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西北大学硕士学位论文 摘要 电力是人们生活越来越不可缺少的一种能源,但是随着非线性负载在电力系统中 的增加,使得电力系统受到的谐波污染日趋严重。电力谐波带来的危害,既影响电网中 接连设备的寿命,也影响电网的自身安全。针对电力谐波进行研究,找到防治办法是非 常重要的,防治的首要前提就是及时正确的获取谐波数据。 本文针对要获取的电力谐波数据进行了分析,提出了基于u s b 的数据采集方案, 并比较了基于传统总线的数据采集方式。随后,对u s b 的体系结构进行了深入的分析, 结合电力谐波数据采集的特点,详细地介绍了系统的硬件设计和软件开发。其中,硬件 部分完成了传感器的选择,a d 转换器的选择,并选择了c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 5 6 p i n 芯片为作为接口的核心芯片。在对上述传感器和芯片作了详细地介绍后,也给出了系统 的硬件设计电路,包括a d 转换器与接口芯片的连接设计,电源转换电路的设计等,并 对电路的p c b 制作提出了工艺要求。在软件部分,详细阐述了c y 7 c 6 8 0 1 3 在固件控制 下,进行的数据采集和传输,文中还介绍了u s b 的驱动程序设计过程,以及上位机管 理程序的设计,最后,完成了一个用u s b 对电力谐波信号的进行采集的完整系统。 在数据采集系统中应用u s b 总线技术不仪实现了数据的采集、传输和保存数据的 功能,并且使系统具有了即插即用的特点。 关键词:电力谐波,数据采集,u s b ,固件,驱动程序 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i c i t yi sa e s s e n t i a ls o u r c eo fe n e r g yf o rp e o p l e sl i v e s w i t hi n c r e a s eo ft h e n o n l i n e a rl o a d si np o w e rs y s t e m ,h a r m o n i c sp o l l u t i o no ft h ep o w e rs y s t e mi sg r o w i n g h a r m o fp o w e rh a r m o n i c si sv e r yg r e a t n o to n l ya f f e c t st h el i f eo fp o w e re q u i p m e n ti nt h eg r i d ,b u t a l s oa f f e c t st h eg r i d so w n s e c u r i t y t os t u d yt h ep o w e rh a r m o n i cs oa st of i n dt h ew a y o f c o n t r o li sv e r yi m p o r t a n t t og e tt h ed a t ao f h a r m o n i ci st h ep r i m a r yp r e r e q u i s i t ef o r p r e v e n t i o n t h r o u g ha n a l y s i so ft h ed a t aa c q u i s i t i o n ,t h ep r o g r a mo fd a t aa c q u i s i t i o nb a s e d o nu s b w a sp u tf o r w a r di nt h ep a p e r , a n dc o m p a r ew i t ht h et r a d i t i o n a lb u s - b a s e dd a t aa c q u i s i t i o n p r o g r a m t h e n ,t h ea r c h i t e c t u r eo ft h eu s bw a sd e e p l ya n a l y z e d a c c o r d i n ga st h ef e a t u r e so f p o w e rh a r m o n i cd a t aa c q u i s i t i o n ,t h ed e t a i l e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nw a si n t r o d u c e d i nt h eh a r d w a r es e c t i o n ,c h o i c eo fs e n s o ra n da dc o n v e r t e rw a si n t r o d u c e d ,a n dw i t ht h e c y 7 c 6 8 0 1 3 - 5 6 p i nc h i po f c y p r e s sc o m p a n y a st h ec o r ef o rt h ee n t i r ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do nu s b i sd e s i g n e d t h es e n s o ra n dc h i pw e r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d h a r d w a r e d e s i g ni sc o m p l e t e d ,i n c l u d i n gd e s i g no f a dc o n v e r t e ra n di n t e r f a c ec h i pc o n n e c t i o n ,a n d d e s i g no fp o w e rc o n v e r s i o nc i r c u i t s ,c t c t h et e c h n o l o g yo fp c bp r o c e s sw a sr e q u i r e d i nt h e s o f t w a r ep a r t ,t h ed a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nw e r ec o n t r o l l e db yf i r m w a r ei n c y 7 c 6 8 0 13 t h eu s bd r i v e rd e s i g np r o c e s sa n dt h ed e s i g no fp cm a n a g e m e n t p r o c e d u r e s w e r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r f i n a l l y , t h es y s t e mo fd a t aa c q u i s i t i o nb a s e do nu s bw a s d e s i g n e dc o m p l e t e t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mu s e dt h eu s bt e c h n o l o g yt oa c q u i r e 、t r a n s m i ta n ds a v ed a t a h a v et h ea t t r i b u t e so fp l u s a n d - - p l a y k e yw o r d s :h a r m o n i c si np o w e rs y s t e m ,d a t aa c q u i s i t i o n ,u s b ,f i r m w a r e ,d r i v e rp r o g r a m 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。本人授 权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名:由! 壶幽丑 指导教师签名: 口p 年石月,g 日p f 年6 月立弓日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明:所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得西北大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:去川( 匆帕 少fd 年矽月r 8 日 西北大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 1 1 1 电力谐波 第一章绪论 随着社会的发展进步,电器设备的大量应用,人们生活的方方面面越来越离不开电 力能源,各种各样的用电设备,方便了人们的生活和工作。现代人们对电的依赖有增无 减表现在科研、生产、交通、运输、生活、娱乐等等各个方面。随着科技水平的进步, 人们对电力资源的认识也越来越透彻,从而发现了电力资源中存在着谐波现象,电力谐 波对电力供应有着非常严重的影响。 研究表明,非线性负载在使用中,由于其获得的电流和电压是一种非线性关系的, 故可产生畸变的电流,畸变电流反馈到电路回路中又会引起电压的畸变。从而形成对电 力系统的污染。 非线性负载包括各种各样的电力电子装置,如电弧类设备,家用电器以及一些高新 技术应用的多种设备。这些类型的设备就单个个体而言,所产生的谐波不大。但随着社 会的发展,这类用电设备的大量增加,已经构成了一个产生电力谐波的群体,它们产生 的谐波总和已经不能再被忽略,而成为了电力系统谐波的一个主要来源。 世界各国的电力发展过程也说明了这一点,美国在上世纪九十年代中后期非线性负 载比1 9 9 2 年上升了4 5 倍。而英国从六十年代电子技术快速发展开始,若不对谐波加 以有效的控制,到八十年代末,英国的电力系统供电电压畸变率可能高达1 0 。在电子 领域飞速发展的日本也面临着同样的问题,就其换流装置一种设备而言,从1 9 9 0 年到 2 0 0 0 年的十年间,若不加以控制,估计产生的谐波量和电力系统容量的比例能上升2 倍左右。 