（通信与信息系统专业论文）变压器功率特性分析仪的设计.pdf

摘要 摘要 变压器是输送电能的重要设备之一，变压器的质量和可靠性是人们所广泛关注的， 因此对变压器的检测是非常重要的。变压器空载、负载试验是变压器重要的检测试验， 本课题针对这些试验设计了功率特性分析仪。 变压器功率特性分析仪主要包括硬件部分和软件部分，硬件部分是由两块电路板构 成主控制板和信号采集板。关键电路是信号采集部分，c p l d 作为信号采集的核心， 选用了模数转换芯片a d 7 6 5 6 ，完成了多路数据同时采集的功能。c p l d 控制采集数据， 并把采集完的数据送入缓存f i f o 中。a r m 作为主控制板的核心，通知c p l d 采集数 据并把采集完的数据进行处理。软件部分主要是用v h d l 语言完成数据采集模块和用c 语言完成主机控制模块、人机接口模块，采用均方根值算法完成电压、电流、有功功率、 无功功率、视在功率和功率因数的计算。 本仪器可以进行空载、负载试验，完成了变压器的检测目的，并能通过液晶显示出 准确的测量，可以存入l f 盘或打印出来。由于设备操作简单，可读性强等优点，这种功 率特性分析仪有广阔的市场和发展前景。 关键词空载试验负载试验a r m a d 7 6 5 6 ab s t r a c t a b s t r a c t t h et r a n s f o r m e ri so n eo ft h ee s s e n t i a le q u i p m e n t st h a tc a nt r a n s p o r te l e c t r i c a le n e r g y t h eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h et r a n s f o r m e ri sr e c e i v e de x t e n s i v ea t t e n t i o n ，t h e r e f o r et h e d e t e c t i o no ft r a n s f o r m e ri sv e r yi m p o r t a n t t h en o - l o a dt e s t ，l o a dt e s to ft r a n s f o r m e rc a n a c h i e v et h ep u r p o s eo fd e t e c t i o n r e s p o n s et ot h e s et e s t s ，w eh a v eb e e nd e v e l o p e da n a l y z e r o fc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s f o r m e rp o w e r t h et r a n s f o r m e rp o w e rc h a r a c t e r i s t i ca n a l y z e rm a i n l yi n c l u d e st h eh a r d w a r ea n dt h e s o f t w a r e t h eh a r d w a r ei sc o m p o s e do ft w op c b s ，t h e ya r et h em a i nc o n t r o l l i n gb o a r da n d t h es i g n a lg a t h e r i n gb o a r d d a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i ta l sak e yp a r t s e l e c t i n gc p l da st h ec o r e o fd a t aa c q u i s i t i o n ，u s i n gt h ea n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o nc h i pa d 7 6 5 6 ，h a sc o m p l e t e da m u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o ns i m u l t a n e o u s l y c p l dc o n t r o l sd a t ac o l l e c t i o n ，a n dt h e c o l l e c t i o no fd a t ai ss e n tt ot h ef i f o a r ma l si t sm i c r o c o n t r o l l e r , n o t i c et h a tc p l dc o l l e c t s d a t ea n dd e a l sw i t hi t s o f t w a r eu s e sv h d lt oc o m p l e t ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e sa n du s e sc t o c o m p l e t eh o s t c o n t r o lm o d u l