配电网电能质量在线监测装置研究与开发

毕业设计（论文）配电网电能质量在线监测装置研究与开发Onlinedistributionsystempowerqualitymonitoringdeviceresearchanddevelopment学生姓名所在院系学生姓名所在院系所学专业所在班级指导教师教师职称完成时间：：电气与信息学院：电气工程及其自动化：0544：：助理实验师：2009年6月20日

摘要随着国民经济的快速发展和电力市场的初步形成，电能质量问题已经引起电力部门的高度重视。为采取合理措施提高电能质量，建立电能治理的监测和分析系统，对其进行正确检测、评估和分类都是十分必要的。本文首先概括的介绍了谐波分析算法的理论依据。其中，采用快速傅立叶变换进行电力系统谐波检测时很难做到时域和频域的统一，无法确定扰动发生的时刻，从而引入了小波变换的分析方法。并详细的介绍了小波变换的算法及推导。然后应用DSP信号处理技术，设计出电能质量在线监测系统的硬件和软件部分并给出相应模块程序流程图，通过matlab对其进行仿真分析与调试。关键词谐波电能质量小波变换DSP实时检测Abstract:Withtherapiddevelopmentofthenationaleconomyandtheinitialformationoftheelectricitymarket,powerqualityproblemshavecausedahighdegreeofattentiontothepowersector.Totakereasonablemeasurestoimprovepowerquality,theestablishmentofenergymanagementmonitoringandanalysissystem,itscorrectdetection,assessmentandclassificationisverynecessary.Thisarticlefirstintroducesageneralalgorithmforharmonicanalysisofthetheoreticalbasis.Amongthem,theuseoffastFouriertransformtopowersystemharmonicdetectiondifficulttoachievewhenthetimedomainandfrequencydomainofthereunificationwasnotpossibletodeterminethetimeofthedisturbancetookplace,thustheintroductionofwavelettransformanalysis.Anddescribesindetailthealgorithmandwavelettransformisderived.AndthentheapplicationofDSPsignalprocessingtechnology,thedesignofonlinepowerqualitymonitoringsystemhardwareandsoftwaremodulesandthecorrespondingprogramflowchartisgivenbyitsmatlabsimulationanalysisanddebugging.Keywords:HarmonicpowerqualityWaveletTransformDSPReal-timedetection目录TOC\o"1-2"\h\z\u1引言 11.1本文研究的目的及意义 11.2电能质量国内外研究现状 11.3电能质量分类及指标 11.4本次设计研究的内容和拟解决的关键问题 22电能质量问题分析方法 32.1傅里叶变换 32.2小波变换 62.3两种分析方法的比较 82.4小波变换和傅里叶变换相结合监测电能质量方案 93电能质量的测量方法 143.1频率的测量 153.2谐波测量 153.3电压偏差的测量 203.4三相不平衡度的测量 203.5电压波动和闪变的测量 214电能质量监测系统总体设计 234.1系统的性能和技术指标 234.2总体设计方案 255电能质量在线监测系统硬件设计 285.1系统整体电路 285.2信号调理电路 295.3A/D转换电路 335.4CPLD逻辑控制电路 345.5外扩存储电路 375.6电源模块电路 375.7键盘及液晶显示电路 395.8串口通信电路 395.9USB接口电路 415.10以太网通信电路 426电能质量在线监测系统软件设计 436.1主程序设计 436.2中断服务程序设计 497系统调试与分析 507.1matlab仿真分析 508结论 53参考文献 54致谢 551引言1.1本文研究的目的及意义随着我国国民经济和工业技术的快速发展,在电力系统中电网与负荷出现新的变化,由此带来的电能质量问题越发引起电力部门和电力用户的重视。一方面,冲击性负荷、非线性负荷使电网出现诸如波形畸变、电压暂降、电压闪变等较为严重的电能质量问题；另一方面,用户使用越来越多的精密复杂的电子设备,它们对电能质量敏感,要求高质量、高可靠性的电能。如今,发电方、供电方和电力用户都对电能质量给以越来越多的关注。由此,探讨电能质量领域的相关理论及控制技术,对电能质量指标进行实时监测、统计和分析,实现对电能的全面质量管理显得十分重要。1.2电能质量国内外研究现状在工业发达国家，电能质量问题早已被当作电力系统面临的重要问题看待，各国均在加强有关电能质量问题的研究，已得出不少理论成果，并提出一系列综合监测控制和管理方法。其中多数仪器是采用硬件DSP技术对电信号进行分析处理的。另外，国际测控技术正向网络化发展，出现了“网络就是仪器”的概念，电能质量在线监测也正在适应这个潮流，电能质量监测是解决电能质量问题的重要环节,是实现电能质量分析的基础。为了能全面而准确地反映出电力系统的电能质量信息,国内外已经开始广泛地实施在线监测的方法来更有效地对电能质量进行监控,对测量数据进行在线或离线的分析和统计,这是传统的离线测量方式难以实现的。根据数据采集方式的实现不同,当前电能质量在线监测主要有基于信号处理器(DSP)的监测系统和基于虚拟仪器的监测系统。1.3电能质量分类及指标电能质量问题的分类有很多种方法，按照产生和持续时间可分为稳态电能质量问题和动态电能质量问题。1.3.1稳态电能质量问题稳态电能质量问题以波形畸变为主要特征，一般持续时间较长，在一段时间内（通常是lmin以上)出现的电能质量不正常的情况，主要有下列类型：(1)过电压：是指持续时间大于lmin，数值大于标称电压的电压。(2)欠电压：是指持续时间大于1min，数值小于标称电压的电压。(3)电压不平衡：是指电压的最大偏移与三相电压的平均值的比值超过规定的标准。(4)谐波：对周期性电压或电流进行傅里叶分解，得到频率为基波整数倍分量的含有量。谐波是衡量电能质量的重要指标之一。(5)频率偏差：指电力系统频率的实际值和标称值(50Hz)之差；电力系统正常频率允许频率偏差为土0.2%Hz。1.3.2动态电能质量问题动态电能质量问题通常是以暂态持续时间为特征，包括脉冲暂态和振荡暂态两大类，主要有以下几种形式：(1)电压骤升、骤降：持续时间为0.5个周期至1min，电压有效值上升或下降至标称电压的110%--180%或10%--90%。