基于TMS320F2812的电能质量监测装置设计

1、毕业设计(论文)开 题 报 告 题 目 基于TMS320F2812的电能质量监测装置设计 学 院 电气与控制工程学院 专业及班级 电气工程及其自动化1102 姓 名 王宝林 学 号 指 导 教 师 赵永秀 日 期 2015.3.26 西安科技大学毕业设计(论文)开题报告题 目基于TMS320F2812的电能质量监测装置设计选题类型应用研究 一、选题依据1.1 国内外研究现状及发展趋势 近十年以来，世界上很多国家建立了一些防止电流畸变、电压波动和进一步限制电网中谐波含量的建议性原则。并且对于电压允许变动和供电频率变化的指标也得以制定。现如今，很多发达国家相继制定了更加完整的关于电能质量的各项指标

2、，并且得到颁布和实施。 当今国内厂家生产的电能质量监测仪众多，各项功能和指标也已大幅度提高，但与国外同类产品相比还存在一定差距。部分功能没有国外产品实现的功能齐全，且人机界面的设计不够智能化、人性化。部分性能指标也不及国外高端产品高：如监测参数不全面、测量精度相对较低等。国内产品在可靠性、设计工艺等方面与国外同类产品的差距还很大。此外，国内研发的电能质量监测装置一般都只能测量系统稳态指标，不能对暂态进行测量和监测，暂态的研究是今后研究的难点和重点。 自1998年起，我国相继颁布了相关的电能质量标准，并且分别在各项标准中规定所要测量的参数及指标。主要标准有： 1GB/T 14549-1993电能

3、质量 公用电网谐波 2GB/T 15543-1995电能质量 三相电压允许不平衡度 3GB/T 15945-1995电能质量电力系统频率允许偏差 4GB/T 12326-2000电能质量 电压波动和闪变 5GB/T18481-2001 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压 6GB/T 12325-2003电能质量 供电电压允许偏差（1）国外研究动态 从20世纪60年代起,国外的一些研究所和电力企业就开始了对电能质量领域的研究。到20世纪90年代已经取得了很大的成就,例如全国范围内的电能质量调研、统计、分析;电能质量分析方法研究;电能质量评估方案的提出;电能质量监测设备的研发等。1992年,CENE

4、LEC(European Committee for Electricity Standardization:欧洲电工标准化委员会)组织制定了公用配电系统的供电特性协议,该协议在吸收IEC关于电能质量标准的基础上,对中、低压配电系统用户供电端作出了详细的要求,包括六项基本参数以及瞬时断电、冲击脉冲、电压凹陷、间谐波等。在1993-1995这一段时间,由CEA(Canada Electricity Alliance:加拿大电力联合会)、NPL(National Power Laboratory:加拿大国家电力实验室)和EPRL(Electric Power Research Institute:

5、美国电力科学研究院)展开了北美地区内71的普及调查。研究的对象主要有稳态电能质量,例如供电电压偏差、电压总谐波畸变率以及电压波动与闪变等,此外还包括暂态电能质量,例如电压骤升、电压骤降、电压脉冲、瞬时断电等。这些数据为全面衡量电能质量水平、定义中断电气环境以及最终建立电能质量评估体系奠定了良好的基础。 为了更深入地研究电能质量,国外的一些厂家在研制和使用电能质量监测设备方面投入大量人力、物力并且取得不错的成绩,其中有影响力的供应商有FLUKE、UNIPOWER、 LEM等知名厂家。这些厂家生产的设备性能先进、测量精度高、稳定性好,但价格相对较贵。在同类产品中使用最普遍的仪器就是美国FLUKE生

6、产的F43系列的电能质量监测仪。这个系列的电能质量仪器均为便携式产品,具有功能多、精度高、操作简单等优点,同时还能够监测和保存40多个电压瞬态事件,并且能够通过串口传送到上位机软件进行相关处理。（2）国内研究动态 随着人们对电能越来越重视,对电能质量的研究已成为大家研究的热门课题,已经有越来越多的电力公司、电力研究院、电气公司以及高等院校的科研人员对其展开研究。在理论方面,主要研究方向为:电能质量各参数值的范围、电能质量的界定方法、电能质量各项参数相应算法。其中电能质量算法的研究是最受关注的,目前算法的研究主要致力于信号采集、信号消噪、信号分析、信号存储、数据压缩、数据传输、故障分析、事件预测

7、等。 目前,国内电能质量生产厂家生产的电能质量监测仪在功能、性能等方面已经有了长足的提升,但是国内厂家的监测仪器还赶不上某些发达国家生产的产品的水平。与国外同类产品相比,国内大多数监测仪还存在很多问题,例如功能单一、检测精确度不高、测量参数少、较粗糙;配套软件不够完善,缺乏对收集数据的整体分析和预测;此外,国内的监测设备大多是对稳态信号进行处理和分析,对暂态信号的研究还处于起歩阶段,这一方面的研究还实时性差,不能对所有指标实现实时监测;产品的适用范围较窄、稳定性较低、可操作性较差和制造工艺有很大的空间。 在电能质量监测设备方面,监测仪的设计方案多种多样,处理器的选择有以DSP为处理器来实现的、

