【正文】 ???????????????? 36 按鍵顯示模塊 ??????????????????????? 37 數(shù)據(jù)通信模塊 ??????????????????????? 41 結(jié) 論 ………………………………………………………………………… 44 參考文獻(xiàn) ………………………………………………… ……………… 46 致 謝 …………………………………………………………………… 48 附錄： 電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)原理圖第一章 引 言 1 第一章 引 言 研究目的及意義 現(xiàn)代社會中，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度是一個國家發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。 良好的電能質(zhì)量無疑對電氣設(shè)備的運行是有利的，但惡劣的電能質(zhì)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。從危害程度來看。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(shè)備的絕緣和機(jī)械損壞，從而影響電力系統(tǒng)的正常運行 ； 繼電保護(hù)裝置因諧波和負(fù)序干擾引起誤動作造成電網(wǎng)大面積停電會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；短時的供電中斷或電壓跌落可能導(dǎo)致生產(chǎn)混亂或工業(yè)冶煉產(chǎn)品的大量報廢甚至危害人身安全。在現(xiàn)代企業(yè)中，廣泛使用了變頻調(diào) 速驅(qū)動器、機(jī)器人、自動生產(chǎn)線、精密的加工工具、可編程控制器、計算機(jī)信息系統(tǒng)等。例如，不正常的電壓和頻率偏差會引起異步電機(jī)負(fù)荷的轉(zhuǎn)速和功率變化，導(dǎo)致傳動機(jī)械的效率降低，使紡織、造紙等產(chǎn)品的質(zhì)量受到影響；諧波電流在旋轉(zhuǎn)電機(jī)、輸電線路、變壓器等輸配電設(shè)備中流通，使這些設(shè)備因產(chǎn)生附加損耗而過熱，從而降低了這些設(shè)備的壽命或容量。 電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。 第一章 引 言 2 一方面是電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降，另一方面卻是用戶對電能質(zhì)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。因此，電網(wǎng)質(zhì)量問題成為近年來各方面關(guān)注的焦點，電力參數(shù)檢測成為當(dāng)前國際上研究的熱點之一。在這 個過程中常借助專門的設(shè)備，把 被 測對象直接或間接的與同類已知單位進(jìn)行比較，取得用數(shù)值和單位共同表示的測量結(jié)果。 廣義的說，任何實驗科學(xué)的結(jié)論，是對實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計推斷的結(jié)果，而數(shù)據(jù)的取得，就要靠測量。它通常包括： 1． 能量的測量。 例如信號的波形和失真度 、頻率、相位、脈沖參數(shù)、調(diào)制度、信噪比等； 3．元件和電路參數(shù)的測量 。 國際上電測量理論和監(jiān)測儀器儀表技術(shù)大致經(jīng)歷了三個階段：第一個階段電測量技術(shù)主要是對模擬量進(jìn)行測量； 20 世紀(jì) 50 年代以來，隨著數(shù)字電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，電測技術(shù)和儀表技術(shù)逐步向數(shù)字化方向發(fā)展，早期的模擬式電測儀表逐漸被數(shù)字式儀表代替，在這一階段，以微計算機(jī)、獨立操作系統(tǒng)、各種標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)為特征，可互相通訊、擴(kuò)展式儀器和 自動測試系統(tǒng)及相應(yīng)測量技術(shù)得到快速發(fā)展，并逐步走向成熟；第三階段，即 20 世紀(jì) 80 年代以來，大規(guī)模集成電路技術(shù)一方面使得控制芯片運算能力大大增強(qiáng)，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(nèi)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。還存在許多問題： 1．處理功能較差、可擴(kuò)展存儲空間較小 、 運算速度較慢 、 難以運用精確 嚴(yán)格的算法進(jìn)行大量的實時數(shù)據(jù)處理 、 不滿足電力監(jiān)測高實時性的要求； 2．電力系統(tǒng)中最常用微處理器包括 51 系列和 96 系列等控制型器件，但隨著電力系統(tǒng)對實時性、數(shù)據(jù)量和計算要求的不斷提高，這些器件在計算能力方面已不能很好地適應(yīng)電力系統(tǒng)的要求，致使電力系統(tǒng)的高精度測量，實時監(jiān)控和先進(jìn)算法的運用受到了限制； 3．有的產(chǎn)品雖然直接引進(jìn)了國外的技術(shù)模塊，功能較強(qiáng)，可是價格較高，且不完全適合我國市場： 4．有的產(chǎn)品無通訊和控制輸出功能，不滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、自動化的發(fā)展方向； 5．人機(jī)交互性不好。 