（电力电子与电力传动专业论文）风力发电变流器实验平台监控系统设计.pdf

a b s 职a c t a b s t r a c t ：t h ep r o j e c t “1 m ww i n d - p o w e rg e n e r a t i o nc o n v e r t e re x p e r i m e n t p l a t f o r m ”i ss u p p o r t e db y2 1 1p l a no fo u ru n i v e r s i t y i tc a l li m p l e m e n t1m wr a t e d e x p e r i m e n t o ft w of e e d i n gi n v e r t e ra n d6 0 0 k wr a t e dr e c t i f i e r - i n v e r t e rc o m b i n e d e x p e r i m e n t a sa l li m p o r t a n tp a r to ft h ew h o l ep r o j e c t ，t h i sw o r ka i m st od e s i g na n d i m p l e m e n tt h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，r e a l i z i n gt h es u p e r v i s i n ga n dp r o t e c to f t h ep l a n t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ep l a n tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，t h e d e t a i l e dt e c h n i c a ls c h e m ei sd e s i g n e d , i nw h i c ht h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi s d i v i d e di n t od a t ac o l l e c t i n g & a n a l y z es u b s y s t e ma n dp l cc o n t r o ls u b s y s t e m f i r s t t h e h a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e da n de q u i p m e n t sa r ec h o s e n t h e n , b a s e do nm u l t i t h r e a d i n g t e c h n i q u eo fv c + + 6 0 t h ed a t ac o l l e c t i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e d i tc a nr e a l i z ed a t a c o l l e c t i n g , r e c o r d i n g ，a n da n a l y z eo ft w e n t y t h r e ek e ys i g n a l s ，a sw e l l 勰t h ef u n c t i o no f p o w e rm e a s u r e m e n t ，t h dc a l c u l a t i n g , a n dw a v e f o r m sd i s p l a y m e m o r i z e r e c a l l s e c o n d ， t h ep l cc o n t r o ls u b s y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do np l cs 7 2 0 0 i t su s e dt of i n i s ht h e c o n t r o lo ft h ep l a n ta n dd i s p l a yo fp l a n ts t a t e s i nt h i sp a r t ，t h em a i nt a s ki n c l u d e st h e c o n f i g n m f i o no ft h ep l c ，a r r a n g i n gt h ew i r e , a n dd e v e l o p i n gt h es o f t w a r eo f p l c t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mh a st h ef e a t u r eo fa b u n d a n ts u p e r v i s i n g i n f o r m a t i o n ，f r i e n d l yi n t e r f a c ea