8、以DSP+ARM为核心来实现的、以DSP+CPLD来实现的等;软件方面有以CAN总线技术来实现的、有以太网络技术来实现的。目前国内生产电能质量相关产品的厂家越来越多,其中有些公司生产的电能质量监测仪能代表国内电能质量监测与分析设备的最高水平,其中有些型号的产品已经达到了国际顶尖水平,这也为国内其它厂家提供了技术支持。目前国内市场上比较常见的监测装置能够实现的主要功能有: (1)可以测量电网输送到用户端的三相交流电的参数,并且给出其与标准值的误差。(2)电网负荷波动监测:定期记录和分析基本电能质量参数的变化趋势。（3）电能质量的发展趋势 随着科学技术的发展和研究理论的不断完善,尤其是最近十年来,

9、集成电路技术、材料加工技术、制造工艺技术、网络传输技术、电能测量技术等高新技术发展日新月异。另外现在电力系统规模越来越大,结构越来越复杂,输电线路电压等级越来越高、用户用电设备越来越精密,对电能要求更加严格。在这样的情形下,大家对电能质量监测系统的要求越来越多,例如要求处理数据更迅速、系统工作更可靠、数据测量更精确、操作更简捷等。目前,由于大量高性能数字信号处理芯片的升级、高精度的制造技术的应用、监测理论的不断成熟,实践应用的增多使得电能质量监测仪正朝着更高效、更精确、更稳定、更方便地对电能质量数据分析、检测、传输、存储的方向发展。由于现代电力系统的规模日益增大,输配电系统也愈来愈复杂,需要监

10、测的点也逐渐增加,因此将来监测系统需要满足客户多系统、实时在线监测、分析、预测、报警等需求。所以电能质量监测系统除了操作更加人性化,携带更加轻巧、具有输入输出功能外,还应该有具有一定的识别、预测、报警、自处理功能,比如可以根据对测量数据的统计进而对电网运行状况预测、电力线路短路识别、噪声来源的判别和在线监测等,使其实现智能、在线、实时的监测作用。电能质量监测系统在现有的单点监测、上位机分析的前提下,逐歩朝着功能智能化、传输自动化、体系标准化、网络信息化的方向发展功能智能化、传输自动化、体系标准化和网络信息化已经成为电能质量监测系统的发展趋势,它能够给电力系统污染的治理和故障排除提供有价值的电力

11、系统各项参数,为电能质量各指标的评估提供准确可靠的依据,也能使电力公司提高竞争力,占据更大的市场,同时可以为用户提供更高质量的清洁电能,维护用户利益。1.2 选题的研究意义 电能是现代社会使用最广泛的能源,同时也是能量转换的主要形式电能是一种清洁、经济、易于传输、控制和转换的能源形式,目前大部分一次能源的使用都是通过转换成电能后再分配给用户的。如今,我国电力逐步市场化,电能和一般商品一样,需要追求质量，相对于一般的商品,电能有其特殊性,其质量的保证需要供用电双方来保证，供电方在电力系统的规划布局以及系统运行过程中的调度和调节是保证电能质量的关键。电力的不同用户对电力系统的电能质量有同程度的影响

12、,主要表现有以下几个方面:(l)大量电力电子器件及电力电子设备的应用电力电子器件是一种非线性负载,极易造成电压(流)波形的畸变随着整流技术的不断成熟,其在各行各业中的应用也越来越广泛,给电力系统的谐波污染也随之加重.(2)电网中包含有大量的非线性负荷,如变压器和异步电动机等非线性负荷在扰动或者暂态时会向电网注入谐波干扰.(3)电弧炼钢炉、轧钢机等冲击性负荷的投运其负荷容量大,冲击性强,容易产生电压波动和闪变.在电能质量问题不断加重和用户对电能质量的要求不断提高情况下,提高电能质量的监测水平有重要意义,一般认为电能质量监测的目的有:(1)分析电力系统的性能:通过监测电力系统的电能质量,使电力管理

13、部门了解电力系统运行的总体状态,分析电力系统电能质量的水平和问题所在,从而为电力系统以后的规划布局和运营调度提供依据;(2)根据系统各个监测点的电能质量监测数据,分析各种特性的电力负荷对电能质量的影响,有针对性的对电能质量进行治理,根据实际情况加装各种改善电能质量的装置;(3)为供用电双方的争端提供裁决的数据依据精确的电能质量监测,可以找出引起电能质量问题的原因,从而根据监测结果找到提高电能质量的方法和应对措施,并确定相关的治理责任方.对电能质量的准确测量是治理与改善电能质量的基础。依托通信技术,建立能够实时共享各个监测点电能质量数据的监测平台,为电力系统的规划决策提供依据,同时根据系统的总体

