1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 基于 DSP 的谐波电能计量装置软件方案的设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 近年来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子测量装置在电网中的应用日益广泛，谐波问题也引起人们越 来越多的关注，更日益受到企业和电力管理部门的重视，促进了对该问题的研究和开发。由于计算机科学技术、信号处理理论和方法的迅速发展， DSP芯片越来越广泛地应用于各类仪器仪表中，以便能够实时准确地监测电力谐波，确切地掌握电网中谐波的实际情况，从而采取措施抑制谐波，提高供电质量。 本论文集中讨论了基于 DSP的谐
2、波电能计量装置的软件设计方法，重点介绍了以下几个部分 : (1)分析和研究当前电力系统的谐波问题； (2)谐波的定义、产生及其检测方法； (3)系统的总体设计及功能； (4)系统的软件设计，包括 数据采集与处理模块、人 机接口模块、通信模块等。实现数据采集、数据处理、 A/D转换、计量芯片与单片机之间的通信转换以及显示中断服务功能等。 关键词： 数字信号处理，电能质量，谐波检测，单片机 II The Design of Software Solution of Harmonic Energy Metering Device Based on DSP Abstract In recent yea
3、rs, because of electric and electronic technology at full speed of development, with the wide application of various kinds of electric and electronic convertors, this problem about harmonic has caused peoples more and more concerns and drawn much attention increasingly by enterprises and power manag
4、ement sectors. Because of the rapid progress in computer technology, signal processing theory and methods have led the application of DSP to a more profound extent,in order to monitor power harmonic real-timely and accurately, grasp the actual conditions of power network harmonic, take measures to s
5、uppress the harmonic and improve power quality. The paper are concentrated on discussing the design method of software and hardware about harmonic test apparatus for power system based on DSP technology and are laid on the following: (1) Analysis and research of the problem of electric power system
6、harmonic;(2)The definition, formation and harmonic detection methods; (3) Overall design of the system and function of circuit;(4) Design of system software, including the module of data acquisition and processing,human-machine interface and communication. Realize data acquisite and process, functio
7、ns of the A/D conversion, measuring communication between the microcontroller chip conversion,display interrupt service function and so on. Keywords: Digital signal processor, Power quality, Harmonic detection, Single-chip microcontroller III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1绪论 . 1 1.1课题的来源 . 1 1.2课题的意义 .
8、1 1.3国内外发展现状 . 2 1.3.1国外的研究现状 . 2 1.3.2国内的研究现状 . 2 1.4课题研究的 主要内容 . 4 2方案设计与总体设计 . 5 2.1方案设计 . 5 2.2方案评价 . 5 2.3总体设计 . 5 2.3.1硬件设计 . 5 2.3.2软件设计 . 6 3系统硬 件设计 . 7 3.1数据采集电路 . 7 3.2 A/D转换电路 . 7 3.3 计量电路 . 8 3.4 SPI接口电路 . 8 3.5显示电路 . 9 3.6通信转换电路 . 9 3.7存储器电路 . 10 4系统软件设计 . 11 4.1软件方案的设计原则 . 11 4.2系统软件的总
