（农业电气化与自动化专业论文）基于dsp的多功能电能质量监测系统的研究与开发.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济的发展，电能作为一种商品日益受到人们的关注， 同时由于近年来电力电子技术的不断发展和电网中非线性负荷的大 量投入使用，使得电网中非线性、不稳定性和不对称性等“电力污染” 因素严重影响了电能质量，甚至对国民经济造成直接损失。通过对电 能质量的不间断监测、记录和分析，可以实时监测电网中的电能质量， 分析产生和影响电能质量的原因，为提高和改善电能质量提供重要依 据。 论文采用d s p 和c p l d 相结合，设计开发了一种基于d s p 的多功 能电能质量监测仪。可以在线测量电网的电压、电流、功率等基本电 能参数，评估谐波、频率偏差、电压波动及闪变等电能质量指标，记 录电能质量参数和指标越限事件并对越限事件作出报警反应。系统外 设接口丰富，板上设计有键控l c d 显示人机交互系统，可以现场查询 数据。扩展的s d 卡可以方便存取大量的实时数据( 支持热拔插功能) 。 此外系统扩展了r s 2 3 2 4 8 5 本地通讯接口和嵌入式以太网通信接口， 可通过因特网实现远程通信，这些扩展的通信接口可以方便开发上位 机数据库管理软件和实现远程监控。 论文重点介绍了以下几个部分：首先是电能质量各项指标的测量 原理和方法，详细介绍了实现谐波分析的f f t 运算和国家标准规定 的电能质量指标计算原理方法。其次是系统的硬件电路设计，介绍了 d s p 和c p l d 的硬件总体架构方案完成d s p 高速数字核心板和c p l d 江苏大学硕士学位论文 外设及功能处理板的设计，同时在硬件设计时充分考虑了e m c e m i ( 电磁兼容和电磁干扰) 的问题以提高系统稳定性和抗干扰能力。系 统软件的开发设计主要介绍基于源码公开的实时嵌入式操作系统u c 0 s i i 下系统的各个任务模块，包括uc o s i i 在f 2 8 1 2d s p 上的 移植和a d 采样任务、f f t 及数字滤波任务、键控与l c d 显示等任 务的开发；特别在pc o s i i 操作系统上移植了l w i p 轻型t c p i p 协 议栈并开发了d m 9 0 0 0 以太网芯片的驱动程序，用于实现系统基于以 太网技术的远程监控。 最后介绍了系统的软硬件调试及系统集成，在此基础上实现了整 个系统的样机测试，也提出了尚需解决的相关问题和待完成的工作， 并对本课题作了总结，展望了未来的发展趋势。 关键词：电子测量仪器，电能质量，谐波分析，数字信号处理器，c p l d ， 嵌入式实时操作系统 i l 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，p e o p l eb e g i nt op a y m o r ea t t e n t i o nt op o w e re n e 玛ya sac o m m o d i t y d u et om eb r o a d d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n do t h e rn o n l i n e a rl o a d si n p o w e rn e t w o r k ，“p o w e rp o l l u t i o n “i n c l u d i n gt h en o n l i n e a r ，t h ei n s t a b i l i t y a n du n b a l a n c eo f p o w e rn e t w o r kh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，e v e n b r i n gd i r e c tl o s st on a t i o n a le c o n o m y t h ep o w e rq u a l i t yc a nb eo n l i n e m o n i t o r e db yu n i n t e 栅p t e dc h e c k i n g ，r e c o r d i n ga n da n a l y z i n gi np o w e r n e t w o r k ，r e a s o n sc a nb ef o u n ds i m u l t a n e o u s l yw h i c hr e s u l ti ni s s u e so f t h ep o w e rq u a l i t y ；t h e nt h es c i e n t i f i ce v i d e n c e sc a nb ep r o v i d e dt o i m p r o v et h ep o w e rq u a l i t y t h i sp a p e rc o m b i n e dd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) a n