14、电能质量状况对其进行调节和调度。电能质量监测对电网的安全、可靠、经济运行有着重大意义.参考文献：1 肖湘宁，徐永海电能质量问题剖析电网技术，2001，25(3)：66-692 GB/T 12325-2003，电能质量，供电电压允许偏差S北京：中国标准出版社，20043 GB/T 12326-2000，电能质量，电压波动和闪变S北京：中国标准出版社，20004 GB/T 14549-1993，电能质量，公用电网谐波S北京：中国标准出版社，19935 GB/T 15543-1995，电能质量，三相电压允许不平衡度S北京：中国标准出版社，19956 GB/T 15945-1995，电力系统频率允许偏

15、差 S北京：中国标准出版社，19957 邓少军基于 DSP 的电能质量监测系统的设计与实现D沈阳东北大学，20068 林海雪电力系统三相不平衡M北京：中国电力出版社，19989 Dugan R C，Mcgranghan M F，Beaty H WElectrical Power System Quality NewYork：McGraw-Hi11，2001：73-7610 杨奇逊，黄少峰微型机继电保护基础M北京：中国电力出版社，200511 曹晖，刘晓华，袁世英电能质量测量系统中数据采集要求的定量分析J电测与仪表，2004，41(463)：26-2812电能质量监测设备通用要求，国家质量监督检

16、验检疫总局发布13 (英)威廉斯(Williams, A. B)电子滤波器设计手册M北京：电子工业出版社，198614 宋吉江锁相环技术及 CD4046 的结构和应用J半导体技术，2000 (6) 15 郎清锁相环 CD4046 的应用介绍M/OL，2005 16 ADS8364.pdf M/OL，http:/www T 二、主要研究(设计)内容、研究（设计）思路及工作方法或工作流程2.1 研究（设计）目标及内容 完成形式：作品最终的完成形式是以硬件实物的形式完成。 功能：A/D数据采集DSP数据处理和计算，数据采集部分主要负责对ADS8364进行电压、电

17、流采集。通道控制和响应ADS8364产生的数模转换结束中断并读取采样结果。DSP数据处理模块对采样数据进行分析和处理。 主要技术指标:供电电压偏差:5%；频率允许偏差:0.02Hz； 电压暂降：0.10.9pu（持续时间10ms1min）；三相电流不平衡度:1%； 电压暂升：1.11.8pu (持续时间10ms1min)；三相电压不平衡度:0.2%； 谐波:按GB/T14549-2008规定 . 研究内容主要包括:电能质量研究背景,分析方法,标准分析,各项参数的计算方法、DSP技术、数据通信、数据存储、系统硬件设计等。 主要内容如下：1.数据采集、处理模块电路的设计,选用TI公司生产的32位控

18、制专用处理器TMS320F2812来进行实现计算和分析,并且结合ADS8364以及信号预处理电路等辅助电路共同实现数据采集和处理。2.锁相倍频电路设计,利用锁相环芯片CD4046与分频器CD4040设计锁相倍频电路,通过反复实验验证其功能的实现。锁相倍频电路既能使系统保持同步采样又能跟踪三相交流电相位变化。3.大容量存储模块设计,使系统能够将数据保存到U盘或者移动硬盘,USB118AD模块能通过串行接口或SPI接口读写U盘和移动硬盘,它带有USB2.0协议,能够和一切内置USB协议的外设存储设备通信,例如U盘以及带有USB端口的外部存储器,这样就能实现了大量原始数据的存储,解决数据存储难题。

19、4.编写电能质量监测电路上运行的软件,具体内容包括数据釆集、数据存储、数据通信等程序。2.2 硬件方案及原理 本系统在设计时遵循硬件结构简洁、稳定的前提下，尽量提高测量精度并兼顾数据处理快速性的总体原则。监测装置主要由以下几大模块构成：三相电模拟信号采集转换通道电路、DSP 数字信号处理、外围通讯接口模块以及开关电源。信号通过数据采集通道进入 16 位 AD 转换器 ADS8364，转换成数字信号；转换后的数字信号通过总线进入 DSP，通过 DSP 的数据处理和计算得出需要检测的各种电能质量参数。然后将这些参数通过串口发送到负责管理外围通讯和用户接口模块。 在电能质量监测装置的总体设计中，为使

20、设计合理，确保测量精度，从而获得最佳的设计效果，应注意以下几个设计原则： (1) 选用功能相对完善的芯片：为了进一步简化电路的设计，提高监测系统的可靠性和精度，应选用功能强的芯片，这样不但为以后的设计或升级留下了一定的空间，而且还提高了系统的稳定性和精度。 (2) 硬件电路设计上要留有余地：为了以后进一步改善和提高监测系统的功能，在设计上要留有一定的余地，相对于硬件的改动来说，软件更容易实现升级更新。因此，在硬件设计时尽可能留有余地，以便将来的修改和补充。 (3)用软件代替硬件：由于软件相对于硬件来说更容易修改，并且节省成本，所以能用软件实现的功能，就尽量不用硬件，前提是要保证不影响监测系统的实时性。为满足系统的要求，电能质量监测装置的 CPU 要在相邻采样间隔时间内，完成对每一组采样数据操作和运算模数转换和数据采集部分以采样频率实时的向装置的CPU 输入数据，依据现场实际要求和采样定理，为了满足