基于DSP電力參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

I基于DSP的供電系統(tǒng)電力參數(shù)檢測(cè)的研究摘要電力參數(shù)的準(zhǔn)確、快速測(cè)量對(duì)于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、保證電網(wǎng)安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義。本文通過分析國(guó)內(nèi)外電力參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展?fàn)顩r，針對(duì)我國(guó)電力部門的要求和實(shí)際問題，在建立基于FFT算法的電力參數(shù)測(cè)量模型的基礎(chǔ)上，研制出一種新型多功能電力監(jiān)測(cè)儀。本設(shè)計(jì)硬件采用TI公司的TMS320C5402作為核心處理器，根據(jù)電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集和處理的實(shí)際特點(diǎn)，用DSP控制可對(duì)6路進(jìn)行同時(shí)采樣的高速A/D轉(zhuǎn)換器AD73360來完成6路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，滿足電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性與同步性；并用CPLD與凌陽(yáng)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)部分控制功能，即鍵盤部分、LCD接口、語音部分以及串口通訊等電路。在軟件方面進(jìn)行了相關(guān)軟件算法設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用128點(diǎn)離散采樣，由DSP進(jìn)行基2FFT運(yùn)算。在FFT算法之前設(shè)置了FIR數(shù)字濾波環(huán)節(jié)，有效的減小干擾，提高了測(cè)量的精度。同時(shí)介紹了電力參數(shù)檢測(cè)的主程序，并實(shí)現(xiàn)了語音提示功能和更加人性化的操作顯示界面。本設(shè)計(jì)將高速DSP芯片與精確的傅立葉變化運(yùn)算這兩種先進(jìn)的軟硬件技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了基于DSP電力參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，提高了測(cè)量精度，保證了實(shí)時(shí)性。實(shí)現(xiàn)三相電網(wǎng)3路電壓、3路電流信號(hào)的同步采集，被測(cè)電網(wǎng)信號(hào)電力參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量；鍵盤選擇各路電網(wǎng)信號(hào)、被測(cè)參數(shù)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行液晶顯示；系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)語言報(bào)警等功能。關(guān)鍵詞：電力參數(shù)；FFT；TMS320C5402；CPLD；鎖相同步IIABSTRACTTheexactandquickdetectionofelectricpowerparametersplaysakeyroleintherealizationoftheautomationregulatingoftheelectricpowernetwork,ofthesafeofelectricpower,andoftheeconomicaloperationofthewholepowersystem.Throughtheanalysisofdomesticandinternationaldevelopmentalstatusquoofthemonitoringdeviceforelectricpowerparametersdetection,andaimingattherequirementsandthepracticalissuesinelectricitysectorofourcountry,andonthebasisofsettingupFFTalgorithmbasedmodelofelectricalpowerparametersdetection,thepaperproposesanewtypeofmulti-purposeelectricpowermonitordevice.ThehardwaredesignusesTIsTMS320C5402asthecoreprocessor.Accordingtodataofthepowersystemcollectionandprocessinginthepractice,byusingdsp,thesystemcancompletethesixchannelsSignalConverterthroughhighspeedACconverterAD73360；meetthepowersystemdataacquisitioninreal-timeandsynchronization.CPLDandSunplusMCUimplementpartialcontrolfunction,includingkeyboard,LCDinterface,andthevoiceandserialcommunicationscircuit.Tosoftwaretheconcerningsoftwarealgorithmsisdesigned.Thesystemadopts128pointssampleandDSPtoberesponsiblefor2-basedFFToperation.BeforetheuseofFFTalgorithm,FIRdigitalfiltersectorisusedtoeffectivelyreduceinterferenceandmeasurementprecision.Themainprogramofelectricalpowerparametersdetectionisalsointroduced.Thevoicealertandmorehumanizedoperationinterfaceisalsorealized.Bythecombinationoftwoadvancedhardwareandsoftwaretechnologies,whichareincludinghigh-speedDSPchipandtheexactFouriertransforms,aDSPbasedelectricalpowerparametersmeasurementsystemisdesignedtoimprovemeasurementprecisionandguaranteethereal-timeoperation.Thissystemimplementssynchronoussamplingofthreephasevoltageandthreecurrentsignalofthreephaseelectricalpowernetwork,andthereal-timemeasurementofelectricpowerparametersofthedetectedelectricalpowernetworksignal.Keyboardisusedtoselectelectricalpowernetworksignal,thedetectedparameter.TheresultofmeasurementisIIIdisplayedinliquidcrystal；thesystemcanalsogiveanalarmwhentheSystemisintrouble.KEYWORDS：ElectricalPowerParameters；FFT；TMS320C5402；CPLD；Synchronousphase-lockIV目錄摘要ABSTRACT第一章緒論1.1引言11.2國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)11.3課題研究意義、研究?jī)?nèi)容、技術(shù)開發(fā)路線2第二章電力參數(shù)測(cè)量技術(shù)的數(shù)學(xué)模型2.1電力參數(shù)測(cè)量的數(shù)學(xué)模型42.1.1電力參數(shù)測(cè)量技術(shù)42.1.2基于FFT的電力基本參數(shù)測(cè)量模型72.2電力系統(tǒng)的諧波及其測(cè)量模型122.2.1電力系統(tǒng)的諧波及其測(cè)量技術(shù)122.2.2電網(wǎng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)142.2.3基于FFT的諧波測(cè)量模型16第三章電力參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案3.1DSP基本處理系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)183.1.1DSP芯片的選型183.1.2基于TMS320C5402的最小硬件系統(tǒng)203.2VHDL語言以及CPLD的應(yīng)用設(shè)計(jì)223.2.1VHDL的語言簡(jiǎn)介223.2.2可編程邏輯器件的選擇與設(shè)計(jì)243.3A/D轉(zhuǎn)換器的選型263.4外圍電路功能介紹283.4.1SPCE061A功能介紹283.4.2LCD選型與功能介紹313.5電壓電流互感器的選擇32第四章電力檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)工作原理及框圖344.2電壓、電流隔離傳感器的設(shè)計(jì)354.3多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)364.3.1A/D采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)374.3.2鎖相同步采樣設(shè)計(jì)384.4開關(guān)量輸入輸出的設(shè)計(jì)394.5模擬抗混疊低通濾波電路414.6過零比較器42V4.7信號(hào)調(diào)理電路424.8缺相檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)434.9鍵盤的實(shí)時(shí)控制及LCD實(shí)時(shí)顯示的實(shí)現(xiàn)444.9.1按鍵電路444.9.2LCD顯示電路444.10RS485通訊接口45第五章電力檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述475.2CCS集成開發(fā)環(huán)境與流程475.3系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)485.4A/D采集程序設(shè)計(jì)505.5數(shù)據(jù)處理模塊的軟件設(shè)計(jì)525.5.1數(shù)字濾波器的選擇與實(shí)現(xiàn)535.5.2FIR濾波器的基本原理和設(shè)計(jì)方法545.5.3傅立葉快速變換的軟件實(shí)現(xiàn)565.6外圍電路軟件設(shè)計(jì)635.6.1顯示軟件的設(shè)計(jì)635.6.2語音報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)64第六章系統(tǒng)設(shè)計(jì)中涉及的問題及誤差分析6.1PCB板設(shè)計(jì)要求666.1.1安裝與布局設(shè)計(jì)666.1.2受力與受熱情況情況分析676.1.3PCB電源線和地線的布置676.1.4PCB信號(hào)線的布置686.1.5去耦電容的設(shè)計(jì)686.1.6美觀情況分析與設(shè)計(jì)696.2DSP的軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試696.2.1TMS320C5402硬件設(shè)計(jì)時(shí)的注意點(diǎn)小結(jié)696.2.2硬件調(diào)試時(shí)的注意點(diǎn)小結(jié)706.2.3DSP軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試716.3誤差分析與解決716.3.1電力參數(shù)測(cè)量的誤差分析716.3.2誤差傳遞公式726.3.3誤差模型的建立與軟件校正736.3.4系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試74結(jié)論與展望77致謝80參考文獻(xiàn)81學(xué)位論文1第一章緒論1.1引言隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人民生活水平日益提高，各種各樣的電力電子設(shè)備被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。