分布式电能计量检测系统的数字信号源设计

摘要

在社会快速发展的今天，电能在经济建设、人民生活等各领域扮演着愈来愈重要的地位。电能的计量检测技术直接关系到多方的经济利益，其地位重要性不言而喻，因此电能计量检测系统需要定期进行检测。随着智能电网的发展，数字化变电站是当今电力系统趋势。其中电压合并单元、电流合并单元和数字电能表等系统呈分布式的结构，传统的传统的计量方式已无法胜任分布式电能的计量检测工作，因此开展分布式电能计量检测系统具有重大意义。
　　本课题开发设计了一套基于GPS同步分布式电能计量检测系统的数字信号源，该数字信号源包括信号采集模块和信号发送模块两个模块，信号发送模块又细分为IEC61850-9-2协议数据帧的发送子模块和FT3数据帧的发送子模块两个部分。信号采集模块选用一个高精度的16位ADS8568芯片进行采样，通过FFT算法计算得到幅值、频率和相位等数据提供给信号发送模块，为保证电压、电流采样信号的同步采用GPS同步采样技术，利用GPS的秒脉冲对采样进行GPS同步。采用磁耦隔离技术将高频率的数字地和模拟地隔离开，有效地避免了数字信号与模拟信号间的干扰带来的误差，提高了采样精度。IEC61850-9-2协议数据帧的发送以Cortex-M4为核心处理器，将A/D芯片所采集的数据经过FFT计算后发送到信号发送模块，按照IEC61850-9-2协议打包，通过网络发送，经过光电转换装置传输到数字电能表，可用于数字电能表的检测。FT3数据帧是符合IEC60044-8协议的数据帧，以Cortex-M4和FPGA作为核心处理器，Cortex-M4微处理器将A/D芯片采集的信号按照IEC60044-8协议的FT3数据帧格式打包，发送到FPGA中做曼彻斯特编码后将数据帧以曼彻斯特码的形式通过光纤发射器发送，可用作模拟的电子式互感器的输出作为合并单元的输入，对分布式电能计量检测系统进行检测。
　　本文首先对课题研究的背景意义和本次对设计的数字信号源的主要任务进行了说明。其次对数字信号源所采用的采样方法、信号处理方法、相关协议及算法进行了阐述。然后对本次设计的数字信号源的硬件部分的设计结合电路原理图，软件部分结合流程图的设计展开说明。接着针对测试结果对其进行分析并对出现的误差的产生原因和消除办法展开说明。最后对本次设计的数字信号源进行总结并指出几点本次设计中的不足之处和改进办法。

目录

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 本章小结

第二章 数字信号源系统通信协议及信号产生方法

2.1 分布式电能计量检测系统的数字信号源概述

2.2 信号采样方法

2.3 信号处理算法

2.4 信号数据帧产生方法

2.5 IEC61850-9-2协议介绍

2.6 IEC60044-8协议介绍

2.7 本章小结

第三章 数字信号源系统硬件设计

3.1 分布式电能计量检测系统结构

3.2 数字信号源系统结构

3.3 A/D采样模块电路

3.4 GPS模块接口电路

3.5 信号发送模块电源模块电路设计

3.6 信号发送模块M4最小系统电路

3.7 信号发送模块网络通信接口电路

3.8 信号发送模块M4与FPGA通信接口电路

3.9 信号发送模块FPGA最小系统电路

3.10 信号发送模块FT3光纤发射驱动电路和光纤发射器

3.11 本章小结

第四章 数字信号源系统软件设计

4.1 M4开发环境介绍

4.2 FPGA开发环境介绍

4.3 采样模块程序设计

4.4 信号发送模块主程序设计

4.5 信号发送模块系统初始化程序

4.6 IEC61850报文封装及网络发送子程序

4.7 FT3报文封装及CRC校验码生成模块

4.8 FPGA获取报文数据功能模块

4.9 曼彻斯特编码的FPGA实现模块

4.10 本章小结

第五章 数字信号源系统调试与结果分析

5.1 系统调试

5.2 实验结果与误差分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表文献和参加科研说明

致谢

附录

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