【公司治理】配电网电能质量的在线检测与治理措置的研究本科毕业设计

1、随心编辑，值得下im有！ YOUR COMPANY NAME IS HERELOGO 专业|专注|精心|卓越beik6Zhang 【公司治理】配电网电能质量 的在线检测与治理措置的研 究本科毕业设计 XXXX 年 xx 月 xx 日 XXXXXXXX集团企业有限公司 Please en ter your compa nys n ame and contentv 本科毕业设计说明书 配电网电能质量的在线检测与治理措置的研究 DISTRIBUTION NETWORK POWER QUALITY DETECTION AND TREATMENT RENEW ONLINE RESEARCH 学院（部）:

2、电气与信息工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 年 月 日 配电网电能质量的在线检测与治理措置的研究 摘要 随着电力电子技术、自动化技术、计算机技术等先进技术的进一步发展，大功率非 线性、冲击性和波动性负荷不断增加，比如大功率的变频设备及拖动装置、电气化铁路、 电化工业的整流设备、电弧炉等，这些负荷造成了电网发生波形畸变（谐波）、电压波 动、闪变、三相不平衡、非对称性，使得电网电能质量的严重降低。同时，基于计算机， 微处理器控制的精密电子仪器在国民经济企业中大量使用，对供电质量的敏感程度越来 越高，对电能质量提出了更高的要求，从而使电能质量问题及其解决措施逐渐成为研究 的热点。要对电网

3、的电能质量进行改善，首先要对电能质量做出精确的检测和分析，测 量电网的电能质量水平，并分析和判断造成各种电能质量问题的原因，为电能质量的改 善提供依据。电能质量问题日益突出，电能质量的监测方式主要为在线监测，对电能质 量的全天候、全方位准确的实时监测。在准确、快速地检测和分析电能质量的基础上， 提出了合理有效的治理措施，对有效提高供电可靠性，改善供电电能质量，确保电力设 备发挥正常性能水平等，对电网的安全、经济运行，保障工业产品质量和科学实验的正 常运行以及降低能耗等均具有非常重要的研究意义 关键词：配电网，电能质量，在线监测 DISTRIBUTION NETWORK POWER QUALIT

4、Y DETECTION AND TREATMENT RENEW ONLINE RESEARCH ABSTRACT With the power electronics technology, automation technology, computer technology and other advanced technology, further development, high-power nonlinear load impact and increasing volatility and drag equipment, electric railway, electricity

5、and chemical industries rectifier equipment, induction furnace, electric arc furnace, etc, which caused the power grid load waveform distortion (harmonic), voltage fluctuations, flicker, three-phase balance, asymmetry, making the serious degradation of power quality. Meanwhile, computer-based, micro

6、processor-controlled precision electronic instrument used extensively in the national enterprise, the power supply is becoming more sensitive to the quality of the power quality put forward higher requirements, so that the power quality problems and their solutions measures to gradually become a res

7、earch hotspot. To improve the quality of grid power, we must first make an accurate power quality testing and analysis, measurement grid power quality, and to analyze and determine the cause of a variety of power quality problem is to provide a basis to improve power quality. Power quality issues ha

8、ve become increasingly prominent, the main mode of power quality monitoring for the online monitoring of power quality all-weather, all-round and accurate real-time monitoring. In the accurate and rapid detecti on and an alysis of power quality based on reas on able and effective governance proposed

9、 measures, effectively improve powersupply reliability,improvepowerquality power supply, ensure that the power to play a normal level of performanee equipment,etc. on the power grid safety, economic operationto protect the quality of in dustrial products and the no rmal operati on of scie ntific exp

10、erime nts and reduce en ergy con sumpti on etc. is very importa nt sig ni fica nee. KEY WARDS : distributio n n etwork, power quality, on li ne mon itori ng 目录 摘要I. ABSTRACT IL. 1绪论1. 1.1研究电能质量的背景和意义1. 1.2 国内外研究现状 .1. 1.2.1电能质量监测系统 1. 1.2.2电能质量治理措施 2. 1.3本文的主要工作3. 2电能质量理论5. 2.1电能质量概述5. 2.1.1电能质量的定义5

11、. 2.1.2电能质量的分类5. 2.2电能质量指标和国家标准 6 221电压偏差6. 222频率偏差6. 2.2.3谐波6 2.2.4电压波动和闪变 7. 2.2.5三相不平衡表示标称电压kV。 国家标准电能质量 供电电压允许偏差(GB/T 12325-2003)对我国的供电电压 作了详细规定： (I) 电压等级大于等于35kV的供电电压的正、负偏差的绝对值之和不超过系统标称 电压的10%。 (2) 电压等级小于等于10kV的三相供电电压允许偏差为系统标称电压的7% ； 低压220V单相供电电压允许偏差为系统标称电压的 +7%和-10%。 2.2.2频率偏差 频率偏差是指标称频率为 50Hz

