【正文】 ................................... 30 第 4 章 電力參數(shù)實時測量系統(tǒng)的硬件設計 ........................................................ 31 系統(tǒng)硬件總體設計方案 ............................................................................. 31 多通道數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設計 ............................................................. 32 信號調(diào)理單元的設計 ......................................................................... 32 A/D 數(shù)據(jù)采集模塊的設計 ................................................................... 34 DSP 數(shù)據(jù)處理模塊設計 .............................................................................. 37 IV 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 DSP 處理器芯片的選型 ...................................................................... 37 外部存儲器的擴展以及存儲空間配置 .............................................. 38 DSP 與 MCU 的接口設計 ...................................................................... 41 MCU 人機接口模塊設計 .............................................................................. 42 MCU 的選型及芯片介紹 ...................................................................... 42 液晶顯示電路的設計 ......................................................................... 43 鍵盤接口電路設計 ............................................................................. 44 串行通訊接口電路設計 ..................................................................... 45 本章小結 .................................................................................................... 45 第 5 章 電力參數(shù)實時測量系統(tǒng)的軟件設計 ........................................................ 46 CCS 集成軟件開發(fā)環(huán)境與設計原則 ........................................................... 46 系統(tǒng)軟件的總體設計 ................................................................................. 47 系統(tǒng)軟件功能綜述 ............................................................................. 47 系統(tǒng)軟件設計主流程圖 ..................................................................... 48 系統(tǒng)自舉啟動的軟件實現(xiàn) ......................................................................... 49 Bootloader 的 16Bit EPROM 的并行引導模式 .................................. 49 DSP 的 Bootloader 設計 .................................................................... 51 數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設計 ......................................................................... 53 McBSP 的初始化 .................................................................................. 54 AD73360 的初始化 .............................................................................. 55 DSP 數(shù)據(jù)處理模塊的軟件設計 .................................................................. 56 數(shù)的定標 ............................................................................................ 57 FFT 算法在 DSP 上的實現(xiàn) .................................................................. 58 DSP 與 MCU 的 HPI 通信設計 ...................................................................... 61 低通 FIR 數(shù)字濾波器的設計 ..................................................................... 61 窗函數(shù)法 FIR 數(shù)字濾波器的設計原理 .............................................. 62 基于凱澤窗的低通 FIR 數(shù)字濾波器的設計 ...................................... 64 本章小結 .................................................................................................... 