s ”；fc e z c o s ( n c o t ) d t 氛，= ；膨s i n ( n o x ) d t = ；f j 。c 以拼十纸) 十专) s n ( 蚱耐潞 = ；气( 掉) s 致f c 酗。s i n 。斌) 毋 9 ( 2 2 3 ) 知蛐知( 删s i n ( 删西+ ；r i s i 吣o ) d t = 一j 。( ”) s i n e 。+ 吾f c e is i n ( n c o t ) d t j 。( ) + 言 。 令 a = j 。( n ) c o s g ，b 2 气( 功s i n f y ，= ；f 一( 删卉 胪；f 一丢s 呦耐渺 便有： 瓯1 2a + 魏 屯f 一嚣+ y 2 ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 1 取延时a t 为一个采样周期时间，取箔二个数据黼，使 f 陋r ，a t + t 】，此时有： = 吾f ( 咧黼纯+ 刺警) c o 炯冲 弓f 拍灿+ + 聪砌m o s ( 曲+ 知 。警c o s 旧 = c 。s 纸+ 栉幽乃+ 。一等；f 一乏。s ( 转甜游 。a c o s ( n c o h t ) 一bs i n ( n t a a t ，+ 皇! 罗l 嚣已 吒：；弘驹蛔旧+ 纸+ ”越秘一警旧) 旃 ( 2 2 9 ) = 吾f 厶淞( 群引张撑蕊d 茧n ( n c a ) 蘸+ 吾f 警溅黠僻出 = 一毛( 一) s i n 魄+ * 砸刃+ s a g 亍2f 一砉划腿g 堡 = 一b c o s ( n o j k t ) a s i n ( n o g a t ) 。y 2 口 ( 2 3 0 ) 一垒 令： c o s ( c o a r ) = k o ；m n ( n c o a t ) = k b ；e = 兢 1 0 理论上，移动的数搬窗大小r 可任意确定，但为了计算速度的提高，敝 选为置。一旦确定了每餍期采用点数，r 也就确定te 对予确定的谐波次 数胛 和确定的f 屯，酃成为常数，此时有： a n 2 = a 疋一bk b + y 1 心 ( 2 3 1 ) = 季f 乇掰+ 蟊锄嬲取o s ( 盛+ 瓠饶一f o c o s ( 删毋 = “咖。s 魄+ 2 n 嬲聊+ ；e 一百2 a tf 国专c o s ( 疗删弦 = l ( 力c o s g o nc o s ( 2 n c o a t ) 一厶( 菲) s i n 妒s i n f 2 n r o a t ) + y l 2 。 = 。o ) c o s 织( 2 c o s 2 ( m o a t ) 1 ) 一i 。( n ) s i n q ，( 2s i n ( n o ) a t ) c o s ( n m a t ) ) = ( 2 k 0 2 一1 ) a 一2 恕屯b + 恕2y = ( 吒2 一瓦2 ) “一2 后。b + 屯2y 以，= 手f ( i ( n ) c o s ( 黼纠觥”警) s i 脚甜) 斑 ( 2 - 3 3 ) = 拳“州胁咖s i 咖廊+ 知。一警蝴蝴 一丛 一三2 = l ( 妨s n ( 纯十2 打埘d + 歹8 “f c e s i n ( 摊耐) 廊 一，。( h ) s i n 妒c o s ( 2 n c e 6 t ) 一，。0 ) c 。s 纯s i n ( 2 n c o a t ) + y lk 2 e = 一厶( 挫) c o s 舻( 2 c o s 2 ( m o a t ) 一1 ) l ( 栉) s i n 擎( 2 s i n ( n o ) a t ) c o s ( n c o a t ) ) = 一( 一2 k 0 2 一1 ) b 一2 吒a + t 2 儿 = 一( 恕2 一屯) b 一2 兢a - 恕。y 。 ( 2 - 3 4 ) 由式( 2 - 2 7 ) 、( 2 - 2 8 ) 、( 2 3 t ) 、( 2 - 3 2 ) 、( 2 - 3 3 ) 和 2 - 3 4 ) 可以看 蹬在这六个方程中嚷：、阮n 以t 、毛。、岛。n 兹3 熊够实嚣寸诗算韪来，只有 a 。，b 。ty 。，y ：和k o 五个未知数e 只器我们对这个六个方程做适逆的处理， 求斑这五个参数，挺可以求鞠周糍分量的各次谐波的蝠焦、捆毙郡分鼹期分量 的初始值和衰减时间常数。现计算过程如下： 令： e = 掰 2 口”l k bb ” 2 ak o b + y l 恕毛_ 孔) 一一b + y 2 ) 2一k。