【正文】 期： 摘 要 II 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。 SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 畢業(yè)設計說明書 電力參數監(jiān)測系統(tǒng)的設計 摘 要 I 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。 作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權說明 本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?容。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 摘 要 III 摘 要 近年來，由于大量電力電子變流裝置和非線性設備的廣泛應用，使得電網中的電壓、電流波形發(fā)生畸變，造成電 能質量的嚴重惡化；同時，微電子技術的發(fā)展使得各種自動化裝置廣泛應用，極大地提高了社會生產力，而這些裝置對于電能質量下降極為敏感，因此在生產過程中出現許多嚴重的事故，造成了巨大的損失。同時本系統(tǒng)還有數據上傳功能，可以實現分析結果的實時上傳，便于數據的進一步分析、統(tǒng)計和存儲，為電力部門的安全生產提供長期有效的依據。 FFT。 良好的電能質量無疑對電氣設備的運行是有利的，但惡劣的電能質量對電力系統(tǒng)運行的不利影響并沒有引起人們的足夠重視。例如，雷電波沖擊，電容器和電纜線路投切時因諧波諧振而引起的過電壓往往造成電氣設備的絕緣和機械損壞，從而影響電力系統(tǒng)的正常運行 ； 繼電保護裝置因諧波和負序干擾引起誤動作造成電網大面積停電會造成巨大的經濟損失；短時的供電中斷或電壓跌落可能導致生產混亂或工業(yè)冶煉產品的大量報廢甚至危害人身安全。例如，不正常的電壓和頻率偏差會引起異步電機負荷的轉速和功率變化，導致傳動機械的效率降低，使紡織、造紙等產品的質量受到影響；諧波電流在旋轉電機、輸電線路、變壓器等輸配電設備中流通，使這些設備因產生附加損耗而過熱，從而降低了這些設備的壽命或容量。 第一章 引 言 2 一方面是電網電能質量的下降，另一方面卻是用戶對電能質量要求的提高，如何解決這一矛盾成了我們要解決的一道難題。在這 個過程中常借助專門的設備，把 被 測對象直接或間接的與同類已知單位進行比較，取得用數值和單位共同表示的測量結果。它通常包括： 1． 能量的測量。 國際上電測量理論和監(jiān)測儀器儀表技術大致經歷了三個階段：第一個階段電測量技術主要是對模擬量進行測量； 20 世紀 50 年代以來，隨著數字電子技術和微電子技術的發(fā)展，電測技術和儀表技術逐步向數字化方向發(fā)展，早期的模擬式電測儀表逐漸被數字式儀表代替，在這一階段，以微計算機、獨立操作系統(tǒng)、各種標準總線結構為特征，可互相通訊、擴展式儀器和 自動測試系統(tǒng)及相應測量技術得到快速發(fā)展，并逐步走向成熟；第三階段，即 20 世紀 80 年代以來，大規(guī)模集成電路技術一方面使得控制芯片運算能力大大增強，另一方面使得芯片體積大幅度縮小，可以方便地植入儀器內部，從而使儀器具有判斷、控制、存儲，運算甚至更高的智能化特性。 本系統(tǒng)檢測的電力參數包括： 1．前 5 次諧波的電壓有效值； 2．前 5 次諧波的電流有效值； 3．總電壓有效值； 4．總電流有效值； 5．總有功功率； 6．總無功功率； 第一章 引 言 4 7．各相的功率因數。要求實現以下功能： 1．實時對電網的電壓、電流波形進行采集； 2．通過 FFT 算法對采集波形進行諧波分析，進而計算出所需特征值； 3．實現特征值和波形在 LCD 上的實時顯示，并完成相應的設置功能； 4．能實時把處理后的數據上傳到 PC 機，完成數據的存儲，以便進一步的數據處理和數據分析。 第二章 系統(tǒng)的整體設計方案 6 圖 21 總體結構圖 DSP 芯片的選擇 本系統(tǒng)的主處理芯片采用 TI 公司的 TMS320LF2407A，它集成了高性能的DSP 內核和片內外設于一個芯片內，是傳統(tǒng)的微控制單元與昂貴的多片外設的一種廉價替代品。