（电力电子与电力传动专业论文）多功能电力参数监测仪的研制——信号处理与参数计算.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w g ti sw i d e l yu s e di nm o d e r ns o c i e t y , i t sv e r yi m p o r t a n tt om a k ee l e c t r i cp o w e rp r o d u c t i o nt o k e e pu pw i t l lt h es t e p so ft h ed e v e l o p m e n to fm a r k e te c o n o m y i nr e c e n ty e a r s t h ee l e c t r i cp o w e rc o n s u m e r s b e c o m em o r ea n dm o r ef a s t i d i o u sa b o u tt h ep o w e rq u a l i t y a n di ti sn e c e s s a r yt oc h a r g ed i f f e r e n te x p e n s e s a c c o r d i n gt od i f f e r e n tt i m e s ot h em u l f i f u n c f i o n a le l e c t r i cp o w e rp a r a m e t e rm o n i t o ri sr e s e a r c h e d t h ea u t h o ri n 仃o d u c e st h en a t i o n a la n ds e c t o rs t a n d a r d sa b o u td e c t r i cp o w e rq u a l i t ya n de l e c t r i cp o w e r m e t e r i n ga tf i r s ta n dd e s i g n ss y s t e ms c h e m eb a s e so nt h e m 。l e nt h ea u t h o rn a r r a t e st h ed e v e l o p m e n to f t h em e 缸 t h ea u t h o ru s e st h em o d u l a rd e s i g nm e t h o dt od e s i g nt h em u l t i f u n e t i o n a le l e c t r i cp o w e rp a r a m e t e rm o n i t o r , t h em e t e ri sd i v i d lt os e v e r a lm o d u l e ss u c ha sm e n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，m a i nm o d u l e ，s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e , s e n s o r sm o d u l ee n ds oo l l ，t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h el a t t e rt w om o d u l e s t h e a u t h o ri n n o d u c e st h ec i r c u i td e t a i l e d l yf r o mt h e o r ya n dp m e t i c e ，a n dt h e nt h es o f t w a r ei si n t r o d u o e dd e t a i l e d l y w i t ht h ee m p h a s i so na m p l i t u d ea d j u s t i n g , p h a s ea d j u s t i n g ，d i g i t a lf i l t e ra n dp a r a m e t e rc o m p u t a t i o n ，al o to f s i m u l a t i o ne x a m p l e sa i l l u s t r a t e d t h em e t e rc o i lm o n i t o rt h ee l e c t r i cp o w e rp a r a m e t e r , a n a l y z et h ee l e c t r i cp o w e rq u a l i t y , m e a s u r ee l e c t r i c p o w e re n e r g yi nm u l t i - r a t e ，r e c o r dt h ef a u l tw a v ea n ds oo n t h em o d e lo