电力系统设计高速数据采集系统设计

毕业论文(设计)
题目名称：电力系统高速数据采集系统设计
题目类型：毕业设计
学生姓名：翁学娇
院(系)：电子信息学院
专业班级：电气10803
指导教师：唐桃波老师
辅导教师：唐桃波老师
时间：至
目录
长江大学毕业设计(论文)任务书
学院(系) 电子信息学院专业电气工程及其自动化班级电气10803班
学生姓名翁学娇指导教师/职称唐桃波/讲师
1.毕业设计(论文)题目:
电力系统高速数据采集系统设计
2.毕业设计(论文)起止时间:2012 年3 月21日～2012年 6月10日
3.毕业设计(论文)所需资料及原始数据(指导教师选定部分)
[1]. 奥本海姆编.《信号与系统》.西安交通大学出版社
[2]. 徐爱钧编. 《单片机原理实用教程》. 电子工业出版社
[3]. 何仰赞，温培银著《电力系统分析》.华中科技大学出版社
[4]. 张洪润、刘秀英等编. 《单片机应用设计200例》. 北京航空航天大学出
版社
[5].张卫宁．TMS320C2000系列DSP原理及应用[M]．北京：国防工业出版
[6].王道宪．CPLD／FPGA可编程逻辑器件应用与开发[M]．北京：国防工业出版社
[7].李光辉，陈志英．DSP技术在电力系统谐波测量中的应用[J]．福州大学学报(自
然科学版)
[8].赵飞，梁志瑞，牛胜锁．基于DSP和GPS的异地交流电量同步采集系[J]．电测
与仪表
[9].赵伟，鲍慧，刘云峰．基于DSP的高速数据采集系统设计[J].电力科学与工程
[10]. 张毅刚，彭喜元主编.《单片机原理及接口技术》. 人民邮电出版社4.毕业设计(论文)应完成的主要内容
(1)查阅资料，学习相关元器件的工作原理
(2)选择芯片，制定方案，然后利用Protuse画出硬件电路原理图
(3)编写程序并进行仿真
(4)在日志上记下每天的设计活动
5.毕业设计(论文)的目标及具体要求
(1)完整硬件设计电路
(2)软件框图及部分程序清单
6.完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求
上机时数80小时
任务书批准日期年月日教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期年月日指导教师(签字) 完成任务日期年月日学生（签名）
长江大学
毕业设计(论文)开题报告
题目名称电力系统高速数据采集系统设计题目类别毕业设计
院（系）电子信息学院
专业班级电气工程及其自动化
学生姓名翁学娇
指导教师唐桃波
辅导教师唐桃波
开题报告日期: 2012年3月14日
电力系统高速数据采集系统设计
学生：翁学娇，电子信息学院
指导教师：唐桃波，电子信息学院
1题目来源
来源于生产/社会实际
2研究目的和意义
电已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分，但是安全、稳定、有效的电才是人们所需要的，因此我们必须对电力系统各种数据进行有效采集和分析，时时刻刻监控着它们，从而为人们提供安全、有效、稳定的电能。

为了保证电力系统的正常运行,我们需要对电力线上的电压、电流和功率等各种参数进行实时或频繁的测量和监控。

随着科学技术的发展，雷达、通讯、电子对抗、航天测量、图象、多媒体等诸多领域对数据采集系统提出了更高的要求。

随着一些新的高性能的电子芯片的推出，电子系统设计有了更多的选择和更方便的条件，使交流电量同步采集得到了快速发展。

实现多路并行数据的高速数据采集，并且使系统具有良好的可扩展性，是数据采集发展的重要方向。

3阅读的主要参考文献及资料名称
[1]. 奥本海姆编.《信号与系统》.西安交通大学出版社
[2]. 徐爱钧编. 《单片机原理实用教程》. 电子工业出版社
[3]. 何仰赞，温培银著《电力系统分析》.华中科技大学出版社
[4]. 张洪润、刘秀英等编. 《单片机应用设计200例》. 北京航空航天大学出
版社
[5].张卫宁．TMS320C2000系列DSP原理及应用[M]．北京：国防工业出版
[6].王道宪．CPLD／FPGA可编程逻辑器件应用与开发[M]．北京：国防工业出版社
[7].李光辉，陈志英．DSP技术在电力系统谐波测量中的应用[J]．福州大学学报(自
然科学版)
[8].赵飞，梁志瑞，牛胜锁．基于DSP和GPS的异地交流电量同步采集系[J]．电测
与仪表
[9].赵伟，鲍慧，刘云峰．基于DSP的高速数据采集系统设计[J].电力科学与工程
[10]. 张毅刚，彭喜元主编.《单片机原理及接口技术》. 人民邮电出版社
4国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向
电力系统监控技术在我国的研究和应用已经有50多年的历史。