誠(chéng)然，這種變化給人們帶來了極大的物質(zhì)享受，但是也帶來電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題，尤其是動(dòng)態(tài)非線性負(fù)載的應(yīng)用，其的沖擊性和不平衡性使電網(wǎng)供電質(zhì)量日趨惡化。豐富的現(xiàn)代家庭的家電設(shè)備使電網(wǎng)質(zhì)量有了更高的要求，如對(duì)于無功功率的要求，以及諧波污染的要求都有了很大的提高。電網(wǎng)質(zhì)量的下降將帶來很多弊端，比如造成一些家用電器的無法使用或損壞，電能的浪費(fèi)和污染，甚至更可怕的是造成電網(wǎng)、配電屏的損壞，從而造成更大范圍的損失。因此，在供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)諧波、負(fù)荷電流水平和功率因數(shù)等電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行合理的估算，并采取相應(yīng)的措施(如加設(shè)濾波和無功補(bǔ)償裝置)是非常必要的。自從20世紀(jì)70年代末80年代初誕生以來，DSP芯片得到了飛速發(fā)展。DSP在諸多領(lǐng)域取得了廣泛而深入的應(yīng)用，其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用相對(duì)較晚。然而卻有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電力網(wǎng)容量不斷增大，結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，電力系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度的自動(dòng)化就顯得十分重要。由于電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集路數(shù)多、瞬變的多輸入輸出等特點(diǎn)。為保證其安全運(yùn)行，需要實(shí)時(shí)的監(jiān)控各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的不正常狀態(tài)，并快速的進(jìn)行控制和處理。這就要求在各個(gè)節(jié)點(diǎn)都有數(shù)據(jù)采集單元，將測(cè)得的電力參數(shù)進(jìn)行分析和控制，就地快速解決問題。電力系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求很高而且數(shù)據(jù)量較大，包括頻率、電壓、電流、功率、諧波分量等，普通的微處理器不能適應(yīng)要求，而DSP正可以發(fā)揮其快速?gòu)?qiáng)大的運(yùn)算和處理能力，滿足了電力系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和處理算法的復(fù)雜性等要求1。1.2國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期以來，電力系統(tǒng)中都有相對(duì)應(yīng)的專用電表，其主要功能是單參數(shù)顯示和記錄，仍然脫離不了單一功能、單一參數(shù)的特征，使得電力系統(tǒng)布線配置過于龐雜，運(yùn)行自動(dòng)化程度低，故障查找及維修都比較困難。為此，一批測(cè)量功能更多、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的全新概念的電測(cè)儀表正在涌現(xiàn)，而且朝著取代傳統(tǒng)的單一功能電表的方向發(fā)展，并深入到電學(xué)位論文2力監(jiān)測(cè)的方方面面。近幾年，隨著微電子技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)的飛速發(fā)展，相關(guān)新產(chǎn)品不斷問世，使開發(fā)新式電力參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)裝置成為可能。目前，國(guó)內(nèi)外新型的多功能電力監(jiān)測(cè)裝置正朝著以下方向發(fā)展:體積小型化、功能多樣化、功耗減小，維持電流降低、采用新器件，提高了可靠性、顯示方式普遍更新。一些電力系統(tǒng)測(cè)量裝置除了能夠?qū)﹄娋W(wǎng)的基本電參量如電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等進(jìn)行精密測(cè)量外，有的還能夠?qū)﹄娋W(wǎng)的頻率、相位角、高次諧波等進(jìn)行測(cè)量并進(jìn)行電能質(zhì)量的分析，精度和其它技術(shù)指標(biāo)也得到了大幅度的提高，能在微處理器的控制下，通過軟件對(duì)以上各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量誤差進(jìn)行修正，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行滿量程校正，同時(shí)通過各種接口輸出以便進(jìn)行鍵盤輸入、結(jié)果顯示或與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。我國(guó)雖然自制研發(fā)了一些多功能的電力參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，但其在功能、價(jià)格、維護(hù)等方面不能完全適合我國(guó)現(xiàn)階段的需要，因此迫切需要一種高質(zhì)量、高可靠性、功能齊全、價(jià)格低廉的綜合監(jiān)測(cè)裝置。