9、体设计 . 11 4.3各功能模块的软件设计 . 12 4.3.1系统初始化 . 12 4.3.2数据采集模块 . 12 4.3.3数据处理模块 . 13 4.3.4 MCU控制模块 . 16 4.3.5显示模块 . 17 4.3.6通信模块 . 17 5抗干扰措施 . 20 IV 5.1数字滤波 . 20 5.2设置软件陷阱 . 20 5.3睡眠状态抗干扰 . 20 5.4其他抗干扰措施 . 20 结论 . 21 参考文献 . 22 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 23 附录 1系统电路图 . 23 附录 2源程序代码 . 24 附录 2.1主程序代码 . 24 附录 2.2初始化
10、程序代码 . 27 附录 2.3数据采集程序代码 . 28 附录 2.4单片机与 ATT7022B的 SPI通信程序代码 . 32 附录 2.5 LED显示程序代码 . 33 基于 DSP 的谐波电能计量装置软件方案的设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 现代社会随着电力电子技术的发展 ,化工、冶金 、电气化铁路及其他设备等非线性负载转换器和大电网系统谐波数量不断引进，造成了电网中的谐波量急剧上升以及电压波形严重“畸变” ,影响供电质量 , 造成电力系统的“污染”，致使电能质量下降。由于大幅值的谐波电流和谐波电压的出现 , 不仅给电网中设备的安全、稳定、经济运行带来了极大的危害 , 同时对传
11、统测量方法及常用工频仪表的使用也带来了一系列的影响 ,除了影响计量装置的精度外 ,它的流动方向对计量影响更大。 谐波问题引起人们越来越多的关注，更日益受到企业和电力管理部门的重视，促进了对该问题的研究。 1.2 课题的意义 由于谐波 存在许多方面的危害，因此了解谐波产生的机理，消除供配电系统中的高次谐波，对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。要实现对电网谐波的综合治理 ,就必须搞清楚谐波的来源及电网在各种不同运行方式下谐波潮流的分布情况，以采取相应的措施限制和消除谐波，从而使供电系统的质量得到了改善，并确保了系统的安全运行。谐波分析仪使用时的负载产生的各种谐波量，使谐波作
12、业人员要把握时间、地点、规律和原因，从而采取适当的措施来执行生产，具有相当大的实用价值。为了保证电网系统的安全、可靠、高效运行 , 减少电网谐波的 含量 是一个迫切的任务。为此，首先要实现方便、准确地测量谐波含量。依据测 量结果来了解实际情况，并找出主要的谐波源。要减少谐波电流注入，减少整 个电力系统的谐波含量，必须依照具体情况采取相应措施。 第一，谐波带来的影响已对变电站设备、电气 设备以及电力载波通信系统造成了严重威胁。怎样才能减少谐波的危害， 是迫切需要解决的一个问题。要最大限度地解决这个问题，其关键在于定量测 定谐波的相位和振幅。这正是谐波分析的目的。 第二，由于电力供应的质量设备对现
13、代工业、 商业和住宅用户来说，要求越来越高，谐波抑制和补偿装置是必不可少的 。这 些设备需要弥补多少谐波，需要什么样的补偿，以及需要达到什么样的补 偿效果，都依赖于谐波分析的结果。 第三，对于电力电网系统，“绿色”的主要标 志就是无谐波。在电力电子领域，实施“绿色”用电的呼声越来越大。目前 ，保护地球环境已成为全人类的基于 DSP 的谐波电能计量装置软件方案的设计 2 共识。对电力系统谐波污染的治理也已成为电 力电子科学技术领域所必须解决的问题。 改善电能质量对于电网的安全经济运行，保证 工业产品质量和科学实验的正常进行以及降低能耗等均有重要意义。电能 质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。
14、 1.3 国内外发展现状 1.3.1 国外的研究现状 国外电能 质量的研究起步较早，对电能质量各指标算法都做了比较详尽的研究。随后国内外也出现了相应的测量仪器仪表。随着计算机科学技术的不断发展，时域仿真，频域分析以及建立在不同变换基础上的各种数字技术，已在解决电能质量问题等方面得到了广泛应用。随着用途和目标的改变，电能检测设备己融合了许多领域的高科技，如网络技术、通信技术、数字信号处理技术、数据挖掘技术等，特别是在大规模集成电路的快速发展推动下，各种专用混合信号处理器和高速采样芯片出现，测量精度和深度的要求变得越来越严格。无论从技术上或市场上，电能计量监测设备发生了非常 大的变化。随着计算机技
15、术和 DSP 技术的迅猛发展，随之出现了基于 Web 的分布式电能质量测试装置，它被广泛地应用于电力供应公司、工厂以及电力咨询行业。 1.3.2 国内的研究现状 目前，我国在谐波研究领域主要有以下几个方面 : 1）谐波源的特性。在许多情况下，电力系统高次谐波源可以当作电流源来处理，在谐波源特性方面尚有大量的问题需要研究。 2）电力系统的模型及其精度。变压器、电机、电容器、输电线路和线性负荷，他们有精确的谐波电流的数学模型。目前来说，非线性负载谐波阻抗只是一个粗略的数学模型，更精确的仍在探索。电力系 统谐波和电源系统有着极其密切的关系。网络中的畸变波传播由网络参数而定，它可能是抑制失真也可能放大