近年来,随着计算机技术、通讯技术和人工智能技术的快速发展,智能电力监控系统在电力行业及其他相关行业得到了越来越广泛的应用,具有较高的可靠性和连续性。

交流采样是不经过电量变送器，按一定规律直接将二次侧的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后经A/D变换后送入计算机进行处理，计算出电压、电流有效值及有功，无功功率等电气参数。

由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。

同时用微机取代传统的变送器充分发挥微机功能强大、灵活可靠、使用方便等优点。

随着微机技术的不断发展，交流采样必将以高速度、高精度、高性能，逐步取代传统的直流采样方法。

我国目前电力系统较多地采用由单片机实现的交流采样遥测装置，这种装置在采样速率及实时性和精度要求不是很高的场合得到了广泛的应用。

随着我国电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，实时监控、调节的自动化显得尤为重要；特别是在以监控为目的的电力调度自动化系统中，如何快速、准确地采集各种电气参数显得尤为重要。

在实现自动化的过程中，首要环节是数据采集。

数据采集系统近年来获得了迅速发展，主要是因为：一是需要，即科学实验与工业控制向高度自动化发展；而是可能，即微电子技术如大规模和超大规模集成电路技术的发展提供了良好的物质基础，从而使器件向模块化和单片机发展，使仪器本身向智能化发展（即微处理机为基础），使用软件向实时高级语言和软件模块化发展。

此次研究的主要内容是对电力系统的各种数据进行采集，然后通过傅里叶分解数据并进行数模、模数转换，让它们通过显示电路显示出来。

5主要研究内容，关键问题的解决思路
1.研究内容
电力系统使用高速度CT,PT采样，采用快速傅立叶变换算法，计算高达15次谐波，完成功率、电度、功率因数、电压、电流、频率等的计算。

2.硬件设计
系统主要由DSP 、CPLD 、A/D 采样保持器、网络接口等部分组成。

从一次设备CT,PT 过来的电压及电流经隔离互感器隔离变换后输入，经过二阶滤波器至模数变换器。

DSP 采样后对数字进行处理，构成各类监测数据和计算各种遥测量在存入内存的同时送到CAN 总线等待取值。

系统的结构框图如图1.1所示。

Ua
Ub
Ic
Ib
Ia
Uc
地址与数据总线
图1.1硬件结构框图
6 完成毕业设计(论文)所需具备的工作条件
串口通信、Proteus6 Professional 软件、Keil 软件、CAN 总线、PLC 、Modem 集成电路、计算机
7 工作的主要阶段，进度与时间安排
3—4周：写开题报告。

5—6周：查阅相关技术资料，熟悉单片机语言及传感器的基础知识 7—8周：英文翻译
9—10周：硬件设计与资料搜集 11—12周：设计程序 13—14周：调试与修改 15—16周：写毕业论文
8指导老师审查意见
长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见
长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语
长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定
电力系统高速数据采集系统设计
学生：翁学娇电子信息学院
指导老师：唐桃波电子信息学院
[摘要] 近年来，随着社会和经济的发展，社会对电力的需求量与日俱增，电力供应局面日趋紧张。

而且，由于非线性负荷的大量应用，导致在电力系统中产生大量的高次谐波，对电力系统造成了很大的危害。

在这种情况，就需要对电力参数和谐波情况进行准确、实时地检测。

为了消除电压、电流的波形畸变产生的危害，就必须对电力系统进行谐波抑制和无功补偿，因此对电力系统中的电气参数进行测试和分析就显得尤为重要。

本文介绍的这套电力系统参数交流采样系统是采用TMS320VC33型高速数字信号处理器 (DSP)和两片16位高速A/D转换器ADS8364实现快速、精确地采集和计算各种电力系统参数。

