（电机与电器专业论文）基于tms320c6713的电能质量分析仪的设计与研制.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g yd e v e l o p sv e r yf a s ta n dt h ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s a n de q u i p m e n t sa p p l i c a t i o ni si t l o r ea n dm o r ew i d e s p r e a d t h ec o m m i s s i o n i n go fag r e a td e a lo fn o n l i n e a r o ri m p a c tl p a d sb r i n gm a s so fh a r m o n i cd i s t u r b i n g v o l m g et u r b u l e n c ea n df l i c ko nt h ep u b l i ce l e c t r i c n e t w o r k 1 1 1 ep o w e rq u a l i t ya r ew o r s e n i n g a tt h es a m et i m e ，a l o n gw i t hs om a n yp o w e rq u a l i t ys e n s i t i v e c o n t r 0 1d e v i c e sa n da u t o m a t i o ne q u i p m e n t sa r ew i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ep r o d u c t i o na n d t h ep e o p l ed a i l y1 i f e ，m u c hh i g h e rr e q u e s ta r es e tt ot h ep o w e rq u a l i t y a tt h es a m et i m e 。t h i sc h a n g ea l s oh a s p u tr e c e n tm e a n i n go n t op o w e rq u a i l t y u n d e rt h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，t h ep o w e rq u a l i t ya r ew o r s i n gd a i l ya n dt h er e q u i r e m e n t so f t h ec o n s u m e r s a r em u c hh i g l l e ra tt h es a m et i m e i ti so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rt h em o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gt h ep u b l i c e l e c t r i cn e t w o r kp o w e rq u a l i t yt od e s i g nah i g hp r e c i s i o np o w e rq u a l i t ya n a l y z e r t h i st h e s i si sc o n c e m e d a b o u tt h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho ft h eo n 1 i n ep o w e rq u a l i t ya n a l y z e rw h i c hi sb a s e do n t m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s p st h ew o r ki n c l u d ed e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n go f t h eh a r d w a r es y s t e m ，d e v e l o p m e n t a n dr e a l i z a t i o no f t h es o f t w a r es y s t e m t h et h e s i sd e a l sw i t ht h ea c t u a l i t yo fp o w e rq u a l i t ya n a l y z e ra n di t si n t e n d i n gd e v e l o p m e n t t h eg o r e p r o c e s s o ro fp o w e rq u a l i t ya n a l y z e r si sm o r ea n dm o r ea p tt om a k eu s eo ft h eh i g hs p e e df l o a t i n