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华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文设计开发了一种基于d s p 和w i n c e 的电力参数测量系统。该测 量系统可对电压、电流有效值、功率等电力参数进行实时测量。该系统采用 模块化设计，通过适当的扩展，可以作为电力系统中电网信号分析或电能表 校验的一个便携式通用平台。论文详细阐述了构成电力参数测量系统的数据 采集模块和系统主控模块的硬件电路设计、系统软件设计。整个测量系统采 用了a r m 和d s p 的双处理器结构。d s p 和高精度a d c 作为数据采集模块 的核心，完成电网数据的采集、处理和传送；a r m 9 核芯片作为系统主控模 块的核心，运行w i n c e5 0 嵌入式操作系统，为用户提供良好的人机交互界 面。经试验证明本论文设计的参数测量系统已达到预期精度。 关键词：电力参数，d s p ，a r m ，w i c e ，测量平台 a b s t r a c t am e a s u r e m e n ts y s t e m0 fe l e c t r i cp a r a m e t e r sb a s e d0 nd s pa n da r mi s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r t h ee l e c t r i cp a r a m e t e r s ，s u c ha st h e r m sv a l u eo fv o l t a g ea n dc u r r e n t ， p o w e r ， c a nb er e a l t i m em e a s u r e d a m o d u l a r i z a t i o nt e c h n i q u ei sa p p l i e di nt h ed e s i g n t h em e a s u r e m e n ts y s t e mc a n b eac o m m o np o r t a b l ep l a t f o r m0 ft e s t i n ge q u i p m e n tf o re i e c t r i ce n e r g ym e t e r s a n da n a l y s i ss y s t e mo fp o w e r l i n es i g n a l ，b yc x t e n d i n gp r o p e rf u n c t i o n s t h c d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sp r o p o s e di n t h i sp a p e r t h es y s t e mi s c o m p o s e do ft w op a r t s ：d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n ds y s t e ms u p e r v i s em o d u l e a c q u i r i n g ，p r o c e s s i n g a n d t r a n s f e r r i n gt h cs i g n a l d a t ao fp o w e r - l i n ea r e c o m p l e t e di nt h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，w h o s ec o r ei c sa r ead s pa n da h i g h p r e c i s i o na d c ac o n v e n i e n tu s e ri n t e r f a c ei s s u p p l i e d i n s y s t e m s u p e r v i s em o d u l e ，o nw h i c hw i n c e5 0r u n s a na r m 9l ci si t sc o r e t e s t s p r o v et h a tt h es y s t e mh a sa c h i e v e dt h ee x p e c t e dp r e c i s i o n d uc h o n g g a o ( s i g n a la n dl 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 yp r o f s h a n gq i u f e n g k e yw o r d s ：e l e c t r i c p a r a m e t e r s ，d s 只a r m ，w i n c e ， m e a s u r e m e n t p l a t f o m 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文设计开发了一种基于d s p 和w i n c e 的电力参数测量系统。