fm u l t i f u n c t i o n a le l e c t r i cp o w e r p a r a m e t e rm o n i t o rh a db e e np r o d u c e ds u c c e s s f u l l ya f t e ra b o u tt w oy e a r s ，i th a dp a s s e ds t r i c tt e s ta n dw i l lb e c a m e ab a t c hp r o d u c t i o ns o o n k e y w o r & e l e c t r i cp o w e rp a r a m e t e rm o n i t o r , e l e c t r i cp o w e rq u a l i t ya n a l y s i s m u l t i - r o t ee l e e t r i ep o w 口 e n e r g ym e a s u r e , d s p ，e l e c t r i cp o w e rs y s t e m - i l - 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个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过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：缨兰z 垒 日期：丛z ! z 2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：鑫丝兰绝导师签名： 第一章绪论 在现代社会中，电能是一种晟为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一a 睫着电力工业和国民经济的发展，对电能的精确计量以及对电能质量的要求越来越高。 1 1 课题背景及意义 随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，各种电气设备越来越多，电在我们生活中扮演着越来越 重耍的角色，电能的使用与日俱增，特别是近十几年来，我国的国民经济有了长足的发展，电力行业跃居 世界前列。众所周知，电能同其他产品一样，也有优劣之分，随着国民经济的飞速发展，近年来，电能质 量问题逐渐引起人们的重视。首先，随着电力电子器件和非线性设备的广泛应用，供电系统中增加了大量 的非线性负载，特别是静止变流器，从低压小容量家用电器到高压大容量用的工业交直流变换装置，由于 静止变流器是以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形发生畸变，引起电网的谐波“污染”。另外， 冲击性、波动性负荷，如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得 电压波动、闲变、三相不平衡日趋严重，这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低， 而且会严重削弱和干扰电网的经济运行，造成对电网的“公害”。其次，由于大量基于计算机系统的控制 设备和电子装置等一类敏感负荷的出现又使暂时过电压和瞬态过电压、电压凹陷与短时间间断等一些以前 未被人们所重视电能质量问题造成的经济损失也在不断增加，对电能质量的管理和电力污染的治理工作势 在必行，而国内电力用户对电能质量的重视程度也在不断提高。另外，随着市场经济的建立和发展，电力 生产对计划调度、经济调度的要求越来越高，利用经济杠杆的力量促使用户主动限制高峰负荷，控制最大 需求量，既有利于电力系统的运行，促进电力行业的发展，又有利于用户合理地使用电能，减少经济开支。 要全面掌握电能质量污染的实时状况，首先必须通过实时的监测手段直接获取电能质量的相关信息， 才能做到有的放矢，这是进行电能质量综合治理的基础和前提。因此研究电能质量的分析、监测仪器，研 究分时段复费率的电能计量仪表，对我国发展跨国电力系统互联事业有着巨大的意义。可以提供电能的利 用效率和安全性，减少由于电能质量问题对园民经济带来的损失。 1 2 课题内容 本项目是与江阴长江斯菲尔电力仪表有限公司的合作项目，此多功能电力参数监测仪具备两大基本功 能：电能质量分析和分时段电能计量，产品适用于电力系统变电站，作为变电站输入输出线路电力参数监 测仪器和分时段复费率电能计量表。本文的具体研究内容如下： ( 1 ) 据电能质量国家标准g b1 2 3 2 5 1 9 9 0 、g b t1 2 3 2 6 2 0 0 0 、g b t1 4 5 4 9 - 1 9 9 3 、g b t1 4 5 4 3 1 9 9 5 等 规定研究电能质量指标的测量、分析和处理方法。根据电力行业标准d l t 4 4 8 2 0 0 0 、d l ，r 6 1 4 1 9 9 7 ，国家标准g b t 1 5 2 8 3 1 9 9 4 、g b t 1 5 2 8 2 - - 1 9 9 4 等研究电能计量装置的标准、分类等。 ( 2 ) 分析电力参数监测仪的需求，根据交流采样、电能计算、电能质量分析、通信等系统所需的功能 确定系统模型，使用a d s p 2 1 9 9 2 为核心处理器，配合电压电流互感器、模数转换器、液晶显示模 块等搭建电力参数监测仪的硬件平台。 ( 3 ) 根据电力参数监测仪的各个功能模块需求对信号输入的交流采样、有效值计算、谐波分析、三 相不平衡度分析、电能分时段计费等进行理论算法研究，并根据实际硬件平台进行算法优化和软 件编写，实现各个功能模块。 ( 4 ) 总结本文所做工作，并分析不足之处。 东南大学硕士学位论文 1 3 论文结构 为了条理清晰，清楚地介绍电力参数监测仪，本文分为六个部分。第一章绪论，阐述本课题的研究背 景、课题研究的内容和论文的组织结构，让读者大致上了解本文的内容。第二章介绍电能质量分析和分时 段电能计量的一些国家标准和行业标准，以及电能表的一些分类定义等，让读者了解相关的行业背景。第 三章提出了多功能电力参数监测仪的系统需求和设计方案。第四章着重介绍了传感器模块和信号处理模块 的硬件结设计，使读者熟悉模拟量的输入、采样和计算的硬件电路。第五章阐述了电力参数监测仪的软件 设计，着重介绍了程序算法的原理。第六章总结本文所做工作，提出了本文的不足之处，并对后续工作提 出了建议。 2 兰三兰皇璧堕茎量皇些生墨一一 2 1 电能质量概述m o 第二章电能质量与电能计量 电能既是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是一种由电力部门向电力 用户提供，并由供、用电双方共同保证质量的特殊商品。如今，电能作为走进市场的商品，与其他商品一 样，无疑也应讲究质量。 2 1 1 电能质量的概念及定义 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。但是由于人们看问题的角度不同，所以迄今为止，对电能 质量的技术含义仍存在着不同的认识，还不能给出一个准确统一的定义。一种普遍接受和采用的技术名词 和定义方法是：从工程实用角度出发，将电能质量概念具体分解并给出解释。其内容如下； ( 1 ) 电压质量。给出实际电压与理想电压之间的偏差，以反映供电部门向用户分配的电力是否合格。 电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电压瞬变现象、电压波动和闪变、电压暂降( 暂 升) 与中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。 ( 2 ) 电流质量。电流质量与电压质量密切相关。为了提高电能的传输效率，除了要求用户汲取的电 流是单一频率正弦波形外，还应尽量保持该电流波形与供电电压同相位。电流质量通常包括电流谐波、间 谐波或次谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。 ( 3 ) 供电质量。它包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压质量和供电可靠性：非技术 含义是指服务质量，包括供电部门对用户投诉与抱怨的反映速度和电力价目的透明度等。 ( 4 ) 用电质量。它包括电流质量和非技术含义等，如用户是否按时、如数缴纳电费等。 迄今为止电能质量的定义概括起来主要有以下三种： 定义1 ；合格电能质量是指，提供给敏感设备的电力和为其设置的接地系统均适合于该设备正常工作。 定义2 ：造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题，其表现为电压、电流或频率 的偏差。 定义3 ：电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值的正弦波形电压与连续 供电。 2 1 2 电能质量国家标准简介 从2 0 世纪8 0 年代初到2 0 0 1 年，国家技术监督局先后组织制定并颁布了六项电能质量国家标准。这 六项电能质量国家标准的摘要如表l - 1 所示。 表1 1 电能质量国家标准 标准编号标准名称允许限值 g b l 2 3 2 5电能质量供电 1 3 5 k v 及以上为正负偏差绝对值之和不超过1 0 2 1 0 k v 及以下三相供电为7 1 9 9 0 电压允许偏差 3 2 2 0 v 单相供电为十7 ，1 0 g b l 2 3 2 6 电能质量电压 系统电压等级 l vm vh v 短时闪变 1 0 0 9 ( 1 o ) o 8 2 0 0 0波动和闪变 长时闪变 o 8 o 7 ( 0 8 1 o 6 3 电压( k v ) t h d奇次偶次 g b 厂r1 4 5 4 9 电能质量公用 o 3 8 5 4 02 0 6 1 04 3 21 6 1 9 9 3电网谐波( ) 3 5 6 632 4 1 2 l l 眺0 21 60 8 g b ，r1 5 5 4 3 电能质量三相 1 正常允许2 ，短时不超过4 电压允许不平2 每个用户一般不得超过1 3 1 9 9 5 衡度 g b 广r1 5 9 4 5 电能质量电力1 正常允许- - 0 2 h z ，根据系统容量可以放宽到o 5 h z 系统频率允许2 