本文所设计的基于DSP TMS320VC33的多通道数据采集系统是一个高精度的数据采集与信号处理系统。

论述了系统的总体设计方案、硬件构成原理和软件设计思路,完成了硬件电路的设计,实现了数据处理平台的调试。

该系统以TI公司生产的TMS320VC33 DSP为核心处理器,通过可编程逻辑器件CPLD实现对DSP外围设备的逻辑控制,并设计了模拟电路模块。

在DSP的软件编程上,本文完成了多通道数据采集算法在TMS320VC33上的实现。

[关键词]:电力系统参数、DSP、数据采集
High-speed data acquisition system design for power system Student :Weng Xuejiao Electronics & Information College
Tutor: Tang taobo Electronics & Information College
【Abstract】：
In recent years,with the development of society and economythere is a great improvement in the demand of power,and the situation is increasingly serious.Furthermore,more and more nonlinear Ioad are used，there are a lot of harmonic in power system.It is harm to power system badly. So
it is necessary to measure power parameters and harmonic reliablely and in real time.In order to eliminate the voltage,current waveform distortion harm,
it must give the power system harmonic suppression and reactive power compensation,so the electric parameters test and analysis appears particularly important in electric power system.In this paper, an AC sample system
of electrical parameter based on TMS320VC33 DSP and two A/D conversions of 16－bit is introduced. This system can acquire electrical parameters rapidly and precisely. The mufti-channel parallel data acquisition system which is based on DSP TMS320VC33 designed in the paper is a high precise data sampling and signal processing system. The design ideas of the whole system and the design methods of the hardware and software
of the system,together with the structure and function of the main components have been discussed in detail.The design of hardware circuit has been completed and the debugging result of the data processing platform has been given. The system takes TMS320VC33 as
a core processor, with the Complex Programmable Logic Device-CPLD implementing the logic control of the peripherals of the DSP. And analog modules have been designed in this
thesis.In the DSP software programme, the thesis accomplished the mufti-channel data acquisition algorithm on the DSP TMS320VC33.
【Key words】: Power system parameters，DSP，Data acquisition
前言
目前，随着技术进步，电力系统新投运的220kV及以下变电站试运行24时正常后即按无人值班模式运行。

无人值班变电站是变电站一种先进的运行管理模式。

它是指借助微机远动等自动化技术，值班人员在远方获取相关信息，并对变电站的设备运行进行控制和管理。

远处值班人员需要获得及时准确的相关信息，才能正常安全的采取相应的措施控制和管理变电站，这就需要更快更精确的设备系统。

而众所周知，在工业生产和日常生活中，电力对社会和个人有着密切的关系和重要的意义，因为电流、电压过低过高，及设备寿命，严重的还会危及人身安全；均能影响各种电器设备的正常使用功效并且，对电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数和频率等电力参数的准确、快速地检测、监控可以及时掌握供电线路和设备运行状态，及时发现电网中的故障或隐患，进而采取合理和有效的措施，保证电力系统及设备运行良好。

近年来，随着电力电子技术的迅速发展，在化工、冶金、电力传送、电气化铁道等行业，以及家用电器中非线性负荷的使用日渐增多，特别是一些大功率整流设备和电弧炉等的大量应用，导致在电力系统中产生大量的谐波，进而引起电压、电流波形发生畸变，电力谐波不仅会严重危害供用电设备和电气仪表，使供电质量不断下降，影响计量设备的测量控制，不能准确地反映电力系统运行的情况，损害用户的利益，也会对电力系统本身造成不良的影响和危害。

在很长一段时间来我们还没有一套完整的指标来衡量电能质量，通常关心的是电力供应量方面，较少关心电能质量和谐波情况，并且现有的一些检测器件还依赖于有百年历史的动圈式仪表和交流互感器之类的电工仪表，这些仪表只能显示电力参数的有效值和模拟值，误差大，精度低，
不能满足实际测量的要求，有些也仅考虑了测量基波分量的情况，较少考虑对谐波的测量，那么电力参数的实时准确的测量成了必须要解决的问题。

从以上研究可见，研制一种多功能的电力参数检测装置对于变电站的远距离监控具有非常重要的意义，它不但要能对如电压、电流、功率、功率因数和频率等重要的电力参数进行实时检测，还要对电力系统中的高次谐波进行实时分析，从而使远处值班人员采取进一步的措施，减少谐波污染，保证电能质量，保证电力系统安全、可靠、经济地运行。

1 绪论
1.1课题来源
来源于生产/社会实践
1.2国内外发展现状、趋势以及面临的挑战
在电力工业发展初期曾用电解化学原理进行参数测量，1890年，发明了感应式电磁原理电能表，沿用至今。

早期的电力参数检测大都采用的是模拟电子技术，测量装置的体积庞大、功能单一、自动化度较低和数据测量精度不高，难以进行谐波分析，不具备综合分析和判断功能，一般也不具备异常报警功能。