e ，m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e m o d u l e a c c o r d i n g t ot h e t h r e e - p h a s ee l e c t r i c i t ye l e m e n t a r yk n o w l e d g e ，w eu s et h er o o t - m e a n - s q u a r ev a l u ea l g o r i t h m t oc o m p l e t et h ev o l t a g e ，t h ee l e c t r i cc u r r e n t , t h ea c t i v ep o w e r ，t h er e a c t i v ep o w e r ，t h e a p p a r e n tp o w e r a n dt h ep o w e rf a c t o rc o m p u t a t i o n t h i si n s t r u m e n tm a yc a r r yo nn o - l o a dt e s t ，l o a dt e s t ，a n dh a sc o m p l e t e dt h et r a n s f o r m e r e x a m i n a t i o ng o a l t h er e s u l t st h r o u g ht h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a ya c c u r a t es u r v e y ，c a nb es t o r e d t h ei nup l a t eo rb ep r i n t e do u t b e c a u s et h ee q u i p m e n ti ss i m p l e ，r e a d a b i l i t ys t r o n ga n do t h e r m e r i t s t h i sh n do fp o w e rc h a r a c t e r i s t i ca n a l y z e rh a st h eb r o a dm a r k e ta n dt h ep r o s p e c t sf o r d e v e l o p m e n t k e y w o r d n o - l o a dt e s tl o a dt e s ta r ma d 7 6 5 6 河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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致谢。 作者签名：尘日期：圣堕翌年月l f t 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 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。学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密。日。 ( 请在以上相应方格内打“ ) 作者签名：至旦 导师签名： 日期：盟年量月l 同 日期：上率年上月土同 保护知识产权声明 本人为申请河北大学学位所提交的题目为( 嗖压器讷辛嗬隘分斫1 ：i c 绸班晒学位 论文，是我个人在导师懒指导并与导师合作下取得的研究成果，研究工作及取得 的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完成的。本人完全 了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、行政法规以及河北 大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大学的书 面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内容。如果违反 本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人：一j 碑 作者签名：型 导师签名： 日期：2 堂仝年乏月2 一日 日期：俎年l 月l 只 日期：4 年上月乒同 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究的目的和意义 变压器是输送电能的重要设备之一，变压器的质量和可靠性直接关系到安全可靠的 输送电力。变压器带故障运行，严重时可能将变压器损坏，造成大面积停电，对人们的 生活和工农业生产带来了很大的损失，因此对变压器的检测是十分必要的。检测的目的 是通过变压器的例行试验1 1 2 j ，进行质量检查。其中空载实验、负载试验是对变压器重 要的检测试验。空载试验作为一种检测手段，是通过测量铁心中的空载电流和空载损耗， 发现磁路中的局部或整体缺陷，根据感应耐压试验前后两次空载试验测得的空载损耗比 较，判断铁心和绕组是否存在问题【3 】，而且可以看出变压器在运行过程中的效率和变压 器在设计制造的性能是否满足要求。