用户冲击引起的频率变动一般不得超过0 2 h z 1 9 9 5 偏差 1 系统工频过电压限值 电压等级( k v ) 过电压限值( p f u ) 1 3 以 2 5 2 ( t ) u 2 5 2 ( i i ) 1 4 1 1 0 及2 2 01 3 g b ，r1 8 4 8 1 电能质量暂时 3 5 6 6 压 过电压和瞬态 2 0 0 1 3 1 0 1 1 压 过电压 2 操作过电压限值 空载线路合闸、单相重合闸、成功的三相重合闸、非对称故障分闸及振荡 解列过电压限值 电压等级( k v ) 过电压限值( p u ) 5 0 02 o 3 3 02 2 1 1 0 2 5 23 o 2 2 电能计量概述 如何准确地计量电能，如何确保电能量值传递的准确可靠，对整个国民经济及社会发展都有着深远的 意义。电能表作为电能计量的主要工具，己渗入到国民经济的各个领域，电能计量装置的准确与否既关系 到电业部门的经济利益，也直接关系到消费者的切身利益。 2 2 1 电能计量装置的分类”1 电能计量装置技术管理规程( d l t 4 4 8 - - 2 0 0 0 ) 对电能计量装置的分类规定如下：运行中的电能计 量装置按其所计量电能量的多少和计量对象的重要程度分五类进行管理。 i 类电能计量装置：月平均用电量5 0 0 万k w h 及以上或变压器容量为1 0 0 0 0 k v a 及以上的高压计费 用户、2 0 0 m w 及以上发电机、发电企业上网用量、电网经营企业之间的电量叫唤点、省级电网经营企业 与其供电企业的供电关口计量点的电能计量装置。 i i 类电能计量装置：月平均用电量1 0 0 万k w h 及以上或变压器容量为2 0 0 0 k v a 及以上的高压计费用 户、1 0 0 m w 及以上发电机、供电企业之间的电量交换点的电能计量装置。 i i i 类电能计量装置：月平均用电量1 0 万k 、肌h 及以上或变压器容量为3 1 5 k v a 及以上的计费用户、 4 第二章电能质量与电能计量 1 0 0 m w 及以上发电机、供电企业厂( 站) 用电量、供电企业内部用于承包考核的计量点、考核有功电量 平衡的11 0 k v 及以上的送电线路电能计量装置。 类电能计量装置：符合容量为3 1 5 k v a 以下的计费用户、发供电企业内部经济技术指标分析、考核 用的电目b 计量装置。 v 类电能计量装置：单相供电的电力用户计费用电能计量装置。 2 2 2 电能计量装置的准确度要求 电能计量装置技术管理规程( d l t 4 4 8 - - 2 0 0 0 ) 对各类电能计量装置应该配置的电能表、互感器的 准确度等级有以下规定： 各类电能计量装置应配置的电能表、互感器的准确度等级不应低于表1 - 2 所示。 表l - 2 准确度等级 准确度等级 电能计量装置类别 有功电能表无功电能表电压互感器电流互感器 10 2 s 或0 5 s 2 oo 2 0 2 s 或0 2 1 10 5 s 或0 5 2 oo 2 0 2 s 或0 2 l o2 oo 5o 5 s 2 03 o0 50 5 s v2 oo 5 s 0 2 级电流互感器仅指发电机出口电能计量装置中配用。 i 、i i 类用于贸易结算的电能计量装置中电压互感器二次回路电压降应不大于其额定二次电压的 0 2 ；其他电能计量装置中电压互感器二次回路电压降应不大于其额定二次电压的0 5 。 2 2 3 电能表的分类 电能表一般按其使用的电路种类、结构方式、工作原理、使用用途，以及准确度等级要求进行分类。 ( 1 ) 电能表按其使用的电路可分为直流电能表和交流电能表，交流电能表按其相线又可分为：单相 电能表、三相三线电能表和三棚四线电能表。 ( 2 ) 电能表按其工作原理可分为机械式电能表和电子式电能表( 又称静止式电能表、故态式电能表) 。 ( 3 ) 电能表按其结构可分为整体式电能表和分体式电能表。 ( 4 ) 电能表按其用途可分为有功电能表、无功电能表、最大需量表、标准电能表、分时计费电能表、 预付费电能表、损耗电能表和多功能电能表等。 ( 5 ) 电能表按其准确度等级可分为普通安装时电能表( o 2 、o 5 、1 0 、2 0 、3 0 级) 和携带式精密级 电能表( o 0 1 、0 0 2 、0 0 5 、0 1 、0 2 级) 。 国家标准对于电能表的定义很多，与本文相关的一些电能表定义有： 有功电能表：o 5 、1 和2 级加留有功电度表( g b t 1 5 2 8 3 - - 1 9 9 4 ) 对有功电能表的定义为：在一定 时间内累积有功功率的方式来测得有功电能的仪表。 无功电能表：无功电能表( g b t 1 5 2 8 2 - - 1 9 9 4 ) 对无功电能表的定义为：将无功功率对时间进行积 分来测量无功电能的仪表。 复费率( 分时) 电能表：复费率( 分时) 电能表( g b t 1 5 2 8 4 - - 1 9 9 4 ) 对复费率( 分时) 电能表的 定义为：有多个计度器分别在规定的不同费率时段内记录交流有功或无功电能的电能表。 多功能电能表：电力行业标准多功能电能表( d i j t 6 1 4 - - 1 9 9 7 ) 对于多功能电能表的定义为：由测 量单元和数据处理单元等组成，除计量有功( 无功) 电能量外，还具有分时、测量需量等两种以上功能， 并能显示、存储和输出数据的电能表。 - 5 东南大学硕士学位论文 第三章多功能电力参数监测仪的设计方案 方法正确则事半功倍，合理的设计方案能够以较低的成本完成较好的功能，加快系统的研发过程，提 高产品的性能，降低生产成本。本章首先提出了本系统所需实现的主要功能及性能指标，然后根据系统需 求从总体上设计系统研发的软硬件方案。 3 1 电力参数监测仪的主要功能及性能指标 本系统应用的电力系统变电站，监测线路的电力参数并且对线路进行分时段复费率电能计量，仪表的 主要功能如下； ( 1 ) 电量测量 三相电压测量：额定值为相电压l o o v 、2 2 0 v 、3 8 0 v 三种，测量范围o 1 2 0 ， 三相电流测量：额定值5 0 0 0 m h ，测量范围0 1 2 0 ，测量精度0 2 ： 中线电压测量：额定值为相电压1 0 0 v 、2 2 0 v 、3 8 0 v 三种，测量范围0 1 2 0 ， 中线电流测量：额定值5 0 0 0 m a ，测量范围o 1 2 0 ，测量精度0 2 ： 三相保护电流测量：额定值5 0 0 0 m a ，测量范围0 2 0 0 0 ，测量精度5 0 ； 三相有功功率测量：测量范围0 1 2 0 ，测量精度0 2 ； 三相无功功率测量：测量范围o 1 2 0 ，测量精度0 2 ： 三相视在功率测量：测量范围0 1 2 0 ，测量精度0 2 ； 功率因素测量：一1 0 + 1 0 ，误差0 0 0 1 ： 频率测量：频率范围2 5 1 0 0 h z ，误差o o i h z ： ( 2 ) 电能计量 四象限电能计量，包括有功电能和无功电能，计量精度0 5 ： 分时段多费率计费； 提供电能脉冲输出功能。 ( 3 ) 电能质量分析 测量精度0 2 测量精度0 2 谐波测量：测量三相电压谐波、三相电流谐波，2 3 1 次谐波及总谐波失真( t h d ) ，精度2 0 9 6 ； 三相不平衡度分析，精度2 0 ； 电压偏差，精度0 2 ： 频率偏差。精度0 0 2 ； ( 4 ) 故障判断记录 判断电网或用户端一切故障现象，包括过压、欠压、过流、缺相、三相平衡、过频率、低频率、 浪涌、凹陷： 故障记录，普通故障1 0 0 次，严重故障2 0 次； 严重故障录波，记录2 0 次严重故障的波形，每次故障记录三相电压、三相电流、中线电压、中 线电流的故障点前后各2 0 个周期的数据。 ( 5 ) 参数显示 通过液晶面板显示测量参数、设置参数、电压电流波形、故障记录、故障波形、系统信息。 ( 6 ) 参数设置 通过人机接口设置系统参数，校正电压、电流系数，设置通信协议，设置复费率计费的时段。 ( 7 ) 数据通信 提供现场总线与其他设备通信，c a n 、4 8 5 、m o d b u s ，提供远程抄表功能。 ( 8 ) 其他功能 - 6 董三童兰苎堂皇垄叁墼堕型垡塑堡堕查壅 8 路开关量输入； 8 路开关量输出： g p s 对时。统一时间。 3 2 电力参数监测仪硬件总体设计方案 系统才用模块化设计，主要由信号采集模板、人机界面模块、主控板、传感器模块、开关量模块构成 如图3 - 1 所示： 图3 一l ：多功能电力参数监测仪功能模块 下文阐述监测仪各模块的功能。 3 2 1 传感器模块 传感器模块用于信号的输入，三相电压u a 、u b 、u c 以及中线电压3 u o 通过电压互感器( p t ) 输入， 三相计量电流i a 、i b 、l c 、三相保护电流i a l 、i b l 、i c l 以及中线电流3 1 0 通过电流互感器( c t ) 输入。电 压和电流经过互感器后转换成二次侧小信号送入信号处理模块处理，传感器模块和信号处理模块之间采用 3 2 针的接插件连接。 3 2 2 信号处理模块 信号处理模块以a d s p 2 1 9 9 2 为核心，一方面负责调理传感器模块输出信号并处理，另一方面负责和 主控模块通信。 由于系统同时具备计量和保护功能其允许的电流输入范围差别很大，计量用电流输入的精度要求高， 而保护用电流要求输入范围宽，所以采样部分分为计量数据采样和保护数据采样两部分。计量用数据采样 部分通过6 通道1 6 位同步模数转换器a d 7 3 3 6 0 进行数据采样，d s p 将采样数据进行滤波，计算参数等； 而保护用数据采样使用a d s p 2 1 9 9 2 内置的8 通道1 4 位a d 转换器。 信号处理模块对采样数据处理后，通过s p i 接口传送至主控模块。并可以接收主控模块的命令，调整 各采样通道的零漂、斜率等参数。同时信号处理模块具有脉冲输出接口输出电能计量脉冲。 - 7 东南大学硕士学位论文 3 2 3 主控模块 主控模块通过s p i 接1 3 与信号处理模块和人机接口模块通信。接收信号处理模块的数据，发送到人机 接口模块显示，同时对数据进行判断，如果发现故障就记录弗录波。 主控模块提供现场总线通信接1 3 ，通过c a n 、4 8 5 或m o d b u s 与其他设备进行通信，提供远程抄表 及管理功能。 同时主控模块带有g p s 系统，接收g p s 信息，同步系统时间。 