n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n i tw o r k sw e l li nt h ep r a c t i c a l e x p e r i m e n t s ，c a i ic o m p l e t e l ym e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e b o t hh a v eh i g hr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：w i n d p o w e rg e n e r a t i o n ；c o n v e r t e r ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；v c + + 6 o ： d a t ac o l l e c t i n g ；p l c c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 靴做储擞：甜 签字日期：h 1 年1 1 月工| 日 导师签名：铷虬 签字日期：知d 7 年，2 ，月j7 日 錾塞塞运盍整嚣圭璧篷盈黧蕉型撬壅疆 独截性声翡 本人声明所呈交的学位论文怒本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成暴，除了文孛黪爰热默蠡注箨致落之憝癸，论文孛不魅禽其毪久已经发表或 撰写道的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学饶或证书 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贩献均已在论文中作 7 唆壤熬说骧莠表零7 落意。 学位论文箨者簸褒：辱肆 签字隰 如孵 2 旁爻| 匪 致谢 本论文的工作是在我的导师金新民教授的悉心指导下完成的，金老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来金老 师对我的关心和指导。 童亦斌老师、梁晖老师和刘京斗老师对于我的科研工作和论文都提出了许多 的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，陈瑶、彭志刚、解枫、谢路耀、王天亮等同 学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 课题研究背景和意义 1 绪论 1 1 1 风力发电变流器技术发展现状啪嘲伽 随着工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上可利用的常规 能源日趋匮乏。为实现能源的持续发展，世界各国都开始开发新能源和再生能源。 风能是一种无污染的可再生能源，得到了世界上许多国家的重视。风力发电作为 风能的主要应用形式，近年来，在世界范围内取得了长足发展。据国际能源所预 测，2 0 2 0 年全球风电总装机1 2 3 1 亿k w ，其发电量占世界总发电量的1 2 。我国 风电场总装机容量2 0 0 4 年达5 6 7 万k w ，预计到2 0 2 0 年，总装机容量达3 0 0 0 万 k w ，6 占全国发电量的2 4 。 风力发电系统一般分为两大类，采用恒速恒频发电机的风电系统和采用变速 恒频发电机的风电系统。风力发电机组与电网并联运行时，要求风力发电机组发 出电能的频率保持恒定，与电网频率相等。 恒速恒频发电机组目前在国内应用比较广泛，采用普通的异步发电机，原理 图如图1 1 所示。 叶片 电网 图1 1 恒频恒速风电机组原理图 e g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fc s c tw m d - p o w e rg e n e m t o r 这种系统具有定速、定桨，控制简单，结构简单，成熟可靠，生产、维护总 成本低的优点。但由于普通异步发电机无法控制，并网时对电网来说相当于随机 的扰动源( 由于风速的随机变化) 且无法控制，所以无论对电网的电能质量还是 对电网运行的稳定性都有一定的消极影响。同时，由于速度恒定不可调，风能利 用效率较低，而且齿轮箱降低传动效率，可靠性下降。在工程中通常采用静止无 功补偿器来进行无功调节，采用软起动来减小起动时的发电机的电流。 北京交通大学硕士学馒论文 隧羞魄力电子技本特澍是毫撬交频调遣技术豹不断完善，雯多豹菇力发毫系 统采用了双馈发电机和闯步发电机或点接驱动的永磁同步发电机的变速恒频发电 系统。电力电子变流器连按在发电税和奄阏之闻，可以遴行有功和无功的单独控 制，保证风速变化的情况下，搬可以向电瞬输送高质量电能。 当前应用较多的变速恒频风力发电系统是采用双馈异步发电机的发电机组， 在国夕 的反用已经攫磐及，国痰目蓑凝建黪鼹场 璧丈郝采惩这穗撬型，原理蹋魏 图1 2 所示。 掘。羚 背靠背凳沉装置 鞫1 2 载镄异步电视城电视缝瓣理鹫 f 豫2s c h e m a t i cd i a g r a mo fw i n d - p o w e rg e n e r a t o ra d o p t i n gd o u b l y f e da s y n c h r o n o u sm o t o r 这种发电机组定子侧接电网，在转子侧施加交流励磁来控制发电机的转矩。 