该测 量系统可对电压、电流有效值、功率等电力参数进行实时测量。该系统采用 模块化设计，通过适当的扩展，可以作为电力系统中电网信号分析或电能表 校验的一个便携式通用平台。论文详细阐述了构成电力参数测量系统的数据 采集模块和系统主控模块的硬件电路设计、系统软件设计。整个测量系统采 用了a r m 和d s p 的双处理器结构。d s p 和高精度a d c 作为数据采集模块 的核心，完成电网数据的采集、处理和传送；a r m 9 核芯片作为系统主控模 块的核心，运行w i n c e5 0 嵌入式操作系统，为用户提供良好的人机交互界 面。经试验证明本论文设计的参数测量系统已达到预期精度。 关键词：电力参数，d s p ，a r m ，w i c e ，测量平台 a b s t r a c t am e a s u r e m e n ts y s t e m0 fe l e c t r i cp a r a m e t e r sb a s e d0 nd s pa n da r mi s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r t h ee l e c t r i cp a r a m e t e r s ，s u c ha st h e r m sv a l u eo fv o l t a g ea n dc u r r e n t ， p o w e r ， c a nb er e a l t i m em e a s u r e d a m o d u l a r i z a t i o nt e c h n i q u ei sa p p l i e di nt h ed e s i g n t h em e a s u r e m e n ts y s t e mc a n b eac o m m o np o r t a b l ep l a t f o r m0 ft e s t i n ge q u i p m e n tf o re i e c t r i ce n e r g ym e t e r s a n da n a l y s i ss y s t e mo fp o w e r - l i n es i g n a l ，b yc x t e n d i n gp r o p e rf u n c t i o n s t h c d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sp r o p o s e di n t h i sp a p e r t h es y s t e mi s c o m p o s e do ft w op a r t s ：d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n ds y s t e ms u p e r v i s em o d u l e a c q u i r i n g ，p r o c e s s i n g a n d t r a n s f e r r i n gt h cs i g n a l d a t ao fp o w e r - l i n ea r e c o m p l e t e di nt h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，w h o s ec o r ei c sa r ead s pa n da h i g h p r e c i s i o n a d c ac o n v e n i e n tu s e ri n t e r f a c ei s s u p p l i e d i n s y s t e m s u p e r v i s em o d u l e ，o nw h i c hw i n c e5 0r u n s a na r m 9l ci s i t sc o r e t e s t s p r o v et h a tt h es y s t e mh a sa c h i e v e dt h ee x p e c t e dp r e c i s i o n d uc h o n g g a o ( s i g n a la n dl 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 yp r o f s h a n gq i u f e n g k e yw o r d s ：e l e c t r i c p a r a m e t e r s ，d s 只a r m ，w i n c e ， m e a s u r e m e n t p l a t f o m 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 和w i n c e 的电力 参数测量系统，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已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： 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： 日 期：碑蚴 日 期： 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 电力参数测量的研究背景及其意义 在工业生产和日常生活中，电力对社会和个人有着密切的关系和重要的意义。 