而且因其豐富的片內外設，性能價格比很高。 代碼生成工具的作用是將 C 語言、匯編語言或兩者的混合語言編寫的 DSP源代碼程序編譯，匯編并鏈接成可執(zhí)行的 DSP 代碼。 3．鏈接器 (1inker)把匯編生成的可重定位的 COFF 目標模塊組合成一個可 執(zhí)行的 COFF 目標模塊。 CCS(Code Composer Studio)是 TI 推出的用于開發(fā)其 DSP 芯片的繼承開發(fā)調試工具，它采用 Windows 風格的界面，集編輯、編澤、鏈接、軟件仿真、硬件調試及實時跟蹤等功能于一體，極大地方便了 DSP 程序的設計與開發(fā)。通過這些調試手段不但可 以監(jiān)控程序運行的實時性、正確性而且大大提高程序調試效率。 C 語言文件為 “ .c” 格式，匯編語言文件 為 “ .ASM” 格式。 第二章 系統(tǒng)的整體設計方案 9 命令文件 CMD： 命令文件名的后綴為 “ .CMD” 的文件實現對程序存儲器空 間 和數據存儲器空間的分配。 用戶可以規(guī)定多達 255 頁，通常 PAGE0 規(guī)定程序存儲器 。 attr 規(guī)定 與已命名范圍有關的 1~4 個屬性。 第二章 系統(tǒng)的整體設計方案 10 length規(guī)定存儲器范圍的長度 。 特性可以用逗號來分開，段可能具有的特性是： 1．轉載位置 ： 它規(guī)定段轉載在存儲器內何處； 2．運行位置 ： 它定義段在存儲器內何處運行； 3．輸入段：它定義組成輸出段的輸入段； 4．段類型：它定義特定 段類型的標志； 5．填充值：它定義用于填充未初始化空位的數值。交流電氣信號的采樣有直流采樣和交流采 樣兩種方式。同時，由于采樣的模擬量變化慢，采樣頻率比較低，對采集系統(tǒng)的硬件要求不高。構成變送器的元件性能的不穩(wěn)定性和模擬量容易受到干擾，使得測量精度不高； 3．參數調整困難，適應性差； 4．只能反映被測信號的單一信息。與直流采樣相比，交流采樣所用變送器只需將交流信號進行簡單的幅值變換，其價格低、體積小 、 反應快。目前，在電氣信號檢測 (包括微機測量、計算機監(jiān)控、繼電保護等 )領域，交流采樣 已 普遍取代直流采樣，占有絕對的優(yōu)勢地位。 只要采樣頻率足夠高，用梯形法近似積分的誤差可以做到很小。 第三章 電力參數測量及其計算原理 14 設 )s in (2)( ?? ?? tUtu ， )s in (2)( ?? ?? tIti ， 則電壓、電流、有功功率的有效值分別為 dtTU Tu?? 0 21 ， dtTI Ti?? 0 21 ， ? ? ? ?dttituTP T?? 01 因為計算機只能處理數字信號，所以以上公式不能直接應用，須將公式離散后進行數字化。 基于 FFT 的電力參數測量 在電力系統(tǒng)中，用交流采樣技術進行數據采集時，需要兼顧精度和成本兩個方面的問題。 離散傅立葉變換 傅立葉變換 (DFT)是時域和頻域信號均為離散的唯一變換，它適用于有限時間序列。 的指數符號不同，以及差一個常數因子 1/N。 這是利用 DFT 正變換計算 DFT 反變換的方法。因而每計算一個 )(kX 值必須要進行 N 次復數乘法和 N1 次復數加法。但畢竟是少數幾項，特別是 N 較大時。第三章 電力參數測量及其計算原理 16 則要 1048576 次，即 100 多萬次復數乘法。 快速傅立葉變換 (FFT) 利用 WnkN 錯誤 !未找到引用源。 從以上描述我們可以看出， FFT 的本質是在于把長序列的 DFT 計算適當地分解為短序列的 DFT 計算。 X(k)可用下面的兩式計算。 當原位進行計算時， FFT 輸出端的 ??kX 的次序正好是順序排列的，即 ??0X ，??1X ， ??2X ， ?， ??7X 。如果輸入和輸出序列的序號都用 2 進制表示，例如 N=8 時， ??3x 的序數 n=3，它的二進制表示 011，反序二進制表示 110，所以原本應放 x(011)的單元現在應該存入 x(110)。 為了實現實時的 FFT，需要 MCU 的指令系統(tǒng)有著豐富的間接尋址方式，并且最好能在一個指令周期內完成乘和累加的工作。因此，以控制器來實現 FFT 算法較普通的單片機要容易的多。