王寶林 - 副本

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開 題 報(bào) 告題 目 _基于TMS320F2812的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)_學(xué) 院 _ 電氣與控制工程學(xué)院_ 專業(yè)及班級 _ 電氣工程及其自動(dòng)化1102_ 姓 名 _ 王寶林_學(xué) 號 _1106060225_指 導(dǎo) 教 師 _ 趙永秀_ _日 期 _2015.3.26_ 西安科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告題 目基于TMS320F2812的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)選題類型應(yīng)用研究 一、選題依據(jù)(簡述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、生產(chǎn)需求狀況, 說明選題目的、意義，列出主要參考文獻(xiàn))：1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢近十年以來，世界上很多國家建立了一些防止電流畸變、電壓波動(dòng)和進(jìn)一步限制電網(wǎng)中諧波含量

2、的建議性原則。并且對于電壓允許變動(dòng)和供電頻率變化的指標(biāo)也得以制定?，F(xiàn)如今，很多發(fā)達(dá)國家相繼制定了更加完整的關(guān)于電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)，并且得到頒布和實(shí)施。 自2008年起，我國相繼頒布了新的相關(guān)的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并且分別在各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定所要測量的參數(shù)及指標(biāo)。主要標(biāo)準(zhǔn)有： 1GB/T 24337-2009電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)間諧波 2GB/T 15543-2008電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度 3GB/T 15945-2008電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差 4GB/T 12326-2008電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變 5GB/T 18481-2008電能質(zhì)量 暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓 6GB/T 12325-2

3、008電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差 當(dāng)今國內(nèi)廠家生產(chǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測儀眾多，各項(xiàng)功能和指標(biāo)也已大幅度提高，但與國外同類產(chǎn)品相比還存在一定差距。部分功能沒有國外產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的功能齊全，且人機(jī)界面的設(shè)計(jì)不夠智能化、人性化。部分性能指標(biāo)也不及國外高端產(chǎn)品高：如監(jiān)測參數(shù)不全面、測量精度相對較低等。國內(nèi)產(chǎn)品在可靠性、設(shè)計(jì)工藝等方面與國外同類產(chǎn)品的差距還很大。此外，國內(nèi)研發(fā)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置一般都只能測量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，不能對暫態(tài)進(jìn)行測量和監(jiān)測，暫態(tài)的研究是今后研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。（1）國外研究動(dòng)態(tài) 從20世紀(jì)60年代起,國外的一些研究所和電力企業(yè)就開始了對電能質(zhì)量領(lǐng)域的研究。到20世紀(jì)90年代已經(jīng)取得了很大的成就,

4、例如全國范圍內(nèi)的電能質(zhì)量調(diào)研、統(tǒng)計(jì)、分析;電能質(zhì)量分析方法研究;電能質(zhì)量評估方案的提出;電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)等。1992年,CENELEC(European Committee for Electricity Standardization:歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì))組織制定了公用配電系統(tǒng)的供電特性協(xié)議,該協(xié)議在吸收IEC關(guān)于電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,對中、低壓配電系統(tǒng)用戶供電做出了詳細(xì)的要求,包括六項(xiàng)基本參數(shù)以及瞬時(shí)斷電、沖擊脈沖、電壓凹陷、間諧波等。為了更深入地研究電能質(zhì)量,國外的一些廠家在研制和使用電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備方面投入大量人力、物力并且取得不錯(cuò)的成績,其中有影響力的供應(yīng)商有FLUKE、UN