负载试验的目的是通过测量变压器的负载损耗和短 路阻抗，看其是否符合产品有关标准和技术条件要求，并对负载损耗和短路阻抗不符合 标准要求的原因进行分析，找出变压器结构和制造上的缺陷1 4 j 。本课题所设计的变压器 功率特性分析仪能够对各种变压器进行空载试验，负载试验，功率分析，因而具有非常 现实的意义。 1 2 国内外在该方向上的研究现状及分析 变压器功率特性分析仪是专门用于测量电力变压器空载、负载特性的智能化仪器， 完全满足国标g b l 0 9 4 1 1 9 9 6k 电力变压器盈的技术要求，即使在试验电压、电流波形 严重畸变，或者被测变压器的功率因数极低时，也可进行精确测量，并能按照国标规定 的方法对空载损耗或负载损耗测量结果进行波形和温度的校正。 国内外现有多家制造变压器功率特性分析仪的厂家，但大多数存在着一定的缺陷， 主要是通过变压器制造厂商及客户反映功率测量的准确性以及低功率因数下的功率测 量准确性的问题。我们是根据客户需求来对变压器功率特性分析仪进行研制的。其主要 技术特点是： ( 1 ) 有三个独立的电压通道和三个独立的电流通道，满足各种接线方式的测试要求。 ( 2 ) 仪器内部电压、电流设有多档量程根据输入信号自动进行调节，保证仪器的基本 河北大学。i j 学硕十学伊论文 测量精度。 在电源波形严重畸变或者试品功率因数极低时仍可进行精确测量。 输入电压范围是0 到7 5 0 v 、电流范围为o 到4 0 a 时，可直接测量，大于此范围 时可外接p t 、c t ，p t 、c t 的变比可在仪器中独立设定。 具有空载损耗波形畸变修j 下和负载损耗温度校正功能，满足对各种变压器的测试 要求。 功率特性分析仪具备空载试验、负载试验、功率分析、电压测量、电流测量和相 位测量等功能。 用户可通过全汉字化的操作界面进行选择，实现对各种接线方式的测量，可直接 显示、储存或打印实际测试结果。 1 3 本课题的主要工作 ( 1 ) 本文调研了实际应用中用户的需求，明确了课题研究的意义和实用价值。 ( 2 ) 找出最合适的算法，计算出参数电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率及 功率因数的值。 ( 3 ) 设计多路数据采集系统，主控芯片采用了c p l d ，通过逻辑门的运算去控制数据 采集与存储。模数转换芯片采用a d 7 6 5 6 ，它具有六路同时采样，转换速率高，功耗低 等优点。 ( 4 ) 采用a r m 7l p c 2 2 1 4 作为主控制器，对采集来的数据进行计算，通过按键的操作， 计算各个值，并在液晶上显示，保存于u 盘或打印出来。 2 ) ) ) ) ) 口一月tlluu 7 、，、，i、i、，、 第2 章功率特性分析仪的试验方法 第2 章功率特性分析仪的试验方法 空载、负载试验是变压器重要的检测试验，本章主要介绍空载、负载试验原理，接 线方式及所要测量的电网参数的计算公式。 2 1 空载试验和负载试验 1 空载试验方法 变压器空载试验，就是从变压器任意一侧绕组( 通常为低压绕组) 施加正弦波形额 定频率的额定电压( 主分接或相应分接的电压) ，在其它绕组丌路的情况下测量其空载 损耗和空载电流的试验【3 1 。 空载试验是通过测量铁心中的空载电流和空载损耗，发现磁路中的局部或整体缺 陷，根据感应耐压试验前后两次空载试验测得的空载损耗比较，判断铁心和绕组是否存 在问题。主要测量以下参数： ( 1 ) 空载电流( 电压) 是以实测的空载电流i r ( 电压u m ) 占额定电流i n ( 电压u n ) 的百分数来表示【3 1 。对于三相变压器，是流经三相端子电流( 电压) 的算术平均值，占 该绕组额定电流( 电压) 的百分数。 空载电流( ) i o = 1 0 0x ( 1 r 砌) ； 电压比值( ) k u = 1 0 0 ( u m u n ) ： ( 2 ) 空载损耗主要是由于铁心的磁坏所引起的磁滞损耗和涡流损耗，同时也包括空载 附加损耗和空载电流通过绕组时产生的电阻损耗【3 1 。由于空载试验时产生的电阻损耗很 小，可忽略不计，通常认为空载损耗是消耗在铁心上。 空载损耗p m = p ；p 为实际测得有功功率。 由于非正弦空载电流波形的存在，当试验电源的容量不足时，电压波形的畸变就更 为严重，从而破坏了正弦波的波形因数。电压波形畸变以后，应校正电压波形对空载损 耗测量结果的影响。其修正的空载损耗值为 p o = p r o ( 1 + u d )其中：u d = ( u m u r ) u m ( 波形畸变系数) 河北大学t 学硕十学位论文 导致空载损耗和空载电流增大的主要原因【2 】：硅钢片间绝缘不良；某部分硅钢片 短路；穿芯螺栓或压板、上轭铁以及其他部分的绝缘损坏而形成的短路匝；磁路中硅钢 片松动，甚至出现气隙，使磁阻增大( 主要是空载电流增大) ；磁路由较厚的硅钢片组 成( 空载损耗增大而空载电流减小) ；采用了劣质的硅钢片( 多见于小型配电变压器) ； 各种绕组缺陷，包括匝间短路、并联支路短路、各并联支路中匝数不同及安匝数取得不 正确等。此外，由于磁路接地不正确等原因，也会引起空载损耗和电流的增大。对于中 小型变压器，在制造过程中，铁芯接缝的大小会显著影响空载电流。 2 负载试验 将变压器一侧绕组( 通常是低压侧) 短路，而从另一侧加入额定频率的交流电压， 使变压器绕组内的电流为额定值，测量所加电压和功率【3 1 。 