但随着近年来电力电子技术的迅速发展，在化工、冶金、电力传送、电气化铁道等 行业，以及家用电器中非线性负荷的使用日渐增多，特别是一些大功率整流设备和 电弧炉的大量应用，导致在电力系统中产生大量谐波，并引起电压、电流波形发生 畸变。电网中的畸变、电力谐波等不仅会严重危害供用电设备和电气仪表，影响电 能计量设备不能准确地反映电力系统运行的真实情况，同时也会对电力系统本身造 成不良影响和危害，使供电质量不断下降，损害电力用户的利益i l j 。因此，深入、 系统地研究畸变、谐波对电能表和电能计量的影响具有十分重要的意义。我们只有 对电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等电力参数有准确、快速的检测和 监控，才可以及时掌握供电线路和设备运行状态，发现电网中的故障或隐患，也才 能够更好地了解在畸变和谐波环境中电能计量装置和其他电力设备的运行状况，保 证电网平稳经济地运行。 因此，研制一种多功能的便携式的电力参数检测装置具有非常重要的意义，它 需要对如电压、电流、功率、功率因数等电力参数进行实时测量。 1 2 电力参数测量的国内外研究动态 1 2 1 国内外电力参数测量系统的发展 目前，国外微机化电力参数测量仪器的技术已经比较成熟。而数字信号处理、 大规模集成电路、计算机领域中的虚拟仪器等几项新兴技术的引入，推动着微机化 电力参数测量仪器向着更高的水平发展。 1 ) 广泛用于通信、语音和图像处理等领域的数字信号处理器和各种数字信号 处理算法在微机化电力参数测量仪表中的应用，进一步增强了仪器的数据处理能 力，使得实时的电网多相电量高精度测量、谐波分析等功能的实现成为可能1 2 j 。例 如，美国f l u k e 公司推出的基于d s p 技术的多功能功率分析仪可以根据用户自定 义的公式完成功率分析。 2 ) 基于专用集成电路( a s l c ) 、片上系统( s y s t e m0 nc h i p ，s o c ) 、混合信号 等技术的电量测量专用芯片的应用使得电测仪器的设计更加方便快捷、体积更小且 性能更高。近两年来，随着数字信号处理器的广泛应用和多种单、三相电能专用集 成电路芯片的成功开发，将电能表检测校验仪的发展推向了高潮。美国a d i ( 模拟 华北电力大学硕士学位论文 器件) 公司提供的一种校验仪方案，采用“d s p + m c u + 高精度a d c ”的解决方 案，在不减少功能的前提下，缩小了体积、功耗，可靠性明显提高。同时，若增加 具有扩展功能的外围辅助电路，并采用相应的软件，便可满足客户的特定功能需求， 灵活性大大提高。 3 ) 基于计算机软件组态技术的虚拟仪器( r t u a li n s t m m e n t a t i o n ，v i ) 技术的 出现，也为电测仪器的研发提供了新的思路。v i 是计算机技术与仪器技术深层次结 合的产物，其核心是在数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件设计实现仪器 的全部功能。以数据采集系统、便携式计算机、组态软件组成的便携式的虚拟仪器 系统，由使用者根据现场实际情况配置仪器的功能与用户界面，大大增加了仪器使 用的灵活性与方便性。 在国内，近几年来数字信号处理器( d s p ) 芯片以其强大的数字运算能力被越 来越多地用于电力信号的检测。但由于一般的数字信号处理器芯片的控制功能不如 单片机( m c u ) ，大多数电力参数测量系统都采用单片机和数字信号处理器芯片相 结合的双c p u 结构。测量系统的硬件结构主要由主c p u ( 微控制器m c u ) 、从c p u ( 数字信号处理器d s p ) 、模数转换电路、数据存储、通讯电路和控制输出电路组 成1 3 4 1 。m c u 是测量系统的核心，完成系统配置和管理、人机交互、数据通信及d s p 的控制。d s p 芯片接收数据采集电路送来的数字信号，对其进行计算，完成各种算 法，以实现功率因数、频率、谐波及各项电能指标的计算和分析，并将结果送回主 c p u 进行显示，或者通过测量系统的通讯接口传输至上一级系统，以完成更为强大 的数据处理和分析功能。m c u 和d s p 之间常通过双口l 认m 实现数据交换和协同 工作。现有的大多产品都是在免费的心傩一或开源的切职、从z 加麒等嵌入式 操作系统之上进行软件系统的设计开发，使用自制的或者开源的人机界面软件套件 ( 例如m i n i g u i ，m i c r o w i n d o w 等) 完成人机交互，软件运行界面普遍比较简单。 1 2 2 电力参数测量的算法介绍 电能质量指标的主要分析方法可分为时域仿真、频域仿真和基于数学变换的分 析方法三种。在这三种方法中，时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛， 主要用途为利用时域仿真程序对电力系统电能质量扰动现象进行研究分析。频域分 析方法主要用于电力系统中谐波问题的分析，包括频谱分布、谐波潮流计算等。