5、IPOWER、 LEM等知名廠家。這些廠家生產(chǎn)的設(shè)備性能先進(jìn)、測量精度高、穩(wěn)定性好,但價(jià)格相對較貴。在同類產(chǎn)品中使用最普遍的儀器就是美國FLUKE生產(chǎn)的F43系列的電能質(zhì)量監(jiān)測儀。這個(gè)系列的電能質(zhì)量儀器均為便攜式產(chǎn)品,具有功能多、精度高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)還能夠監(jiān)測和保存40多個(gè)電壓瞬態(tài)事件,并且能夠通過串口傳送到上位機(jī)軟件進(jìn)行相關(guān)處理。（2）國內(nèi)研究動(dòng)態(tài) 隨著人們對電能越來越重視,對電能質(zhì)量的研究已成為大家研究的熱門課題,已經(jīng)有越來越多的電力公司、電力研究院、電氣公司以及高等院校的科研人員對其展開研究。在理論方面,主要研究方向?yàn)?電能質(zhì)量各參數(shù)值的范圍、電能質(zhì)量的界定方法、電能質(zhì)量各項(xiàng)參數(shù)

6、相應(yīng)算法。其中電能質(zhì)量算法的研究是最受關(guān)注的,目前算法的研究主要致力于信號采集、信號消噪、信號分析、信號存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)傳輸、故障分析、事件預(yù)測等。 在電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備方面,監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)方案多種多樣,處理器的選擇有以DSP為處理器來實(shí)現(xiàn)的、以DSP+ARM為核心來實(shí)現(xiàn)的、以DSP+CPLD來實(shí)現(xiàn)的等；軟件方面有以CAN總線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的、有以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。目前國內(nèi)生產(chǎn)電能質(zhì)量相關(guān)產(chǎn)品的廠家越來越多,其中有些公司生產(chǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測儀能代表國內(nèi)電能質(zhì)量監(jiān)測與分析設(shè)備的最高水平,其中有些型號的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了國際頂尖水平,這也為國內(nèi)其它廠家提供了技術(shù)支持。目前國內(nèi)市場上比較常見的監(jiān)測裝置能夠?qū)?/p>

7、現(xiàn)的主要功能有: (1)可以測量電網(wǎng)輸送到用戶端的三相交流電的參數(shù),并且給出其與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差。 (2)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)監(jiān)測:定期記錄和分析基本電能質(zhì)量參數(shù)的變化趨勢。目前,國內(nèi)電能質(zhì)量生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測儀在功能、性能等方面已經(jīng)有了長足的提升,但是國內(nèi)廠家的監(jiān)測儀器還趕不上某些發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的產(chǎn)品的水平。與國外同類產(chǎn)品相比,國內(nèi)大多數(shù)監(jiān)測儀還存在很多問題,例如功能單一、檢測精確度不高、測量參數(shù)少、較粗糙；配套軟件不夠完善,缺乏對收集數(shù)據(jù)的整體分析和預(yù)測；此外,國內(nèi)的監(jiān)測設(shè)備大多是對穩(wěn)態(tài)信號進(jìn)行處理和分析,對暫態(tài)信號的研究還處于起歩階段,這一方面的研究還實(shí)時(shí)性差,不能對所有指標(biāo)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測；產(chǎn)品

8、的適用范圍較窄、穩(wěn)定性較低、可操作性較差和制造工藝有很大的空間。（3）電能質(zhì)量的發(fā)展趨勢 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究理論的不斷完善,尤其是最近十年來,集成電路技術(shù)、材料加工技術(shù)、制造工藝技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、電能測量技術(shù)等高新技術(shù)發(fā)展日新月異。另外現(xiàn)在電力系統(tǒng)規(guī)模越來越大,結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,輸電線路電壓等級越來越高，用戶用電設(shè)備越來越精密,對電能要求更加嚴(yán)格。在這樣的情形下,大家對電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的要求越來越多,例如要求處理數(shù)據(jù)更迅速、系統(tǒng)工作更可靠、數(shù)據(jù)測量更精確、操作更簡捷等。目前,由于大量高性能數(shù)字信號處理芯片的升級、高精度的制造技術(shù)的應(yīng)用、監(jiān)測理論的不斷成熟,實(shí)踐應(yīng)用的增多使得電能質(zhì)量監(jiān)測儀