(2)电压瞬变：持续时间很短.的电压值发生快速的变化。(3)电压闪变：电压波形包络线呈规则的变化或电压幅值一系列的随机变化，一般表现为人眼对电压波动所弓!起的照明异常而产生的视觉感受。闪变分为周期性和非周期性两种。幅值、频率、相角是描述一个标准正弦量的三个基本参数。由于电力网中存在很多频率不同的正弦波，使电力量的波形发生畸变。电力系统采用三相供电，若三相的负荷不平衡，会造成三相电力量的不平衡。所以，衡量电能质量的指标可以从幅值、频率、波形和三相平衡度这四个角度考来虑。(1)电压是否偏离额定电压及偏离的程度、是否发生了波动与闪变及闪变的严重度；(2)频率是否稳定在正常的范围之内，和标称值的偏差；(3)谐波干扰是否在允许范围之内，波形畸变的程度；(4)三相电压是否平衡及其程度。1.4本次设计研究的内容和拟解决的关键问题本文阐述了一种电能质量在线监测分析系统的设计和实现方案,重点介绍小波变换与傅里叶结合的算法，基于DSP信号处理器的硬件设计，结果通过matlab进行仿真测试，实现对电能质量在线监测目的。2电能质量问题分析方法随着电能质量问题的日益严重以及广大用户对电能质量要求的不断提高，建立电能质量监测与分析系统，对其进行正确的检测、评估和分类就显得十分必要。为了获得有关电能质量的信息，往往需要对三相电压、三相电流、中线电流和中线对地电压等信号进行测量与储存，它们构成了电能质量分析的数据源。由于这些数据必须以足够高的采样速率进行采样并储存，而且又必须长期在线进行，所以每年存储的数据量相当大。为了充分合理地利用这些数据，可以采用某种基于变换的方法将时域信息映射到频域，或者将时、频域信息结合起来进行电能质量分析。近年来，在电能质量分析领域中广泛应用的基于变换的方法主要有傅里叶变换法、短时傅里叶变换法和小波变换法。本章将针对这几种变换域方法进行详细阐述和比较。2.1傅里叶变换2.1.1傅里叶变换的基本概念设在全实轴R上是以2π为周期的函数，=,且在(0,2π)上平方可积,其中，=。在全实轴上以2π二为周期且在(0，2π)哟上平方可积函数全体组成的空间记为。对于，的傅里叶级数为（2.1.1）其中常数定义为（2.1.2）它称为f(t)的傅里叶系数。对于，它的傅里叶变换定义为（2.1.3）而的逆傅里叶变换定义为（2.1.4）在全实轴R上的傅里叶变换定义为（2.1.5）的逆傅里叶变换定义为（2.1.6）傅里叶变换是时域到频域互相转化的工具。从物理意义上讲，傅里叶变换的实质是把这个波形分解成许多不同频率的正弦波的迭加和。因此，我们就可以把对原函数的研究转化为对其权系数，即其傅里叶变换F(ω)的研究。从傅里叶变换中可以看出，这些标准基是由正弦波及其高次谐波组成的，因此它在频域内是局部化的。2.1.2离散傅里叶变换为了计算傅里叶变换，需要用数值积分，即取在R上的离散点上的值来计算积分。在实际应用中，我们希望在计算机上实现信号的频谱分析和其它方面的处理工作，所以要求信号在时域和频域应该是离散的，而且都是有限长的。下面给出离散傅里叶变换(DFT)的定义。给定实的或复的序列,，设改序列绝对值和满足，称序列n=0,1,…,N-1(2.1.7)为序列的离散傅里叶变换，称为序列的逆离散傅里叶变换。k=0,1,…,N-1(2.1.8)为了计算（2.1.9）其中，共需次乘法：对于一个n，有N次乘法，又n=0,1,…N-1,所以共有次乘法2.1.3快速傅里叶变换快速傅里叶变换(FFT)是离散傅里叶变换(DFT)经过适当安排后的快速算法，用以满足工程技术及科学研究上的需要。其原理是：(1)利用的周期性。注意==1，如果n是N的整数倍n=mN，则====1；(2)利用指数运算。由把一个复杂的运算分为几个简单的运算可以节省时间。FFT的采样点数由运算过程决定，通常为N=。此时，式（2.1.9）中的上标n和k用整数的二进制表示如下：其中取0或1。即这时式（3.1.9）变成了（2.1.10）利用则式（2.1.10）变成=（2.1.11）其中（2.1.12）继续分解，最后（2.1.13）2.2小波变换小波变换(WT)是由Morlet于1980年在进行地震数据分析工作时首创的。小波就是最短最简单的振动。小波分析的基本思想是以一簇函数去表示和逼近一个信号或函数，这一簇函数称为小波函数系，它是通过一个基本小波函数的不同尺度的平移和伸缩构成的。2.2.1一维连续小波变换设，其傅里叶变换为，当满足允许条件（完全重构条件或恒等分辩条件）时，（2.2.1）我们称为一个基本小波或母小波。母小波经过伸缩和平移后得（2.2.2）称其为一个小波序列。其中a为伸缩因子，b为平移因子。对于任意的函数，连续小波变换为（2.2.3）其重构公式（逆变换）为（2.2.4）由于母小波生成的小波在小波变换中对被分析的信号起着观测窗的作用，所以还应该满足一般函数的约束条件（2.2.5）故是一个连续函数。为了是信号重构的实现在数值上是稳定的，除了完全重构条件外女孩要求小波的傅里叶变换满足下面的稳定条件式中，。（2.2.6）连续小波变换具有以下重要性质：(1).线性性：一个多分量信号的小波变换等于各个分量的小波变换之和；(2).平移不变性：若的小波变换为，则的小波变换为；(3).伸缩共变性：若的小波变换为，则的小波变换为c>0：(4).自相似性：对应不同尺度参数a和不同平移参数b的连续小波变换之间是自相似的；(5).冗余性：连续小波变换中存在信息表述的冗余度2.2.2离散小波变换在实际运用中，尤其是在计算机上实现时，连续小波必须加以离散化。因此，有必要讨论连续小波和连续小波变换的离散化。需要强调指出的是，这一离散化都是针对连续的尺度参数a和连续的平移参数b的，而不是针对时间变量t的。这一点与我们以前习惯的时间离散化不同。在连续小波中，考虑式（2.2.2）；（2.2.2）为方便起见，在离散化中，总是限制a只取正值，这样允许条件就变为（2.2.7）通常，把连续小波变换中尺度参数a和平移参数b的离散化公式分别取作这里，扩展步长是固定值。位计算方便，经常假定，所以对应的离散小波函数可写作（2.2.8）而离散化小波变换系数则可表示为（2.2.9）其重构公式为其中C是与信号无关的常量（2.2.10）2.2.3二进制小波变换以上是对尺度参数a和平移参数b进行离散化的要求。为了使小波变换具有可变化的时间和频率分辨率，适应待分析信号的非平稳性，显然需要改变a和b的大小，以使小波具有“变焦距”的功能。在实际中采用的是动态的采样网格。最常用的是二进制的动态采样网格，即，。每个网格点对应的尺度为，而平移为k。由此得到的小波称为二进制小波。如下式（2.2.11）函数序列叫做的二进制变换，其中（2.2.12）上式的逆变换为（2.2.13）二进小波对信号的分析具有变焦距的作用。假定一个放大倍数，它对应为观测到信号的某部分内容。如果想进一步观察信号更小的细节，就需要增放大倍数，即减小j值；反之，如果想了解信号更粗的内容，则可以减小放倍数即加大j值。2.3两种分析方法的比较小波分析是傅里叶分析思想方法的发展和延拓，二者是相辅相成，两者比较主要有以下不同。(1).傅里叶变辣的实质是把信号分解到以为正交基的空间上去；小波变换的实质是把信号分解到所构成的空间上去。(2).