基 于数学变换的分析方法主要指傅立叶变换方法、短时傅立叶变换方法、小波变换方 法和瞬时无功理论等。最近，人工智能方法也被用于对电力参数的测量和电能质量 的分析上1 5 ，们。 1 ) 时域仿真法 时域仿真法是利用时域仿真程序对电力系统电能质量扰动现象进行研究分析。 2 华北电力大学硕士学位论文 目前较通用的时域仿真程序主要有e m t p 、e m t d c 等系统暂态仿真程序。利用暂 态仿真程序可以对电容投切造成的暂态现象、电弧炉造成的电压波动等电能质量问 题进行分析，还可以对电力系统的各种控制器以及控制策略进行仿真分析。但时域 仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模拟的最大频率范围，因此必须事先知 道暂态过程的频率覆盖范围。 2 ) 频域仿真法1 7 l 频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，利用常规的谐波潮流计 算，分析谐波在系统中的分布情况。 在谐波分析中，线性网络可用： l 一匕己乙， ( 历= j ，2 ；3 ，j 1 1 ) ( 1 - 1 ) 表示。 式中：l 为注入电流源矢量； 匕为节点导纳矩阵； 【，为节点电压矢量； 班为谐波次数。 其中，对应每个谐波频率的匕都要单独生成。通过向所需研究的节点注入幅值 为1 的电流，其余节点的注入电流置为零。求解上式，所得电压即为该节点谐波输 入阻抗和相应各节点间的转移阻抗。 当注入电流频率在一定范围内变动时，可得相应谐波阻抗一频率的分布图，从 图中曲线的谷值和峰值可确定节点发生串、并联谐振的频率。对应每个谐波频率， 从各非线形负载电流中取出相应的频率分量，将这些分量合成，又可得各节点电压 的时域波形。这种方法简单，适用于大多数情况，因此在实际谐波潮流计算中的应 用较多。谐波仿真法的缺点是适用范围太窄，一般只用于谐波问题。 3 ) 基于数学变换的分析方法 基于数学变换的分析方法主要指傅立叶变换方法、短时傅立叶变换方法、小波 变换方法和瞬时无功理论等。 i 傅立叶变换方法：作为经典的信号分析方法，傅立叶变换具有正交、完备 等许多优点，而且具有快速傅立叶变换( f f t ) 这样的经典算法。在电能质量分析 领域，傅立叶变换主要用于频谱分析【8 ，9 1 ，般对电压及电流两个时间信号同时进 行采样，同时做频谱分析，以便快速给出它们的谐波幅度、相角以及谐波功率等。 但傅立叶变换必须获得信号在时域中的全部信息，对信号的局部畸变没有标定 和度量能力，因此无法充分描述时变非平稳信号的特征；无法反映信号在局部时间 范围内和局部频带上的谱信息。为解决上述问题，d e n n i sg a b o r 提出了短时傅立叶 变换( 亦即窗口傅立叶变换) 1 1 0 l 。与傅立叶变换相比，短时傅立叶变换考虑了信号 3 华北电力大学硕士学位论文 频谱中时间的变化，将不平稳过程看成是一系列短时平稳过程的组合，突破了傅立 叶变换只能用于平稳信号分析的局限。但是短时傅立叶变换只适合于分析特征尺度 大致相同的过程，不适合分析多尺度过程和突变过程。而且，这种方法的离散形式 没有正交展开，难以实现高效算法。 i i 小波变换方法：小波变换是一种多尺度分析，对时间序列过程从低分辨率 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，因此很适合对电 能质量领域的非平稳时间序列进行时域分析【1 1 ，1 2 】。小波理论用于电能质量分析主要 是应用小波变换以下两个特点： ( 1 ) 小波理论的多分辨率分析可以将信号分解到不同的频带，从而可以在不 同的频率带内分析信号。 ( 2 ) 小波变换在信号的奇异点处对应着局部模极大值( 即小波变换的奇异性 检测原理) 。 但是，小波分析方法在实际应用中却存在着以下不足： ( 1 ) 小波变换的分析结果与小波函数的选取密切相关，当小波函数选取不当 时，分析结果会产生很大的误差甚至错误。 ( 2 ) 小波变换对各类噪声和微弱信号的识别都非常敏感，但其鲁棒性不好， 故在实际应用中必须和其他有效的去噪方法相结合，因此实现起来比较复杂。 瞬时无功理论：目前瞬时无功理论主要应用在谐波和无功电流的实时检测 方面。首先对含有噪声的信号进行小波去噪和差变处理来确定扰动的位置和持续时 间。将去噪后的单相电压信号通过移相6 0 。得到三相电压，并用三相电压代替三相 电流，利用瞬时无功功率理论计算出瞬时有功功率，进而计算出瞬时电压幅值，根 据扰动的持续时间和扰动的幅度对扰动类型进行识别。 4 ) 人工智能方法 目前在电能质量分析中人工智能方法主要用来对电能质量扰动分类，一般利用 傅氏算法和小波变换的方法对电能质量扰动进行了特征提取后，再利用人工智能方 法进行识别。除了用人工智能方法对电能质量的扰动进行分类分析外，也有文献考 虑用人工智能方法提高电能质量1 1 3 ，14 1 ，包括用模糊方法实现电压和无功功率的控 制、用专家系统、遗传算法和模糊集理论实现电容器组的最优分布、用模糊逻辑分 析扰动对敏感负荷的作用等。 1 3 课题研究的目标及其任务 本论文设计实现了一种新型的基于双处理器、主控软件运行w i n c e5 o 操作系 统的高准确度电力参数测量系统。整个测量系统分为两个模块：数据采集模块和系 统主控模块。