dc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) c h i pt od e s i g nam u l t i 一如n c t i o n p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gi n s t r u m e n t i tc a nb eu s e df o rm e a s u r i n ga l l b a s i sp o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r si n c l u d i n gv o l t a g e 、c u r r e n ta n dp o w e r ， e v a l u a t i n gp o w e rq u a l i t yi n d i c e ss u c ha sh a m o n i ca n a l y s i s 、f 诧q u e n c y d e v i a t i o n 、v o l t a g en u c t u a t i o na n df l i c k e re t c ，r e c o r d i n ga c c i d e n to fp o w e r q u a l i t ya n da l a m i n gf o ri t t h es y s t e mh a s 如l lp e r i p h e r a li n t e r f a c e s ， i n c l u d i n gk e ya n dl c dd i s p l a yu n i ta n ds dc a r ds t o r a g eu n i t ( s u p p o r t h o t - p l u g 如n c t i o n ) i na d d i t i o n ，t h es y s t e me x t e n d sr s 2 3 2 4 8 5s e r i a l c o n l i n u n i c a t i o ni n t e a c ea n de n l b e d d e de t h e r n e t i n t e r f i a c e ， t h e s e i n t e r f a c e sc a nb ec o n v e n i e mt od e v e l o pd a t a b a s ew i t hu p p e rc o m p u t e r a n da c h i e v er e m o t em o n i t o rb yi n t e m e t e m p h a s i so ft h et h e s i sa r el a i do nf 0 1 l o w i n g ：f i r s ti st h ep n n c i p l e s a n dm e t h o d so fp o w e rq u a l 咄w h i c hs t u d yt h ef f ta l g o r i t h mo f h a m l o n i ca 1 1 a l y s i sa i l dm e t h o d so fc o m p l e t i n gp o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r s a n di n d i c e sa c c o r d i n gt oc o r r e l a t i v en a t i o n a ls t a n d a r d si nd e t a i l s s e c o n d u i 江苏大学硕士学位论文 i st h es e c t i o no fs y s t e mh a r d w a r e ，w h l c hm t r o d u c e sh o wt or e s e a r c hd s p h i g hd i g i t a lc o r eb o a r da n dc p l dp e r i p h e r a l 如n c t i o nb o a r d a tt h es a m e t i m e ， i tt a k e sm l la c c o u n to ft h ee m c e m i( e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t ya n de l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) i s s u e st oi m p r o v e s y s t e ms t a b i l i t ya n da n t i - ja m m i n gc a p a b i l i t i e si nt h eh a r d w a r ed e s i g n t h ed e v e l o p m e n to fs y s t e ms o