负载试验的目的是通过测量变压器的负载损耗和短路阻抗，看其是否符合产品有 关标准和技术条件要求，并对负载损耗和短路阻抗不符合标准要求的原因进行分析，找 出变压器结构和制造上的缺陷。主要测量以下三个参数： ( 1 ) 阻抗电压值u k = u r 折算到参考温度并修正到额定电流时的阻抗电压百分数( 单位) 沏( ) = ( i n l k ) 【( 1 0 0 x v k v n ) 2 + ( 1 0 0 x p k s n ) 2 ( k 2 1 ) 1 2 其中：k 为校正温度系数，它与负载试验时所输入的“线圈材料”、“环境温度( t p ) ” 和“参考温度( t k ) ”有关。 ( 2 ) 电流比值( ) ：k = 1 0 0 x ( i r i n ) ( 3 ) 负载损耗中，一部分是由于电流通过绕组的电阻所产生的电阻损耗( 直流损耗) ， 另一部分是由于漏磁通引起的各种附加损耗【3 1 。负载损耗所产生的热量使变压器的温度 升高，直接影响绕组及其它部位的温升，并且影响变压器的经济运行。 负载损耗m = p ；p 为实际测得有功功率。 按照下式校正到参考温度及额定电流后的负载损耗值 当变压器额定容量小于1 0 0 0 0k v a 时，肋按照下式进行校正： p a = ( i n k ) 2 k p k 当变压器额定容量超过1 0 0 0 0 k v a 时，肋则按照下式进行校正： 4 第2 章功率特性分析仪的试验方法 p l a = ( 1 n i r ) 2 p k + 1 5 ( k 2 1 ) ( ，1 2 r 1 + ，2 2 r 2 ) 】k 通过负载试验可以发现以下缺陷【2 】：( 1 ) 变压器各结构件( 屏蔽、压环和电容环、轭铁 粱板等) 或油箱箱壁中由于漏磁通所致的附加损耗过大和局部过热：( 2 ) 油箱箱盖或套 管法兰等附件损耗过大并发热；( 3 ) 带负载调压变压器中电抗绕组匝问短路：( 4 ) 大型 电力变压器低压绕组中并联导线间短路或换位错误，这些缺陷均可能使附加损耗显著增 加。 2 2 变压器测量接线方式 l 基本原则 1 ) 对于2 2 0 k v 及以上电压等级的大容量变压器，建议采用”3 相4 线”测量方式( 相 当于传统的3 瓦特表测量法) ，以降低试验电源波形畸变对测量结果的影响； 2 ) 对于2 2 0 k v 及以下电压等级的大容量变压器，可以采用“3 相3 线”测量方式( 相 当于传统的2 瓦特表测量法) ，以简化试验接线的工作量； 3 ) 对于单相变压器，或者现场的试验电源受到限制，则只能采用“单相“测量方式。 2 三种接线方式 在进行空载或负载试验时，如果试验电压和试验电流不超出仪器的额定值( 7 5 0 v 电压和4 0 a 电流) ，则可将仪器直接联接于测量回路中，否则应通过外接的p t 或c t 扩大测量量程。下面是三种基本测量回路的接线示意图，其中h i 和l o 表示信号测量端 的极性。 1 ) 单相连接 在没有三相电源的情况下或电源容量较小时，可以用单相电源对三相变压器进行单 相试验，单相试验还可以测量其他仪表的功率。试验接线如图l 所示 簋 试 口 口口 图2 - 1 单相连接 在工频交流条件- f f 2 】【5 】，设单相电源电压是正弦变化的，电压“可表示 5 河北大学t 学硕十学位论文 “：面s i n 研 式中“为电压瞬时值；u 为电压均方根( 有效) 值。 如果变压器损耗测量时被测变压器的阻抗是线性的z = 厂+ j x ，则电流 式e eq , = t a n 一1 ( 三) f - 压兰s i n ( 硝一妒) = 压，s i n ( 甜一咖 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 瞬时功率p = u i = 功s i n 耐芝s i n ( c o t 一9 ) = u i c o s q o e o s ( 2 c o t 一9 ) 】 ( 2 3 ) 式中u l c o s q o 是功率在一周期内的平均值，u l c o s ( 2 c o t 一妒) 是以两倍交流频率变化 的功率，其平均值为零。 变压器在一周期内汲取的功率是p = u i c o s c p( 2 4 ) 缈为电压和电流之间的相位差，c o s 自。称为功率因数，并用尸，表示， p f = c o s a p = 毫( 2 - 5 ) 需要测量的值为： 测量平均值u ，= u 1 。；，= a 1 ，； 测量均方根值u ，= u 1 ，；j ，= a 1 ，； 此时有功功率p = v i a 1 实际测量的视在功率 s = v 1 x a l 实际测量的无功功率 q = ( s 2 一尸2 ) “2 功率因数 2 ) 三相三线 、阿s 妒= ； ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 对于2 2 0 k v 及以下电压等级的大容量变压器，可以采用图2 “3 相3 线”测量方式( 相 当于传统的2 瓦特表测量法) ，以简化试验接线的工作量。 6 第2 章功率特性分析仪的试验方法 图2 - 2 三相三线迄援 由于在三相三线制电路中，不论对称与否，可以使用两个功率表的方法测量三相功率。 两个功率表的连接方式如图所示。两个功率表的电流线圈分别串入两端线中，它们的电 压线圈的非电源端，共同接到非电流线圈所在的第三条端线上。