傅里叶变换用到的基本函数只有时，具有唯一性；小波分析用到的小波函数则具有不唯一性，同一个工程问题用不同的小波函数进行分析有时结果相差甚远，小波函数的选用是小波分析应用到实际中的一个难点问题，目前往往通过经验和不断的实验来选择小波函数。(3).在频域中，傅里叶变换具有较好的局部化能力，特别是对于那些频率成分比较简单的确定性信号，傅里叶变换很容易把信号表示成各频率成分的叠加和的形式。但在时域中，傅里叶变换没有局部化能力，无法从时域的傅里叶变换看出信号在任一时间点附近的状态。(4).短时傅里叶变换中，变换结果，主要依赖于信号在片段中的情况，时间宽度是，在小波变换中，主要依赖于信号在τ附近的情况，时间宽度是随着尺度a的变化而变化的，所以小波变换具有时间局部分析能力。(5).若用信号通过滤波器来解释，小波变换与短时傅里叶变换不同之处：对于短时傅里叶变换来说，带通滤波器的带宽是固定的；相反，小波变换带通滤波器的带宽是变化的。(6).在小波分析中，尺度a的值越大，相当于傅里叶变换中ω的值越小。2.4小波变换和傅里叶变换相结合监测电能质量方案由于电力系统的电磁扰动现象非常庞杂，要对其类型进行正确的识别绝非易事。作为绝大多数谐波测试仪的基本算法，傅立叶变换已被证明非常适用于谐波等电力系统稳态扰动现象的分析，但因其不具有时域分析能力，所以在分析含有短时高频分量和长时低频分量的电能质量扰动时有很大的局限性。而短时傅立叶变换的时-频窗口没有自适应性，不能分析信号的突变过程，且其离散形式没有正交展开，故难以实现高效算法。由于具有良好的时-频局部化特性，小波变换可以聚焦到信号的任意细节，能够很好地处理突变信号，因此特别适合于非稳态畸变波形问题的分析。虽然小波变换可以克服傅立叶变换的局限性，解决傅立叶变换难以处理的问题，但其自身也有不足之处。利用小波变换并不能准确地测量谐波分量的幅值。针对上述问题，本文提出了一种实用的分析方法，将傅立叶变换和小波变换结合起来进行电能质量扰动的检测与分类，一方面使这两种变换方法优势互补、各尽所能，另一方面又可以在线地将扰动提取出来，具有很强的实时性。下面将对这一方法的具体实现作详细的说明。2.4.1二者相结合的电能质量监测方法从电能质量问题的危害和各种电能质量问题发生的频率方面分析，谐波显然是最为重要的电能质量问题之一。基于FFT的方法在谐波分析方面具有简明有效的特点，是其它方法无法比拟的。另一方面，基于FFT的方法在分析能力上确实具有重大的缺陷，这些缺陷包括：频谱不包括时域信息；为了从中提取频谱信息，就要取无限时间量；因为一个信号的频率与它的周期长度成反比，所以分析高频信息需要时间间隔相对的小，以获得比较好的精度，而分析低频信息需要时间间隔相对的宽，以给出完全的信息。而基于FFT的方法(短时FFT)具有固定宽度的时频窗口，因此无法做到这一点。小波变换是一种多尺度分析，它对时间序列过程从粗到细加以分析(即从低分辨率到高分辨率)，既显示过程变化的全貌，又剖析局部变化特征，具有对信号的自适应性，因而在电能质量分析领域大有用武之地。目前突变的、暂态的非平稳电能质量扰动的分类识别、短时间谐波的检测、电压闪变的时频分析都成为待解决的难点。针对这些电能质量扰动，提出采用小波多分辨率信号分解的电能质量检测新方法。小波变换具有良好的时一频局部化特征，可以聚焦到信号的任意细节，能够很好地处理突变信号，特别适合于非稳态畸变波形问题的分析。但其自身也有不足之处，利用小波变换不能准确地测量谐波分量的幅值。所以，用于实现电能质量在线监测的算法应该是一种同时具备FFT方法和小波方法优点的算法，该算法必须具备以下特点：(1).能够获得信号的准确频率特性，即能够分析谐波的准确位置和能量。这必须通过基于FFT方法的计算得到。(2).对时间域的变化要敏感，能够准确得到电能质量的细微变化在时域中发生的时间。(3).算法得到的系数应该在时域和频域上具有明确的物理意义，即系数应该与明确的时间和频率相对应，能够从系数中获得重要的与电能质量问题的类型相关的时域和频域的特征信息，算法效率要高，适用于实时分析。大量理论文献和研究表明，目前单独使用FFT算法或者某种小波分析算法是无法获得上述分析能力的，因此必须同时使用FFT算法和小波分析算法来实现电能质量的在线监测。一方面使这两种变换方法优势互补，各尽所能，电能质量监测方法原理框图如图2-1所示。电能质量信号电能质量信号采样采样数字滤波数字滤波Mallat分解算法Mallat分解算法是否检测到极大值是否检测到极大值FFT频谱分析求出扰动持续时间FFT频谱分析求出扰动持续时间由频谱判断稳态现象的类型Mallat重构算法提取扰动波形由频谱判断稳态现象的类型Mallat重构算法提取扰动波形纯正弦波闪变谐波暂态长期短期纯正弦波闪变谐波暂态长期短期图2.1小波变换和傅立叶变换的电能质量监测方法原理框图2.4.2应用小波分解与重构检测扰动信号(1)小波基选取原则：eq\o\ac(○,1)正交性(或近似正交性)、紧支性、可进行离散小波变换等性质。eq\o\ac(○,2)尺度函数和小波基都具有一定的消失矩，这种特性有利于加快小波变换的速度。eq\o\ac(○,3)在不同分辨率具有非常好的多项式函数近似，增加分析计算的效率。eq\o\ac(○,4)能够比较容易地直观显示信号的特性，同时还能检测其它潜在的时变扰动。在多分辨率分析中，尺度函数和小波函数可以分别表示为：（2.4（2.4式（2.4.1）称为尺度函数的双尺度方程，式（2.4.2）称为小波函数的双尺度方程。从这两个方程式可以看出，小波基可以由尺度函数的平移和伸缩的线性组合得到，其构造归结为低通滤波器的设计。(2)分解层数的确定:为了检测和提取电能质量扰动，必须确定合理的分解层数，对信号的频带进行正确的划分。频带划分的原则是：尽量使信号的基频位于最低子频带的中心，从而限制基频分量对其它子频带的影响。00—6.4kHz0—3.2kHz3.2—6.4kHz1.6—6.4kHz0—1.6kHz0.4—6.4kHz0—0.4kHz0.8—6.4kHz0—0.8kHz0.2—6.4kHz0—0.2kHz图2-2频带划分示意图设采样频率为。频带的划分数目可由下式取整数求得：（2.4.3本文分析的我国的电能质量信号基频为50Hz，采样频率为12.8kHz。由上式求得子频带的数目为p=7，即应该对信号进行6层多分辨率分析。频带划分示意图如图2-2所示。此时基频恰好位于最低子频带的中心。（3）信号奇异性的检测信号中的奇异点及不规则的突变部分经常带有比较重要的信息，它是信号重要的特征之一。长期以来，傅立叶变换是研究函数奇异性的主要工具，其方法是研究函数在傅立叶变换域的衰减以推断函数是否具有奇异性及奇异性的大小。但傅立叶变换缺乏空间局部性，它只能确定一个函数奇异性的整体性质，而难以确定奇异点在空间的位置及分布情况。由于小波变换具有空间局部化性质，因此利用小波变换来分析信号的奇异性及奇异性位置和奇异度的大小是比较有效的。利用小波分析检测信号突变点的一般方法是：对信号进行多尺度分析，在信号出现突变时，其小波变换后的系数具有模极大值，因而可以通过对模极大值点的检测来确定扰动发生的时刻。一般突变点的定位是在多分辨分析的第一层和第二层高频系数中进行的判断的。（4）扰动持续时间的确定如果在小波分解的第一层和第二层高频系数中检测到了模极大值，说明信号有突变，对应的电能质量现象为非稳态扰动。非稳态扰动现象包括暂态、短期变化和长期变化三大类。