r w a r ei n t r o d u c e sv a r i o u st a s km o d u l e s b a s e do no p e ns o u r c ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m c o s - i i ， i n c l u d i n gp o r t i n g 肛c 0 s i ii nf 2 8 12c o r e ，a ds a m p l i n gt a s k ，f f ta n d d i g i t a lf i l t e r i n gt a s k ，k e y l c dd i s p l a yt a s ke t c e s p e c i a n y ；t h el i g h t t c p i pp r o t o c o ls t a c kl w i pi s p o r t e di n 肛c o s i ia n dt h e d r i v eo f d m 9 0 0 0c h i pi sd e v e l o p e df o ra c h i e v i n gr e m o t em o n i t o r i n gb a s e do n e t h e m e tt e c h n o l o g y f i n a l l y ，t h ep a p e rc o i l l p l e t e st od e b u gs y s t e mh a r d w a r ea n ds o 胁a r e a n dt h es y s t e mi n t e g r a t i o n i nt h i sf o u n d a l t i o n ，i ti m p l e m e n t st h es a m p l e o fo v e m nt e s t i n g ，a n da l s om e n t i o n ss o m ep r o b l e m st os o l v ea n ds o m e u n d o n ew o r kw h i c hw i l lc o n t i n u ei nt h en e x ts t e p ，a n di tf o r e c a s t st h e 如t u r ed e v e l o p m e n tt e n d e n c y k e y w o r d s ：e l e t r o n i c sm e a s u r e m e n ti n s t m m e n t ，p o w e rq u a l i t y ，h a m o n i c a n a l y s i s ，d s p ，c p l d ，e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m l v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密l 型 一弛毒瞬 2 0 0 8 年衫月l 阳 指导教师签名： 2 0 0 8 年臼伪 节 江苏大学硕士学位论文 1 2 电能质量监测系统的研究与发展状况 1 2 1 电能质量的分析方法 电能质量的分析方法主要有时域、频域和变换域3 种。其中时域仿真的方法 在电能质量分析中的应用最广泛，可以利用不同的时域仿真软件对电能质量中的 各种暂态现象进行研究分析。目前比较通用的时域仿真软件有e m t p e m t d c 、 n e t o m a c 等暂态仿真软件和s p i c e 、p s p i c e 等电力电子仿真软件。频域分析方法主 要用于电能质量中的谐波问题的分析，包括频率扫描、谐波潮流计算等。 基于变换和数字技术的分析方法近年来在电能质量分析领域得到了十分广 泛的应用。主要有傅立叶变换、小波变换、神经网络、二次变换和p r o n y 分析等 几种基于变换的分析方法瞳1 ，下面将比较说明这几种变换方法的特点。 快速傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的分析方法。其优点是算法 简单、快速，但缺点也很明显。应用f f t 时，必须满足以下两个条件，一是符合 采样定理的要求，即采样频率必须达到或超过最高信号频率的两倍；二是被分析 的信号波形必须是稳定的，随时间周期变化的。如果不能满足上面的条件，f f t 分 析会产生“旁瓣”和“频谱泄露”现象，给分析带来混叠和泄露误差。此外， 由于ff 1 i 变换是对整个时间段的积分，时间信息得不到充分利用，信号的任何冲 突，其频谱将散布于整个频带。另外傅立叶变换虽然能够将信号的时域特征和频 域特征联系起来，分别从信号的时域和频域观察，但是却不能把两者有机结合起 来。快速傅立叶变换只能适应于确定性的平稳信号( 如谐波) ，对时变非平稳信 号难以充分描述。 小波变换是一种窗口大小固定、形状可变的时域局部化分析方法。