随着非线性负载的快速增加,谐波对电力系统的污染也日趋严重。而谐波的存在对 于用电设备而言,存在着不同程度的影响和危害。例如,电机受谐波的影响,传输效率 降低,功率损耗加大,同时还会产生严重的噪声,甚至由于克服无用功而要提高功率, 导致大量的热的产生,使电机使用寿命缩短,严重时直接损毁设备;对于继电器和自动 控制设备来说,谐波可能会造成信号识别错误,而产生错误动作,直接造成控制失误, 也会带来的危害;对于信号传输的设备来说,谐波会使传输信号的误码率增加,严重时 可能直接淹没信号,使信号根本无法识别;对于一些精密的仪器仪表等设备而言,谐波 会使测量的数据出现较大的偏差,而直接影响到测量的结果。此外用电设备长期存在严 】 重的谐波的环境下工作,设备的使用寿命也会受到很大影响的。电力谐波的存在就是对 电力网络的污染。 谐波的存在的一个问题是影响了设备的正常工作,降低了电器设备的使用寿命,为了在 这个环境下能够正常的工作,就要在研制生产带过程中做很多额外的工作,使设备提高 对谐波的承受能力,当然这些都是以增加额外成本为代价的。同时,谐波的存在,大大 增加了能耗,造成电力资源的浪费,也不符合现在提倡的“低碳 生活的要求,加之谐 波分布范围广,可以在整个电网中传播,严重时更会直接造成人身的伤害和财产损失。 所以,整治电力谐波的任务已经是迫在眉睫,清除电力污染,是一件利国利民的好事。 要想治理电力谐波,对电力谐波污染进行控制,那么它的前提就是对电力谐波的准 确测量。电力系统中的负载分为两类,一类是线性负载,另一类是非线性负载。在电力 供应中,非线性负载的接入,破坏了电压和电流的线性关系,产生了与供电基波频率有 着倍频关系的谐波,并会把产生的谐波回送到电力供应网中。而在含有谐波的电力供应 中,线性负载吸收的能量就包括基波和谐波提供的能量,而基波提供的是有用功,谐波 提供的不仪是无用功,而且还可能会造成危害。但是,现在的用电计量设备只是对简单 的功耗进行计量,也就是说,它计量的是基波能量与谐波能量之和。因此也就造成了这 样一种现象,非线性负载吸收基波,产生了一定量的谐波,在计量时,总的功耗量是吸 收的基波能量减去产生的谐波能量。而线性负载消耗的能量则是基波能量加上无用的甚 至是有危害的谐波能量。这样的计量结果使产生了污染的非线性负载不仅不用为产生 了谐波负责任,而且还可以顶掉部分正常的能量消耗,降低了其真正的使用成本。而线 性负载,则不仪要为自己的正常消耗埋单,而且要为自身受到的谐波污染埋单。这是一 种非常不合理的现象。 要克服这种不合理的现象,就需要从电力测量这个根本入手,也就是在测量时,不 仅能计量基波的能量,而且对谐波也能进行全面的监测。这就要求全面准确的取样电压 电流数据,进行谐波的分析计算,从而准确掌握谐波能量的吸收及产生情况,了解谐波 含有率等有关数据,全面监测电力质量,并可以以此为依据进行合理的收费,同时也可 以采取相应的抑制手段,以减少电网中的谐波成分。 1 1 2 数据采集 计算机技术的飞速发展,使得计算机进入了越来越多的行业,计算机在各行业的广 泛应用就要求计算机要获取各种应用环境或对象的相关数据,然后才能进行分析和处 理。数据采集环节成为计算机应用的关键环节。 2 西北大学硕士学位论文 数据采集就是把待处理的物理信息通过相应的传感器转换成电信号,再经过适当的 信号变换,传送给计算机进行存储、处理、转换、显示的过程。数据采集是计算机获取 信息的重要手段,能完成上述过程的系统,称为数据采集系统2 】【3 】。 数据采集系统覆盖了多个领域,因此采样的信号也是多种多样,采集系统要根据信号的 不同类型选择合适的传感器、转换电路,把采集的信号转换成计算机能正确识别和处理 的数据。在采集过程中为了保持信号的有用信息,需要对采集速度和精度等指标做出要 求,只有符合计算机才能正确的做出分析和处理。 数据采集系统就其应用领域,多是实时性系统,实时的处理和实时的控制传输是数 据采集系统的一大特点。要满足实时性,就要求电路处理速度符合要求。另外准确、方 便、安全和低成本也是数据采集系统开发就注意的要求。 数据采集系统可以以板卡形式集成在计算机主机箱内,也可以利用计算机通用接口外接 处理电路。机箱内置的数据采集系统,曾经是数据采集系统的主流,因为当时微机上配 置的是r s 2 3 2 或r s 4 8 5 串口,由于其传输速率较低,常常会使数据吞吐量受到限制, 所以只有在信号取样频率不高的场合才使用。 因为速率比配置的串口速度要高一些,早期机内数据采集系统大多使用i s a 插槽。 i s a 插槽是基于i s a 总线( i n d u s t r i a ls t a n d a r d a r c h i t e c t u r e ,工业标准结构总线) 的扩展 插槽。其工作频率为8 m h z 左右,最大的传输速率可以达到1 6 m b p s ,数据总线为1 6 位,曾经是微机的主流配置,但是由于i s a 总线占用的c p u 资源太高,总线带宽相对 所使用资源的占用率又太低,使用成本过高。所以,i s a 逐渐被淘汰,现在的微机主流 配置中已经没有了i s a 的身影。取而代之的是p c i 总线。 p c i 总线( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ,外设组件互连) 总线是目前数据采集 机内系统主要使用的接口。