基于高性能DSP的电能质量监测仪的研究与开发

摘要

随着国民经济的高速发展以及市场经济体制的确立,电能已经作为一种特殊的商品越来越受到大家的重视。自20世纪70年代以来,由于电力电子器件及其它非线性负荷在电网中大量的投入使用,使电网的非线性、不稳定性和不对称性日趋严重。通过对电能质量进行在线实时监测、记录和分析,可以为改善电能质量、制定有关电能质量的治理措施和政策提供必要依据,也可为电能质量治理装置技术参数的确定提供重要依据。
　　 本文首先对国内外电能质量研究现状进行了分析,介绍了电能质量问题的分类,并详细阐述了电压偏差、频率偏差、三相不平衡、谐波、电压波动与闪变等稳态电能质量指标。根据IEC或国家标准要求,总结了各类电能质量指标的检测原理和计算方法,为高精度多功能电能质量监测仪的研制提供了必要的理论依据和检测算法。
　　 然后,本文就电能质量监测仪硬件设计进行了研究。电能质量监测仪采用先进的上、下位机硬件架构来实现高精度、多功能的电能质量监测和分析功能。上位机采用基于PC104总线的嵌入式工业控制计算机,以实现数据的统计分析、参数设置、存储、显示、通信等功能；下位机采用32位高速浮点DSP和16位6通道独立的高分辨率A/D转换器,完成数据的高速高精度采集、电能质量相关指标的计算以及与上位机的高速数据通信等功能。
　　 其次,本文介绍了电能质量的软件开发。在监测仪程序的设计中,采用嵌入式Linux操作系统以及QT/Embedded的GUI开发平台,完成数据统计、分析、存储、通信、显示、触摸屏操作等多种功能。监测仪操作界面非常友好、美观、实用,并且程序设计具有高度的灵活性和可移植性。
　　 最后,本文就电能质量监测仪性能测试的结果进行了较为全面的介绍,测试所得数据验证了监测仪算法的选择正确、合理,硬件、软件设计达到了预期的设计要求。
　　 本文研制的基于高性能DSP的高精度、多功能电能质量监测仪通过了湖南省科技厅组织的科技成果鉴定。目前,正在大型钢铁企业、电力系统正常运行,为各类用户进行电能质量的监测提供了强有力的工具。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

1.2 电能质量问题的分类

1.2.1 电力系统电磁现象的种类和特征

1.2.2 电能质量基本分类

1.3 国内外研究现状与发展趋势

1.3.1 电能质量研究的范围

1.3.2 国内外电能质量监测装置的情况介绍

1.4 尚需研究的问题

1.5 本文所做的工作

第2章 电能质量指标的计算方法

2.1 各种基本电参量的计算方法

2.2 稳态电能质量指标的测量

2.2.1 电压偏差

2.2.2 频率偏差

2.2.3 电压波动与闪变

2.2.4 谐波与间谐波

2.2.5 三相电压不平衡

2.3 本章小结

第3章 IEC电压闪变算法的设计

3.1 IEC闪变的设计原理

3.2 闪变的具体算法设计

3.3 Matlab仿真分析

3.4 DSP仿真分析

3.5 算法验证测试分析

第4章 电能质量监测仪的整体结构以及硬件设计

4.1 系统整体结构设计及功能介绍

4.2 DSP数据采集及计算单元

4.2.1 模拟变换、信号调理及A/D转换部分

4.2.2 三相同步锁相部分

4.2.3 组合逻辑及地址译码部分(CPLD)

4.2.4 DSP核心处理部分

4.3 管理层部分整体结构及功能

4.3.1 PC/104主板及其外围接口部分电路介绍

4.3.2 基于HPI接口的多DSP通信总线

4.4 基于满足EMC要求的标准4U机箱介绍

4.5 本章小结

第5章 电能质量监测仪软件设计

5.1 DSP测量单元软件说明

5.1.1 采集模块程序介绍

5.1.2 主循环模块程序介绍

5.1.3 HPI数据通信模块程序介绍

5.2 管理单元软件介绍

5.2.1 嵌入式Linux操作系统介绍

5.2.2 监测仪Qt/Embedded相关技术介绍

5.2.3 管理单元软件架构设计

5.2.4 软件实现设计

5.3 本章小结

第6章 电能质量监测仪功能介绍及性能测试

6.1 主要功能

6.1.1 电力参数监测

6.1.2 电能质量监测

6.1.3 显示、通信与数据管理

6.1.4 事件越限记录与报警

6.2 基本参数和主要技术指标

6.3 性能测试

6.3.1 测试方法

6.3.2 基本电量测试

6.3.3 谐波与间谐波检测试验

6.3.4 三相不平衡试验误差试验

6.3.5 电压波动误差试验

6.3.6 闪变误差试验

6.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录 A(攻读学位期间发表论文目录)