基于ARM的电网谐波检测与分析系统的研究

论文摘要

随着国民经济的发展,电力电子设备得到广泛应用,使得电网中的谐波污染越来越严重,极大地危害了电力设备的安全运行。电网中的谐波成份非常复杂,因此谐波的检测分析,是消除或降低谐波污染的前提。通过大量资料的收集、阅读及相关技术的研究,本文分析了嵌入式系统在电力系统测控中的应用优势,设计了以ARM7TDMI内核处理器LPC2214为核心的电网谐波检测分析系统。系统主要实现低压配电网三相电压、电流的谐波检测与分析,包括电量数据采集和谐波分析两个部分。详细分析了谐波检测分析系统的工作原理,明确了系统功能需求,对系统各模块进行了设计,通过多路同步采集将电网电量数据输入系统,在处理器中完成数据倒序处理和快速傅立叶变换等相关的运算处理工作,可以得到各次谐波含量。通过文中设计的硬件同步电路,可以准确获得电网信号三相电压与电流周期,通过同步采样的方法,消除或减小因快速傅立叶变换存在的频谱泄漏和栅栏效应的误差。结合谐波检测分析的需求与FFT算法的特点,为了减小响应时间,提高运算速度,采用了实序列快速傅立叶变换对数据的整合运算,即通过一次快速傅立叶变换运算,完成各相电流与电压两组数据从时域到频域的转换,并分析得到频域幅值和时域幅值之间的线性关系,避免了傅立叶反变换运算,提高了运算速度,实现谐波的准确检测。最后经过样机测试证明,本文设计的电网谐波检测与分析系统能够准确、可靠的实现谐波含量的检测与分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 课题背景
• 1.2.1 电网电能质量的定义和指标
• 1.2.2 电力谐波检测技术的发展、现状及趋势
• 1.3 电力谐波的相关概述
• 1.3.1 谐波的产生
• 1.3.2 谐波的危害
• 1.4 本课题的主要任务
• 第二章 电网谐波检测方法及分析原理
• 2.1 谐波检测方法简介
• 2.2 谐波检测分析计算数学理论基础
• 2.2.1 非正弦周期函数的傅立叶三角级数分解
• 2.2.2 傅立叶级数的指数形式
• 2.2.3 傅立叶变换
• 2.3 谐波分析算法的研究
• 2.3.1 离散傅立叶变换（DFT）
• 2.3.2 快速傅立叶变换（FFT）的实现
• 2.3.3 实序列快速傅立叶变换（FFT）分析谐波
• 2.4 时域信号幅值与频域信号幅值的关系
• 2.5 傅立叶变换检测误差分析
• 2.6 谐波测量原理和电网参数的计算
• 2.6.1 三相电压、电流、有功功率、无功功率及功率因数的计算
• 2.6.2 谐波含量与谐波含有率的计算
• 2.7 本章小结
• 第三章 谐波检测与分析系统整体方案设计
• 3.1 ARM 处理器在谐波检测与分析系统中的应用
• 3.2 设计要求
• 3.3 系统开发设计
• 3.3.1 系统开发设计流程
• 3.3.2 系统需求分析和概要设计
• 3.3.3 系统硬件开发
• 3.3.4 建立交叉开发环境和软件编码
• 3.3.5 系统交叉编译和链接及其交叉调试
• 3.3.6 系统设计原则及扩展性
• 3.4 ARM 芯片的选型
• 3.5 本章小结
• 第四章 谐波数据采集与处理和ARM 的具体实现
• 4.1 硬件系统总体设计
• 4.2 硬件电路设计
• 4.2.1 数据同步采集及调理电路
• 4.2.2 硬件同步电路模块
• 4.2.3 电源模块
• 4.2.4 异步串行通信接口模块电路
• 4.2.5 LCD 接口电路
• 4.2.6 JTAG 接口电路
• 4.2.7 键盘接口电路
• 4.3 系统各模块的软件设计
• 4.3.1 测量主程序
• 4.3.2 通信模块软件
• 4.3.3 LCD 显示模块软件
• 4.3.4 键盘模块软件
• 4.4 抗干扰措施
• 4.4.1 硬件抗干扰措施
• 4.4.2 软件抗干扰措施
• 4.5 系统性能测试
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 不足和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表录用论文清单
• 附录A 本课题设计的电信号检测电路图
• 附录B 本课题设计的ARM 管脚配置图