论文摘要
随着电力电子技术在电力网络中的广泛应用,谐波问题日益严重。工业现场应用的各种电子控制设备对电网上的谐波非常敏感,因此有必要对电网中的电力参数,特别是谐波进行监测。目前,基于现场总线技术的分布式控制系统(DCS)已经大量应用于工业现场,因此开发一款能够实时监测电网上各种电力参数的现场总线仪表已经成为市场的迫切需求。本文采用飞思卡尔公司的16位嵌入式微控制器MC9S12D64作为核心处理器,设计了一款能够实时监测电力网络基本参数和谐波含有率的数字式现场总线仪表。本文首先讨论了电力网络中各种电力参数的实现算法,重点研究了基于快速傅里叶变换(FFT)的谐波分析算法。然后详细介绍了电力网络仪表的硬件电路实现和软件设计流程,最后对仪表进行严格测试并对测量误差进行分析。本论文的主要工作有:电力网络仪表测量的基本电力参数包括电压和电流有效值、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、功率因数等。对于电压和电流有效值以及功率的计算,采用的是基于方均根值的交流采样算法。离散傅里叶变换算法计算量很大,而且容易引入许多量化误差,因此谐波分析采用的是基2按时间抽取的快速傅里叶变换算法。由于硬件设计中将电压和电流信号交互采样,并且一起作频谱分析,可以进一步优化算法。文中介绍了一种应用一个N点快速傅里叶变换有效计算两个N点实值序列的算法,能够显著地降低计算量。硬件方面,首先根据算法要求选择微控制器芯片,然后设计系统的硬件电路。信号调理电路将电网输入信号转换成0～5V交流采样信号,输入到微控制器内部的A/D转换模块。通过频率捕捉电路,微控制器可以实时跟踪电网信号频率,调整信号采样间隔。SPI通信模块实现了MC9S12D64与ATmega32两个微控制器之间的通信,并能够将测量数据实时传送到上位机监控界面。铁电存储器被用来保存仪表所设定的参数和测量数据。中文液晶显示(LCD)模块,可以同时显示多个测量数据。引入MODBUS、CAN总线和PROFIBUS总线技术,分别设计不同的输出板,实现仪表模块化。软件方面,使用汇编语言编写程序,以满足系统对于采样数据实时性的要求。零点和满量程的自动校正程序,取代了传统仪表的硬件校正电路,避免了外界物理环境的影响。深入研究微控制器的中断响应机制,克服微控制器没有中断优先级的弊端,成功实现中断优先级的5级嵌套。协调MC9S12D64和ATmega32两个微控制器之间的SPI通信程序,实现数据的高速、准确传输。优化快速傅里叶变换算法程序,减少CPU的计算量,提高计算精度。本文充分利用微控制器MC9S12D64的存储空间、功能模块等资源,采用快速傅里叶变换算法实现了电力系统谐波分析。仪表测量准确,能够较好的跟踪电力参数的变化,数据传输快速可靠。