不能及时发现电力系统中的异常现象，并且依赖运行人员定时巡回手工抄表来记录电耗情况，工作强度大，效率低。

50年代出现数字式仪表，电力系统参数测量进入一个新的阶段：数字式仪表采用数字电路进行信息的数字化处理，与早期的模拟仪表相比，可以得比较高的精确度，灵敏度提高，价格低，但整体应用范围较窄，功能比较单调，移植性较差，难以适合高速实时信号处理。

随着电子技术和微机技术的飞速发展，微机广泛地应用于电力系统测量中，使得电力系统的测量、监控技术得到了快速发展，精度和实时性有了很大的提高。

但是电力系统对检测装置的实时性，计算能力及大数掘量运算速度等各方面要求的不断提高，采用一片CPU或双CPU微机式的电力参数检澳4仪器，需要同时完成电力参数和谐
波的大数据量的计算，再加上A／D转换、数据采集、数据传送等系统内容的影响，致使系统测量精度和准确度越来越不能满足日益提高的性能要求。

DSP技术的高速发展为电力参数测试技术带来了新的变革，特别是在电力系统电压和电流的高次谐波的测量和分析中，DSP以其运算速度快、精度高、显著的计算能力与实时性、数据输入输出能力强等特点而被广泛应用，并且采用DSP开发的测量装置体积小，集成度高t随着DSP芯片的性价比不断提高，开发工具越来越完善，DSP的应用成为目前电力参数测试丁F发的最新趋势，在电力参数测量领域大有取代单片机的趋势。

我国对电力系统参数的研究和开发起步较晚，测量仪器整体测量水平较低，存在着实时性不强，检测指标少，效率低等局面；目前国内还在使用一些模拟式和数字式测量仪表，虽然一些专门的测量装置已经在一些部门投入使用，但是多数是一些功能比较单一的测试仪和分析仪，多功能、精度高的测量装置在市场上比较少见；近年来．我国的不少厂家通过借鉴国外的测量仪器以及通过与外国公司的合作，不断研制和推出了各种系列的高性能测量仪器。

如杭州远方仪器有限公司的PF9800系列测量仪器，兰州胜利仪器公司的智能型电力参数采集测控仪表系列，青岛青智仪器公司的电参量测试仪表等。

这些测量仪器其性能比较先进，功能也比较齐全，可以测量有效值、功率和谐波、闪变和三相不平衡度等所有参数，具有RS．232、RS--485等通讯方式，显示方式美观大方，可以实时显示数值、波形、频谱图等：虽然在技术上看，我国的测量仪器有了不少的进步，但在一些性能指标、可靠性和智能化程度方面与国外的同类产品还有一定的差距。

国外对电力系统参数的研究和开发起步较早，早在70年代就出现了可以测量多个电力参数的多功能测量仪表；80年代，随着当前的电子技术的发展，测量仪器已经进入智能化时代；90年代来，计算机技术、微电子技术、控制技术特别网络通讯技术的发展，使得测量装置得到空前发展；国外各大公司把这些技术应用于测量装置上。

研制推出了众多在世界范围内处于领先的测量仪器，如美国Fluke公司推出的F43B电能质量分析仪，瑞典UNIPOWER公司的UP系列电能质量测量仪等，可实时检测电力系统中的所有参数，计算高达51次的谐波，可以捕捉电压瞬变和骤升骤降及浪涌电流的显示，具有强大的网络功能，还具有全中文操作软件，显示方式多样，硬件全电子化等特点。

随着各种性能要求的提高，测量仪器将在使用微机技术的基础上，融合计算机控制、网络技术、总线技术和虚拟仪器相关技术，将测量、控制、分析集成于一体；这
种装置体积小，测量精度较高，具有较强的网络化和自动化功能，可以测量电压、电流、功率因数、频率、无功功率、视在功率、谐波及其他电力参数值的测量，而且可以进行多条记录存储、可与计算机进行数据交换、可进行远程实时测量等。

当前，电力系统参数检测仪器正朝着以下方向发展：
1、体积小型化、功能多样化、功耗减小，维持电流降低化、采用新器件更高可靠性、显示方式普遍更新。

2、实现网络化智能、在线监测。

随着传感器技术、计算机技术、信息技术等发展，系统监测技术广泛采用这些先进的科研成果，使在线监测逐步走向实用化阶段；监测装置可作为接入访问平台进入网络，可以实现设备资源和数据资源共享及远程操作。