gp o i n t d s p s a n dt h ef u n c t i o ni sd e v e l o p i n gi nt h ed i r e c t i o no f h i g h e rp r e c i s i o na n dh i g h e rs p e e dt h ef u t u r ep o w e r q u a l i t ya n a l y z e r sa r es u r et ob eb a s e do ni n t e r n e ta n d t h e i rf i m c t i o n sw i l lb em o r ei n t e g r a t e f i r s t l y , t h ed e s i g n i n gs c h e m eo fh a r d w a r ep l a t f o r mi sp r o p o s e di nt h ep a p e w h i c hi sb a s e do nt h e c o n s i d e r a t i o no fm ep e r f u i t l l a n c e ，t h ec o s t ，t h ed e v e l o p m e n tc y c l ea n dt l l ep r a c t i c a b i l i t y | n so u t s t a n d i n g t e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i ci su s i n gt h ed e s i g nm e t h o do fm o d u l a r i z a t i o n t h ew h o l eh a r d w a r es y s t e mi s d e s i g n e di n t os e v e r a lp l u g g a b l ep a r t s ，t h ep t c tu n i t ，t h em a i nc o n t r 0 1u n j t ，t h ei ou n i t ，t h ep o w e rs o u r c e u n i ta n dt h eu n i to fm a nm a c h i n ei n t e r f a c e t h i sm e t h o dc a ns h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l ea n ds a v et h e c o s t a tt h es a m et i m e t h ef l o a t i n gp o i n td s p st m $ 3 2 0 c 6 7 1 3i su s e di nt h ed e v i c ea st h em a i np r o c e s s o r s e c o n d l y , t h eh a r d w a r ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fm a i nc o n t r 0 1u n i to ft h es y s t e ma r et h o r o u g h l y d i s c u s s e di nt h ep a p e rt h ed e s i g nm e t h o d so fl o w - p a s sf i l t e ra n da ，ds a m p l i n ga n dc o n v e r t i n gp a r t sa r e e x p a t i a t e d a n a l y z e dt h eo p e r a t i o n a lm e c h a n i s mo fd s pc o r em o d u l ea n da c c o r d i n gw h i c ht h ep a p e r e x p l a i n e dt h ew o r k i n gm e t h o do ft h em c u s pm o d u l e ，r e a l - t i m ec l o c km o d u l e ，s y s t e mp o w e rs o u r c e m o d u l e i no r d e rt ob ea d a p tt ot h en e t w o r k - b a s e dd e v e l o p m e n t t h ee t h e m e ti n t e r f a c ei sf i g u r e d a l s o d e s i g n e dt h eh a r d w a r ei n t e r f a c eo fu s b 2 0 b r o u g h tf o r w a r dt h ei d e ao ft h ec o o p e r a t i o nb e t w e e n u s b 2 0a n dp c t h i r d l y , d i s e u s s i o na b o u tt h es o f t w a r