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创建时间:01-31

电力参数监控仪测控电路研发


 
摘要:科学技术突飞猛进的今天,生产力不断的发展,无线、远程、精确、小型化、智能化引领着科技发展的方向。在配电屏配电等生产实践中,对电力参数实时监控的快速、精确要求越来越高,并向无线远程化发展。所以有必要对这一方面做些研究。研究的成果可以解决一些生产上的问题,提高生产效率,降低人工成本,提高生产自动控制程度。
本文主要介绍了基于DSP2407的电力参数监控仪测控电路的研制,包括数据采集、快速傅立叶变换、液晶显示和数据传输等各部分的软硬件设计。本系统的硬件设计,采用模块化的设计思想,并尽可能的采用高性能集成电路,简化了电路设计并提高了可靠性。在软件设计中采用了自顶向下的设计思想,所有程序采用分层次模块化设计,提高了软件的可移植性。本系统运行稳定可靠,相信能很好的运用到实际生产中。    
关键词:电力参数监控;数字信号处理;快速傅立叶变换
Abstract:Science and technology are advancing rapidly today, and the development of productive forces, wireless, long-range, precision, small, Intelligent technology guides the direction of development. In distribution  of  power, and other production practice, The demand for real-time monitoring and high accurate of power parameters is getting higher and higher. Wireless Remote to development. There is a need to do research on this matter. The results of the study can solve the problems of production, improve production efficiency and reduce labor costs. production automation. 
This thesis mairly introduces the parameters of power measured part of the strument based on DSP2407, including data collection, Fast Fourier Transform, liquid crystal display and data transmission. The hardware of system adopts the idea of modular design, it adopts the high-parformance integrated circuits as much as possible ,and jredigests circuits design and improves reliability .The software design ,using in the top-down design ideas, all the procedures used hierarchical modular design, improving the portability of the software. The system is stable and reliable, I believe,it can be good used in the production. 
Key word: Power Parameters Monitoring;digital signal processing;Fast Fourier Transform (FFT)
1  绪论
电力参数实时、准确的测量对于保证电网安全,经济地运行和实现电网调度的自动化具有非常重要的意义。电网中非线性设备的日益增多,导致多种电力运行指标的恶化。其中最主要的问题就是谐波污染和无功损耗的增加。谐波污染会导致电网损耗的增加,降低用电设备的效率和性能,引起设备的过载,威胁用电安全。要想治理谐波污染,就必须对相关的电力参数进行实时测量。
基于上述原因,设计一种运行稳定可靠,精度高,远程控制的电力参数监控仪就成为业内有待解决的问题。目前市场上同类产品也逐步增多,但都存在着某些不足的地方,比如精度不高,运算速率慢,达不到远程无线遥控的目的等。设计一款功能强大,智能化水平高的电力参数监控仪就更是值得研究讨论。
电网系统电能质量监控的实时性要求较高,不仅含有频率、电压、电流、有功、无功、谐波分量等,而且有些采集的特征量频率变化快而且复杂,如暂态突变量、高频的故障行波等,普通的采集处理方法对多路进行采样计算显得困难甚至难以实现,为了克服以上不足,满足现代电力系统的要求,将先进的数字信号处理技术应用到电力系统中充分发挥其快速强大的运算及并行运行处理能力,满足电力系统监控实时性和处理算法的复杂性等要求,并为不断发展的新理论和新算法应用于电力系统的实践奠定技术基础。
本文以TMS320LF2407A型DSP为控制核心,设计了响应快、延时小的电能质量监控系统,在整个控制系统中,信号采集单元的转换精度决定整个控制系统性能的优劣。TMS320LF2407带有内置采样和保持电路的10位模/数转换器,但只能接收0V-3.3V的单极性信号,对于交流信号需要另外设计限幅降压电路,同一排序器内各通道的串扰严重,所以10位的转换精度难以满足高性能系统的要求,由于本应用对采集精度要求高,要求采用14位A/D转换器,所以采用Maxim公司的MAX125型转换器作为信号采集单元的核心。该装置能够对电力参数的实时、准确的测量和分析并传输到短信平台发送到远端显示平台。
本文设计的电力参数监控仪具有响应速度快,检测精度高,远程无线监控的特点,满足了现代生产实践的要求,能运用于各种场合,具有普遍的现实意义。
2  电力参数监控仪检测电路设计方案
2.1电力参数检测理论
传统的电力参数是基于电压和电流为正弦波的情况下定义的,电压和电流没有发生畸变. 但是,实际上电网中含有谐波,电压和电流并不是理想的正弦波.针对这种情况,我们采用离散傅立叶变换(DFT)的方法进行参数的测量。
 设测得的电压序列和电流序列为 u[n]和i[n],将电压和电流构成一个复序列:
     
X[n]的离散傅立叶变换为
 
那么,电压和电流的离散傅立叶变换为
 
设第k次谐波电压的实部和虚部分别为 ,则第k次谐波的电压幅值为
 
电压有效值为
 
同理,电流有效值为


系统视在功率为
S=UI。
离散化后的第k次谐波有功功率表达式为
 
其中,φk为第k次谐波电压和电流的相位差。
 
系统的有功功率为
 
式中,N为需要计算的最高谐波次数。
无功功率的表达式为
 
功率因数的表达式为
λ=P/S。
2.2 检测电路特点及框图    
本系统采用数字信号处理器TMS320LF2407A做为控制核心,MAX125作为数据采集通道,对三相电压电流进行数据采集。达到高精度,高速率的数据采样,采用性能强劲的数字处理器使得快速傅立叶变换(FFT)得到很好的的实现。图形液晶显示屏的应用,使检测结果能够直观的显示,并通过RS232串行口传到短信平台,发送到远程终端。
硬件设计采用模块化设计思想,并尽可能的采用高性能的集成电路,简化了电路设计,提高了可靠性。三相电压电流经过互感器变压后输入MAX125进行A/D转换处理,送入DSP2407进行运算处理,包括电压、电流有效值的计算,有功功率、无功功率、功率因素的计算,FFT变换等。通过键盘操作在液晶显示屏上查看检测结果,数据结果通过232接口传输到短信收发平台。电路框图如图2.1。
 
图2.1 检测电路框图
3 电力参数监控仪检测电路的设计
3.1硬件设计
3.1.1  3.3V和5V混合逻辑系统设计
TMS320LF2407A为低功耗DSP,所有引脚除VCCP引脚在对FLASH编程时接5V电压外,其他供电电源引脚供电电压均为3.3V。而大部分外围芯片都是5V电压工作,所以必须进行电压的转换。
 

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