本系統(tǒng)檢測的電力參數(shù)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(shù)。 本系統(tǒng)的研制將進(jìn)一步推進(jìn)電力系統(tǒng)的自動化水平，真正做到電力參數(shù)的實時采集和處理，便于電力系統(tǒng)管理人員正確掌握各項電力參數(shù)，對于保證電力系統(tǒng)運行的安全性，經(jīng)濟(jì)性和可靠性都具有重要意義。要求實現(xiàn)以下功能： 1．實時對電網(wǎng)的電壓、電流波形進(jìn)行采集； 2．通過 FFT 算法對采集波形進(jìn)行諧波分析，進(jìn)而計算出所需特征值； 3．實現(xiàn)特征值和波形在 LCD 上的實時顯示，并完成相應(yīng)的設(shè)置功能； 4．能實時把處理后的數(shù)據(jù)上傳到 PC 機(jī)，完成數(shù)據(jù)的存儲，以便進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析?？紤]到以上技術(shù)要點，本設(shè)計采用 TI 公司的 TMS320LF2407A 作為本系統(tǒng)的主處理器，采用其豐 富的片內(nèi)外設(shè)，來完成系統(tǒng)整體功能。 第二章 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 6 圖 21 總體結(jié)構(gòu)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(nèi)核和片內(nèi)外設(shè)于一個芯片內(nèi)，是傳統(tǒng)的微控制單元與昂貴的多片外設(shè)的一種廉價替代品。減小了控制器的功耗； 2． 40MIPS 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到 25ns(40MHz)，從而提高了控制器的實時控制能力； 3． 片內(nèi)有高達(dá) 32K 的 FLASH 程序存儲器，高達(dá) 字 的數(shù)據(jù)，程序 RAM，544 字雙口 RAM(DARAM)和 2K 字的單口 RAM(SARAM)； 4．可擴(kuò)展的外部存儲器總共 192K 字空間： 64K 字 程序存儲器空間； 64K字 數(shù)據(jù)存儲器空間； 64K 字 I/O 尋址空間； 5．看門狗定時器模塊 (WDT)； 6． 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為 500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個 8 通道輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器或 一 個 16 通道輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器； 7．控制器局域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 模塊； 8．串行通信接口 (SCI)模塊； 9． 16 位的串行外設(shè) (SPI)接口模塊； 10．基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器； 11．高達(dá) 40 個可單獨編程或復(fù)用的通用輸入，輸出引腳 (GPIO)； 第二章 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 7 12． 5 個外部中斷 (兩個電機(jī)驅(qū)動保護(hù)、復(fù)位和兩個可屏蔽中斷 )； 13．電源管理包括 3 種低功耗模式，能獨立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式 。而且因其豐富的片內(nèi)外設(shè)，性能價格比很高。 DSP 編程 DSP 芯片的開發(fā)需要一套完整的軟、硬件開發(fā)工具 。 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。 1． C 編譯器 (C piler)將 C 語言源代碼程序自動地編譯成 C20xx 的匯編語言源代碼程序。 3．鏈接器 (1inker)把匯編生成的可重定位的 COFF 目標(biāo)模塊組合成一個可 執(zhí)行的 COFF 目標(biāo)模塊。鏈接器的輸入是可重定位的 COFF 目標(biāo)文件和目標(biāo)庫文件，它也可以接受來自文檔管理器中的目標(biāo)文件以及鏈接以前運行時所產(chǎn)生的輸出模塊。 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(diào)試工具，它采用 Windows 風(fēng)格的界面，集編輯、編澤、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)試及實時跟蹤等功能于一體，極大地方便了 DSP 程序的設(shè)計與開發(fā)。 C 語言 DSP 程序的開發(fā)流程如圖 22 所示 。通過這些調(diào)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(diào)試效率。 C 語言文件則根據(jù)實際情況而定，一般程序的復(fù)位和中斷向量需要用匯編語言編寫；頭文件定義 DSP 內(nèi)部寄存器的地址分配，書寫一次后可被其他程序反復(fù)使用；命令文件主要定義堆棧、程序空間分配和數(shù)據(jù)空間分配等。 C 語言文件為 “ .c” 格式，匯編語言文件 為 “ .ASM” 格式。 這四種類型的文件必須存儲在同一個文件夾中。 第二章 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 9 命令文件 CMD： 命令文件名的后綴為 “ .CMD” 的文件實現(xiàn)對程序存儲器空 間 和數(shù)據(jù)存儲器空間的分配。 