基于TMS320VC33的電網(wǎng)諧波測試儀的硬件設(shè)計.doc

畢業(yè)設(shè)計（論文）題目基于TMS320VC33的電網(wǎng)諧波測試儀的硬件設(shè)計院系電氣工程學(xué)院專業(yè)自動化班級學(xué)生姓名學(xué)號指導(dǎo)教師職稱20年06月08日I摘要隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展,電力電子裝置和非線性系統(tǒng)的使用日益增多,造成大量諧波電流注入電網(wǎng),引起電力系統(tǒng)中電壓、電流的正弦波形發(fā)生嚴(yán)重畸變,使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴(yán)重,致使電能質(zhì)量嚴(yán)重下降。因此，實時測量電網(wǎng)及非線性用電設(shè)備的諧波分量，掌握系統(tǒng)中諧波的實際情況，對于防止諧波危害、提高供電質(zhì)量是十分必要的。針對上述問題,本文設(shè)計了一種多功能的電力參數(shù)測量與分析系統(tǒng):以DSP為核心的電力參數(shù)測量及諧波分析裝置。該裝置具有運算速度快,計算精確高,功能強大等優(yōu)點。本裝置利用了TMS320VC33DSP集高速運算能力和高效控制能力于一體的優(yōu)勢，用單片DSP(DigitalSignalProcessor)芯片作為整個系統(tǒng)的CPU(CentralProcessorUnit),結(jié)合外圍電路，通過分時處理來完成系統(tǒng)管理、對外接口擴展、通訊、數(shù)據(jù)處理、諧波測試和分析等一系列的工作。關(guān)鍵詞電能質(zhì)量數(shù)字信號處理（DSP）諧波測試和分析AbstractAlongwiththedevelopmentofelectricpowerindustrycontinuously,theusageoftheelectricpowerelectronicsequipmentandthenonlinearsystemincreasingly,resultinginagreatdealofharmonicelectriccurrentinfuseintotheelectricpowernet,causingthesinewaveformoftheelectricvoltageandcurrentintheelectricpowersystemtakeplaceaseriousmutationandmakingtheharmonicpollutionofpublicelectricpowernetisgraduallyseriousandthequalityofelectricpowerisdeclining.Therefore,real-timemeasurementofharmonicandincontroloftheactualcircumstanceoftheharmonicinthesystemisveryimportantforavoidingtheharmonicperilandimprovingthequalityofpowersupply.Aimingattheabove-mentionedproblem,thispaperdesignedakindofmulti-functionelectricpowerparametertomeasureandanalyticalsystem:takingDSPasIItheelectricpowerparametermeasureandtheharmonicanalysisdeviceofthecore.Thedevicehavefollowingadvantage,suchasspeedofoperationquickly,calculationprecisionhigh,thefunctionisstrongandsoon,thisdevicemakesuseoftheadvantageofTMS320VC33DSPgatheringhighspeedoperationabilitywithcontrolanabilityefficientlyinthewholebody,usesasinglesliceDSP(theDigitalSignalProcessor)chipbethewholeCPU(theCentralProcessorUnit)ofsystem,combinestheoutercircleelectriccircuit,bymeansoftime-sharinghandletocompletethefollowingseriesofwork,suchassystemmanagement,connecttoexpandoutward,communication,dataprocessing,theharmonicmeasureandanalysisetc.KeywordsQualityofelectricpowerDigitalsignalprocessor（DSP）HarmonicmeasureandanalysisIII目錄摘要.Abstract.