它在低频 部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，具有对信号的自适应性：是一 种多尺度分析，对时间序列过程从粗到细加以分析( 从低分辨率到高分辨率) ， 既能显示过程变化的全貌，又能剖析局部变化特征；由于小波函数本身衰减很快， 也属于一种暂态波形，因此十分适合用于电能质量分析领域中对非平稳时间序列 进行时域分析。但是在实际的应用中，由于小波变换的运算量比较大，因此实时系 统中需要性能高、价格昂贵的高速处理器才能实现，如浮点d s p 器件口1 。此外就 是小波分析有“边缘效应”，在边界上要进行数据处理，如对称延拓边界数据点等 2 江苏大学硕士学位论文 方法，这占用了不少时间，也会引起一定的误差。 神经网络是一种从不同角度、功能来模拟动物神经系统的技术，由大量处理 单元广泛互联而成，基于现代神经生物学和认知科学对人类信息研究成果的网 络，其优点是不必对被研究对象建立明确的数学模型，而只关心对象的输入输出 关系。此外，神经网络还具有多输入和多输出，便于用超大规模集成电路( v l s i ) 或光学集成电路系统实现，或用现有的计算机技术实现，以及能进行学习，以适 应环境的变换等优点。将神经网络理论用于电能质量监测的谐波测量中主要可以 提高谐波测量的精度和解决实时性的问题h 1 。但是在应用神经网络时也存在一些 问题，诸如局部极小问题，造成网络的局部收敛，影响系统的控制精度；理想的 训练样本难以提取，影响了网络的训练速度和训练质量；以及网络结构不易优化 等。 二次变换是一种基于能量角度来考虑的时域变换方法。信号的能量函数可分 别用时问和频率的函数来表示，同时信号的能量函数必须能用基于时间和频率的 能量密度函数来表示。也就是说，信号的能量分布是时间和频率的双线性函数， 它构成了时域二次变换的基础。仿真计算结果表明，这种二次变换不仅可以准确 地测量基波和谐波分量的幅值，而且能够准确地检测到信号发生尖锐变化的时 刻。其不足之处是无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值，以及不具有时域分 析功能。 p r o n y 分析衰减的思想类似于小波。该方法中，认为信号总是可以由一系列 的衰减的正弦波构成。这些衰减正弦波类似于小波函数( 但不满足容许性条件， 所以不能构成小波函数) 。也就是信号s ( t ) 可分解成： s ( t ) = k = a i e b l s i i l ( it + v i ) 仅仅由这个公式就可以想象，当分解结果求出来后，信号中各个频率的信号 及其幅值和相角就全都一清二楚了。从这个意义上，这种分析方法和小波一样， 可以做多尺度的信号分析，用来做电力系统的数据分析十分有用。p r o n y 分析的 缺陷就是计算时间太长，因此在实时系统中无法应用，但用来做离线的数据分析 是不错的工具。 1 2 2 电能质量监测系统的发展现状 传统的电能质量监测仪设计大多采用工业计算机配备数据采集卡来实现电 3 江苏大学硕士学位论丈 能质量的数据采集和分析，主要针对稳态指标进行监测，系统的实时性难以保证， 智能化和网络化程度也不高。因此研制功能齐全、性能优良、使用方便的电能质 量监测装置，对提高电力系统的安全可靠供电和用户放心满意用电都是十分必要 的。 国内对电能质量监测问题的研究起步较晚，使用的电能质量测量装置功能单 一，只能实现对某种电能质量指标的测量，多数不具备综合测量、分析、判断功 能1 。主要还是采用传统的方法对电能质量进行监测，而且主要针对电力系统的 稳态过程分析，对一些暂态指标，还存在标准不统一，算法精度和实时性不能满 足要求等问题，需要做进一步的研究和改进。 目前国内生产电能质量监测仪器水平较高的厂家有上海宝钢安大电能质量 有限公司、安徽振兴科技股份有限公司、保定方长电子有限公司、长沙威胜电子 有限公司等，他们生产的电能质量仪器代表了目前我国电能质量监测仪器的先进 水平，其中有些产品达到了国际先进水平。如宝钢安大公司推出的p q l l 6 便携式 电能质量测试仪具有功能齐全、性能优良、安装和使用简单等特点。 国外发达国家在电能质量监测装置的研究上比我国早，也有很多产品进入我 国市场。从产品可靠性、一致性、工艺性方面对比，国内众多厂家和科研院所研 制的电能质量监测设备与国外先进产品都存在一定的差距。比较著名的公司有美 国f l u k e 公司、加拿大电力测量公司、瑞典联合电力公司、美国e i g 公司等，这 些公司的电能质量监测装置大都集电力参数测量、电能计量和电能质量监测于一 身，测量精度在0 1 1 之间m 豳1 。而国际上高档电能质量监测仪器已经集高 精度电能测量、电能分析、保护与监控、智能控制、事故记录与分析、数据记录、 波形记录、网络化等功能。如美国通用电气公司( g e ) 推出的固定式电能质量监 测器、f l u k e 公司的仪表式f 4 3 b 电能质量分析仪。 1 3 本文的主要研究工作 本文的设计研究把握电能质量监测发展的最新趋势，采用先进的技术手段， 在保证系统功能与性能的前提下，提出了一种基于d s p + c p l d 架构的嵌入式硬 件平台的解决方案。