分布式电能质量监测仪的设计毕业论文

毕业设计（论文）专用纸I摘要对于这个电能需求量异乎庞大的当今时代来说大范围地获取电能质量实时监测数据具有十分重要的意义，但传统的单点数据监测系统不能够及时而有效地反映区域范围内的数据变化与突变的情况。为此本文提出了以GPRS作为数据传输方式的电能质量监测系统，并使用DSP作为其数据处理核心开发出的低成本电能质量实时监测终端。本文着重详细介绍了以外围模拟电路作为数据采集模块并采用DSP作为核心处理单元将采集数据进行分析、处理和运算的分布式电能质量监测设备的监测终端的硬件设计，同时介绍了系统软件的设计和在无线通信方面的实时数据传输等。关键词关键词关键词关键词电能质量监测，DSP，GPRS无线通信毕业设计（论文）专用纸IABSTRACTINTHEHUGEDEMANDOFELCTRICITYSAGE,ITISOFGREATIMPORTANCETOACHIEVEAWIDERANGEOFREALTIMEDATAOFPOWERQUALITYHOWEVER,THETRADITIONALSINGLEPOINTDATAMONITORINGSYSTEMDOESNOTREFLECTTHETIMELYANDEFECTIVEDATACHANGESWITHINTHEREGIONANDMUTATIONOFTHESITUATIONTHISPAPERPRESENTSAPOWERQUALITYMONITORINGSYSTEMWHICHUSESGPRSGENERALPACKETRADIOSERVICEASTHECHANNELOFDATATRANSMISIONANDALOWCOSTPOWERQUALITYREALTIMEMONITORINGTERMINALWHICHUSESADSPDIGITALSIGNALPROCESINGASITSKERNELTHISPAPERILUSTRATESTOTHEEXTERNALANALOGCIRCUITRYASTHEDATAACQUISITIONMODULEANDUSEDSPASACOREPROCESINGUNITTOANALYZETHECOLLECTEDDATA,HANDLINGANDOPERATIONOFDISTRIBUTEDPOWERQUALITYMONITORINGEQUIPMENTTOMONITORTHEHARDWAREDESIGNOFTHETERMINAL,ANDINTRODUCESTHESOFTWAREDESIGNANDTHEWIRELSCOMMUNICATIONSASPECTSOFREALTIMECONNECTION,ETCKEYKKKWORDSPOWERQUALITYMONITORING,DSP,GPRSGGGWIRELSECOMMUNICATIONS毕业设计（论文）专用纸II目录第一章绪论111分布式电能质量监测设备的研究意义112国内外电能质量监测技术的研究现状213本文所研究的电能质量监测系统4第二章电能质量监测相关算法的研究721电能质量的基本概念及主要指标722电能质量指标的算法和测量8第三章电能质量监测系统硬件设计131传感器电路132比较器电路1333锁相环电路1334采样保持电路1535运算放大电路1636DSP处理器1737数据通信模块20第四章电能质量监测系统软件设计2141下位机监测系统程序设计2142GPRS数据传输的协议分析和实现24第五章质量监测仪上位机系统26第六章结论29致谢30参考文献31附录133附录242毕业设计（论文）专用纸1第一章第一章第一章第一章绪绪绪绪论论论论11分布式电能质量监测设备的研究意义现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，随着科学技术和国民经济的发展，对电能质量的要求越来越高。电能质量的指标若偏离正常水平过大，会给发电、输变电和用电带来不同程度的危害。据统计，电网用电负荷中异步电动机占的比例最大。电网电压和频率的偏差、谐波、三相电压不平衡以及电压波动和闪变等，均会直接影响电机的转速、力矩和发热，从而影响生产工效和产品质量。电网谐波含量增加，导致了电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，并联电容器不能正常运行，同时可能引发继电保护和自动装置的非故障性动作，导致仪表指示和电能计量不准以及计算机、通信受干扰等一系列问题。特别是随着计算机、电力电子和信息技术等高新产业的发展和普及，对电能质量提出了越来越高的要求。过去电力企业不甚关注的电能质量某些指标，例如电网中电压暂降（DIPSAG）和短时断电已成为一个突出的问题。一个计算中心失去电压2S就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几十万美元的产值。当今半导体芯片制造厂、自动化精加工生产线，对配电系统中电能质量的异常十分敏感，甚至几分之一秒的电压暂降就可能使生产停顿、设备损坏或出次品，在工厂内部造成混乱，而每次电压暂降可能造成百万美元级的损失，这些用户对不合格电能的容许度可以严格到2040个MS。