为了进一步区分这三种非稳态扰动，可以利用其持续时间特征作为分类的重要依据之一。短期电压变化的持续时间为0.5个周期到1分钟，长期电压变化的持续时间为大于l分钟，而暂态的持续时间具有不确定性，一次脉冲暂态的持续时间可能只有几纳秒，而一次低频振荡暂态过程则可能持续数十毫秒。因此，利用扰动持续时间可以较好地区分短期变化和长期变化，但如果低频振荡暂态的持续时间恰好位于短期变化定义的持续时间范围内时，则必须利用小波重构对扰动波形进行提取，从而实现进一步的分类来区分低频振荡暂态和短期变化。（5）扰动波形的提取为了更好的区分持续时间范围有重合的低频暂态和短期变化，以及对暂态现象更细的分类，可以利用小波重构对扰动波形进行提取。重构波形的幅值和上升沿等特征信息为扰动的进一步分类提供了依据。设扰动的持续时间为，则对，的频率所在的频带进行重构，可以将扰动的波形提取出来。为了提取更为精确的扰动波形，往往需要对多个子频带进行小波重构，尤其是和所在的频带相邻的子频带。重构得到的扰动波形可以作为人工神经元网络(ANN)或者模糊专家系统(FEs)的输入，从而进行离线的扰动辨别和评估。图2-3为利用Mallat小波重构算法对某一脉冲暂态信号进行扰动波形提取的结果。其中横坐标表示采样点数，纵坐标表示幅值。重构的扰动波形重构的扰动波形10.50-0.5-10500100015002000250030003500400045000.50-0.5-1-1.5050010001500200025003000350040004500信号图2-3对脉冲暂态信号的扰动波形的提取通过对暂态扰动所做的大量仿真，可以得知：重构扰动波形的方法对中频振荡暂态和低频振荡暂态的提取效果令人满意。但由于采样频率的限制，该方法不能用来提取频率成分过高的暂态过程。另外，小波重构对短期变化扰动的提取效果也不佳，这是因为短期变化现象的持续时间通常远大于暂态过程的持续时间，其频谱成分大都集中在最低子频带，无法将基波和扰动波形区分开来。所以为了正确区分暂态、短期变化和长期变化这三类非稳态扰动，必须首先用小波分解确定扰动持续时间，然后用小波重构提取扰动波形，应该将这二者结合起来作为分类的依据。2.4.3如果在应用小波分解没有检测到模极大值的情况下，说明信号没有突变点，对应的电能质量现象为稳态扰动或正常情况。此时，可以利用快速傅立叶变换(FFT)进行分析。对谐波、闪变及纯正弦波电压进行傅立叶分析后，可以看出这三种稳态现象的谐波频谱具有明显不同的特征。因此，利用快速傅立叶变换不仅能够计算出电压的各次谐波含量，而且可以作为区分谐波和闪变的一种手段。3电能质量的测量方法随着电能质量对国民经济的影响逐渐加大和人们对电能质量研究的逐渐深入，人们对电能质量关注的焦点已不仅仅是电压、频率和谐波等各种稳态指标，还包括影响电能质量的实时信息，如瞬时扰动和暂态谐波等，同时也要求电能质量监测系统提供更为直观的分析结果，以利于对电能质量问题做出决策。下面简单介绍五种电能质量的测量方法。3.1频率的测量电网频率是电能质量体系中的一个重要指标,关于频率测量的研究，国内外已经有较多的成果，许多算法已经应用到现实生活中，早期测量过程中需要时间长，在暂态过程中测量误差大。后期利用DSP数字技术对频率进行测量，具有测量精度高和时间短的优点得到广泛的应用。进行频率测量的主要算法有：(1)周期法：周期法即为零交法。通过测量信号波形相继过零点间的时间宽度来计算频率。该方法概念清晰、易于实现，但精度低，受谐波、噪声和非周期分量的影响，实时性不好。对它的改进主要是提高实时性和测量精度。改进算法有：水平正交算法、高次修正函数法和最小二乘多项式的曲线拟和法。这样计算量和复杂度会很大。(2)解析法：通过对信号观测模型进行数学变换，将待测量f或△f表示为样本值的显函数来估计，但精度总体不高。(3)误差最小化原理类算法：包括最小二乘算法、最小绝对值近似法、牛顿算法、离散卡尔曼滤波算法、正交去调制法、DFT(FFT)类算法及其改进算法3.2谐波测量由于电力系统中非线性负荷的增加，给系统带来了大量的谐波污染，影响了电网的安全运行和用户对电能质量的要求。在谐波测量上多数采用数学方法对电压电流信号进行谐波分析，对于稳态谐波的测量，快速傅里叶变换（FFT）是分析谐波的最好方法，利用FFT可以直接得到波形所含的各频谱分量，下面介绍一下FFT的改进算法基于复序列的FFT算法。3.2.1基于复序列的FFT算法推导基于复序列的FFT算法是FTT的改进算法，这里先介绍FFT算法的推导过程。当输入信号可为周期函数或可近似地作为周期函数处理时，电力系统信号均满足，则它可被分解为一个各种频率的正弦函数序列之和，即傅立叶级数，其三角级数形式为：（3.2.1）式中：，，，h=1，2，…h=1，2，…若设则（3.2.2）将公式代入上式可得：h=0，1，2…（3.2.3）上式即为傅里叶级数的复数形式。对信号进行每周波均匀采样N个点时，将上式进行离散化处理得：，h=0，1，2…（3.2.4）令，则，h=0，1，2…（3.2.5）上式为傅立叶级数的离散形式，称为离散傅立叶变换(DFT)。由于离散型傅里叶和快速傅里叶运算都是以复数信号进行处理的，而实际中处理的一般都是实数信号，直接用FFT对实数信号进行处理是不方便的。在实际运算序列时，可以将两个长度相同的实序列分为负序列的实部和虚部来进行处理，即基于负序列的FFT算法。推导方法如下：设两个实序列令得：（3.2.6）（3.2.7）其中的实部和虚部。（3.2.8）由式（3.2.7）得：（3.2.9）（3.2.10）根据傅立叶变换的周期性和奇偶虚实性，可知实序列的傅立叶变换的实部为偶函数，虚部为奇函数。可得：对（3.2.6）进行FFT变换，由于其复共轭性质，可以得到（3.2.12）式中的共轭复数，这就是复序列FFT的算法原理。3.2.2基于复序列的FFT算法设畸变电压和电流中含有L次谐波，则可以用下面表达式表示：（3.2.13）现若已经测量到N点的电压序列，则可以构造一个复序列（3.2.14）对复序列，其离散傅里叶变换为（3.2.15）由（3.2.14）可得：（3.2.16）对上式进行DFT并考虑其复共轭性质，可以得到电压、电流的频谱为：（3.2.17）设u(t)是一个仅含有第q次谐波的正弦电压信号，则由式(3.2.13)得（3.2.18）其向量表示式为；（3.2.19）当在一个信号周期内对进行N点等间隔采样时有：（3.2.20）对于非正弦周期信号的离散傅立叶变换，若已知最高次谐波为L，则在一个信号周期内的采样点数N应为：N>2L。在此，对一个仅含有第q次谐波的正弦电压信号而言，应满足N>2q。因q为正整数，故1<q<N/2-1。容易证明电压频谱U(q)为（3.2.21）其向量表示为：(3.2.22)由式（3.2.20）和（3.2.22）可得电压、电流向量及频谱关系（3.2.23）谐波电压和谐波电流的有效值和功率如下：（3.2.24）（3.2.25）（3.2.26）（3.2.27）（3.2.28）式中分别为X的实部和虚部。根据以上结果，可得到电压和电流的有效值、有功功率、无功功率、功率因数分别为从以上推导可知，在整个过程中只需要对式(3.2.10)进行一次FFT变换，就可以完成谐波、电压电流有效值和功率的计算；与传统的FFT比较，对相同长度电压、电流采样序列进行谐波分析，采用基于复序列FFT算法可以把FFT分析运算量减半，这样大大提高了数据处理的速度。