电能质量在线监测终端的硬件实现研究

论文摘要

随着国民经济的快速发展,电力系统中投入了大量具有非线性和冲击性负荷,导致电能污染日趋严重,严重影响着电力系统的安全经济运行。电能质量问题的日益突出,已经成为电力部门和用户共同关注的问题。因此,对电能质量进行在线监测,从而为改善电能质量、提出有关的治理方案以及确定治理装置的技术参数提供了科学依据,具有十分重要的意义。本文以电能质量在线监测终端为研究对象,研究的主要内容有:(1)根据电能质量国家标准,综合考虑成本和性能等因素,提出了监测终端的总体设计方案。构建了基于DSP和MCU的双CPU硬件平台系统,充分发挥DSP的高速数字信号处理能力和MCU完善的管理能力。双CPU之间分工明确、相互协作,通过双口RAM进行高速可靠的数据通信。DSP主要完成数据的采集,并快速计算电能质量参数;而MCU主要完成实时时钟管理、数据存储、人机交互以及与上位机通信等功能。(2)在终端的硬件实现研究中,完成了信号采集、DSP数据处理、MCU管理、外扩存储器、人机交互、通信接口、电源等模块的原理图和PCB设计。选用16位的A/D,实现了对数据高精度采样,并采用锁相环同步控制技术,动态跟踪采样频率,抑制频谱泄露。DSP数据处理中,采用基于复序列FFT算法,大大减少了计算量,节省了内存空间。数据存储中,采用铁电存储芯片,实现掉电保护,保证数据至少可靠保存10年以上。设计了红外、RS485和GPRS等多种通信接口,并提出了终端的GPRS组网方案。(3)在终端的软件设计中,给出了总体程序设计及数据采集,数据处理部分的流程图,研究了TCP/IP协议及实现方法,给出了GPRS模块的联网编程和组网通信流程。(4)从抗浪涌和防静电设计,PCB布线、看门狗监控等方面,采取了一系列有效的硬件和软件抗干扰措施,保证了其在电磁干扰比较严重的监测现场能稳定、可靠的工作。(5)根据监测终端的总体设计要求,对其进行了分模块和总体联合调试,采用FLUKE6130A型功率电能质量标准源对其进行了基波精度和谐波电压测量误差的检测,精度达到公用电网谐波的A级标准,并分析了误差的主要来源。本监测终端现已投入电力变电站的实际运行,具有稳定可靠、精度高、实时性好等优点,达到了预期的设计目标,很好的满足了电能质量在线监测的实际需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电能质量监测的研究背景和意义
• 1.2 电能质量的概念
• 1.3 电能质量标准
• 1.4 电能质量监测装置的研究现状和发展趋势
• 1.4.1 电能质量监测装置的研究现状
• 1.4.2 电能质量监测装置的发展趋势
• 1.5 DSP在电能质量监测中的应用
• 1.5.1 DSP的概念
• 1.5.2 DSP的组成结构和分类
• 1.5.3 DSP的设计开发流程
• 1.5.4 DSP在电能质量监测中的应用
• 1.6 本文完成的主要工作
• 第二章 电能质量监测终端总体结构
• 2.1 监测终端的主要功能及性能要求
• 2.2 周期性信号采样方法的比较及选择
• 2.3 GPRS在电能质量监测中的可行性分析
• 2.3.1 GPRS的通信原理
• 2.3.2 GPRS的优点及在电力行业中的应用
• 2.3.3 GPRS在电能质量监测中的可行性分析
• 2.4 监测终端总体设计方案
• 2.4.1 总体结构设计
• 2.4.2 终端模块划分及功能介绍
• 2.5 处理器选型及其功能介绍
• 2.5.1 处理器选型
• 2.5.2 TMS320LF2407A和VRS51L3074 硬件资源介绍
• 2.6 双CPU间通信方式选择
• 2.7 本章小结
• 第三章 监测终端的硬件设计及实现
• 3.1 本终端的硬件设计原则
• 3.2 互感器模块
• 3.2.1 互感器的选择
• 3.2.2 互感器电路设计
• 3.3 信号调理单元
• 3.3.1 信号调理电路
• 3.3.2 抗混叠滤波设计
• 3.4 锁相环同步采样控制模块
• 3.4.1 锁相环的组成及原理
• 3.4.2 锁相环同步采样控制电路
• 3.5 A/D转换单元
• 3.5.1 A/D转换器的选择
• 3.5.2 AD7656 的特点
• 3.5.3 模数转换电路的设计
• 3.6 2407A单元电路
• 3.6.1 时钟及JTAG接口电路
• 3.6.2 上电复位电路
• 3.6.3 外部存储器的扩展
• 3.7 51L3074 模块电路
• 3.7.1 实时时钟及数据存储电路
• 3.7.2 人机接口
• 3.7.3 串口扩展
• 3.7.4 红外通信的实现
• 3.7.5 RS485 串口设计
• 3.8 双CPU之间的通讯实现
• 3.8.1 双口RAM的选择及介绍
• 3.8.2 双口RAM与双CPU的接口电路
• 3.9 GPRS无线通信模块
• 3.9.1 GPRS无线数传模块ZWG-23DP介绍
• 3.9.2 DTU外围电路设计
• 3.9.3 监测终端GPRS组网方案
• 3.10 电源模块设计
• 3.11 硬件抗干扰措施
• 3.11.1 浪涌产生的原因及危害
• 3.11.2 监测终端所采取的抗浪涌措施
• 3.11.3 PCB设计应注意的问题
• 3.12 本章小结
• 第四章 监测终端的软件设计
• 4.1 软件开发环境及设计原则
• 4.1.1 软件开发环境
• 4.1.2 软件设计原则
• 4.2 程序设计总体流程
• 4.3 数据采集程序
• 4.4 数据处理程序
• 4.5 GPRS无线数传模块的组网通信
• 4.5.1 TCP/IP协议研究及实现方式
• 4.5.2 GPRS无线数传模块的联网编程
• 4.5.3 GPRS无线数传模块的组网通信流程
• 4.6 软件抗干扰设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 监测终端的调试与性能测试
• 5.1 监测终端的调试
• 5.2 监测终端的精度检测
• 5.3 误差分析
• 5.3.1 硬件电路误差
• 5.3.2 软件算法误差
• 5.4 本监测终端存在的问题
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