据美国电力科学研究院JANECLEMMENSEN估计，当今和电能质量相关的问题，在美国每年造成的损失高达260亿美元。美国电能质量方面一位知名专家下面一段话可以概括本节内容“电能质量意味着经济问题，这一点特别重要，电能质量问题会造成用户生产力下降，竞争力减弱，还影响到员工的就业，他们会影响到整个经济社会。”改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学毕业设计（论文）专用纸2实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。电能质量直接关系到国民经济的总体效益。因此人们对电能质量问题的重视并非近几年的事，只不过早期对此认识比较简单，主要局限在保持电网频率和电压水平即静态或平均偏差不过大上。随着电力行业的发展，随着经济的发展，供电公司要提高自身的竞争力，其中一个最重要的部分就是提供高质量的电能。那么，提供高质量电能意味着需要对整个电网进行动态实时的监测，这种监测是分散的，是多点监测的。并且随着因特网的发展，电力企业更加要求监控具有多点成面的效果，能够构成全网的实时监测与全网监测信息的共享，在这个情况下，引进了分布式的概念，从而使得电能质量的监测也具有分布式的效果，完全符合电力企业的要求。12国内外电能质量监测技术的研究现状1国外的研究现状国外有关电能质量监测的研究正掀起高潮,从所适用的功率理论的扩展,到电能质量评价指标体系的建立从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义各种电能质量问题分析方法的提出,以及用户电力技术等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。1996年,IEEE将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议更名为电力谐波与电能质量学术会议,把电能质量提高到一个新的高度来认识。理论方面积极开展电能质量指标的评价体系研究。如何评价电能质量的好坏,通常使用的几种定量评价电能质量的指标如总谐波畸变率,功率因数等,但当波形为非周期信号、频率为分数次谐波频率时,上述评价指标就有不协调的问题。这涉及到如何处理畸变、不平衡现象的功率定义问题,这方面国外已经作了大量研究,并给出了一些建议,但至今尚未取得一致意见。针对上述的电能质量问题,国外已提出并开发了许多改善和提高电能质量的装置,包括有源电力滤波器和无源滤波器、电池贮能系统、配电用静态同步补偿器、配电用串联电容器、动态电压恢复器、功率因数校正电容器、避雷器、超导磁能贮存系统、静态电子分接开关、固态转移开关、固态断路器、静止无功补毕业设计（论文）专用纸3偿器、晶闸管开关电容器、不间断电源等。这些装置主要是采用电力电子技术,一些装置已相当成熟,其产品开始进入大量实用化阶段。如日本的有源电力滤波器使用很普遍,并联型有源电力滤波器最大容量达50MVA,采用的是GTO、SCR器件,用于抑制电弧引起的闪变。统一电能质量调节器或称电能质量调节器PQC。它可快速补偿供电电压中的突升或突降、波动和闪变、谐波电流和电压、各相电压的不平衡以及故障时的短时电压中断等,是一项具有综合功能的电能质量控制器。西门子公司已系列生产出PQC装置,它基于IGBT的PWM换流器,是并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的组合,是众多此类研制品中较有代表性的产品。西门子的PQC与系统联接有三种方式,并联时,主要防止非正常负荷对系统的影响串联时,则用于防止系统对负荷的影响而当串并联时,则将具有双向补偿的功能。用户电力技术。它是将电力电子技术、微处理机技术、自动控制技术等高新技术运用于中、低压配电系统和用电系统中,以减小谐波畸变。消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断,从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。用户电力技术概念的提出,有助于供电部门提供高可靠性和高质量的电力,也有助于满足各种新工艺用户对电力供应的更高要求。用户电力技术控制器包括上面介绍的动态电压恢复器、固态断路器、统一电能质量调节器等。2我国的研究现状监测和改善电能质量的主要措施是采用电力电子技术。目前,国内在电能质量监测方面的研究大多局限在谐波问题的范围内,也提出和开发了一些监测和改善电能质量的电能质量补偿装置,包括各种有源电力滤波器、动态无功补偿装置、电能质量综合补偿装置,以及动态电压恢复器等,与国外的差距是非常明显的。电能质量监测的基础理论研究,包括统一的畸变波形下电能质量的含义,电能质量的界定方法、评价体系的研究,各功率成份的定义及物理意义研究等。