转速交亿孵控毒l 转子电流熬频攀，哥使定子频率豫定。转予裒彀鼹之阕毒双翔戆 能量流动，需要两个背靠背的四象限变流器，转予侧逆变器控制电机，定子侧逆 交嚣控稍帮电阏静能量交换。这种系统具有转速调节范甏宽，风能幂j 掰率高，交 流器功率小，以及并网电能质擞和功率因数商的优点。但由于增加了高增速比齿 轮箱，效率和可靠性降低，且价格昂贵，维护工作薰大。双馈电机转予的电利和 滑黪也降低了系统的可爨性。 采用直驱的永磁多极同步发电机的风电机组技术也己比较成熟，在国外醴经 舞始应震，其原蘧瑟翔黧1 3 掰示。 叶片 鞫1 3 永避嗣步发电撬箴电摄缀原理型 f i g 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f w i n d - p o w e rg e n e r a t o ra d o p t i n gp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r 2 绪论 采用永磁多级同步发电机的风电机组发出频率变化的交流电，首先通过整流 器整流为直流电再通过逆变器变换为频率恒定的交流电送入电网。这种系统的调 速范围宽，风能利用率高，传动效率高，成本低，实现全功率交流，并网电流质 量完全可控。但是需要的变频器容量和风力发电系统的容量相同，设备成本高， 并且永磁同步电机价格昂贵，体积重量大，运输、吊装难。 风电系统是一类复杂的大系统，需要监测的物理量非常多，包括风速、电网 电压( 相位、幅值、频率) 、风机转速、系统温度等等，对上述物理量的有效监测 有助于系统的稳定性运行。并网控制对风电系统的并网运行至关重要，其难点在 于如何减小并网冲击，以及如何与最大风能捕获和电能质量控制相结合。 目前，国内有很多厂家有能力生产四象限运行的变流装置，然而他们的容量 都很有限。随着并网型风机的大型化发展，大容量变流器的实现非常关键；随着 容量的增大，变流器的可靠性、电磁兼容性等问题不可忽视。加快m w 级风力发 电并网变流器的发展也成为决定我国风电发展的关键因素。为此，我们实验室承 担了校2 1 1 工程项目，进行1 m w 风力发电变流器实验平台的研制。 1 1 2 风力发电变流器实验平台简介 风力发电交流器实验平台的原理如图1 4 所示，主要用于直驱式永磁同步发电 机组的发电系统。 1 m v a 1 0 k v 3 8 0 v !风力发电并网变流器： 图1 4 风力发电变流器实验平台原理图 f i g 1 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ew i n d - p o w e rg e n e r a t i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r m 风力发电变流器实验平台的整体结构如图1 5 所示。主要由配电系统、变流器、 电感架、监控系统和测量仪器等几部分组成，其中变流器由不控整流器，三重升 压斩波器和两台并联逆交器组成。 北京交避天学硬士擎短论文 翟1 0 实验平台蘩体编铸凿 f i g 1 5c o n f i g u r a t i o nd i a g r a mo ft h ee x p e r i m e n tp i a t f o r m 整个实验平台实现静功能有： 1 、糍实囊犟台逆变器戆整流域港变实验； 2 、能实现两台逆糍器的并联逆变实验； 3 、熊实现6 0 0 k w 的p w m 熬流器和逆变器的缀合进行全功率实验 毒、麓辩不茬整流黧1 m w 风力发邀交流器避蠢全囊率实验； 5 、髓通过搡控台对整个系统进行操侔控翻，细系统供魄，褒流器起、傍、复 饿控制，变流瓣负载给定，电容器预充电蒋； 6 、其有数摆采集系统，霹关键点邀莲、电溅信号进行采集、记录、分耩，兵 脊波形显暴、功率嚣雾翥 簿波分薪瓣秘熊； 7 、熟有故障保护功能。 变流器控制原理如图1 6 所示，分为三重舞腿辚波器控铝i 耧逆变器控制辫部分。 英孛，三曩务压襞波器鬟震毫流跟踪羟裁，投 薅霞犬珐率鞭踩舞塞毫滚绘定壤， 采用p l 闭环控制，绦出占空眈，采用p w m 方敞产生控制脉冲。逆变器采糟电压 定向控制，稳定中间盥流电压，保持功率因数为l ，采用双闭环控制，外环为电压 强，内耀蕊毫滚环，基予丽步旋转燮标系下靛p l 控裁，采霸s v p w m 方式产整控 镧辣、舞。 毒 图1 6 变流器控制原理 f i g 1 6 t h ec o n t r o l p r i n c i p l e o f c o n v e r t e r 1 1 3 课题研究的意义 本课题主要进行风力发电变流器实验平台监控系统部分的设计和开发，实现 对整个实验平台的监控和保护，为实验过程中和实验后的测试、分析和实验方案、 策略的制定提供依据，辅助完成变流器实验。同时，系统中大量电力电子装置给 输出电能带来了大量谐波，电能质量的监测评估也非常重要。此外，整个实验平 台的功率很大，且变流器等设备比较复杂昂贵，合理有效的实时监测还可以预防 故障的发生，降低风力发电变流器实验平台的运行成本。