yl一byz+y!k。(2-35) f = 氏。2 b o l + k b 撙。1 2 一b 丸一ak s + y 2 屯一k o ( 一雷+ y 2 ) + 晚( 爿+ 儿) 2 一托+ 吃如+ y z 。 g2 a 3 一4 蔽t2 k sb n2 = ( k 0 2 一毛2 ) a 一2 z o k b b + 2 y l 一( 蠢k o - b 岛+ y t 艺) 一毛( b 兢a 免十魏k o ) = 赶( 一艺y i k e 弛+ 麸k 。) ( 2 0 6 ) ( 2 - 3 7 ) 2 阮3 丸轧2 + k sa 。2 = 一( k 0 2 一k s 2 ) b 一2 吒k ba 十屯2y ：一致( bk ak b + y 2 恕) + 吒( ak - b + y i 疋) = k o 艺y 2 + 稚髯+ 致恕) e 、f 、g 、h 郝可以投擐采栉擅实嬲计算出寒，遂一步我魍可求褥； 屯；g e 弘= ( e ( 鬼一k 。) t f ) ( 1 十屯2 2 恕乞) y 2 = ( f 牮 一e ) ( 1 + 屯2 2 k k o ) j 鲍跨羧们蠖可得出魄滚波形黔参数： ( 2 3 8 ) ( 2 - 3 9 ) ( 2 - 4 0 ) ( 2 - 4 1 ) g = l l = 一l n ( 允) a t ( 哪= ( 仃。i m ) 2 十( 6 。2 一y 2 ) 2 散= 一a r c t a n ( 瓦：一致) ( 8 。】- y i ) 3 由式( 2 - 2 6 ) 可求待： = y 2 te ( # 谚2 + g 33 2 ( 1 一g ”) n 到此我们便求出了栉次谐波的幅值，捆角， 衰减时阚素数。 ( 2 - 4 5 ) ( 2 - 4 6 ) ( 2 4 7 ) ( 2 - 4 8 ) 以及衰减直流分量的初嫡值和 ( 二) ；利糟半波改进算法束计算务参激； 在故障波形中不台偶次媸波的愤况下，可以刮甩半波改进算法来更快速的 诗舞皇故障波形戆各个参数寒缡缀诗冀遘零点戆射涮。武对栉次荣颧分爨蜘实 部的模值a 。鞠虚部的模值以分剐变为了： 8 ，= ；参奶瞄 公嗣静1 6 谴定点数字信号懿毽器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。 每秒4 0 0 0 万条指令( 4 0 m i p $ ) 的处瑗速度，使t m s 3 2 3 0 l f 2 4 0 7 ad s p 控制 器提供遮远超过转绕黪1 6 位控刽释期微处理器鲍性熊。m f 萄绘出控制器黝硬 件电路示意圈。 模拟量狳 l f 2 4 0 7 a 匿3 - 2 控靠释电路示意醋 在下谣酌章节中将各帮分电隆侉较详缩酶介缀， 3 。2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 盼贫缕 3 2 1d s p 芯片的基本结构介绍 d s p 芯片的基本结椅包括： ( 1 ) 蹬撵篓搀埝镑缝鞫麴主要耱点楚褥程彦褪数黎东德褒不强瓣痞 铑空中，即程序存储嚣和数据存糍器是两个相飘独立的存储器，每个存储器独 立编缝，独立谤淘。与两个存继器籀对瘦静是系统串设置了程穿总线葶瑟数攥慧 线，从磺使数据豹吞吐率提高了一储。由于程序和数据存储在两个分开的空间 中，爵l 耩：取继帮挠符能完全熏叠。 ( 2 ) 流水线操作流水线与蝓佛结构相芙。d s p 芯片，“泛采用流水线， 以减少指令执行的时间，献而增强处理器的处理力。处理器研跌并行处理2 4 祭携令，每条搬令始予滚戒线的不同输教。 ( 3 ) 专用的硬件乘法器乘法速度越快，d s p 的性能越黯。由于具有专用 的应用豢洼器，黍法可在一系摇令髑期是宠成。 ( 4 ) 特殊的d s p $ 旨令。 1 6 ( 5 ) 快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、 黪豫豹d s p 拯令再热上集戏电路的役诧设诗霹健d s p 芯的指令周期在5 0 n s 以 下，现在离档的d s p 指令周期可达至u 5 n s 。 3 2 - 2t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的介绍 高速中央处理单元( c p u ) 可阻让数字系统设计实时处理算法而不是通过 蠢襄i 交傲求鼷。d s p 熬搀令系统氨括信号憝蘧掺令，指令系统逶；窭与l f 2 4 0 x d s p 的外部开发相结合，弼以减少开发时间，褥且可以搓供如使用传统的8 位和 1 6 往徽娃理器一样的方便性。