电能质量分析仪

三、系统整体结构
存储器
电流 传感器 电压 互感器
调 理 单 元
过零比较 A/D
DSP
LCD显示 RS485通信到上位机
CPLD
键盘
设计思路
• 基本电量测量： 直接测量3相电压、3相电流，计算公式： 再由3相电压、电流计算功率：
P 1 N u(n)i(n) N n1
2 2
1 2 U u (t )dt T 0
号进行同步采样，并将AD转换结果送DSP处理
• 2.控制策略：由DSP捕获单元CAP捕获信号的
上升沿过零点，从而测得输入信号的频率，并由 CPLD构成数字锁相环输出采样信号，使采样脉 冲频率与被测信号周期的变化同步
• 3.电路构成：过零检测电路
ADC接口电路
• AD选型： • 要求：高精度、高分辨 率（10bit以上）、采样 率>10kHZ • ADS8364 主要参数：
1.基本电量测量指标 测量对象 准确度 三相电压(V) 0~220（有效值） 0.5% 三相电流(A) 0~20(有效值) 1~300 频率(HZ) 1% 0.01HZ 测量范围 灵敏度 0.2% 0.5% 0.005HZ
其他电量测量：有功、无功、视在功率、功率因数 2.电能质量分析：谐波含量分析（最高13次谐波）、三相 不平衡度分析、电压/电流瞬态记录功能 3.用户交互功能：液晶显示的多级菜单配合按键，方便用 户操作 4.通讯功能：RS485通信
• CPLD：EPM7032AE • 主要参数：
• 逻辑门数600门，I/O口36，最大计数频率227.3MHZ
4.2 信号调理电路设计
• • • • • 1.模拟量采集电路设计 功能要求：采集3相电压、3相电流 信号 电压传感器选择：电流型电压传感 器TV16E 原理：采用了取样电阻的电流互感 器 主要参数： 最高工作频率：20KHz 输入电流：≤2.5mA 输出电流：≤2.5mA（变比1：1） 副方取样电阻参考值：400欧姆 抗电强度：3500V AC/1min 一次最高检测电压：2000V AC 最大不失真输出电压：1V 相移：<30‘
6.2 提高测量实时性
1. 选用高速器件（DSP、高速ADC） 2.采用合理的算法（FFT）和通信手段（RS485）
6.3 提高可靠性
1.简化电路结构（选用一块多通道ADC代替多个采样保持器及AD器件） 2.提高硬件抗干扰能力，合理走线、接地（数模地分开，信号、电源、 控制线分开走） 3.软件抗干扰（WatchDog）
欢迎批评！
D0~D15 A0~A17 CS2 WR RD TMS320F 2812
D0~D15 A0~A17 /CE /WE /OE SST39VF400
五、软件设计
• 分为：DSP程序部分、CPLD程序、上位机 通信及Labview界面程序设计 • 设计思想：模块化设计，逐层分析、设计
Leabharlann Baidu
开始
系统初始化
主界面显示
• 电流传感器选择： TBC-A02系列霍尔 电流传感器 • • 原理：霍尔现象 • 主要参数： 电源：±15V供电 额定输入电流： 20A 额定输出电压：4V 误差：1% 失调电压：20mV 线性度：0.1FS 输出电压范围： 0~4V
4.3 同步采样电路设计
• 1.功能要求：对3路模拟电压、3路模拟电流信
T
U
1 N
u
n 1
N
2
(n)
S U I
cos P P S U I
Q S P
频率测量：测周法
电能质量分析： 1.谐波含量分析：FFT 其他分析方法：模拟带通带阻方法、小波变换 要解决的问题：频谱混叠、频谱泄漏 措施：防止频谱混叠：AD转换前加防混叠滤波器
防止频谱泄漏：同步采样+软件修正
N
DSP控制流程图
按键中断
Y
选项界面显示
N
选项设置完毕
Y
主界面
N
选择按键按下
Y
测量功能界面
测量按键按下
Y Y
显示测量值并实时 更新
N
停止按键按下
Y
停止测量
N
退出按键按下
六、改善仪器整机性能的措施
6.1 提高测量精度
1. 从原理上改进：同步采样（避免栅栏效应）、对信号滤波（过零点 的扰动） 2. 合理设计硬件：选用低噪声、高精度传感器（电流型、霍尔器件）， 低噪声、高共模抑制比运放（AD620），各芯片加电源滤波电路，选 用高精度ADC 3.软件补偿：对采样信号进行数字滤波；对仪器进行校准；做线性拟合， 软件进行频谱修正