es y s t e mw e r em a d e d e v e l o p m e n tm e t h o d so fd r i v e r sf u rs o m e k e ym o d u l ea r ea l s oi n t r o d u c e d f o re x a m p l e ，t h es e l fb o o tp r o c e s so ft h ed s p s ，t h ew a yo fw r i t i n gt h e p r o g r a m m ei n t ot h ef l a s h ，t h ed r i v e r so f m c b s p s ，t h ei n i t i a l i z a t i o no f t h ee t h e m e ta n d i t sd a t at r a n s m i t a n dr e c e i v ep r o c e s s t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ea l g o r i t h m so f t h ef i v et a r g e t sd i f i n e di nt h ep o w e rq u a l i t ys t a n d a r d s i n t h ee n d ，t h em a i nw o r ko ft h ep a p e ri ss u m m a r i z e d ，a n dt h ei n t e n d i n gr e s e a r c hw o r ki sa l s o p r o s p e c t e d k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，a n a l y z e r ，d s p , f i l t e r , a d ，e t h e r n e t ，m c b s p , u s b 2 0 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声【! f 所呈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t 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。 研究牛签名：丝盘日期：丝型：竺 东南大学学位论文使用授权声明 东南人学、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e r i , f , i ，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 文档的内容和纸质埝文的内容相一致。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) 沦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。 研究牛签名：丝：盔i 导师签名 辫同期：幽纽 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 电能是一种经济实用、清洁方便且易于传输、控制的能源形式，并且可以方便的转换为其他多 种能源形式，是工农业生产以及人们日常生活的基本动力源。作为一种特殊的商品，电能也应讲求 电能质量。 长其| j 以来，电能质量的概念和电力供应可靠性几乎是等同的。电力部门通常剧电压、频率的合 格率咀及连续供电的年小时数来说明电力系统是安全可靠运行的。近年来，电力电子技术发展迅速， 电力电子器件及电力电子设备应用越来越广泛，大量的非线性负荷、冲击性负荷的投运，使公用电 网中产生了大量的谐波干扰、电压扰动，波动和闪变，电能质量不断恶化。同时，随着很多对电能 质量要求敏感的控制没备、自动化漩各越来越广泛的应用于工农业生产及人们日常生活，不但对电 能质量也提出了越米越高的要求，也赋予了电能质量新的含意。 电能质量可以定义为：导致用电设备故障和不能正常t 作的电压、电流或频率的偏差，其内容 包括频率偏著、电压偏筹、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂 降与短时问中断以及供电连续性等问题等“】。 针对电能质量日益恶化以及用电设备对电能质量的要求相对提高这一现状，首先要做的就是提 高对电能质量的测量水平。因此，设计高精度的电能质量分析装置对监测及分析电网电能质量有着 十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 早期电测量理论及仪表技术主要是模拟式的，即通过对模拟量的直接测量获取所需的电能质量 各指标。这种方法设备复杂，不易于计算及控制。随着半导体制造工艺的发展和计算机体系结构的 改进，模拟测量仪表逐渐被数字式仪表所代替。自从2 0 世纪7 0 年代末第一片数字信号处理芯片 ( d i g i t a ls i g n a lp f o c e s s o r s ，d s p s ) 问世以来，d s p s 就以数字器什特有的稳定性、可重复性、可大 规模集成，特别是可编程性岛和易于实现自适应处理等特点，被应用到国民经济生活的各个方面。 