電力系統(tǒng)諧波測量網絡儀表的研制.pdf

1、隨著電力電子技術在電力網絡中的廣泛應用，諧波問題日益嚴重。工業(yè)現場應用的各種電子控制設備對電網上的諧波非常敏感，因此有必要對電網中的電力參數，特別是諧波進行監(jiān)測。目前，基于現場總線技術的分布式控制系統(tǒng)(DCS)已經大量應用于工業(yè)現場，因此開發(fā)一款能夠實時監(jiān)測電網上各種電力參數的現場總線儀表已經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，設計了一款能夠實時監(jiān)測電力網絡基本參數和

2、諧波含有率的數字式現場總線儀表。本文首先討論了電力網絡中各種電力參數的實現算法，重點研究了基于快速傅里葉變換(FFT)的諧波分析算法。然后詳細介紹了電力網絡儀表的硬件電路實現和軟件設計流程，最后對儀表進行嚴格測試并對測量誤差進行分析。 本論文的主要工作有： 電力網絡儀表測量的基本電力參數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，可以進一步優(yōu)化算法。文中介紹了一種應用一個N點快速傅里葉變換有效計算兩個N點實值序列的算法，能夠顯著地降低計算量。 硬件方面，首先根據算法要求選擇微控制器芯片，然后設計系統(tǒng)的硬件電路。信號調理電路將電網輸入信號轉換成0～5V交流采樣信號，輸入到微控制

4、器內部的A/D轉換模塊。通過頻率捕捉電路，微控制器可以實時跟蹤電網信號頻率，調整信號采樣間隔。SPI通信模塊實現了MC9S12D64與ATmega32兩個微控制器之間的通信，并能夠將測量數據實時傳送到上位機監(jiān)控界面。鐵電存儲器被用來保存儀表所設定的參數和測量數據。中文液晶顯示(LCD)模塊，可以同時顯示多個測量數據。引入MODBUS、CAN總線和PROFIBUS總線技術，分別設計不同的輸出板，實現儀表模塊化。 軟件方面，使用匯編

5、語言編寫程序，以滿足系統(tǒng)對于采樣數據實時性的要求。零點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機制，克服微控制器沒有中斷優(yōu)先級的弊端，成功實現中斷優(yōu)先級的5級嵌套。協調MC9S12D64和ATmega32兩個微控制器之間的SPI通信程序，實現數據的高速、準確傳輸。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