3 2 4 人机接口模块 人机接口模块负责数据显示及输入，实现人机交互操作。 模块通过s p i 接口与主控模块通信，通过大屏幕液晶显示主控模块传送过来的电量参数信息，并通过 键盘输入设定系统工作模式、通信协议，校正模拟量通道的各项参数。 3 2 5 开关量模块 开关量模块提供开关量的输入输出，包括8 路开关量输入用于采集遥信，以及8 路开关量输出控制遥 控。 3 2 6 电源模块 电源模块为开关电源输入2 2 0 v 交流或直流，输出5 v ，向其他各模块提供系统稳定运行所需电源。 3 3 电力参数监测仪的软件总体设计方案 软件是一个测控系统的灵魂，电力参数监测仪的具体功能需要通过软件来实现。作者在编写系统软件 时，底层硬件驱动及主要算法使用汇编语言编写，确保系统运行速度，上层系统调度程序使用c 语言编写， 提高程序的可读性。 3 3 1 软件功能模块 本仪器的主要功能是电力参数监测- 首先需要采集数据，再根据采集到的数据计算各种电量参数，得 到电量参数后- 才能进行参数显示、电网故障判断、录波等操作，另外，作为一个功能强大的完整系统， 电力参数监测仪还需要与远程设备交换信息，需要接收g p s 信号校准系统时间。监测仪的软件功能模块如 图3 - 2 所示。 信号处理模块负责电网数据的采集和计算， 进行设置，主控模块负责模块之间的信息交换， 人机接口模块显示电网参数，并可以通过键盘输入对系统 并且判断电阏故障、与远程设备通信、管理开关量等。 第三章多功能电力参数监测仪的设计方案 3 3 2 软件层次结构 图3 - 2 电力参数监测仪的软件功能模块 本节讨论信号处理模块的软件层次结构，如图3 - 3 所示。 图3 - 3 软件层次结构 9 东南大学硕士学位论文 第四章多功能电力参数监测仪的硬件设计 完善的硬件平台是实现系统需求的基础，其可靠性是一个系统稳定运行的基本条件，本章主要阐述传 感器模块和信号处理模块的硬件设计。 4 1 传感器模块设计 传感器模块将输入电压电流信号转换为测量系统能够处理的小信号，是测量系统的基础，对信号的转 换主要通过电压互感器( p t ) 和电流互感器( c t ) 实现。 4 1 1 电压互感器原理 本系统p t 采用江阴长江斯菲尔电力仪表有限公司的s f c m - p t - 2 m a 2 m a 电流型电压互感器，额定输入 有效值为2 m a ，输出为2 m a ，其工作原理如图4 一l ： j u - n 。曦 1 2 。( - 1 1 图4 1 ：p t 工作原理 t r 2 l u 2 a y 图中虚线筐内即为p t 的原理图，其一次侧和二次侧的匝数相同，u p l = 2 ，输入和输出的电流相 同输入电压u l 通过电阻局限流，产生有效值为2 m a 的输入电流，耦合后在二次侧产生大小相同的电 流厶，电流l 在输出端电阻马上产生电压降。从而完成电压之间的转换。 4 1 2 电流互感器原理 本系统采用两种c t ，分别为江阴长江斯菲尔电力仪表有限公司的s f 吼c r - 5 舭m a 与 s f e r c - c t - 5 a i 8 5 m a 电流型电流互感器，其工作原理如图4 2 百一 n 。专曦 1 2 c t r 2 iu 2 上 图4 - 2 ：c t 工作原理 图中虚线筐内即为c t 的原理图，其原理实际上和p t 相同，只是其一次侧为电流线穿过，- ：1 1 0 第四章多功能电力参数监测仪的硬件设计 相当于短路。二次侧通过电磁感应输出电流，在输出端电阻r 上产生电压降，从而完成电流到电压的 转换。 4 1 i3 传感器模块输入输出通道 多功能电力参数啦测仪的输入为u a 、u b 、u c 、3 u o 、i a 、i b 、i c 、3 i o 共8 个通道。 由于本系统设计了i o o v 、2 2 0 v 、3 8 0 v 三种不同的额定电压值，所以输入限流电阻冠相应有三种不 同的阻值。以输入额定值3 8 0 v 为例，输入电阻冠= 2 4 0 k f 2 ，输出电阻r ，= 3 9 0 q ，由此二次侧额定电 压有效值为6 1 7 5 m v 。如无特殊说明，本文所有参数为额定输入电压3 8 0 v 下计算。 对于电流通道，一方面为了保证计量精度，设计时必须使c t 的输入输出范围略大于正常工作的最大 电流。即6 0 0 0 m a ，另一方面考虑发生故障时电流值将会超过正常值几十倍。为了在故障时能够正确的测 量电流数据并录波，必须在出现晟大故障电流时不会超过c t 量程，所以本系统对电流采样使用了两种不 同量程的c t 。对于计量电流通道，c t 型号为s f b ”c t - 5 a 2 m a ，其额定输入电流有效值为5 a ，输出为 2 m a ，对于保护电流通道，c t 型号为s f e t e c t 5 a 1 8 5 m a ，其额定输入电流为1 0 0 a ，输出3 7 m a 。 传感器模块的输入输出通道如图4 3 所示： 一次侧电压电流输入 i i u c i1 3 u o il i a il i b il i c ij 3 i o i p t p t p t p t c tc tc tc tc tc tc t u c o 1 3 u o ol i a o li l a o l1 b o ll i b 0 2l c o ll i c 0 21 3 i o o 二次侧电压电流输出 图4 3 传感器模块输入输出通道 图中，u a i 表示a 相电压的一次侧输入，u a o 表示a 相二次侧电压的输出。