同样d s p s 也很快被广泛应用于屯能的测量和控制领域。 国外多年来一直比较重视电能质量问题的研究，技术水平较国内要领先很多，其中比较有代表 性的产晶如美国f l u k e 公司生产的f 4 3 系列三相电能质量分析仪。该系列分析仪均为掌上手持式， 体积小，精度岛，功能也比较完备，可测5 1 次谐波，监测和记录多达4 0 个电压瞬态事件r s2 3 2 接口弗配备成熟的上位机软件，可以进行计算机分析和文档处理，是目前唯一的一种将示波器、万 用表和电能质量分析仪集合一体的手持仪器。 近几年，国内也加强了电能质量问题的研究，并投入了科研力量进行研发。然而，到目前为止 实际工程应用还比较少，并且国内电能质量分析仪多以工控机为主要结构，体积大、重量大、不便 于携带使用，只适合固定安装测量。 1 3 测量方法及相关国家标准 1 3 1 电能质量的一般测量方法 我国变电站出线电压一般为2 2 0 k v 、1 l o k v 、3 5 k v 、l o k v 等，t 业及居民用电电压也高达3 8 0 v 及2 2 0 v 。而嵌入式系统的工作电压一般在1 2 v 以内因此首先应根据不同的应用场合选用合适的 东南大学硕上学位论文 互感器来测量电流及电压。 互感器二次侧电压是连续的模拟信号，经过低通滤波、采样及a d 变换后方可变为嵌入式处理 器能够处理的数字信号。为了保证采样同步，采样的频率必须与被测信号的频率一致，通常可以通 过锁相环技术或通过对被测信号测频的方法获得。由于a d 转换所得的离散数字信号是一组时域信 号。通过离散傅立叶变换( d f t ) 可以将其从时域变换到频域，变换斤可以得到被测电流或电压的 基波及各次谐波分量的大小，并以此为依据可以计算出实际所需要的各个指标。 1 32 电能质量相关国家标准” 为适应我国建立社会丰义市场经济体制的要求，贯彻落实国务院质量振兴纲要，加强公用电 网电能质量监督管理，保证电网的安全运行和供电电能质量，依据电力法和国家有关规定，制 定了电网电能质量监督管理规定。电网电能质量应符合下列国家标准电能质量公用电网谐波 ( g b f f1 4 5 4 9 - 1 9 9 3 ) 、电能质量电力系统频率允许偏差( g b f f1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 ) 、电能质量供电电 压允许偏差( g b l 2 3 2 5 1 9 9 0 ) 、电能质量电压允许波动和闪变( g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、电能质量i 相电压允许不平衡度( o b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 1 2j 。 根据电能质量的相关国家标准，电能质量的检测可以概括为五个指标：( 1 ) 公用电网的各次谐 波；( 2 ) 电网频率人小：( 3 ) 电压允许偏差：( 4 ) 电压波动和闪变：( 5 ) 三相不平衡度。电能质量 各项指标的规定及具体算法详见本文第五章。 然而，仅仅满足于这五项指标仅能判别电能质量是否满足国家标准所耍求达到的水平，对于科 学分析电能质量，寻找电能质量恶化的原因等是远远不够的。因此，参阅国外先进的电能质量分析 装置，整理本装置预计计算技记录的指标如下： ( 1 ) 电，! 盘电流有效值、峰值、相位角、频率、波峰因数； ( 2 ) 亩流分晕、基波、各次谐波、电压电流t h d ： ( 3 ) 总功率、有功、无功、功率因数、睹波功率、功率t h d ： ( 4 ) 瞬态尖峰、跌落、浪涌大小及时间： ( 5 ) 三相不平衡度、电压波动和闪变； ( 6 ) 判断是否满足电能质量五项指标谐波、电压允许偏差、电网频率、三相不平衡度、电压波 动和闪变； ( 7 ) 用户指定次数间谐波的计算。 1 4 课题研究内容及难点 1 4 1 课题的研究内容 传统的电能质鼙分析仪大多采用定点d s p 作为处理内核，定点d s p 处理数据时需要时刻关注溢 出的发生，耗费了大量的程序空问和执行时间。浮点d s p 用硬件实现浮点算法，动态范围大，训算 精度高、总线宽、硬件资源也更为丰富，性能上比定点d s p 提高很多，井且由于不需要考虑浮点运 算的溢出问题。开发周期也较定点d s p 短。未来d s p 的发展，浮点d s p 必将在很多方面取代定点 d s p 成为上程应用的主流。随着浮点d s p 的成本不断降低，其在电能测量仪表领域也显示出越来越 明显得优势，本文主要研究基于浮点型d s p ( t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ) 的电能质量分析仪的软硬件系统开发 及应用。 论文研究t 作分为硬件及软件两个部分。硬什部分主要是电能质量分析仪硬件系统的设计，包 括总体系统结构设计、芯片选型、硬件电路设计调试。其中硬件系统主要包括有源滤波模块、测频 模块、a d 采样模块、d s p 核心处理模块、电源模块、外部扩展存储器( f l a s h 、s d r a m 、e e p r o m 等) 、g p s 较时及实时时钟模块以及并通讯接口模块如以太网、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、u s b 2 0 等。 