（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的电能质量监测系统的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e ma u t o m a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，p o w e rq u a l i t y m o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hh a v eb e e nw i d e l yu s e di ne l e c t r i c a lp o w e r , m e t a l l u r g y ，s t e e l m a k i n g , g e n e r a t i n gs t a t i o na n d s of o r t he l e c t r i c i t yc o n s u m i n gf i l e d ，s oa st om o n i t o rp o w e rq u a l i t yo f t h el o a d s i d e , a r ea l s ow i d e l ys e l e c t e df o rt h ep r o t e c t i o no fs e n s i t i v el o a d ss u c ha sp c ，c o m m u n i c a t i o n s y s t e m sa n dm e d i c a le q u i p m e n t s m e a n w h i l e ，a l l o c a t i n gt h eu s e r sw h oa r ei n f l u e n c i n gq u a r d i t yo f p o w e rs u p p l yi ne l e c t r i cf e n s e ，a n do r d e ri tr e c t i f ya n di m p r o v e t h ef u c t i o no fa v a i l a b l ed e t e c t o m l a c ko fc o m p r e h e n s i v e n e s s ，e s p e c i a l l yt h eo v e r s e ao n e sa r ee x p e n s i v e s ot h ef u n c t i o n a la n d c o s t - e f f e c t i v ep o w e rq u a l i t ym o n i t o rh a sg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n dm a r k e tv a l u e t h e p a p e r t a k e s p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t r m a st h e o b j e c tr e s e a r c h , u s i n g l l i g h p e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt op r o c e s sd a t a , t oa n a l y s i st e c h n o l o g yi n d e xo fe l e c t r i c f e n s e ，i tt a k e sd a t a b a s ea sa f t e r - t r e a t m e n ts t a t e m e n tw i t ht h eh e l po fp c i th a sc o m p l e t e dt h ew o r k a sf o l l o w s ： l 、t h r o u g hal a r g en u m b e ro fs c i e n t i f i cl i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a d , i tt a l k so nr e s e a r c h b a c k g r o u n d 、s i g n i f i c a n c ea n dt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gd e v i c e , r e s e a r c ha n da n a l y s i st h en e wn a t i o n a ls t a n d a r da n dc a l c u l a t i o nm e t h o do fp o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r s 2 、i td e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i to fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m t h ed e s i g nh a sa