数据采集模块使用t i 公司的数字信号处理芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 和a d i 4 华北电力大学硕士学位论文 公司的1 6 位高速模数转换芯片作为其核心，完成采集和处理数据，并把处理后的 结果数据传送到系统主控模块；主控模块使用三星公司的具有a r m 9 核的 s 3 c 2 4 4 0 a 作为其核心，在g e c 2 4 4 0 开发板的基础上完成测量系统的系统平台的搭 建，采用w i n c e5 0 作为主控模块的操作系统，并实现具有对数据采集模块的操作 控制、数据显示和管理测量数据的功能。 本论文提出了整个测量系统的总体设计，设计和实现了系统中数据采集模块的 硬件和软件，也完成了在开发板上的系统主控模块的软件开发。 本论文需要完成的数据采集系统的测量精度要求为： 电流、电压、有功功率、有功电能准确度等级达到0 1 级( 使用内置互感器) 。 无功功率、无功电能准确度等级达到0 2 级。 本测量系统的软硬件平台具有方便的可扩展能力，和强大的运算处理能力，能 够达到较高测量精度。如果在其硬件和软件的基础上扩展不同的功能，则可以完成 诸如电能表校验、电能质量监测等任务。此测量系统可以作为对电力系统中电网信 号分析和电能表校验的一个便携式通用平台。 1 4 本文的结构安排 论文共分为六章： 第一章：主要介绍了课题研究的背景和意义，以及电力参数测量系统的国内外 发展现状，也对电力参数测量算法进行了简单的介绍。最后提出了本课题的主要研 究内容和需要完成的性能指标。 第二章：为了增加测量系统的可扩展性，本论文将整个系统划分为两个功能模 块：数据采集模块和系统主控模块。本章介绍了整个系统和两个模块的设计思路， 并给出了总体功能框图。 第三章：详细介绍了数据采集模块的功能，给出相关的硬件原理图和软件流程 图，分析了其工作过程。 第四章：详细介绍了系统主控模块中的功能子模块的硬件设计，结合截取的软 件图形界面，介绍了系统主控模块实现的功能。 第五章：首先简要介绍了误差的概念、来源，和系统的调试平台，并对系统进 行了测试。测试结果表明系统满足预期的准确度等级要求。 第六章：总结了本文所做的工作，并对后续工作提出了展望。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力参数测量系统总体设计 2 1 测量系统的总体框架 整个电力参数测量系统采用模块化设计，分为数据采集模块和系统主控模块。 模块化设计可以降低系统的设计难度，也为以后能以本系统作为电力系统校验或监 测的基础平台上做功能扩展提供了方便。当其中一个模块出现问题或者需要更新硬 件时，不必更换整个系统，能降低系统的使用和升级成本。系统开发者只需定义好 模块之间的通信接口和协议标准，保证模块之间有快速高效的通信环境，即可方便 地扩展测量系统的功能。 数据采集模块主要完成电网信号的输入调理、采集、计算，并接受系统主控模 块的控制，并与主控模块间传输测量数据。 系统主控模块提供与用户直接交互的界面，主要完成接受用户的操作指令，对 测量得到的电力参数数据进行显示和管理。 系统的总体框图如图2 1 ： 一蹇譬一互感器 _日腿霹 信号，l 一“ 信号调理 工 采集计算 传 输 数据采秦模块 嗍络接口| l u s b 接口1 l 液晶显示 串口l l 一 可w i l l c e 系统 警l 鼠标键盘， 挂li 。盛簇板 制i l 二= 图2 1 系统功能总框图 2 2 数据采集模块设计简介 数据采集模块应该可以在任何时刻对电网信号进行数据采样，能够准确地分析 包括电压、电流在内的电力基本参数。但电网中的电压电流信号并不适合电子电路 系统直接对其进行信号分析和处理，所以首先需要将其变换成幅值等各输入参量处 于信号处理系统允许范围内的信号，这需要模拟信号输入调理电路。a d c 将调理后 的模拟信号转换成数字信号，送给信号处理分析模块。由于电网中不可避免地会出 6 华北电力大学硕士学位论文 现抖动，导致电网信号频率在短时间内会出现随机的变化，为了完成对其每周期采 样固定点数的要求，不能直接进行简单的定时采样，而需要对电网信号的频率进行 跟踪，可以使用硬件锁相环来产生精准的采样脉冲。为了满足实时和精确的信号处 理分析，以d s p 芯片在信号处理领域内的明显优势，以及性能的增加和成本的下降， 使得d s p 芯片具有较好的性价比。但d s p 内部的存储器容量不大，当片上资源不 能满足系统的程序和数据空间要求时，需要外扩存储器。整个采集模块中的逻辑控 制信号可由c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 产生。 综上，测量系统中的数据采集模块需要有： 1 ) 信号输入和调理电路：包括电网中电压、电流信号的输入和调理电路，在 本系统的设计中，电压信号通过采用精密电阻网络分压输入，电流信号通过电流互 感器输入。 2 ) 同步采样电路：由硬件锁相环构成频率同步电路。6 路信号有可能并不会全 部有效，所以需要通过模拟选择器在6 路电网信号中选择一路有效信号作为锁相环 的输入。 3 ) 数据采样和处理电路：为数据采集模块的核心电路。为保证整个系统的高 精度和易扩展性，本课题选用a d i 公司的1 6 位高精度6 通道的模数转换采样芯片 a d 7 6 5 6 。核心处理芯片需要具有较快的运算能力和方便的通信接口，以与主控模块 进行数据传输。