可以看出，这种测量方 法中功率表的接线只触及线段，而与负载和电源的连接方式无关。 设两个功率表的瞬时功率分别用p 和p ：表示，根据功率表的工作原理，有： p i = “( 2 - 1 0 ) p ：= ”戊 ( 2 一1 1 ) 所以p l + p 2 = “t + ”盯 ( 2 - 1 2 ) 因为 z ，爪= z ，彳- - u ( ，z ，威= 甜丹- - u ( ，+ + = 0 ， 代入式( 2 1 2 ) ：p l + p 2 = u a f + “口f 曰+ “( j ( ( 2 - 1 3 ) 所以三相功率 尸= u ，| c o s 9 制+ u 灰，占c o s 妒成， ( 2 1 4 ) 需要测量的值： 平均值u 。= ( u i 。+ u 2 。) 2 ：，。= ( 4 1 。+ a 2 。+ a 3 。) 3 ： 均方根u ，= ( u 1 ，+ u 2 ，) 2 ：i ，= ( a i ，+ a 2 ，+ a 3 ，) 3 ： 有功功率p = v l x a i + v 2 a 3 ( 2 1 5 ) 实际测量的视在功率s = ( ；2 ) x ( v l a 1 + v 2 xa 3 ) ( 2 1 6 ) 实际测量的无功功率与( 2 8 ) 相同即q = ( s 二一p 二) 3 p 功率因数与( 2 - 9 ) 相同即p f = c o s 妒= 河北大学t 学硕十学伊论文 3 ) 三相四线 对于2 2 0 k v 及以上电压等级的大容量变压器，采用“3 相4 线”测量方式( 相当于传 统的3 瓦特表测量法) ，图3 所示，以降低试验电源波形畸变对测量结果的影响； 图2 3 三相四线连接 三相四线制不用2 瓦特表测量三相功率，因为在一般情况下，+ 占+ ，( 、0 。三相损耗 值是三相损耗之和，即p = 甜爿i a + u b + 甜。i c ，由单相损耗测量在一周期内的平均功率 为p = u l c o s 9 ，可以得到三相功率 p = 鼻+ 最+ 只= u 一c o s 9 一+ u 占j f 8c o s 9 占+ u ( ，j ( c o s 9 f( 2 1 7 ) 只、最、b 是三相功率。 根据接线连接方式，电压、电流测量的是各相电压、电流的值，各相电压、电流的平均 值为u l m 、u 2 m 、u 3 m ，其三相电压、电流的平均值： u 。= ( u 1 。+ u 2 。+ u 3 用) 3 ；l = ( a 1 ，+ a 2 。+ a 3 。) 3 ； 均方根值u ，= ( u 1 ，+ u 2 ，+ u 3 ，) 3 ：1 ，= ( a 1 ，+ a 2 ，+ a 3 ，) 3 ； 则有功功率也就是损耗值尸= v l xa i + v 2 xa 2 + v 3 xa 3 ( 2 18 ) 实际测量的视在功率 s = v 1 a 1 + v 2xa 2 + v 3xa 3 ； ( 2 - 1 9 ) 实际测量的无功功率9 = ( s 2 一尸2 ) 2 p 功率因数 = c o s 妒2 u m 为电压平均值，测量的三个电压平均值u l m 、u 2 m 、u 3 m ； 第2 章功率特性分析仪的试验方法 u r 为电压有效值，测得的三个电压均方根值u l r 、u 2 r 、u 3 r ； i 朋为电流平均值，测得的三个电流平均值a i m 、a 2 m 、a 3 m ： i 厂为电流有效值，测得的三个电流均方根值a l r 、a 2 r 、a 3 r ； 2 3 变压器功率特性分析仪的性能指标 变压器功率特性分析仪测量的交流电压、电流、功率精度都达到0 2 级以上：输入 电压范围5 v - 7 5 0 v ，输入电流范围0 5 a - 4 0 a 。功率因数的精度达到o 2 级以上，测 量范围为o o l 1 0 0 0 。主要用于3 5 k v 及以上电力变压器出厂、大修、预试以及交接 试验中。 9 河北大学t 学硕十学伊论文 第3 章电网参数的算法 空载、负载试验主要测量的是电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视 在功率、功率因数等，本章主要介绍计算这些参数的算法。电力参数的准确、快速的测 量是有效获得电能信息的重要途径，实现数据采集是实现自动化最重要的环节之一【6 】， 根据信号类型的不同，把数据采集分成直流采样和交流采样。 3 1 电力参数的直流采样 直流采样【7 】是把交流电压、电流信号转变成直流电压，通过测量电压、电流的平均 值计算电压、电流的有效值，进而再计算功率。软件编程相对简单，但是设备比较复杂， 维护比较困难，而且直流采样受测量精度和稳定性的影响，无法实现实时信号采集。 3 2 交流信号采集 交流采样【7 j 是把交流电压、电流信号经过电压互感器、电流互感器，信号调理电路 转化成模数转换器可以直接采集的信号，交流采样是对信号的瞬时值进行采样，再对采 集来的多个信号进行处理，用软件编程来实现，硬件设备大大简化。这种方法的优点很 多：实时性好，相位失真小，投资少，便于维护，但是也存在缺点：算法比较复杂，对 a d 转换速率要求较高。随着微机技术的发展，交流信号以优异的性价比将会逐步取代 直流采样。交流采样的应用范围非常广泛，应用场合的不同，会有各种不同的算法。按 照其模型函数的不同，大致可以分为正弦模型算法、非正弦模型算法。 正弦模型算法f s , 9 】主要有：最大值算法、单点算法、半周期积分算法、两点算法等。 