但傅立葉算法復雜，運算量大，傳統(tǒng)的單片機難于滿足系統(tǒng)對實時性的要求。小波變換由于時域、頻域同時具有良好的局部化特性，它可以根據信號不同的頻率成分自動調節(jié)取樣密度，從而可以很好的處理信號突變等情況。 錯誤 !未找到引用源。第四章 系統(tǒng)硬件電路設計 21 第四章 系統(tǒng)硬件電路設計 本系統(tǒng)以 DSP 最小系統(tǒng)為中心，外圍擴展信號調理電路、時鐘電路、按鍵液晶顯示電路、 RS232 接口電路等。 早期的微處理器內部大多采用 VonNeumann結構，其片內程序空間和數據空間合在一起，將指令、數據、地址存儲在同一存儲器中，統(tǒng)一編址，依靠指令計數器提供的地址對指令、數據、地址信息進行區(qū)分。 TMS320LF2407A 可擴展的外部程序存儲器總共 192K： 64K 程序存儲器；64K 數據存儲器； 64K I/O 尋址空間。在 DSP要訪問外部程序空間時，該信號變?yōu)榈碗娖健? 對照以上信號的使用方法，為了便于程序仿真調試，本系統(tǒng)擴展了兩片IS61LV6416，一片用作數據存儲器，另一片用作程序存儲器。 TMS320LF2407A 內部帶有復位電路，因此可以第四章 系統(tǒng)硬件電路設計 23 直接在 RS 復位引腳外面 連接一個上拉電阻即可，這對于簡化外圍電路、減少電路板尺寸是很有用處的。 2．信號電平：是 5V 還是 ，是 TTL 電平還是 CMOS 電平等。值得注意的是，使用有源晶振要注意時鐘信號的電平，一般市場的晶振輸出信號的電平為 5V或者 ，如果采用 5V供電的有源晶振，那么它的輸出需要進行電平轉換。使用無源晶體的優(yōu)點是價格便宜，但是它的驅動能力比較差，一般不能提供多個器件共享，而且它可以提供的頻率范圍也比較小 (一般在 20KHz~60MHz)。 圖 45 濾波電路 TMS320LF2407A 的 PLL 模塊使用外部濾 波器電路回路來抑制信號抖動和電磁干擾，使信號抖動和干擾影響小。第四章 系統(tǒng)硬件電路設計 25 對 于 本系統(tǒng)而言，有以下 4 種電壓需要電源電路提供： 1． TMS320LF2407A 的內核電壓。 3． Flash編程電壓 。 本系統(tǒng)為了減小電源噪聲和互相干擾，采用數字電路和模擬電路獨立供電的方式。為了能利用仿真器對DSP 進行調試，必須將 DSP 的仿真接口信號引到一個標準插座上 。 A/D 轉換電路 以下是 A/D 采樣要考慮的幾個問題： 1．采樣速率：采樣速率用每秒完成 A/D 采樣的次數來表示。 3．模擬通道的數量：模擬通道有單通道和多通道。采樣精度可以達到有 l0 位，采用 TMS320LF2407A 片上自帶的模數轉換單元采樣不僅可以達到采樣速度和精度的要求，而且使得整系統(tǒng)的構造更加簡單。 本系統(tǒng)中采集的為三相的電壓、電流值，為了使之適合 A/D 輸入范圍，本系統(tǒng)設計了相 應電路，下面以 A 相電壓檢測電路為例，迸一步介紹。輸入電壓 ≤220Vac 時，輸出電壓 ≤。本系統(tǒng)時鐘選用 PCF8583 芯片。時基 (都可以通過編程選擇 )； 5．具有可編程的鬧鐘、定時和中斷功能。當日歷時鐘收到數據后，通過數據線 SDA 拉為低電平來應答接收，因此 IOPE3與 IOPE5 引腳應配置成為 I/O 方式，并要求上拉電阻。該模塊的控制 /驅動器采用臺灣矽創(chuàng)電子公司的ST7920，因而具有較強的控制顯示功能。利用上述功能， OCM4X8C 可實現漢字、 ASCII 碼、點陣圖形、自造字體的同屏顯示。把模塊的 PSB 腳接高電平 ，第四章 系統(tǒng)硬件電路設計 30 模塊即進入并行接口模式。該 SCI 模塊帶有與 RS232 標準一致的異步串口 (DART) ，使得TMS320LF2407A 可以很方便地與其它使用標準格式的異步外設之間進行數據通信。對于 DSP 和各模塊的初始化采用匯編編程，數據采集程序由于實時性強，采用匯編語言編程。 本系統(tǒng)主程序流程如圖 51。初始化完成之后液晶屏出現開機動畫，隨即顯示三相電壓、電流 平均值，頻率值。 本系統(tǒng)中 A/D 的采樣啟停采用中斷方式觸發(fā)，保證了各通道采樣速率的一