我國(guó)電力系統(tǒng)測(cè)量各方面的技術(shù)水平與國(guó)外還有較大差距，國(guó)產(chǎn)的諧波測(cè)量裝置一般采用單片機(jī)，高精度測(cè)量、實(shí)時(shí)監(jiān)控和先進(jìn)算法的運(yùn)用受到限制，而且功能相對(duì)單一，如國(guó)產(chǎn)比較典型的GXF-908A應(yīng)用MSC-8098單片機(jī)，能實(shí)現(xiàn)三相電壓和三相電流共6路信號(hào)同步采樣，可以顯示或輸出三相239次諧波含有率、電壓畸變率、相位關(guān)系及諧波功率和阻抗等，可繪出被測(cè)信號(hào)波形、諧波直方圖和變化曲線，可以從多次測(cè)量值中篩選出前5個(gè)大值，每次測(cè)量結(jié)果可以為一個(gè)周期或3s平均值等，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求2。在國(guó)外，早己經(jīng)有專門機(jī)構(gòu)來制定各種電能質(zhì)量的規(guī)范，而我國(guó)在近年也逐漸提出了各種質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并在最近幾年的電網(wǎng)改造中越來越重視電能的質(zhì)量監(jiān)控。國(guó)外產(chǎn)品發(fā)展相對(duì)成熟，如美國(guó)福祿克公司的F43B型電能質(zhì)量分析儀是一種將示波器、萬用表和電能質(zhì)量分析儀集為一體的手持式儀器，能夠測(cè)量包括真有效值電壓、電流、功率、功率因數(shù)和真功率因數(shù)，高至51次諧波、諧波相位和諧波失真總量，可用于電能質(zhì)量和一般設(shè)備故障的診斷，常規(guī)電力維護(hù)，預(yù)防事故發(fā)生。1.3課題研究意義、研究?jī)?nèi)容、技術(shù)開發(fā)路線電力系統(tǒng)中各重要節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、用電量及絕緣設(shè)備老化程度等都對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用，因此，對(duì)它們的監(jiān)測(cè)技術(shù)也就尤為重要。同時(shí)電力參數(shù)的準(zhǔn)確、快速測(cè)量對(duì)于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、保證電網(wǎng)安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也具有十分重要的意義。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)中非線性設(shè)備的使用日益增多，所產(chǎn)生的高次學(xué)位論文3諧波電流大量注入電力線路中，使得電網(wǎng)電壓、電流波形發(fā)生畸變，原有的電力監(jiān)測(cè)儀就不能滿足現(xiàn)階段電力的需要，迫切需要一種新型多功能電力監(jiān)測(cè)儀應(yīng)用于電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。電力參數(shù)和電能質(zhì)量參數(shù)成為人們掌握供電線路狀態(tài)和評(píng)價(jià)供電質(zhì)量的重要指標(biāo)。采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行電力參數(shù)和電能質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量，在提高測(cè)量精度、實(shí)時(shí)性和智能化、系統(tǒng)化水平方面都具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過充分調(diào)研并翻閱大量資料，針對(duì)課題要求設(shè)計(jì)了以下的研究總體思路及技術(shù)開發(fā)路線：研究?jī)?nèi)容：（1）熟悉本設(shè)計(jì)的產(chǎn)生和應(yīng)用背景，了解并熟悉其他電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理。（2）在分析電力參數(shù)和電能質(zhì)量參數(shù)及其測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究基于FFT的電力參數(shù)和電能質(zhì)量參數(shù)測(cè)量模型。（3）了解DSP應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程，研究以DSP與CPLD為核心的電力參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。技術(shù)開發(fā)路線：（1）解決強(qiáng)電到弱電的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)同步采樣網(wǎng)6路信號(hào)。（2）研究基于FFT的電力基本參數(shù)和電能質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量模型。（3）電力參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。（4）電力參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)軟硬件調(diào)試。（5）系統(tǒng)誤差分析與解決方法學(xué)位論文4第二章電力參數(shù)測(cè)量技術(shù)的數(shù)學(xué)模型2.1電力參數(shù)測(cè)量的數(shù)學(xué)模型2.1.1電力參數(shù)測(cè)量技術(shù)近幾年來，隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開始進(jìn)入電力系統(tǒng)監(jiān)控，系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測(cè)、控制，而數(shù)據(jù)采集又是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的最重要的環(huán)節(jié)，尤其是如何準(zhǔn)確快速地采集電力系統(tǒng)中的各個(gè)模擬量，一直是電力工作者關(guān)注的問題。電力系統(tǒng)電力參數(shù)測(cè)量主要包括電流有效值、電壓有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率。根據(jù)被采集信號(hào)的不同，數(shù)據(jù)采集可分為直流采樣和交流采樣兩大類。直