基于容性设备泄漏电流的嵌入式电网过电压在线监测系统研究

论文摘要

对电网过电压进行在线监测,实时获取电网过电压波形及其特征参数,在分析电网事故原因、改进电网绝缘配合等方面具有十分重要指导作用。现有的过电压在线监测系统多采用高压分压器来获取电压信号,但是,由于高压分压器自身局限性限制了其在更高电压等级电网下的应用;目前监测系统多采用集中式监控结构,过电压高频模拟信号经同轴电缆长距离传输,信号会衰减和畸变,抗干扰性差。针对这些问题,本文对过电压在线监测系统的关键技术进行了深入研究,研制了一套基于容性设备泄漏电流嵌入式过电压在线监测系统。本文所研究过电压在线监测系统采用分布式结构,主要由电压传感器、嵌入式过电压在线监测装置以及后台监控主机三部分组成:传感器利用微分积分测量原理,具有体积小、电气安全特性好、不影响系统安全等优点;嵌入式监控装置处于现场电压传感器附近,就地进行过电压数据高速实时采样,提高了系统的抗干扰性;监控装置与后台主机采用以太网通信,通信速度快,通信稳定。本文详细介绍了电压传感器的结构、基本原理、影响测量结果的相关因素和适用于内部过电压测量传感器的实现方法。嵌入式监控装置硬件采用模块化设计,主要包括模拟前置通道、采集模块和监控模块三部分,采集模块采用CPLD作为控制芯片,实现过电压信号高速采样,监控模块采用高性能的ARM处理器,外扩了CF卡存储电路、以太网通信接口、实时时钟等功能电路,实现数据存盘和网络传输,文章详细介绍了各功能模块的组成结构和实现原理。在ARM的硬件平台上,移植了嵌入式实时操作系统μC/OS-II,在此基础上移植了嵌入式TCP/IP协议栈LwIP,并完成了相应的驱动程序和应用程序的设计,论文详细论述了在线监测软件的设计思想,并给出了相应程序流程图。论文最后对设计的系统进行了测试,测试结果表明:针对内部过电压测量的传感器具有较好的测量精度和线性度;嵌入式监控装置的数据采集功能正常,与后台监控通信速度快,工作稳定可靠,能够满足电网过电压测量要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 过电压在线监测系统的意义
• 1.2 电力系统过电压分类及特点
• 1.2.1 大气过电压
• 1.2.2 内部过电压
• 1.3 国内外研究现状及其分析
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 基于容性设备泄漏电流的电压传感器研究
• 2.1 引言
• 2.2 过电压传感器的测量基本原理
• 2.2.1 电容型设备
• 2.2.2 电压传感器的工作原理
• 2.3 电压传感器影响因素分析
• 2.3.1 电容式套管参数的影响
• 2.3.2 电流传感器参数的影响
• 2.3.3 积分器参数的影响
• 2.4 电压传感器实现
• 2.4.1 套管对地电流特性分析
• 2.4.2 用于工频电压和操作过电压测量的电压传感器实现
• 2.5 小结
• 3 嵌入式过电压在线监测系统硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 模拟前置电路设计
• 3.2.1 信号调理电路设计
• 3.2.2 触发电路设计
• 3.3 数据采集模块设计
• 3.3.1 采集模块的硬件结构
• 3.3.2 数据采集实现原理
• 3.4 嵌入式监控主板硬件设计
• 3.4.1 ARM 处理器LPC2214 简介
• 3.4.2 嵌入式监控主板电源设计
• 3.4.3 看门狗复位电路
• 3.4.4 外部存储电路
• 3.4.5 调试接口电路
• 3.4.6 非易失性存储电路
• 3.4.7 实时时钟电路
• 3.4.8 采集模块控制接口电路
• 3.4.9 CF 卡存储接口电路
• 3.4.10 以太网接口电路
• 3.5 硬件的抗干扰设计
• 3.5.1 电路设计的抗干扰措施
• 3.5.2 印制板抗干扰设计
• 3.6 小结
• 4 嵌入式过电压在线监测系统软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 嵌入式监测软件整体构架
• 4.3 嵌入式实时操作系统 μC/OS-II 在 ARM7 上的实现
• 4.4 嵌入式通信协议栈 LwIP 在 μC/OS-II 上的移植
• 4.4.1 TCP/IP 协议概述
• 4.4.2 LwIP 的介绍
• 4.4.3 LwIP 的移植
• 4.5 驱动程序与应用程序接口函数设计
• 4.5.1 DM9000A 网络芯片的驱动程序设计
• 4.5.2 采集卡驱动程序设计
• 2C 串行通信驱动程序设计'>4.5.3 I²C 串行通信驱动程序设计
• 4.5.4 CF 卡驱动程序及接口函数
• 4.5.5 LwIP 应用程序接口函数
• 4.6 应用程序设计
• 4.6.1 应用程序任务规划
• 4.6.2 应用程序任务设计
• 4.7 小结
• 5 实验结果与数据分析
• 5.1 引言
• 5.2 电压传感器性能测试实验
• 5.2.1 工频交流电压测量实验
• 5.2.2 操作冲击电压测量实验
• 5.2.3 传感器标定及标定后测量数据分析
• 5.3 嵌入式过电压在线监测装置测试实验
• 5.3.1 以太网通信性能测试
• 5.3.2 嵌入式过电压监测装置数据采集测试实验
• 5.4 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文