目錄.1緒論11.1本設(shè)計的目的和意義.11.2電網(wǎng)諧波測試儀的設(shè)計理念及研究現(xiàn)狀11.3本文的主要工作及達(dá)到的要求.32設(shè)計方案52.1傅立葉變換.52.2方案論證.62.3測電壓、電流電路.72.4測頻率電路.72.5串行通訊部分.82.6擴展接口部分.83硬件設(shè)計.93.1系統(tǒng)原理框圖.93.2TMS320VC33DSP.93.3電壓、電流取樣跟隨電路.253.4測量部分.283.5A/D轉(zhuǎn)換.313.6倍頻電路.373.7存儲器擴展443.8顯示電路.483.9鍵盤電路523.10通訊電路.55總結(jié)和展望62謝辭.64參考文獻(xiàn).64附錄外文翻譯及原文.66A1.1譯文:TMS320C6000DSP增強型直接存儲訪問(EDMA)控制器參考IV指南.66A1.2原文:TMS320C6000DSPEnhancedDirectMemoryAccess(EDMA)ControllerReferenceGuide76附錄諧波測試儀電路圖.87B1.1前向通道87B1.2擴展接口88B1.3顯示電路89-1-1緒論1.1本設(shè)計的目的和意義首先，諧波帶來的嚴(yán)重影響已經(jīng)危及到用電設(shè)備、變電站設(shè)備和電力系統(tǒng)載波通訊。如何能夠把諧波的危害最大限度地減少，是目前電力電子領(lǐng)域極為關(guān)注的問題，而解決這一問題的關(guān)鍵在于定量地確定諧波的成分、幅值和相位等。這也正是我們進(jìn)行諧波測試的目的所在。其次，由于現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)及居民用戶的用電設(shè)備對供電質(zhì)量提出的要求越來越高，因此，諧波抑制及補償裝置的研制已勢在必行。這些裝置到底需要補償多大的諧波，需要進(jìn)行怎樣的補償配置，以及需要達(dá)到怎樣的補償效果都是以諧波測試、分析得到的結(jié)果為依據(jù)的。最后，諧波研究的意義更可上升到從治理環(huán)境污染，維護(hù)綠色環(huán)境角度來認(rèn)識，對于電力系統(tǒng)這個環(huán)境來說，無諧波是“綠色”的主要標(biāo)志之一。一些文獻(xiàn)中所指的純凈或無污染的電能就是指那些無諧波的電能，但這些無污染的波形僅在實驗室條件下存在，而諧波會在其他場合存在較長的一段時間并且會繼續(xù)存在下去。目前，對地球的環(huán)境保護(hù)已成為全人類的共識，對電力系統(tǒng)諧波污染的治理已成為電工技術(shù)學(xué)科所亟待解決的問題1.2電網(wǎng)諧波測試儀的設(shè)計理念及研究現(xiàn)狀數(shù)字處理器從20世紀(jì)70年代問世以來，以其獨特的結(jié)構(gòu)和快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法的突出優(yōu)點，發(fā)展十分迅速，并在通信，雷達(dá)，聲納，語音合成和識別，圖象處理，高速控制，家用電器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，隨著DSP芯片性價比的不斷提高，開發(fā)環(huán)境的更加完備，可以預(yù)計，DSP芯片將降到合理的水平。同時也顯示出了其在信息處理方面獨特的優(yōu)勢：（1）它采用了多總線技術(shù)且實現(xiàn)了并行機制，同時可以運行程序指令和存儲數(shù)據(jù)，而單片機一次只能完成一種操作。（2）采用了獨立的加法器和乘法器，可以單周期完成這些操作，而單片機只靠子程序來完成。（3）程序控制可以四級流水線操作。（4）DSP有完善的片內(nèi)外設(shè)，可以構(gòu)-2-成完整的單片機系統(tǒng)，而單片機只能靠接口電路來擴展。（5）DSP的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了單片機，DSP單周期指令執(zhí)行時間為50ns，而單片機執(zhí)行一條指令為1s。所以可以預(yù)見在不久的將來，DSP將在控制系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)儀器儀表中得到廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字信號處理過程中，乘積相加是最常見的一種運算，這對單片機是比較困難的，只能用軟件來完成。而DSP具有獨立的加法器和乘法器，且連了比例移位器，可以實現(xiàn)單周期乘法運算。