i a 0 1 、l a 0 2 分别表示a 相 测量电流用c t 和保护电流用c t 的输出。依此类推。 4 2 信号处理模块结构 信号处理模块的多功能电力参数监测仪的核心部分，信号调理、交流采样、数据计算等监测仪的大部 分主要功能都在信号处理模块实现。信号处理模块的结构如图4 - 4 所示。 对各功能模块的简要说明： 1 、a d s p 2 1 9 9 2 ：核心处理器，协调各功能模块工作。计算各种电量参数、计量电能、分析电能质量， 输出电量脉冲，并向主控模块发送各种电力参数供系统显示及故障判断。 2 、信号调理：对传感器模块输出的电压信号进行调整，并进行一阶模拟滤波去除干扰，使信号转化 为适合a d 转换器采样的模式。 3 、a d 7 3 3 6 0 ：模数转换器，采样三相电压和三相电流共电参数测量用，保护电流由d s p 内置的a d c 采样。 4 、时钟：产生d s p 和a d 7 3 3 6 0 的工作时钟。 东南大学硕士学位论文 图4 - 4 信号处理模块结构图 5 、电量脉冲输出：产生电量脉冲信号，包括有功电能和无功电能两路脉冲输出通道。 6 、通信接口：和主控模块通信。发送各种电参数数据并接受主控模块发过来的命令。 7 、看门狗：监视系统运行状况，如果发现死机则复位系统。 8 、片外r a m 片外随机存储器扩展，存放大量采样数据，在电力系统发生故障时供故障录波用。 9 、程序f l a s h ：片外程序存储器，系统启动时从f l a s h 里装载程序到d s p 内部程序r a m ，程序 在d s p 内部程序r a m 里运行。 下文对信号处理模块作详细介绍。 4 3 信号调理及数据采样 信号调理模块对传感器模块输出的电压信号进行调整，并进行一阶模拟滤波去除干扰，使信号转化为 适合a d 转换器采样的模式，送至a d 转换器进行采样。由于系统中使用蘸个不同类型的a d 转换器，信 号调理也使用两种不同的电路。 4 3 1 计量数据的采样 电参数测量的6 个通道u a 、u b 、u c 、l a 、i b 、k 的数据采样由a d 7 3 3 6 0 完成，a d 7 3 3 6 0 是1 6 位6 通道同步采样模数转换器，其输入是共模电压为1 2 5 v 的差动信号，其信号输入的前端调理电路原理如图 4 - 5 所示。 岸皇 肾 鹱士 善玉 q 图4 - 5a d 7 3 3 6 0 前端信号调理电路 图为a 相电压的信号输入通道，虚线框内即为a d 7 3 3 6 0 输入通道的信号调理电路，其中l 2 5 v 为参 考电压；虚线框左面是传感器模块上a 相电压的转换电路，如果是电流则图中p t 用c t 代替；信号调理 电路的输出v i n p i 、v i n n i 输入到a d 7 3 3 6 0 的输入端。 1 2 篁璺兰兰塑丝皇垄查墼些型堡竺堡堡堡丛 由图可见，信号调理电路包含一阶滤波的环节，其通频带为3 9 7 9 h z ，调理电路的输入和输出都是差 动模式，参考电压1 2 5 v 由a d 7 3 3 6 0 产生，产生差动电路的偏罱共模电压，图4 - 6 为差动电压的输出波形。 i c u ( v ) 1 6 6 1 2 5 0 8 4 0 硝：、 - - = ：= 一佘 t 图4 6 差动输出电压波形 输入信号经调理电路调整后，送至a d 7 3 3 6 0 采样，a d 7 3 3 6 0 的几个基本特性1 0 4 1 如下 1 、6 通道1 6 位同步采样： 2 、内置可编程输入增益放大器； 3 、可编程最高6 4 k h z 采样率： 4 、单电源( + 2 7 v 十5 5 v ) 供电； 5 、串行通信接口( s p o r t ) ； 6 、差动电压输入，输入范围：o 8 4 1 6 6 v ： 7 、1 2 5 v 参考电压输出。 其采样电路如图4 _ 7 所示。 2 图4 - 7a d 7 3 3 6 0 采样电路 a d 7 3 3 6 0 的主要引脚说明： 1 、v i n p x 、v i n n x ：为如图4 - 5 中所示采样信号输入端口，6 路通道依次采样u a 、u b 、u c 、i a 、i b 、 2 、r e s e t ：芯片复位信号引脚。低电平有效； 3 、s e ：串口使能引脚，高电平有效； 4 、m c l k ：a d c 的工作时钟信号输入，1 6 3 8 4 m h z - 1 3 东南大学硕士学位论文 5 、s c l k ：串口时钟输出，和d s p 的通信接1 3 的时钟信号； 6 、s d i f s ：串口数据输入帧同步信号； 7 、s d i ：串口数据输入； 8 、s d o f s ：串口输入输出帧同步信号： 9 、s d o ：串口数据输出； 1 0 、r e f o u t ：1 2 5 v 参考电压输出，即图4 - 5 中所示的偏置电压。 