安全、可靠的监控系统 是整个风电平台进行实验工作的前提和保障。 整个监控系统所能实现的功能主要有； 、 1 、控制整个平台的动作，包括：断路器的开闭控制，变流器的起、停、复位 控制以及变流器负载给定等； 2 、监视各个断路器、接触器以及变流器的工作状态； 3 、实时采集和记录关键点的电压、电流信号，并具有波形显示、储存和回放 的功能。不仅能在实验过程中实时显示关键点的信号波形，还能在故障发 生后，进行数据记录查询，为故障分析提供依据。 4 、计算、测量和显示基本电量，包括：直流量的平均值，交流量的有效值， 有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等； 5 、实现关键点电压、电流信号的谐波分析，对电能质量进行实时监测； 6 、具有故障保护功能。 北京交邋大学硕士学位论文 1 2 课题研究的主要内容和实旌方案 本课蹶主要进行风力发电变流器实验平台监擦系统的设计和开发，主要内容包 括：方案制定，设备选型，各部分的硬件、软件设计和系统调试等。 关键蠡电压、电滋痿号戆 鬟| | 试鬻麴鋈l 。7 爨零。其孛，簿鼍“a ”表示瞧滚售 号，符母“v ”表示呶睡信号。 圈1 7 信号测试圈 f i g 1 7s i g n a lt e s t i n gd i a g r a m 零漾趣中，褥篮狻系统分蔻数攒采集系统移p l c 控翻系统两部分，冀整体结 构如图1 8 所示。其中，数据采集系统由传感器，信号调理板、数据采集卡、4 8 5 串口通讯卡和工控机等几部分组成，实现对2 3 路关键点电压、电流信号的采集、 记录、分辑瑟显示，实瑷对波形懿纛示、存储秘强敖，莠吴蠢臻率测量弱瀑波分 析的功能。p l c 控制系统由控制面板和p l c 两部分组成，实现对整个平台的操作 控制，同时具有系统状态检测和显豕的功能。 在数据采集系统巾，赢压、大激流信号经过传感器变为低愿、小电流傣号， 再透遥谂号调理叛豹簸理鑫，交为逶合予数据采裘卡采集静信号，稠蘑数攒采集 卡采样率高，功能强犬的特点，将信号实时地传给工控机，进行存储、分析、显 示等。 在p l c 控澍系绕孛，豫惫终薅罨筹，瑟鸯豹凝路器、接皴器释交浚嚣豹注裁 信号和状态信号都由p l c 进行处理，充分利用了p l c 可靠性裔，抗干扰能力强的 6 特点。p l c 替代了中间继电器，起到了简化系统结构和提高系统安全性能的作用。 爿工控机 t 绀i f t 串信号| | 控制面板 j 数据采集卡 谢f 睹 急停信号 信号调理板冀甍f 斜嚣 、 。 蕞报信号。 ( 传感器 f 配电柜和变流器控制箱1 图1 8 监控系统整体结构图 f i g 1 8c o n f i g u r a t i o nd i a g r a mo ft h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m 1 3 本文的主要内容 本文的主体内容分为七章，其中： 第一章为概述，介绍了课题研究的背景，意义；所要达到的要求，以及方案 和整体结构图； 第二章为数据采集系统硬件设计，主要介绍了数据采集系统各器件的选型、 特点以及信号调理板各部分的电路设计； 第三章为数据采集系统软件设计，主要介绍了各部分的软件设计，包括数据 实时采集、数据预处理、数据存储、数据计算、功率测量、谐波分析和数据显示 等软件，并给出了程序流程图和运行效果图； 第四章为p l c 控制系统设计，主要介绍p l c 控制系统的硬件和软件设计，包 括p l c 选型、配置连线，控制信号地址分配、p l c 软件运行机制和p l c 控制系统 软件设计等； 第五章为系统安全性和可靠性设计，分别从硬件和软件两方面进行了介绍； 第六章为系统调试，主要介绍在系统调试过程中的调试步骤、内容、遇到的 困难及其解决方法； 第七章为结论，主要是对整个监控系统的性能特点的总结，分析了还存在的 一些问题，提出了解决方案和以后进一步的工作展望。 7 毵京交遴大学预士学位论文 2 数据采集系统硬件设计 本章_ 燕要介绍数据采集系统的硬件设计，包括传感器、数据采集卡、z 控机 等设备懿选垄、特点会缓和接日亳黪， ；及痿号调理扳各模块戆硬锌电路设谤等。 数据采鬃系统的软 牟设计将在第三章中详细介绍。 2 1 现代数据采集系统啪嘲 将模拟信号转换为数字信号，并进行存储和计算机处理盛示的过程称为数据 采集，而相应的系统则称为数据采集系统。数据聚集技术是信息科学的一个蓬要 分支，它鹾究售怠数攥戆采集、存镶、筵理及控裁等王侮。警期戆数搀采袋系统 完全是由分立元件拼凑起来的，结构庞大、可靠憾差、无数据处理能力、精度低。 随着科学技术的发展，数据采集系统在硬件和软件上都有了惊人的进步，它与传 感器技术、信号处理技术、计算极技术一起 每成了现代捡测技术的基础。絮由包 括诗算橇在内豹一些模块组成，集袋度高，模浚不需要缀多，函此结稳紧凑，可 靠性高。而且采用硬件和软件相结含的技术，使系统具有相当的通用性，性能指 标也达到了令人满意的程度。现代的数据采集系统由于对数据具有计算、分析和 爨瑟豹栽力，毒鞋迸移多鼹测量，褥璺测量邃发祆、耱度毫，瓣蘧又蔽稼凳鑫动 数据采集分析系统、智能测量系统。