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基于FFT和小波变换的电能质量实时监测仪的研究

作　者: 孙鸿婷
导　师: 马宪民
学　校: 西安科技大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: LPC2132 电能质量谐波快速傅里叶变换小波包变换虚拟仪器 MODBUS协议
分类号: TM933.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 196次
引　用: 4次
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内容摘要

针对电能质量监测和电网谐波污染问题,研制了一种基于嵌入式ARM技术和虚拟仪器平台的电能质量实时监测仪,实现了对三相电网相/线电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、电网频率、功率因数、有功电能、无功电能以及三相电压、电流谐波的实时监测。课题主要内容包括电量计算的理论分析、硬件电路设计和上下位机软件设计三部分。论文首先在理论上分析了各个电能参数的计算原理,其中在对谐波处理上运用了FFT与WPT相结合的方法,并对该方法进行了matlab仿真,证实了此方法在谐波处理中的可行性。其次,硬件设计采用ARM7 LPC2132作为核心处理芯片,设计了信号采样、滤波、测频、通讯模块等芯片外围电路,充分利用LPC2132内部集成的多路10位A/D、UART、定时计数器、I2C和实时时钟等功能模块,提高了电路集成度。在通信接口设计中,利用LPC2132的两个UART接口设计成双通信口,能同时与多个设备进行通信,并且每个通信口的物理协议可根据需要选择CAN或RS485总线,为现场监控与远程监测提供了便利,提高了与其他设备的兼容性。软件设计分为上、下位机程序两部分。下位机程序主要实现对电网信号的采样以及各个电能参数的计算,其中包括利用FFT变换获取30次以内的谐波含量。上位机程序以虚拟仪器Lab Windows/CVI作为开发平台,完成了数据处理、电能参数显示等功能。在数据处理程序中,通过Lab Windows/CVI与matlab的接口,运用FFT与WPT相结合的算法,实现了对30次以上暂态谐波的观测。同时,程序运用多线程技术,使各功能程序相对独立,提高了监测仪的实时性。上下位机的数据通信遵循MODBUS协议,增强了监测仪在工业上的通用性。按上述方案设计的样机经过了三次电路制作与软件调试,在实验室对其进行了与外购的电力综合参数测量模块的对比测试实验,实验结果表明监测仪对电能参数的测量精度达到了设计要求,带载荷实验数据稳定。目前本监测仪正在谐波治理系统中进行工业性实验。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-13
  1.1 本课题研究的目的与意义  9-10
  1.2 电能质量监测仪的发展现状  10-11
  1.3 本课题研究目标及研究内容  11-12
  1.4 本章小结  12-13
2 电能参数测量原理  13-38
  2.1 电能质量标准  13-17
    2.1.1 电压偏差  13
    2.1.2 频率偏差  13-14
    2.1.3 谐波含量  14-15
    2.1.4 电压波动和闪变  15-16
    2.1.5 三相电压不平衡度  16-17
  2.2 谐波测量原理  17-34
    2.2.1 谐波的测量方法  17-18
    2.2.2 傅立叶变换原理  18-23
    2.2.3 小波变换的原理  23-34
  2.3 其他电网参数的测量原理  34-37
    2.3.1 电流、电压有效值  34
    2.3.2 有功功率测量算法  34-35
    2.3.3 无功功率测量算法  35-36
    2.3.4 视在功率测量算法  36
    2.3.5 功率因数测量算法  36
    2.3.6 电能计算方法  36
    2.3.7 三相电压不平衡度  36-37
    2.3.8 零序电流  37
  2.4 本章小结  37-38
3 监测仪的硬件设计  38-48
  3.1 电源模块  38-39
  3.2 信号采集及调理模块  39-42
    3.2.1 信号采集模块的设计  39-40
    3.2.2 抗混叠滤波电路设计  40-41
    3.2.3 测频模块的设计  41-42
  3.3 数据处理模块  42-45
    3.3.1 ARM7 LPC2132 芯片  42-44
    3.3.2 时钟电路的设计  44
    3.3.3 复位电路的设计  44-45
  3.4 监测仪与上位机通信模块  45-47
    3.4.1 R5485 总线  45-46
    3.4.2 CAN 总线  46-47
    3.4.3 系统通信模块设计  47
  3.5 本章小结  47-48
4 系统软件设计  48-61
  4.1 监测仪主程序及流程图  48-51
    4.1.1 系统初始化  48-49
    4.1.2 数据采集程序的设计  49-50
    4.1.3 数据处理程序的设计  50-51
  4.2 电网监测仪的上位机软件设计  51-56
    4.2.1 Lab Windows/CVI 软件介绍  51-52
    4.2.2 基于Lab Windows/CVI 软件设计的步骤与方法  52
    4.2.3 上位机程序框架  52-53
    4.2.4 电能参数监测界面的设计  53-55
    4.2.5 暂态谐波的处理  55-56
  4.3 系统通信软件设计  56-60
    4.3.1 MODBUS 协议简介  56-58
    4.3.2 MODBUS 通讯层协议的制定  58-60
  4.4 本章小结  60-61
5 监测仪性能实验与结果  61-73
  5.1 监测仪性能测试  61-72
    5.1.1 相电压测试  61-63
    5.1.2 电流测试  63-65
    5.1.3 频率测试  65-66
    5.1.4 功率测试  66-68
    5.1.5 谐波测试  68-70
    5.1.6 带载对比性能测试  70-72
  5.2 本章小结  72-73
6 结论  73-75
  6.1 结论  73-74
  6.2 研究展望  74-75
致谢  75-76
参考文献  76-78
附录  78-81
攻读硕士研究生期间发表论文  81

基于FFT和小波变换的电能质量实时监测仪的研究

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