3.2.2通过基于复序列FFT算法对电网谐波进行分析后，我们就可以对电网中的谐波指标进行计算了，下面是几个谐波指标的定义及计算方法。谐波含有率(HR)：h次谐波分量的有效值(或幅值)与基波分量的有效值(或幅值)之比，用百分数表示即：第h次谐波电压含有率：第h次谐波电流含有率：总谐波畸变率（THD）：谐波总量的有效值与基波分量的有效值之比，用百分数表示即：谐波电压总量为：谐波电流总量为：电压总谐波畸变率：电流总谐波畸变率：3.3电压偏差的测量电压允许偏差是指电力系统电压缓慢变化时，实际电压与系统标称电压之差。通常指电压变化率小于每秒1%时实际电压值与系统标称电压之差，可用有名值或标么值表示。（3.3.1）其中实际电压为实测电压，额定电压为系统的额定电压。电压变动指的是供电点电压在两个相邻的、持续一定时间的电压均方根值之间的差值。通常以额定电压的百分数来表示电压变动的相对百分值即：（3.3.2）在同一方向小于30ms的快速。变化不计入电压变动。小于30ms的期间内，同方向的电压均方根值的变动只算作一次变动。在单位时间内电压变动的次数称为电压变动的频度。当所测电压有效值低于额定电压10%且持续3秒钟以上视为电压间断。3.4三相不平衡度的测量三相不平衡度的测量建立在各序分量的计算上。电力系统三相不对称时，三相电路的电压和电流的基频分量都呈现为不对称的向量。根据对称分量法可以将三相不对称的分量唯一地分解为3组对称的分量，即正序分量、负序分量和零序分量。以电压为例：A、B、C三相电压的零序、正序、负序的计算公式如下：（3.4.1）式中为A、B、C三相电压矢量，a为旋转因子，三相电压不平衡度通常以负序分量与正序分量均方根值的百分比来表示。（3.4.2）通过上式可得到三相电压、电流的不平衡度。不平衡度的3秒方均根值（3.4.3）式中：是在3秒内第K次测得的不平衡度。m：是在3秒内均匀间隔取值次数，m=6不平衡度的统计测量方式和谐波的统计测量方式相似。采用上述方法计算较为繁琐，国际中给出了儿个简化的计算公式，但都有其限定的应用条件。公式（3.4.4）其中：，a、b、c为三向量。另有不平衡度的近似计算公式（3.4.5）式中：。3.5电压波动和闪变的测量3.5.1在检测电压波动分量时，通常将电压波动看成以工频电压为载波，以电压的方均根或峰值受到以电压波动分量作为调制波的调制。对于任何波形的调幅波均可以看作是由各种频率分量合成。设电压瞬时值解析式为：（3.5.1）为求电压的波动只需提取出调幅波。将上式平方可得：（3.5.2）平方后的信号经过0.05-35HZ的带通滤波器滤去直流分量和工频以上的分量，便可检测出调幅波即电压波动分量，其输出为：（3.5.3）3.5.2电压闪变指标的测量根据电工委员会推荐规定，给出闪变的检测规范，如下图所示。框1框1u(t)S（t）输入适配和自检信号平方检测器0.05Hz~35Hz带通滤波器加权滤波器平方器，一阶低通滤波器框3框4框2框5闪变的统计评定图3-1电压闪变测量框1，将输入的被测电压适配成适合仪器的电压数值，并能发生标准的调幅波电压作仪器自检信号。框2，用平方检测法从工频电压波动中调解出反映电压波动的调幅波。框3，由带通滤波器和加权滤波器构成。要对二倍工频的衰减在90db量级。这里带通滤波器由截止频率0.05Hz高通滤波器和35Hz的低通滤波器构成，其作用是检测出电压波动分量；加权滤波器的作用是用来模拟人眼对不同频率电压波动分量的选择性，并对二倍工频以上分量进行衰减。各环节的传递函数为：（3.5.4）式中，35Hz低通滤波器为六阶巴特沃思滤波器，传递函数：（3.5.5）式中：，加权录波器的传递函数即为UIE给出逼近视感度系数曲线的传递函数，（3.5.5）式中框4，平方器和一阶低通滤波器，模拟人脑神经对视觉反映和记忆效应。信号的平方模拟非线形的眼一脑的觉察过程；平滑滤波模拟人脑的记忆效应。一阶低通滤波器的传递函数：（3.5.6）框5，统计分析，将4输出的恒速采样(采样频率不小于50Hz)，输出Pst和Plt电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分稳态和暂态两大类。稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷以及噪声等；暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分脉冲暂态和振荡暂态两大类。本设计主要研究这两大类电能质量问题的算法和在线监测装置的设计。4电能质量监测系统总体设计4.1系统的性能和技术指标本文所设计的电能质量监测系统主要实现国家标准中关于电能质量的指标:电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡等指标的检测，并能够实现对基本电量，如电压、电流、功率、功率因数、频率等参数进行高精度的在线测量；能够采用多种通讯方式实现远程组网进行数据采集和监测；采用高分辨率TFT-LCD实时显示数据；当有数据指标超过限定值时，系统会记录下来并报警。根据系统的设计思想和性能要求，同时依据国家标准或国际标准，制定了本文所设计的电能质量监测系统的技术指标，如下所示：4.1.1可测量参数(1)电压有效值(电压偏差)、电流有效值(电流偏差)、频率值(频率偏差)；(2)有功功率、无功功率、视在功率、功率因数；(3)电压不平衡度、电流不平衡度；(4)谐波电压、谐波电流(至50次)，谐波相位、谐波功率、谐波畸变率。4.1.2主要功能(1)测量三相电压、电流的各项电能质量；(2)谐波测量次数:1～50次；(3)具有电压、电流不平衡测量功能；(4)具有基波参数，三相电压、电流，有功、无功功率等指标测量和显示功能；(5)具有各项指标超限记录功能；(6)通过键盘操作可实时显示各项指标和设置参数；(7)可将数据存入移动存储盘，提高了系统的便携性。4.1.3技术指标(1)频率测量范围：45～55Hz，精度：0.1Hz；(2)相位测量范围：0～360度，精度：1.0%；(3)电压测量范围：0～400V，精度：1.0%；(4)电流测量精度：1.0%；(5)基波精度：基波电压1.5%，基波电流1.5%；(6)谐波电流精度：当≥3%时，相对误差<5%；<3%时，相对误差<0.15%；(7)谐波电压精度：当≥1%时，相对误差<5%；<1%时，相对误差<0.05%；(8)电流不平衡度测量精度：1.0%；(9)电压不平衡度测量精度：1.0%；(10)信号转换精度：16Bit；测频误差：＜0.01Hz4.2总体设计方案4.2.1系统总体结构设计本系统组成框图见图4-1。它主要由信号采集模块、DSP数据处理模块、CPLD逻辑控制模块、键盘和液晶显示电路、外扩存储器电路和通信电路组成。整个系统的工作原理为：三相电流经过电流互感器(CT),三相电压经过电压互感器(PT)后,由A/D采样芯片ADS8364进行采样，将输入的模拟信号转换成数字信号，送入DSP进行数据处理、显示结果、存储数据和传输数据等工作，即DSP把实时的计算结果送到液晶显示屏显示，并把超标数据存储在非易失性FLASH存储器里；可以使用键盘操作设置参数，将数据通过USB存进移动存储盘，并能通过RS232、RS485、以太网接口等通信接口实现与上位机相连，将数据上传至上位机，实现在上位机中对数据的分析管理；CPLD用来实现对整个系统外围电路的逻辑控制，产生对信号采集模块、RS485模块、USB模块和以太网模块的片选信号。