系统启动时，d s p 首先控制a d 7 3 3 6 0 的r e s e t 引脚和s e 引脚，使其复位清除内部寄存器，然后再 拉高这两个引脚，通过串口写入控制信息，决定a d 7 3 3 6 0 的采样率，同时通过串口接收a d 7 3 3 6 0 的采样 数据。本监测仪中使用的采样率为6 4 k h z ，即5 0 h z 下每周期采样数据1 2 8 点。 4 3 2 保护电流数据的采样 3 u o 、3 1 0 以及保护电流数据采样由a d s p 2 1 9 9 2 内置的a d c 完成，a d s p 2 1 9 9 2 内置的a d 转换器输 入为单端模式，其信号调理电路原理如图4 8 所示。 l 岸匀 m 5 。6 。 一土夕一 一v i n l ) l 0 1 4 9 6 i 1 a v 图4 - 8a d s p 2 1 9 9 2 内置a d c 输入信号调理电路 虚线框内为信号调理电路原理。其一阶滤波电路通频带是3 9 7 9 h z ，图中所示电路为a 相保护电流的 输入通道，1 0 v 电压为参考电压，由a d 转换器输出，提供偏置，v i n l 输出到a d 转换器的输入端。其 电压波形如图4 - 9 。3 u o 也是通过此a d 转换器采样，其电路差别在传感器模块上，即图中虚线框左侧的 c t 换成p t 。 u ( v ) 2 o 1 o 0 阶 t 图4 - 9 a d s p 2 1 9 9 2 内置a d c 输入信号调理电路输出波形 信号经调理后送至d s p 内置的a d c 采样，该a d c 具有以下几个主要特性 0 4 1 1 、8 通道1 4 位数据采样； 2 、最高2 5 m h z 数据采样率： 3 、d s p 内部软件触发采样； 4 、单端信号输入，输入电压范围o 2 0 v ： 5 、1 0 v 参考电压输出。 a d c 采样电路如图4 1 0 所示。 1 4 第四章多功能电力参数监测仪的硬件设计 图4 1 0 d s p 内置a d c 采样电路 图中主要芯片引脚说明能够： 1 、v i n 0 v i n 4 ：分别为3 u o 、3 1 0 、i a 2 、i b 2 、i c 2 的信号输入； 2 、v r e f ：参考电压输出提供给信号调理电路做电压偏置； 3 、s e n s e ：该引脚接模拟地时，a d c 片内参考电压输出； 4 、a s h a n 、b s h a n ：参考电压输入。 由d s p 设置内部寄存器触发数据采样，本监测仪中使用的采样率为6 4 k h z 即5 0 h z 下每周期采样数 据1 2 8 点。采样8 个通道，但是只处理前5 个通道的数据。 4 3 3 频率采样0 5 1 电力系统频率是系统正常运行的一个很重要的标志，电力系统运行时。频率的正常值应该在4 9 8 5 0 2 h z 的范围内，如果频率超出这个范围，会使用电设备不能正常工作，甚至损坏用电设备，所以频率在 电力系统正常运行中占据着很重要的地位。 频率采样也是交流采样根重要的一个部分，与电压、电流的不同，由于发电设备的物理构造原因i 正 常情况下电力系统三相的频率是保持一致的，即z = 五= 正，所以只需要采集其中一相的频率，就可以 知道其他两相的频率。本文以a 相电压为准，采集a 相电压的频率作为系统频率采样电路如图4 1 1 所 示。 a d s p 2 1 9 9 2 图年1 1 频率采样电路 a 相电压经过调理后，一方面送到a d 7 3 3 6 0 ，另一方面送到频率采样电路采样频率，图中v i n p l 、 v i n n l 为a 相电压经调理后的差动信号的两个端口，信号经过开环工作的运算放大器放大后，在信号过 零点其上升延将会非常陡，再经过一级旖密特反相器调理，由d s p 的定时器t i m e r2 采集a 相电压过零 点信号，从而得到a 相电压的周期，计算出信号频率值。 东南大学硕士学位论文 4 4d s p 及其系统扩展嘲铂嘲 信号处理模块的核心处理器选用美国a d i 公司于2 0 0 2 年推出的数字信号处理器( d s p ) a d s p 2 1 9 9 2 。 d s p 是一种具有特殊硬件结构哈佛结构的微处理器，为了达到快速数字信号处理的目的，d s p 芯片具 有程序和数据分开的总线结构、流水线操作流程、单周期完成乘和累加操作的硬件单元以及套适合数字 信号处理的指令集。其先进的并行处理结构可使大部分d s p 操作在一个指令周期内完成。由于d s p 具有 丰富的软、硬件资源，因而使其比单片机更适用于比较复杂的控制系统。其专用的硬件乘法器和特殊的 d s p 指令使其在数据处理时大大减少了c p u 的时间开销。a d s p 2 1 9 9 2 的硬件模块结构如图4 1 2 。 图4 - 1 2a d s p 2 1 9 9 2 硬件模块结构 a d s p 2 1 9 9 2 最高工作频率可达1 6 0 m h z ，数据处理速度非常块，同时由图可知，该款d s p 资源非常 丰富，有s p i 接口、s p o r t 接口、定时器、通用i ，o 接口、a d 转换器、片内3 2 k 的2 4 位程序存储器、1 6 k 的1 6 位数据存储器等。 a d s p 2 1 9 9 2 的内核使用2 5 v 电源供电。外设使用3 3 v 电源供电，所以系统