软件部分重点分析了电能质量分析仪系统整体工作的协调方案以及各模块基本功能的调试。其 中包括：d s p 的自举及其基本功能测试、c p l d 逻辑的设计，f l a s h 烧写、a d 采样的控制、s d r a m 的读写、实时时钟( r t c ) 的读写、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 的数据收发、1 0 m 1 0 0 m b p s 以太网的数据收发 测试、u s b 的测试等。 2 第一章绪论 1 4 2 课题的研究难点 现有的电能质量分析仪通常都是分裂的单点测量，所测得数据通常只能反映某区域的屯能质 量的状况。然而，只有在全面把握系统不同区域的电能质量状况并且进行分析比较之后才能对电能 质晕问题作出比较准确的判断。因此电能质量分析仪未来的发展方向一定是网络化的。以太网 ( e t h e m e t ) 是目前一种使用广泛的、采用总线拓扑的刚络技术。其高速、可靠、分层比且具有可扩 充性，在各个领域的应用越来越灵活。然而，在电能测量仪器的开发上目前还没有广泛应用，因此 电能质量分析仪基于以太网的麻用也是本课题的难点之一。 由于嵌入式微处理器的速度及存储容量与p c 机在性能上存在着很大的差别，很多复杂的运算 以及海量数据的存储记录嵌入式系统将无能为力，只能在p c 机甚至大型机上才能得以实现。因此， 本课题在完成电能质量分析基本功能的基础上，还要研究多种与p c 机的通讯接口，如r s 2 3 2 、u s b 、 以太网等。 1 5 本章小结 首先概述了电能质量的概念以及发展背景，指出近年来电能质量概念的转变以及当前所面临的 问题。指出开发适合当前需求的新型电能质量分析仪是非常必要的。 然后介绍了电能质量分析仪的国内外发展现状，以及国内外屯能质量分析仪制造水平存在的差 距，分析了国内电能质量分析仪存在的不足。 最后，根据当前电能质量分析仪的发展状况以及当前电力系统的需要，明确了本课题研究重点， 即浮点d s p s 在电能质量分析仪上的应用、以太网的应用以及与p c 机通信接口软硬件的设计和开发。 第二章电能质量分析仪整体方案的架构 第二章电能质量分析仪整体方案的构架 2 。1 硬件方案的确定 2 11 当前概况 目前，国内外广泛应用的电能质量分析仪硬件结构大体可以分为两类： 一类是便携式的，这类分析仪通常以d s p + m p u 为核心由一块电路板完成从数据采集到分析 处理以及显示等的所有功能，这类产晶使用携带方便，灵活。缺点是由于电路板尺寸的限制，通常 仪表的功能较弱，精度也不够高。虽然国外有比较优秀的产品，然而造价相对较商。 另一类是以 _ 控机为基础的大型装置，这类分析仪表可以达到较高的精度，但是体积庞大，笨 重，不适台携带使用只能应用于固定测量。 目前国内新开发的电能计最类产品大多采用第一种d s p + m p u 的双c p u 式的架构。 2 1 2d s p + m p u 架构介绍【3 】 这种架构通常是通过双口r a m 来完成d s p 与m p u 之间的通信。 普通r a m 只有一组数据总线和地址总线，只能做为一个c p u 的外扩存储器。而舣端e lr a m ( 简 称d p r a m ) 是一种特殊的存储器，它具有两组数据总线和地址总线。这两组总线可以同时访问不同 的存储器单元，也可以独立分时访问存储器中的同一单元即当两组地址总线相同时由片内总线 钟裁逻辑向后访问的一方发出等待信号，使该方进入等待，等男一方访问结束之后，等待方可继续 访问这一地址。这一特点使得双iir a m 可以作为d s p 与m p u 之间的共享存储器，大大提高了m p u 与d s p 芯片的并行处理能力。在使用d p r a m 时。应妥善解决争用问胚，即两个端口上的c p u 企 图同时读写一个存储单元的现象。争用将破坏数据的完整性，造成写入值和读出值不一致的数据混 乱状态。通常，争用的解决方案有三种：硬件判优方案、中断方案和令牌传递方案p 1 。 图2 1d s p + m p u 方案示意图 如图2 1 所示，d s p 主要负责前端的数据采集、f f t 处理分析以及越限数据记录。m p u 是整个 系统的控制中枢，可以帮助实现液晶显示、键盘输入、输出打印等功能。d s p 与m p u 之间通过双 口r a m 进行通信。 利用双端口r a m 实现d s p 与m p u 之间的通信效率较高，然而，d s p 和m p u 是通过数据 总线及地址总线来交换数据的。由于是高速交换数据，按照总线不出模件的原则，d s p 、m p u 、双 口r a m 必需在同一块模件上。这就不符合模块化柔性设计的理念，可扩展性差p 】。 4 第二章电能质量分析仪整体方案的架构 2 1 3 本文设计思想 针对以上情况，本文采用了基于d s p 的多板插件式的构架，如图2 2 所示。 整个系统功能由五个模件组合而成：即交流变换模件、主控模件、继电器模件、电源模件、人 机接口模什。系统各模件采用前向捅什式结构，各插什通过母板总线实现电气联系，只有人机接口 模件与主控模件之间采用r s 4 8 5 通信，这样可以提高插件的可靠性。 