d o p t e d t h ef l o a t i n g p o i n td a t ep r o c e s s i n gd s pt m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5m a d eb yt 1c o m p a n ya st h ec o r e , w h i c hh a s h i g hr e a l - t i m eo p e r a t i o na b i l i t y ；i ta l s ou s e ds i xc h a n n e l sa n ds i x t e e nh i g h - s p e e da d s 8 3 6 4a sd a t a a c q u i s i t i o nc o n v e r s i o nm o d u l e ，i m p r o v i n gs a m p l i n gs p e e da n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c y t h ew h o l e s y s t e mh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sp r e a m p l i f i e rc i r c u i tm o d u l e ，t h ea n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r s i o n m o d u l e ，d s ps m a l l e s ts y s t e mm o d u l ea n dp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i tm o d u l e 3 、u n d e rc c s 2i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t , c o m p i l e dt e s tp r o c e d u r e so fp r i m a r y p o w e rq u a l i t yp a r a m e t e ra n dp a r t i a li n t e r f a c ep r o g r a m i tm a i n l yc o n t a i n sp r o g r a m 、d a t ea c q u i s i t i o n 、 d a t ap r o c e s s i n gf l o wa n dm a l l - m a c h i n ei n t e r f a c es o i l ：w a r e 4 、i nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a ld a t aa n a l y s i s ，i tm a d ee r r o ra n a l y s i sa c c o r d i n gt o t h em a i np a r a m e t e r so fp o w e r q u a l n y n er e s u l t so fe x p e r i m e n tp r o v e st h a ti tm e e t sn a t i o n a l s t a n d a r d s k e yw o r d s ：d s p ；p o w e rq u a l i t y ；h a r d w a r ed e s i g n ；p r e c i s i o n ；a l g o r i t h ma n a l y s i s i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人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。据我所知，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，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 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谢意。 一姒翻：古缸黼期：1 月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部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、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：占青曼 签字嗍：川引硼1 日 导师签名( 手写) ： 签字日期： d7 年，妒月巧日 ，t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 电能质量问题的背景及研究意义 随着社会的进步、国民经济的发展、工业规模的加大和科学技术的飞速发 展，电力在经济生活中扮演着越来越重要的角色。由于电力系统用电负荷结构 发生的重大变化，高科技设备的大量使用也促使电能质量的要求在不断地提高。 