12、处于正常运行方式的电力系统中，系统频的实际值 与标称值之差计算公式为 (2.2) 式(2.2)中占表示频率偏差，表示实际频率，表示系统标称频率，它们单位为Hz o 国家标准电能质量电力系统频率允许偏差(GB/T15945-1995)规定我国电力系 统正常频率偏差允许值为0.2Hz，当系统容量较小时，偏差值可以放宽到0.5Hz o 2.2.3谐波 谐波是有电网中的非线性负荷产生的。谐波的危害较为严重，不容忽视，主要表现 在以下几方面： (1) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备 的效率，大量的3次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。 (2) 谐波影响各种电

13、气设备的正常工作。 谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会 产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过 热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。 (3) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，就使上述 (1)和的危害大大增加，甚至引起严重事故。 (4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。 (5) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信 息丢失，使通信系统无法正常工作 国家标准电能质量公用电网谐波（GB/T 14549-1993）规定了公用电网谐波的允 许值及其测量方法，适用于交

14、流频率为50Hz，额定电压110kV及以下的公用电网，6 至220kV各级公用电网电压（相电压）总谐波畸变率0.38kV为5% ,6至10kV为4%， 35至66kV为3%，110kV为2%。用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电网谐 波电压在限值范围内，所以国标规定各级电网谐波源产生的电压总谐波畸变率是： 0.38kV 为 2.6% ,6 至 10kV 为 2.2%，3 至 66kV 为 1.9%，110kV 为 1.5%。对 220kV 电网及其供电的电力用户参照本标准 110kV执行。 2.2.4电压波动和闪变 电压波动主要是由于大量冲击性负荷在电力系统中的广泛使用而引起的，是指电压

15、包络线有规则的变化或一系列随机电压变动，常用一系列电压均方根值中相邻的两个极 值之差与系统标称电压的相对百分比来表示，即 （2.3） 式（2.3）中，、分别为一系列电压均方根值中相邻的极大值和极小值；为系统标称 电压。 负荷电流的大小呈现快速变化时，可能引起电压的波动，简称为闪变，闪变术语来 自电压波动对照明的视觉影响。从严格的技术角度讲，电压波动是一种电磁现象，而闪 变是电压波动对某些用电负荷引起的有害结果，不属于电磁现象。但是，在技术标准中 常将这两个术语合为一体进行讨论，并且常将限制发生闪变干扰排在首位。 表2-1国家电能质量有关标准 标准编号 标准名称 允许限值 （1 ）35 kV 及

16、以上为正负偏差绝对值之和不超 GB 12325 90 供电电压 过 10% ； 允许偏差 （2）10 kV 及以下二相供电为土 7% ; （3）220V 单相供电为+7% , -10%。 1.电压波动： （1）10 kV 及以下 2.5% ； 电压允许 （2）35 110 kV 为 2% ; GB 12326 90 波动和闪动 (3)220 kV 及以上 1.6%。 2闪变： (1)对照明要求较咼，0.4%(推存值)； (2)一般照明负荷0.6%(推荐值) 各级电网谐波电压限值() 电压(kV) THD奇次 偶次 公用 0.38 54.0 2.0 GB/T 14549 93 电网谐波 6、10

17、 43.2 1.6 35、66 32.4 1.2 110 2 1.6 0.8 （220 kV 电网参照110 kV 执行) 三相供电 (1)正常允许2%，短时不超过 4% ； GB/T 15543 95 电压允许 (2)每个用户一般不得超过1.3%。 不平衡度 2.2.5三相不平衡 电力系统中的三相电压不平衡主要是由负荷不平衡，系统三相阻抗不对称以及消弧 线圈的不正确调谐等引起的。 根据对称分量法，三相系统中的电量可分解为正序分量、负序分量和零序分量三个 对称分量。电力系统在正常运行方式下，电量的负序分量均方根值与正序分量均方根值 之比定义为该电量的三相不平衡度，用表示，公式为 (2.4) 式

18、(2.4 )中、分别为电压正序、负序分量均方根值，kV。 国家标准电能质量三相电压允许不平衡度 (GB/T15543-1995)规定电力系统公 共连接点正常电压不平衡度不得超过 2%，短时不得超过4% ;接于公共连接点的每个 用 户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般不得高于1.3%。 2.2.6暂时过电压和瞬态过电压 电力系统中的过电压现象大多数是由于运行操作、雷击和故障引起的，是经常发生 和不可避免的，是供电特性之一。 暂时过电压是指在电网给定点上持续时间较长的不衰减或者弱衰减的振荡过电压。 瞬态过电压是指仅持续数毫秒或更短时间，通常带有强阻尼的振荡或非振荡的一种过电 压，可以叠加于暂时过

19、电压之上。 国家标准电能质量暂时过电压和瞬态过电压(GB/T18481-2001)规定了交流电 力系统中作用于电气设备的暂时过电压和瞬态过电压的具体要求、电气设备的绝缘水 平，以及过电压保护方法，不适用于因静电、触及高压系统以及稳态波形畸变(谐波)引 起的过电压。 2.3本章小结 本章简要介绍了电能质量的概念与分类，分析了影响电能质量的因素及其危害；然 后分别给出了电压偏差、频率偏差、电网谐波、三相不平衡、电压波动与闪变等电能质 量指标的定义、危害及其国家标准。 3电能质量检测分析算法 电能质量归纳起来主要包括 6个方面:电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪 变、三相不平衡、暂时过电压和瞬态

