基于dsp电力谐波测量装置的设计

i目录摘要...................................错误!未定义书签。Abstract................................错误!未定义书签。1绪论.................................................11.1课题研究的背景...............................................11.2国内外研究发展动态...........................................31.3课题研究的意义...............................................42电力谐波的检测原理及分析...............................22.1谐波检测系统实现的主要功能..................................22.2电力系统谐波测量............................................22.2.1电力系统谐波产生的原因.................................22.2.2电力系统谐波测量方法简述...............................22.2.3FFT算法的特点.........................................92.3谐波检测中存在的问题........................................102.3.1信号混叠..............................................102.3.2频谱泄漏与栅栏效应....................................112.3.3谐波测量频谱泄漏原因及解决方案........................122.4电网电能质量标准...........................................132.4.1电能质量电力系统频率允许偏差..........................132.4.2电能质量供电电压允许偏差..............................132.4.3电能质量公用电网谐波..................................133电力谐波检测装置的硬件设计..........................................................73.1系统的整体结构..............................................73.2DSP芯片的结构与选择........................................163.2.1DSP芯片的基本结构....................................163.2.2DSP芯片的结构及评价指标..............................163.2.3DSP芯片的选择........................................17ii3.2.4TMS320LF2407DSP简介.................................173.3A/D转换电路................................................183.4存储器扩展及复位电路........................................223.4.1存储器扩展............................................223.4.2复位电路..............................................233.5锁相环电路.................................................243.6与PCF8583的接口电路.......................................253.7按键输入和液晶显示电路.....................................263.7.1按键输入电路..........................................263.7.2液晶显示电路..........................................273.8串行接口电路................................................284硬件系统调试.........................................165结论................................................16参考文献...............................................16致谢...................................................16毕业设计（论文）知识产权声明............................16毕业设计（论文）独创性声明..............................16附录...................................................171绪论11绪论本章首先介绍当前电力质量的主要危害谐波危害，引出电力系统测量的重要性，其次介绍国内外在此方面的研究发展状况以及国内现有仪器由于采用单片机而存在的不足和缺陷，同时介绍了数字信号处理的发展，特别是近些年DSP处理器的普及更为电力系统智能采集注入了新活力，最后介绍了本课题的研究意义。1.1课题研究的背景随着电力电子技术的发展，电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响，谐波被认为是电网的一大公害，同时也阻碍了电力电子技术的发展因此，对电力系统谐波问题的研究已被人们逐渐重视。电力电子装置等非线性负载所产生的谐波会引起负载和输电设备的过载、失控和增加损耗，甚至严重危害电网和用电设备的安全。随着电力电子技术在家庭、工业、交通、国防日益广泛的应用，电力电子装置本身功率容量和功率密度的不断增大，电网遭受谐波污染也日益严重。谐波危害可以归结为:(l)对旋转电机(发电机和电动机)产生附加功率损耗和发热，并引起振动。(2)对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏，对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。(3)增加变压器和电网的损耗，当发生谐振现象时，损耗可达到相当大的程度。(4)对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。尤其是一些衰减时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值和含量都很大，更容易引起继电保护的误动作。(5)造成电能计量的误差。一方面是增加电度表本身的误差，另一方面是谐波源负荷从系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率，这样受害的用户既从系统中吸收基波功率，又从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源负荷用户少付电费，而受害的用户多付电费。(6)谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路产生干扰影响。电网谐波已成为许多电子设备与系统现场可靠运行的主要障碍之一，谐波污染的问题还严重阻碍了诸如变频调速等大批高效、节能电力电子技术的推广应用。因此，国内外都在加紧研究谐波污染的治理方法。近些年，我国也开发了一些电力测量装置和电能质量监测装置，但在功能上、实用化方面还不够理想，还2存在许多问题:1)处理功能较差、可扩展存储空间较小、运算速度较馒，难以运用精确严格的算法进行大量的实时数据处理，不满足电力监测高实时性的要求；2)电力系统中最常用微处理器包括51系列和96系列等控制型器件，但随着电力系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高，这些器件在计算能力方面已不能很好地适应电力系统的要求，致使电力系统的高精度测量、实时监控和先进算法的运用受到了限制；3)有的产品虽然直接引进了国外的技术模块，功能较强，可是价格较高，且不完全适合我国市场;4)有的产品无通讯和控制输出功能，不满足电力系统网络化、自动化的发展方向;5)人机交互性不好。在过去的几十年里，单片机的广泛使用实现了简单的智能控制功能，但是随着计算机科学与技术、信号处理理论与方法的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，对电测仪表的实时性和精度的要求也越来越高，而电能质量监测装置不同于一般的电力基本参数测量仪器，要进行电能质量指标的计算、分析和监视，并且要运用复杂的数学算法，如果采用比较先进的单片机Intel8OC196进行基本的32点FFT运算，在1ZM主频下采用快速算法仍然需要0.25秒左右，如采用更加先进复杂的算法则需要的时间更长显然，传统的单片机技术已不能满足电力系统实时监控的需要。数字信号处理器DSP是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快10一50倍。在当今的数字化时代背景下，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手业内人士预言，DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素，它将彻底变革人们的工作、学习和生活方式。DSP发展历程大致分为70年代的理论先行、80年代的产品普及、90年代的突飞猛进三个阶段。自从20世纪70年代末80年代初DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展，DSP芯片己经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用目前，DSP芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。DSP芯片在电力系统中的应用主要有:1）信号处理—如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等;2）通信—如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、纠错编码等;3）仪器仪表—如频谱分析、函数发生、锁相环等;随着DSP芯片性能价格比的不断提高，可以预见DSP芯片将会在该领域内得到更为广泛的应用。31.2国内外研究发展动态随着基于大功率电力电子开关设备的普及应用，它所带来的各种电能质量问题已引起各国电力工作者的高度重视，提高电能质量的新技术己成为近年来电力系统研究领域中新的研究热点。1993~1995年，美国电力研究院(EPRI)在全国范围内进行了大规模的电能质量普查，获得了大量电能质量数据，与此同时，国外又兴起了研究“用户特定电力”(customPower)的高潮，提出利用电力电子控制器提高配电网供电的可靠性和电能质量，随着计算机技术的不断发展，以此为基础的诸如时域仿真、频域分析以及建立在不同变换基础上的各种数字技术，如基于FFT变换的谐波分析，小波变换等已在分析电压/电流扰动波形、元件参数对这些扰动的影响、系统中的谐波以及开发用以解决电能质量问题的新型电力电子控制器等方面，得到了广泛应用。与此同时，我国许多科研和生产单位，一些高等院校相继开展了谐波研究工作，在多次学术会议上，交流了这方面的一些成果。目前，我国在谐波研究领域主要有以下几个方面:1、关于谐波源的特性。电力系统高次谐波源在许多情况下可以当作电流源来处理，在谐波源特性方面尚有大量的问题需要研究，例如各种型号电铁机车运行时谐波含量及牵引供电臂谐波特性等。2、关于电力系统模型及其精度。变压器、电机、电容器、输电线路和线性负荷，都有精确的谐波数学模型，非线性负荷的谐波阻抗目前只有粗略的模型，更精确的模型尚在探讨中。电力系统谐波与供电系统关系非常密切。畸变波在电网中传播取决于电网参数，它可能使畸变受到抑制，也可使畸变放大。3、关于谐波电流和电压的