毕业答辩-电气化铁路电能质量监测装置的研究

LOGO华东交通大学指导教师：钟化兰电气化铁路电能质量监测装置的研究班级：07软件+电气（2）班学生：李秀平，喻光雄，杨宇栋背景：电气化铁路长期存在着功率因数低、谐波含量高、负序等问题，严重影响公用电网的电能质量。我国电气化铁道电力牵引负荷对电力系统的影响，主要表现在功率因数、负序及高次谐波上。这些问题，严重影响公用电网的电能质量。如今，随着“环保、节能”的呼声越来越高，特别是《电能质量》国家标准的实施，负序、无功、谐波这些危及公用电网电能质量的问题必将更加得到重视。背景及意义意义：近几年以来我国加快了铁路建设的速度，其中电气化线路占了很大的比重。铁路作为国民经济的重要基础设施，在我国综合交通运输体系中扮演重要角色。电气化铁路电能质量问题严重威胁电网与国名经济的安全、经济、高效运行并影响产品质量和人民生活质量。为保证电网正常运行，为用户提供优质的电能，就应该对影响电能质量的诸多因素进行综合治理，以改善电能质量的各项指标，这就必须对电能质量进行长期连续的监测。因此，电气化铁路电能质量的监测具有重要意义。背景及意义论文的结构和主要内容第一部分绪论本文介绍了一种基于TI公司的DSPTMS320F2812为芯片的电能质量监测装置，采用FFT(快速傅立叶变换)作为本系统数据处理软件的算法。利用C语言和汇编语言混合编程，通过互感器采集线路中的电量（电压、电流），将采集的电量送入MATLAB数据图形软件中进行仿真监视分析处理，实现信号波形的跟踪，分析出总谐波分量在信号中的含量，为补偿设备和提高电能质量提供依据。通过跟踪国内外电能质量监测仪的研究状况，详细研读电能质量国家标准，瞄准国外领先技术，分析国内市场产品现状，给本文设计的电能质量监测仪提出了详细要求和具体任务。论文的结构和主要内容第二部分硬件设计1整体方案选择AD+单片机形式（结构简单、工作可靠、成本,但速度和容量的限制，这种结构的监测装置无法完成高速度的傅立叶变换）AD+ARM形式（ARM系统的外围器件的成本相对较高，系统的经济性较差，因此这种形式的监测装置只能用于不需要谐波数据和三相不平衡度数据的电压监测，无法完成高精度的快速傅立叶变换和三相不平衡度的分析）AD+专用采集芯片+DSP形式（由于其运算速度不高，各方面功能不强，难以适应电能质量监测的高速度运算高精度测量和大容量存储的要求，无法实现实时跟踪、实时运算，新型的数字信号处理器DSP采用哈佛结构、流水操作、具有运算速度快、计算精度高、抗干扰能力强的特点）论文的结构和主要内容第二部分硬件设计1整体方案选择比较和分析:单片机系统结构简、单价格低廉，但是性能较差。ARM系统的性能虽然有所提高，但成本相对较高，AD+DSP的系统结构有效的利用了现有的资源，有利于发挥现有器件的性能，大大提高了系统的各项参数指标。因此，本问中采用AD+DSP的系统结构，以求最大限度地发挥系统的整体性能论文的结构和主要内容第二部分硬件设计2.芯片的选择TMS320C28xx系列DSP芯片主要包括F280x、F281x和F283x。由于要存储的数据量比较大，片内RAM不够用，必须外扩RAM。F280x系列没有外部扩展接口，所以不能选用；F283x是新推出的浮点DSP，功能强大，但价格较高。综合考虑，F2812比较合适，它有以下特点：（1）高性能CPU32位定点CPU；时钟频率高达150MHz；增强型哈佛总线结构，4M的程序/数据寻址空间。论文的结构和主要内容第二部分硬件设计（2）片内存储器片内128KFlash存储器，方便固化程序代码；1K一次可编程存储器；18K的单周期访问随机存储器。（3）外部扩展接口XINT支持可编程等待状态和读写选通时序，便于灵活配置DSP与扩展芯片间时序；提供三个独立片选信号，简化了系统硬件设计。（4）丰富的串行接口外设两个串行通信接口SCI；一个CAN总线；一个多通道缓冲串口McBSP；一个高速、同步串行外设接口SPI。论文的结构和主要内容第二部分硬件设计（5）A/D转换模块12位分辨率的A/D转换器；16个转换通道；A/D转换速率可达12.5MSPS。