电力系统谐波检测和分析系统的设计.doc

微型计算机应用大作业 名称：220/380V 50Hz电力系统谐 波检测和分析系统设计 姓名：钱黄生 学号：0501321220/380V 50Hz电力系统谐波检测和分析系统设计摘要：多年来，伴随直流输电和柔性交流输电技术采取，电气化铁道快速发展，化工、冶金、煤炭等工业部门中电力电子设备大量应用等，使得电网谐波含量大大增加，电网波形畸变越来越严重，对电力系统安全、经济运行造成极大影响。谐波测量是谐波问题研究关键依据，实时测量电网中谐波含量，确切掌握电网中谐波实际情况，对于预防谐波危害，保障电网安全运行是十分必需。本设计在简明分析相关谐波标准友好波测量技术现实状况后，选择了基于TMS320F2812实现谐波检测方案，关键完成了数据采集和分析工作。关键词:谐波分析;TMS320F28I2，数据采集和分析设计要求：1. 设计硬件电路: 单片机（51或DSP等）采样率1kHz/通道，8通道，大于10位精度. 2. 设计软件步骤,最少包含: 1) 初始化主程序; 2) 数据预处理子程序: 对每一个通道全部连续采集6次,进行数据滤波; 3) 数据分析子程序: 对每个通道数据进行进行傅立叶分析(虚拟调一个傅立叶分析子程序,该子程序模块内容空); 4) 串行通讯子程序: 每次采完8个通道数据后，发出一次中止请求，经过串行通讯总线,把数据送到主机。第一章：序言1.1 什么是电力谐波、电力谐波危害 发电厂发出交流电频率是50赫兹，波形是正弦波。通常称工频。波形图以下：图1.1 正常电压电流波形正弦波 在电力系统方面，谐波是指多少倍于工频频率波形，简称“次”，是指从2次到30次范围，如5次谐波电压（电流）频率是250赫兹，7次谐波电压（电流）频率是350赫兹；超出13次谐波称高次谐波。 图1.2 含谐波电压波形 图1.3含谐波电流波形 从图二看出电压波形有开口，电流波形是方波，和图一所表示波形有很大差异。 电力谐波对电力网（包含用户）危害是十分严重，它是一个电力污染，一个大家（用五官直接感受而不经过仪器）看不见、嗅不到、摸不着污染。所以往往不被大家注意。 谐波对电力系统产生危害关键有以下几点： 1、对电力设备危害 （1）加速电力变压器绝缘老化，缩短变压器使用寿命。 （2）使开关（断路器）过载，造成常常性跳闸。因为谐波电流在导体表面流动，引发导体发烧，降低了开关实际容量所致。 （3）使无功赔偿设备部件损坏，无法进行无功赔偿，加大线路损失，降低变压器额定容量。 2、对变电所继电保护产生干扰，易造成保护误动作，造成区域性停电事故。 3、干扰通讯，影响通讯网络。通讯系统使用大量计算机轻易受谐波干扰。4、对精密设备及家用电器产生危害，如空调、微波炉、电视等。所以，谐波问题一直是关键电能质量问题。现在电网谐波和电磁干扰、功率因数降低己并列为电力系统三大公害。 电力系统谐波问题在世界范围内得到了十分广泛关注，谐波管理、检测和治理等被摆到了十分关键位置。谐波问题包含面广，它包含谐波分析、谐波测量、谐波抑制等。谐波测量是谐波问题管理关键依据，实测电网谐波干扰和分布情况，已成为确保电网安全经济运行、高质量供电必不可少方法之一，而谐波测量数据取得必需借助于有效测量仪器。多年来，发达国家在研制和使用谐波分析仪器方面发展快速，仪器性能优异，测量功效齐全，适用范围广，且耐用可靠，但价格昂贵。相比之下中国测量仪器价格较低，但其质量、精度、可靠性方面有很大差距，关键适适用于谐波测量方面，而在波形分析、采样窗口选择、数据处理及结果输出等方面差距较大。为此，研制一个实用、便携、低成本、能可靠有效测量配电网各次谐波幅值和相位、且功耗低、含有通讯功效、能够分布式安装谐波检测装置，不仅有利于确保电力系统运行安全性、经济性和可靠性，而且大大降低用户投资，为电力部门提供正确可靠资料数据。