68 結論 ....................................................................................................................... 69 參考文獻 ............................................................................................................... 71 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文 ............................................................................. 74 哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明 .......................................................... 75 哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文使用授權書 .......................................................... 75 致謝 ....................................................................................................................... 76 V 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 第 1章 緒論 本文研究的背景和意義 現(xiàn)代社會中，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應用程度是一個國家發(fā) 展水平的主要標志之一。因此，如何提高和保證電能質(zhì)量己經(jīng)成為我國電力系統(tǒng)面臨 的重要問題，對電能質(zhì)量進行監(jiān)測與分析具有十分重要的意義。 同時，對于頻譜分析的抗混疊處理，本文設計了基于窗函數(shù)的數(shù)字濾波器。所有的這些 問題將會造成巨大的經(jīng)濟損失和生產(chǎn)事故，產(chǎn)生嚴重的安 全隱患。 電力參數(shù)監(jiān)測裝置的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段 [1]： 第一代是指針式儀器，如模擬萬用表、電壓表、電流表等，這些儀器儀表 的基本結構是電磁式、電動式、感應式、靜電式、電熱式等。這類儀器的硬件基 礎是采集技術和 輸入輸出技術，而軟件基礎在于數(shù)據(jù)的采樣和處理方法。硬件方面有基于 DSP 芯片、基于單片機 、 基于雙 CPU 系統(tǒng)、基于 ARM 系統(tǒng)等；軟件方面充分利用了 LabView 技術、 CAN 總線、 LONWORKS 總線、 Web 技術等實現(xiàn)在線監(jiān)測；此外還有一些專門測量 電壓閃變等暫態(tài)量的測量裝置。本節(jié)著重介紹了目前電力諧波的測量理論，包括快速傅里葉變換、 瞬時無功功率理論、小波變換等，通過對其的比較，選擇快速傅里葉變換作為 本系統(tǒng)的諧波測量方法。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的脫機運行， 設計了 DSP 的 Bootloader。隨著微機技術的發(fā)展，交流 采樣以其優(yōu)異的性能價格比，有逐步取代直流采樣的趨勢。 電能質(zhì)量的五個主要指標為：電力系統(tǒng)諧波、電壓波動和閃變、電壓允許 偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差和三相電壓允許不平衡度。常用的方法是對該波形的連續(xù)時間信號進 行等間隔采樣，并把采樣值轉(zhuǎn)化為 數(shù)字序列，借助相關算法進行諧波分析。目前，高速單片機、 DSP 及高 速 A/D 的大量涌現(xiàn)，為交流采樣技術提供了強有力的硬件支持 [4]。但要求電壓和電流采樣值必須是 同時采樣，隱含了電壓和電流是每周期內(nèi)等間隔采樣，否則計算結果會存在很 大的誤差 [6][7]。該方法是通過硬件 檢測輸入波形的過零點，控制計數(shù)器計數(shù)的方式來實現(xiàn)。用均方差 σ 來表示 f 與 fN 數(shù)學期望值的離散程度，即： 1n σ? ?????????( fi ??f N ) 2 n ??1 i ?1 通過 σ 的統(tǒng)計分析來評價系統(tǒng)的頻率偏差情況。大容量換流器為額定容量為兆瓦，其產(chǎn)生的諧波主要為 5 次以上的奇 次諧波；中等容量換流器的額定容量為幾十瓦到幾百千瓦，其諧波主要是 5 次 諧波；裝在家用電器上的小容量換流器，也是產(chǎn)生奇次諧波，且峰值與基波幾 乎重合，各諧波是加強的，最大的諧波電流是 3 次諧波，在中線上是疊加的?，F(xiàn) 在，人們已經(jīng)提出了很多的改善方法： (1) 使用加窗插值算法對 FFT 結果進行 修正，給出了不同窗函數(shù)（如矩形窗、海寧窗、布萊克曼窗、布萊克曼 哈里斯 窗等）的插值算法，實際測量中選用矩形窗和海寧窗就能夠有效地提高測量精 度，減少泄漏，抑制諧波之間或噪聲的干擾，較為準確的測量諧波電流和諧波 電壓的幅值和相位。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ ANN）已應用于許多重要的領域，但應用于電力系統(tǒng)諧波 領域尚屬起步階段，將神經(jīng)網(wǎng)絡理論應用于諧波測量的主要目的是解決諧波測 量的精度和實時性問題，希望在精度和實時性方面能相對其他方法得到提高 [11]。 本章小結 本章圍繞基本電力參數(shù)和電能質(zhì)量各項指標的數(shù)字化實現(xiàn)進行了具體的理 論分析，給出了基本電力參數(shù)包括電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功 率和功率因數(shù)的測量原理和方法，同時根據(jù)電能質(zhì)量國家標準的有關規(guī)定，給 12 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 出了電壓偏差和頻率偏差的 的定義和測量方法。直到 20 世紀 60 年代由 Cooley 和 Tukey 提出了 DFT 運算的一種快 速算法以后，情況才發(fā)生了 根本的變換。仔細觀察 DFT 的運算就可以看出，利用系 nk數(shù) WN 的以下固有特性，就可以減少運算量： nknk?(1) WN 的對稱性 ： ( WN )* = WN nk nknk(n (2) WN 的周期性： WN = WN n ??N ) k = WN ( k ??N ) nknkmnknknk /(3) WN 的可約性： WN = WmN ， WN = WN / mm 這樣，利用這些特性，使 DFT 運算中有些項可以合并，并能使 DFT 分解 為更少點數(shù)的 DFT 運算。綜上， X (k ) 表達為前后兩部分為：