9、正朝著更高效、更精確、更穩(wěn)定、更方便地對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分析、檢測、傳輸、存儲(chǔ)的方向發(fā)展。由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的規(guī)模日益增大,輸配電系統(tǒng)也愈來愈復(fù)雜,需要監(jiān)測的點(diǎn)也逐漸增加,因此將來監(jiān)測系統(tǒng)需要滿足客戶多系統(tǒng)、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、分析、預(yù)測、報(bào)警等需求。所以電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)除了操作更加人性化,攜帶更加輕巧、具有輸入輸出功能外,還應(yīng)該有具有一定的識別、預(yù)測、報(bào)警、自處理功能,比如可以根據(jù)對測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)進(jìn)而對電網(wǎng)運(yùn)行狀況預(yù)測、電力線路短路識別、噪聲來源的判別和在線監(jiān)測等,使其實(shí)現(xiàn)智能、在線、實(shí)時(shí)的監(jiān)測作用。電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)在現(xiàn)有的單點(diǎn)監(jiān)測、上位機(jī)分析的前提下,逐歩朝著功能智能化、傳輸自動(dòng)化、體系標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)信

10、息化的方向發(fā)展功能智能化、傳輸自動(dòng)化、體系標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)信息化已經(jīng)成為電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,它能夠給電力系統(tǒng)污染的治理和故障排除提供有價(jià)值的電力系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù),為電能質(zhì)量各指標(biāo)的評估提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù),也能使電力公司提高競爭力，占據(jù)更大的市場,同時(shí)可以為用戶提供更高質(zhì)量的清潔電能,維護(hù)用戶利益。1.2 選題的研究意義 電能是現(xiàn)代社會(huì)使用最廣泛的能源，同時(shí)也是能量轉(zhuǎn)換的主要形式，電能是一種清潔、經(jīng)濟(jì)、易于傳輸、控制和轉(zhuǎn)換的能源形式,目前大部分一次能源的使用都是通過轉(zhuǎn)換成電能后再分配給用戶的。如今，我國電力逐步市場化，電能和一般商品一樣,需要追求質(zhì)量，相對于一般的商品,電能有其特殊性,其質(zhì)量的保

11、證需要供用電雙方來保證，供電方在電力系統(tǒng)的規(guī)劃布局以及系統(tǒng)運(yùn)行過程中的調(diào)度和調(diào)節(jié)是保證電能質(zhì)量的關(guān)鍵。電力的不同用戶對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量有同程度的影響，主要表現(xiàn)有以下幾個(gè)方面：(l)大量電力電子器件及電力電子設(shè)備的應(yīng)用。電力電子器件是一種非線性負(fù)載，極易造成電壓(流)波形的畸變。隨著整流技術(shù)的不斷成熟，其在各行各業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，給電力系統(tǒng)的諧波污染也隨之加重。(2)電網(wǎng)中包含有大量的非線性負(fù)荷，如變壓器和異步電動(dòng)機(jī)等非線性負(fù)荷在擾動(dòng)或者暫態(tài)時(shí)會(huì)向電網(wǎng)注入諧波干擾。(3)電弧煉鋼爐、軋鋼機(jī)等沖擊性負(fù)荷的投運(yùn)，其負(fù)荷容量大,沖擊性大，容易產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變。 在電能質(zhì)量問題不斷加重和用戶對

12、電能質(zhì)量的要求不斷提高情況下,提高電能質(zhì)量的監(jiān)測水平有重要意義,一般認(rèn)為電能質(zhì)量監(jiān)測的目的有:(1)分析電力系統(tǒng)的性能:通過監(jiān)測電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量,使電力管理部門了解電力系統(tǒng)運(yùn)行的總體狀態(tài),分析電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的水平和問題所在,從而為電力系統(tǒng)以后的規(guī)劃布局和運(yùn)營調(diào)度提供依據(jù)；(2)根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù),分析各種特性的電力負(fù)荷對電能質(zhì)量的影響,有針對性的對電能質(zhì)量進(jìn)行治理,根據(jù)實(shí)際情況加裝各種改善電能質(zhì)量的裝置；(3)為供用電雙方的爭端提供裁決的數(shù)據(jù)依據(jù),精確的電能質(zhì)量監(jiān)測,可以找出引起電能質(zhì)量問題的原因,從而根據(jù)監(jiān)測結(jié)果找到提高電能質(zhì)量的方法和應(yīng)對措施,并確定相關(guān)的治理責(zé)任方。