20、过电压。其中谐波分析是电能质量中最主要，也是 分析最困难的一个指标，如果能够实时动态地监测电网中谐波的情况，可以更好地判断 和分析其他电量的情况，因此本节重点讨论电网谐波的检测与分析算法。 目前，常用的谐波检测方法，根据测量原理的不同，主要有以下几类。 3.1基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法 瞬时无功功率理论最早于 20世纪80年代由赤木泰文提出，在许多方面得到了成功 应用。赤木最初提出的理论以瞬时实功率和瞬时无功功率的定义为基础，后来又补充定 义了瞬时有功电流和瞬时无功电流。 瞬时无功功率理论开始主要应用于三相电路谐波检 测中，目前在电力滤波器中应用最多。瞬时无功功率理论主要有两种计算方式

21、，以计算 和为出发点的称为法，以计算称为法。 两种方法都能较为准确地检测出对称三相电路的谐波含量，实时性也较好。但是 按运算方式测量时，由于只需读取和参与运算即可，畸变电压的谐波成份不会出现在运 算中，因而在不对称电网中或者电源电压畸变的情况下也能准确检测出谐波电流，适用 范围更宽；而法在这种情况下则误差较大，适用范围相对较窄 3.1.1运算方式 该方法的原理如图3.1所示 图3.1 运算方式的原理图 其中，=,=。 该方法中，需用到与相电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号 -，它们由一个锁 相环(PLL)和一个正、余弦信号发生器电路得到。根据定义可以计算出、，经LPF滤波得 到出、的直流分量

22、称、。这里，、是由、产生的，因此由、通过矩阵即可计算出、，然 后被、相减即可计算出、。、 按运算方式检测时，由于只需取、-参与计算，畸变电压的谐波成份在运算过程中没 有出现，因而检测结果不受电压波形畸变的影响，检测结果是准确的。 3.1.2基于倍频旋转变换的谐波测量 上述方法所测的是谐波总量，而并非具体某一次的谐波含量，而基于倍频旋转变换 的谐波检测法在上述结果的基础上可以检测出具体的某次谐波含量，基本思想如图3.2 所示： 图3.2基于倍频旋转变换的谐波测量原理 本方法的测量原理是：首先通过基波分离电路将基波分离出来，然后按谐波次数的 顺序，逐步分离出各次谐波，其中将基波检测出来的方法和基于

23、、运算方式的检测方法 一样。 比较运算方式和基于倍频旋转变换的谐波测量方式可知， 第一种方法对于测量基波 分量和总体谐波含量具有良好的实时性，但是无法测量具体某次谐波的含量；第二种方 法虽然可以测量出单次的谐波含量，但是硬件复杂，成本较高，实现起来也比较繁琐。 3.2基于小波分析的谐波检测方法 小波变换是当前应用数学和工程学科中一个迅速发展起来的新领域。经过十多年的 探索与研究，其重要的数学形式化体系已经建立，理论基础更加坚实。与傅里叶变换相 比，小波变换是时域和频域的局部变换，因而能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和 平移等运算功能可以对函数或信号进行多尺度的细化分析，克服了傅里叶分析在频域

24、完 全局部化而在时域毫无局部性的缺点。小波变换在时域和频域同时具有局部性，可以计 算出特定时间的频率分布并将各种不同频率组成的频谱信号分解成为不同频率的信号 块，因而通过小波变换可较准确地计算出基波电流，进而求得谐波含量。 小波变换对波动谐波、快速变换谐波的检测有很大的优越性，目前是波动谐波、 快速变化谐波的主要检测方法。但是，由于小波变换的研究时间相对较短，在谐波检测 方面应用还比较少，并且还存在着诸如缺乏系统规范的最佳小波基的选择方法等很多不 完善的地方，从而使得小波变换算法在计算机和信号处理芯片中的应用受到限制。特别 是信号处理芯片，其资源非常有限，根本不适合最佳小波基选取的各种运算和判

25、断。 3.3基于神经网络的谐波检测方法 神经网络理论是智能控制技术的主要分支之一，通过模拟人类思维进行运算，具有 本质的非线性特性、并行处理能力、强鲁棒性和自组织自学习能力，因此受到人们的普 遍关注。神经网络研究内容相当广泛，反映了多学科交叉技术领域的特点，将其应用于 谐波测量中，将会有很好的发展前景。 神经网络可以实时检测任意整数次谐波， 对基波电流的跟踪在一个周期内就可以达 到良好的效果，因此这种方法在精度和实时性方面有较好的特性。但这种算法需要大量 的训练样本，需要一定的时间来训练这些样本，而且如何确定需要的样本数也没有规范 方法，属于目前正在研究的新方法，研究和应用时间相对较短，实现技

26、术尚需完善，在 工程应用中还未优先选用。 3.4基于傅里叶变换的谐波检测方法 在电能质量分析领域中，变换域分析法是一种有效的方法，起到了重要的作用。傅 里叶变换法是其中应用最广泛的一种，而在工程上又以快速傅里叶变换（FFT）算法应用 最为广泛。FFT测量谐波精度高、功能多、使用方便，与其他测量方法相比，目前适用 范围最广泛,理论和技术最成熟，在谐波测量的应用中具有不可替代的作用，而且在数字 信号处理器（DSP）中更容易实现。因此，本系统选用快速傅里叶变换算法作为监测终端 中进行谐波检测与分析的方法。 3.4.1傅里叶级数 当输入信号为周期函数或者可近似作为周期函数处理时，且满足狄里赫利条件（电