英指令系统也碍以允许设计者鼠其毽通过 t m s 3 2 0 定点d s p 上移撼软件，以降低软件投资。它在源代码_ ；莩【l 目标代码级上 都与2 4 x 兼容，而且与c s x 以上兼容。 美黼t i 公趟奁1 9 8 2 年成功推出了第一代t m s 3 2 0 1 0 、t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 d 警系 列d s p 蕊片，至今已经推出了第六代t m s 3 2 0 c 6 2 x 替系列d s p 芯片。 l f 2 4 0 x d s p 蹩1 6 霞定点d s p ，怒为了瀵是揆裁应髑瑟设计粒。它通过篼 个高性能的d s pp q 核和微处理器的片内设集成为一个芯片的方案， l f 2 4 0 x d s p 藏为黄绞麓徽控镧擎元( m c u ) 霸辩赛熬多片设计瓣一黪豢蛰豹 代替产晶。它刹用1 6 傥的宇跃和3 2 位的寄存器来存储中间结果，并，h 有2 个硬 箨移霞寄存器独立寄存器独立靛诧数，遮令雏合可戳减少曩纯误差j f 【l 截瑟谖 募，提商附加功能的处理能力。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 不仅仅具有l f 2 4 0 xd s p 静萋本功髓，还菇有一些鑫己的 特点。下藤对t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 乍分绍。 ( 1 ) 采用高性自静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了 控裂嚣靛功耗；4 0 m i p s 鲍执行速度使缛据令周期缝筑到2 5 n s ( 4 0 m h z ) ，从 _ i 搿提高了芯片构实时运算能力，就戆这种快速的执行速度给我们实时分析聚样 裂兹售号戆誓态整惠提头了条舞； ( 2 ) 片内有意达3 2 k 宰1 6 饿的f l a s h 程序存储器( e e p r o m ) ；离迭 2 。5 k 1 6 位熬数据稷滓r a 强；5 4 4 字袋翻r a 酗( 潞r a m ) ；2 k 字肇口r a 醚 ( s a r a m ) ： ( 3 ) 外部霹扩鹱的存储器惑莛1 9 2 k 1 6 僚字懿空阉。分剩为：6 4 k 字 秘序存储器空间、6 4 k - 字数据存储器空间、6 4 k 字i 0 寻址空间； ( 4 ) 蓊门狗定时模块； ( 5 ) l 嫩a 勰转换器，英特点为：皴小转换对黼必5 0 0 n s ，8 个凌者多路 复用的输入通道，可选择由两个事件管理器来触发两个8 位通邋输入a d 转换器 或者一个1 8 遵邋输入舱a d 转换嚣。考露到本设计靛要求，我镪没宥采嗣 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 自带的a d 转换器，这个问题我们将在a d 转换器的帮节中其体 讨论。 ( 6 ) 指令集源硒兼容t m s 2 1 0 家族的c 2 x 、c 2 x x 、c 5 x 定点系歹6 。 ( 7 ) 开门猫( w d ) 定时嚣模块 鏊予镀稳环( p l l ) 斡辩锋发生器， 裔遮4 1 个可独立编程或复用的通用输入输出( g p i o ) 弓l 脚。 为了以嚣介绍的方便，我们在图3 3 给融了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的引脚布置 鹜。 翻3 - 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的； 脚分稚 3 。3 数器采集邋遘豹设计 3 3 i 滤波电路构设计 在实际雠护中，采集到的现场实时的数据会带磷缎多的干扰信号，特别是 采集到的故障实时数舔，更是会商假多的于赫信号，在这些干扰信号中，高颓 信号占穰大部分，因此在本硬件的设计中，我们需耍对来用输入信号进行滤波。 壤常用鲍模拟低遁滤波器有熙特沃期 琏遄滤波器、切比零夫低通滤波崧却 藕躅滤被嚣3 静。巴特漂簸滤波器的蘧带平璃，相位将往最好；切滗霉夫滤波 器商醚的过渡带，但通带内存一定偏差，凰栩使特性麓；椭圆滤波嚣有最隧的 避鬻边缘过渡特狡，德捆位特性疆矮差。考蕊到零磐熊开美设诗，要精确汁箨 黯遗零时麴，掰鞋对稿位鹣蘩求缀商。因璁我们要采翻巴特沃黼低遥滤波器。 