其中，最大值算法测量电压、电流的有效值误差大小与a d 位数和采样周期有关，a d 位数越高、采样周期越小，则误差越小，测量精度越高；单点算法适合三相对称正弦信 号，它对采样时刻没有要求，既准确又快捷，并且可以同时测量得到电压、电流、有功 功率和无功功率，但这种算法对采样信号要求较高，硬件较为复杂；半周期积分算法的 数据窗长度虽然要半个周期，但它的运算量非常小，而且它有一定的滤出高频分量的能 力，因为叠加在基波成分上的幅度不大的高频分量在半周期积分中其对称的j 下负半周期 l o 第3 章电网参数的算法 相互抵消，剩余未被抵消的部分所占的比重就减少了，但是该算法不能抑制直流分量。 因此对于要求不高的电压、电流保护功能可以采用此算法。两点采样具有简单快速的优 点，能在半周期内完成采集，但是对输入信号要求严格，只适于输入为正弦信号或有预 滤波装置的场合。 非j 下弦模型算法【8 9 l 有均方根算法，付里叶算法等，各种算法都有其优缺点，在电力 系统中的应用也不相同。均方根值算法能够抑制高次谐波的影响，并且随着一个周期采 样点数的增多，可以提高采集精度，但采样点太多必然降低采集速度，增加运算量，因 而需要在精度和速率之间作出适当选择。全波付罩叶算法具有很强的滤波能力，适用于 各种周期采集，基波或高次谐波，但是其响应速度慢，不能适合快速采集的要求，比较 适于电量计算时的数据采集，或者是其他实时性要求差但精度高的场合。递推付里叶算 法提高了响应速度，但它具有延迟效应，尤其在电量发生突变时会产生很大误差。 3 3 均方根值算法 考虑到均方根值算法比较简单，而且比较成熟，本系统采用了传统的均方根值算法 来进行电网参数的计算。 1 采用均方根值算法计算电压、电流有效值 工程中常将周期电压或电流在一个周期内产生的平均效应上与之相等的直流量，以 衡量和比较周期电压的效应，这直流量就成为周期的有效值p 6 j 。 设正弦电压u 为： u = u 。c o s ( c o t + 九) ( 3 - 1 ) 麒电压有效值 u = 再 其表示：周期量的有效值等于其瞬间值的平 离散化 u = 辱 ( 3 2 ) 方在一个周期内积分的平均值再取平方根。 ( 3 - 3 ) 其中、为每周期等间隔采样次数，u 。为第七次采样值。 由于输入的信号为三相交流电信号，所以在1 个周波采样时，只需用c p l d 中设计的 计数器计数。当1 个周波1 2 8 点数据采集完，c p l d 向c p u 申请中断，c p u 接受中断后读 出一周波的信号值。这些电压或电流值的平方和的平均值再开方就是一个周期的电压有 i l 河北大学下学硕十学伊论文 效值u = ( 3 4 ) 其最大值与有效值的关系 u = 厕丽= 痧疆亭= 万1 p 5 ， 同理，电流有效值 将其离散化 其中为每周期等间 在本系统实际采样中 i = 陌 l 鼍陌i 隔采样次数，为第k 次采样值 i = 睡 ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 电流有效值与最大值之间的关系： ，5 万1 ，m ( 3 9 ) 2 电压、电流的平均值 电压的平均值 = ；n 印= 亍1r 阶，印= 竿f c 。s 砌- o 6 3 7 = o s 9 8 u ( 3 - 。) 取电流的绝对值相当于把负半周的值变为相应的正值，它相当于正弦电压经全波整流后 的平均值。 电压平均值为各相电压的平均值再取平均，即u 。，= ( u 1 神+ u 2 州+ u 3 。) ( 3 11 ) u 计为电压平均值，测量的三相电压平均值u 1 。、u 2 刹、u 3 。； 同理，电流平均值为 l = 7 1r i 枷= 知1小恤= 等f c o s 砌= q 6 3 7 仁o 8 9 8 ， ( 3 t 2 ) 电流平均值为各相电流的平均值再取平均，即j 州：三( 爿1 舯+ 彳2 种+ 彳3 扑) ( 3 - 1 3 ) ，。为电流平均值，测得的三相电流平均值a 1 “、a 2 。、a 3 。； 第3 章电网参数的算法 3 有功功率 瞬时功率p 为： p = u * i = 厨c o s 细甜吼) 历c o s 细饼纪，= u 1 c o s ( # 。一蛾) + u l c o s ( 2 c o t + 。+ 纪) ( 3 - 1 4 ) 令妒= 6 。一蛾，妒为电压和电流之间的相位差，有 p = u l c o s 9 + u l c o s ( 2 0 j t + 妒。+ 9 ，)( 3 1 5 ) 实际中瞬时功率意义不大，通常用平均功率又称有功功率，指瞬时功率在一个周期内的 平均值 将其离散化 p ：lp d f 丁- b n 尸= “。事 七l l 其中为每周期等间隔采样次数，“。、i k 为第k 次采样值。 ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 4 视在功率 许多电力设备的容量是由它们的额定电流和额定电压的乘积决定的，为此引入了视在功 率： s = u ( 3 - 18 ) 其中乙，、，为电压、电流的有效值。 