（6）事件管理器模块EVA和EVB共六个捕捉单元，可精确捕捉外部引脚电平跳变的时刻；共六个定时器提供定时；另外可产生PWM输出等。论文的结构和主要内容第二部分硬件设计3.硬件电路整个硬件系统采用DSP处理技术，主要由数字信号处理器TMS320F2812、信号调理电路、电源及复位电路、外扩RAM电路、JTAG仿真器接口等部分构成。整个系统的工作原理:电网信号经过变换、滤波后，通过采样，保持再经A/D转换芯片转化成数字信号，送入DSP进行计算和数据处理。通过JTAG仿真器接口送入matlab仿真分析。论文的结构和主要内容第二部分硬件设计3.硬件电路整体框图论文的结构和主要内容第三部分软件设计1软件的开发环境软件系统的开发采用TI公司推出的TMS320系列集成开发环境—CCS(CodeComposerStudio)。它为程序员开发和测试实时的和嵌入式的系统起到了加速和增强的作用，通过主机和实时分析工具，CCS方便了使用者对DSP目标的完整分析。主要特点如下：（1）CCS是一个使用TI编译器的完全集成环境（2）对C和DSP汇编文件的目标管理（3）高集成的编辑器调整C和DSP汇编代码（4）编辑和调试时的后台编辑论文的结构和主要内容第三部分软件设计2主程序设计本系统中，引脚XMP/MC接+3.3V，即DSP选择微处理器模式。DSP软件设计采用C语言和汇编语言混合的形式编写。主程序完成初始化、A/D转换、数据处理等任务，并循环运行采样模块、数据处理模块。主程序的软件流程图如下图所示。论文的结构和主要内容第三部分软件设计2主程序设计系统初始化后打开中断，首先判断是否有键盘中断，如果有键盘中断则执行键盘服务程序，如果没有则执行采样程序模块。在判断模数转换完成后，将采集数据送入数据处理模块子程序，此时要关闭外部中断，完成数据的有效值计算和FFT分析。之后，重新回到是否有键盘中断的判断，重复以上过程。论文的结构和主要内容第三部分软件设计3初始化模块设计（1）DSP的初始化DSP的初始化是设定DSP芯片工作状态的重要步骤，只有正确进行DSP的初始化，才能保证芯片的正确运行。在调试软件的过程中，如果发现程序运行不正确，应首先查看芯片各寄存器的初始化状态设置是否正确，然后再调试用户程序，否则将会降低调试效率。DSP在执行应用程序前必须要进行软件初始化，主要是因为DSP在RESET后，许多的寄存器的初值一般同用户的要求不一致，例如:等待寄存器，SP，中断定位寄存器等，需要通过初始化程序设置为用户要求的数值.论文的结构和主要内容第三部分软件设计3初始化模块设计（2）A/D部分的初始化在A/D部分的初始化中，主要设置的寄存器有A/D控制寄存器1(ADCTRL1)、A/D控制寄存器3(ADCTRL3)、最大转换通道寄存器(ADCMAXCONV)以及A/D输入通道选择序列控制寄存器(ADCCHSELSEQI-ADCCHSELSEQ4)等。论文的结构和主要内容第三部分软件设计4采样模块设计系统初始化完毕后，进入A/D采样程序，采样程序流程图如右，通过将模数转换控制寄存器(ADCTRL2)的EXTSOCSEQ1置1，使能来自ADCSOC引脚上的信号启动模数转换，即通过锁相倍频电路触发模数转换。当检测到ADCSOC引脚为高电平时，A/D转换器将输入引脚上的模拟量转换为数字量并存储在指定的转换结果寄存器(ADCRESULTx)中.论文的结构和主要内容第三部分软件设计4采样模块设计转换完毕后发出中断信号，DSP将启动A/D中断服务程序，如右图所示。程序中，ConversionCount为转换数，A/D中断服务程序将A/D采样得到的数据存入指定的TMS320F2812片上循环缓冲区(电压数据缓冲区Voltage[ConversionCount]、电流数据缓冲区Current[ConversionCount])内。当A/D中断服务程序执行完毕之后，复位排序器SEQ，程序回到主循环等待下一次采样。论文的结构和主要内容第三部分软件设计5数据处理模块设计本设计的数据处理模块主要完成信号有效值的计算和FFT变换两部分。