目前为适应不同需要提出了许多功率成份的定义方法,在其数学表达式、物理意义及实施方面各有所长,但距离理论上和实际上的统一的并易于接受的表达式尚有一定的差距。毕业设计（论文）专用纸4测量方法及各种电能质量检测仪器和设备。各种电能质量指标均应有合理的计算分析方法,特别是针对不同干扰源的预测计算方法及其误差估计等,建立电能质量指标计算分析程序和数据库,同时还应建立起电能质量控制装置的系统仿真模型。积极采用数字化控制技术。随着高速数字信号处理器DSP为基础的实时数字信号处理技术的迅速发展,并得到广泛应用,采用模拟量控制的电能质量控制装置正用数字量控制代替。这有如下优点可以程序控制,改变控制方法或算法不必改变控制电路提高了系统稳定性、可靠性和灵活性,系统不受温度影响可重复性好,易调试和批量生产易实现并联运行和智能化控制。随着DSP性能的不断改善和价格的下降,用DSP来实现实时信号处理已成为当今和未来技术发展的一个新热点。柔性交流输电技术FACTS和用户电力技术CUSPOW的融合。FACTS和CUSPOW是快速发展的姊妹型新式电力技术。采用FACTS的核心是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力发展CUSPOW的目的是在配电系统中加强供电的可靠性和提高电能质量。FACTS和CUSPOW的共同基础技术是电力电子技术,各自的控制器在结构和功能上也相同,其差别仅是额定电气值不同,二者的融合是一种趋势。有人认为CUSPOW技术就是配电系统中的FACTS技术。非电力电子技术的电能质量控制器的发展。采用非电力电子技术手段,如提出新的拓扑,改进电路结构采用新材料,开发新器件提高电能质量的发展也非常迅速。13本文所研究的电能质量监测系统基于电能质量监测的重要意义，本课题拟设计的是一种可对区域系统变电站的电能输送过程进行分散监测并集中对分析数据进行管理显示的分布式监测系统。该系统包括一个上位机和多个分布在各监测现场的监测微机,分布式的实现方式采用的是GPRS通用无线分组服务技术，它是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术，方法是以“分组“的形式传送资料到用户手上。虽然毕业设计（论文）专用纸5GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是它在许多方面都具有显著的优势。通过合理利用搭建在移动台的GPRS网络使用GPRS无线数据传输技术能够快速、及时、有效、可靠的实现监测系统的分布式数据监测与传输的便捷功能。其中上位机经GPRS无线通信网络与分散的监测微机之间进行信息交换，可显示、打印各种及时分析计算数据,并进行统计报表处理。各监测微机采用数字化控制技术的可程控、稳定可靠、灵活多变、可复制性强、易于功能实现和智能控制等强项优点能独立地对其监测对象进行数据采集、分析、数学计算、汇总、存储等处理。DSP（DIGITALSIGNALPROCESOR）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的微处理芯片。其中监测设备的监测数据有频率、电压、电流、谐波、三相不平衡度、电压波动和闪变等。本研究课题中的基于GPRS和DSP数据分析处理技术的分布式电能质量监测装置,能够对电能质量实行连续有效地监控,在实际应用中对提高电力系统的电能质量具有较大的意义。1基本结构本设计的整体监测系统包括一个通信主站（上位机）和多个分布在各监测现场的监测微机（下位机）,上位机经GPRS无线通信系统与分散的各下位机之间进行信息交换，可显示、打印各种及时计算分析数据,并进行统计报表处理。其中下位机系统的构成包括传感器电路、比较单元、锁相环、采样保持电路、运算放大电路和作为微处理器的DSP，通信系统包括与下位机直接相连的GPRS通信模块、移动通信终端（SIM卡通信连接部位）、移动台的GPRS骨干网、INTERNET网络等，将下位机的监测与处理数据通过无线网络的方式实时、可靠地传输至通信主站。上位机系统为一台能上网且具有固定IP的服务器计算机，能及时通过浏览器查看并分析分布在省至城区网络里的各个下位机的监测处理数据，可接收电毕业设计（论文）专用纸6网各下位机的电能质量数据,进行分析统计,形成文件、报表及曲线,显示数据和图形如趋势图、曲线图、向量图等。2工作原理整个电能质量检测仪的硬件原理如图1所示图1整个系统的硬件原理图模拟信号经传感器隔离变换后进入采样保持单元。为了保证采样的同步性，我们采用了倍频锁相技术，取一相电压信号经比较器输出跟踪电网的频率的方波信号，作为锁相的输入信号，同时也是频率监测的信号源。方波信号经锁相环倍频后，作为采样保持器采样保持和A/D转换的触发信号；在模拟信号经运算放大单元后，接入数据处理芯片的A/D转换引脚，进行A/D转换和数据处理。在通信接口方面，DSP上有两路串口，其中的SCIA接GPRS模块，SCIB扩展成光电隔离的RS232串口。