对比目前较普遍采用的双c p u 结构的设计方案，本文的设 计主要体现了以下几个方面的特点： 4 江苏大学硕士学位论文 ( 6 ) 研究了工业以太网协议，设计基于以太网芯片( d m 9 0 0 0 ) 的接口电路， 移植了l w i p ( t c p i p 协议栈) ，并丌发了d m 9 0 0 0 芯片的底层驱动程序。 法。 ( 7 ) 样板的硬件、软件调试以及系统集成，并讨论了系统进一步改进的方 6 江苏大学硕士学位论文 第2 章电能质量指标的测量原理与计算方法 傅立叶变换是将信号从时域变换到频域的一种算法，其实质是将原始信号分 解为一组正交三角函数的加权组合。由于快速傅立叶变换具有算法简单快速的特 点，对于一般应用均能达到测量精度的要求，因此本文使用快速傅立叶变换作为 采样信号处理的核心算法来计算电能质量的各项指标和谐波分析。以下将介绍 f f t 变换原理和电能质量指标的测量计算方法。 2 1 快速傅立叶变换原理 是 非周期连续时间信号石( ，芒夕的傅立叶变换可以表示为： x ) ：r 。石( f ) e 一埘巩 ( 2 1 ) x ) = i 石( f ) e 1 肼巩 ( 2 1 ) 设采样得到了n 点采样值缸0 丁) ，l = 0 ，1 ，一1 ) ，那么其频谱取样的谱间距 2 万 缈o 2 而- 由此对( 2 1 ) 式离散化可得到 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 令= p 并省略符号国。和丁，则( 2 3 ) 式可写为 一l x ( 尼) = x ( 刀) 夕 ( 2 4 ) 其中x ( j | ) 是时间序列x ( 以) 的频谱，称为蝶形因子。对于n 点时域采样值， 经过式( 2 4 ) 的计算，就可得到n 个频谱条，这就是离散傅立叶变换( d f t ) 。 可以看出，d f t 需要计算2 次复数乘法和( 一1 ) 次复数加法，在n 较大时， 计算量将会变得非常巨大。利用的对称性秽+ 譬：一时和周期性 嘴= 噼= 嘴+ 撕，可将n = 2 脚点的d f r 分解为棚个2 点的d f t ，称为 基2 的f f t ，这样计算量可减为( 2 ) l o g 多个加乘运算，比d f t 的计算量大大 7 砌 丝 一 p 、- 、 r聆 _ x 州脚 = 、- 、 o 缈后 _ x 江苏大学硕士学位论文 地减轻。 f f t 算法通常可分为按时间抽取的f f t 运算( d i t ) 和按频率抽取的f f t 运算( d i f ) 两种方法9 l 。 2 1 1 时间抽取基2f f t 算法( d it ) 设序列长度n 是2 的整数幂次方，n = 2 m 。则有 一i x ( 后) = 肼研x ( ，z ) _ x ( 以) 嘭 ( 2 5 ) n = o 将x ( n ) 分解为偶数与奇数两序列之和，当n 为偶数时，令n = 2 r ，n 为奇数 时，令n = 2 r + 1 得到 生一l笪一j 22 x ( 尼) = x ( 2 厂) 蝶膺+ x ( 2 ，+ 1 ) 暇2 ”呲 r = 0r 譬o 生一l生一l = x ( 2 r ) ( 孵) 庸+ 眩x ( 2 ，+ 1 ) ( 昭) 础 ，r _ o ，1 ，n 一1 ( 2 6 ) r ；o，= o 2 群 由于蝶= p 而= 畋，则 2 尘l l! 一i ， x ( 后) = z ( 2 ，) 嘭+ 哪x ( 2 ，+ 1 ) 嘭 ( 2 7 ) 坐一l 令五( 后) = x ( 2 r ) 嚼= 肼研z ( 2 r ) 和 r = 0 2 坐一i _ ，2 ( 七) = 乏二x ( 2 ，+ 1 ) 阿蛩= 胛【x ( 2 ，+ 1 ) 】 代入( 2 7 ) 式，即得 x ( 七) ：x 。( 七) + 玎蛮j ，2 ( 七) ，七：o ，1 ，罢；一1 ( 2 8 ) 其中五( 尼) 和置( 尼) 的周期均为n 2 ，若要计算从n 2 到n 一1 点的f f t ，可 利用的对称性秽+ 了= 一时，代入( 2 8 ) 式得： x ( 尼+ 譬) = 五( 尼) 一聪置( 尼) ，尼= o ，1 ，譬一l ( 2 9 ) 由于要：2 肘一- 仍然是偶数，可类似地将n 2 点序列再分解为两个点的n 4 序 江苏大学硕士学位论文 列，继续这样的分解过程，直到最后是2 点序列的d f t 。由于每次分解均将序 列从时域上按偶数奇数提取且每次都是一分为二，所以称为时间抽取基数为2 的 算法。 2 1 2 频率抽取基2f f t 算法( d if ) 对于= 2 m 序列，频率抽取不是按偶、奇分解，而是按前后对半分解，并 按一定规则组成两个点n 2 序列，它们的d f t 分别是五( 厂) 和五( ，) ，它们分别 对应于原序列n 点序列的d f t 的偶数部分和奇数部分。和时间抽取一样，由于 n 2 仍是偶数，继续上面的分解过程，直至最后剩下2 点的d f t 。这种分解方法， 由于每次都是按输出x ( k ) 在频域上顺序属于偶数还是奇数分成两组，故称基数 为2 的频率抽取法。和时问抽取基2f f t 算法一样，频率抽取基2f f t 算法运算 工作量比普通d f t 算法大大减小。 在基数为2 的f f t 中，设n = 2 m ，则总共有l o g 多= m 级运算，每级中有n 2 个2 点f f t 蝶形运算，因此n 点f f t 中总共有婺l 。