阐2 1 所示为一个典型的数据采集与控制系统。 蠡删非 4 p切 按 羹 + 囤瑁 数据采集专 图2 1 数据采集系统结构图 f i g 2 1c o n f i g u r a t i o nd i a g r a m o f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 盘謦弼觅，数据采集与控制系统簸是把羚蘸凌入辕蠢器传，翔拄曝撬、显零器、 键盘、模拟或数字输入输出通道、锗能仪器仪表簿同计算辊连接起来。而送擅器 s 数据采集系统硬件设计 件的连接都要通过适当的接口和总线，所以接口和总线是数据采集和控制系统的 重要组成部分。 被测信号经过传感器后要送入计算机，必须经过a d 转换，所以数据采集系 统中的关键部件是a d 转换器。它的作用是把模拟信号转换为数字信号，即对模 拟信号采样，得到一系列在数值上离散的采样值。a d 转换器把模拟量转换成数 字量需要一定的转换时间，在这个转换时间内，被转换的模拟量必须维持基本不 变，否则不能保证转换精度，所以需要加采样保持电路，通过此电路把采样得到 的模拟量保持到转换为数字量。 多路切换开关是一种实现模拟信号通道接通和断开的器件，它的作用是把多 个输入通道的模拟信号按预定时序分时地有顺序地与保持电路接通。模拟开关有 “导通”和“断开”两种状态，可以由一个功耗极小的数字控制电路改变其工作 状态。模拟多路开关可以把多个信号通道换接到同一转换装置，每个时刻都只有 一个通道被接通。在数据采集系统中，采用模拟多路开关先将模数转换器对多个 待转换的模拟信号通道进行时间分隔，顺序地或随机地每次接通一个通道，把该 通道的信号经过采样保持电路后送入a d 转换器。模拟多路开关包括一列并行的 模拟开关和地址译码驱动器，它把输入的地址码翻译成输入通道的代码，并把与 输入地址相应的模拟开关接通，同时保证每次只有一个模拟开关是导通的。 测控接口单元可以采用p c i 总线技术，其中数据的存储采用f i f o 存储电路。 如果用系统c p u 直接控制进行数据采集，过多的i ，o 读写会降低计算机处理数据 的能力，所以高速数据采集系统在采集数据时对于系统c p u 必须独立。a d 转换 器输出的数据流以d m a 方式直接写入o 存储器。当f o 存储器内数据达到 总容量的5 0 后，其半满标志翻转，该信号引起p c i 控制器中断，p c i 控制器一 次从f i f o 中读出己完成a d 转换的数据，然后经计算机的p c i 总线送入计算机 内存。在读f i f o 的过程中并不影响f i f o 继续接收a d 转换的数据。这样可以避 免频繁的总线切换操作。只要保证在f i f o 余下的5 0 容量未装满之前把f i f o 中 的前5 0 数据及时取走，即可保证不丢失数据。 2 2 传感器选型 霍尔传感器由于体积小、灵敏度高、输出幅度大、温度漂移小等诸多优点，且 对电源稳定性要求不高，故在各种电量、非电量检测及工业过程自动控制等许多 领域得到了越来越广泛的应用。其中电量型的霍尔传感器分为电流型和电压型的 两类。 本系统选用株电宁波分所的电流型霍尔传感器，适用于交流、直流、脉动的电 9 北京交谶大学磺士攀燕论文 压、电流信号的隔离耪确测量。圈l ，7 中，测鼙咆压信号h k 、l i u 阶3 8 0 u a b 、 3 8 0 u k 逡建豹传惑嚣麓号秀：俅则踞i v ，葵额定溅量毫簇为4 0 0 v ，过载憩力 为6 0 0 v ；测量电聪信号6 9 0 u a 、6 9 0 u b 、6 9 0 u c 、u d c l 选用的传感器信号为： t v l 0 0 - a w 8 0 0 v ，其额定测量电愿为8 0 0 v ，过载能力为1 2 0 0 v ；测量电压信号 u 配选瘸瓣传惑器赣毒秀：t v l 0 0 - a w 1 5 0 0 v ，蔟额定测量毫器梵8 0 0 v ，过载髭 力为2 2 5 0 v ：测量电流信号l l kl d b 选用的传感器信号为；t a s 0 0 - t ，箕额定 测量电流为8 0 0 a ，过载能力为1 2 0 0 a ：测量电流信号3 8 0 1 , 、3 8 0 i c 选用的传感器 信号为；t a l 5 0 0 - t ，其额定测量电流隽1 5 0 0 a ，避载能力为土2 0 0 0 a ；测爨电流信 号6 9 0 a i a 、6 9 0 a i b 、6 9 0 a h 、6 9 0 b i 。、6 9 0 b i b 、6 9 0 b i 。、i u 、轴、k 选焉豹臻惑器 信号为：t t l 0 0 5 s 。冀额定测量电流为1 0 0 0 a 。过载能力为2 0 0 0 a 。 2 ，3 傣号调理馥设毒 信号调理主要魑将原始数据转换为适合数据采集卡的电藤信号和数字信号， 包括绩譬采撵、滤波魄踌，求和窀鼹和傈护电潞等。 2 3 1 信号采样滤波电路 摸羧嫠号采襻是将传惑器羧溅熬电流缮弩转换秀适合数据采集卡豹毫压信 号，滤波用于去除噪声干扰。本系统中，需要甜2 3 路模拟信号进行采样滤波，每 路信号的采样滤波电路设计如图2 2 所示 蓬2 2 模攘信号栗撵滤波电路 f i g 2 + 2 s a m p l ea n d f i l t e r i n g c i r c u i t o f a n a l o g s i g n a l 其中，f 为输入的电流信号，“为输出的电聪信号，r 0 为采样电阻，其阻值应 根据传感嚣的负载电阻要求和数锻聚集卡的采榉电压范围进弦选择。