1.2 电网谐波畸变指标及相关标准谐波含有率(HR)：h次谐波分量有效值(或幅值)和基波分量有效值(或幅值)之比，用百分数表示，就是h次谐波含有率。总谐波畸变率(THD)： 谐波电压、电流总量有效值（各分量平方和再开根）和基波分量有效值之比，用百分数表示，就是电压和电流总谐波畸变率。 谐波国家标准：鉴于问题谐波越来越严重，国际电工委员会、国际大电网会议、国际供电会议及美国电气和电子工程师学会等国际性学术组织，全部相继成立了专门电力系统谐波工作组，制订了限制电力系统谐波相关标准。中国谐波标准GB/T 14549-93电能质量一公用电网谐波是在总坚固施DS 126-84电力系统谐波管理暂行要求经验，结合国情，吸收国外谐波标准研究结果基础上提出。本标淮适适用于交流额定频率为50Hz、标称电压110kV及以下公用电网，不适适用于暂态现象和短时间谐波。标准中要求公用电网谐波电压如表1-1所表示。 第二章：系统硬件实现本文硬件系统采取是合众达企业SEED-DEC2812评定板(其以TI企业TMS320F281X为关键），本章对其做简明介绍。系统设计框图以下：外部电压信号三相电压传感器信号模拟滤波A/D转化信号处理和分析数据存放上位机图2.1 系统设计框图2.1 TMS320F281X介绍 TMS320F281x是TI企业推出新一代应用于控制等领域32位芯片，隶属于系列，是TI目前主推主流芯片，用来替换以前2xx和24x，且和24x系列兼容，不过性能得到了极大提升，增加和改善了很多功效。其含有以下特点(功效框图见图2.1): 1)高性能静态CMOS技术，更低功耗，3.3 V供电1.8V135MHz；1.9V150MHz实施速度。 2)支持标准JTAG边界扫描技术，符合IEEE1149.10 3)高性能32位CPU，支持: .单周期完成1条32*32乘法或2条16*16乘法; .哈佛总线结构，单周期完成读一修改一写操作; .极快中止响应和处理; .4M程序/数据寻址空间: .高效率程序设计(可应用C/C+和汇编语言)。 4)片上存放器(FLASH, OTP ROM, 8K* 16位SRAM可密码保护): .大容量128K* 16位FLASH/ROM; .1K*16位 OTP ROM; .18K* 16位SARAM; .4K* 16位Boot ROM，软件引导模式。5) F/C2812支持4M*16位外部存放空间，三个外部中止，外部中止扩展(PIE)支持45个外部中止。6)事件管理器(2个:EVA+EVB): 6对互补PWM十4个独立PWM+死区控制: 6通道QEP 4个通用目标定时器。7)串行外围设备: .串行外围接口(SPI); .两个串行通信接口(SCI )，标准DART; .增强局域网络(eCAN); .多通道缓冲串行接口(McBSP) o8)三个32位全局定时器。9) A/D: 2*8通道、12位0-3 V量程。10)最多有56个独立可编程、多用途通用输入/输出(GPIO)引脚。可见用TMS320F281X能够一下满足设计要求大于10位A/D转换精度，用系列其它芯片还要外置A/D转化电路。2.2 传感器选择因为本系统做是220/380V 50Hz电力系统电压谐波检测和分析，所以这里我们选择三相电压传感器是深圳市柏特瑞电子3ACV-100A三相交流电压传感器 图2.2 此传感器实物图 图2.3 此传感器应用图它属有源电压型模拟量传感器，专为机房动力、空调设备等交流电压测量设计；3ACV-100交流电压传感器外壳阻燃、绝缘纤维，标准35mm导轨安装；输入、输出完全隔离，安全可靠；3ACV-100 强电信号输入接线有显著危险标志，方便安装；高精度，低功耗，高稳定性，高性价比。