本课题选用t l 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 。 4 ) 与主控模块通信的接口电路：系统主控模块通过此接口电路对数据采集模 块进行控制，可以启动或者停止数据测量工作。采集模块也通过此接口向主控模块 传输数据。在模块间的接口电路中需要加入总线驱动芯片，以增强信号的抗干扰和 驱动能力。 5 ) 与硬件设计相一致的采样与处理程序、数据传送程序。使用t l 公司的d s p 开发工具c c s 3 3 进行数据采集模块的程序开发。 2 3 系统主控模块设计简介 为满足系统的可扩展和高性能的需求，本论文的主控模块硬件使用三星公司的 s 3 c 2 4 4 0 a 为主控芯片，它拥有一个a r m 9 核，可稳定运行在4 0 5 m h z ，并配置网 络接口、u s b 接口和串行接口，以用于与其他设备进行通信。在软件上，系统主控 模块运行w i n c e5 o 嵌入式操作系统。用户可以使用键盘、鼠标或触摸板作为操作 指令的输入方式，通过模块间通信接口电路传送来的测量数据可以显示在程序界面 上，在主控模块的程序中也能完成对测量数据进行简单管理。 系统主控模块的设计包括： 1 ) 为满足系统的可扩展和高性能的需求，并给用户提供一个友好易用的操作 7 华北电力大学硕士学位论文 界面，首先需要选择合适的开发板作为主控模块的基础硬件平台。硬件平台上需要 有强大运算能力的主控芯片，和足够的r o m 和r a m 空间以运行w i n c e5 0 操作系 统，也需要支持液晶屏显示，u s b 接口、串行接口。本课题选用广嵌科技的g e c 2 4 4 0 开发板。需要定义与数据采集模块通信的控制和数据总线接口。 2 ) 根据所选择的开发板，构建能在其上运行的w i n c e5 o 嵌入式操作系统。根 据系统主控模块需要实现的功能，使用微软公司的p l a t f 0 姗b u i l d e r 软件定制w i n c e 5 0 ，对所需功能进行增添或裁减，并将最终生成的二进制映像烧进开发板。还需生 成对应的s d k ，搭建好应用软件的开发平台。 3 ) 完成对系统主控模块软件的编写。主控模块的软件包括3 个程序模块：电 力参数测量、电力波形显示和测量数据管理。在电力参数测量界面中，可以控制采 样测量的开始和停止、动态显示测量数据、保存当前测量值到数据库中；在电力波 形显示界面中，可以动态显示电网中的电流、电压信号波形，用户可以直观地观察 到采集的原始电网数据；在测量数据管理界面中，用户可以完成查看通过测量界面 中保存的测量数据、删除测量记录、保存数据记录到文件、添加记录文件到数据库 和以时间为条件查询测量数据的操作。使用微软公司的w i n c e 应用程序开发软件 e m b e d d e dv i s u a lc + + 4 进行主控模块应用程序的开发。 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章测量系统中数据采集模块的设计与实现 3 1 数据采集模块的功能 数据采集模块的设计中需要考虑的要求有： 1 ) 本模块采集的对象是电网中的信号，应该有相应的信号输入和调理部分。 2 ) 本模块设计每周期采集电压、电流波形数据均为5 1 2 点，应该选择高速的模 数转换器。 。 3 ) 本模块需要最多同时对6 路信号进行采集，所以选择的模数转换器最好具有 多通道同时采样的功能。 4 ) 本模块最重要的部分就是数据的处理部分，它要完成多路数据的采集、运算， 与主控模块进行数据传输，所以选择合适的a d c 和数据处理芯片是本模块设计的 重点。 在本课题中，选用a d l 公司的1 6 位高速6 通道a d c a d 7 6 5 6 ，和t i 公司的 5 4 x 系列d s p 芯片一t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 。 根据以上的讨论，本文设计的电力参数测量系统中数据采集模块的功能框图如 图3 1 所示： 图3 1 数据采集模块功能框图 在本系统中，利用d s p 强大的数据处理功能完成电网信号的采集和运算，并通 9 华北电力大学硕士学位论文 过t l 公司d s p 自身提供的h p l 8 接口，完成数据采集和系统主控两个模块之间的 数据传输。s r a m 作为d s p 的扩展程序空间和数据存储空间。在以后实际的工作环 境中，可以通过d s p 运行烧写程序，向f l a s h 烧写进通过调试的具有完善功能的程 序代码，由d s p 自动加载f l a s h 中的程序代码，完成自启动。硬件锁相环实现对输 入信号的同步采样，能减小由于采样不同步而产生的采样误差。c p l d 则为整个系 统提供逻辑转换和配合锁相环产生a d c 采样脉冲。各个部分的详细说明请参见本 章相应小节。 3 2 数据采集模块的硬件设计 3 2 1 电网信号输入及调理电路 电网中的电压信号经过电阻分压网络，电流信号经过内置或钳型电流互感器， 均变换成交流电压信号，再经过电压跟随和简单的r c 滤波电路之后，进入模数转 换芯片进行信号的量化采样。 电压信号调理电路原理图如图3 2 所示。