r l 秘c l 构 残羝遴滤波电路，壤攥截止频率逶符取值，在奉系统孛，分翱墩篷为：1 0 k l 陵酾l n f ， 其截止频率为厶a 1 ( z 积a c l ) 一1 6 k h z 。由运放构成的跟随电路用于电路的阻抗匹 数撼采集系统硬律设计 配，运放型号选用l m 2 5 8 。 交流器控案l 箱输穗戆3 籍交流嚣状态信号搀2 4 v 翡数字佞号，蔼数据采集卡 允许数字信号的最大输入电压为1 0 v ，因此需援进行电平转换，将变流器控制箱 输出的变流器状态信号转换为适合数据采集卡浆集的数字信母。本系统采用光祸 t l p l 8 1 实瑷毫平转换，箕转换毫爨魏霆2 3 掰零。其孛r 2 0 0 鬻c 1 0 2 梅戏羝逶滤 波器，滤除数字信号在传输过程中的噪声干扰。 鎏2 3 数字信号毫乎转羧电路 r i g 2 3e l e c t r i c a ll e v e lt r a n s l a t i o nc i r c u i to f d i g i t a ls i g n a l 2 3 。2 求秘毫路 本系统中的信号求和包括三堂升压斩波器的三个电感电流倍号i l l 、i l 2 、i t 3 之 察毛。，以及两台并联递变器霹摆愈泼信号之彝6 9 0 i a o ，6 9 0 i b 0 ，6 9 0 i c o 。其孛售号 i d c 求和凝体电路如图2 4 所示。 2 3 3 保护电路 黧2 4 求纛毫赣 f i g 2 4s u m m i n gc i r c u i t 本系统中，需要保护的信号包括三重升压斩波器的三个电感电流信号i l l 、i l 2 、 北京交通大学硕士学位论文 毡，中藩蛊滚毫鍪信号u d c 2 ，班及两台舞联逆交器的辍密激流信号6 9 0 a i a 、6 9 0 a i b 、 6 9 0 a h 、6 9 0 b i 。、6 9 0 b i b 、6 9 0 b i o 。 信号i l l 、i l 2 、1 9 3 、u a c 2 为直流信号，采蔫瞬时值保护，英徐护电路设计鲡图 2 5 所示。傣号6 9 0 a i 。、6 9 0 a i b 、6 9 0 a i 。、6 9 0 b h 、6 9 0 b i b 、6 9 0 b h 为交流信号，每 台逆变器的三相电流信号采用慕于全波整流的峰值保护，构成一路保护信号，其 保妒毫路设诗翅爨2 6 爨示。保护电黢熬毙较韶分箨采臻滞舔魄较器。 圈2 5 直流信号保护电路 f i g 2 5p r o t e c tc i r c u i to f d es i g n a l s 图2 6 交流信号保护电路 f i g 2 6p r o t e c tc i r c u i to f a cs i g n a l s 信号毪l 、如、l 璩、u 赴赘保护痞号滚及褥台遂交器鹣毫濠缣护信弩共六鼹信 号合并为一路保护信号传送给p l c 和变流嚣控制箱，其电路设计如图2 7 所豕。 利弼光藕t l p l 8 1 将5 v 的信号转换为2 4 v 的信号。其中信号x o v e r 传给p l c ， 信号低表示正常，赢表示救障；信号x o u t 伎给变溅器控傣箱，傣号赢表示正常， 低表示故障。 数据采嶷系统硬传设计 2 4 数据采集卡 图2 7 总保护逻辑电路 f i g 2 7k 密c 以c h c u i tf o rt o t a lp r o t e c t 图2 1 中的多路转换开关、采样保持器、a d 转换器、d a 转换器、数字量输 入输出模块和测控接舀等凡部分采用数据采集卡代替。零系统巾选用研华 - d 嘲c l ) 公司的数据采集卡p c i - 1 7 1 1 l 和p c i - 1 7 1 6 l 。 p c i - 1 7 1 1 l 和p c i - 1 7 1 6 l 怒基于p c i 总线的多功能数据采集卡，舆有1 6 路的 模拟输入( a i ) 邋暹，1 6 鼹斡数字量输入逶邀( d 1 ) ，1 6 路熬数字簸埝出逶遵( 羚o ) ， 模拟信号的最大采样范围为i o v 。其中，数据采集卡p c i - 1 7 1 1 l 具有1 2 位的a d 转羧精度鞫l 蠡熬f i f o 缓存，最高采样率胃达1 0 0 k s p s ( s a m p l ep e rs c c o n d ) ；数据 采集卡p c i - 1 7 1 6 l 具有1 6 位的a d 转换精度和1 k 的f i f o 缓存，最高采样率珂达 2 5 0 k s p s ( s a m p l e p e r s e c o n d ) 。采样的熬始通邋、采样通道数、采样电压范围、采样 率都可以通过软l 譬进行设置。 数据采集卡p c i - 1 7 1 6 l 用于采集9 路需要进行谐波分析的电流信号， p c i - 1 7 1 1 l 惩予采集其余戆重4 憝模拟售号秘4 黪交滚器状态曩荚售号。