嵌入式电能质量监测仪的研究与设计

摘要

作为智能电网建设的重要组成部分，构建先进完善的电能质量监测系统不仅是保障电力系统安全运行的前提条件，更是电力电子器件与新能源发电技术广泛应用造成电能质量问题日益严重的背景下供-配-用三方共同提出的需求，能否满足这种需求很大程度上取决于电能质量监测仪器的功能完备性。为此，本文结合嵌入式技术，以“DSP+ARM”双核系统为设计路线，从监测算法、硬件、通信与软件三个层次开展了电能质量监测仪器的研究设计工作，所取得的成果如下：
　　算法设计方面：①提出一种 DMA控制下的 DSP数据处理机制，使得 DSP内部数据搬运与数据计算得以分离，将系统CPU资源集中于指标运算而不必兼顾数据搬运，合理分配了DSP内部资源，提高了系统的计算性能；②分析了各类电能质量监测指标的计算方式与计算时间，重点使用 ADALINE神经网络算法对谐波检测指标进行了优化，使仪器对不稳定谐波监测能力加强，并从整体上规划了监测指标的计算流程，为监测仪器提供了数据处理与算法支持。
　　硬件设计方面：①提出一种同步变采样结构的数据采样方法。该结构由前后两级级联组成，前级使用锁相环硬件电路为数据采集提供同步信号，后级使用DSP处理器内部ePWM软件模块发出受同步信号控制的采集驱动信号，使得系统在实现采样同步的同时，也可以利用软件更改采样速率与采集信号占空比。相比于无法兼顾同步采样与改变采样速率的传统采集结构，这种设计更能满足不同场合下不同采样率需求；②结合上述所提出的设计思路，设计了电能质量监测仪器的硬件电路系统，为电能质量监测算法提供了硬件基础平台。
　　软件设计方面：①围绕DSP系统与ARM系统的数据交互问题，构建了SPI通信程序，完成了DSP端监测结果与实时采集数据向AMR端传输的功能；②在嵌入式Linux操作系统环境下，使用QT软件完成了C++环境下嵌入式人机交互程序设计以及网络通信程序设计，使得本文的设计的电能质量监测仪器具备了国标所要求的通信、显示与数据存储功能，丰富了仪器实用性能。
　　最终将上述算法、硬件、软件有机结合起来组成本文设计的电能质量监测原型机并对其进行电能质量指标实验测试与误差分析。全文探讨了电能质量监测仪器诸多细节问题，为同类仪器设计提供了一种参考的实现思路。

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1 绪 论

1.1 选题背景与意义

1.2 电能质量监测仪研究现状

1.3 本文的主要工作

2 DSP数据处理机制改进及监测算法设计

2.1 引言

2.2 DSP数据处理的内容

2.3 基于DMA的DSP数据处理机制改进

2.4 电能质量监测算法实现

2.5 算法执行流程设计

2.6 本章小结

3 DSP数据采集硬件机制改进及程序设计

3.1 引言

3.2 现有数据采集方式的不足

3.3 同步可变采样率采集结构设计

3.4 DSP外扩AD电路与通信接口设计

3.5 同步变采样控制的数据采集测试

3.6 DSP程序设计

3.7 本章小结

4 ARM人机交互与通信软件设计

4.1 引言

4.2 软件整体架构与环境配置

4.3 数据传输程序设计

4.4 人机交互程序设计

4.5 网络通信程序设计

4.6 本章小结

5 整机设计与测试

5.1 引言

5.2 整体架构

5.3 前端处理电路设计

5.4 整机安装与实验准备

5.5 监测指标测量实验

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 后续研究展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B 部分硬件电路原理图

C 电能质量指标计算主要DSP程序