3、虚拟化。

虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件和软件平台上的完全开发的系统，结合电力系统的应用，开发应用虚拟仪器技术建立的高速、高效、大容量、多功能、智能化的实时监测系统。

1.3研究的目的、意义及主要内容
交流采样是不经过电量变送器，按一定规律直接将二次侧的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后经A/D变换后送入计算机进行处理，计算出电压、电流有效值及有功，无功功率等电气参数。

由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。

同时用微机取代传统的变送器充分发挥微机功能强大、灵活可靠、使用方便等优点。

随着微机技术的不断发展，交流采样必将以高速度、高精度、高性能，逐步取代传统的直流采样方法。

我国目前电力系统较多地采用由单片机实现的交流采样遥测装置，这种装置在采样速率及实时性和精度要求不是很高的场合得到了广泛的应用。

随着我国电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，实时监控、调节的自动化显得尤为重要；特别是在以监控为目的的电力调度自动化系统中，如何快速、准确地采集各种电气参数显得尤为重要。

在实现自动化的过程中，首要环节是数据采集。

国际电工委员会（IEC）标准IEC61850对采样速率有明确的要求，由表1可知对220kV及以上电压等级输电系统的监测装置和仪表应达到M2级和M3级，交流采样的遥测装置每周期(0.02秒)采样点数分别要求大于80和240点。

由单片机实现的交流采
样遥测装置很难达到此要求，而DSP具有高速度、高精度、并行性、高集成度和高性能价格比等优点，非常适合应用于交流采样遥测装置。

本文介绍的这套系统使用高速度CT,PT采样，采用快速傅立叶变换算法，计算高达15次谐波，完成功率、电度、功率因数、电压、电流、频率等的计算，具有高精度，高稳定性。

其采样速率为12kHz,完全能达到IEC61850采样速率的要求。

表1 IEC 61850对测量仪表的生数据要求
针对表1的要求，本文介绍的这套电气参数交流采样系统是采用TMS320VC33型高速数字信号处理器 (DSP)和两片16位高速A/D转换器ADS8364实现快速、精确地采集和计算各种电气参数。

该系统还具有性能价格比高、维护方便的特点。

由前面讨论知，利用先进的技术手段，采用精确合理的计算方法，研制功能齐全、性能优良、使用方便的电力参数测量系统，是十分必要的。

电力参数测量和谐波分析涉及到大量的数据计算，加上系统其它的任务，采用单片CPU甚至双CPU的装置显得力不从心，将DSP芯片应用于电力系统设备，有着传统的单片机所不可比拟的优势。

在借鉴众多电力参数测量仪器的功能和特性的基础上，设计了基于TMS320VC33 DSP为核心的电力参数测量装置，其主要功能为：进行实时采样，完成电压电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数的计算；完成谐波参数的计算，完成谐波分析；具有网络通讯功能，可完成与外部计算机的数据传送；通过人机交互功能，让用户了解电力系统的运行状况，并作出决策。

本文的主要工作包括：
l、首先分析了电力参数测量的重要意义，对电力参数检测的发展概况作了
简单的回顾，并总结了当前国内外对电力参数的研究现状，简要的讨论了电力参
数检测中的主要测量方法以及它们的优缺点。

2、分析了电力系统谐波的问题及危害，并应用基于无功功率理论谐波测量法和FFT 方法用于谐波的检测，并对FFT作了通过加窗和插值改进，来提高测量的精度，对这两种方法作了仿真试验，达到了检测谐波的可行性研究。

3、基于DSP技术，采用了新一代的浮点处理器TMS320VC33为处理核心，围绕TMS320VC33我们设计了电力参数测量系统，并对此系统进行了相应的硬件设计和软件设计，包括了数据处理单元、A／D转换单元、通讯单元、存储单元等，并应用面向对象语言设计了下位机平台。

4、对本装置的设计作了总结，并提出了对未来工作的展望。

2.电力系统参数及谐波测量方法
2.1交流采样过程、算法及系统的特点
2.1.1交流采样过程
从一次设备CT、PT过来的电流、电压经高精度小CT、PT隔离变换成弱电信号后输入，经二阶滤波器的增益调整电位器变成－5V～＋5V的信息，至模数变换器，DSP 采样后对数字进行处理。

图2.1是采用三表法的采样原理图，DSP处理后就计算出了各种遥测量，存入存储器同时通过CAN总线上传。

其中二阶滤波器的作用主要是补偿CT、PT的相移，同时滤除16次以上的谐波，以满足交流采样算法之要求。