基于USB的电力谐波数据采集系统

基于USB的电力谐波数据采集系统摘要：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USB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USB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Cypress公司的CY7C68013-56pin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PCB制作提出了工艺要求。在软件部分，详细阐述了CY7C68013在固件控制下，进行的数据采集和传输，文中还介绍了USB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USB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USB总线技术不仅实现了数据的采集、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，USB，固件，驱动程序PowerharmonicdataacquisitionsystemBasedonUSBAbstract:Electricityisanessentialsourceofenergyforpeople'slives.Withincreaseofthenon-linearloadsinpowersystem,harmonicspollutionofthepowersystemisgrowing.Harmofpowerharmonicsisverygreat.Notonlyaffectsthelifeofpowerequipmentinthegrid,butalsoaffectsthegrid'sownsecurity.Tostudythepowerharmonicsoastofindthewayofcontrolisveryimportant.Togetthedataofharmonicistheprimaryprerequisiteforprevention.Throughanalysisofthedataacquisition,theprogramofdataacquisitionbasedonUSBwasputforwardinthepaper,andcomparewiththetraditionalbus-baseddataacquisitionprogram.Then,thearchitectureoftheUSBwasdeeplyanalysed.Accordingasthefeaturesofpowerharmonicdataacquisition,thedetailedhardwareandsoftwaredesignwasintroduced.Inthehardwaresection,choiceofsensorandA/Dconverterwasintroduced,andWiththeCY7C68013-56pinchipofCypressCompanyasthecorefortheentiredataacquisitionsystembasedonUSBisdesigned.Thesensorandchipwereintroduceddetailed.Hardwaredesigniscompleted,includingdesignofA/Dconverterandinterfacechipconnection,anddesignofpowerconversioncircuits,etc.ThetechnologyofPCBprocesswasrequired.Inthesoftwarepart,thedatacollectionandtransmissionwerecontrolledbyfirmwareinCY7C68013.TheUSBdriverdesignprocessandthedesignofPCmanagementprocedureswereintroducedinthepaper.Finally,thesystemofdataacquisitionbasedonUSBwasdesignedcomplete.ThedataacquisitionsystemusedtheUSBtechnologytoacquire、transmitandsavedatahavetheattributesofplus-and-play.Keyword:harmonicsinpowersystem,dataacquisition,USB,firmware,driverprogram1序言1.1课题研究背景1.1.1电力谐波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，己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1992年上升了4污倍。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100k。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1990年到2000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木为代价的。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，谐波提供的不仅是无用功，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，则不仅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。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[1]。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RS-232或RS-485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ISA插槽。ISA插槽是基于ISA总线(IndustrialstandardArchitecture，工业标准结构总线)的扩展插槽。其工作频率为SMHZ左右，最大的传输速率可以达到16MBPs，数据总线为16位，曾经是微机的主流配置，但是由于ISA总线占用的CPU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，ISA逐渐被淘汰，现在的微机主流配置中已经没有了IsA的身影。取而代之的是PCI总线。PCI总线(PeripheralComponentInterconnect，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33MHZ，后来随着计算机的主频提高，PCI的总线频率也提升到了66MHZ，数据总线为32位。1993年又出现了与之标准相同，数据位数增加到64位的PCI-X总线。数据带宽得到了很大的提高。目前，PCI技术还在不断的发展，新的PCIExpress已经应用到微机当中。与ISA总线相比，PCI总线是与系统总线并行的总线，其上连接