精密电阻r 2 和r 3 组成电阻分压网络， 将输入的电网电压信号经分压后，传递给u 3 ( o p 2 7 ) 和r 1 组成的电压跟随器，使 输入信号与负载电路隔离，最后经过由r 4 和c 1 4 构成的一阶低通滤波电路，完成 电网电压信号的调理过程。经过调理后的u a 信号进入a d c 采样芯片输入通道。 例如有效值为3 8 0 v 、2 2 0 v 的输入电压经过如图3 2 的调理电路后，分别变换为幅 值为4 0 3 v 、2 3 3 v 的交流电压信号，均在a d c 芯片的允许电压范围之内( 5 v ) 。 b 相、c 相电压信号采集与调理电路与此相同。 r l 图3 2 电压信号调理电路( a 相) 一 电流信号选择和调理电路原理图如图3 3 所示。j d 3 为继电器，q b a 和c t a 分 别是钳型电流互感器和内置电流互感器的输出信号，通过k z l 2 信号控制继电器的 1 0 华北电力大学硕士学位论文 开合( 低电平时选择q b a ，高电平时选择c t a ) 来选择不同的互感器信号进入后级 处理。内置的电流互感器输入范围为0 0 5 a 1 0 a ，准确度等级为0 0 1 级；钳型 电流互感器可选5 a 、1 0 a 、2 0 a 、5 0 a 、1 0 0 a 、5 0 0 a 等量程，准确度等级为o 2 级。 因为在本系统实际测试时使用的内置电流互感器输出为有效值为3 v 的交流电压 信号，所以电流信号调理电路与电压信号调理电路相同，故不赘述。b 相、c 相电 流信号选择和调理电路与此相同。 图3 3 电流信号选择和调理电路( a 相) 图3 3 中继电器的开合需要较大的电流( 本文使用的继电器工作电流需要 2 8 1 m a ) 【1 5 】，而常用的控制芯片能够提供的电流较小，需要m c l 4 1 3 1 1 6j 作为控制继 电器的驱动电路，驱动电路如图3 4 。sl 旺1 和sk z 2 是由d s p 中的m c b s p 2 ( 多 通道缓冲串口2 ) 中设置为g p l o 功能的cb c l l 2 、cb c l l 2 引脚通过c p l d 驱动后发出的控制信号，其高电平为3 3 v ，与工作电压为5 v 的m c l 4 1 3 之间需要 加入一个s n 7 4 l v c 2 4 4 a 芯片，用作3 3 v 5 v 的电压转换和总线驱动。 三u l、c c 3 3 厂l 2 0t j 2 12 1 0 e # 、c 1 91 3 l a i2 0 e 暑 l ss k z l l =：= c 1 4 2 y 41 y l 5 l a 22 a 4 1 7 0 1 l k z 26 2 y 3 l y 2 1 6s i 旺l 二 j 。 7 1 a 3 乙吣 t ! j 8 ：y 2l y 3 1 4s k z 2 l 9 l a 42 a 2 1 3 l o 2 y ll y 4 i 二s k z 2 2 g n d2 a 1 l l 上 荤瑟 耐黧慧艟 纠玳60 i ，r 6 卜禁一 到黑隧；a ， i m c l 4 1 3i i l 图3 4 继电器控制驱动电路 华北电力大学硕十学位论文 3 2 2 硬件同步采样电路 由于电网频率通常会有一定的波动，在一个变化的电网周期内，如果采用定时 采样，将不会恰好采集到所需的固定点数，导致测量结果不准确。为了确保每周期 内的均匀采样，本论文采用了锁相环倍频的方法。这部分电路主要包括锁相环输入 信号切换电路和锁相环倍频电路两部分。 3 2 2 1 锁相环输入信号切换及整形电路 为确保整个采集工作的正常运行，必须保证锁相环的输出的准确性和稳定性， 那么也就必须保持输入信号的稳定【1 7 】。但是在实际的电力系统测量中，会出现缺相 的问题，如果将锁相环的输入与调理滤波后的某一路信号直接固定相连，很有可能 当这路输入信号为空时，会导致锁相环的输出失真甚至为零，进而使整个测量系统 瘫痪。因此，设计了锁相环输入信号的切换及整形电路，其原理图如图3 5 。 电路中使用了一片多路模拟开关芯片h c f 4 0 5 1 ( u 1 2 ) ，其输入端就是经滤波后 的三相电流及三相电压共6 路信号，由核心处理器控制选择某一路信号作为输出。 输出端就是锁相环的输入，当核心处理器d s p 判断锁相环的输入不正确或为空时， 对控制端引脚( a 、b 、c ) 写入相应的控制字切换到下一路，直到判断到锁相环输 入正确。其具体切换方法在软件设计部分有相关的介绍。 因为锁相环对输入信号非常灵敏，并且关系到以后的采样信号的准确性，所以 需要对其输入信号进行整形处理，滤除杂波，并变换成与有效电网信号同频率的 3 3 v 方波信号，作为锁相环的输入信号。 3 2 2 2 锁相环倍频电路 图3 5 电网信号选择及整形电路 1 2 华北电力大学硕七学位论文 同步采样法就是整周期等问隔均匀采样，要求被测信号周期t 与采样时问间隔 & 及一周内采样点数之间满足关系式r 一出，即：采样频率为被测信号频率的 倍。这就需要我们先跟踪被测信号的频率，达到同步，采用锁相倍频电路。锁相 的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统 叫做锁相环，简称p l l 。锁相环示意图如图3 6 所示。当没有基准( 参考) 输入信 号时，环路滤波器( l p f ) 的输出为零( 或为某一固定值) 。