13、對電能質(zhì)量的準(zhǔn)確測量是治理與改善電能質(zhì)量的基礎(chǔ)。依托通信技術(shù),建立能夠?qū)崟r(shí)共享各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測平臺,為電力系統(tǒng)的規(guī)劃決策提供依據(jù),同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的總體電能質(zhì)量狀況對其進(jìn)行調(diào)節(jié)和調(diào)度。電能質(zhì)量監(jiān)測對電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要作用。參考文獻(xiàn)：1 肖湘寧，徐永海電能質(zhì)量問題剖析電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(3)：66-692 GB/T 12325-2003，電能質(zhì)量，供電電壓允許偏差S北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，20043 GB/T 12326-2000，電能質(zhì)量，電壓波動(dòng)和閃變S北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，20004 GB/T 14549-1993，電能質(zhì)量，公用電網(wǎng)諧波S北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，

14、19935 GB/T 15543-1995，電能質(zhì)量，三相電壓允許不平衡度S北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，19956 GB/T 15945-1995，電力系統(tǒng)頻率允許偏差 S北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，19957 鄧少軍基于 DSP 的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D沈陽東北大學(xué)，20068 林海雪電力系統(tǒng)三相不平衡M北京：中國電力出版社，19989 Dugan R C，Mcgranghan M F，Beaty H WElectrical Power System Quality NewYork：McGraw-Hi11，2001：73-7610 楊奇遜，黃少峰微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)M北京：中國電力出版社，2005

15、11 曹暉，劉曉華，袁世英電能質(zhì)量測量系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集要求的定量分析J電測與儀表，2004，41(463)：26-2812電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布13 (英)威廉斯(Williams, A. B)電子濾波器設(shè)計(jì)手冊M北京：電子工業(yè)出版社，198614 宋吉江鎖相環(huán)技術(shù)及 CD4046 的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用J半導(dǎo)體技術(shù)，2000 (6)15 郎清鎖相環(huán) CD4046 的應(yīng)用介紹M/OL，200516 ADS8364.pdf M/OL，http:/www T 二、主要研究(設(shè)計(jì))內(nèi)容、研究（設(shè)計(jì)）思路及工作方法或工作流程2.1 研究目標(biāo)及內(nèi)

16、容完成形式：作品最終的完成形式是以硬件實(shí)物的形式完成。 功能：三路電壓或電流信號通過A/D數(shù)據(jù)采集DSP數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，數(shù)據(jù)采集部分主要負(fù)責(zé)對ADS8364進(jìn)行電壓、電流采集。通道控制和響應(yīng)ADS8364產(chǎn)生的數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷并讀取采樣結(jié)果。DSP數(shù)據(jù)處理模塊對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,得出各電能質(zhì)量指標(biāo)DSP通過CAN總線將處理結(jié)果上傳給ARM。通過微機(jī)顯示屏進(jìn)行顯示。 主要技術(shù)指標(biāo):供電電壓偏差:5%; 頻率允許偏差:0.02Hz; 電壓暫降：電壓暫升： 三相電壓不平衡度:0.2%;三相電流不平衡度:1%;諧波:按GB/T14549-2008規(guī)定 主要內(nèi)容如下：1.數(shù)據(jù)采集、處理模塊電路的設(shè)