其工作频率早期为3 3 m h z ,后来随着计算机的主频提高, p c i 的总线频率也提升到了6 6 m h z ,数据总线为3 2 位。1 9 9 3 年又出现了与之标准相同, 数据位数增加到6 4 位的p c i x 总线。数据带宽得到了很大的提高。目前,p c i 技术还 在不断的发展,新的p c ie x p r e s s 已经应用到微机当中。与i s a 总线相比,p c i 总线是 与系统总线并行的总线,其上连接的设备进行数据传输时,不需要c p u 的介入,极大 的提高了c p u 的利用率。加之具有总线结构简单,成本低、设计简单等优点,使其应 用范围广泛。但是p c i 总线并行总线无法连接太多设备,总线扩展性较差,加之位于机 箱内,具有线间干扰可能会导致系统无法正常工作的缺点,也使得p c i 总线在一定场合 内使用受到了限制。 利用计算机配置的标准接口和数据采集电路连接通信,是现在数据采集系统的个 3 趋势,主要是利用u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 接口和i e e e l 3 9 4 接口等。与机箱内安装 数据采集系统相比通过接口连接的优点是很明显的。其一,由于系统没有安装到机箱内, 所以不会受到计算机系统内部信号干扰,也减小了相互干扰,对采集数据的准确性有很 大的好处;其二,由于所使用的接口均具有即插即用功能,所以,采集电路安装方便; 其三,开发的采集板卡,一般面积较小,容易封装,所以增加了采集电路的可移动性, 无需整机搬运,只需要携带采集电路及相应软件即可。此外还有成本低,采集效果好, 灵活实用等优点。 现在的计算机标准配置中的接口,除了专用接口外( 如p s 2 ) ,通用的接口主要是 并行口、u s b 接口、r s 2 3 2 接口、r s 4 8 5 接口和i e e e l 3 9 4 接口。并行口即i e e e1 2 8 4 接口,也叫c e n t r o n i e s 接口,最大的传输速率是2 m b p s ,但连接电缆的长度不能超过2 米,也不支持热插捌4 1 。 i e e e1 3 9 4 接口也叫火线支持外设热插拔,也可以为连接的外设供电,在这方面和 u s b 接口相同。它有两种工作模式,b a c k p l a n e 模式传输速率分别为1 2 5 m b p s 、2 5 m b p s 和5 0 m b p s ;在c a b l e 模式下,速度更高,分别为1 0 0 m b p s 、2 0 0 m b p s 和4 0 0 m b p s ,甚 至可用于传输未经压缩的高质量数据电影【5 】。其支持连接的电缆最大长度是4 5 米。虽 然i e e e l 3 9 4 接口有诸多好处,但是,现在绝大多数主流的计算机没有配置i e e e l 3 9 4 接口,要使用该接口必须外购相应的接口卡。 u s b ( 通用串行总线) 接口在近年来得到了广泛地应用。很多原先使用其它接口的 计算机外设,现在都在使用u s b 接口。u s b 接口支持热插拔,可以通过接口向外部设 备提供电源,而且支持多个外设的连接,使用菊花链式连接,最多可以接1 2 7 个外设, 并且不会损失带宽。目前常用的u s b 2 0 接口支持的最大传输速率是4 8 0 m b p s 。随着高 版本的u s b 接口的开发,在保持了对低版本兼容的同时,最大传输速率可以达到5 g b p s 【6 】。随着计算机广泛应用,与其配套的硬件设备飞速发展,外设数量种类急剧增加, 使外设接入计算机产生了一系列问题,而使用u s b 接口成为解决之道,u s b 接口现在 成为了计算机外设连接的标准化、单一化的接口,并且得到了主要的计算机生产商和软 件开发商的支持。与i e e e1 3 9 4 接口相比,其普及率大大超过了i e e e l 3 9 4 接口。 本课题在开发,也选择使用更为普及的u s b 接口对采集的电力谐波数据进行传输。 1 2 课题研究的现状及意义 电力谐波的问题,最早是德国在上个世纪二十年代发现的,随后对此进行了大 量的研究,也发表了许多的文章,但是当时并没有引起很大的关注。主要原因是,当时 4 西北大学硕士学位论文 用电设备本身数量有限,而能引起谐波的非线性负载设备数量更少,其产生的谐波相对 于电网容量而言,所占的比例非常低,对电网的影响也非常有限,故尔没有引起广泛的 注意。但随着社会的进步,在工业发达的国家电力工业高速发展,使用的电器设备从种 类到数量呈爆炸性的超前增涨,其中非线性负载的也随之大量增加,其结果是造成电网 内谐波所占成分快速增加,由此引起的危害和造成的损失越来越多,引起了工业发达国 家的高度重视,开始了对电力谐波的研究,并从经济和技术上采取手段限制电力网中的 谐波成分,并制定颁布了电力系统谐波限制标准【7 】。 我们国家对电力谐波的研究起步稍晚,但重视程度高,几乎在所有涉及电力电子应 用的工业部门中,都有把谐波干扰及其分析处理作为重要技术课题进行研究的。