幽2 - 2 装置各模件连接倒 与d s p 十d p r a m 十，u 不同的是，在这种结构形式中d s p 不但负责运算，还承担了一部分的 控制t 作，这势必对d s p 的运算速度有较高的要求。液晶及键盘部分单列由专门的人机接口面板负 责，d s p 与面板之间通过r s 4 8 5 进行通信。 大部分电能质量分析仪通常只具备电能检测分析的能力。考虑到实际使削中固定安装的分析仪 表通过对电能质量的检测一旦发现电能质量严重不合格，还应当具备简单的保护动作能力。本装 置利用c p u 丰富的i o 资源，增加了1 2 路开关最输出控制继电器动作，同时设置了1 2 路的开关量 输入。 这种构架体积重量适中，既可以携带使用也可以固定安装。各模件协同工作，性能比单板结构 提高很多。同时结构灵活，所有模件通过模板进行通信，可扩展性强，为进一步开发升级产品提供 了方便。简言之，这种基于多模件的插件式构架是考虑体积、性能、造价等多方面而选择的一个平 衡点，故本论文选择这种架构。 2 2 各模件功能介绍 2 2 1 交流变换模件 本课题设计的电能质量分析仪主要用于测量发电厂或变电站中高压线路电能质量。电能质量分 析仪的模拟量输入为现场一次c t 、一次p t 信号，其电压电流的幅值都大大高于分析仪数据采集系 统所能够直接处理的信号幅值范围，必须先转换为小电压信号。此外，考虑到电磁兼容性能，输入 回路与内部回路之间必须有隔离。 分析仪交流变换模件主要器件为二次c t 、二次p t ，如图2 - 3 所示， 东南大学硕士学位论文 ( a )( b ) 图2 - 3 pt ct 工作原理 分析仪的数据采集系统采集电压信号。凶此交流电流输入量变换回路一般采用电流变换器和精 密电阻将被测电流信号转换为电压信号读取，回路如图2 - 3 ( a ) 所示。 分析仪设计为有效输入范围+ 5 v ( 峰峰值，交流有效值为士3 ，5 4 v ) ，信号源阻抗小于1 0 0 q 。为 适应对不同接线形式下电流电压的测量，本装置一共设置了4 路电流通道、4 路电压通道。即1 0 、 i a 、i b 、i e 、u 0 、u a 、u b 、u c 。 为了达到电磁兼容的要求，输入和输出应能通过4 0 0 0 v 1 r a i n 的交流耐压”j 。 2 2 2 主控模件 考虑现场测量时的接线形式既有三相三线、义有三相四线以及单线等，本分析仪数据采集部分 设计为八通道输入，即可以满足l a 、i b 、l c 、1 0 、u a 、u b 、u c 、u 0 八个回路同时输入。使用者可以 根据实际需要选择所需的通道。 采样来的模拟信号经过有源滤波、a d 转换等过稃变为数字信号，然后由d s p 读取并进行f f t 变换。其整体结构如图2 4 所示。 图2 - 4 主控模件整体连接框图 土控模件从交流变换模件采样得到被测信号的模拟量并通过两个1 6 位a d 转换芯片a d 7 6 6 5 转 换为数字信号。由于信号在进入a d 采样之前。经过了交流变换电路，可能带进来一些高频噪声， n 此，在对数据做a d 转换及谐波分析之前必须要经过一低通滤波器滤除高频噪声及可能对测量范 围内的谐波产生混叠的高次谐波。经过滤波咀后的被测信号即可采样并送入c 6 7 1 3 进行f f t 谐波分 析。 d s p 除了负责谐波分析外，还应负责处理数据存储记录、g p s 校时中断、异常值报警、与人机 接口通信、以太网通信、通过u s b 2 0 与上位机通信等功能。 6 j 第二章电能质量分析仪整体方案的架构 22 3 人机接口模件 人机界面主要完成人与装置的信息交互。本分析仪的人机接厂丁模件包括显示设备( 液晶屏和指 示灯) 和指点输入设备( 键盘) 两部分。人机接口模件不是采用母板上前向插件的形式安装，而是 独立装备在液晶面板上，通过r s 4 8 5 与主控模件通信。人机接口模件含有键盘、显示器的外围驱动 电路，其控制器是一片w i n b o n d 7 7 e 5 8 芯片。 液晶屏采用日本o p t r e x 公司生产的蓝屏带背光的大规模液晶屏d m f 5 0 0 8 1 ，3 2 0 2 4 0 点阵的 高分辨率，视屏尺寸为3 2 0 2 4 0 ，模块尺寸1 3 9 1 2 0 0 。显示特点为全中文菜单结构，可显示各种 功能菜单，并可显示各种数据、参数、波形、一次系统图、断路器状态、事件记录表等信息。设有 液晶休眠功能，当无故障、无告警状态下5 分钟后l c d 自动休眠。当有键盘操作或有故障、告警信 号时自动打开l c d 显示。上位机也可发信号打开l c d 显示”j 。 液晶显示控制芯片采用日本s e i r o e p s o n 公司出品的s e d l 3 3 5 。它作为图形和字符液晶显示 控制器是i 列类产品中功能最强的控制器之一，其具体特点如下：具有较强的指令功能且与c p u 接口 简单，便于控制。有功能较强的i o 缓冲器；四位数据并行传送，最大驱动能力为6 4 0 2 5 6 点阵； 具备图形和文本格式混合 最示字符文本特征显示闪烁显示以及光色光调显示等p j 。 人机界面三大部分w i n b o n d 7 7 e 5 8 、s e d l 3 3 5 、d m f 5 0 0 8 1 构成的系统如图2 5 所示。 7 7 e 5 8 图2 5 人机接口工作原理图 本分析仪主控模件的实物图片j ! 本文附录。 