因此，电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益，同时，电力系统的污 染现象也日益严重，特别是各种电力整流设备、大容量调速电机、电气化铁道 和无功补偿等装置地大量涌入电力系统，对电力系统运行和用电设备运行有很 大的危害，有的危害甚至是破坏性的。 在电力系统中，电能质量问题与用户设备密切相关，所谓合格的电能质量 是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是适合该设备正常工作的。因此， 实际供电系统中，电能质量的危害主要体现在与用户密切相关的配电系统以及 低压网络中，比如电压跌落问题引起的设备误跳闸、短时断电现象造成的计算 机服务器数据丢失、谐波问题引起用户设备不正常发热等。 电能质量与一般产品质量不同，它具有自己的特点： l 、整体性。电能质量的保证需要多方的共同努力。电力供应方、设备制造 方和电力使用方只有共同协作，制定出一套统一且可操作性强的质量标准，或 者根据用电方对电能质量的不同要求实行分级控制和管理才能从根本上提高电 能的质量。 2 、动态性。对于不同的供用电点在不同的供用电时刻，电能质量指标往往 是不同的。换言之，电能质量在时间上和空问上均处于动态变化之中，说明电 能质量指标宜指明监测点，同时也说明为了更好地了解电能质量的状况，应该 采取长时间监测的方法去监测实时的电能质量。 3 、传播性。电力系统是个复杂的网络结构，可以提供传输电能的最好途径。 电能具有传播速度快、电气污染涉及面广等特点，一旦发生事故，相连的电力 系统的电能质量将遭受重大的破坏。 4 、相关性。电能不易大量存储，其生产、输送、分配和转换过程直止消耗 殆尽几乎是同时进行的。电能作为一种使用最为普遍的能源，电能的质量指标 第1 章绪论 已经成为供用电双方共同关注的问题。供用电双方共同决定了电能质量的一些 指标。譬如电压波动、三相不平衡度、谐波大多由用户干扰所决定；同时，电 能质量也和用电设备的性能密切相关。 5 、潜在性。电能质量扰动复杂，事故诱发条件丰富，有些电能质量指标的 下降造成对系统设备的损害有时是很隐形的，这就为安全运行埋下了隐患。 6 、复杂性。当电能质量的多个指标作用于同一个系统时，一个电能质量的 综合评判指标的提出是十分困难的。目前，尚无准确而普遍认可的定量评估办 法。 电能质量问题可分为电压质量和电流质量两部分，并且电能质量问题也同 时存在于输电系统与配电系统中，但由于输电系统的可靠性高，发生故障的概 率较低，因此，大部分的故障、异常现象出现在配电系统中。 电力系统中各种扰动引起的电能质量问题又可分为稳态和暂态两大类。 电力系统中的稳态问题就是当系统在某一正常运行状态下受到某种干扰 后，经过一定的时间回到原来的运行状态或者过渡到一个新的稳定运行的问题。 而稳态电能质量问题以波形畸变为主要特征，持续时间较长，又可以包括问谐 波、谐波、波形下陷、噪声。 暂态稳定是指电力系统在某个运行状况下突然受到较大的干扰以后，经过 暂态过程达到新的稳态运行状态或回复到原来的状态。暂态电能质量问题通常 是以频谱和持续时间为特征，包括脉冲暂态和振荡暂态两类，其表现形式有： 短时断电、电压瞬变、电压骤升、骤降、电压闪变等。暂态信号具有突变、非 平稳、持续时间短等特性，电能质量问题己引起各国电力工作者的高度重视， 提高电能质量的新技术已成为近年来电力系统研究领域中的重点之一，目前暂 态电能质量问题已成为研究的热点【i j 。 谐波问题是电能质量中的一个重要问题。随着不对称负荷、冲击性负荷的 数量和容量的不断增大，电网受到的干扰也日趋严重，电能质量不断下降。目 前谐波、电压波动与闪变、三相不平衡度等传统电能质量问题更加恶化，大量 接入公用电网的半导体换流器及非线性负荷也降低了配电网中的电能质量，而 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，由于以前科研 人员缺乏对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被忽 略的暂态电能质量问题的重视，这一类原因造成的经济损失也在不断增加，因 此对电能质量的治理工作势在必行。 2 第1 章绪论 一直以来，主要是系统内部和相关的技术人员在关注电能质量问题，而用 户并不关注电能质量问题，总觉得好坏都有相关部门去管。电能质量监测主要 是基于系统侧来考虑的，分布于各个变电站和关键用户接入点处的电能质量监 测单元通过通信网络连接成一个有机的整体，共同完成整个电网的电能质量分 析。一方面，人们采取各种技术措施，抑制电能质量的恶化或进行负荷的调整 和电网的改造：另一方面，人们在电力系统的特殊点处装设电能质量监测设备 来监测电能质量的各个参数。电力部门只是为其本身及其关键用户提供监测的 数据，这对于整个电网电能质量水平的监测分析，谐波污染源的定位，电压质 量的持续监测都有很大的益处【引。 目前我国已制定了相应的电能质量标准，做到了有标准可依。但是根本的 解决方法还在于改善电能质量，首先应该对目前的电能质量问题要有深刻的认 识，其次是新一代的电能质量监测系统的大量投入电网运行，只有采取相应的 措施才能有效改善电能质量，从而保护电力系统的安全、可靠、经济运行，为 保障电能的质量，改善和提高其供电水平做出贡献。 1 2 电能质量监测的目的和要求 随着用电需求增加和电力系统规模扩大，冲击性、非线性、三相不平衡的 负荷日益增多，电能质量引发的纠纷和电网事故呈上升趋势，所导致的各种电 能质量问题也越来越严重，造成电网供电质量降低，运行状况恶化，电能质量 的监测管理和电力污染的治理工作变得越来越重要。