电能质量分析仪.ppt

电机电能质量分析仪 基于DSP CPLD 一 应用场合 用于供电部门对生产的电能进行监视和检测 以保证提供电力用户合格的电能 如变电所出线端监控供电质量帮助电力用户清晰的了解其设备工作所处的电网 如在电机三相电源处监控工作电压 电流 二 性能指标分析 GB T19862 2005 电能质量监测设备通用要求 对电能质量监测设备规定如下 监测功能 电压偏差 频偏 三相不平衡度 谐波 闪变等显示功能通讯功能 至少一种标准通讯接口其他功能 权限管理 记录存储等 1 基本电量测量指标 其他电量测量 有功 无功 视在功率 功率因数2 电能质量分析 谐波含量分析 最高13次谐波 三相不平衡度分析 电压 电流瞬态记录功能3 用户交互功能 液晶显示的多级菜单配合按键 方便用户操作4 通讯功能 RS485通信 三 系统整体结构 DSP 电流传感器 键盘 RS485通信到上位机 调理单元 LCD显示 电压互感器 CPLD A D 存储器 过零比较 设计思路 基本电量测量 直接测量3相电压 3相电流 计算公式 再由3相电压 电流计算功率 频率测量 测周法 电能质量分析 1 谐波含量分析 FFT其他分析方法 模拟带通带阻方法 小波变换要解决的问题 频谱混叠 频谱泄漏措施 防止频谱混叠 AD转换前加防混叠滤波器防止频谱泄漏 同步采样 软件修正2 三相不平衡度分析对称分量法 四 硬件设计 微处理及控制器电路设计信号调理电路设计同步采样电路设计人机交互电路设计其他部分电路设计 4 1微处理及控制器电路设计 1 对控制系统的要求强大的数字信号实时处理能力较丰富的I O口资源中断能力强 中断响应快速一定容量的ROM和RAM 2 控制方案选择方案一 采用ARM处理器控制方式 利用其较高的工作频率来换取数据处理的高速 并利用其强大的事务管理能力对系统各个功能进行实时控制 方案二 采用DSP CPLD控制方式 DSP的软硬件资源非常适合实时信号处理 再配合CPLD的逻辑控制实现仪器的智能化 方案比较 ARM处理器在控制方面的性能优于DSP 利用其丰富的片上资源 很适合运行嵌入式实时操作系统 使得仪器的多任务处理能力增强 操作界面更人性化 但ARM芯片及其外围存储芯片价格较贵 在不跑操作系统的情况下应用ARM芯片显得大材小用 DSP在数字信号处理方面的性能优于ARM 配合CPLD能够很好的完成多路电压 电流信号的运算 处理 并实现实时控制 且价格相对较低 有利于提高仪器的性价比 综合考虑 选择方案二 3 器件选型DSP TMS320LF2812主要参数 32位高性能DSP 哈佛结构 最高工作频率150MHZ 128K字 16位的Flash 128K字 16位的ROM 用于L0和L1两块4K字16的单存取RAM H0一块8K字16的SARAM和M0 M1两块1K字16的SARAM 指令系统采用流水线技术CPLD EPM7032AE主要参数 逻辑门数600门 I O口36 最大计数频率227 3MHZ 4 2信号调理电路设计 1 模拟量采集电路设计功能要求 采集3相电压 3相电流信号电压传感器选择 电流型电压传感器TV16E原理 采用了取样电阻的电流互感器主要参数 最高工作频率 20KHz输入电流 2 5mA输出电流 2 5mA 变比1 1 副方取样电阻参考值 400欧姆抗电强度 3500VAC 1min一次最高检测电压 2000VAC最大不失真输出电压 1V相移 30 电流传感器选择 TBC A02系列霍尔电流传感器原理 霍尔现象主要参数 电源 15V供电额定输入电流 20A额定输出电压 4V误差 1 失调电压 20mV线性度 0 1FS输出电压范围 0 4V 4 3同步采样电路设计 1 功能要求 对3路模拟电压 3路模拟电流信号进行同步采样 并将AD转换结果送DSP处理2 控制策略 由DSP捕获单元CAP捕获信号的上升沿过零点 从而测得输入信号的频率 并由CPLD构成数字锁相环输出采样信号 使采样脉冲频率与被测信号周期的变化同步3 电路构成 过零检测电路ADC接口电路 AD选型 要求 高精度 高分辨率 10bit以上 采样率 10kHZADS8364主要参数 16位 并行输出6路差分输入 Vref Vref 6通道采样保持器 6通道ADC最高采样速率250kHZ内置2 5V电压基准源 4 4人机交互电路设计 LCD 320240A 3点阵式液晶模块按键 行列式键盘与CPLD接口 4 5其他部分电路设计 通信 RS485存储器扩展 SST39VF400多用途Flash存储芯片供电系统 开关电源模块提供 5V和 15V电压AMS1117 3 3实现5V到3 3V转换 五 软件设计 分为 DSP程序部分 CPLD程序 上位机通信及Labview界面程序设计设计思想 模块化设计 逐层分析 设计 DSP控制流程图 六 改善仪器整机性能的措施 6 1提高测量精度1 从原理上改进 同步采样 避免栅栏效应 对信号滤波 过零点的扰动 2 合理设计硬件 选用低噪声 高精度传感器 电流型 霍尔器件 低噪声 高共模抑制比运放 AD620 各芯片加电源滤波电路 选用高精度ADC3 软件补偿 对采样信号进行数字滤波 对仪器进行校准 做线性拟合 软件进行频谱修正6 2提高测量实时性1 选用高速器件 DSP 高速ADC 2 采用合理的算法 FFT 和通信手段 RS485 6 3提高可靠性1 简化电路结构 选用一块多通道ADC代替多个采样保持器及AD器件 2 提高硬件抗干扰能力 合理走线 接地 数模地分开 信号 电源 控制线分开走 3 软件抗干扰 WatchDog 七 仪器性能评估 7 1特点1 采用DSP CPLD控制结构 比单CPU系统处理速度更快 实时性更高2 采用数字锁相环技术实现同步采样 节约了硬件开销 电路结构更为简单 测量准确度和系统可靠性更高3 具有上电自检功能和软件WatchDog 具有更高的稳定性7 2成本及研制