键盘CPLD逻辑控制模块键盘CPLD逻辑控制模块以太网USBRS485RS232信号采集以太网USBRS485RS232信号采集DSP（TMSDSP（TMS320F2812）数据处理模块外扩FLASH外扩RAM液晶显示外扩FLASH外扩RAM液晶显示图4-1系统总框图4.2.2按照模块化、数字化、智能化、网络化的设计思想，在设计中将整个硬件电路分为六大模块：信号采集模块、DSP数据处理模块、CPLD逻辑控制模块、外扩存储模块、键盘及液晶显示模块和通信模块。系统各个模块的具体功能介绍如下：（1）信号采集模块信号采集模块包括电压互感器、电流互感器、偏置电路、A/D转换芯片，其主要功能有：eq\o\ac(○,1)电压互感器将电网中的交流电压信号转换成峰值为-10V~+10V的双极性电压信号；eq\o\ac(○,2)电流互感器将电网中的交流电流信号转换成峰值为-10V~+10V的双极性电压信号；eq\o\ac(○,3)偏置电路将-10V~+10V的双极性电压信号转换成0V~+5V的单极性电压信号；eq\o\ac(○,4)A/D转换芯片采用ADS8364,可以将0V~+5V的单极性电压信号转换成数字信号处理。（2）DSP数据处理模块DSP数据处理模块是整个系统的核心模块，经反复比较，主控芯片使用的是TI公司的32位DSP芯片TMS320F2812。其完成的主要任务如下：eq\o\ac(○,1)将A/D芯片输出的采样值进行数据处理，得到电能质量参数指标；eq\o\ac(○,2)存储超标数据并报警；eq\o\ac(○,3)与键盘显示模块一起共同完成键盘输入与LCD显示等人机交互功能；eq\o\ac(○,4)提供通信接口进行数据传输。（3）CPLD逻辑控制模块CPLD是整个系统的逻辑控制核心，选用的是Altera公司的EPM240T100,其主要功能为：eq\o\ac(○,1)对DSP输出的地址译码后产生外围电路的片选信号，包括A/D转换电路、LCD电路、485控制电路、USB控制电路和以太网控制电路的片选信号；eq\o\ac(○,2)CPLD内部设计了按键状态寄存器，供DSP读取按键状态；eq\o\ac(○,3)CPLD内部设计了外部中断状态寄存器，使DSP可以采用查询方式执行中断处理程序；eq\o\ac(○,4)CPLD内部设计了外设控制寄存器，可通过写该寄存器控制外设电路的操作。（4）键盘及液晶显示模块键盘及液晶显示模块实现了系统的人机交互功能，它的主要作用有：eq\o\ac(○,1)通过按键可以执行设置参数、选择显示内容、发送数据等操作；eq\o\ac(○,2)LCD可以实时显示监测到的电能质量指（5）外扩存储模块外扩存储模块包括外扩RAM和外扩FLASH，其作用分别为：eq\o\ac(○,1)外扩RAM可以存储采集到的信号以及相应的计算结果；eq\o\ac(○,2)外扩FLASH可以存储DSP程序、固定的数据表格和固定参数。（6）通信模块为了加强对运行状况的监控，实现智能化的管理，本系统设计了通信模块，它包括四个通信接口：eq\o\ac(○,1)利用DSP芯片本身自带的两个SCI通信接口分别用于RS232通信和RS485通信；eq\o\ac(○,2)设计了USB通信接口，可以将数据存入移动存储盘；eq\o\ac(○,3)设计了以太网通信接口，可以实现对电能质量的远程监测，提高了系统网络化水平。4.3系统主CPU选型分析本文设计的电能质量在线监测系统，采用高性能DSP处理技术，高速实时采集指定线路的三相电流和电压模拟信号，在A/D转换后输入到DSP芯片中对数据进行实时分析处理，计算电网的各种电力参数，分析电网的电力质量信息，并将监测数据就地存储或通过通信接口进行通信传输。选择DSP芯片，必须在电能质量在线监测仪的实际监测需求的前提下，结合DSP芯片的运算速度、计算精度、片上存储器的大小、I/O接口性能、编译器和实时操作系统、片上可编程时钟等指标，因此，综合各方面情况，本文选用TMS320F2812定点DSP芯片作为系统的主CPU。TMS320C28x系列是TI公司最新推出的DSP芯片，是目前国际市场上最先进、功能强大的32位定点DSP芯片。它既具有数字信号处理能力又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制能力。特别适用于大量数据处理的测控场合，如工业自动化控制和电力电子技术应用等。TMS320F2812定点DSP芯片的主要性能指标如下：(1)高性能静态CMOS技术·工作频率150MHz（时钟周期6.67ns）·低功耗(核心电压1.8V,I/O口电压3.3V)·Flash编程电压3.3V(2)高性能的32位中央处理器·16位×16位和32位×32位的乘累加操作·16位×16位的双乘法累加操作·哈佛总线结构·代码高效(支持C/C++或者汇编语言)·与TMS320F24X/LF240X处理器的源代码兼容(3)片内存储器·128K×16位的Flash存储器·1K×16位的OTP型只读存储器·L0和L1：两块4K×16位的单周期访问RAM(SARAM)·H0：一块8K×16位的单周期访问RAM(SARAM)·M0和M1：两块1K×16位的单周期访问RAM(SARAM)(4)外部存储器扩展接口XINTF(仅TMS320F2812具有)·最多1MB字的寻址空间·可编程等待周期·可编程读/写选择时序·三个独立的片选信号(5)三个外部中断(6)外部中断扩展(PIE)模块·可支持96个外部中断（当前只使用了45个中断）·3个32位的CPU定时器(7)电机控制外围设备·两个事件管理器(EVA,EVB)·与C240X系列兼容的器件(8)串口外围设备·串行外设接口(SPI)·两个UART接口模块(SCI)·增强的eCAN2.0B接口模块5电能质量在线监测系统硬件设计5.1系统整体电路TMS320F2812对于片内的各个部件采用了独立的电源供给方式：内核采用1.8V供电，I/O和Flash编程采用3.3V供电。采用以上的供电方式，可以减小DSP的功耗。系统采用30MHz外部时钟输入，经内部PLL倍频后可得最高时钟频率：150MHz。CS1、CS2、CS6为外部扩展存储空间XINTF的片选信号，分别用于扩展CPLD中的外设寄存器、FLASH存储器和RAM存储器。RD,WR为外扩存储空间的读写信号；D[15..0]和A[18..0]为外扩存储空间的数据线和地址线；EMU1、EMU0、TCK、TDO、TDI、TRST、TMS为JTAG电路信号。T2PWM为事件管理器EVA的通用定时器T2的输出，用于定时启动A/D转换，PWM1为事件管理器EVA的通用定时器T1的PWM输出,用于为A/D芯片ADS8364提供时钟信号；INT1为F2812的外部中断，接A/D的转换完成信号EOC，当A/D转换完成时触发外中断INT1，由DSP读取转换后的数据。RXA/TXA和RXB/TXB为F2812自带的两组SCI串口通信接口，其中，RXA/TXA用于RS232串口通信，由MAX3232芯片进行电平转换，RXB/TXB用于RS485通信,由MAX3485芯片进行电平转换；RTL8019和SL811HS分别为以太网通信和USB通信控制芯片。