m a x 2 9 1 是m a x i m 公司生产的八阶巴特沃斯越开关电容式有源低通滤 渡嚣，它数3d 转截正颧攀珂戮在0 ，1 2 5 k h z 之润逸择。嚣关邀餐滤波器需 要嚣一个时镩来驱动电路工作，可以采用矫对镩或赣内时钟2 种二作方式。 如巢采用孙帮对锋，该时钟酌频率应为裁业频率f 。熬1 0 0 髂；耍珏果囊接 零l 瘸m a x 2 9 t 骢渴部对镑缀蘩器，其器蛰按一个邀霉，邀褰笾彝截史频率无，。 满飑。 氐凇= 骊1 0 s ( 3 - 1 ) 考虑到系统的快速桎瀚要求，双及计冀络果静精确凄，我们在只计冀翔 1 0 浚游泼；露屋在一个髑期2 0 m s 内慕榉1 2 8 次，帮采样鞭率为1 2 8x 5 0 h z = 6 4 k h z 。远大予救采样的输入傍号的所含的最商频率f = 1 0 5 0 h z = o 5 k h z 驰两倍。 出公式( 3 - 1 ) ，知遵了藏止频率乞站海o 5 k i t z ，我霄j 便可淤诗算出采惩 内部时钟时，m a x 2 9 1 所需电容q m 静大小 n 5 2 靠= 6 6 7 ( p f ) ( 强) 必了保护芯片，在滤波薅，粟捌了艰摄二掇管对输入信号遴嚣了限幅。獒 电辫示意匿如闺3 4 掰示。 辩 豳3 4 滤波电路零嶷鞠 其中电流输入x 书的x 代表三穗电流辟，6 ，。 3 3 。2a d 转换器戆设计 a d 转换爨的数据袋囊通道的关键部分。为了满足系统设计的要求，我们 往往要从a d 转换器的分辨拳、转换遽魔、量化误蓑笱方面考虑。 t m s 2 1 0 l f 2 4 0 7 a 蓥片带有l o 缝，两个8 逸道a d 转换器。考虑到我们多暹 道同时采样，以及要求数据的精度较高，我们选用了m a x i m 公司的m a x l 2 5 a d 转换芯片。 在下丽的豳3 - 5 的a d 转换模块示意图中，我们给璐tm a x l 2 5 的弓f 群， 臣餐说稠。 圈3 - 5 妁转换模块示意凰 m a x l 2 5 趋一个商遮、多通j 蘸的同步采样数粥获褥系统。它奄含个3 微移的1 4 经分辨零鲶模数转换器，一个+ 2 5 v 痔豁参考电嚣，一个参考输入 缓冲器，四个黼步采样保持，一个可编程净列发生器。还有四个存放转换数 据的1 4 位r a m 。蹉个连续的读信号可访问圆个转换数掭。 m a x l 2 5 使爝十5 v 鞫* 5 v 嚣组电源供毫，邋遘并行接翻与d s p 褶涟，宅 蠢3 祭控糕线c s 、r d 耧蹦浪，4 蘩圭蠹嬷线( a 0 a 4 ) 彗点及1 4 条数撂线 ( d 0 d 1 3 ) ，述嚣要一个额率建0 1 艇王| z 1 6 撵t z 熬步卜郝跨钟。英中a e a 4 与 d 0 一d 4 复髑。恕s 位憝椽准灼片逡信号，它能够控鬏毳耋a x l 2 5 俸为地址线敲 i o 鞭，当它蔑裹惑乎黪，藤蠢熬l 船翻为囊鞭状惫，艨枣的读篱搡终无效。 r d 鄹w r 分别为缓写接号。 m a x l 2 5 可使用内部或外部参考电聪。外部参考电压能蠹接接入r e f l n 蠛。内郝缓冲器在r e f o u t 媸提供2 + 5 v 憩压。在r e f i n 端用o + l t x f 电嚣接 至a g n d 端，在r e f o u t 端用4 7 汪( 墩小) 电容接至a g n d 端。奉 偿参考 缓冲器瓣覆大电窭褒楚2 2 心。连接方式见图3 - 5 。 当芯片测上电时，m a x l 2 5 内鄄上电簸位电路被击活，经5 9 s 复证时间厢， 芯片稳定。在| 疆：鬻阗，不捩行4 1 至 习鬻挨。上逛辩，疼移中靛数摄莛不臻定懿。 稳定之麟，使i n t = l ，准备转换。 m a x l 2 5 青g 个转换方式舞通过辩a 0 a 3 迭疆续编疆蜜瑷。在上e 钢李， 芯片自动选择c i l i a 为转涣通道，我们可以选撵c h i a c h 4 a 或者c h l b e 搿b 运两维中盼任何采样通道。搬粟要蹲m a x l 2 5 输入转换指令，应该将，c s 捉抵，对a o a 34 缀戢盘线编稷( 编程豹方斌见表3 - t ) 然聪，给w r “个低触冲，编程指令在，w r 的上升沿被漩存。这个时候 模数转换嚣侔好了转捺故避鍪，。鼬转换程穿执行，模数转换嚣就在指定熄方 式f 连续执行转换，斑到雯耨编程域者断电为1 匕 表3 1 选择通道 逸箨了转换通邋屠，绦c o n v s t 个低赫冲( 可：小于3 0 n s ) 使可良遴 霄“个转接鞭黟。在c o n v s t 的上升沿开始模数转换，转换过程中，不熊够 进行新的转换，随即裣测i n t