我国政 府也非常重视电力谐波的控制,在1 9 8 4 年由水利电力部颁布了s d l 2 6 8 4 电力系统谐 波管理暂行规定,之后在结合国情,吸取国外谐波标准研究成果的基础上,又于1 9 9 3 年由能源部组织制定并经国家技术监督局批准发布了国家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质 量公用电网谐波标准,规定了电网的谐波允许量,以保证用电的质量及电网的安全 【8 】 o 到目前为止,研究电力谐波的时间也不算短了,技术手段在不断加强。从开始的手 工测量计算,到后来的使用计算机进行分析。早期在计算机上采用的是内置的数据采集 板卡,对电压、电流信号进行采集,这类设备,缺乏灵活性,而且当时的计算机价格较 高,造成整个系统成本过大。为解决这些问题,又开发出多种嵌入了微处理芯片的谐波 测量仪器,其特点是体积小,可以手持,有一定的存储能力,可以记录测量的多个参数, 并可以安指定的计算方式,进行电力谐波的一些固定方式的分析计算。这一类设备,国 外的产品遵守的是其本国标准,若专为我国生产,则价格又相当昂贵。国内的产品在价 格上有优势,但性能上与国外有一定差距。而且这类设备均保留有与计算机的接口,对 于进一步的分析运算还需要把数据上传到计算机,由计算机来完成数据的处理。再者, 手持式的设备只是对一个点的监测,要实现联网监测,还是采用计算机为核心的数据采 集系统更方便。 另外,目前的电力系统谐波治理,是以防为主,以治为辅,多是被动的采用加滤波 器或分开输电线等方式,这样的治理能起到一定的作用,但缺乏针对性。我们相信,随 着人们对谐波的研究日渐深入,会针对不同的谐波类型,采取更有效的针对性的措施进 行治理,而这种识别和治理的主角还是计算机,前提条件是计算机能获得电网当中电压、 电流的有效数据。 随着计算机本身性能的不断提高,运算处理速度越来越快,已经可以满足一定条件 5 下的谐波实时处理要求,利用计算机的自身优势,我们可以对谐波数据大量的采集、存 储,以利于进行分析研究,比如可以对多种谐波数据分析方式进行研究,从中找出最好 最适合当前电网的分析方法。此外,现在配置了u s b 接口的计算机体积越来越小,价 格越来越低,相对于基于微处理机的专业工具,成本和性能上反而更有优势。 1 3 课题研究的内容及安排 电力谐波的研究包括几方面的内容,主要是数据的采集,数据的分析,防治措施的 制定,效果的验收。而其中数据的采集是后续工作的根本,本课题的目标是使用u s b 接口为计算机采集电力谐波数据。由于数据采集是电力系统谐波分析重要一步,所以采 集要求比较高,要保证采集系统的速度、精度、准确度等一系列指标,才能为的治理和 管理电力系统提供充分的科学依据。本采集系统的设计目标是: ( 1 ) 要具备良好的实时性,能将数据实时记录下来; ( 2 ) 要具备良好的数据采集性能,能达到较高的采样率和高的采样精度,满足数 据分析的要求; ( 3 ) 要具有高速的数据传输能力,充分利用u s b 接口的特点,保证数据准确无误 的存储; ( 4 ) 要具有简单易用的特性,在保证系统功能全部实现的前提下,尽量简化电路 设计和软件编程的难度,降低开发成本。 根据开发过程,本论文主要内容为以下几个方面: 第一章绪论 介绍电力谐波的概念及其危害,以及治理电力谐波要进行的分析和测试,描述分析 测试应建立在能正确反映电网情况的数据的基础上,为此要建立一个基于u s b 的电力 谐波数据采集系统。最后介绍本论文的结构。 第二章电力谐波数据采集系统及u s b 接口技术介绍 在这一章中,介绍电力谐波分析所涉及的性能指标,介绍数据采集系统的各项技术, 以及与本课题相结合的应用,选定一种数据采集的方式。然后再介绍u s b 接口的技术 指标,选择u s b 技术作为本系统数据采集的传输方式。 第三章硬件系统设计 这一章中,根据所要设计的系统要求,先完成整体框图的设计,再结合电力谐波采 样的要求,完成相应电路主要芯片的选择。再根据框图各部分电路要实现的功能结合所 选芯片的特点,设计出实用简单的电路。完成电路硬件整体的设计。 6 西北大学硕士学位论文 第四章软件系统的设计 这一章中,根据u s b 接口的特性,首先为u s b 接口芯片设计固件程序,其次为使 u s b 很好的与主机通信,要完成驱动程序的设计,最后为用户能方便使用,要完成用户 程序的设计。 第五章总结 这一章中,根据整个系统的设计开发过程与完成情况,对系统设计进行总结,找出 还需要解决的问题,并提出自己的想法,展望后一阶段的工作。 7 第二章电力谐波的数据采集技术及t l s b 第二章电力谐波的数据采集技术及u s b 2 1 电力谐波概述 谐波是电力系统的波形畸变,在我国的供电系统中,规定的交流电压和交流电流的 频率是5 0 h z ,基本波形是标准的余弦波形,其标准的电压表达式是: u ( t ) = 2 u c o s ( 2 矿+ 秒) ( 2 1 ) 其中,i - 表示供电电压的有效值,在用户用电系统中是2 2 0 伏; 0 表示初相角,在三相电力系统中,其相互间的差值是1 2 0 。; f 表示频率,在我国标准的基本频率是5 0 h z 。 若电压不是上述波形,而是畸变的周期性波形,则可以看成是基于上述标准的基波 与频率若干倍于基波的各个余弦波叠加的结果。其中是基波频率若干倍的电量,就是相 应倍数次谐波。例如,是基波频率3 倍的波称为三次谐波,另外,如果是基波频率的奇 数倍,称为奇次谐波。