基于浮点DSP的新型电能质量分析仪的研究

摘要

电力电子装置的广泛应用致使电能质量问题日趋严重，然而随着现代技术的发展，电力用户对电能质量的要求却越来越高，电能质量已成为电力部门及其用户日益关注的问题。研制性能优良的电能质量分析仪对于电能质量监测，乃至后续的电能质量控制有着十分重要的意义。
　　 本文在分析国内外电能质量分析仪研发现状和技术水平，根据电能质量的国家标准，提出了课题研究任务及仪表要实现的功能。基于浮点DSP设计开发了一种新型的电能质量分析仪，论文主要工作和取得的成果如下：
　　 首先，对电能质量监测的有关理论进行了论述和分析，着重阐述了谐波分析（DFT）和电压闪变这两个重要问题。对DFT的频率混叠问题和频谱泄露问题做了分析并提出解决方法。在对各种闪变测量方法进行比较后选择IEC闪变测量原理。
　　 其次，设计了电能质量分析仪的硬件系统。核心处理芯片采用DSP和CPLD。模数转换模块采用16位高精度的ADC，并在前向通道设计了有源的抗混叠滤波器。配置了以太网、UART和USB2.0等接口。由于传统的电磁型互感器的不足，信号转换模件采用了霍尔传感器。
　　 再次，进行了软件系统的设计，包括DSP软件系统的启动、FFT的程序设计、IEC闪变仪的数字化实现、通信接口驱动程序设计、EDMA使用、PC机端以太网数据包的捕获和液晶显示界面的设计等。
　　 最后，测试电能质量分析仪的性能，验证电能质量分析仪精度达到国家标准中规定的要求。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 电能质量的国家标准

1.4 本论文所做的工作

第2章 电能质量测量方法

2.1 电网谐波的分析

2.1.1 电网谐波的基本概念

2.1.2 谐波的分析方法

2.1.3 频率混叠问题和采样定理

2.1.4 栅栏效应和频谱泄露问题

2.2 频率的测量

2.3 电压、电流、功率、功率因数的计算

2.4 三相不平衡度的计算

2.5 电压波动与闪变的测量

2.5.1 电压波动与闪变的基本概念[6]

2.5.2 电压闪变测量方法比较

2.5.3 IEC闪变测量原理

2.6 本章小结

第3章 电能质量分析仪硬件设计

3.1 硬件系统总体设计

3.2 主控模件的核心处理模块

3.2.1 TMS320C6713B的功能[22]

3.2.2 DSP外围辅助电路设计

3.2.3 核心处理模块设计

3.3 主控模件的模拟信号采集模块

3.3.1 滤波模块

3.3.2 AD转换模块

3.3.3 测频电路

3.4 主控模件的通信接口

3.4.1 UART接口

3.4.2 以太网接口

3.4.3 USB2.0接口

3.5 主控模件的电源设计

3.6 信号转换模件

3.7 人机接口模件

3.8 本章小结

第4章 电能质量分析仪的软件实现

4.1 软件系统的总体设计

4.2 DSP软件系统的启动

4.2.1 自引导程序boot loader

4.2.2 中断向量表vectors

4.2.3 链接命令文件.cmd

4.2.4 FLASH的烧写

4.3 DSP片内锁相环(PLL)

4.4 FFT的软件实现

4.5.IEC闪变仪的数字化实现

4.5.1 IEC闪变仪的滤波器参数[13][40]

4.5.2 IEC闪变仪的数字化实现

4.5.3 IEC闪变仪的改进

4.6 通信程序设计

4.6.1 UART驱动程序[41]

4.6.2 DSP的EDMA的应用

4.6.3 以太网驱动程序[43]

4.6.4 基于WinPcap的以太网原始数据包捕获和发送

4.6.5 USB2.0驱动程序

4.7 液晶显示终端界面开发

4.8 本章小结

第5章 电能质量分析仪性能测试

5.1 频率测试

5.2 幅值测试

5.3 谐波测试

5.4 三相不平度测试

5.5 电压波动与闪变测试

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

附录A

附录B

附录C

附录D

附录E

附录F

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文