5 功率因数 同频正弦量之间的相位关系称为相位差，两个同频正弦量的相位差等于相位相减的结果 p = i 1 毫p d l = ；毫u i f c o s6 p + c o s ( 2 t + 9 h + 9 | ) 】d = u i c o s 9 ( 3 - 1 9 、 妒为电压和电流之间的相位差，c o s c p 称为功率因数，并用p f 表示，p f = c o s p = 专 6 无功功率 在工程中还引入了无功功率9 ，有功功率p = u l c o sc p ，所以无功功率 q = u i s i n 9 ( 3 - 2 0 ) 其计算公式：q ：0 阿( 3 - 2 1 ) 河北大学j r 学硕十学伊论文 4 1 系统总体设计 第4 章硬件设计 本文所论述的变压器功率特性分析仪主要有两大部分组成：a r _ m 控制部分及c p l d 控制a d 数据采集部分，主要分为如下几个模块，如图4 1 所示，各模块功能简介： 数据采集模块：用于采集电压，电流等参数。 主控制板：利用a r m 控制各个模块协调工作，完成测量计算、功能数据显示、数据存 盘及输出等功能。 键盘：用于执行功能选择和参数输入，用尽量少的按键完成尽量多的功能。 液晶显示屏：用于显示系统的各项功能指示、需要输入的参数及测量结果等。 u s b 接口：连接u 盘，保存测量结果。 微型打印机：打印输出测得的变压器各相的电压、电流、功率、频率、相位和输入的各 个参数及试验结果。 微型打印机液晶显示屏 l s b 接口 么 ip 控制接口 彳f a r 控制器 享彳f 数据采集模块 键盘 4 。2a r m 控制模块 图4 1 硬件总体设计 利用a r m 高速的运算能力和先进的体系结构，来完成对高速采集数据的进行处理 和人机接口的实现。 4 。2 1 主控制器a r m 的外围电路 1 4 第4 章硬件设计 la r m 简介【l o 1 】 本系统采用的主控制器是a r m 7l p c 2 2 1 4 ，它是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟 踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s t mc p u 的微控制器。对代码规模有严格控制的应用可使用 1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。 由于l p c 2 2 1 4 的1 4 4 脚封装、功耗极低、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、p w m 输出以及多达9 个外部中断，使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和p o s 机。通过配置总线，l p c 2 2 1 4 最多可提供7 6 个g p i o 。由于内置了宽范围的串行通信接 口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软m o d e m 以及其它各种类型的应 用。 2 特性 16 3 2 位1 4 4 脚a r m 7 t d m i s 微控制器。 1 6 k 字节片内静态r a m 。 串行b o o t 装载程序通过u a r t 0 来实现在系统下载和编程。 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ，数据宽度为8 1 6 3 2 位。 e m b e d d e d l c e r t 接口使能断点和观察点。当前台任务使用片内r e a l m o n i t o r 软件调试 时，中断服务程字可继续执行。 嵌入式跟踪宏单元( e t m ) 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 8 路1 0 位，d 转换器，转换时间低至2 4 4 m s 。 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、实时时 钟和看门狗。 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0k b i t s ) 和2 个 s p i 接口。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 多达7 6 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，1 2 个独立外部中断引脚( e i n 和c a p 功能) 。 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 片内晶振频率范围：l 3 0 m h z 。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 河北大学t 学硕+ 学位论文 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗。 双电源 - - c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5v ( 1 8 v + 8 3 ) - - i o 操作电压范围：3 0 3 6v ( 3 3 v + 1 0 ) 3 电源模块【1 0 , 1 2 】 电源是系统的动力，l p c 2 2 1 4 的工作电压为3 3 v 和1 8 v ：f o u l 电源为3 3 v ，内核与 外设电源为1 8 v 。