g 多个蝶形运算，l 。g 多次复 数加法。 i s 铝g el i s t a g e2s b g c3 i 一- 哇i 一一一- 一一一一e 毒x ：? ：二二毒x ：心以 毒x 毒i ：淞 7 7 _ 4 7 _ 一二、燃 一。一：翟vv v j 哆一：7 二乃滁 7 7 一l 一 二 5 0 0 人) 调查闪变觉察率f ( ) 的统计公式： ，：r 竺型堕x l o o ( 彳+ b + c + d ) ( 2 5 2 ) 式中a 一没有觉察的人数； b 一略有觉察的人数； c 有明显觉察的人数： d 一不能忍受的人数。 ( 2 ) 瞬时闪变视感度s ( t ) 电压波动引起照度波动对人的主观视觉反应称为瞬时闪变视感度s ( t ) 。通常 以闪变觉察率f ( ) 为5 0 作为瞬时闪变视感度的衡量单位，即定为s = 1 觉察 单位( m l i to fp e r c 印t i b i l i t y ) 。与s = l 觉察单位相对应的各频率电压波动值v ( ) ，表2 2 是研究闪变的实验依据。 表2 。2 对应i e c 标准的数字式闪变检测s 值列表( t a b 2 2i e cs t a l l d a r dsv a l u et a b l e ) ( 3 ) 视感度系数k ( ，) 人的脑神经对照度的变化有最低的记忆时间，高于某一频率的照度波动普通 1 7 江苏大学硕士学位论文 人觉察不到，闪变是经过灯一眼一脑环节反映人对照度的主观视感，引入视感度 系数k ( ，) 可以更为本质地描述灯一眼一脑环节的频率特性。 i e c 推荐的视感度系数 础) = 筹磊鬻器淼 亿5 3 ) i ，- = 一 z 一) 】- 一v7 产生同样视感度的肚正弦电压波动 r 7 ( 4 ) 短时问闪变值氏( s h o r tt e 彻s e v 耐t y ) 衡量短时间( 若干分钟) 内闪变强弱的一个统计量值。p 。= l 为闪变引起视 感刺激性的通常限值。 ( 5 ) 长时间闪变值p l t( 1 0 n g t e 瑚s e v 嘶t y ) 由短时间闪变值p 。推算出反映长时间( 若干小时) 闪变强弱的量值。 i e c 闪变标准规定低压和中压电网的闪变兼容值为p 吼= l ，这是针对工频 ( 5 0 h z 或6 0 h z ) 标称电压为2 3 0 v 的照明供电。对于高压网和中压网一般不直 接连接照明设备，但是公认需要给出闪变的规划值( p l a n n i n gl e v e l s ) ，用于规划 电力网中所有负荷对供电系统的冲击影响。i e c 规定中压网p 。t _ o 9 ，高压网k = 0 8 。我国从新的标准实施后，在闪变测量方法上也同i e c 保持一致。 i e c 推荐的闪变检测方法是以模拟方式进行规定的，测量原理如图2 3 所示： 框l框2框3框4 输入s ( t ) 框5 l 输入适配，f 方解调带通加权平方一阶 自检信号 器 滤波低通滤波 统计评估 图2 3i e c 推荐闪变检测框图( f i g 2 3i e cr e c o n l l i l e n df l i c k e rc h e c 虹n gd i a 扩锄) 由于被测信号的动态范围较大，用模拟技术实现起来对电路要求高，而且也 不容易达到足够的精度要求，而采用数字技术实现闪变测量可以很好地解决信号 的动态范围和精度问题，比模拟技术有较大优势，因此更具有现实意义。 测量原理图中框1 ，将输入的被测电压适配成适合仪器的电压数值，并能发 生标准的调制波的电压作仪器自检用。 江苏大学硕士学位论文 框2 至框4 ，为对灯眼一脑环节的模拟。 框2 ，模拟灯的作用，用平方检测方法从工频电压波动中解调出反映电压波 动的调幅波。闪变要求对二倍工频1 0 0 h z ( 或1 2 0 h z ) 的衰减须在9 0 d b 的数量 级，这个衰减作用要由平方检测滤波器和模拟人眼频率选择特性的加权滤波器完 成。6 阶巴特沃斯( b u t t e 刑o m l ) 低通滤波器( 最平坦低通滤波器) 的截止频率 为3 5 h z 。另外，由截止频率为o 0 5 h z 的一阶高通滤波器能较容易抑制直流分量。 框3 ，模拟人眼的频率选择特性。l e c 舢i e 推荐的传递函数如2 5 4 式： 【( s ) = 盎( _ ：_ 鹣 c 2 5 4 ， 其中系数k = 1 7 4 8 0 2 ，九= 2 靠4 0 5 9 8 1 ，l = 2 兀9 ，1 5 4 9 4 ，2 = 2 7 【2 2 7 9 7 9 ， 3 = 2 7 【1 2 2 5 3 5 ，4 = 2 兀2 1 9 。实际上是用传递函数k ( s ) 逼近觉察率为5 0 的视觉度曲线。 框4 ，模拟人的脑神经对视觉反映和记忆效应。为反映光照度暂态变化的能 见度，增加平方和积分两个滤波功能。闪变信号的平方，模拟非线性的眼一脑察 觉过程；闪变信号的平滑平均，模拟人脑的记忆效应，其积分功能由一阶r c 低 通滤波器来实现，其传递函数的时间常数为3 0 0 m s 。 框5 ，为闪变的统计分析，根据框4 输出的s ( t ) 用积累概率函数c p f 的方法 进行分析。