电能质量分析仪.ppt

电机电能质量分析仪 基于DSP+CPLD一、应用场合用于供电部门对生产的电能进行监视和检测，以保证提供电力用户合格的电能，如变电所出线端监控供电质量帮助电力用户清晰的了解其设备工作所处的电网，如在电机三相电源处监控工作电压、电流二、性能指标分析GB/T198622005电能质量监测设备通用要求对电能质量监测设备规定如下：监测功能：电压偏差、频偏、三相不平衡度、谐波、闪变等显示功能通讯功能：至少一种标准通讯接口其他功能：权限管理、记录存储等 1.基本电量测量指标测量对象测量范围准确度灵敏度三相电压(V)0220（有效值）0.5%0.2%三相电流(A)020(有效值)1%0.5%频率(HZ)13000.01HZ0.005HZ 其他电量测量：有功、无功、视在功率、功率因数2.电能质量分析：谐波含量分析（最高13次谐波）、三相不平衡度分析、电压/电流瞬态记录功能3.用户交互功能：液晶显示的多级菜单配合按键，方便用户操作4.通讯功能：RS485通信三、系统整体结构DSPDSP电流电流传感器传感器键盘键盘RS485RS485通信到上位机通信到上位机调调理理单单元元LCDLCD显示显示 电压电压互感器互感器CPLDCPLDA/DA/D存储器存储器过零比较过零比较设计思路基本电量测量：直接测量3相电压、3相电流，计算公式：再由3相电压、电流计算功率：频率测量：测周法 电能质量分析：1.谐波含量分析：FFT其他分析方法：模拟带通带阻方法、小波变换要解决的问题：频谱混叠、频谱泄漏措施：防止频谱混叠：AD转换前加防混叠滤波器 防止频谱泄漏：同步采样+软件修正2.三相不平衡度分析 对称分量法 四、硬件设计微处理及控制器电路设计信号调理电路设计同步采样电路设计人机交互电路设计其他部分电路设计4.1 微处理及控制器电路设计1.对控制系统的要求 强大的数字信号实时处理能力 较丰富的I/O口资源 中断能力强、中断响应快速 一定容量的ROM和RAM2.控制方案选择 方案一：采用ARM处理器控制方式，利用其较高的工作频率来换取数据处理的高速，并利用其强大的事务管理能力对系统各个功能进行实时控制。方案二：采用DSP+CPLD控制方式，DSP的软硬件资源非常适合实时信号处理，再配合CPLD的逻辑控制实现仪器的智能化。方案比较：ARM处理器在控制方面的性能优于DSP，利用其丰富的片上资源，很适合运行嵌入式实时操作系统，使得仪器的多任务处理能力增强，操作界面更人性化，但ARM芯片及其外围存储芯片价格较贵，在不跑操作系统的情况下应用ARM芯片显得大材小用。DSP在数字信号处理方面的性能优于ARM，配合CPLD能够很好的完成多路电压、电流信号的运算、处理，并实现实时控制，且价格相对较低，有利于提高仪器的性价比。综合考虑，选择方案二。3.器件选型 DSP：TMS320LF2812主要参数：32位高性能DSP（哈佛结构）；最高工作频率150MHZ；128K字16位的Flash；128K字 16位的ROM；用于L0和L1两块4K字16的单存取RAM，H0一块8K字16的SARAM和M0、M1两块1K字16的SARAM；指令系统采用流水线技术CPLD：EPM7032AE主要参数：逻辑门数600门，I/O口36，最大计数频率227.3MHZ4.2 信号调理电路设计1.模拟量采集电路设计功能要求：采集3相电压、3相电流信号电压传感器选择：电流型电压传感器TV16E原理：采用了取样电阻的电流互感器主要参数：最高工作频率：20KHz 输入电流：2.5mA 输出电流：2.5mA（变比1：1）副方取样电阻参考值：400欧姆 抗电强度：3500V AC/1min 一次最高检测电压：2000V AC 最大不失真输出电压：1V 相移：10kHZADS8364 主要参数：16位，并行输出 6路差分输入（-Vref+Vref），6通道采样保持器，6通道ADC 最高采样速率250kHZ 内置2.5V电压基准源4.4 人机交互电路设计LCD：320240A-3点阵式液晶模块 按键：行列式键盘与CPLD接口4.5 其他部分电路设计通信：RS485存储器扩展：SST39VF400多用途Flash存储芯片 供电系统：开关电源模块提供+5V和15V电压 AMS1117-3.3实现5V到3.3V转换 五、软件设计分为：DSP程序部分、CPLD程序、上位机通信及Labview界面程序设计设计思想：模块化设计，逐层分析、设计 DSP控制流程图六、改善仪器整机性能的措施6.1 提高测量精度 1.从原理上改进：同步采样（避免栅栏效应）、对信号滤波（过零点的扰动）2.合理设计硬件：选用低噪声、高精度传感器（电流型、霍尔器件），低噪声、高共模抑制比运放（AD620），各芯片加电源滤波电路，选用高精度ADC 3.软件补偿：对采样信号进行数字滤波；对仪器进行校准；做线性拟合，软件进行频谱修正6.2 提高测量实时性 1.选用高速器件（DSP、高速ADC）2.采用合理的算法（FFT）和通信手段（RS485）6.3 提高可靠性 1.简化电路结构（选用一块多通道ADC代替多个采样保持器及AD器件）2.提高硬件抗干扰能力，合理走线、接地（数模地分开，信号、电源、控制线分开走）3.软件抗干扰（WatchDog）七、仪器性能评估7.1 特点 1.采用DSP+CPLD控制结构，比单CPU 系统处理速度更快，实时性更高 2.采用数字锁相环技术实现同步采样，节约了硬件开销，电路结构更为简单，测量准确度和系统可靠性更高 3.具有上电自检功能和软件WatchDog，具有更高的稳定性7.2 成本及研制周期估计 DSP+CPLD控制系统约150元，传感器及信号调理电路约200元，采样电路约100元，LCD控制模块约150元，PCB印制板约200元，其他成本合计800元，共计约1600元 研制周期估计：23人的硕士研究生团队约5个月完成（一周5个工作日）欢迎批评！