27、 力系统信号基本上均满足），则它可被分解为一个各种频率的正弦函数序列之和，即傅 里叶级数，其三角级数形式为 （3.1） 式（3.1 ）中 其中，= 在式（3.1 ）的傅立叶级数中，频率为的分量称为基波，频率为大于1的整数倍基 波频率的分量称为谐波，谐波次数即为谐波频率和基波频率的整数比。 342离散傅里叶变化（DFT） 为了从理论上的傅里叶级数分析过渡到电力系统实际波形实用而快速的谐波分析, 需要利用傅里叶级数的指数形式，直接计算各次谐波的幅值和相位。 由欧拉公式 （3.2） 解出和，式（3.2 ）的傅立叶级数三角形式可化为 (3.3) 则可得 （3.4） 实际上，电力系统的非正弦周期波都是不

28、规则的畸变波形，无法表示成函数解析式 后用上述傅立叶级数进行计算。一种常用的方法是对该种波形的时间连续信号用采样装 置进行等间隔采样，并把采样值依次转换成数字序列，然后借助计算机进行快速谐波分 析。 连续波形转换成离散数字序列后，上述对于连续函数的傅立叶级数计算式可相应转 换成离散化的计算式，做近似计算。对公式（3.4）进行离散化处理：对信号进行每周波均 匀采样N点；式中连续函数代以离散序列； ，即用离散点代替连续点；，即用的有限增量 代替其趋近于零的极限值；相应的定积分用被积元素的累加和代替。则公式(3.4 )的 离散形式为 (3.5) 令，则 (3.6) 上式(3.6)即称为离散傅里叶变换

29、(DFT)。 3.4.3快速傅里叶变换(FFT) 在工程实际中，若直接用离散傅里叶变换(DFT)进行计算，当采样点很多时，计算 量很大，而且DFT的效率很低。研究可以发现，具有周期性和对称性，即 (3.7) 因此，可以考虑将长序列DFT利用其对称性和周期性分解为短序列 DFT0因为DFT 的运算量与成正比，如果一个大点数的 DFT能分解为若干个小点数DFT的组合，则显 然可以达到减少运算量的效果，这种方法称之为快速傅里叶变换 (FFT) o 但是快速傅里叶变换(FFT)也有它自身的缺点，主要表现在以下两个方面。 (1) 在采样过程中，如果采样频率和信号频率不同步或者无法达到整数倍的关系，使 用

30、该方法会产生频谱泄露和栅栏效应，导致计算出的信号参数不准确，尤其是相位的误 差很大，无法满足测量要求； (2) 计算量较大，计算时间比较长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。 344改进型复序列快速傅里叶变换(FFT) 鉴于传统FFT存在着上述不足，本系统对其进行一些技术改进，以适应系统实际需 求。首先针对第一个问题，鉴于频谱泄露和栅栏效应都是由于采样频率与信号频率不同 步造成的，所以本系统采用锁相环(Phase Locked Loop:PLL)使信号频率与采样频率同 步。 锁相环作为一种重要的功能电路，在通信、控制、导航、仪器仪表等领域得到了广 泛的应用。锁相环基本结构框图如图 3.

31、3所示，由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和 分频器4个部分组成，是一个自动跟踪相位的负反馈系统。 图3.3锁相环结构框图 鉴相器的功能是将两个输入信号和的相位转成脉冲宽度信号，经低通滤波器平滑 后，成为直流电压信号。压控振荡器是一种输出振荡频率受输入直流电压控制的振荡器。 当和有相位差变化时，使振荡频率变化，最后使输入和压控振荡器的输出信号频率之差 为零。即输出信号的频率始终与输入信号频率保持一致。 采用锁相环有较好的实时性，不用在软件中增加计算量，因此系统在硬件设计中采 用了锁相环同步电路，基本上解决了频谱泄露和栅栏效应的问题。 针对第二个关于实时性较差的问题，并考虑减少计算量和减轻编程难度

32、，本文在实 际进行FFT运算时，将两个同长度的电压、电流实序列信号组合为一个复序列信号进行 FFT运算，这样就可一并得出电压和电流频谱结果，即基于复序列的FFT算法，复序列 FFT算法推导过程如下： 取电网两个实序列信号，令 (3.8) 可以得出 (3.9) 的傅里叶变换为 （3.10 ） 其中和，和分别为、的实部和虚部。的傅里叶变换为 （3.11） 由式（3.11 ）得 （3.12） 根据傅里叶变换的周期性和奇偶对称性，可知实序列的傅里叶变换的实部为偶数, 虚部为奇数。可得 （3.13） 对式（3.13）进行傅里叶变换，并考虑其复共扼性质，可得，的频谱为 （3.14） 式中，为的共轭复数。