针对于此，提出了监测电 能质量的几大目的，主要归纳为以下三个方面【3 】： 1 、对各种电能质量指标进行实时更新测量和数据采集，保证对电力系统基 本运行工况的观察、记录和动态分析； 2 、针对各大质量指标的具体特征对电能质量问题进行分层检测，完成对多 种扰动信息的识别、提取和分析，并具有事故诊断能力。为制定改善电能质量 和治理电网污染的具体措施提供可靠的依据； 3 、完整了解电网安全、稳定、优质运行的技术经济条件，对电能质量各项 指标进行综合评价。 监测目标决定监测设备选择、触发阈、数据采集和存储方法以及分析和解 释要求。 3 第1 章绪论 任何电能质量监测系统，都应明确监测目标，包括： a 、评估电能质量水平； b 、干扰诊断与设备维护： c 、描述系统的整体性能； d 、描述特定电能质量问题。 电能质量监测的要点包括： a 、选择监测点。一般来说，在几个关键点进行测量即可确定整个系统的特 性。监测位置通常选择用户的供电入口，受影响的设备附近，或在变电站和特 定用户供电入口同时监测； b 、确定测量和监测时间： c 、确定电能质量的描述和分析方法； d 、设定监测启动阈值； e 、查找扰动源。 通常的电能质量检测方式有：连续监测、定期或不定期监测和专门测量。 a 、连续监测一般用于重要变电站的公共供电点的监测。监测指标包括：供 电频率、电压偏差、三相电压不平衡度、谐波等。 b 、定期或不定期监测适用于需要掌握供电质量而不需要连续监测或不具备 连续监测条件的监测方式。一般的公共供电点的供电质量通常只需定时监测。 对于无冲击性负荷的电网，一般不存在明显的电压波动和闪变，这两个指标只 需一、二年测量一次即可；而对于有冲击性负荷的电网，往往一个月或一个季 度测量一次，监测周期和每次的测量时间视具体情况而定；对于负荷稳定、用 电量不大的电力用户，电能质量指标比较稳定，则可一周或一个月定时监视一 次。 c 、专项测量主要适用于干扰源设备接入电网( 或容量变化) 前后的电能质量 监测，用以确定电网电能质量指标的背景状况和干扰发生的实际量或验证技术 措施效果。 电能质量监测是针对原始测量数据进行收集、分析并解释为有用信息的过 程。建立完善的电能质量监测系统【4 】，对整个电力系统的电能质量管理和改善都 是十分重要的。 4 第1 章绪论 1 3 电能质量监测装置的研究现状及其发展趋势 近几年来，随着数字信号处理技术和网路通信技术的飞速进步，进入我国 市场的进口电能质量监测产品日趋增多，随着电力系统和电力用户对电能质量 问题日益重视，关注的焦点也集中于引进先进而科学的测量技术和性能可靠的 测量系统上。国内外各大系统制造商推出的电能质量监测与分析仪大体可分为 三类： 1 、手持式仪表。由技术人员随身携带，可以方便地随机测量一些电能指标， 分析功能简单； 2 、远程监测仪表。它被定点安装于监测现场，连续监测公用供电点的主要 电能指标，得出实时数据，通过通讯把数据集中上传给管理部门进行统一分析 处理； 3 、便携式多功能分析系统。具有智能化、多功能、信息量大、数据处理能 力强等特点。主要用于现场专项指标的测试。 由于电能质量中非线性负荷及干扰源的不确定性，使得传统方法在适用范 围和准确度上或多或少存在缺陷。近几年兴起的数学和人工智能领域中的新型 学科、新的理论的深入研究，促使对电能质量的研究步伐向前迈进了一大步， 同时，这也为电能质量的监测水平的提高和改善提供了坚实的理论基础。 电能质量监测系统正在朝着网络化、智能化、标准化、实时分析、在线监 测的方向发展，从设备的角度看，目前电能质量监测装置的发展趋势倾向于采 用永久性的固定设备对现场数据进行实时在线监测。 1 3 1 电能质量监测装置的研究现状 在电能质量监测装置的研制，以及在系统构建的研究上，国际上越来越多 地采用了先进的硬、软件技术、网络技术及各种数学方法，如数字信号处理技 术、虚拟系统技术、小波变换方法、人工神经网络技术和专家系统等作为检测 识别和分析诊断的有效工具。目前美国的e l e c t r o t e kc o n c e p t s 公司正在这方面进 行尝试。 对电能质量检测的方法归纳起来有下面几大类： 电压偏差、三相不平衡度多采用基于方均根值的检测方法；电压波动常利 用神经网络、变换和滤波等检测方法；暂态电能质量常采用统计分析、变换、 分形理论和人工智能相结合的方法；频率偏差、电压闪变需要用到统计分析方 5 第1 章绪论 法；波形畸变中的谐波与间谐波监测多采用各种变换方法( 正交变换、傅里叶 变换、短时傅里叶变换、小波变换) 等。 国外研制的电能质量监测装置水平普遍较高，典型的主要包括美国的福禄 克公司( f l u k e ) 、美国公司( e i g ) 、瑞典联合电力公司( l 丌p o w e r ) 、 加拿大电力测量公司( p o w e r m e a s u r e m e n t l t d ) 、日本日置公司( h i o ) ，他们 的产品具备十分全面的功能，主要包括：多功能电力测量、智能逻辑控制、电 能质量指标分析、数据记录和波形记录、事故记录与分析、保护与监控等，并 且精度达到0 0 5 级以上。如f l u k e 公司生产的f l u k e4 3 型手持式电能质量分析 仪和u n i p o w e r 公司生产的u 9 0 0 f 便携式电能质量分析仪等，均采用硬件数 字信号处理技术对电信号进行分析处理，数据的实时处理能力强，但价格非常 昂贵。 