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畢業(yè)設(shè)計56基于dsp對電力系統(tǒng)的諧波測量及數(shù)據(jù)分析(留存版)

2025-01-29 13:22上一頁面

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【正文】 算。 攀枝花學院畢業(yè) 設(shè)計(論文) 3 硬件設(shè)計 本裝置的設(shè)計走以 TMS320C5402 芯片為處理核 心 的,是基于結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、易于操作、功能強大等特點設(shè)計的。 1. DSP 芯片的運算速度 運算速度是 DSP 芯片的一個最重要的性能指標,也是選擇 DSP 芯片時所需要考慮的一個主要因素。但有的公司的定點芯片為 24位,如 Motorola 公司的 MC56001 等。而 TMS320C3x/C4x/C67x 屬于浮點 DSP 芯片,運算精度高,用 C語言編程方便,開發(fā)周期短,但同時其價格和功耗也相對較高。本裝攀枝花學院畢業(yè) 設(shè)計(論文) 置選擇的是 TI 公司的 TMS320C5402。 C54xx 存儲器有三個獨立的可 選擇空間組成 :程序、數(shù)據(jù)和 I/O 空間。 /BIO 可用來監(jiān)測外部設(shè)備狀態(tài)的輸入引腳。 同步串口是高速、全雙工串口,提供與編碼器, A/D 轉(zhuǎn)換器等串行設(shè)備之間的通信。存儲器地址分配圖如下 : 圖 MS320C5402存儲器地址分配圖 存儲器映射寄存器包括輔助寄存器、堆棧指針、中斷寄存器等一些常用的寄存器。一個 40bit 的桶形移位器 :17? 17bit 乘法器 (MAC)。所以,選擇 DSP 芯片時應(yīng)該比較一幀內(nèi) DSP 芯片的處理能力和 DSP算法的運算量。如果所設(shè)計的 DSP 系統(tǒng)不僅僅是一個實驗系統(tǒng),而是需要批量生產(chǎn)并可能有幾年甚至十幾年的生命周期,那么需要考慮所選的 DSP 芯片供貨情況如何,是否也有同樣甚至更長的生命周期等。當然,由于 DSP 芯片發(fā)展迅速, DSP 芯片的價格往往下降較快,因此在開發(fā)階段選用某種價格稍貴的 DSP 芯片,等到系統(tǒng)開發(fā)完畢,其價格可能已經(jīng)下降一半甚至更多。只有選定了 DSP芯片,才能進一步設(shè)計其外圍電路及系統(tǒng)的其它電路。這就是說,要確定 ),( 012 nnnf 在輸入序列中的位置,我們必須將標號 n 的位序倒置。如下面的程序 : RPTBD plend1 STM N, ARO; ARO 賦值為循環(huán)緩沖器大小的一半 攀枝花學院畢業(yè) 設(shè)計(論文) MVDD *AR3+,*AR2+ MVDD *AR3,*AR2+ MAR *AR3+OB; 位翻轉(zhuǎn)尋址 plend: (2) N 點復數(shù) FFT 由于在 FFT 運算中要用到旋轉(zhuǎn)因子 Wn,它是一個復數(shù)。下面以時間抽取 FFT為例,導出 FFT 算法。其包括以下幾個部分。通過 采樣,把該連續(xù)波形轉(zhuǎn)換成為一組以采樣序號 k 為自變量的離散數(shù)字序列 :? ? 1210 , ?? NKK ffffff ?? 連續(xù)波形轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字序列后,上面對于連續(xù)函數(shù)的傅立葉級數(shù)計算式相應(yīng)的轉(zhuǎn)換成離散形式的計算式,進行計算。 諧波的計算 為了表示畸變波形偏離正弦波形的程度,最常用的特征量有諧波含量、總畸變率和 n 次諧波的含有率。另一方面,習慣上規(guī)定用戶吸收有功功率為正,發(fā)出有功功率為負。 本文的研制主要是對我國電能質(zhì)量的數(shù)據(jù)進行實時的采集和監(jiān)控,以諧波的測量和分析為主,并使裝置盡可能包括各種電能質(zhì)量參數(shù),為電網(wǎng)的運行和管理提供詳細可靠的電力參數(shù)。單片機多是一個算術(shù)邏輯單元 (AL U),執(zhí)行乘法運算是靠移位加法完成的,運算時間較長 。進入 80 年代,數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用范圍的擴大和成本的進一步降低,推動了 UM,的發(fā)展。 (5)人機交互性不好 。 (2)惡化絕緣條件,縮短設(shè)備壽命 。初步設(shè)計了對采集數(shù)據(jù)進行計算和處理的相關(guān)軟件算法,實現(xiàn)了對諧波的 測量功能。 本裝置可以進行快速的信號采集和實時的諧波分析。 (3)可能引起電機的機械振動 : (4)無功補償電容器組可能引起諧波電流的放大,甚至造成諧振 。 