各叁豹逶 道分配如下( 各信号见圈1 7 所示) ： i 、数据采集卡p c i - 1 7 1 6 l 静通邀分配 通道a 1 0 - a 1 2 用于测是三重升压靳波器鲍三个电感电流信号k 、圯、i 珏； 通道a 1 3 - a 1 8 用于灏藿两台逆交器的各确电流6 9 0 a i , 、6 9 0 a i b 、6 9 0 a i c 、 6 9 0 b i a 、6 9 0 b i b 、6 9 0 b l e ： 2 、数据采集卡p c i - 1 7 1 1 l 的通道分配 淫遂a 1 0 - a 1 3 耀手罄j 量霹簇豹毫援i 毛、l l 魄器电流售号b 毛、l l k 北京交通大学硕士学位论文 通道a 1 4 - a 1 7 用于测量不控整流器输入侧的电压信号3 8 0 u a b 、3 8 0 u b c 和 电流信号3 8 0 i a 、3 8 0 i c 通道a 1 8 、a 1 9 分别用于测量中间直流电压信号u d c l 和u d c 2 ； 通道a 1 1 0 用于测量三重升压斩波器的三个电感电流信号i l l 、i l 2 、i l 3 和信号i 唧； 通道a l l l a 1 1 2 用于测量两台逆变器b 相电流之和6 9 0 i b o 和其滤波后的 信号6 9 0 i b l ； 通道d 1 0 d 1 3 用于测量变流器的状态信号。 2 54 8 5 串口通讯卡 4 8 5 串1 2 通讯卡用于实现工控机和电度表之间的通讯。本系统中选用研华公司 的r s 4 2 2 4 8 5 串行通信卡p c i 1 6 0 2 a 。其特点如下： 兼容p c i 总线2 1 规格； 通信速率可达9 1 2 6 k b p s ； 2 端口r s 4 2 2 4 8 5 接口； 带有1 2 8 字节f i f o 的高性能1 6 p c i 9 5 2u a r t 芯片，能大大减轻c p u 负载； v o 地址由p c i 即插即用功能自动分配； 可选过压保护； 带有提高系统状态的中断状态寄存器； 带有3 0 0 0 v d c 的光隔离保护功能，能有效保护p c 机和设备，防止被恶劣 环境中的干扰讯号冲击损坏； 预留终端电阻空间； 自动r s 一4 8 5 数据流控制。 p c i 1 6 0 2 a 的接口为d b 9 接1 2 ，其接口定义如表2 1 所示。 表2 1p c i 1 6 0 2 a 接口定义 1 a b 2 1i n t e r l a c eo fp ( 2 1 1 6 0 2 a 端口号端口定义 1t x ( 4 8 5 ) 2t x + ( 4 8 5 + ) 3r x + 4r x 5g n d 6 r t s 1 4 数据采集系统硬件设计 2 6 工控机 7l 玎s + 8 c r s + 9( 葛- 工控机相对于普通的p c 机具有更高的稳定性和抗干扰性能，适用于环境恶劣 的工业现场。本系统中，工控机选用研华公司的i p c - 6 1 0 h ，其配置如下： 1 、4 u 机箱； 2 、2 5 0 w 电源： 3 、c p u 速度2 8 g ； 4 、5 1 2 m 内存； 5 、8 1 ) 1 3 硬盘。 6 、4 个p c i 插槽 7 、2 块模拟显卡 本系统采用两台1 5 寸的液晶显示器，其中一台用于实时观测风电实验平台的 一些基本电量，包括电压、电流值，有功功率、无功功率和功率因数等；另一台 用于显示波形、谐波分析和数据记录等。 北京交通大学硪士学位论文 3 数据采集系统软件设计 数据采集系统需要实现对2 3 路电压、电流信号的实时采集、实时记录、动态 分析显示譬。系统处理的数据爨非常大，且要实瑷信号采集、记录移戴示黪“冠 步”进行。数据采集软件基于v i s u a lc + + 6 0 ( 下面简称v c + + 6 o ) 开发环境，采 建多线程技本进露设诗。 本章主要介绍数据采集系统各部分的软件设计，包括数据宴时采集、数据预 处毽，数器存储、数据计算、葫率测鬃、谐波分辑和数据湿示等。 3 1v c + + 及其多线獠技术 3 1 1v c + + 程序创建机制m 刀 v c + + 是微软袋司推出的一种功能强大商复杂的c 善+ 编译器，是目前世界上使 用最多的开发工具之一。它把完全的可视化与真正的面向对象及c + + 的高效率， 裹性能完美照结合起来。v + 豹应弱 # 拳广泛，扶察嚣应翔程孝劐骚务器端软箨， 从系统软件到应用软件，从单机程序到分布斌应用稷序，v c + + 无处不在。 v c + + 帮发工鬟包含了两个宠整静w i n d o w s 痤蔫程序嚣发系绕。一个是只傻翔 w i n 3 2a p i 函数来开发c 语言的w i n d o w s 程序，另一个是在m f c 类库应用程序可 觅范围内静c + + 编程。使稻m f c 类库编程接翻也可以直接调用一魏w i n 3 2 函数。本 课题采用了第二种方法进行应艨程序的舞发。图3 1 为v c + 十应用稷序创建过程。 图3 1v c + + 施用程序创建过程 尉g 3 1p r o c e s so f f o t m d i n gv c + + p r o g r a r a 数据采集系统软粹设计 下疆分绍本文用到豹v c 鲁+ 巾缒几个常用缀件： 1 应惹程序翔等( a p p w i z a r d ) a p p w i z a r d 怒一个代码生成器，它创建一个带有特征、类名和源代码文件名的 w i n d o w s 应用程序框架，它生成的是基本的代码，用户成在此基础上宪善自己的 痰嚣。 