随着上世纪8 0 年代国内谐波研究工作的开展，国内厂家生产的电能质量监 测仪的功能和性能指标虽然已大幅度提高了，但与国外高档次的产品相比还是 有差距。目前对电能质量各项指标的测量多处于专门测量和定期不定期检测阶 段。还没有形成对电能质量的长期连续监测。在国内该项监测技术处于领先的 厂家有：深圳领步科技有限公司、上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽振兴 科技有限公司等。但是与国外高档产品的差距主要表现在：设计不够人性化、 功能欠完善、性能指标没有国外高档产品高、产品的工艺性、一致性和可靠性 也与国外产品差距很大。如上海宝钢安大公司生产的p q l1 6 便携式电能质量分 析仪，可进行谐波测试分析、电能质量综合分析、功率分析、故障滤波等。 相比于国外对于电能质量监测仪的研究而言，国内的专家和学者在这方面 起步较晚。但是，针对电能质量监测设备的具体要求，大体有如下几个方面p j ： 1 、设备要能满足实时性的要求，具备对电网问题的快速捕捉能力： 2 、在分析手段上能对采样数据预处理，比如小波去噪，能对数据在线分析， 对稳态和瞬时干扰性事件进行跟踪和预分类、以降低对存储容量的要求； 3 、在功能上具备配置的灵活性，以适应电力系统的不同应用场合； 4 、要能适合大量安装到现场： 5 、具备强大的通信能力，能方便集成到企业信息管理系统中和互联网上， 便于对电能质量现象进行更深入的分析、统计、长期评估和预测。 6 第1 章绪论 l 。3 2 电能质量监测技术的发展趋势 随着电能质量对国民经济的影响力逐年加大和电能质量研究逐步深入，对 电能质量关注的焦点也不仅仅在于电压、频率和谐波等各种稳态指标，人们想 得到关于电能质量更为准确的实时消息，同时也就要求电能质量监测系统提供 更加直观的分析结果。如今，现代微电子技术、数字信号处理技术和计算机控 制技术的飞速发展使得这种需求的实现成为可能。电能质量监测系统正在朝着 网络化、标准化、智能化和在线监测等方向发展【3 j 。 1 、网络化 随着电力企业的不断改革和电力市场运营方式的逐步转变，实行以经济手 段为基础的商业化运作模式和加强全电网电能质量监测管理迫在眉睫。建立数 据交换能力强、实时更新速度快，浏览方便、能够实现高速率数据流、数据库 实时管理及数据资源共享等功能要求的电能质量监测系统，从而全面综合性的 监测系统，以便实现对电能质量的持续永久、广泛地监测。欧美一些发达国家 在2 0 世纪末已经开始实现电能质量监测网络化运行。目前，国内的浙江、广东、 江苏等省电力公司正在开展网络型电能质量监测系统的设计、研究和试验工作 f 6 】 o 2 、智能化 智能化技术与微机，尤其是单片机控制技术、数字处理技术、微电子技术 同步发展的。智能化涵义就是指电能质量监测系统通过对电网的实时监测，能 够控制改善电能质量的相关系统或设备自适应调整从而满足电网的运行需要， 并尽量保证处于最佳工作状态。智能化的研究因此成为热点，人们希望利用擅 长经验思维的人工神经网络和擅长逻辑思维的专家系统，结合电力用户实现一 定范围的创造性思维，并建立“智能系统”，从而实现电能质量参数评估和预测的 智能化。 智能化的监测系统不光是开关电器元件和智能单元的组合，同时也具备对 电能质量参数进行归类、统计、报表等基本功能，还可以建立合适的神经网络 模型以及一些相应的学习样本集，采用假定和结论的形式将从人类专家处获得 的信息转化成为适合于计算机表达的形式，存储在系统的库中，同时，不断从 人类专家处获得反馈信息，及时对知识转化和表达中出现的错误进行修改。当 知识库有了相关的积累后，通过该系统的总体协调、启发式推理能力，结合神 经网络的数据处理和模式判别能力，并在用户的积极参与下实现对样本的再造， 7 第1 章绪论 对电力系统负荷对电网电能质量的恶劣影响，提出相应的策略，进而实现从电 能质量发生危害才采取应急措施的被动模式到预测电能危害而采取积极措施的 主动模式的转变。 3 、标准化 作为电能质量监测系统的发展趋势，电能质量标准化是一项需要不断探索 的研究工作。一方面，数据的可信度和可比性可以大幅度提高；另一方面，信 息系统的各类数据可以获得优化，缩小数据库的占用空间，数据库与其它系统 的开放性和共享性得以提高。这也是网络化和智能化发展的必然要求。 电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正 常使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理，推广电能质量监测技 术，维护供用电双方合法权益的法律依据。从六、七十年代开始，世界各国几 乎都制定了有关供电频率和电压允许波动的标准，部分国家还制定了改善谐波 电压和电流畸变、电压波动等推荐导则。近十几年来，许多工业发达国家己经 制定和颁布实施了更加完备的电能质量相关标准。随着工业经济的国际化发展， 世界各国制定的电力系统电能质量标准正在努力与国际权威机构推荐标准及相 应的试验条件等一系列规定接轨，逐步实现标准的完整与统一。 