在观察期内( 1 0 分钟) ，对s ( t ) 信号进行统计。由c p f 曲线获得短时 问闪变值： r = o 0 31 4 r - + o 0 5 2 5 p - + o 0 6 5 7 r + o 2 8 尸l o + o 0 8 只o ( 2 5 5 ) 式中5 个规定值p o ，、p l 、p 3 、p l o 、p 分别为1 0 分钟内瞬时闪变视感度s ( t ) 的值等于0 1 、1 、3 、1 0 、5 0 的觉察单位值。 长时间闪变值p h 由测量时间段内包含的短时间闪变值计算获得，其计算公 式为： 1 9 江苏大学硕士学位论文 pq = 或 p ，f _ 式中：n 为长时间闪变值测量时间内所包含的短时间闪变值个数。 ( 2 5 6 ) 在我国的新标准中规定，短时闪变值( 氏) 的统计时间为l o 分钟，长时闪 变值( p l 。) 的统计时间为2 小时。如式2 5 6 所示，在已经得到多个短时闪变值 p 哦( k = 1 ，2 ，n ) 的数据后，长时闪变值( p l 。) 可以有这n 个短时闪变值p 。t l ( 的 立方根值求得。另外，在2 小时内，计算长时闪变值( p l t ) 共需要得到1 2 个短 时闪变值p 。的数据，当设备运行周期持续时间不足2 小时，则系统可能不能测 量到1 2 个短时闪变值p 。，此时可以用零补充1 2 个数据再进行运算，对于电弧 炉等非线性负荷所引起的闪变，至少需要观测一个星期才能做出全面评估。 2 7 本章小结 本章研究了电能质量基本参数( 电压、电流、有功功率、无功功率、功率因 数、频率等) 的测量方法和国家标准中规定的关于谐波、电压偏差、频率偏差、 三相不平衡、电压波动与闪变这些稳态电能质量指标的测量原理和算法公式。这 些测量方法和计算公式是本课题的理论基础。 2 0 江苏大学硕士学位论文 p t t = 式中：n 为长时间闪变值测量时间内所包含的短时间闪变值个数。 ( 2 5 6 ) 在我国的新标准中规定，短时闪变值( 氏) 的统计时间为l o 分钟，长时闪 变值( p l 。) 的统计时间为2 小时。如式2 5 6 所示，在已经得到多个短时闪变值 p 哦( k = 1 ，2 ，n ) 的数据后，长时闪变值( p l 。) 可以有这n 个短时闪变值p 。t l ( 的 立方根值求得。另外，在2 小时内，计算长时闪变值( p l t ) 共需要得到1 2 个短 时闪变值p 。的数据，当设备运行周期持续时间不足2 小时，则系统可能不能测 量到1 2 个短时闪变值p 。，此时可以用零补充1 2 个数据再进行运算，对于电弧 炉等非线性负荷所引起的闪变，至少需要观测一个星期才能做出全面评估。 2 7 本章小结 本章研究了电能质量基本参数( 电压、电流、有功功率、无功功率、功率因 数、频率等) 的测量方法和国家标准中规定的关于谐波、电压偏差、频率偏差、 三相不平衡、电压波动与闪变这些稳态电能质量指标的测量原理和算法公式。这 些测量方法和计算公式是本课题的理论基础。 2 0 江苏大学硕士学位论文 第3 章系统结构与硬件设计 3 1 系统整体设计及功能介绍 本文研制的多功能电能质量监测系统是一种集高性能、高精度、多通道、网 络式的现场电能质量监测仪器。它具有自动电能参数测量、智能统计分析、实时 l c d 显示、数据保存、故障报警和记录、远程网络通讯等功能，是种融合了 现代数字信号处理、电子技术、计算机通信、现代电能质量理论和软件工程于一 身的高技术电能测量仪器，除了监测电网的电压，电流，频率，有功和无功等指 标外，还能分析并记录电网的电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动与闪变、三 相不平衡等指标，适用于电力系统、厂矿企业等电网的电能质量监测。 基于d s p 的多功能电能质量监测系统是以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信 号处理器为核心加上1 4 位双极性高分辨率的d 转换器( m a x l 2 5 ) 和c p l d ( e p m 7 1 2 8 ) 作为协处理器的基本架构组成。其中由f 2 8 1 2d s p 芯片同扩展的 2 5 6 k 1 6 b i ts r 刖m ( i s 6 1 i 2 5 6 1 6 - 1 2 k ) 和2 5 6 k 1 6 b i tf l a s h ( m e m 2 9 l v 8 0 0 1 、a - 7 0 1 及系统电源复位电路设计一个高速数字核心电路来完成系统的信号检测、采 样、电能质量指标运算、数据存储和同外设通讯管理等工作。由电压、电流互感 器元件，信号放大电路，抗混叠滤波电路同d 转换电路构成系统的前向通道 电压、电流信号的模数转换。c p l d 作为协处理器协助d s p 完成系统的组合逻 辑、外设地址译码、数据输入输出缓冲锁存、t t l c m o s 电平信号兼容匹配等 工作。整个系统硬件电路原理图请参见附录d ，具体框图如图3 1 。 