2 2 4 开入开出模件 l 开入和开出单元是本分析仪的重要组成部分，该单元在本插件中有以r 两部分组成：( 1 ) 开入 信号的隔离输入；( 2 ) 开山信号的驱动输出。为了保证强电信号的开入量与弱电系统的开入信号完 全分开，必须在开入输入端加以有效的隔离。本装置设计1 2 路开入量经过光耦芯片t l p 5 2 1 4 后再 进入c p l d 。同样，对丁开出信号，也必须对连接插件内外部的信号加以电气上的隔离。此外。为 了使得控制c p u 的弱电信号有足够功率驱动继电器，也必须设计驱动电路加以驱动。 2 3 本章小结 本章主要介绍了分析仪整体的硬件方案。首先介绍了目前已有的电能质量分析仪通常使用的 d s p + m p u 使用双口r a m 的结构形式，经过比较，最终选用了分模块插件式的结构。 接着，本章简要说明了各模件的工作原理及设计方法，其中包括交流变换模件、主控模件和人 机接口模件。 7 第三章主控模件的硬件设计 第三章主控模件硬件设计 被测信号经过交流变换模件后由母板输入到主控模件。主控模件主要负责信号的采样、a d 转换、 分析处理、系统各部分的控制协调等，是整个系统的核心。 3 1 主控模件前向通道的设计 3 1 1 低通滤波模块 根据s h a n n o n ( 香农) 采样定理，连续信号的最高频率必须小于采样频率的1 2 ，否则将引起频 率混叠，使的数字信号处理不能复原连续信号 3 1 。假设采样频率为t ，被测信号的最高频率为f c ， 为了避免频率混叠，姗必须满足厂c 争；，高于折叠频率圭r 的频率成分都应当滤除。同时，当 待测信号经过交流变换模件后信号中不可避免混杂了一些高频噪声。因此，在进行a d 转换之前， 必须加模拟低通滤波器。 3 11 1 滤波器的选择 电能质量分析仪所能分解山被测正弦波中的高次谐波的次数及精度是衡茸分析仪性能的一个重 要指标。目前，国内生产的电能质量分析仪精确测量的谐波次数一般比较低，国外优秀产品傲可 以精确到5 0 次谐波以上。考虑到性能、成本及实用价值等多方面的因素，本装置最终确定的谐波分 析次数为5 0 次。因此，设计设定滤波器的截f r 频率也是5 0 次谐波。我国电网频率一般为5 0 h z ，从 而，低通滤波器所能达到的截止频率至少应在2 5 k h z 以上。 模拟滤波器一般分为有源滤波器和无源滤波器两大类。无源r c 滤波器结构简单，成本低，在 很多场合广泛应用。有源滤波器成本较无源滤波器高，但是性能远优于有源滤波器。并且，有源滤 波器内置运放，使输入与输出有效的隔离开来。1 9 7 5 年，由m o s 开关电容和运放组成的开关电容 滤波器已实现单片集成化，得到越来越广泛的应用。为确保有源滤波的性能，装置最终选用有源开 关电容滤波器。 常用的模拟低通有源滤波器有巴特沃斯( b u n e r w o r t h ) 滤波器、切比雪夫( c h e b y s h e v ) 滤波器、 贝塞尔( b e s s e l ) 滤波器、椭圆( e l l i p s e ) 滤波器等几种。这些滤波器各有特点，巴特沃斯滤波器是 目前最常用的电路设计，具有单调下降的幅频特性，阻带没有振荡；切比雪夫滤波器的幅频特性在 过渡带衰减最快，虽然通带或者在阻带内有波动，但是可以提高选择性：贝塞尔滤波器通带内有较 好的线性相位特性，但是过了通带以后其过渡带衰减较b u t t e r w o r t h 滤波器和c h e b y s h e v 滤波器是最 慢的：椭圆滤波器的选择性相对前三种是最好的但也没有良好的通带特性。图3 - 1 和图3 - 2 给出了 b u t t e r w o r t h 、c h e b y s h e v 、b e s s e l 三种滤波器的频率相应和时问相应1 4 1 1 “： 第三章主控模件的硬件设计 ，! 譬 精am ll 潼嚣i 射5 l c 6 v j h _t i0 5 口e r j】 f c j5 册8 ti 蜘叠 1 “ 1 。 j l n l 0 ；矧 、 1 0 、 1 9 1 l 一2 0 、 重宝 l 置3 0 k 嚣圳 、 墨m 1 鞫-72 l 5 0 l 。5 。 1 、 。e o 、 昔0 l - 、 ，0 1 氇111 00 i 00 羟一懈鞴单i )旧粕：黼翠h l 峭一让辨草州日 图3 - 1 b u t t e r w o r t h ( a ) 、c h e b y s h e v ( b ) 、b e s s e l ( c ) 三种滤波器的频率相应 5 阶8 l i 抽r 帆恤珠谴毪m5 陆c 瞻姊# m 肄i 姻c o 5 d l l 蚊谴)f b i5 精b 鹤蚰j 本谴嚣 = t j 了illi 一 j fi 已 f l i 馨 fii 鼍 j 量 i li 1 ， l h i 鲥闹 $ l 时棚 时“口m 图3 - 2 b u t t e r w o r t h ( a ) 、c h e b y s h e v ( b ) 、b e s s e l ( c ) 三种滤波器的时间相应 由各种类型的滤波器幅频特性曲线可以看出，巴特沃斯滤波器的频率特性无论在通带还是在阻 带内都是频率的单调函数，通带内幅度曲线平缓，衰减小，相位特性非常好，而且过渡带也比较窄。 根据电能质量谐波分析的特点，这几种模拟滤波器中巴特沃斯滤波器是最好的选择。 