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0.2S级三相谐波电能表设计

作　者: 杨步明
导　师: 滕召胜
学　校: 湖南大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 快速傅里叶变换 Nuttall窗双谱线插值自举启动谐波电能误差校正
分类号: TM933.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 48次
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内容摘要

随着电力电子技术的飞速发展,高电压、大容量的非线性设备如电解炉、轧钢机等的广泛应用,使得电力系统谐波污染日益严重,特别是电气化铁路的贯通,非线性负荷产生了大量的谐波电流,对电力系统的安全与经济运行造成了极大的危害。实现电力谐波的精确分析和谐波电能的准确计量,可为电能的科学管理提供可靠依据。目前业界已推出了具有谐波电能计量功能的电能计量芯片,如珠海矩力公司的ATT7022B电能计量芯片。ATT7022B可以直接提供精确的基波功率及基波电能,也可以提供总谐波功率和谐波电能,但ATT7022B不提供各次谐波电能,而电力系统中往往要求电能表能提供各次谐波电能信息。针对电力行业对谐波电能计量的迫切需求,提出了基于AD73360L+TMS320VC5502+M30624FGPFP架构的0.2S级三相谐波电能表方案,讨论了交流信号离散采样电能计量方法和基于FFT的谐波分析方法,介绍了傅里叶变换的基本原理、傅里叶变换的泄漏效应和栅栏效应、各种窗函数及其在FFT中的应用,给出了基于Nuttall窗的FFT谐波分析方法、谐波参数计算方法以及谐波分析指标,提出了三相谐波电能表的总体模块设计,着重介绍了三相谐波电能表计量单元设计,详细阐述了采集单元、数据处理单元等各模块的硬件设计与软件接口设计,给出了计量单元各模块的软件设计,探讨了谐波电能表硬件通道和软件模型引入的各种误差形成原因,提出了谐波电能计量的比差、角差校正方法,并给出了谐波电能表检验结果。检测结果表明,基于Nuttall窗双谱线插值FFT谐波分析方法的0.2S级三相谐波电能表符合设计要求,能实现电力谐波的精确分析和谐波电能的准确计量,其基波有功测量误差≤0.2%,基波无功测量误差≤1%,2-21次谐波电压测量误差≤2%、谐波电流测量误差≤5%、谐波相位测量误差≤5°,满足GB/T-14549-93的A类谐波测量仪器要求。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-16
  1.1 项目研究意义  10-11
  1.2 现有的谐波检测与谐波电能计量技术  11-15
    1.2.1 谐波检测技术  11-14
    1.2.2 谐波电能计量技术  14-15
  1.3 本文研究的主要内容  15-16
第2章电能计量与谐波分析算法  16-35
  2.1 交流信号离散采样电能计量方法  16-19
    2.1.1 频率的测量  16-17
    2.1.2 电压、电流有效值及有功功率的计算  17-19
    2.1.3 视在功率与无功功率计算  19
  2.2 基于 FFT 的谐波分析算法  19-35
    2.2.1 傅里叶变换的基本原理  20-21
    2.2.2 离散傅里叶变换的泄漏效应和栅栏效应  21-23
    2.2.3 常用窗函数及其性能比较  23-27
    2.2.4 基于 Nuttall 窗的加窗插值算法  27-31
    2.2.5 谐波参数计算方法与谐波分析指标  31-35
第3章谐波电能表计量单元设计  35-59
  3.1 电能表计量单元设计概述  35-36
  3.2 信号调理和数据采集模块  36-42
    3.2.1 ADC 的选型  37-38
    3.2.2 DSP 的多通道缓冲串口  38-39
    3.2.3 DSP 与AD73360L 的硬件接口设计  39-40
    3.2.4 DSP 与AD73360L 的软件接口设计  40-42
  3.3 数据处理模块设计  42-47
    3.3.1 VC5502 芯片功能及特点  43-44
    3.3.2 同步动态存储器  44-46
    3.3.3 数据处理模块硬件接口设计  46
    3.3.4 数据处理模块软件接口设计  46-47
  3.4 DSP 自举启动模块设计  47-55
    3.4.1 Boot Loader 概念  47-48
    3.4.2 VC5502 Boot Loader 模式  48-49
    3.4.3 VC5502 Boot 表  49-52
    3.4.4 DSP 自举启动模块硬件设计  52-55
    3.4.5 DSP 自举启动模块软件设计  55
  3.5 电源模块设计  55-57
    3.5.1 DSP 的电源指标  55-56
    3.5.2 CVdd、DVdd 的产生以及供电顺序的实现  56-57
  3.6 脉冲输出模块设计  57-59
第4章系统软件设计  59-66
  4.1 系统软件开发环境与运行平台  59
  4.2 模块化程序设计原则  59-60
  4.3 系统软件的整体设计流程  60-66
    4.3.1 主程序模块  61-62
    4.3.2 系统初始化模块  62-63
    4.3.3 数据处理模块  63-64
    4.3.4 电能脉冲输出模块  64-65
    4.3.5 数据传输模块  65-66
第5章谐波电能计量误差校正方法  66-77
  5.1 电能表的误差来源  66
  5.2 硬件电路引入的误差分析  66-68
    5.2.1 计量前端模拟网络比差  66-67
    5.2.2 角差及角差来源  67-68
    5.2.3 硬件电路引入的其他误差  68
    5.2.4 减小硬件误差措施  68
  5.3 软件算法引入的误差分析  68-69
  5.4 电能表的误差校正  69-75
    5.4.1 直流偏置补偿与比差校正  70-71
    5.4.2 角差校正  71-73
    5.4.3 非线性补偿  73-75
  5.5 实验与分析  75-77
    5.5.1 基波叠加单次谐波功率  75
    5.5.2 基波叠加多次谐波功率  75-77
结论  77-79
参考文献  79-84
致谢  84-85
附录 A 攻读学位期间学术成果  85-87
附录 B 电能表实物及校表现场图  87-88

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