嵌入式GPRS模块选用法国WAVECOM的Q2406B模块，它的输入输出电平和33VTTL电平兼容，可以直接和DSP相连接。最后通过移动通信终端所收集的数据被打包成IP包，再通过移动台的各种网关和路由连接到INTERNET网络到达通信主站。毕业设计（论文）专用纸7第二章电能质量监测相关算法的研究21电能质量的基本概念及主要指标电能质量一般定义为电能质量供电质量供电可靠性。供电质量主要包括五项指标。1供电频率频率是和有功功率紧密联系在一起的。用户从电网中吸收的有功功率是动态变化的,发电机输出的有功功率必须和用户吸收的有功功率维持动态平衡,才能使电压频率的偏差在正常范围以内,当有功冲击或有功功率严重不平衡时,将产生频率偏差。2电压偏差电压则是不泳无功功率紧密联系的。一般来讲电网用户负载不是纯电阻荷,而是R、L、C复合负荷,将在电网中产生无功功率。当用户无功功率较大时,将产生电压偏差,容性无功使电压偏高,感性无功使电压偏低,这就是电压偏差。3电压波动和闪变负载阻抗变化很快的冲击性负荷会引起无功波动,电压幅值也由此而波动。对于小于30HZ的电压波动,特别是88HZ的电压波动,将引起视觉上的灯光闪烁,即电压闪变。4三相电压不平衡对于三相不平衡负荷,将产生负序电流注人电网,使三相电压不平衡。5谐波电压和波形畸变负载的非线性使负载电流也是非线性的,非线隆谐波电流可分解为基波电流和谐波电流的叠加,其中谐波电流注人电网,将产生谐波电压。谐波电压叠加在基波电压上,使电压波形产生畸变。其中谐波分析是整个系统的重点部分毕业设计（论文）专用纸8发电厂出线端电压电流一般具有很好的正弦性，但是由于电力系统中非线性元件的存在，电压电流的波形都会出现畸变。在绝大多数情况下，畸变并不是任意的，而是呈现出一定周期性的。22电能质量指标的算法和测量装置通过高速率采样达到高精度的要求,在一个工频周期内每个通道采样128点,采样包括电流和电压信号。输人为A、B、C三相相电流和相电压。下面介绍相关指标的算法及测量方法。1供电频率的测量电网频率正常是电网安全、经济运行的先决条件,测频算法设计是频率测量的核心环节,一般而言,对于频率的测量分为个方面信号的预处理,频率偏移测量,结果再处理。本系统结合实际的情况,采用周期法结合小波去噪的方法。其中去噪信号原理如下一般说来，一维信号的消噪过程可以分为3个步骤进行一维信号的小波分解。选择一个小波并确定一个小波分解的层次M，然后对信号S进行M层小波分解。小波分解高频系数的阈值量化。对第1到第M层的每一层高频系数，选择一个阈值进行软阈值量化处理。软限幅函数为式中X为经过阈值处理后的小波系数；T为软限幅函数的阈值，2LOGTN，0,SGNHYTXTYTYYTYT31|SCIASOESENDPC31PARA10X009F800PARA20X0000700MEM_CLEARPARA1,PARA2E_EVENTMARK0X55AAE_EVENTRECORDPC0SCIASOESENDPCE_EVENTRECORDPCSCIASOESENDPCE_EVENTRECORDPCEVENTRECORDPC0IFNV_MARK0X5A5ANV_MARK0X5A5AP1_PULSE0Q1_PULSE0P1_PULSE_BAK0Q1_PULSE_BAK0P2_PULSE0Q2_PULSE0P2_PULSE_BAK0Q2_PULSE_BAK0P1_SUM0毕业设计（论文）专用纸36Q1_SUM0P1_SUM_BAK0Q1_SUM_BAK0P2_SUM0Q2_SUM0P2_SUM_BAK0Q2_SUM_BAK0P1_SUM_TMP0Q1_SUM_TMP0P2_SUM_TMP0Q2_SUM_TMP0TASKREGINPUTALREADBINARYYXSTATUS1ALTASKREGINPUTALTASKREGERAL0TASKREGEVENT1AL0TASKREGEVENT2AL0TASKREGRUNAL0TASKREGOUTPUTAL0PROTECT_START0ALARMMARKA1AL0ALARMMARKA2AL0MMIARKAL0毕业设计（论文）专用纸37GLHJSMARK0CHZHJSQD0LXGLHJSMARK0BHQDCHZ0YK_TRIP_SIGNAL0CHARGEMARK0CHARGERUN0RUN_CHARGE1CHZ_RETURN0CHZ_RETURN_SIGNL0GLHJS_SIGNL0LXGLHJS_SIGNL0TIME_SAME_COUNTER0SH_CLOSE_SIGNAL0ANGLE_PC0ANGLE_COUNTER0TIMES_ANGLE_PC0TIME_ANGLE0CHZ_UL_UM0SIGN_ANGLE0CONSULT_ANGLE_FLAG0/DA_FLAG0MARK_U2ORUNDER0MARK_U0CHECK0I0_DIRMARK0毕业设计（论文）专用纸38FREQ_PC0DFDT_SIGNL0DFDT_RST