【正文】 ................................... 30 第 4 章 電力參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) ........................................................ 31 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案 ............................................................................. 31 多通道數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計(jì) ............................................................. 32 信號(hào)調(diào)理單元的設(shè)計(jì) ......................................................................... 32 A/D 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì) ................................................................... 34 DSP 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì) .............................................................................. 37 IV 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 DSP 處理器芯片的選型 ...................................................................... 37 外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展以及存儲(chǔ)空間配置 .............................................. 38 DSP 與 MCU 的接口設(shè)計(jì) ...................................................................... 41 MCU 人機(jī)接口模塊設(shè)計(jì) .............................................................................. 42 MCU 的選型及芯片介紹 ...................................................................... 42 液晶顯示電路的設(shè)計(jì) ......................................................................... 43 鍵盤(pán)接口電路設(shè)計(jì) ............................................................................. 44 串行通訊接口電路設(shè)計(jì) ..................................................................... 45 本章小結(jié) .................................................................................................... 45 第 5 章 電力參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ........................................................ 46 CCS 集成軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境與設(shè)計(jì)原則 ........................................................... 46 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì) ................................................................................. 47 系統(tǒng)軟件功能綜述 ............................................................................. 47 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主流程圖 ..................................................................... 48 系統(tǒng)自舉啟動(dòng)的軟件實(shí)現(xiàn) ......................................................................... 49 Bootloader 的 16Bit EPROM 的并行引導(dǎo)模式 .................................. 49 DSP 的 Bootloader 設(shè)計(jì) .................................................................... 51 數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計(jì) ......................................................................... 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(shè)計(jì) .................................................................. 56 數(shù)的定標(biāo) ............................................................................................ 57 FFT 算法在 DSP 上的實(shí)現(xiàn) .................................................................. 58 DSP 與 MCU 的 HPI 通信設(shè)計(jì) ...................................................................... 61 低通 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) ..................................................................... 61 窗函數(shù)法 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理 .............................................. 62 基于凱澤窗的低通 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) ...................................... 64 本章小結(jié) .................................................................................................... 68 結(jié)論 ....................................................................................................................... 69 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................... 71 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 ............................................................................. 74 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 .......................................................... 75 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū) .......................................................... 75 致謝 ....................................................................................................................... 76 V 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第 1章 緒論 本文研究的背景和意義 現(xiàn)代社會(huì)中，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度是一個(gè)國(guó)家發(fā) 展水平的主要標(biāo)志之一。因此，如何提高和保證電能質(zhì)量己經(jīng)成為我國(guó)電力系統(tǒng)面臨 的重要問(wèn)題，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析具有十分重要的意義。 同時(shí)，對(duì)于頻譜分析的抗混疊處理，本文設(shè)計(jì)了基于窗函數(shù)的數(shù)字濾波器。所有的這些 問(wèn)題將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生產(chǎn)事故，產(chǎn)生嚴(yán)重的安 全隱患。 電力參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段 [1]： 第一代是指針式儀器，如模擬萬(wàn)用表、電壓表、電流表等，這些儀器儀表 的基本結(jié)構(gòu)是電磁式、電動(dòng)式、感應(yīng)式、靜電式、電熱式等。這類儀器的硬件基 礎(chǔ)是采集技術(shù)和 輸入輸出技術(shù)，而軟件基礎(chǔ)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(jī) 、 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(shù)、 CAN 總線、 LONWORKS 總線、 Web 技術(shù)等實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)；此外還有一些專門(mén)測(cè)量 電壓閃變等暫態(tài)量的測(cè)量裝置。本節(jié)著重介紹了目前電力諧波的測(cè)量理論，包括快速傅里葉變換、 瞬時(shí)無(wú)功功率理論、小波變換等，通過(guò)對(duì)其的比較，選擇快速傅里葉變換作為 本系統(tǒng)的諧波測(cè)量方法。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的脫機(jī)運(yùn)行， 設(shè)計(jì)了 DSP 的 Bootloader。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流 采樣以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，有逐步取代直流采樣的趨勢(shì)。 電能質(zhì)量的五個(gè)主要指標(biāo)為：電力系統(tǒng)諧波、電壓波動(dòng)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(duì)該波形的連續(xù)時(shí)間信號(hào)進(jìn) 行等間隔采樣，并把采樣值轉(zhuǎn)化為 數(shù)字序列，借助相關(guān)算法進(jìn)行諧波分析。目前，高速單片機(jī)、 DSP 及高 速 A/D 的大量涌現(xiàn)，為交流采樣技術(shù)提供了強(qiáng)有力的硬件支持 [4]。但要求電壓和電流采樣值必須是 同時(shí)采樣，隱含了電壓和電流是每周期內(nèi)等間隔采樣，否則計(jì)算結(jié)果會(huì)存在很 大的誤差 [6][7]。該方法是通過(guò)硬件 檢測(cè)輸入波形的過(guò)零點(diǎn)，控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。用均方差 σ 來(lái)表示 f 與 fN 數(shù)學(xué)期望值的離散程度，即： 1n σ? ?????????( fi ??f N ) 2 n ??1 i ?1 通過(guò) σ 的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)評(píng)價(jià)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(qiáng)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(duì) FFT 結(jié)果進(jìn)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(shí)際測(cè)量中選用矩形窗和海寧窗就能夠有效地提高測(cè)量精 度，減少泄漏，抑制諧波之間或噪聲的干擾，較為準(zhǔn)確的測(cè)量諧波電流和諧波 電壓的幅值和相位。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ ANN）已應(yīng)用于許多重要的領(lǐng)域，但應(yīng)用于電力系統(tǒng)諧波 領(lǐng)域尚屬起步階段，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于諧波測(cè)量的主要目的是解決諧波測(cè) 量的精度和實(shí)時(shí)性問(wèn)題，希望在精度和實(shí)時(shí)性方面能相對(duì)其他方法得到提高 [11]。 本章小結(jié) 本章圍繞基本電力參數(shù)和電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(wú)功功率、視在功 率和功率因數(shù)的測(cè)量原理和方法，同時(shí)根據(jù)電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，給 12 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 出了電壓偏差和頻率偏差的 的定義和測(cè)量方法。直到 20 世紀(jì) 60 年代由 Cooley 和 Tukey 提出了 DFT 運(yùn)算的一種快 速算法以后，情況才發(fā)生了 根本的變換。仔細(xì)觀察 DFT 的運(yùn)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(yùn)算量： nknk?(1) WN 的對(duì)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(yùn)算中有些項(xiàng)可以合并，并能使 DFT 分解 為更少點(diǎn)數(shù)的 DFT 運(yùn)算。綜上， X (k ) 表達(dá)為前后兩部分為：