电力系统高速数据采集系统设计毕业设计(编辑修改稿)

电力系统高速数据采集系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

重要； 特别是在以监控为目的的电力调度自动化系统中，如何快速、准确地采集各种电气参数显得尤为重要。 在实现自动化的过程中，首要环节是数据采集。 国际电工委员会（ IEC）标准 IEC61850对采样速率有明确的要求，由表 1可知对 220kV及以上电压等级输电系统的监测装置和仪表应达到 M2级和 M3级，交流采样的遥测装置每周期 ( )采样点数分别要求大于 80和 240点。 由单片机实现的交流采样遥测装置很难达到此要求，而 DSP具有高速度、高精度、并行性、高集成度和高性能价格比等优点，非常适合应用于交流采样遥测装置。 本文介绍的这套系统使用高速度 CT,PT采样，采用快速傅立叶变换算法，计算高达 15次谐波，完成功率、电度、功 率因数、电压、电流、频率等的计算，具有高精度，高稳定性。 其采样速率为 12kHz,完全能达到 IEC61850采样速率的要求。 表 1 IEC 61850对测量仪表的生数据要求 数据类型 级别 精确度级和谐波 分辨度 (幅值 )／ bit 采样速率 每秒采样次数 每周期采样次数（ 50Hz） 电压 M1 (IEC60687) 12 1500 30 电流 M1 (IEC60044)最多 5次谐波 14 1500 30 电压 M2 (IEC60687) 14 3000 80 电流 M2 (IEC60044)最多 13次谐波 16 3000 80 电压 M3 16 4000 240 电流 M3 IEC未定义最多 40次谐波 18 4000 240 针对表 1的要求，本文介绍的这套电气参数交流采样 系统 是 采用 TMS320VC33型高速数字信号处理器 (DSP)和两片 16位高速 A/D转换器 ADS8364实现 快速、精确地采集和计算各种电气参数。 该系统还具有性能价格比高、维护方便的特点。 由前面讨论知，利用先进的技术手段，采用精确合理的计算方法，研制功能齐全、性能优良、使用方便的电力参数测量系统，是十分必要的。 电力参数测量和谐波分析涉及到大量的数据计算，加上系统其它的任务，采用单 片 CPU甚至双 CPU的装置显得力不从心，将 DSP芯片应用于电力系统设备，有着传统的单片机所不可比拟的优势。 在借鉴众多电力参数测量仪器的功能和特性的基础上，设计了基于 TMS320VC33 DSP为核心的电力参数测量装置，其主要功能为：进行实时采样，完成电压电流有效值、有功 功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数的计算；完成谐波参数的计算，完成谐波分析；具有网络通讯功能，可完成与外部计算机的数据传送；通过人机交互功能，让用户了解电力系统的运行状况，并作出决策。 本文的主要工作包括： l、首先分析了电力参数测量的重要意义，对电力参数检测的发展概况作了 简单的回顾，并总结了当前国内外对电力参数的研究现状，简要的讨论了电力参 数检测中的主要测量方法以及它们的优缺点。 分析了电力系统谐波的问题及危害，并应用基于无功功率理论谐波测量法和 FFT方法用于谐波的检测，并对 FFT作了 通过加窗和插值改进，来提高测量的精度，对这两种方法作了仿真试验，达到了检测谐波的可行性研究。 基于 DSP技术，采用了新一代的浮点处理器 TMS320VC33为处理核心，围绕TMS320VC33我们设计了电力参数测量系统，并对此系统进行了相应的硬件设计和软件设计，包括了数据处理单元、 A／ D转换单元、通讯单元、存储单元等，并应用面向对象语言设计了下位机平台。 对本装置的设计作了总结，并提出了对未来工作的展望。 、算法及系统的特点 交流采样过程 从一次设备 CT、 PT过来的电流、电压经高精度小 CT、 PT隔离变换成弱电信号后输入，经二阶滤波器的增益调整电位器变成－ 5V～＋ 5V的信息，至模数变换器， DSP采样后对数字进行处理。 图 ， DSP处理后就计算出了各种遥测量，存入存储器同时通过 CAN总线上传。 其中二阶滤波器的作用主要是补偿 CT、 PT的相移，同时滤除 16次以上的谐波，以满足交流采样算法之要求。 图 （三表法） 目前，交流电参量的采样 测量方法主要有两种 :直流采样法和交流采样法。 直流采样法是采样经过整流后的直流量，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，软件设计简单，计算方便。 但直流采样法存在一些问题 :测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响。 整流电路参数调整困难且受波形因素影响较大。 此外，用直流采样法测量工频电压、电流是通过测量平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同时，平均值与有效值之间的关系也将发生变化，给计算结果带来了误差。 因此，要获得高精度、高稳定性的测量结果，必须采用交流采样技术。 交流采样技术是按一定规律对被测信 号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值处理，从而获得被测量的测量方法。 该方法的理论基础是采样定理，即要求采样频率为被测信号频谱中最高频率的 2倍以上，这就要求硬件处理电路能提供高的采样速度和数据处理速度。 目前，高速单片机、 DSP及高速 AID转换器的大量涌现，为交流采样技术提供了强有力的硬件支持。 交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非同步采样法等几种，本文介绍的是同步采样法。 同步采样法就是整周期等间隔均匀采样，要求被测信号周期 T与采样时间间隔 t及一周内采样点数 N之间满足关系式 T=N t ，即 :采样频率为被测信号频率的 N倍。 根据提供采样信号方式不同，同步采样法又分为软件同步采样法和硬件同步采样法两种。 硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。 它能克服软件同步采样法存在截断误差等缺点，测量精度高。 利用锁相频率跟踪原理实现同步等间隔采样的电路如图。 图 倍频锁相同步电路 在相位比较器 PD、低通滤波器 LP、压控振荡器 VCO构成的锁相环内加入 N分频器，输入 f,为被测信号的频率，作为锁相环的基准频率，输出 fo为采样频率。 fo经 N分频后与 fi相比较，根据锁相环工作原理，锁定时 fo/N=fi，即 :fo=Nfi。 由于锁相环的实时跟踪性，当被测信号频率 fi变化时，电路能自动快速跟踪并锁定，始终满足 fo =Nfi的关系，即采样频率为被测信号频率的整数 (N)倍，从而实现一周内等间隔采样 N点，从根本上克服了软件同步采样法存在的上述问题。 此外，还可将分频系数 N设计为程控可调，则可根据 不同频率的被测信号及DSP,A/D转换器的速度，动态改变 N值，以达到最好的效果。 交流采样算法 本系统高速测量输入遥测信号的周期，进行频率跟踪，将一个工频周期等分成 240或者 80点进行采样，然后对采样点进行快速傅立叶分解，计算出 1－ 15次谐波并进行数字滤波，从基波开始一直计算到 15次谐波分量的有效值和总有效值。 假设输入信号为一周期性信号，即输入信号中，除基频分量外，只包含恒定的直流分量和各种整次谐波分量，输入信号可表示为： x (t)=X0 + 1 )c o s (n nn tnX  （ 2－ 1） X0 是直流分量，  为基频角频率， Xn 、 n 为第 n 次谐波分量的幅值和相位，将（ 2－ 1）式展开： x(t)=X0 + 1 )s inc o s(n InRn tnXtnX  （ 2－ 2） 其中 XRn =Xn cos n 为第 n 次谐波分量实部， XIn =Xn sin n 为第 n 次谐波分量虚部。 由三角函数在区间 [0， T]上的正交性特点，不难证明 XRn ＝ T tntxT0 cos)(2 dt XIn ＝－ T tntxT0 sin)(2 dt （ 2－ 3） 在数字计算中 XRn ＝ Nk NnkkxN 1 )2c o s ()(2  XIn ＝－ Nk NnkkxN 1 )2s in ()(2  N 为每个周期内采样点数。 n＝ 1 则基频分量的实部和虚部分别为： X1R ＝ Nk NkkxN 1 )2c o s ()(2 和 X1I ＝－ Nk NkkxN 1 )2s in ()(2  幅值为 X1 = 2121 IR XX  相角为 1 ＝ arctg(11RIXX ) 当 n＝ k时由 XRn ＝ Nk NnkkxN 1 )2c o s ()(2  XIn ＝－ Nk NnkkxN 1 )2s in ()(2  Xn ＝ 22 InRn XX  n ＝ arctg(RnInXX ) 将 k 代入算式就可以求出各次谐波的实部、虚部、幅值、相角等值。 交流电压、电流有效值的测量 在计算某一周期电压信号有效值时， 201 TU dtT u  (24) 式中 u一一为 t时刻的电压信号瞬时值 u(t)； T一一该电压信号波形的周期： U一一交流电压信号有效值。 如果将式 (24)离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替电压函数，则 211 NmmUTT u  (25) 式中 —— 相邻两次采样的时间间隔； —— 第 m个时间间 隔的电压信号采样瞬时值； N—— 一个周期的采样点数。 若相邻两次采样的时间间隔都相等，为常数。 因为 TNT 则： 211 NmmU N u  (26) 这就是根据一个周期内采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公 式。 同理，记 im为第 m个时间间隔采样得到的电流瞬时值，该电流有效值 I为： 211 NmmI N i  (27) 平均功率 T的计算 111 NmmmW N ui  （ 28） 其中 N为电压电流的周期，当一个周期内采样点数越多时，用此式的误差越小，精度越高。 有功功率 P、无功功率 Q和视在功率 S的测量 正弦波情况下，有功功率为 P=UI，但是在电流、电压含有各种谐波的情况下， 此时的有功功率为01 TP uidtT 。 那么单相有功功率离散化后可得： 101 NmmmP N ui  （ 29） mu , mi 为三相电压、电流的瞬时采样值。 视在功率为 :S=UI (210) 无功功率为： 22Q S P (211) 对于三相功率 : = A B CP P P P总 (212) A B CQ Q Q Q  总 (213) 功率因数的测量 由于前面已经测出了电压、电流的有效值，以及平均功率，故功率因数可表示为： cos PUI  (214) 当信号为电压时，电压的总有效值为 U=  222120 UUU ／ 2 当信号为电流时，电流的总有效值为 I=  222120 III ／ 2 有功功率 P为 P＝ U0 I0 +U1 I1 COS 1 +﹒﹒﹒ + Uk Ik COS k +﹒﹒﹒ 式中 Uk = 2kmU， Ik ＝2kmI， k ＝ kiku   ， k＝ 1， 2﹒﹒ ﹒ Ukm 、 Ikm 为最大幅值。 2． 此交流采样系统特点 15次谐波，采样速率大范围可调，可以在 100Hz～ 12kHz间调节，完全能达 到 IEC 61850的要求，可广泛应用于各种采样速率比较高的交流采样遥测装置。 16路 PT/CT信号，进行高精度、高速度采样、高速运算。 16位 A/D构架、能进行快速模数转换。 ，通过 RS－ 232接口可以连接 PC机，从而给调试带来了很多方 便。 还可以将 EEPROM中数据转入 PC机存盘并利用 PC机离线对数据进行分析。 ，当电压电流等发生突变时能实时上传告警信号。 频率 信号观测模型就是对于电力系统频率概念及其测量技术所基于的物理信号的数学描述。 电力系统频率测量概念的引申和扩展，关键在于信号对象 x(t)的选取及其观测模型的确立。 信号观测模型的复杂化过程。