所以我们用l m 2 5 7 5 把5 v 转换成3 3 v 和1 8 v 。 为了降低噪声，模拟电源与数字电源应该隔离，并且在设计p c b 时采用了大面积敷 地，以降低噪声。 图4 - 2 系统电源电路 4 复位电路【1 2 】 微控制器在上电时状态并不确定，造成微控制器不能正常工作，所以必须选择一个 复位电路提供复位信号进行初始化。本系统选用m a x 7 0 6 ，其复位门槛为3 0 v ，它属于 微控制器监控器件，可有效的增强系统可靠性及工作效率。在图4 3 中，信号n r s t 连接 蛩j l p c 2 2 1 4 芯片的复位引脚r e s e t ，当复位按键按下时，m a x 7 0 6 的r e s e t 引脚立即 输出复位信号，使l p c 2 2 1 4 芯片复位。 1 6 第4 章硬f ，l ：设计 v 3s 1r e s e tu 2 j r 图4 3 系统复位电路 5 需要注意【i o l ： d 2 6 、d 2 7 引脚均要接一个上拉电阻，系统复位后将从片内f l a s h 程序存储器启动 程序，即从o x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址处开始运行程序。 4 2 2l p c 2 2 1 4 与j t a g 接1 3 的连接伽 调试、测试接口的设计在现代系统中越来越受到重视，l p c 2 2 1 4 有一个内置的j t a g 调试接口，通过它可以控制芯片的运行并获取内部信息，j t a g 各信号接口与l p c 2 2 1 4 连接如图所示 v 3 了f 图4 4j t a g 接口电路 j t a g 上的接口信号n t r s t 与l p c 2 2 1 4 芯片的t r s t 引脚连接，达到控制 l p c 2 2 1 4 内部j t a g 接口电路复位的目的。根据l p c 2 2 1 4 的说明手册，p 1 2 6 p 1 3 1 分 别与a r m r t c k 、a r m t d o 、a r m t d i 、a r m t c k 、a r m t m s 、n t r s t ，在r t c k 引脚接一个4 7 k f 2 的下拉电阻，使系统复位后l p c 2 2 1 4 内部j t a g 接口使能，这样就 1 7 i f j r ：大学丁学硕十学伊论文 能进行j t a g 仿真调试了。如果用户需要使用p 1 2 6 一p 1 3 1 作i o 口，而不用做j t a g 仿真调试，则可以在用户程序中通过设置p i n s e l 2 寄存器来使l p c 2 2 1 4 内部j t a g 接 口禁能。 4 2 3 存储器接口设计 为了方便程序的调试及最终代码的固化应用，使用了l p c 2 2 1 4 外部存储器接口的 b a n k 0 和b a n k l 的地址空间，并且可以通过设置跳线将片选信号c s o 和c s l 分别分配 给s r a m 或f l a s h 。在使用j t a g 调试程序时，分配s r a m 为b a n k 0 地址，因为b a n k 0 可以进行异常向量表的重新映射操作。因为b a n k 0 可以用来引导程序运行，当代码最终 固化到f l a s h 时，分配f l a s h 为b a n k 0 地址，s r a m 为b a n k l 地址。如果使用b a n k 0 来引导程序运行，l p c 2 2 1 4 的p 2 2 7 和p 2 2 6 控制引导方式即b o o t 1 ：0 】，当b o o t i ： 0 】为0 0 时，引导方式为c s 0 控制的8 位存储器，当b o o t 1 ：o 】为0 1 时，引导方式为 c s 0 控制的1 6 位存储器，当b o o t 1 ：0 】为1 0 时，引导方式为c s o 控制的3 2 位存储 器，当b o o t u ：o 】为1 1 时，引导方式为内部f l a s h 存储器。 l s r a m 存储器 1 0 1 2 , 1 3 j s r a m 为静态r a m 存储器，具有极高的读写速度，在嵌入式系统中常用作变量 数据缓冲，或者将程序复制到s r a m 上运行，以提高系统的性能。 本文选用i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ，它是美国i s s i 公司的高速s r a m 器件，采用c m o s 技术，存储容量为2 5 6 k b ，具有1 6 位数据宽度，工作电源为3 3 v 。它与l p c 2 2 1 4 连 接如图4 5 所示。l p c 2 2 1 4 在外部存储器接口b a n k 0 上使用i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ，所以将 l p c 2 2 1 4 的c s 0 与i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 的片选引脚连接，其地址范围为 o x 8 0 0 0 0 0 0 0 h 如8 0 0 3 f f f f h 。存储器连接使用了1 6 位总线方式，数据总线使用了 d o d 1 5 ，地址总线使用了a i a 1 8 ( 1 6 位总线时，l p c 2 2 1 4 的