基于ARM嵌入式的电网谐波检测系统的分析和实现

论文摘要

谐波是影响电能质量的主要因素之一。近年来,由于电力电子设备在电气化铁路,石油化工,冶金,煤炭等工业领域的广泛应用,使得电力系统谐波含量增高,严重影响了电网的安全运行和电能质量,已引起了社会各界的广泛关注,谐波的检测和治理已成为电力系统研究领域的重要课题之一。传统的谐波检测系统都具有一定的优点,但在很多方面存在明显的的技术劣势。ARM嵌入式系统在网络和软件移植性方面具有很大的优势,能为谐波检测系统提供良好的图形界面和网络服务,这在很大程度上弥补了先前一些电网谐波检测系统的不足。本文从谐波检测角度出发,设计了基于ARM嵌入式的谐波检测系统。首先,利用快速傅立叶变换算法对谐波进行分析,主要应用128点时域抽取基-2FFT算法对谐波信号进行测算,获取20次以内的谐波含量;其次,针对FFT分析谐波信号所出现的频谱泄露问题,采用加汉宁窗函数进行抑制,并利用双峰谱线插值修正算法对加窗函数进行修正,从而较好的提高了FFT测算的准确度;最后通过MATLAB仿真实验,验证了该算法的可行性。嵌入式谐波检测系统以ARM9和C/OS-Ⅱ为开发平台。硬件系统采用Samsung公司的S3C2410作为系统的CPU,实现了三相电压和电流信号的同步采集,模拟信号的数字化处理和下位机的串口通信功能。硬件电路设计主要包括信号调理电路,频率测量电路和CPU外围电路三大模块。编译了嵌入式操作系统C/OS-Ⅱ,完成了其在硬件系统上的移植,编写了相关的应用程序,并利用LabVIEW完成了上位机图形界面的开发和下位机数据通信的链接,使系统具备数据采集,数据处理,数据存储和数据通讯四部分的功能。实验结果表明,所设计的嵌入式谐波检测系统较好的实现了对谐波信号的检测和分析,为开发高性能的谐波检测装置和谐波的有效治理打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景及研究的意义
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.3 谐波测量技术的发展
• 1.3.1 模拟滤波
• 1.3.2 基于瞬时无功功率理论的检测方法
• 1.3.3 基于小波变换的检测方法
• 1.3.4 基于神经网络的检测方法
• 1.3.5 基于傅氏变换的频域分析法
• 1.4 本论文的主要工作
• 2 基于傅氏变换的谐波检测理论基础
• 2.1 谐波的基本概念
• 2.1.1 谐波的定义
• 2.1.2 谐波的参数指标
• 2.2 傅里叶级数在谐波分析中的应用
• 2.2.1 电压电流信号的傅里叶级数形式
• 2.2.2 傅里叶级数分析谐波
• 2.3 傅里叶变换理论
• 2.3.1 离散傅立叶变换（DFT）
• 2.3.2 快速傅立叶变换（Fast Fourier Transformation）
• 2.4 频谱泄露分析及其拟制方法
• 2.4.1 频谱泄露分析
• 2.4.2 抑制频谱泄露的方法
• 2.5 同步采样的实现
• 2.5.1 准同步采样法
• 2.5.2 同步采样法
• 2.6 FFT 加窗插值算法的研究
• 2.6.1 窗函数的分析及其选取原则
• 2.6.2 双峰谱线插值修正算法
• 2.7 本章小结
• 3 嵌入式谐波检测系统整体设计
• 3.1 系统设计要求
• 3.2 嵌入式谐波检测系统的总体结构
• 3.3 硬件平台方案论述
• 3.4 软件平台方案论述
• 3.5 本章小结
• 4 嵌入式谐波检测系统硬件设计
• 4.1 谐波检测系统硬件总体设计
• 4.2 微控制器的选择及S3C2410 的介绍
• 4.3 数据采集电路
• 4.3.1 信号调理电路
• 4.3.2 A/D 转换电路
• 4.4 频率跟踪电路
• 4.4.1 频率测量电路
• 4.4.2 锁相同步电路设计
• 4.5 CPU 外围电路
• 4.6 本章小结
• 5 嵌入式谐波检测系统软件设计
• 5.1 谐波检测系统软件总体设计
• 5.2 嵌入式操作系统
• 5.2.1 嵌入式操作系统简介
• 5.2.2 嵌入式开发环境ADS1.20
• 5.3 C/OS-Ⅱ操作系统在 ARM S3C2410 上的移植
• 5.3.1 C/OS-Ⅱ操作系统的介绍
• 5.3.2 C/OS-Ⅱ移植的条件
• 5.3.3 C/OS-Ⅱ移植的内容
• 5.4 操作系统平台下系统任务总体规划
• 5.4.1 任务函数划分
• 5.4.2 任务优先级设置
• 5.5 系统各模块的软件设计
• 5.5.1 数据采集任务
• 5.5.2 数据处理任务
• 5.5.3 数据通信任务
• 5.6 基于LabVIEW 的上位机软件设计
• 5.6.1 LabVIEW 简述
• 5.6.2 利用 VISA 控件实现串口数据通信
• 5.7 本章小结
• 6 系统功能测试
• 6.1 实验内容
• 6.2 实验数据
• 6.3 数据分析
• 7 结论与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录