CPLD为系统中外围电路逻辑控制芯片，主要作用是实现对外围电路的片选控制，包括对A/D芯片、MAX3232芯片、MAX3485芯片、RTL8019芯片、SL811HS芯片和LCD电路的片选控制功能。系统整体电路结构框图如图5-1所示。图5-1系统整体电路结构框图5.2信号调理电路信号调理电路主要功能是将模拟信号经过放大、偏置等环节调至A/D转换器输入所要求的范围。调理电路包括互感器电路和偏置电路。互感器电路负责将二次侧的强电信号转换为弱电信号；偏置电路则负责将互感器输出的双极性交流信号转换为适合A/D输入的单极性信号。5.2.1(1)电压互感器电路电压互感器采用SPT204A,其输入额定电流为2mA,输出额定电流为2mA，使用时需要将原边电压信号变换为电流信号，因此需要在原边串联一个合适的电阻，以满足输入端电流为2mA的要求。具体电气特性如表5-1。表5.1电压互感器指标指标名称指标参数指标名称指标参数额定输入电流额定输出电流额定输入电压额定输出电压2mA2mA串联电阻后30～1000V50mV～8V匝数比非线性度相移副边电阻1：1＜0.1%＜5度大约100Ω电压互感器输出的是电流信号，但是A/D转换模块一般都只能对电压信号进行采样，因此需要将电流信号转换为电压信号，电路如图5-2所示。图5-2电压互感器电路图图中R1是限流电阻，无论额定输入电压多大，调整R1的值，使得额定输入电流为2mA,就能满足使用条件。副边电路是电流/电压变换电路，当需要电压输出时采样。调整图中的反馈电阻R2和R3的值可得到所需要的输出电压，R2用来微调。电容C1和R4是用来补偿相移。电容C3作用是去藕和滤波。（2）电流互感器电路电流互感器采用SCT254FK,该互感器是通过感应原边的输入电流来进行转换的，其额定输入电流为5A,额定输出电流为2.5mA。其相关参数如表5-2所示。表5-2电流互感器指标指标名称指标参数指标名称指标参数额定输入电流额定输出电流匝数比5A2.5mA1：2000线性范围相移冲击电流0～20A＜5度100A/1s33图5-3电流互感器电路图图中副边电路是电流/电压变换电路，当需要电压输出时采用。调整图中的反馈电阻R5和R6的值可得到所需要的电压输出，其中，R5用来微调输出电压。电容C4和R7用来补偿相移。电容C5用来去藕和滤波。图中电阻、电容、二极管的作用以及计算方法与电压互感器电路相同。经过实测后，当设定输出电压峰值在10V时，整个电路参数值见图5.35.2.2互感器电路输出的信号是峰值在10V左右的双极性交流信号，而所采用的A/D转换要求其输入为0～5V的单极性信号，因此还需要如图5-4所示的偏置电路图5-4偏置电路原理图上图中的偏置电路主要器件是运放，其主要的功能是将双极性交流信号转换成单极性信号，以便A/D模数转换器采样。如图所示，两个运放中下面一个运放构成电压跟随器，输出2.5V电压；上面一个运放构成同向放大电路，其输出作为A/D转换器的输入电压。根据输入双极性信号电压峰值大小的不同，可以调整R1和R2的电阻值，使输入A/D转换模块的电压变为单极性电压0～+5V。5.3A/D转换电路5.3.1A/D转换部分采用ADS8364作为采样芯片。ADS8364是一种高速、低功耗、十六位模数转换器，主要应用于电机控制和多轴定位系统等方面。其共模抑制在50kHz时为80dB，因此，特别适用于噪声比较大的环境。ADS8364采用+5V工作电压，并带有80db共模抑制的全差分输入通道以及六个4μs连续近似的模数转换器、六个差分采样放大器。另外，在和引脚内部还有+2.5V参考电压以及高速并行接口。ADS8364的六个模拟输入分为三组（A,B,C）么个输入端都有一个保持信号用来保证及格通道能同时进行采样和转换。ADS8364的差分输入可在-VREF到+VREF之间变化。5.3.2本A/D转换电路采用的是单端输入方式。ADS8364的参考电压是其自身的参考电压输出VREF，-IN端输入的是共模电压CV,也就是其自身的参考电压VREF。当REFIN和REFOUT直接相连时，ADS8364的参考输出VREF为+2.5V，此时根据单端输入峰-峰值的计算公式CV+VREF和CV-VREF,可得A/D输入电压范围为0V～+5V，满足了A/D的输入要求。ADS8364与F2812、CPLD的接口电路如图5-5所示，从图中可以看出，ADS8364的A2、A1、A0与F2812的低三位地址线A2、A1、A0相连，片选信号ADCS由CPLD对DSP地址线A[12..9]译码产生，则A/D内部六个通道(CHA0、CHA1、CHB0、CHB1、CHC0、CHC1)寄存器的地址分别为0x003C00、0x003C01、0x003C02、0x003C03、0x003C04、0x003C05。ADD引脚接地选择直接地址读方式，即依次读出六个寄存器的值，BYTE引脚接地选择一次读出十六位。HOLDA、HOLDB、HOLDC信号同时连接到F2812的T2PWM,由F2812中的通用定时器T2产生定时转换启动信号，同时启动六个通道转换。A/D的时钟信号CLK与F2812的T1PWM相连，由EVA事件管理器的T1PWM来提供给A/D时钟信号，本系统将提供5MHz的时钟信号。转换完成信号EOC直接接F2812的外部中断引脚INT1,当转换完成后引起F2812的外部中断INT1触发，依次读取六个寄存器中的转换数据。图5-5A/D转换电路图另外，ADS8364的模拟输入端必须接偏置电路，以将-10V～+10V的双极性电压转换为0～+5V的单极性电压，因为ADS8364有六个模拟输入通道，因此必须接六个相同的偏置电路,偏置电路如图5-6所示。图5-6A/D输入偏置电路图5.4CPLD逻辑控制电路在DSP应用系统中，DSP对外围器件的数字接口电路可以使用小规模的数字器件来实现，普通逻辑器件性能差，CPLD等可编程逻辑器件具有集成度高，可现场编程，扩展性好等特点，很好的满足了DSP对外接数字接口电路的要求。5.4.1选型及电路设计本系统选用的CPLD是Altera公司的EPM240T100。EPM240T100是最新的MAXⅡ系列中的一员，拥有240个逻辑单元(LE)以及更快的运行速度。EPM240T100有80个可配置I/O。I/O端口电压可以设置为3.3V，2.5V和1.8V；外部下载与调试电缆采用ByteBlasterⅡ。CPLD的接口电路图如图5-7。CPLD在系统中起逻辑控制作用，分别与DSP、A/D模块、USB模块、以太网模块、RS485模块、LCD模块、按键模块以及蜂鸣器接口。在图5-7中，CS1、RD、WR、INT2、D[7..0]和A[12..9]信号为CPLD与DSP的接口信号；其中CS1是F2812的外部扩展存储空间的片选信号，当CS1有效时，外部扩展存储空间：0x002000～0x005FFF被选中，即可以被读写；INT2信号接F2812的外部中断INT2,用于扩展两个外部中断：8019INT（以太网中断）和USBINT(USB中断)，即这两个中断共用同一个F2812的外部中断INT2；KEY[8..1]信号接8个按键输入；8019INT和USBINT信号分别接以太网控制芯片RTL8019AS的中断请求端INT0和USB控制芯片SL811HS的中断请求端INTRQ；8019CS和8019RST信号为RTL8019AS芯片的片选信号和复位信号，接RTL8019AS芯片的AEN脚和RST脚；USBCS信号为USB芯片的片选信号，接USB芯片的CS脚；485OE信号为RS485芯片的发送/接收选择信号，同时接RS485芯片的RE和DE端；Speaker信号为蜂鸣器开关信号，控制蜂鸣器的通断。