技术参数：供电电源：12VDC输入信号：三相四线交流电压，4060Hz；输出形式：输入线电压为0V时,输出电压 0VDC，输入线电压为550VAC时， 输出电压5VDC 输入阻抗：500K精 度：V；工作环境：-10 70C，10100%RH；尺寸： 98 x 56 x 42 mm； 重量： 100g。由它技术指标能够看出，它满足于220/380V电力系统中。2.3 模拟滤波电路图2.4 模拟滤波电路（2阶低通）预处理电路只采取简单二级RC滤波器进行粗略一级滤波，滤除高于I00倍基波高次谐波。Signal端输入是从传感器传来信号，VIN输出信号（0-3V电压信号）进入A/D电路即接入TMS320F281XA/D模拟通道，这里用了8个通道。2.4 A/D转换电路因为在PROTEL99和库里面没有2812，自己画又没有达成那样水平，所以这里用示意图替换PROTEL画图。2.5 F2812A/D模块框图TMS320F2812片上有一个12位A/D转换器，前端为2个多路切换器和2路同时采样/保持器，共有16个模拟输入通道。模拟通道切换由硬件自动控制，各模拟通道转换结果次序存入16个结果寄存器中。其模拟输入范围是03 V，在25MHzA/D时钟下转换速率80ns，能够软件、EVA,EVB触发A/D转换。A/D模块框图如上图所表示。 A/D序列发生器能够选择2个独立8通道排序(SEQ1和SEQ2)模式或级联为1个16通道排序(SEQ)模式。每种模式中，A/D收到一个开启转换请求，就能够自动实施多个转换。经过多路模拟开关控制可选择任何一路转换通道进行转换，一个通道也能够被采样转换数次，转换后结果依次存在结果寄存器0一15。中止控制灵活，许可中止请求出现在每一序列结束或其它每一个序列结束。经过ADCTRL3控制寄存器对外设时钟HSPCLK进行分频确定A/D时钟(ADCTRL 1寄存器CPS位可提供一个2分频)。要注意是，A/D完全上电后，需要等候20s，才能进行第一次A/D转换。 谐波分析共处理八路信号，采取序列采样模式，只用A组八个采样通道，ADCINA0到ADCINA7接八路电压采样信号。采取EVA中定时器2周期中止触发A/D采样，采样频率为1024Hz 在主频为150MHz时，高速片上外设时钟被分频器2分频后为75MHz，软件设定A/D时钟为3.75 MHz。由事件管理模块控制采样数据个数并进行数据处理。2.5 SCI通信模块 SCI和CPU接口界面见下图，有两个外部引脚（SCITXD和SCIRXD），波特率可编程(最高达64K );同时SCI通信中支持4个错误检测标志:极性、溢出、帧和中止溢出。数据格式为: .一个起始位 .数据长度可经过编程在18位可选 .可选择偶、奇或无校验位.一个或两个停止位图2.6 SCI和CPU接口 SCI支持两种唤醒多处理器模式:空闲线多处理器模式和地址位多处理器模式。多处理器通信格式许可一个处理器在同一串行线上有效地向其它处理器发送数据块，但一条串行线上同时只能有一次传输。 基于谐波通信中有大量数据传送，所以采取了空闲线多处理器模式。在此模式下，块和块之间有一段空闲时间，这段时间比块中帧间距要长。假如一帧以后有一段10个位或更长空闲时间，就表明是一个新块开始。第三章 软件实现步骤图3.1 初始化主程序开 始设置状态寄存器对应位设置时钟，关闭看门狗，开中止定义主向量表和子向量入口CALL A/D转换子程序CALL 数字处理子程序CALL SCI通信子程序结 束3.2 A/D转换子程序 此子程序入口EVA，ADC初使化开 中 断n =0cheselq1 =1111Fcheselq2 =2211Fcheselq3 =2222FEVA TIMER2周期中止触发ADCcheselq1=cheselq1+（2n）(2n)(2n)(2n)Fcheselq2=cheselq2+（2n）(2n)(2n)(2n)Fcheselq3=cheselq3+（2n）(2n)(2n)(2n)FADC采样变换序列结束中止数据存放n = n+1n = 4返回noyes对上面步骤图一点解释，cheselqn寄存器里面是ADC自动排序通道，我们先对通道1和2分别连续进行6次采样，然后第2轮循环时对通道3，4通道，第3轮对5，6，第4轮对7，8通道进行连续6次采样，这里八个通道连在8个模拟滤波电路后面。