33、将式（3.14）按实部、虚部展开后得 （3.15） 设为被测电压信号的第次谐波，为被测电流信号的第次谐波，则 (3.16 ) 由以上推导可得出各次谐波电压和电流的幅值为 （3.17） 其中，。 3.4.5其它电能质量参数的计算 由上述公式（3.15）、（3.16）、（3.17）可以推算出各次谐波的复功率、有功功率和无功 功率为 （3.18） （3.19） （3.20） 根据以上的计算结果，可得电压有效值、电流有效值、谐波电压总畸变率、谐波电 流总畸变率、有功功率、无功功率及功率因数为 (3.21) 式中L为已知谐波的最高次数 3.3本章小结 本章介绍谐波监测的分析方法，重点讲述了目前针对谐波检

34、测，技术先进或技术成 熟的四种分析方法，即瞬时无功功率理论、小波变换、神经网络和傅里叶变换，分析了 它们的优点、缺点和适用范围。鉴于快速傅里叶变换（FFT）谐波检测方法技术成熟、应 用广泛，功能多，精度高，且在数字信号处理器 （DSP）中易于实现，本系统采用FFT法 作为谐波检测方法，并针对传统FFT法存在频谱泄露、栅栏效应及计算量大等缺陷，对 其进行了技术改进，然后以此作为本系统谐波检测分析的算法。 4配电网电能质量在线监测系统的研究 4.1系统硬件设计 硬件系统主要有四个模块构成：数据采集模块，DSP核心处理模块，串口通信模块， 键盘及液晶显示模块。根据实际需要，设计系统硬件连接框图如图4

35、.1 o 图4.1系统硬件框图 各模块功能及工作流程为： (1) 在数据釆集模块中，将待测交流信号经互感器隔离、转换。其中，电压互感器 将电网中一次的电压互感器的100V交流电压信号和转换成为峰值为 1V电压信号，电 流互感器将电网中的一次电流互感器的 5A (1A )交流电流信号转换成为峰值为 1V电 压信号。由于这种从传感器出来的低压信号中混杂了噪声，为保证系统具有较高精度, 因此还需要用信号调理电路对信号进行偏置、调制成 DSP能够接受的信号，以满足AD 转换的要求。 （2）将釆集到的信号送入DSP进行实时处理，计算出各电能质量参数，通过RS485 通信模块将数据传送上位机，实现电能质量

36、的远程检测。电源模块给系统提供可靠、稳定 的电源，确保系统多电平电路正常工作等。 （3）键盘及液晶屏是人机交互的接口，实时显示电能质量信息。键盘用于控制显示 各种界面，通过菜单功能，方便进行显示界面的切换。液晶屏与DSP进行通信，用于 显示三相相电压有效值、线电压有效值、正序电压有效值、负序电压有效值、零序电压 有效值、频率等参数。 4.1.1数据采集模块 数据采集的精确度直接影响到系统的性能，其设计关键是要实现数字/模拟混合电 路与DSP的无缝连接，以保证数据的吞吐量。数据采集模块又可分为以下四个部分组 成：互感器电路、信号调理电路、过零检测电路、AD数模转换。 （1）互感器 电压互感器与电

37、流传感器的作用主要有：对电压和电流进行变换，使仪表与主回路 隔离，以保证操作的安全。由于检测的是电网电压，通常在220V左右，为了使得互感 器的电压输入在较大范围内变换，本系统选择的是基于霍尔效应开环原理的电压互感器 系列VSM025A型和电流互感器系列 CS040G型，这类互感器的副边能够精确的反应 原边待测信号。本设计需要测量 32次谐波，需要测得信号的最髙频率为 1.6KHz,因此 要保证其测量精度，选用的互感器必须在信号最高谐波频率范围内。本设计所选用的互 感器信号频率范围为DC-20KHZ，可以保证所有的精度，完全适合于本系统的要求 1）电压互感器 在隔离条件下，VSM025A型电压

38、传感器是霍尔效应闭环原理的电压传感器。具有 线性好、精度高、工作范围高、电路简单可靠等优点，能够测量直流、脉冲以及各种不 规则波形的电压，适合测量10-500V的电压。本文中的VSM025A型电压传感器将220V 的交流电压转换成为1V的交流电压，VSM025基本电气参数如表4.1所示。 表4.1 VSM025 基本电气参数 指标名称 指标参数 额定输入电压 250V 额定输入电流 10mA 额定输出电压 R44的大小决定 额定输出电流 25mA 变比 2500:10 输入端：测量电压时，电阻 R43应串联在互感器原边回路上，输入电流精度受限 流电阻R43的影响，选择R43大小的原则是尽量使得

39、输入电流为 10mA，这样才能使 互感器达到最佳精度。为保证测量电阻的稳定性和可靠性，R43的功率通常情况下应为 额定功率的4倍以上，即10W以上。本文中，采用4个的电阻串联得到，原边线圈内 阻为190，R43的功率为。 输出端：电压传感器输出的是电流，但是模 /数转换模块要求输入的信号一般为电 压信号，因此需要通过 R44将电流转化成电压信号，本文中 R44取值为，原理图如图 4.2所示。 2）电流互感器 在隔离条件下CS040G型电流互感器具有测量电流电压一次变换到位，直接将被测 电流隔离转换成电压，电路设计简单可靠等优点。CS040G型电流互感器在本文中的功 能是将交流5A的电流转换成为