雖然我國的電力工業(yè)取得了迅猛的發(fā)展,但是我國自行研制開發(fā)的高質(zhì)量電攀枝花學院畢業(yè) 設(shè)計(論文) 力系統(tǒng)自動化測量裝置還很少,目前,電力部門用的諧波測量和分析裝置大多數(shù)是進口的國外產(chǎn)品,價格昂貴。美國 TI 公司在 1982 年推出的首枚低成本高性能的 DSP數(shù)字信號處理器,使 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)向前跨出了一大步,數(shù)字信號處理技術(shù)也開始逐漸普及。而 DSP 內(nèi)除含有 ALU 外,還含有乘法器(MUL),輔助算術(shù)單元 (ARLU)等,所以在一個指令周期內(nèi)可完成集中 運算。力求在借鑒同類裝置的基礎(chǔ)上,研制和開 發(fā)一種實用、低成本的便攜式電力系統(tǒng)諧波測量裝置,以適應(yīng)配電網(wǎng)的發(fā)展。含有諧波源的用戶根據(jù)“式( )”計算, p 只可能會小于它的基波功率 1p ,即它將吸收一部分基波功率轉(zhuǎn)化為諧波功率而反饋至電網(wǎng)。 所謂諧波含量,就是各次諧波的平方和開方。對于連續(xù)時間函數(shù) )(tf ,由采樣所的離 散時間序列 ??Kf ,相應(yīng)的系數(shù)可由“式 (),“式 ()”和“式()類比得到。 攀枝花學院畢業(yè) 設(shè)計(論文) (1)數(shù)據(jù)采集 本次試驗中所需處理的諧波最高次數(shù)為 31 次,以工頻 50Hz 為基礎(chǔ),每周期須等間隔采樣 128 點,則采樣率最低為 128? 50=。分為蝶形運算和碼位倒序兩部分。因此要制 作好一個周期 N 點的正弦值和余弦值,接著用 Q15 格式將它們存儲在兩個分離的表中。 綜上所述 :FFT算法利用 W 方陣的對稱性和 nF 的周期性特點,將長序列的 DFT計算,分解為若干個短序列的 DFT 計算,然后巧妙的合并,得到整個 DFT??偟膩碚f, DSP 芯片的選擇應(yīng)根據(jù)實際的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。 3. DSP 芯片的硬件資源 不同的 DSP 芯片所提供的硬件資源是不同的,如片內(nèi) RAM, ROM 的數(shù)量,外部可擴展的程序和數(shù)據(jù)空間,總線接口, I/O 接口等。 在上述諸多因素中,一般而言,定點 DSP 芯片的價格較便宜,功耗較低,但運算精度稍低。假設(shè) DSP 芯片的指令周期為p(ns),一幀的時間為 ?? (ns),則該 DNY 芯片在一幀內(nèi)所能提 供的最大運 p?? 條指令。40bit 加法器 (ADD)。不同型號的 DSP,其映射寄存器的地址可能不一樣。當一塊 C54xx 芯片中有多個同步串口時,它們是相同的,但又是獨 立的。 (1)通用 I/O 引腳 每一種 C54xx 芯片都有兩個通用 I/O 引腳 :/BI0 和 XF 。指數(shù)編碼器和各種 CPU 寄存器 (CPU 寄存器是存儲器映射的,能快速恢復和保存 )。因,只要語音編碼算法的運算量不超過 !60 萬條指令,就可以在 TMS320LC54980 上實時運行。例如 TI 的 TMS320C2xx/C54x 系列屬于定點 DSP芯片,低功耗和低成本是其主要的特點。 4. DSP 芯片的運算精度 一般的定點 DSP 芯片的字長為 16 位,如 TM320C54x 系列。一般來說,選擇 DSP 芯片時應(yīng)考慮到如下諸多因素。例如,若 1024210 ??N ,則 10 48 57 62 202 ??N ,而 1024log 2 ?NN ,減少了不止兩個數(shù)量級 !所以, 效果是很好的。的地址。計算2Nk? 到 1?N 時的 )(kF 可以利用 kNNkN WW ??? 2 的特性,得 : )()()2( kZWkYNkF kN??? ( ) 式 () ”和“式 () ” 兩 式 分 別 用 來 計 算 20 Nk?? 和 . 12 ??? NkN 時的 )(kF ,以同樣的方式可以進一步抽取,就可以得到 N/4的 DFT,重復這個抽取過程,就可以使 N點的 DFT 用一組 2點的 DFT 來計算。這 樣只要被測信號頻率低于 62 Hz,這 160點數(shù)據(jù)中就包含了被測信號的一個完整周期。設(shè) NkTt? (采樣時間間隔NTdt? ), 則 knNNkTTntn ??? 22 ?? , 將“式 () 、“式 ()”和“式() 中的積分號用累加號替代有 : )2c os (2)2c os (2 2010 knNfNNTknNfTa Nk kNk kn ?????? ????? )2s in (2)2s in (2 2010 knNfNNTknNfTb Nk kNk kn ?????? ????? ( ) 攀枝花學院畢業(yè) 設(shè)計(論文) 同理,對于周期性時間序列的傅立葉級數(shù)的復數(shù)形式,可由周期性連續(xù)時間函數(shù)的傅立葉級數(shù)的復數(shù)形式通過類比推導出來。 (1)諧波分析的理論前提 很多序列都能表示為如下傅立葉積分的形式 : ??? ?? ?? ?? deeFnf njj )(21][ ()式中 )( ?jeF 由下式給出 : ????? ?? n njj enfeF ?? ][)( () “式 ()”和“式 ()”一起構(gòu)成序列的傅立葉表示。 ( ) 因為 Q 只是同頻率電壓和電流存在相位差引起的無功功率的總和,而交換功率中尚包含有不同頻率電壓和電流引起的部分。 (2)討論諧波的測量原理及分析方法。執(zhí)行一條指令往往分作取指令、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行等一系列步驟,單片機多是執(zhí)行完一條指令后,再取下一條指令 。到了 90 年代, DSP 技術(shù)有了’驚人的發(fā)展。開發(fā)實用、可靠性高并且能滿足精度要求的低成本產(chǎn)品,提高國內(nèi)測量裝置的自動化水平,就成為一件具有重要意義的事情。 攀枝花學院畢業(yè) 設(shè)計(論文) (6)影響測量儀表的精度,造成電能計量的誤差 。理想的電壓應(yīng)該是幅值始終為額定植的三相對稱正弦波電壓,但由于系統(tǒng)中存在阻抗和用電負荷的變化 、用電負荷性質(zhì)的不同等特點,造成了實際電壓在幅值、波形和對稱上與理想電壓之間出現(xiàn)偏差。 軟件算法方面,系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的快速傅立葉變換( FFT),對采集的電壓和電流信號進行頻譜分析。諧波對電力系統(tǒng)電磁環(huán)境的污染不僅危害系統(tǒng)本身的安全,而且對廣大電力用戶的危害面也十分廣泛。 (3)有的產(chǎn)品雖然直接引進了國外的技術(shù)模塊,功能較強,可是價格較高,且不完全適合我國市場。 70年代數(shù)字信號處理技術(shù)的出現(xiàn)成為分析實際現(xiàn)象的有力工具。單片機是單總線結(jié)構(gòu),取指令、取數(shù)據(jù)都是通過一條總線完成,因此必須分時操作,而 DSP 內(nèi)至少有四套總線 :程序的地址和數(shù)據(jù)總線以及數(shù)據(jù)的地址和數(shù)據(jù)總線,這樣,取指令和取數(shù)據(jù)就可同時進行,提高了操作速度。 攀枝花學院畢業(yè) 設(shè)計(論文) 采用數(shù)字系統(tǒng)完 成信號處理的任務(wù),與傳統(tǒng)的模擬信號方法相比較,同時具有數(shù)字系統(tǒng)的一些共同優(yōu)點,如抗干擾性強,便于大規(guī)模集成、精度高、靈活性強,可以實現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難達到的指標或特性。但電流中的無功分量卻不為零,也就是說它不再有能量交換最大量度等物理意義了。在近代的交一交變頻器中還存在“旁頻”,即在整數(shù)次諧波附近的非整數(shù)次諧波。 其相互關(guān)系為 : 攀枝花學院畢業(yè) 設(shè)計(論文) ),sin( nnn Aa ?? ),cos( nnn Ab ?? ( ) 22 nnn baA ?? ( ) ? 0,0),180( 0? ??? nnn nnn bbaarcta bbaarctan? () 各次諧波的頻率己知,利用三角函數(shù)的正交性,即可由 ” 式 ()” 得到 0a , na 和 nb 的計算公式為 : ? ??? T tdtfdttfTa 0 200 )(21)(1 ? ??? () )(c os)()(1c os)(2020? ???Tn ttdntftft dtntfTa ? ?????? () )(s in)()(1s in)(2020? ???Tn ttdntftft dtntfTb ? ?????? ( ) 周期信號的采樣 對于連續(xù)信號用采樣裝置進行等間隔采樣,并把采樣值依次轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列,然后借助計算機進行快速諧波分析。但由于電力系統(tǒng)的頻率波動主要受周期從 10秒到 3 分鐘的脈動分量負荷及變化非常緩慢的持續(xù)分量的影響,因此采用軟件跟蹤的方法不會影響對電力信號的諧波分析。而 FFT 算法是快速計算 DFT 的一種高效方法。在這種尋址方式中, ARO 一存放的是 FFT點數(shù)的一半, AR2 一以位翻轉(zhuǎn)順序指向己處理的數(shù)據(jù), AR3 一指向原始輸入數(shù)據(jù)。 ][lf 是自然序列的輸入列, ][lF 是因該的輸出列, 1=0,1,2, . . .,7。板上有 : .1OOMHz TMS320C5402 DSP 處
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