偶数倍的称为偶次谐波。 根据国家g b t1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波标准中规定的公用电网谐波 电压限值要求,需要知道电路的标称电压,得到电压的总谐波畸变率及各次谐波电压含 有率。要得到以上的值,需要测量出电路的电压数据,再对周期性的非余弦电压进行傅 立叶级数分解,计算出所要求的电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率。 标准同样对公共连接点允许注入的谐波电流值也做了规定,分析电流的情况,同样 也需要对电流信号进行采集,然后进行傅立叶级数分解,以便于检测各次谐波量,判断 是否符合规定。 综上所述,可以看出,对谐波的分析就是要获得电压电流的准确信号,才能正确分 解为所要研究的各次谐波,从而考察谐波相应的指标。 谐波的产生与功率转换器的脉冲数相关,脉冲数越高,谐波分量的频率次数就越高, 而一般的功率消耗设备,其脉冲数都不是很高,且随着谐波分解的次数增高,谐波分量 的振幅值越来越小,其在总电量中所占的成份也越来越小,当谐波次数高到一定值时, 它的振幅值已经非常小了,可以忽略它的存在,这并不会影响到分析的结果。按国家标 准中规定的值,正确分析出2 5 次谐波即可,但为了以后的发展要求,本课题将以分析 5 0 次谐波作为标准。 8 西北大学硕士学位论文 2 2 数据采集概述 一般的计算机数据采集系统,主要由传感器、调整电路、接口电路和装有相关软件 的计算机组成,其结构关系如图1 所示。 区圈叫亟丑吨亟乎( 州二窭二 图1 数据采集系统框图 传感器主要负责把要观察和测量的物理信息转换成电信号,或者说是感应物理现象 并生成数据采集系统可以测量的信号。直接转换得到的电信号是和它所检测的物理量呈 比例的模拟信号,不能直接被计算机使用,并且带负载能力差,这些问题都需要调理电 路进行适当的处理。 调理电路为配合数据采集信号的输入要求,由传感器直接得到的电信号必须经过处 理,其主要作用是对低电压信号进行了放大,并对无用信号和干扰信号进行隔离和滤波。 此外,一些传感器需要加电才能进行正常工作,调理电路也要为其提供合适的电源。 调理电路中一般都有放大电路,放大电路的主要作用是为了从小信号获得更高的信 号分辨率,同时还要让放大后的信号匹配后续电路要求的最大输入电压范围或模数转 换电路的最大输入范围。 此外,隔离也是调理电路的主要责任,其目的是为了把传感器的信号和计算机进行 隔离,以防止外部电路产生有害信号,造成对计算机的损坏。比如,在电路中,如果数 据采集设备输入和所采集的信号使用不同的参考“地线 ,而一旦这两个参考地线有电 势差,就有可能产生接地回路,这样会造成采集的信号不准确;如果两个地线的电势差 太大,会直接造成对测量系统危害。 调理电路部分在需要时还负责实现多路复用。所谓多路复用,就是使用单个测量设 备来测量多个信号的技术,调理电路对于一些相对于系统速度变化较慢的信号,可以使 用多路复用,即模数转换电路采集了一个通道的信号后,再转换到另一个通道进行采 集,如此往复下去。模数转换电路若进行多通道数据采集,则每个通道的有效采样速 率和采样的通道数呈反比。 调理电路还是具有滤波功能的电路、产生传感器激励的电路和具有线性化功能的电 路等。在设计调理电路时,要了解测量的信号特性、前后电路的输出输入范围( 用于测 量信号的配置调整) 和系统使用的周边环境,根据这些信息,才能确定是否使用调理电 路,及实现那些功能。 蔓三量皇垄堕鎏堕鍪塑墨叁垫查墨! 塑 经过调理的模拟信号在进入模数转换电路时,我们要关心的是所来信号的通道情 况,保持信号满足分析处理要求的采样速率、分辨率和输入电压范围等方面的情况。这 些指标在模数转换是都要加以考虑,其主要原因是信号在模数转换时会有损失,对上 述指标的考虑,可以把这种损失控制在合理的范围内,这样就不会影响到后期的分析处 理。 数据采集的通道分为单端输入通道和差分输入通道两种。单端输入中,输入信号均 以共同的地线为基准。这种方法主要用于输入信号电压较高( 高于1 v ) ,信号源到模拟 输入硬件的导线较短( 小于5 米) ,且所有的输入信号共用一个基准地线。如果信号达 不到这些标准,应该使用差分输入。差分输入中,每一个输入信号都有自己的基准地线, 可以减小共模噪声,从而减小因噪声引起的误差。 采样速率就是每秒种进行模数转换的次数。采样速率越高,越能真实的反映原始信 号,但过高的采样速率也会造成浪费,会使性价比降低。采样速率越高,所产生的数据 量也越大,对信号的描述越仔细,但是对于一些信号而言,以一定的采样频率采样后, 其数据已经满足了我们对信号分析的要求,如果再提高采样速率,对信号的描述也不会 有显著的提高,所以选取合适的采样速率是一种既经济又不会影响到分析结果的好方 法。合适的采样速率是多少,可以应用奈奎斯特采样定理方便的求出。 奈奎斯特采样定理告诉我们在理想情况下,模拟信号转换为数字信号时,采样频率 只要是信号最高频率的二倍,就能够保证经过转换的数字信号保留着相应频率内完整的 原始信息。 在电力谐波数据采集系统中,我们要研究的最高频率的谐波信号是5 0 次谐波,其 频率是2 5 0 0 h z ,要对其进行正确取样,保证原始信号的信息,按照奈奎斯特采样定理, 取样频率应保持在5 0 0 0 h z 以上。