电力参数监测系统设计论文说明书-学位论文.doc
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1、SHANDONG毕业设计说明书电力参数监测系统的设计摘 要毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印
2、刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、
3、使用学位论文的规定,同意学校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,允许论文被查阅和借阅。本人授权 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。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日摘 要近年来,由于大量电力电子变流装置和非线性设备的广泛应用,使得电网中的电压、电流波形发生畸变,造成电能质量的严重恶化;同时,微电子技术的发展使得各种自动化装置广泛应用,极大地提高了社会生产力,而这些装置对于电能质量下降极为敏感,因此在生产过程中出现许多严重的事故,造成了巨大的损失。因此
4、为了提高电能质量,首先必须能准确、完整的对电力参数进行检测和分析。本系统应用了TMS320LF2407A数字信号处理器,实现对三相电网3路电压、3路电流、功率等基本参数的实时测量,还具备谐波分析的功能。该系统能够自动采集电网实时电压、电流等数据,采用交流采样技术,实现多种电力参数的在线实时测量;通过基于DSP芯片的FFT算法进行数据处理;并通过液晶屏显示三相电压平均值、三相电流平均值、谐波、功率等特征值和三相电压电流波形。同时本系统还有数据上传功能,可以实现分析结果的实时上传,便于数据的进一步分析、统计和存储,为电力部门的安全生产提供长期有效的依据。关键词:电力参数;TMS320LF2407A
5、;数字信号处理;FFT;谐波分析;液晶屏- 48 -AbstractAbstractIn recent yearswith the wide application of various kinds of electric and electronic convertors and other non-linear load, this call make the voltage and current waveform distort and result in the serious depravation of power qualityAt the meantime,the micro
6、eletronic technology development causes each kind of automated equipment widespread application,enormously enhanced the social productive forcesThese installments are extremely sensitive to the electrical energy drop in quality, SO many serious accidents happen in the production process and has crea
7、ted massive loss To enhance the quality of electrical energy, first of all the testing and analysis of electrical parameters must be accurate and completeThe digital signal processor TMS320LF2407A is used for this system,it Can realize real time measurement to some base parameter of three-phase volt
8、age,three-phase current and power etc,meanwhile, it has the function of harmonic analysisThe system Can collect voltage and circuit of the electric grid real timeIn this paper, the technology of alternating current sampling is proposedIt Call realize real time measurement of various electric paramet
9、erThis system can proess of data according to the FFT algorithm of DSP chipIt displays three-phrase voltages average and three-phase currents average,power, harmonic,three-phase voltage and current waveform by LCDMeanwhile, the system has the function of transfer data, it is convenience for the data
10、 further analysis,the statistics and the memoryIt can provide the long-term effective basis for the electric power departments safety in productionKey words:Electric parameter;TMS320LF2407A;Digital signal processing;FFT; Harmonic analysis; LCD目 录目 录摘要 IAbstract II目录 III第一章 引 言 11.1 研究目的及意义 11.2 国内外研
11、究概况 21.3 本文主要研究内容 3第二章 系统的整体设计方案 52.1 系统功能及总体结构 52.1.1系统实现功能 52.1.2系统设计方案 52.2 DSP芯片的选择 62.3 DSP编程 7第三章 电力参数测量及其计算原理 123.1 电力参数的直流采样算法 123.2 电力参数的交流采样算法 133.2.1半周期积分法 133.2.2均方根算法 133.3 基于FFT的电力参数测量 143.3.1离散傅立叶变换 143.3.2快速傅立叶变换 163.3.3电力参数测量原理 19第四章 系统硬件电路设计 214.1 DSP最小系统设计 214.1.1存储器扩展 214.1.2复位电路