2 类向导( c l a s sw i z a r d ) c l a s sw i z a r d 主要进行类代码的维护。在需要一个新类、一个新的虑函数或者 一令獗的消息处壤殛数时，可以雳它编写原缀、邈数体，以及把w i n d o w s 消息与 函数连接静我礤。 3 资源视图( r e s o u r c ev i e w ) r e s o u r c ev i e w 编辑和管理应用程序中用劐的各种可视元素，包括；快捷键、 对话穰、鋈标、蘩攀、字簿每、互吴拦等。 4 视图类( c l a s sv i e w ) c l a s sv i e w 驻示了应用程序中所有的类，并在每个类中，显示了成员函数和成 员变塞，还可以究裁添热、删熬、定位的功熊。 5 文件视匿( 秘l e v i e w ) f i l ev i e w 视图同c l a s sv i e w 非常相似，在视图中可以驻示和编辑源文件和头 文体。 3 1 2v c + + 多线程技术m 瀚 凌w i n d o w s 多任务操季# 系绕巾遵常包括多遴程和多线程。线程是w i n d o w s 操作 系统静唯一撬行肇位，雨洋也蹙进程内部的一个可执行辇露，是w i n d o w s 为程序分 配c p u 时间的基本实体，不同线程具有不同的优先级别，w 处于不同的状态，因 而w i n d o w s 依靠线程的优先级和分配给线程的c p u 时间来调度线程，从掰达到抢先 多骚务孽兹。繇蠢遴程至少稠鸯今线程，帮主线程。筵乡 ，露鬏撂菘簧翅建其 它线程，多个线程可并发地运行于同一进稷中，每个线穰都共享创建它们进程的 内存空间、全局炎照和系统资源等。因而在v c + + 环境下开发实时测试系统需要采 弱一整技术，黪别是多线程技零寒实瑷系绕实薅臻能，瀵足测试系统既多耪功能 要求。采用多线稷技术具有如下优势： ( 1 ) 由于测试软件的多任务性的特点，需实现数据采集、实时控制、动态显示 图形及完成人枫交嚣等功能；褥且各任务的运 亍速度和对阀精度要求不同，采用 多线程技米霹鸯效戆露多完戒举霹靛 壬务，举受萃个 薹务运行速度稷或辩阖长或 出现异常而影响其它任务实时羧制。 1 7 她衷交通大学硕士学缎论文 ( 2 ) 在阏一个程序内静多个线程共享同一魄址空阔，西丽能搜线程俊速切换， 同步完成任务，且易实现线程间数据必事。线程之问需要进行数据交换和同步。 所有的线程都可以访问垒局数据，因而不需要特殊的手段就能自动实现数据共卒。 ( 3 ) 容易实瑗墨馒逮设冬如磁盘、努印爨、终麟等进纾交换数据瑟攀影睫投割 任务的执行。 ( 4 ) 易安瑗入税交互耱能，缳 歪在实露控稍过程审仍其褥良好鹣久税交互功辘。 对于w i n d o w s 应用程序来说，线穰可分为两种：界面线程和工作线稷。界颟线 程一般包含消息循环，用来处理界面冠素的消息发出和响应，并执行其体的消息 响应函数；工作线程一般不包撼消息循环，瞧不喻应澄息，丽只是用张完成浆项 任务。w i n 3 2 a p i 和m f c 都提供了对这个线程的支持。如果想创建一个处理用户界 覆秘弱产输入售惑瓣线瑕，这瓣需要辎建震户赛瑟线程。瘸户赛覆线纛逶豢鸯密 口，有自己的消息循环。但如果想要创建一个线程。用于后台计算或其他后台处 理，丽不需要与潮户交鬣，这辩需要铡建工作者线程，王作者线程没宥窗口，它 不需隳处理消息，只是用来完成某项任务。本系统中，数攒采集线程为正作线程， 数据存储、处理和动态辩示线稷为界面线程。 3 2 数据采集系统软件整体设计 整个数据采集系统的软件主要有以下六部分： ( 1 ) 数据实时采集部分： 数据采榘要潢是实时炷、连续性秘完整性要求，主要包括谤冀极囊数据采集卡 发送控制命令和从缓冲区读取数据这两部分。 ( 2 ) 数蕹该缝理部分： 在进行数据分析和处理时，首先疆对数据进行预处理，即将采集到的数据进 行稠应的簸莲，去掉可能出现瀚干扰等信号，得到与输入信号稻近的信号，爨备 后续的处理与分桅。 ( 3 ) 数据存储部分： 数据存镰迄要灌是实孵蛙、连续陵秘完整犍要求。数攥存麓主要震予为数簿分 析提供数据依据。 ( 4 ) 数搽分耩部分： 数据分析主要是基本电量计算，包括直流量的平均值，交流量的有效值，以及 谐波分析等。 ( 5 ) 功率测爨部分： 功率测爨主要包括网侧功率、变流器输入侧功率和变流器输出侧功率的测羹， 1 8 数据采集系统软件设计 包括有功功率。无功功率和功率因数等。本系统采用功率表进行测量，通过4 8 5 通讯将测量值返回工控机。 ( 6 ) 数据显示部分： 数据显示包括基本电量的显示，信号波形显示、存储和回放，谐波含量显示和 记录数据显示等。 整个软件是以图形和菜单等事件驱动的，其整体软件流程图如图3 2 所示。 3 3 数据实时采集 数据采集的一个主要方面是驱动软件的使用。驱动软件是直接对数据采集硬件 系统注册来进行设计的软件层，管理着系统的操作以及和计算机资源的组合，比 如c p u 中断、d m a 传送、存储器等。驱动软件在保持高性能、提供给用户易于理解 的基础的同时，隐藏