图5-7CPLD接口电路图将上面所设计完成的原理图经编译下载到CPLD中后，就可实现译码控制逻辑，即可以对A[12..9]进行译码来实现对不同外围电路的读写操作。CPLD内部寄存器和各外围电路寄存器的地址应如此确定：首先整个CPLD的片选信号为CS1，即可以确定CPLD中所有寄存器和外围电路寄存器的地址范围为：0x002000～0x005FFF，然后由A[12..9]来决定CPLD内部寄存器和各外围电路片选信号的地址，对于外围电路寄存器的地址还得由外围电路的片选信号和低位地址线决定。例如，A/D转换模块中六个通道的地址就可由A/D电路的片选信号ADCS和低位地址线(A2、A1、A0)决定,其中片选信号ADCS由A[12..9]译码决定，当A[12..9]=1110时ADCS有效，低位地址线(A2、A1、A0)可以选择六个通道地址；因此，由于CPLD中所有寄存器和外围电路寄存器的地址范围为：0x002000～0x005FFF，当A13=0时六个通道的地址必然不在此地址范围，故A13只能为1；而此时A[12..9]=1110，A[2..0]=000～101分别对应六个通道寄存器CH_A0、CH_A1、CH_B0、CH_B1、CH_C0、CH_C1；A[8..3]属于无关地址，可以任意选择，在此A[8..3]全取为0；综上：A13=1,A[12..9]=1110,A[8..3]=000000,A[2..0]=000～101,由此可确定A/D模块中六个通道寄存器CH_A0、CH_A1、CH_B0、CH_B1、CH_C0、CH_C1的地址分别为0x003C00、0x003C01、0x003C02、0x003C03、0x003C04、0x003C05。同理，可确定其他CPLD内部寄存器和各外围电路寄存器的地址。5.5外扩存储电路TMS320F2812片上自带128K×16位的FLASH和18K×16位的SRAM,但由于系统需要处理的数据量大，故需要外扩FLASH和SRAM。本系统外扩的RAM芯片为IS61LV25616,大小为256K×16位，因其映射于Zone6空间，故其地址范围为0x100000～0x13FFFF或者0x140000～0x17FFFF。IS61LV25616采用3.3V供电电压，访问速度有10ns、12ns可选择。当TMS320F2812运行在150MHz时，地址和数据最小有效时间为3个时钟周期，即20ns,所以该存储器接口不需要考虑时序设计问题。外扩的FLASH芯片为SST39VF800,大小为512K×16位,因其映射于Zone2空间，故其地址范围为0x080000～0x0FFFFF,SST39VF800同样采用3.3V供电。其接口电路如图5-8所示。5-8外扩存储电路图5.6电源模块电路电源是整个系统中的重要环节，大多数不稳定的因素或故障都是由于电源方面的设计造成的，因此必须加以重视。整个电路需要用到5V、3.3V、1.8V的电源，因此必须采用电源转换芯片转换得到首先介绍12V-5V电路。国家半导体公司推出的LM2596系列芯片可以分别提供3.3V、5V、12V的固定电压输出和可调电压输出，在此我们选用了LM2596-5.0。LM2596-5.0的电气特性为当输入电压为7V～40V时输出电压为5V,负载电流为0.2A～3A，特别地，当输入为12V时负载电流为3A,此时效率最高，可达80%。因此，应尽量使用12V的直流电压作为LM2596的输入。另外，在LM2596的输入端之前还加了桥式整流电路和电容滤波电路，因此POWER端既可以输入直流电压也可以输入交流电压。具体电路连接如图5-9所示。5-9电源模块电路图（一）对于3.3V和1.8V电压，可用前面得到的5V直流电压转换得到。在此，选用CM1117S将5V转换为3.3V,选用CM1117D将5V转换为1.8V。CM1117D输出电压为1.8V时输入电压为3.2V～7V,输出电流为10mA～1A；具体电路连接如图5-10所示。图5-10电源模块电路图（二）5.7键盘及液晶显示电路图5-11键盘液晶显示电路图5.7.1液晶显示LCD(LiquidCrystalDisplay)，是利用液晶材料在电场作用下发生位置变化，而遮蔽、通透光线的性能制作成为一种重要平板显示器件。通常使用的LCD器件有TN型(TwistNematic，扭曲向列型液晶)、STN型(SuperTN，超扭曲向列型液晶)和TFT型(ThinFilmTransistor，薄膜晶体管型液晶)我们选用了一款内嵌SED-1335控制器、320×240点阵的LCD屏来实时显示电能质量参数，这款LCD具有高分辨率、接口方便(5V或3.3V)、设计简便(内嵌控制器)、功耗低、价格便宜等优点。5.7.2键盘操作主要工作是进行显示页面的选择和系统参数的设定，根据系统的需要，键盘设计采用了6个键，分别是复位键、返回键、上移键、下移键、确定键和取消键，另两个键可作为扩展功能时使用。如图5-12所示，我们将8个按键输入连接到CPLD，通过CPLD内部设置的按键寄存器KeyReg来保存8个按键的状态，这样，DSP通过循环读取KeyReg就可判断是否有按键被按下，并根据按键的不同去执行不同的任务。5.8串口通信电路单片机与上位机之间的串口通信可以通过RS-232C、RS-422A和RS-485接口相连。RS-232C是广泛应用的串口通信标准，但因其推出较早，在现代网络通信中已暴露出数据传输速度慢、传输距离短、接口处各信号间容易产生干扰等明显的缺点。RS-485标准是一种以平衡方式传输的标准，其最大传输速率可达10Mbit/s,最大传输距离为1.2km,能够实现多点对多点的通讯，RS-485允许平衡电缆上连接32个发送器/接收器，允许双绞线上一个发送器驱动32个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器等TMS320F2812中配置了两个通用串口，分别为SCIA和SCIB,因此，可以分别使用RS-232C和RS-485通信。RS-232C采用的是负逻辑，而F2812的I/O电平是TTL电平，因此在用RS-232C进行串行通信时需要接电平转换芯片进行电平转换。本系统使用MAX3232电平转换芯片实现RS-232C电平和TTL电平的转换，因为芯片采用3.3V供电，故可与F2812直接相连，具体的电路连接如图5-12所示。图5-12MAX3232串口电路图RS-485采用半双工、差分传输方式，即同一时刻只能处于发送或者接收而不能同时发送和接收，高、低电平用两个差分信号端之间的差值极性来表示。本系统选用的MAX3485芯片采用3.3V供电，可与F2812直接相连，可实现TTL电平与485电平的转换。DE和RE端为发送和接收使能端，RE为逻辑0时处于接收状态，DE为逻辑1时处于发送状态，因为MAX3485工作在半双工状态，所以只需用一个管脚485OE控制这两个引脚即可；A端和B端分别