迄今为止，我国已经制定并颁布的电能质量国家标准有：供电电压允许 偏差( g b1 2 3 2 5 2 0 0 3 ) 【7 j 电能质量公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) 8 1 ；电能质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 9 1 ；电能质量电 力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) i l 州； 电能质量电压波动和闪变 ( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) i l l 】和电能质量暂时过电压和瞬时过电压( g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 1 2 j 标准等六项国家标准。 从现有的国家标准不难看出，我国的电能质量标准体系还很不完善。有些 动态电压问题，如电压骤降、骤升，暂态浪涌与电压中断并无国家或国际标准， 缺少相应的检测推荐方法和测量精度等的规定，但因为它们对敏感负荷的重要 影响，也被纳入监测范围。部分扰动负荷( 如电弧炉、循环换流器等) 运行中 产生间谐波电流，没有国家或国际标准，但它对电容器，滤波器及敏感负荷的 影响不可忽视。有些指标的科学性和可操作性差等，而且还缺少完整的技术指 导和行业规程和导则。建立全面的电能质量标准体系仍有大量的工作需要开展 1 3 1 。 8 第l 章绪论 1 4 论文的主要研究内容 基于查阅国内外电能质量监测技术的发展趋势和电能质量监测装置的研究 现状等相关资料，并结合电能质量的国家标准，针对企业合作方的具体要求， 确立了基于d s p + m c u 的电能质量监测系统。d s p 部分主要通过与其连接的外 围a d 硬件电路实现对电网电压和电流的采集、运算和处理等功能，保证系统 的数据处理实时性和精度；m c u 部分则完成了与经过d s p 处理后的数字信号间 的交换工作，并承担键盘输入和液晶( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，l c d ) 显示任务， 如人机交互等。通过双口随机存取存储器( d u a l - p o r tr a n d o ma c c e s sm e m o r y ， d i u m ) 实现数据交换和协同工作。同时，在满足实时处理大运算量要求的同 时，极大地降低了系统的设计成本。 本论文围绕构建基于d s p 的监测系统的系统构架进行研究，其目标是研制 出一种成本低、便携性高、智能化、实时性好且可作在线监测的便携式的电能 质量分析仪。系统以t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 数字信号处理器和c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片机为硬 件核心，从软、硬件两个方面保证了系统的实时性、可靠性及强大的数据处理 功能。在课题研究过程中解决了交流信号的同步采样、模拟数据采集的精度问 题、量程自动切换电路的设计、数字信号处理器和单片机的通信、数字信号处 理器和模一数转换器、各模块的整体结构设计等一系列问题。 1 5 论文的组织与安排 鉴于以上电能监测分析系统的重要性及市场的需要，本文经导师指导，选 择基于d s p 的电能质量监测系统的开发与研究这一课题，从测量装置的硬件电 路设计进行研究，重点在该装置各部分功能实现上，主要完成下面的工作： ( 1 ) 阐述了电能质量监测装置研究的背景、现实意义、研究现状及其发展 趋势，分析我国电能质量衡量标准和电力参数技术指标数字化测量及计算方法。 ( 2 ) 完成了电能质量监测装置的硬件设计。本系统设计采用了t i 公司具有 很高的实时运算能力的浮点处理器t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5d s p 作为数据处理核心，采 用两片、共六个通道的1 6 位a d s 8 3 6 4 作为模拟数字信号转换单元，提高了系 统采样精度，整个系统包括电源模块、模拟信号采集模块、前端信号放大电路 模块、数字信号处理模块、外部存储器扩展模块和外围器件接口电路模块。 ( 3 ) 综合工程应用方面的相关设计准则和基于硬件电路原理图的研究，绘 9 第l 章绪论 制了硬件电路部分的印刷电路板( p r i n tc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 。实践证明，电路 的硬件部分设计达到了预定要求。 ( 4 ) 利用电能质量指标的数字化测量和计算方法，通过c 语言和汇编语言 混合编程，完成了底层软件的设计。由于软件模块很多，限于篇幅，文中只列 举了部分软件的设计。 本论文的内容包括8 章： 第一章是绪论部分。阐述了论文的选题背景和研究意义、电能质量问题和 电能质量监测技术的研究现状及其在国内外的发展动态等。 第二章是监测仪的硬件总体设计部分。通过对比目前电能质量监测装置所 选用的方案，综合优缺点并结合用户的要求，确定了本系统所采用的方案。 第三章是电源模块设计。设计了本装置所采用的开关电源模块；然后通过 专用电源转化芯片t p s 7 6 7 d 3 1 8 ，提供给d s p 所需要的工作电压，利用芯片7 8 0 5 将开关电源的+ 1 2 v 电压转化为模拟、数字部分的+ 5 v 工作电压等。 第四章是整个硬件电路的模拟信号采集部分。为了保证模拟电压、电流的 采集精度和实时性，选用了最大采样速率为2 5 0 k 的a d 转换器，可以捕捉到影 响电能质量的瞬变信号。 