3.3 数据处理子程序此子程序入口m = 1读取第n个通道转化结果数组FIR滤波CALL FFT嵌套程序m =m+1m =9返回NOYES 这里我们自己定义一个数据临时存放区，分为8个块，每个块了能够放置6个数据或更多，这么能够将同一通道数据整齐放置方便以后分析处理时用到。3.4 SCI通信子程序。PC接收步骤图DSP发送步骤图开始中止及串行口初始化和设置波特率发送缓冲器否空向PC发送数据包接收缓冲器否空接收PC机回传数据包第四个字节是否为握手信号提取传输数据校验码正确结束开 始相关状态位初始化和设置波特率接收缓冲器否空接收DSP发送数据包第四个字节是否为握手信号提取传输数据校验码正确存放并回传数据到DSP抛弃数据抛弃数据结束NYYNYNYNYNNNYY这里我们定义下通信协议中数据包格式特征码握手信号字节数有效数据字节串效验和0XFF0XAA0X550XFFLengthData1Data2.DataNCheckSum UART通信对噪音比较敏感，尤其是脉冲边缘抖动。所以，为了确保UART能够正确上作，必需能够检测它开始和结束字节。也就是说，需要一定数据包格式，即使是使用一个UART端口，在这个数据包中每一个字节也全部要编成UART格式。所以在异步串行通信中，收、发双力必需事先要求字符格式、采取波特率，以立即钟频率和波特率关系。 这此要求是经过初始化设置和串行通信相关寄存器来实现。本通信系统中，要求字符格式为:每一帧数据10位，一位奇校验位，8位数据位，1位停止位。中间8位数据位即为有效通信传输字节。同时，为了增强通信可靠性，降低通信误码率，要求了通信双方收发数据包协议上表所表示。 特征码选择0XFF 0XAA 0X55这3字节为发送数据包前导数据，这是因为这儿字节在传输噪声中同时出现几率很小，特征码起到向接收方表明有数据发送过来作用，通知接收方能够开始接收有效数据;字节数是数据包中除了字节数这一项之外，其它全部项字节长度;有效数据字符串是通信发送方要传送有效数据;校验和是数据包中除了校验和这一项之外全部项字节无进位累加和，用于校验通信是否正确。同时，在通信过程中约定了双方软件握手方法。为了不使通信过于复杂，提升通信速度，能够直接将握手信号0XFF嵌入到数据包中。当检测到此位时，才提取有效数据。数据回送是通知DSP重新发送数据（先前发送数据有误）还是停止发送。第四章 个人体会经过此次大作业实践，我对电力系统谐波检测和分析有了一定了解。掌握了DSP2812部分知识，和相关软件实现步骤，为以后更深入地学习使用打下了基础。因为现在老板项目是合成射流，所以这个作业是在参考相关资料基础上完成，硬件部分有很大不足，没有能够用PROTL画出2812，是否还需要其它外设，这一点还需要深入考虑。在上课学习过程中，杨善水老师学者风范，循循善诱教学特点给我留下很深印象。参考资料1 电力系统谐波-基础原理、分析方法和滤波器设计 北京 徐政译 机械工业出版社 2 TMS320F2812原理和开发 苏奎峰/ 吕强/ 耿庆锋 等 电子工业出版社3 .DSP 芯片原理和开发应用 张雄伟 .电子工业出版社. 19974 城市电网谐波手册 张直平主编 北京 中国电力出版社5 电力系统谐波分析高精度FFT算法 张伏生，耿中行，葛耀中 中国电机工程学报1999 19(3 ) 6366