奈奎斯特定理是一种理想的采样定理,是在完全没有 噪声干扰情况下的理论值,在实际应用时,往往要保持理想采样信号最高频率的3 5 倍。 采样信号的分辨率也关系到信号对原始信息的保留情况,所谓分辨率是指模数转换器 用来表示模拟信号的数据的位数。用来表示数字信号的二进制位数越多,分辨率越高, 信号范围内被分割成的区间数目越大,所以能探测到的电压变化情况就越细微。比如一 个振幅为1 0 的正弦波电流,用一个理想的3 位模数转换器转换,获得相应的数字图像 如图2 所示,一个3 位变换器可以把模拟范围划分为2 3 个区间,即8 个区间,每个区 间都由0 0 0 到1 1 1 八个二进制数中的一个来表示。从图中可以明显的看出,数字表示的 西北大学硕士学位论文 阶梯图形与原始信号有着明显的不同,这些不同就是由于模数转换过程中,数字信号 丢失了部分信息造成的。显然分辨率越高,分区越多,数字化后的阶梯图形越接近原始 波形。比如分辨率增加到1 6 位时,模数转换的编码数从8 增加到2 1 6 ( 6 5 5 3 6 ) 个,在 取值范围内,数据描述更加精细。由此可见,在恰当地设计模拟输入电路其它部分的情 况下,提高分辨率可以对模拟信号进行更加准确的数字化。 图2 波形数字化信号对比示例 编码宽度在数据采集系统中反映了最小可探测的电压变化,其定义是数字化后,数 据最低位有效位1 ( l s b ) 代表的电压变化范围,从定义可知,用电压范围除以增益和 2 的分辨率次幂的乘积来进行计算。如1 6 位数据采集设备,其电压范围是o - - 1 0 v ,增 益是1 0 0 ,它的编码宽度可由下式计算: 生百:1 5 矿 ( 2 1 ) 1 0 0 2 ” 对于数据采集硬件而言,在设计和使用时还要考虑微分非线性度( d n l ) 、相对精 度、所用放大电路的稳定时间和噪声等参数,这些都可能对采集数据的准确度产生影响, 所以在设计时要注意技术规范,不能只参考分辨率等几个指标,而应该全面考虑,这样 才能确保所采集的数据有足够的精度。 数据采集系统中的计算机从成本上讲,更多使用的是微机,它的性能和连接总线有 可能直接影响数据连续采集的速度。现在市场上的高端微机大多可以集成p c i p c i e x p r e s s 、p x i c o m p a c t p c i 和i e e e1 3 9 4 总线,并保留了传统的u s b 、r s 2 3 2 或r s 4 8 5 总线接口,所以对于数据采集系统来说,总线的选择是非常灵活的。使用r s 一2 3 2 或 r s 4 8 5 串口,数据采集的吞吐量会受到一定的限制,在采集速率要求较高时,就不能 满足需要了。数据采集的总线在选择时,要考虑各类总线所能支持的数据传输方式,进 行合理的选择。 计算机现在都有可编程i o 传送、中断传送及d m a 传送方式。传送方式的不同会 1 1 震臻戮善 笙三兰皇垄堂鎏竺垫堡墨叁垫查墨! 塑 影响数据采集设备的数据吞吐量,其中d m a 方式具有更高的数据吞吐量,原因是其使 用专门的硬件把数据直接传送到计算机内存,处理器不参加数据传送的控制,可以并行 地进行自己的任务处理。选定使用某一类传送方式,必须使用支持这类传送的设备。例 如,p c i 和u s b 设备可以支持d m a 和中断传送方式,而p c m c i a 设备只支持中断传 送方式。 对于计算机的选择可以根据使用情况来确定,要实时处理大量数据时,要选用高速 的处理器或专用的插入式处理器,如数字信号处理( d s p ) 板卡,而对于只采集或简单 换算处理的数据应用系统,则选用一般微机就可以满足。当然,在选择计算机时,满足 当前目标的同时,还应该考虑投资的长期回报。 软件在数据系统中,起着非常重要的作用,它负责把数据采集硬件和计算机结合成 一个完整的系统,并控制完成数据的采集、分析和显示等任务。数据采集系统的性能和 软件有着重要的关系,好的软件可以和硬件很好的结合,使系统具有灵活性和高性能。 在软件开发时,选择合适的开发工具,可以达到事半功倍的效果,极大地降低开发数据 采集程序所需要的时间及成本。 2 3u s b 接口概述 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 的出现为解决过去的遗留问题找到了答案,很多人都 经历过这样的失败,在安装了调制解调器、打印机、扫描仪等计算机外设后,它们却不 能正常工作。更糟的是用户不知道从哪下手解决问题,为此我们不得不为等待帮助而担 搁数小时。由于得到了大多数厂商的支持,u s b 成为了上述问题的解决方案。对于一 般用户而言,它使计算机系统连接外部设备变得更为方便和容易了。u s b 的应用范围 非常广泛,可以用于现有的计算机,也可以用于有嵌入式处理芯片的电器设备上。 2 3 1u s b 特点 u s b 提供了最简单的计算机外设连接方式。使用了u s b ,用户无需再为鼠标和键 盘的连接是否正确而操心了。不管是连接显示器、打印机,还是连接大容量磁盘存储驱 动器,只需要使用u s b 一种电缆就可以了。用户再也不用考虑连接的端口是串口还是 并口;因为使用了u s b 接口,计算机内也就不会再有d i p 开关、跳线、i r q 冲突和d m a 冲突。