这时，压控振荡器( v c o ) 按其固有频率，：，进行自由振荡。当有频率为厶的参考信号输入时，比开和。同时加 到鉴相器( p d ) 进行鉴相。如果厶和f ，相差不大，鉴相器对比。和“。进行鉴相的结 果，输出一个与“r 和“。的相位差成正比的误差电压h 。，再经过环路滤波器滤去“。中 的高频成分，输出一个控制电压比，比。将使压控振荡器的频率无( 和相位) 发生变 化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使，l ，一厂膏，环路锁定。环路一旦进入锁定 状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号( 参考信号) 之间只有一个固定 的稳态相位差，而没有频差存在，这时就称环路已被锁定。当锁相环入锁时，它还 具有“捕捉一信号的能力，压控振荡器可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化， 如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频 率，并强迫压控振荡器锁定在这个频率上。锁相环应用非常灵活，如果输入信号频 率厂霄不等于压控振荡器输出信号频率厂0 ，而要求两者保持一定的关系，例如比例关 系或差值关系，则可以在外部加入一个如图所示可选的运算控制单元，以满足不同 工作的需要。例如，如果需要厶= 5 1 2 厶，则可以在输入和鉴相器之间的运算控制 单元中放入一个5 1 2 倍分频器，使得在鉴相器的两个输入端信号频率相等。 鬻酬鬻酬僦鬻潞酬压篙伴 l 蜊 一一一一一一一一一 运算控制 ( 可选)； ! ， 图3 6 锁相环示意图 本论文设计中使用的是f a i r c h 订d 半导体公司的7 4 v h c 4 0 4 6 ，采用s o i c l 6 封装， 压控振荡器的最大工作频率是1 2 m h z ( 阮c = 4 5 y ) ，并且具有良好的线性度和温度 稳定性，拥有快速的比较器响应时间( 2 5 3 0 咒s ) 。其引脚分布及结构框图如图3 7 所示【1 8 1 。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 鞋 峭 确 艇舅l 州r 哺栅_ 嘲 哪a 盯 i - 州町 c 1 c i 鲥d 慨 慷芘c o - 节婀呻i 翱e h i - 州陂，诅盯 1 1 2 i 一 _ 删叫u 叩孵铂盯 哪啊 图3 77 4 v h c 4 0 4 6 引脚分布及结构框图 7 4 v h c 4 0 4 6 第1 脚是相位输出端，环路锁定时为高电平，环路失锁时为低电平。 第2 脚是相位比较器l 的输出端。第3 脚是比较信号输入端。第4 脚是压控振荡器 输出端。第5 脚是禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。第6 、7 脚外接振荡电容。第8 、1 6 脚分别是供电电源的负端和正端。第9 脚压控振荡器的 控制端。第1 0 脚是解调输出端，用于f m 解调。第1 1 、1 2 脚外接振荡电阻。第1 3 脚相位比较器l i 的输出端。第1 4 脚信号输入端。第1 5 脚是相位比较器i i i 的输出 端。 图3 8 锁相环电路 设计中的锁相环电路如图3 8 。p l l i n 信号由信号频率整形电路的模拟选择器 1 4 华北电力大学硕十学位论文 h c f 4 0 5 1 选择电网上的电压或电流信号，经过放大器和施密特触发器调理整形后， 形成一个与选择的电网信号频率一致的方波p l l i n 。p l l r e f 是锁相环v c o 的输出 p l l o u t 经过可编程逻辑器件5 1 2 2 0 分频后产生的参考频率信号。当锁定时， p l l 0 u t 的频率就是p l l i n 的5 1 2 2 0 倍。在可编程逻辑器件c p l d 中对p l l o u t 信号2 0 分频后生成采样信号s p s i g 控制a d c 进行采样操作，以完成对电网信号的 每个周期5 1 2 点采样( 可以通过在c p l d 中改变分频系数来更改每个周期的采样点 数) 。由于7 4 v h c 4 0 4 6 能随着频率的改变而做出相应改变并最终锁定，所以这个锁 相倍频电路不需要软件的干预，节省了d s p 处理器的软件资源，又因为此电路所有 功能均为硬件完成，还提升了检测的速度。使用此电路设计方法，能够为数据采集 提供很精确的触发脉冲，从而提高了检测的精度。例如，当向p l u n 引脚加入 k ；4 y 的5 0 h z 工频信号时，p l l r e f 的信号频率为5 0 h z ，p l l o u t 信号的频率 为5 1 2 5 k h z ，a d c 采样信号s p s i g 为2 5 6 k h z 。 3 2 3a d c 采样电路 模数转换器a d c 作为数据采集模块的一个核心器件，其性能和工作方式是决定 整个系统性能和精度的重要因素之一。本系统的采样指标考虑如下： 1 ) 分辨率要求：整个系统的精度要求为0 1 级( 相对误差 0 1 ) ，考虑到系 统其余部分存在误差，因此a d c 的理论分辨率至少要比总精度要求高一个数量级。 再考虑到a d c 固有的偏移误差、增益误差和非线性误差，以及外界噪