第五章是硬件电路的数字处理部分。从a d 转化后的数字信号经过d s p 进 行分析和处理，转化后的数字量通过双口静态存取存储器在a d 部分和d s p 部 分进行信息交换并在液晶部分进行显示。 第六章该系统的软件模块很多，限于篇幅，仅列举了部分分析软件的设计。 第七章对实验结果进行了分析与论证。 第八章是总结。对论文工作及取得的成果进行了总结，并提出了完善改进 的措施；对该类系统的研究前景做了展望。 l o 第2 章监测仪硬件电路总体设计 第2 章监测仪硬件电路总体设计 2 1 总体设计与分析 在电能质量监测领域中，实现整个系统各项功能的关键技术是电网实时信 号的采集，并保证数据的采样精度和采样速率；同时，在实现数据实时采集的 基础上，如何实现监测设备的成本最低化问题，一直以来都是该领域研究人员 努力的方向【1 4 j 。 电能质量监测系统需要处理的任务种类繁多，既要对电能质量参数进行实 时采集和分析处理，称之为周期性任务；又要进行人机交互或者通信等工作， 称之为突发性任务：同时，还要保证系统的实时性。这就要求设计的系统不仅 要有高速的数据处理能力，还要具备实时任务调度能力，为了达到更好的监测 目的，对于系统的测量精度和性能也提出了很高的要求，最后，设计成本也要 考虑。 2 2 设计方案的比较与选择 电能质量监测系统需要完成的任务种类繁多，在保证各大功能模块正常工 作的前提下，如何实现系统性能指标最优、功能最全、精度最高、成本最低是 设计人员优先研究的问题。因此，良好的设计方案的提出是解决这个问题的一 把金钥匙。 2 2 1 备选方案 综合国内、外电能质量监测系统的研究现状并总结它们的设计方案，大体 可以归纳为以下几类【”】： a 、基于单片机的设计实现方式 单片机上集成了丰富的外设，具备一定的控制能力。片外存储器多为随机 存取存储器( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ，r a m ) 或f l a s h 存储器。输入输出设备 一般为键盘、液晶入机交互接口，可通过c 或汇编语言编程实现软件功能。但 是，该方式也有很明显的缺点，那就是数据处理能力不够强大。因此，该方案 多用于对数据处理要求不高、运算量不大的监测系统中。 第2 章监测仪硬件电路总体设计 b 、基于采集卡和工控机的设计实现方式 该方式在电能质量监测装置中应用较早【1 5 】。该方式最大的优点是：采集功 能强、人机交互能力强。缺点也很明显：设备成本偏高、体积偏大、灵活性差。 不适宜大量定点安装在各监测现场。设计时最大的局限性就在于：没有实现智 能化与网络化，无法保证系统的实时性。 c 、基于数字信号处理器的实现方式 数字信号处理器在数字处理方面能力较强，并且技术已经较成熟，用于处 理各种运算的通用型或专用型芯片也十分丰富。以数字信号处理器为核心开发 的监测装置，可以完成高速率数据处理，同时也能保证实时性方面的要求。该 方案一般适宜于数据处理运算量较大、实时性要求较高，而对控制能力要求较 低的监测系统。 d 、基于数字信号处理器和个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ，p c ) 的双处理 器实现方式 d s p 用来处理实时任务，p c 机用于和用户交互，该方法在一定程度上解决 了电能质量监测的实时性问题，但是依然没有达到智能化和网络化的程度，而 且采用p c 机也增加了设计成本，不适宜作为永久性的在线监测设备大量安装于 现场。 e 、基于数字信号处理器和单片机的双处理器实现方式 该设计方式综合了数字信号处理器和单片机各自的优点：数字信号处理器 的内部结构保证了较强的数据分析和运算能力，单片机的特点决定了它具有较 强的控制能力。两者的结合可实现一些较复杂的功能。由于系统采用了两个处 理器，其间的信息交互是设计的关键问题。通过采用双口存取存储器( d u a l p o r t r a n d o ma c c e s sm e m o 巧，d r a m ) 可以实现单片机和d s p 间的通信协调。 f 、基于数字信号处理器和嵌入式微处理器：( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ，a r m ) 的双处理器实现方式 嵌入式微处理器具有成本低、重量轻、体积小、可靠性高等优点。同时。 该领域技术较成熟、产品可选择空间大，容易获得满足各种性能需求的处理器。 并且，由于a r m 多采用嵌入式操作系统平台，该方式较易实现电能质量监测装 置的网络化，属于目前最先进的实现方式【1 6 1 。 1 2 第2 章监测仪硬件电路总体设计 2 2 2 本系统设计方案 综合以上国内、外电能质量监测技术的发展趋势和电能质量监测装置的研 究现状等相关资料，并结合企业合作方的具体要求，确立了基于数字信号处理 器和单片机的电能质量监测系统。 采取这种设计方案，至少有以下几个优点： 1 、可以满足处理大运算量实时任务的要求； 2 、可以实现装置的智能化和网络化要求； 3 、本方案的系统设计成本较低； 4 、便于携带。 基于上述设计要求和此方案的优点，本系统以数字信号处理器 t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 和单片机c 8 0 5 1 f 3 4 0 为核心芯片，构建数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 应用系统。 