从图3 1 中可以看出系统的硬件比较庞大和复杂，开发起来要充分考虑到系 统的模拟信号同数字信号的隔离和共地、高速数字信号的走线和系统整机多路电 源的供电等问题，我们利用了功能模块独立的板卡设计方法将整个系统分成d s p 主板、系统功能板和电源模块三个部分。将f 2 8 1 2d s p 处理器同扩展的存储器 ( f l a s h ，s r a m ) 设计成一个高速的数字系统核心板；同时将c p l d 同d 部 分和外设部分设计成一块功能处理板；通过标准接口可以将核心板接插在功能板 上，装上电源模块后即形成一个完整的整机系统。其中核心板采用四层p c b 设 计，功能板采用般的两层p c b 设计，这样不仅增强了系统的稳定性还降低了设 2 l 江苏大学硕士学位论文 计的成本。 图3 1 系统硬件框图( f i 9 3 1s y s t e mh a r d 、硼r ed i a g r a m ) 下面各节就硬件系统的各功能单元电路做详细的说明。 3 2d s p 核心电路设计 本文设计的多功能电能质量监测仪采用t i 公司2 0 0 0 系列3 2 位的f 2 8 1 2d s p 作为系统的c p u 处理器。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ) 专门为解决工业 应用方案而设计的新一代d s p 处理器n 川。该芯片采用3 2 位中央处理器大大提高 了系统运算处理能力，主频可在1 5 0 m h z ( 时钟周期达到6 6 7 n s ) 下工作，其性 能远优于2 0 0 0 系列的其他d s p 。f 2 8 1 2 数字信号处理器是在f 2 4 x 的基础上开发 的3 2 位高性能定点：签：片，兼容2 4 x 指令系统，能够直接运行在2 4 x d s p 上开发的 程序。其主要特点n 7 1 8 儿1 9 1 ： ( 1 ) 采用高性能的静态c m o s 技术，主频可达1 5 0 删z ( 时钟周期达到6 6 7 n s ) ； ( 2 ) 高性能的3 2 位中央处理器，可以进行1 6 1 6 位和3 2 3 2 位的乘累加运 算； ( 3 ) 片内集成大容量存储器，1 2 8 k 1 6 b i t 的f 1 a s h 和1 8 k 1 6 b i t 的s r a m 2 2 江苏大学硕士学位论文 随机存储器； ( 4 ) 高速外设存储接口，最大可扩展1 m 1 6 b i t 的存储空间； ( 5 ) 内部3 个3 2 位c p u 定时器，其中定时器l ，2 被保留用做实时操作系 统，定时器0 可供用户作为独立的全局定时中断控制。另外事件管理器中集成有 四个1 6 位的通用定时器； ( 6 ) 具有1 2 b i t 的a d c 流水线模数转换模块，转换时间最小6 0 n s ，单转换 时间2 0 0 n ； ( 7 ) 增强型e c a n 2 o b 接口模块及u a r t ，s p i ，m c b s p 串行通讯接口； ( 8 ) 采用1 8 v 内核电压和3 3 v 外围接口电压的电源方案，系统工作性能 高，功耗低。 外部3 0 姗z 的晶体通过f 2 8 1 2 内部p l l 单元将系统频率倍频到1 5 0 m h z 的工 作频率，使得核心板系统达到6 6 7 n s 的时钟周期，1 5 0 m i p s 的处理速度。一般来 说当系统的频率达到3 0 m h z 以上就要考虑高速电路的辐射和干扰问题，本文将 f 2 8 1 2 同扩展的存储器设计成个d s p 的最小系统，再将d s p 的功能引脚扩展到 外部的接口，这样构成一个d s p 的最小系统单元板卡，可以独立调试运行程序， 又可以插入功能板来完成整机系统的工作。核心板是系统正常稳定工作的关键部 分，采用多层板和其他的一些设计技术增强了核心板高速系统工作的可靠性和稳 定性。 f 2 8 1 2d s p 的内核电压是1 8 v ，外围接口电压为3 3 v 伽3 。在上电工作时要 保证外围i o 接口和c p u 内核的上电时间间隔不能超过l s ，否则会影响器件的 寿命。因此系统的电源供电分配设计是保证d s p 稳定正常工作的一个关键问题。 图3 2 是本文设计的d s p 上电及复位电路，其中t p s 7 6 7 d 3 1 8 和t p s 7 6 8 3 3d c 芯 片的最大输出电流都可达到1 a 左右，完全可以满足系统的要求，同时t p s 7 6 d 3 1 8 可以在系统上电时硬件复位d s p 。 江苏大学硕士学位论文 图3 2 系统电源分配设计原理图( f i g 3 2s y s t 锄d cs u p p l yc h u i t ) 3 3 外设电路及功能处理部分设计 系统的外设及功能处理部分主要包括工频信号的电压、电流变换，信号的放 大、抗混叠滤波、d 采样单元；三相频率捕获单元；时钟、键控、显示单元； s d 存储卡单元；组合逻辑及外设译码单元和数据通信接口单元。其中数据通信 这部分扩展了u a i h 通用串口和以太网通信接口，将在3 4 节中详细说明。 3 3 1 模拟信号调理与a d 转换电路 模拟变换，信号调理及a d 采样电路单元是完成从电网中拾取三相电压、 电流信号并经过放大、滤波的处理再通过高速的a d 器件离散化后将模拟的电 压、电流信号转