MEMORY 偽指令用來標(biāo)示實際存在的目標(biāo)系統(tǒng)中可被使用的存儲器范圍，每個存儲器范圍都有名字、起始地址和長度。 用戶可以規(guī)定多達(dá) 255 頁，通常 PAGE0 規(guī)定程序存儲器 。 name 命名存儲器范圍。 attr 規(guī)定 與已命名范圍有關(guān)的 1~4 個屬性。 有效的 4 個屬性包括： R 規(guī)定存儲器只讀； W 規(guī)定存儲器只寫； X 規(guī)定存儲器可以包含可執(zhí)行代碼； I 規(guī)定存儲器可以被初始化 。 第二章 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 10 length規(guī)定存儲器范圍的長度 。SECTIONS 偽指令的一般語法是： SECTIONS { name： [property, property, property, ?] name： [property, property, property, ?] name： [property, property, property, ?] } 每一個以 name(名字 )開始的段說明定義了一個輸出段。 特性可以用逗號來分開，段可能具有的特性是： 1．轉(zhuǎn)載位置 ： 它規(guī)定段轉(zhuǎn)載在存儲器內(nèi)何處； 2．運行位置 ： 它定義段在存儲器內(nèi)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(biāo)志； 5．填充值：它定義用于填充未初始化空位的數(shù)值。 在電氣信號的檢測中，采用微處理器的數(shù)字式測量方式精度好、功能強(qiáng)、智能化程度高、檢測結(jié)果易于傳輸和與控制系統(tǒng)共享，較傳統(tǒng)測量方式具有較大的優(yōu)越性，因而受到普遍歡迎，目前廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的監(jiān)視、控制 、 試驗等各領(lǐng)域。交流電氣信號的采樣有直流采樣和交流采 樣兩種方式。 電力參數(shù)的直流采樣算法 直流采樣即采集經(jīng)過變送器整流后得直流量。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。由于這些特點，在微機(jī)引入電氣測量的初期，此方法得到廣泛應(yīng)用。構(gòu)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(shù)調(diào)整困難，適應(yīng)性差； 4．只能反映被測信號的單一信息。對于電氣信號的某些參數(shù) (如高次諧波 )的測量用直流采樣無法實現(xiàn)； 5．變送器體積大，價格較貴； 6．當(dāng)信號中含有高次諧波或其它噪聲時 ， 測量誤差大。與直流采樣相比，交流采樣所用變送器只需將交流信號進(jìn)行簡單的幅值變換，其價格低、體積小 、 反應(yīng)快。但它要求采樣速率較高，并且測量結(jié)果必須通過一定的數(shù)值算 法求出來，計算量相對較大，對微處理器的計算速度要求較高。目前，在電氣信號檢測 (包括微機(jī)測量、計算機(jī)監(jiān)控、繼電保護(hù)等 )領(lǐng)域，交流采樣 已 普遍取代直流采樣，占有絕對的優(yōu)勢地位。 半周期積分法的依據(jù)是一個正弦量在任意半個周期內(nèi)絕對值的積分為一常數(shù) S。 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。 半周期積分法有一定的濾除高頻分量的能力，因為疊加在基頻成分上的幅度不大的高頻分量在算法中其對稱的正負(fù)半周期相互抵消，剩余的未被抵消的部分所占比重就相應(yīng)減少了，但是該算法不能抑止直流分量 。 第三章 電力參數(shù)測量及其計算原理 14 設(shè) )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(jī)只能處理數(shù)字信號，所以以上公式不能直接應(yīng)用，須將公式離散后進(jìn)行數(shù)字化。進(jìn)而可以求得視在功率，無功功率、功率因數(shù)分別為 UIS? ， PsQ 22 ?? ， UIP??cos 均方根算法可以對采樣值直接進(jìn)行運算得到電流、電壓有效值、有功、無功功率以及功率因數(shù)等各個電力參數(shù)值，但是均方根算法不能對電力系統(tǒng)的諧波進(jìn)行 分析 。 基于 FFT 的電力參數(shù)測量 在電力系統(tǒng)中，用交流采樣技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，需要兼顧精度和成本兩個方面的問題。但傅立葉算法復(fù)雜，運算量大，傳統(tǒng)的單片機(jī)芯片難于滿足系統(tǒng)對實時性的要求。 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。 1965 年，Cooly與 Tukey提出可大幅度減小 DFT 中的計算量的方法，這使得 DFT 真正得第三章 電力參數(shù)測量及其計算原理 15 到應(yīng)用并引起了數(shù)字信號處理算法的迅速發(fā)展。 的指數(shù)符號不同，以及差一個常數(shù)因子 1/N。與式 (36)對比，只要將 )(kX 取共軛，然后直接利用 DFT公式 (36)，最后再將運算結(jié)果取一次共軛，并乘以 l/N。 這是利用 DFT 正變換計算 DFT 反變換的方法。 通常 )(nx 、 )(kX 和 WnkN 錯誤 !未找到引用源。因而每計算一個 )(kX 值必須要進(jìn)行 N 次復(fù)數(shù)乘法和 N1 次復(fù)數(shù)加法。我們知道，乘法運算比加法運算復(fù)雜，且運算時間長。但畢竟是少數(shù)幾項