16、失真。 3）谐波电流和电压的分析计算。大致分为线性分析、非线性频域分析和非线性时域仿真三种方法。 4）谐波的测试方法、测量仪器及设备。用计算的方法精确地获得电网谐波参数是比较困难的，因此谐波的测试工作在谐波研究中占非常重要的地位。 5）谐波的危害。主要影响表现为对电力装置的运作、常用仪器仪表的指示、自动装置和继电保护、干扰对通信以及自动化设备和网络损失的影响。 基于 DSP 的谐波电能计量装置软件方案的设计 3 6）谐波的抑制措施。采取措施抑制谐波源是最有效的。首 先，将滤波器安装在谐波源，这是比较常见的方法；第二，是对于整流设备，增加进入变电站的换相序数，以减少谐波注入系统。 7）谐波的管理
17、与标准。国家技术监督局于 1993 年批准颁发了电能质量一一公用电网谐波，以促进电力用户和电力部门采取措施，控制电源的谐波水平在一定允许的范围内，对谐波的危害起到很好的抑制作用，保证了电能质量，确保了良好的经济效益。 我国的电力工业在全球的影响下取得了迅猛的发展，但是对电能质量检测装置的研究发展仍处于初始化阶段，自行研制开发的高质量电力系统自动化测量装置还很少。目前国产设备的监测 控制装置大部分是用单芯片的计算机来实现，它的主要的优点是结构较为简单、容易实现、相对便宜。但仍存问题： 1) 运算速度慢、处理功能差、可扩展存储空间小，很难严格执行该算法的精确的实时数据处理要求，不符合高实时监测的电
18、源要求； 2)电力系统中的 MCU 常用为 51 系列和 96 系列等控制型的器件，但随着实时电力系统对计算和数据量的要求持续提高，这些设备的计算能力并没有很好地适应电力系统的发展要求，限制了高精密度电力系统的实时监控测量与先进算法的使用； 3)虽然有些产品直接向国外的技术引进，功能更强大，但较高的价格并不完全适合中国市场； 4)有些产品没有通讯和控制输出，不符合发展电力系统的自动化、网络化的方向； 5)不太优良的人机交互性。 在过去的几十年中，一个简单的单芯片实现了智能控制功能，并被广泛使用。但随着信号处理理论和方法、计算机科学与技术的快速发展，需要处理的数据量不断增大，高精度要求的实时测量
19、工具亦不断增加。电能质量监测设备与一般的电力基本参数测量装置不同，其各种指标的监测、计算和分析也不同。如果算法的频率为 12M，使用更先进的微控制器来进行基本 32点 FFT 的快速运算，还需要大约 0.25 秒，如果使用更复杂的算 法，则将需要更长的时间。由此可知，传统的微控制器技术已不能满足实时监控系统的需要。 因此，开发实用、可靠性高并且能满足精度要求的低成本产品，提高国内测量装置的自动化水平，是一件迫在眉睫的并具有重要意义的任务，这也是摆在我国电力工作者面前难得的机遇和挑战。 基于 DSP 的谐波电能计量装置软件方案的设计 4 1.4 课题研究的主要内容 本课题主要是针对我国电力系统的
20、供电现状，以谐波的测量、分析为主，并使装置尽可能地包括各种电能质量参数，为电网的安全运行和有效管理提供详细可靠的电力电能参数，力求在借鉴同类装置的基础上，研制和开发出一种实用的、低成本的、便携的电力系 统谐波测量装置，以适应配电系统的发展。 本课题主要的研究内容有 : 1）分析谐波产生的原因，研究谐波等电参数的计算和软件实现方法。 2）利用微处理器及含有谐波计算功能的专用电能计量芯片设计谐波及电能测量的软件系统。本系统的程序设计采用模块化设计方法，模块包括：数据采集与处理模块、人机接口模块、通信模块等。 DSP技术的飞速发展，为研制谐波电能计量装置提供了强有力的技术支持。本装置就是通过数据采样
21、电路采集电压、电流等数据，利用 DSP 的快速处理数据的能力，对电压和电流的采样数据进行 FFT 变换，从而得到各次谐波电压 和电流之值，再根据谐波功率和电能的计算方法，计算出各次谐波的电能。 在软件的设计上，采用通用的 FFT 算法，利用 DSP 高速率特性可以在两次采样间隔的时间里完成各个电能参数的计算，达到计算和采样的同步。软件设计还考虑升级的可扩展性，可通过对 DSP程序的更新来达到算法的升级。 基于 DSP 的谐波电能计量装置软件方案的设计 5 2 方案设计与总体设计 2.1 方案设计 国内外在谐波电能计量方面做了很多技术性的工作，得到了很好的成效。但是，受处理器处理能力的限制和影响
22、，目前只能实现基波电能的计量和各次谐波总电能的计量，而不能实现各次谐波电能的计量。随着电子电力技术的 快速发展， DSP 的功能也越来越强大，它的处理能力和处理速度完全能够满足这种计量的要求。本文就是基于 DSP 技术，研制一种能够实时计量出基波电能和各次谐波电能的电能计量装置。 本课题研究设计的电能计量装置系统由计量芯片、单片机、数码管显示、数据存储及控制电路等组成，采用 DSP+MCU 的设计方案， 采用电能计量芯片ATT7022B完成电能计量工作 ， AT89C51单片机作为系统的 MCU实现控制功能。 2.2 方案评价 针对实际电力系统中数据采集和处理的特点， 本系统采用高性能单片机A
23、T89C51+电能计量芯片 ATT7022B 相结合的方案，前端采用国产电能计量芯片ATT7022B完成系统 DSP，使得所有基本参数可以由 ATT7022B直接计算得出，从而大大减轻系统 MCU 的负担，使之专心于数据的后期处理工作；采 用 AT89C51芯片作为 MCU，使得该装置的实时处理能力大大提高，从而 提升系统的整体性能。这样设计的电能计量装置的硬件部分具备 带 DSP的 ADC+高速 MCU 的结构，使得系统整体设计具有一定的性价比。 2.3 总体设计 2.3.1 硬件设计 电能计量装置的硬件系统，包括以下几个基本功能模块的设计：单片机微处理器模块，数据测量与转换 电路，计算并送终端设备显示电路，通信转换电路等。所设计的系统应具备以下功能： （ 1）对电压、电流高精度的数据采集功能； （ 2）对瞬时信号尽量好的实时响应能力； （ 3）带有 RS_232 接口 ,可实现通信 ,以便服务于更高层的企业信息分析和管理系统。图 2-1为系统的硬件结构框图。