系統(tǒng)的單片機使用馮諾依曼存儲器結(jié)構(gòu)，只有一個存儲空間通過一組總線連接到處理器核，通常做一次乘法運算需要4次訪問存儲器，至少需要4個指令周期。DSP使用哈佛結(jié)構(gòu)，將存儲器空間分成兩個分別存儲程序和數(shù)據(jù)。它們有兩組總線連接處理器核，允許同時對他們進(jìn)行訪問，可以同時為處理器提供數(shù)據(jù)和指令。在這種布局下，DSP得以單周期實現(xiàn)MAC命令。DSP處理器支持專門的尋址模式，他們對通常的信號處理和算法是很有用的。如：模塊尋址，位列序?qū)ぶ返?，在傳統(tǒng)的單片機中，這些尋址模式是沒有的，只能由子程序完成。所以，這也是本設(shè)計采用DSP而不使用傳統(tǒng)單片機的主要原因。諧波測量是諧波問題的一個重要分支，它是諧波問題研究的主要依據(jù)，對抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用，對諧波的分析和測量是電力系統(tǒng)分析和控制的一項種要工作，是對繼電保護(hù)、判斷故障點和故障類型等工作的重要前提。準(zhǔn)確、實時的檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓，是眾多國內(nèi)外學(xué)者致力研究的目標(biāo)。根據(jù)查閱的文獻(xiàn)，分析總結(jié)了現(xiàn)有國內(nèi)外諧波分析測量的主要方式，共有三種：（1）、采用模擬濾波器的諧波測量，即采用帶阻濾波器將基波分量濾除，得到諧波分量；或采用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測量相減得到諧波分量。該檢測方法的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，造價低，輸出阻抗低，品質(zhì)因素易于控制。但也有很多缺點，如精度不高、誤差較大等。因此，使用不廣泛。（2）、利用小波分析方法進(jìn)行諧波測量，小波分析作為調(diào)和分析的重大進(jìn)展，克服了傅里葉變換在頻域完全局部性，而在時域完全無局部性的缺點，即它在頻域和時域同時具有局部性。通過對含有諧波的電流信號進(jìn)行正交小波分解，利用多分辨的概念，將低頻段（高尺度）上的結(jié)果看作不含諧波的基波分量?；谶@種算法，可以利用軟件構(gòu)成諧波檢測環(huán)節(jié)，同時由于其計算速度快，能快速跟蹤諧波的變-3-化。小波變換應(yīng)用在諧波測量方面尚處于初始階段。因此，具有一定的局限行。（3）、基于傅里葉變換的諧波測量，它是應(yīng)用最廣泛的一種，它的核心理論建立在傅里葉變換的基礎(chǔ)上。它是利用離散傅里葉級數(shù)，或由離散傅里葉變換（DFT）過渡到快速傅里葉變換（FFT）的基本原理構(gòu)成。模擬信號經(jīng)采樣、離散化為數(shù)字序列信號后，經(jīng)微型計算機進(jìn)行諧波分析和計算，得到基波和各次諧波的幅值和相位，并可獲得更多的信息，如諧波功率、諧波阻抗、以及對諧波進(jìn)行各種統(tǒng)計處理和分析，各種分析計算結(jié)果可在屏幕上顯示或按需要打印輸出，或者存放在磁盤中供將來統(tǒng)計使用。由于利用這種原理設(shè)計的分析儀精度較高、功能較多、使用方便，同時由于微機芯片的性能不斷提高，因此利用FFT原理、多通道輸入技術(shù)而設(shè)計的諧波分析儀已經(jīng)取代其他的分析儀器，成為應(yīng)用最為廣泛的一種。綜上所述，傅里葉變換是目前諧波測試、分析儀器中廣泛應(yīng)用的基本理論依據(jù)。但如何尋求新的數(shù)學(xué)方法，將新理論應(yīng)用于諧波測量，提出新的測量方法和測量手段，使諧波測量在精度和實時性方面取得突破，仍是人們關(guān)注的方向。1.3本文的主要工作及達(dá)到的要求本設(shè)計是以TMS320VC33DSP為核心的諧波測試儀的硬件電路設(shè)計，它采用鉗形電流互感器輸入和電壓直接輸入，實現(xiàn)電壓，電流，功率，電網(wǎng)頻率，電網(wǎng)功率因數(shù)的測量。用戶通過鍵盤可以方便地進(jìn)行人機對話，實現(xiàn)各種功能；通過顯示器可以及時看到測量數(shù)據(jù)，通過擴展存儲器可以保存實驗數(shù)據(jù)，通過異步串行通信口可以方便的同其他計算機進(jìn)行信息傳遞和數(shù)據(jù)的交換共同完成各種功能。同時，DSP軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程來實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，DSP系統(tǒng)可以用LED顯示測量值，對電壓電流信號進(jìn)行預(yù)處理。在測量交流電流電壓信號時，信號經(jīng)過比較電路，利用倍頻得到脈沖控制A/D轉(zhuǎn)換。另外測量功率時，因為要做到電