基于嵌入式的电力谐波分析装置的研究

摘要

谐波属于电能质量的一个分支问题，论文首先从电能质量问题出发，对电能质量的有关理论和指标进行了论述和分析，着重阐述了谐波这个电能质量的重要问题。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，重点给出了谐波测量原理和计算标准，为本论文的设计提供了必要的理论依据和检测算法。同时，论文分析了电力系统谐波产生的原因及其危害，指出谐波测量的重要意义，说明本论文研究的重要意义。 然后，通过对目前市场上已有的电力系统谐波测量装置的特点进行分析和总结，并根据谐波测量方法和实现技术在国内外的发展现状，同时结合市场应用，论文提出了一种基于嵌入式的。DSP(数字信号处理器)的电力系统谐波在线测量装置，利用嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ的高稳定性和可靠性为电力谐波装置提供非常关键的技术；利用DSP芯片强大的数字处理功能和丰富的外围接口进行电力谐波在线监测，准确、实时地计算、显示各种测量指标值并与上位机进行通讯……，这些为电网谐波的监测和电能质量的改善提供了准确的依据。 其次，介绍了装置的硬件框架和具体实现方案。本装置利用TI公司的TMS320LF2407作为系统的中央处理器，以嵌入式操作μC/OS-Ⅱ系统为管理平台，对系统要实现的各个功能进行模块化，包括信号调理模块、数据采集、数据处理、数据显示、数据存储、数据通讯等模块电路；实现对电力系统谐波参数的实时测量；同时为满足采样同步要求，在硬件上采用锁相环电路来完成采样信号与基频信号的同步。 接着，介绍了装置的软件实现流程和方法。在整个软件设计中，利用嵌入式μC/OS-Ⅱ操作系统协调分析装置的各部分功能电路，并通过有机的调用各个应用程序来完成数据统计、分析、存储、通信、显示等多种功能。嵌入式内核的管理，使DSP从繁忙的控制任务中解放出来。为满足精度的要求，在软件上采用了高效的改进快速傅立叶变换(FFT)算法来分析谐波。本装置还设计了友好的人机界面，利用液晶显示和键盘操作，使操作方便简洁，并且程序设计具有高度的灵活性和可移植性。 试验表明，本论文提出的基于嵌入式的电力系统谐波分析装置具有较高的测量速度和测量精度，它不但可以对电网进行实时在线谐波分析，而且可以对数据进行远传，具有精度高、运行稳定、实时性好、抗干扰能力强、性价比高等特点，特别是它具有高稳定性和强实时性，为解决电力谐波问题提供了一种有效的分析装置。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2电能质量问题的概述

1.3谐波测量问题的提出

1.3.1电力系统中谐波的来源

1.3.2电力系统中谐波的危害

1.4课题研究的目的及意义

1.5国内外研究发展状况

1.5.1电力谐波检测方法

1.5.2电力谐波检测实现技术发展现状

1.6本课题研究的主要内容和关键技术

1.6.1本课题的主要研究内容

1.6.2本人完成的研究工作

1.6.3本课题的关键技术和难点

2谐波检测方法—FFT改进算法

2.1谐波的基本概念

2.2电力系统谐波FFT算法的实现

2.2.1 FFT算法的导出

2.2.2改进的FFT算法

2.3谐波的参数表示

2.3.1基于复序列FFT算法的电参数测量

2.3.2参数计算

2.4电力系统谐波FFT算法存在的问题及解决办法

2.4.1 FFT谐波分析混叠失真现象

2.4.2 FFT电力谐波分析频谱泄漏

2.4.3 FFT电力谐波分析栅栏效应

2.5本章小结

3谐波检测实现技术-DSP体系结构及其开发环境

3.1 DSP概述

3.1.1 DSP的定义

3.1.2 DSP的软硬件结构特点

3.2 DSP嵌入式应用系统的构成

3.3 DSP应用系统的设计过程

3.4 TMS320LF240x DSP处理器

3.5 DSP应用系统开发环境

3.6本章小结

4系统的硬件实现

4.1硬件电路的总体框架

4.2预处理电路模块

4.2.1互感器电路和信号调理电路

4.2.2抗混叠滤波电路

4.3数据采样电路模块

4.3.1 A/D转换电路

4.3.2同步方式

4.4运算存储电路模块

4.4.1存储器的选择

4.4.2数据存储器的扩展

4.4.3 FLASH的扩展

4.5通讯接口电路模块

4.5.1串行通讯接口电路

4.5.2 CAN总线通讯电路

4.6输入输出电路模块

4.6.1键盘电路

4.6.2显示器电路

4.7 LF2407的基本硬件设计

4.7.1复位电路

4.7.2电源设计

4.7.3仿真接口电路

本章小结

5系统的软件实现

5.1系统各单元模块电路的应用程序软件实现

5.1.1数据采集功能软件实现

5.1.2 FFT分析运算功能软件实现

5.1.3数据通讯功能的软件实现

5.1.4人机接口电路软件实现

5.1.5应用软件小结

5.2嵌入式实时操作系统—μC/OS-Ⅱ的构建

5.2.1实时操作系统简介

5.2.2 μC/OS-Ⅱ操作系统概述

5.2.3 μC/OS-Ⅱ文件结构与硬件平台关系

5.2.4操作系统的基本功能

5.2.5内核移植

5.2.6 μC/OS-Ⅱ内核向DSP TMS320LF2407的移植操作

5.2.7内核测试

5.3系统软件的总体设计和规划

5.4本章小结

6结论和展望

6.1系统试验

6.2结论

6.3展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文目录