40、交流1V的电压，其参数如表4.2所示。 表4.2 CSO4OG基本电气参数 指标名称 指标参数 额定输入电流 40A 额定输出电压 1V 变比 500:1 该互感器是电流电压转换器，能够测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电 流，通过感应原边的电流产生副边电压。使用该互感器的时候，首先接通副边电源，再 接通原边。值得注意的是，错误的接线将会导致互感器损坏，次级回路严禁开路，否则 将损坏仪器，同时输入端不能短路，否则会增加电流误差。其原理图如图 4.3所示 图4.2电压互感器原理图4.3电流互感器原理图 4.1.2信号调理电路 互感器电路出来的信号是双极性交流信号，而TMS320F2812内

41、置的A/D转换要 求其模拟输入为0-3V的单极性信号，因此，还需要在互感器和A/D转换器之间添加信 号调理电路，将电压转化为0-3V的单极性信号。采用图4.4电源模块对比例放大器进 行-12V到+12V供电。对图4.4中的各元器件进行介绍说明：D315、D316起防反接 的作用；C313、C315是电解电容，起支撑直流电压的作用，并可滤除纹波； C314、 C316是交流滤波电容，可滤除交流高次谐波。 图4.4比例放大供电电路图 电压和电流互感器输出的信号较小，而 TMS320F2812的A/D转换模块可接收的 电压信号为0-3V。为充分利用AD转换模块，需对输入信号进行处理。信号调理电路 如

42、图4.5所示，R17、R18是可调电阻，通过调节两个可调电阻的阻值能改变电路的放 大倍数，进而调节输出信号的电压范围；D7、D8是起输入保护作用，使运放与外设连 接时，有电缆等注入高电压脉冲噪声，若这种噪声超过运放的据对最大额定值，则内部 寄生二极管导通，运算放大器会被破坏，这时添加D7、D8这种二极管期望选用正向电 压降比寄生二极管低的肖特基二极管。DW3、DW4、R21起输出限幅保护作用，即输 入端电压超过-1V到+1V时。输出电压-dsp的幅值将被限制在0V到3.3V之间。 图4.5信号调理电路图 4.1.3过零检测电路 加入过零检测电路即方波电路，将电压信号变成同频率的方波信号，DSP

43、通过捕捉 上升沿来跟踪电网频率的变化，以保证同步采样。具体检测电路如图 4.6所示，D19是 稳压管，为3.3V，起保护作用。当大于0时，输出高电平；当小于0时，输出低电平。 通过TMS320F2812的引脚CAP1捕获方波的上升沿，设第一次捕获技术值为CONT1， 第二次捕获计数值为C0NT2，捕获单元时钟基准为CLK，则频率的计算公式为 (4.1) 图4.6过零检测电路图 4.2 DSP处理模块 4.2.1 DSP芯片选型及其详细介绍 本设计的核心芯片采用 TI公司的TMS320F2812芯片。TMS320F281X系列处理 器是美国德州仪器公司（Texas Instruments） 推出

44、的高性能数字信号处理器，该系列 处理器是基于TMS320C2xx内核的定点数字信号处理器，集成了多种先进的外设，为 控制领域提供了良好的平台。芯片采用32位中央处理器，大大提高了系统的运算处理 能力，可在150MHz （时钟周期6.67ns）下工作，其性能远优于2000系列的其他DSP。 F2812数字信号处理器是在F24x的基础上开发的32位高性能定点芯片，兼容24x指 令系统，能够直接运行在24xDSP上开发的程序。其主要特点： （1）采用高性能的静态CMOS技术，主频可达150MHz（时钟周期6.67ns），低 功耗 设计，FLASH编程电压为3.3V。 （2 ）高性能的32位CPU，采

45、用哈佛总线结构，可以进行 16x16位和32x32位 的乘累加运算；快速中断响应和处理能力，统一寻址模式，高效的代码转换功能（支持 C/C+和汇编编程）；同时与TMS320F24x/F240 x 系列数字信号处理器代码兼容。 （3） 片内集成大容量存储器，128Kxl6bit的Flash，两块4Kxl6bit的单周期访问 SARAML0和L1 ; 一块8Kxl6bit的单周期访问 SARAMH0 ;两块IKxl6bit 的单周期 访问 SARAMM0 和 Ml。 （4） 外部存储器扩展接口，最大可扩展IMxl6bit的存储空间；可编程等待周期、 读写时序；3个独立的片选信号，扩展方便。 （5）

46、 两个事件管理器模块EVA和EVB,每个均包括如下资源：两个16位通用定 时器；8个16位的脉宽调制（PWM）通道，可以实现三相反相器控制、PWM的中心 或边缘校正及当外部引脚PDPINTx出现低电平时快速关闭PWM通道；防止击穿故障 的可编程PWM死区控制；对外部事件进行定时捕获的3个捕获单元；片内光电编码器 接口电路；事件管理器模块适用于控制交流异步电动机、无刷直流电动机、开关磁阻电 动机、步进电动机、多级电动机和逆变器。 （6）12bit的ADC流水线模/数转换模块，2个采样保持电路，2x8通道复用输入 接口，转换周期最小60ns，单通道转换周期为200ns。 （7） 增强型eCAN2.