电机电能质量分析仪
——基于DSP+CPLD
一、应用场合
• 用于供电部门对生产的电能进行监视和检 测，以保证提供电力用户合格的电能 ，如 变电所出线端监控供电质量 • 帮助电力用户清晰的了解其设备工作所处 的电网，如在电机三相电源处监控工作电 压、电流
二、性能指标分析
• GB/T19862—2005《电能质量监测设备通 用要求》对电能质量监测设备规定如下： • 监测功能：电压偏差、频偏、三相不平衡 度、谐波、闪变等 • 显示功能 • 通讯功能：至少一种标准通讯接口 • 其他功能：权限管理、记录存储等
16位，并行输出 6路差分输入（-Vref~ +Vref），6通道采样保持器， 6通道ADC 最高采样速率250kHZ 内置2.5V电压基准源
ADS和DSP有关的引脚 引脚号 23 27 28 29 30 31 33-38 51 52 53-55 56 57 58 名称 BYTE /EOC CLK /RD /WR /CS D15-D0 /RESET ADD A2-A0 /HOLDA /HOLDB /HOLDC 引脚功能 输出数据位选择 A/D转换结束信号 AD系统时钟 读信号 写信号 AD片选信号 数据线 ADS8364复位引脚 地址模式选择 地址线1到3 A通道转换开始 B通道转换开始 C通道转换开始
2.三相不平衡度分析
对称分量法

U2 100% U1
四、硬件设计
• • • • • 微处理及控制器电路设计 信号调理电路设计 同步采样电路设计 人机交互电路设计 其他部分电路设计
4.1 微处理及控制器电路设计
1.对控制系统的要求 强大的数字信号实时处理能力 较丰富的I/O口资源 中断能力强、中断响应快速 一定容量的ROM和RAM
4.4 人机交互电路设计
• LCD：320240A-3点 阵式液晶模块 • 按键：行列式键盘与 CPLD接口
4.5 其他部分电路设计
• 通信：RS485 • 存储器扩展： SST39VF400多用途 Flash存储芯片 • 供电系统： 开关电源模块提供+5V 和±15V电压 AMS1117-3.3实现5V 到3.3V转换
七、仪器性能评估
• 7.1 特点
1. 采用DSP+CPLD控制结构，比单CPU 系统处理速度更快，实时性更高 2.采用数字锁相环技术实现同步采样，节约了硬件开销，电路结构更为简单， 测量准确度和系统可靠性更高 3.具有上电自检功能和软件WatchDog，具有更高的稳定性
7.2 成本及研制周期估计 DSP+CPLD控制系统约150元，传感器及信号调理电路约 200元，采样电路约100元，LCD控制模块约150元，PCB 印制板约200元，其他成本合计800元，共计约1600元 研制周期估计：2~3人的硕士研究生团队约5个月完成（一 周5个工作日）
• 3.器件选型 • DSP：TMS320LF2812 • 主要参数：
/XRD
CPLD1
RD
/XCS0AND1
CPLD3
CS
32位高性能DSP（哈佛结构）； INT1 CPLD8 EOC 最高工作频率150MHZ； EPM7032AE ADS8364 TMS320F2812 128K字×16位的Flash； 128K字× 16位的ROM； 用于L0和L1两块4K字16的单存取RAM，H0一块8K字16的 SARAM和M0、M1两块1K字16的SARAM ； 指令系统采用流水线技术
2.控制方案选择 方案一：采用ARM处理器控制方式，利用其 较高的工作频率来换取数据处理的高速， 并利用其强大的事务管理能力对系统各个 功能进行实时控制。 方案二：采用DSP+CPLD控制方式，DSP的 软硬件资源非常适合实时信号处理，再配 合CPLD的逻辑控制实现仪器的智能化。
• 方案比较： • ARM处理器在控制方面的性能优于DSP，利 用其丰富的片上资源，很适合运行嵌入式实 时操作系统，使得仪器的多任务处理能力增 强，操作界面更人性化，但ARM芯片及其外 围存储芯片价格较贵，在不跑操作系统的情 况下应用ARM芯片显得大材小用。DSP在数 字信号处理方面的性能优于ARM，配合 CPLD能够很好的完成多路电压、电流信号 的运算、处理，并实现实时控制，且价格相 对较低，有利于提高仪器的性价比。 • 综合考虑，选择方案二。