有效值计算:其中，Xk为信号X的采样值，N为数据长度。论文的结构和主要内容第三部分软件设计5数据处理模块设计FFT的程序流程图：论文的结构和主要内容第四部分仿真模块设计1仿真介绍Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，广泛应用于线性系统，数字控制，非线性系统以及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink采用模块化建模方式，每个模块都有自己的输入/输出端口，实现一定的功能。2仿真模型的原理近年来,学者们提出了众多的电网谐波电流检测方法,如:基于傅利叶变换、瞬时无功功率理论、自适应滤波、小波分析等的谐波电流检测方法,其中研究和应用最为广泛的应属基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法。本文采用的就是基于瞬时无功功率理论的谐波仿真方法。论文的结构和主要内容瞬时无功功率理论概述设三相电路的各相电压瞬时值和电流瞬时值分别为ua、ub、uc和ia、ib、ic,分别将它们变换到两相正交静止坐标系中,得到该坐标系下的两相瞬时电压为、,两相瞬时电流为、,各向量图见右图。3仿真模型的建立基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法还可以分为两种，即pq检测法，ip，iq检测法。在这里我就简单介绍一下常用的ip,iq检测法。uuii论文的结构和主要内容ip,iq法检测原理框图ip,iq法检测原理见右图。图中上标-1表示矩阵的逆。为方便研究,在这里只对检测无功电流的情况进行仿真。应用MATLAB/Simulink&SimPowersystems搭建仿真平台,对典型的三相二极管整流电流电路进行仿真,主电路仿真结构见图4。电力系统及仿真参数设置如下:采用380V工频三相电力系统Source,0.2km,PI电力传输线路Line,三相二极管整流器Bridge,整流器直流侧接15kW/3kVar阻容负载Load,仿真时间设定为0.1s,B1为三相电压、电流测量模块,仿真算法为变步长ode45法,采样时间Ts=2e-6,相对容差为。搭建pq法谐波检测系统。410论文的结构和主要内容仿真结果见图,此处仅取A相数据。图中由上至下各波形分别为A相电压ua、电流ia、基波电流if、谐波电流ih。由仿真结果可见,电力系统中接入三相非线性负载以后,电流发生畸变,为典型的三相不控整流阻容负载的电流波形,含有6k±1次谐波分量。应用基于瞬时无功功率理论的谐波电流pq检测法,可以实时地检测出电流当中的高次谐波电流分量。经过适当的变换,还可以检测系统的无功电流分量。本课题所研究设计的电能质量监测装置基于DSPTMS320F2812为核心器件，充分利用其丰富的接口资源同时，配合使用外部AD采样芯片分别建立起数据采集模块，这使得本装置结构灵活，可以应用于智能化低压断路器或保护继电器中，使其兼有电力质量监控功能，这也是低压电器的一个发展趋势。另外，它具有在线监测、精度高、升级潜力大、实时性好、体积小、成本低的特点，同时具有与上位机通信等功能。既适用于现场的测量分析，也适用于长期的监测，对了解电能质量情况，减少电能质量引起的损失具有很好的作用。全文总结本论文是在导师钟化兰教授的严格要求和精心指导下完成的。从论文的构思、开题，到论文的每一细节部分都凝聚着导师的心血。在大四下学期间，钟化兰导师以其严谨的治学风格、渊博的学术知识和积极创新的生活态度，给予我莫大的教诲和启迪，并将永远激励着我努力工作。在此论文完成之际，我向钟老师致以衷心的感谢!感谢我的家人和朋友，他们给了我物质和精神上的支持、关心和鼓励，使我能够专心学习，完成我的学业。感谢同组成员李秀平、杨宇栋同学，在做毕业设计期间，我们相互探讨，共同研究，这给了我很多帮助和鼓励。还有许多关心和帮助过我的老师、同学和朋友，不能一一列举，深表遗憾，在此一并感