47、0B接口模块及UART，SPI, McBSP串行通讯接口。多达56 个可配置通用I/O引脚。 本系统所用的DSP芯片如图4.7所示。 图 4.7 TMS320F2812DSP 芯片 TMS320F2812DSP 的功能方块图如图 4.8所示。 图4.8 DSP功能方块图 模拟数字转换（Analog-to-DigitalConverter,ADC） 模块图4.9为ADC模块。它能 够提供DSP控制器与现实世界的链接通道，通过 ADC单元可以测量如电压、电流、温 度、速度等模拟量。具体介绍如下： 模数转换模块有模拟电路和数字电路两个部分。模拟电路主要包括模拟多路复用开 关（MUX ）、采样/保持（

48、S/H）电路、AD转换内核、电压参考以及其他辅助模拟电路； 数字电路主要包括可编程转换序列器、结果寄存器（ RESULTn）、与外设总线的接口、 与模拟电路的接口及与其他片上模块的接口 该ADC模块具有12位的精度，16个转换通道，通过编程能以流水线形式工作， 可将16个通道配置成2个独立的8位通道（能够自动排序），分别服务于事件管理器 A（EVA）和事件管理器B （EVB）,可通过模拟电路复用开关（MUX）选择8路通道中的任 何通道。同样，2个独立的8路通道也可级联成1个16路通道，这种方式称为级联模 式。 ADC模块的具体特点如下： （1）具有12位精度。 （2）具有2个采样/保持（S/H

49、 ）器，S/H采样时间窗口有独立的预定标控制。 （3）采样模式：同时或顺序。 （4）输入模拟电压范围为0-3V。 （5）具有快速转换时间，ADC时钟可配置为25MHz ,最高采样带宽为12.5MSPS （6）16路模拟输入通道。 （7）自动排序器允许对任一通道进行多次采样，可通过采样法来提高采样精度。 （8） 排序器工作方式：2个独立的8路通道模式和16路通道级联模式。排序器可 工作在启动/停止模式，可允许“多个排序触发”同步转换。 （9）16个结过寄存器用于存放 ADC转换结过，RESULTn中存放的数字量可表示 为： （4.2） （10）具有4种启动ADC的方式：S/W-软件启动，EVA中

50、多个事件源可启动， EVB中多个事件源可启动，外部引脚启动。其中EVA和EVB可独立触发，也可工作在 双触发模式 (11) 中断控制灵活，可允许每个或者每隔一个序列转换结束后产生中断请求。 (12 )具有增强的重叠排序器功能。 内置AD模块如图4.9所示 图4.9内置AD模块方块图 串行通讯接口 (Serial Commu nicatio ns In terface ,SCI) 模块 F2812 如图 4.9 所示, 包含两个串行通讯接口 (SCI)模块，SCI模块提供了 DSP与其它标准 non-return-to-zero(NRZ)格式的异步外围之间的数字通讯。SCI的接收者和传输者皆 采

51、用双总线模式(Double-Buffered)，每一个皆有自己独自的允许和中断位。为了保证 数据的完整性，SCI有中断侦测、同位检测、过载和框架错误去检查接收进来的数据。 SCI模块主要的功能如下所示： (1) 两个外部的引脚位 .SCITXD: SCI传送输出引脚位 .SCIRXD : SCI接收输入引脚位 (2) 速率有64K种不同的速率，可由缓存器设定改变传输速率 (3 )数据字符(Data-word)格式 一个开始位 传输数据位长度格式，可从1到8之间作程序化选择 奇同位检测/偶同位检测/不使用同位检测的选择 可选用1或2个停止位 (4) 四种错误侦测旗标：同位(Parity)、过载(

52、Overrun)、框架(Framing)和中断 (Break)错误侦测 (5) 可选择使用半双工或是全双工操作模式 (6) 接收和与传输皆采用双总线模式(Double-buffered) (7) 传输方法采用 NRZ(non-return-to-zero) 格式 422电源 TMS320F2812 内核工作电平为1.8V，外部供电为3.3V，所以需要给 TMS320F2812提供两个不同的电平。本系统选用的是TI公司的TPS70351型LDO线 型稳压器，对DSP进行供电，它能够给 DSP提供双路且独立的稳压电源，将 5V电压 转换为1.8V和3.3V。其中，一路为I/O供电电压为3.3V，为

53、FLASH、ADC等提供工 作电压，另一路是为内核提供供电电压为1.8V，同时DSP还要求内核电源必须优于I/O 电源上电。 由图4.11给4.10的引脚3供电，用TPS70351型LDO线性稳压器将+5V的电源 转化为1.8 V和3.3V。 图4.10 DSP供电芯片图图4.11 TPS70351供电电源 4.3串口通信模块 经过DSP处理后的数据，要通过液晶屏进行显示或者需要传输给上位机进行存储 和进一步处理，这时候就要通过串行通信接口(SCI)进行数据的传输，SCI是一个双 线的异步串口，TMS320F2812片内由两个通用串口，分别是SCIA和SCIB，可分别使 用RS-232和RS-

