電力系統(tǒng)諧波測量網(wǎng)絡(luò)儀表的研制.pdf

1、隨著電力電子技術(shù)在電力網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用，諧波問題日益嚴(yán)重。工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的各種電子控制設(shè)備對電網(wǎng)上的諧波非常敏感，因此有必要對電網(wǎng)中的電力參數(shù)，特別是諧波進(jìn)行監(jiān)測。目前，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)(DCS)已經(jīng)大量應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，因此開發(fā)一款能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)上各種電力參數(shù)的現(xiàn)場總線儀表已經(jīng)成為市場的迫切需求。 本文采用飛思卡爾公司的16位嵌入式微控制器MC9S12D64作為核心處理器，設(shè)計了一款能夠?qū)崟r監(jiān)測電力網(wǎng)絡(luò)基本參數(shù)和

2、諧波含有率的數(shù)字式現(xiàn)場總線儀表。本文首先討論了電力網(wǎng)絡(luò)中各種電力參數(shù)的實(shí)現(xiàn)算法，重點(diǎn)研究了基于快速傅里葉變換(FFT)的諧波分析算法。然后詳細(xì)介紹了電力網(wǎng)絡(luò)儀表的硬件電路實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計流程，最后對儀表進(jìn)行嚴(yán)格測試并對測量誤差進(jìn)行分析。 本論文的主要工作有： 電力網(wǎng)絡(luò)儀表測量的基本電力參數(shù)包括電壓和電流有效值、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能、功率因數(shù)等。對于電壓和電流有效值以及功率的計算，采用的是基于方均根值的交流

3、采樣算法。離散傅里葉變換算法計算量很大，而且容易引入許多量化誤差，因此諧波分析采用的是基2按時間抽取的快速傅里葉變換算法。由于硬件設(shè)計中將電壓和電流信號交互采樣，并且一起作頻譜分析，可以進(jìn)一步優(yōu)化算法。文中介紹了一種應(yīng)用一個N點(diǎn)快速傅里葉變換有效計算兩個N點(diǎn)實(shí)值序列的算法，能夠顯著地降低計算量。 硬件方面，首先根據(jù)算法要求選擇微控制器芯片，然后設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路。信號調(diào)理電路將電網(wǎng)輸入信號轉(zhuǎn)換成0～5V交流采樣信號，輸入到微控制

4、器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊。通過頻率捕捉電路，微控制器可以實(shí)時跟蹤電網(wǎng)信號頻率，調(diào)整信號采樣間隔。SPI通信模塊實(shí)現(xiàn)了MC9S12D64與ATmega32兩個微控制器之間的通信，并能夠?qū)y量數(shù)據(jù)實(shí)時傳送到上位機(jī)監(jiān)控界面。鐵電存儲器被用來保存儀表所設(shè)定的參數(shù)和測量數(shù)據(jù)。中文液晶顯示(LCD)模塊，可以同時顯示多個測量數(shù)據(jù)。引入MODBUS、CAN總線和PROFIBUS總線技術(shù)，分別設(shè)計不同的輸出板，實(shí)現(xiàn)儀表模塊化。 軟件方面，使用匯編

5、語言編寫程序，以滿足系統(tǒng)對于采樣數(shù)據(jù)實(shí)時性的要求。零點(diǎn)和滿量程的自動校正程序，取代了傳統(tǒng)儀表的硬件校正電路，避免了外界物理環(huán)境的影響。深入研究微控制器的中斷響應(yīng)機(jī)制，克服微控制器沒有中斷優(yōu)先級的弊端，成功實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先級的5級嵌套。協(xié)調(diào)MC9S12D64和ATmega32兩個微控制器之間的SPI通信程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、準(zhǔn)確傳輸。優(yōu)化快速傅里葉變換算法程序，減少CPU的計算量，提高計算精度。 本文充分利用微控制器MC9S12D64