u s b 使用户可以在p c 启动和运行时进行外部设备的连接和断开,真正实现了即 插即用。由于各种外设都可以使用u s b 接口进行连接,而且连接方式非常简单,原先 一般用户很难完成连接的外设现在可以方便的接在计算机上了。 西北大学硕士学位论文 u s b 的特点是传输功能非常全面,既支持非时实数据的传输,如文档、电子邮件 和图像;同时也支持时实数据的传输,如音频、语音及压缩视频。u s b 的另外一个特 点是成本低廉,1 2 m b p s 高速传输和1 5 m b p s 的低速数据传输使用的电缆设备都是一样 的,价格低廉。此外,鼠标和键盘这样的低速设备不需要全速的1 2 m b p s 带宽,这样的 低速设备可以共用带宽,从设备接口的标准化和u s b 的易用性中获得好处。 2 3 2u s b 硬件 2 3 2 1u s b 总线拓扑结构 众所周知,u s b 的拓扑结构是多级星型结构,中心结点是主控制器,u s b 主控制 器一般集成在计算机主板上的主芯片群中。在一个标准的u s b 系统中,只有一个主控 制器控制全部系统,主控制器负责处理各种外设的数据输入输出的传输。如果主控制器 正忙,所有外设必须等到丰控制器空闲是,然后再建立新的通信传输。 外设可以直接连接到主控制器端口,更多的情况下,是使用u s b 集线器( h u b ) 直接连接到主控制器端口,这样可以连接更多的外设。利用h u b 连接主u s b 端口可以 为计算机系统提供更多的u s b 端口。外设或h u b 可以连接到已经与主控制器连接的 h u b 上,构成多级星型结构。如图3 所示。由于h u b 能连接下一级的h u b ,所以可 以建立外设的多级星型拓扑结构。u s b 的集线器有两个主要功能,即控制器和中继器。 作为中继器使用时,把信息包上传到连接的上一级主控制器( 或上一级h u b ) ,或者下 传到所接的下一级外设。u s bh u b s 归结为两类,即独立型和复合型。独立集线器通常 只有上行和下行端口( 上行即数据从外设传送到主机,下行传输方向相反) ,而复合型 则是除了具有集线器的功能外,还具有其它的外设功能,像显示器和键盘这样的h u b 设备。 :控制器 计算机 l 檀姥骢 j 独立集1 j 集线器 显示器集线器 线器l tt 。 阱设f l 由 一鼠标l , 摄像机 - d 键盘 图3i j s b 拓扑结构 * 二覃自m 请踱敲采集技术厦u s b 星型结构的末端节点一定是外设,外设可以是具有单一功能的,也可以是具有多种 功能的设备,多种功能的外设是与复合型h u b 完全不同的复合型设备。此外,外设一 般可以归类为具有1 2 m b p s 速率的全速设备和具有1 5 m b p s 的低速设备。 2 32 2 u s b 连接 u s b 的出现带来的一个重要成果是它使连接变得简单了。对于u s b 的h u b 和外 设来说,连接接口只有两种类型。所以用户根本不可能把不配套的接r n 连接在一起。连 接主机或上端h u b 的连接头叫做a 型连接器,它的形状是长方形式的。如图4 所示。 u s b q d n r d 】t d n + d 一 _ 1 = ,= ,。1 圈4u s b 接头外形 连接外设或下端h u b 的连接头叫做b 型连接器,它的形状稍方一些,并且有两个 角是弧型的,以方便接头的连接定位。主机只支持a 型的连接而h u b 则有a 型和b 型两种连接r n 。对于多级星型拓扑结构,a 型连接器都连接在主机或h u b 的输入端 而b 型的连接器则连接在外设或h u b 的输出端。如图5 所示。以1 2 m b p s 进行全速率 传输的电缆可以长达5 米,而低速传输时,电缆只能有3 米长。全速率的u s b 传输使 用有屏蔽的电缆,可以提高传输的性能增加电缆的长度。低速传输时使用的是无屏蔽 电缆,可以降低成本。 目5u s b 连接墨 在另一方面u s b 简化了两个设备之间的连接电缆。各种不同的接口使用的电缆中 的信弓线数量是不一致的,而所有的设备在使用u s b 连接时都只使用四根线,其中两 条用来供电( 电源和地) ,另外两条传输不同的信号( d 十和d 一) 。在用作全速传输时, d + 线接了一个15 k o 的上拉电阻;在做低速传输时,则d 一线接一个15 k o 的上拉电 阻。 1 4 西北大学硕士学位论文 2 3 3 电源 所有的u s b 端口均可以为已经连接的外设提供电源。h u b 和外设可以自己接供电电 源,也可以使用u s b 提供的电源。使用u s b 供电的h u b 或外设的全部电能均由u s b 提供, u s b 能, 够为连接的全速外设端口提供最大5 0 0 r n a 的电流,自供电的h u b 可以为每个端口 提供所需的最大功率的电源。但是,总线供电集线器只能从向上传输线上得到电源,这 严重限制了他们为当前连接的外设提供全面能量的需要。连接在总线供电集线器的外设 最大只能获得1 0 0 m a 的电流。 总线供电h u b 在主机没有进行配置前,u s b 设备所提供的电流最大不超过1 0 0 m a , 而在配置后,可以根据配置情况,为外设提供更大的电流。 u s b 具有多
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