12、 224.1.3时钟电路 234.1.4电源电路 244.1.5 JTAG接口 264.2 A/D转换电路 264.3 信号调理电路 274.4 时钟电路 284.5 键盘、液晶显示电路 294.6 串行通信接口电路 30第五章 系统软件设计 32 5.1 数据采集模块 33 5.2 数据处理模块 335.2.1数据存储 335.2.2 FFT的实现 355.3 时钟模块 365.4 按键显示模块 375.5 数据通信模块 41结 论 44参考文献 46致 谢 48附录:电力参数监测系统原理图第一章 引 言第一章 引 言1.1 研究目的及意义现代社会中,电能是一种最为广泛使用的能源,其应用程度
13、是一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展,对电能的需求量日益增加,同时对电能质量的要求也越来越高。良好的电能质量无疑对电气设备的运行是有利的,但恶劣的电能质量对电力系统运行的不利影响并没有引起人们的足够重视。自上世纪六、七十年代以来,以电力电子技术为核心的变流器负载大量接入电网,不可避免的造成了诸如电压和电流谐波、电压闪变以及其它暂态干扰等恶化电能质量的现象。从危害程度来看。某些电能质量问题的危害是破坏性的。例如,雷电波冲击,电容器和电缆线路投切时因谐波谐振而引起的过电压往往造成电气设备的绝缘和机械损坏,从而影响电力系统的正常运行;继电保护装置因谐波和负序干扰引起误动作造
14、成电网大面积停电会造成巨大的经济损失;短时的供电中断或电压跌落可能导致生产混乱或工业冶炼产品的大量报废甚至危害人身安全。另一方面,某些电能质量问题还影响电气设备的性能指标。在现代企业中,广泛使用了变频调速驱动器、机器人、自动生产线、精密的加工工具、可编程控制器、计算机信息系统等。这些设备对电源的波动和外界干扰十分敏感,任何供电质量的恶化都可能会造成产品质量的下降,产生重大的经济损失。例如,不正常的电压和频率偏差会引起异步电机负荷的转速和功率变化,导致传动机械的效率降低,使纺织、造纸等产品的质量受到影响;谐波电流在旋转电机、输电线路、变压器等输配电设备中流通,使这些设备因产生附加损耗而过热,从而
15、降低了这些设备的寿命或容量。改善电能质量对于电网的安全经济运行,保证工业产品质量和科学实验的正常进行以及降低能耗等均有重要意义。电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。为了改善电能质量,要求电力系统首先进行电力参数的检测和分析工作,电力参数检测成为测试技术发展的重要方向。一方面是电网电能质量的下降,另一方面却是用户对电能质量要求的提高,如何解决这一矛盾成了我们要解决的一道难题。准确、完整的对电力参数进行测量和分析是成功解决该矛盾的必要条件。因此,电网质量问题成为近年来各方面关注的焦点,电力参数检测成为当前国际上研究的热点之一。1.2 国内外研究概况一般而言,测量是为确定被测对象的量值而进行
16、的实验过程。在这个过程中常借助专门的设备,把被测对象直接或间接的与同类已知单位进行比较,取得用数值和单位共同表示的测量结果。它是揭示客观世界规律,用数字语言描述周围世界,进而改造世界的重要手段。广义的说,任何实验科学的结论,是对实验数据统计推断的结果,而数据的取得,就要靠测量。电子测量具有一系列突出的优点,如:测量的频率范围宽、量程广、准确度高、速度快、易于实现遥测和长期不问断的测量、易于与计算机相结合等。它通常包括:1能量的测量。例如测量电流、电压、电功率等;2信号的特性及所受干扰的测量。例如信号的波形和失真度、频率、相位、脉冲参数、调制度、信噪比等;3元件和电路参数的测量。例如电阻、电感、
17、电容、电子器件、集成电路的测量、电路频率响应、通带宽度、品质因数、相位移、延时、衰减和增益的测量等。国际上电测量理论和监测仪器仪表技术大致经历了三个阶段:第一个阶段电测量技术主要是对模拟量进行测量;20世纪50年代以来,随着数字电子技术和微电子技术的发展,电测技术和仪表技术逐步向数字化方向发展,早期的模拟式电测仪表逐渐被数字式仪表代替,在这一阶段,以微计算机、独立操作系统、各种标准总线结构为特征,可互相通讯、扩展式仪器和自动测试系统及相应测量技术得到快速发展,并逐步走向成熟;第三阶段,即20世纪80年代以来,大规模集成电路技术一方面使得控制芯片运算能力大大增强,另一方面使得芯片体积大幅度缩小,
18、可以方便地植入仪器内部,从而使仪器具有判断、控制、存储,运算甚至更高的智能化特性。虽然电能质量问题的研究已逐渐成为当今社会的热点,但是相对国外而言,国内对电力参数监测装置的开发研制比较落后,大多数厂家采用的是单片机结构,在功能、实用化等方面还不够理想。还存在许多问题:1处理功能较差、可扩展存储空间较小、运算速度较慢、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
19、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。1.3 本文主要研究内容本文研制的内容主要针对我国电力系统供配电的实际情况,通过基于DSP芯片的傅立叶变换算法,采用交流采样技术实现多种电力参数的在线实时测量,为电网的安全经济运行提供可靠保证。本系统检测的电力参数包括:1前5次谐波的电压有效值;2前5次谐波的电流有效值;3总电压有效值;4总电流有效值;5总有功功率;6总无功功率;7各相的功率因数。主要工作包括:1回顾和分析当前电能质量问题,研究现
20、状及其测量装置存在的问题;2提出本系统所要采集的电力参数;3在分析现有电力参数采集系统的基础上,确定本系统所采用的测量方法和算法,并确定系统整体方案设计;4进行基于TMS320LF2407A的系统整体硬件电路设计;5系统测试;6对自己所做的工作进行总结。本系统的研制将进一步推进电力系统的自动化水平,真正做到电力参数的实时采集和处理,便于电力系统管理人员正确掌握各项电力参数,对于保证电力系统运行的安全性,经济性和可靠性都具有重要意义。第二章 系统的整体设计方案第二章 系统的整体设计方案2.1 系统功能及总体结构2.1.1系统实现功能本系统主要针对我国电力系统供配电的实际情况,通过基于DSP芯片的
21、傅立叶变换算法,采用交流采样技术实现多种电力参数的在线实时测量和数据分析,为电网的安全经济运行提供可靠保证。要求实现以下功能:1实时对电网的电压、电流波形进行采集;2通过FFT算法对采集波形进行谐波分析,进而计算出所需特征值;3实现特征值和波形在LCD上的实时显示,并完成相应的设置功能;4能实时把处理后的数据上传到PC机,完成数据的存储,以便进一步的数据处理和数据分析。2.1.2系统设计方案本系统是一个高速、多通道的数据采集和处理系统,系统设计所考虑的技术要点有:1本系统采集的对象是电网的参数,就应该有相应的硬件信号处理部分;2本系统设计每周期采集电压、电流波形为128点,但当需要对电力参数进
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