0 q 。 图3 3 巴特沃斯滤波器幅度特性 图3 3 给出了巴特沃斯滤波器幅度特性与滤波阶数n 的关系”。如图所示，n 越大，即滤波器 的阶数越高，幅度的下降速度越快。过渡带越窄。剥截i e 频率的选择性也越好。为了提高信号的选 择性。必须选择合适的n 的值。n 的值一般町咀通过公式3 1 1 、3 1 2 、3 1 3 确定： ：一鳖 l g 丸 k 、p = 2 毒2 薏 ( 3 1 1 ) ( 3 1 _ 2 ) ( 3 1 3 ) 其中，为通带最大衰减系数，吒为阻带最小衰减系数，为通带截止频率， 为阻带截 9 东南大学硕士学位论文 止频率。 由以上公式也可以看出，滤波器的阶数越高，通带衰减越小，阻带衰减越大，而且通带截止频 率与阻带截止频率之间也越窄。 最终确定，本装置选用八阶的巴特沃斯有源低通模拟滤波器。 31 12 本方案滤波器的设计 本装置中选用m a x i m ( 美信) 公司的m a x 2 9 1 ，它是该公司生产的八阶巴特沃斯型开关电容 式有源低通滤波器，其滤波截止频率可以从0 1 h z 剑2 5 k h z 自由选择。对某一特定型号的滤波器来 说，其滤波特性都足不变的。使用者可咀很方便的通过调整时钟源信号的频率米控制滤波的截止频 率【“。 m a x 2 9 1 可以通过选择时钟来控制截止频率。时钟源有内外两种p j ，本系统采用内时钟的方式， 具体方法是在m a x 2 9 1 的时钟输入端外接一电容，大小满足公式： 一( 抛) = 瓦1 0 而5j 系统设定a d 每周波采样1 2 8 点，分析到5 0 次谐波。在25 k h z 以下的通带内，增益基本为1 ， 到3 2 k h z 时应为o 7 0 7 ，即3 d b 带宽增益。【i l ；l 此，m a x 2 9 1 的时钟频率席为3 2 k h z x1 0 0 = 3 2 0 k l q z 。 经计算，外接电容值c o s c 应为1 0 4 p f h 】。 其供电方式可以选择单电压+ 5 v 或双电压5 v 两种”j 。为了增加滤波器输入信号的电压允许范 同，本系统采用双电源的供电方式，如图3 4 所示。 3 2 采样及a d 转换模块 3 21 准同步采样 图3 ，4m a x 2 9 1 电路图 由本文上面提到的香农采样定理可知为了保证不会发生频率混叠，必须满足，。叫c 。在本装 置中，由有源滤波环节过来的信号最高次谐波为5 0 。因此，采样频率不得小于1 0 0 倍的工频，从而 每周期的采样点数不得低于1 0 0 ，最小采样频率为5 k h z 。我们设定为每周期采样1 2 8 个点，即采样 频率为6 4 k h z ，能够满足采样定理的要求。 n 点d f t 是存频率区间 0 2 】上对信号的频谱进行n 点等间隔采样，而采样点之间的频谱函 数值是不知道的。这就好像从( n + 1 ) 个栅栏缝隙中观看信号的频谱情况，仅得到n 个缝隙中看到 的频谱函数值。这种现象称为栅栏效应( p i c k e t - f e n c ee f f e c t ) 。由于栅栏效应，在进行谐波分析时有可 第三章主控模件的硬件设计 能漏掉( 挡住) 大的频率分量【4 1 。栅栏效应的频谱分析如图3 - 5 所示吲 ( b ) 非同步采样的情况 图3 5 栅栏效应的频曾分析 图中，在非同步采样时，由于实际信号的各次谐波分量并术能止好落在频率分辨点上，而是落 在某2 个频率分辨点之间。这样，通过d f t 并不能赢接得到各次谐波分量的准确值，而只能以临近 的频率分辨点的值来近似代替，因而产生了栅栏效应”j 。 在进行电能质量谐波分析时，通常更为关心的是被测信号中的基波及整次谐波的分量，而对在 整次数谐波之间的间谐波分量一般单独分析。为减少栅栏效应的影响，最好的办法是使得采样的频 率分辨点正好落在备次谐波点之上。这就是所谓的同步采样，即整周期采样。如图3 5 ( a ) 所示。 由于被测信号的频率不可能固定在5 0 h z 上，在一些特殊情况下有司。能有所偏差，而电网的频率 也是电能质量分析仪的一项重要的测试指标，因此a d 的采样频率不可能采用5 0 h z 的定值，而必须 随着频率的变化而改变。通常可以通过锁相环同步电路和硬件测频两种方法来实现。 本系统采用硬件测频的方法得到待测信号的频率，_ _ j i = 据此调整采样频率，实现准同步采样。其 实现方法如下图3 - 6 所示： h 厂 i i ” 一步f 嬲j 土与一 告 1 一 r | l v l ，i 厂_ j 主：z 坠 , r 一, l i i 图3 - 6 测频电路框图 7 4 l v c l 4 a 是p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 公司生产的s c h m l t t 触发器。它可以将缓慢变化的输入信号 转换为突变的方波信号输出。选择一路电压信号，经s c h m i t t 触发器变换为方波信号输入至d s p ， t l p 6 2 1 是d s p 与触发器之间的光耦，起隔离作用。被测信号为工频正弦波，在每次信号由负到止 时触发器均会产生一个方波信号触发d s p 定时器计时，当下一次同样信号来的时候停止，时间刚好 是一个周期，从而得到信号的频率。分析仪对工频信号进行每周波1 2 8 点同步采样，系统利用上一 ， ，一1 o