17、計(jì),選用TI公司生產(chǎn)的32位控制專用處理器TMS320F2812來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)計(jì)算和分析,并且結(jié)合ADS8364以及信號預(yù)處理電路等輔助電路共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理。2.鎖相倍頻電路設(shè)計(jì),利用鎖相環(huán)芯片CD4046與分頻器CD4040設(shè)計(jì)鎖相倍頻電路,通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其功能的實(shí)現(xiàn)。鎖相倍頻電路既能使系統(tǒng)保持同步采樣又能跟蹤三相交流電相位變化。3.大容量存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì),使系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)保存到U盤,USB118AD模塊能通過串行接口或SPI接口讀寫U盤和移動(dòng)硬盤,它帶有USB2.0協(xié)議,能夠和一切內(nèi)置USB協(xié)議的外設(shè)存儲(chǔ)設(shè)備通信,例如U盤以及帶有USB端口的外部存儲(chǔ)器,這樣就能實(shí)現(xiàn)了大量原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),解

18、決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)難題。 4.編寫電能質(zhì)量監(jiān)測電路上運(yùn)行的軟件,具體內(nèi)容包括數(shù)據(jù)釆集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等程序。2.2 硬件方案及原理 本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)遵循硬件結(jié)構(gòu)簡潔、穩(wěn)定的前提下，盡量提高測量精度并兼顧數(shù)據(jù)處理快速性的總體原則。監(jiān)測裝置主要由以下幾大模塊構(gòu)成：三相電模擬信號采集轉(zhuǎn)換通道電路、DSP 數(shù)字信號處理、外圍通訊接口模塊以及開關(guān)電源。信號通過數(shù)據(jù)采集通道進(jìn)入 16 位 AD 轉(zhuǎn)換器 ADS8364，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過總線進(jìn)入 DSP，通過 DSP 的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算得出需要檢測的各種電能質(zhì)量參數(shù)。然后將這些參數(shù)通過串口發(fā)送到負(fù)責(zé)管理外圍通訊和用戶接口模塊。 在電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的

19、總體設(shè)計(jì)中，為使設(shè)計(jì)合理，確保測量精度，從而獲得最佳的設(shè)計(jì)效果，應(yīng)注意以下幾個(gè)設(shè)計(jì)原則： (1) 選用功能相對完善的芯片：為了進(jìn)一步簡化電路的設(shè)計(jì)，提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和精度，應(yīng)選用功能強(qiáng)的芯片，這樣不但為以后的設(shè)計(jì)或升級留下了一定的空間，而且還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。 (2) 硬件電路設(shè)計(jì)上要留有余地：為了以后進(jìn)一步改善和提高監(jiān)測系統(tǒng)的功能，在設(shè)計(jì)上要留有一定的余地，相對于硬件的改動(dòng)來說，軟件更容易實(shí)現(xiàn)升級更新。因此，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)盡可能留有余地，以便將來的修改和補(bǔ)充。 (3)用軟件代替硬件：由于軟件相對于硬件來說更容易修改，并且節(jié)省成本，所以能用軟件實(shí)現(xiàn)的功能，就盡量不用硬件，前提是要保證

20、不影響監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。為滿足系統(tǒng)的要求，電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的 CPU 要在相鄰采樣間隔時(shí)間內(nèi)，完成對每一組采樣數(shù)據(jù)操作和運(yùn)算模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集部分以采樣頻率實(shí)時(shí)的向裝置的CPU 輸入數(shù)據(jù)，依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際要求和采樣定理，為了滿足 30 次諧波測量的采樣，所以選用了采樣 128 次在每個(gè)周波內(nèi)。為滿足多通道同時(shí)采樣和實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求，只能選用數(shù)字信號處理(DSP)芯片，傳統(tǒng)的單片機(jī)已無法滿足系統(tǒng)的要求。整個(gè)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的硬件原理圖如下圖（1）所示： 圖1. 硬件原理圖 2.3 工作流程本課題主要研究基于DSP（TMS320F2812）電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，總體設(shè)計(jì)電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，完成DSP數(shù)據(jù)處理的軟硬件開發(fā)，研