数字信号处理器负责系统实时性大运算量数据的处理任务。在此基础上外 围扩展模拟信号采集电路、模数信号转换器前置信号放大电路、模数信号采集 电路、双口存取存储器电路、时钟电路、按键电路和液晶显示电路，实现对三 相电压、三相电流等参数的测量、处理、储存、显示等功能。 单片机主要用来控制键盘和液晶显示。利用单片机强大的控制能力，实现 人机交换，并将经过数字信号处理器处理后的数据实时地在液晶屏幕上进行显 示。 电能质量监测仪中，模拟信号采集系统硬件设计的总体要求是经济合理、 安全可靠，并具有足够的抗干扰能力【l7 1 。待测线路上的电压、电流信号先分别 经过信号放大电路，以使其变为适合采样的信号，再进入模数信号采样模块。 采样模块要对高速交变模拟信号进行采集，因此，本设计选用高速率、高精度 模数信号转换芯片a d s 8 3 6 4 i s 】，并以浮点运算芯片1 m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 d s p 为控制 核心，实现数字信号处理器和模数信号转换器( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ， a d c ) 的数据交换。待测模拟信号经过一系列滤波、放大和信号转换后再进入 数字信号处理单元。本系统的原理方框图如图2 1 所示。 1 3 第2 章监测仪硬件电路总体设计 图2 1 系统原理方框图 数字信号处理器，它作为该系统控制与数据处理的核心，具有执行、控制 和运算功能，且具备运算速度快，实时性强的特点。为满足系统数据采集、运 算、数据处理等需要，可通过增加地址线的方法扩展程序存储器。 双口静态随机存取存储器( d u a l p o r ts t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ， d s r a m ) 部分，它为单片机( m c u ) 和数字信号处理器( d s p ) 共享的数据存储 器，当数字信号处理器和单片机共用d r a m 时，该存储器可以实现3 3 v 和5 v 电压间的电平转换。 m c u 部分，负责数据的键盘输入和液晶显示，并执行和d s p 间的数据交换 任务。 模数信号采样模块( a d ) ，该模块的功能主要是实现模数信号转换，使之成 为符合a d 工作的信号，并将转化好的数字信号传送给d s p 进行运算、分析和处理。 滤波电路为运放式有源滤波器，可以使输入的模拟信号中带宽低于疋的分量 通过，滤去高于f 的分量，保证a d 转换正常进行，防止出现频谱混叠。 该硬件系统构架的设计特点有以下几个方面： 1 、采用高速数字信号处理器d s p ，可实时处理和分析a d 采集的信号，并 且可以捕捉数据中的瞬变信号【1 9 】； 2 、利用两片模数转换器芯片可同时采集四路电压、四路电流信号，采样速 率快、采样精度高； 3 、可在线监测、也可离线计算分析，可短时间测量，也可长时间测量； 4 、具有多参数、多通道、大容量的信息记录及处理技术，综合分析功能强； 5 、可提供良好的人际交互界面环境。 1 4 第2 章监测仪硬件电路总体设计 硬件电路各主要功能模块的功能与作用如下： 、电源模块 模拟信号采集电路中，该监测系统的待测信号一般是高电压、大电流交流 信号，首先，经过取样电阻采集适合放大器工作的电压信号，同时利用电流钳 表进行电流取样，转化为电压信号，经过滤波电路和放大电路，通过a d 采样， 送d s p 和m c u 处理。而模拟电路部分的芯片工作电压包括士1 2 v 、+ 5 v ；数字 电路部分，d s p 的工作电压有外围的3 3 v 电压和内部的1 9 v 工作电压；a d 的工作电压有5 v 和3 3 v 。对于模拟电路，关键在于设计a d 前置信号差分放 大器的+ 2 5 v 参考电压【2 们，该参考电压的设置有助于提高模拟采集信号的精度。 开关电源部分请参阅3 1 节。 二、模数信号转换器a d c 模块 该模块主要应用1 1 公司的1 6 位高速、低功耗、6 通道同步采样的模数转换 器a d s 8 3 6 4 ，芯片内部带有2 5 v 基准参考电压。a d s 8 3 6 4 的最高转换速率达到 2 5 0 k s p s ，最高输入时钟为5 m h z ，转换模式为逐次逼近式( s u c c e s s i v e a p p r o x i m a t i o ns t y l e ，s a r ) ，模数转化总耗时为4 p s 。a 、b 、c 三组共6 个输入 通道都含有带宽为3 0 0 m h z 的采样保持器，且6 个通道可以同时采样保持后通 过1 6 位总线输出【2 0 i 。芯片a d s 8 3 6 4 的管脚图如图2 ，2 所示。 d 1 3 4 弋 6 8 9 l o 1l 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 图2 2 a d 管脚图 1 5 第2 章监测仪硬件电路总体设计 三、双口随机存取存储器d s r a m 模块 实时性的电能质量监测系统对数据存储的首要要求就是具备足够大小的存 储容量l z 。在电能质量监测系统中，对于每个故障事件，系统记录从故障发生 开始的连续1 0 个周波的原始数据，每个周波采集1 2 8 个点，每个点转换为1 4b i