54、485通信。由于RS-485总线网络结构简单，布线成本低，有较高的 性能价格比，而且RS-485可带多个负载，只要对程序稍做修改即可实现一台PC机监 控多台下位机。与以往的RS-232相比，RS-485有了很大改进，RS-232接口标准的最 大直连距离为15米，数据传输速率小于20Kbps，因此这种接口标准只适用于办公环 境中计算机互连，二采用平衡传输方式的RS-485标准，使用双绞线，不用Modem的 情况下，在100Kps的传输速率时，可传输的距离可达1200米，当传输速率下降到 9600bps时，则传输距离可达1500米o RS-232采用负逻辑，而TMS320F2812的I/O 电平是

55、TTL电平，因此，用RS-232进行串行通信的时候，需要用电平转换芯片进行电 平转换。基于RS-485众多优点，本系统液晶显示屏选择通过RS-485与DSP进行通 信。 图4.12 RS485通信图 4.4键盘及液晶显示模块 4.4.1键盘电路 键盘是系统设计中的一个关键的部件，通过键盘能够向DSP输入数据、传送命令 等等，是人为干预微处理器的主要手段。键盘有两种扫描方式：中断方式和查询方式。 但是中断方式需要占用 CPU的外部中断资源，还可能会干扰其他中断程序的运行，因 此本系统采用查询方式，即对相应I/O 口的状态进行查询。查询是否有按键按下，然后 再调用相应的按键程序进行处理。本系统设计

56、的键盘如图4.13所示。按下键时输出为 低电平，未按下键时输出为高电平。 图4.13键盘电路图 4.4.2液晶显示电路 液晶显示屏具有显示直观、操作方便等优点。本系统采用的是LR080AR/D系列显 示器，如图4.14所示。其分辨率640*480*RGB，提供强大的接口操作，设计简单，功 耗低，方便了用户的使用，提高了系统的实时性和集成度。 4.14液晶电路图 4.5本章小结 本章完成了本系统的总体结构和硬件设计。根据各部分实现的不同功能，将系统分 为四个模块：数据采集模块、DSP处理模块及外围电路模块、串口通信模块、键盘及 液晶显示模块。阐述了这四个模块的原理，分析了各模块的实现方法。 5系

57、统的软件设计 5.1主程序设计 主程序的设计可以按照功能不同进行划分为系统初始化、数据处理、数据通信和显 示三大部分来完成。按模块可以化分为主程序、采样中断子程序、测频子程序、FFT子 程序、液晶按键子程序和 RS485子程序。主程序的功能是对系统各部分完成初始化， 数据采集运算以及后续显示等。图 5.1为主程序流程图。 图5.1主程序流程图 5.2采样中断程序设计 在系统完成初始化任务以后，使中断向量表中的ADCINT中断指向A/D中断函数， 完成A/D初始化并使能中断第一组向量。在 A/D初始化中，通过设置ADC控制寄存 器1( ADCTRL1 )中SEQ-CASC位为0，使DSP工作在双

58、排序模式；设置 ADC控制 寄存器3( ADCTRL3 )中SMODE-SEL位为0，使DSP工作在顺序采样模式；设置最 大转化通道寄存器(ADCMAXCONV )为5,使DSP的一次自动转换时的最大转换数 为6通道。 本程序的采样频率为，连续采样 2个周期，一个周期采样64个点，这样可以保证 FFT可以计算到32次谐波。采样中断流程如图5.2所示 图5.2采样中断程序流程图 5.3测频中断服务子程序 对于频率的测算，用一个迟滞比较器，通过TMS320F2812的捕获单元，捕获方波 的下降沿来测量。测频流程图如图5.3所示 5.4 FFT及参数计算子程序 FFT算法的具体算法详见上面章节的相关

59、内容。流程图如图5.4所示 图5.3测频中断子程序图5.4参数计算程序流程图 5.5液晶按键子程序 四个按键分别是上移键、下移键、确定键和返回键。液晶及按键程序如图5.5所 示。 图5.5液晶键盘流程图 5.6 RS485通信子程序 采用MAX公司的MAX485芯片作为RS485通信的收发器MAX485是MAX公 司生产的一种RS485接口芯片，它使用单一电源，电压在4.75-5.5V范围内均能正常工 作，可以完成TTL与RS485之间转换。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，内部 含有一个驱动器和接收器。R0和D1端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，为逻 辑0时，器件处于接收状态；当D

60、E为逻辑1时，器件处于发送状态。DE/RE信号为“ 1” , 则MAX485芯片的发送器有效，接收器禁止，此时单片机可以向RS-485总线发送数 据字节，流程图如图5.6所示；DE/RE信号为“ 0”，则MAX485芯片的发送器禁止， 接收器有效，此时DSP可以接收来自RS-485总线的数据字节。流程图如图5.7所示。 同一时刻MAX485芯片中的“接收器”和“发送器”只能够有1个处于工作状态。 图5.6 RS485发送数据流程图图5.7 RS485接收数据流程图 5.7本章小结 本章完成了系统软件的设计和各软件模块的实现。分析了各软件模块的原理，完成 了数据采集、数据处理、数据显示的程序设计