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基于DSP的电能质量监测系统及算法设计

作　者: 王倩
导　师: 武和雷
学　校: 南昌大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 电能质量监测实数组合FFT 算法分析 DSP TMS320F28335
分类号: TM933.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

电能在现代社会中的作用日益突出,可以说电能的使用程度和使用范围从某种意义上代表着一个国家的经济实力和整体发展水平。随着发电方式的增加和发电规模的扩大,电能在数量上已经完全能保证工业生产需求和人民生活用电需求。大量非线性负荷的注入使得电网结构复杂多变,导致电能质量不断下降,严重影响了生产过程和生活质量。电能质量监测仪设计的目的就是为了确保全电网关联实时监测,实现数据自动传输和统计分析等功能,对提高和保证电能质量有重要的指导意义。在明确电能质量研究的意义和目的,了解电能质量相关的国家标准要求的基础上,设计了一款以DSPTMS320F28335为数据处理核心和单片机C8051F340为调度控制核心的双CPU模式的电能质量监测仪,实现电能的实时监测和参数分析计算。在对国标中给出的电能质量主要指标研究的基础上,给出了相应的测量方法和计算方法；研究了谐波分析中常用的快速傅里叶变换和小波变换。提出针对电压电流实数据的组合改进FFT,并对各种傅里叶变换的运算量进行了比较。研究了小波多分辨率分析分解层次的确定,小波包在信号分解中的应用。对傅里叶变换和小波变换做了对比；详细介绍了电能质量监测系统的主要硬件模块：开关电源电路、A/D采样电路、量程自动选择电路和DSP数据信号处理系统部分电路等；应用该电能质量监测仪从标准电源中获得待分析的电压、电流等数据,用上述算法求出电能质量参数,并用Matlab7.0及其小波分析工具箱对实验结果进行了验证。结果表明,所设计的三相电能质量监测仪完全符合国家标准,具有很好的应用价值。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-14
  1.1 电能质量研究的背景及意义  9-10
  1.2 国内外关于电能质量的研究现状  10-12
    1.2.1 国外电能质量的研究概况  10-11
    1.2.2 国内电能质量的研究概况  11-12
  1.3 电能质量监测特点及发展趋势  12-13
  1.4 本文的章节安排  13-14
第2章电能质量参数的测量  14-28
  2.1 基本电参量的测量  14-17
    2.1.1 三相交流电压电流真有效值  14-15
    2.1.2 功率及功率因数的算法  15-17
  2.2 供电电压和频率偏差的测量  17-18
    2.2.1 电压偏差的测量  17
    2.2.2 频率和频率偏差的测量  17-18
  2.3 电压波动和闪变的测量  18-21
    2.3.1 电压波动的测量  18-19
    2.3.2 闪变的定义和测量  19-21
  2.4 (间)谐波含有量的测量  21-23
  2.5 三相电压不平衡度的测量  23-27
    2.5.1 三相四线系统的不平衡度计算  23-24
    2.5.2 三相三线系统的不平衡度算法  24-27
  2.6 本章小结  27-28
第3章电力谐波分析算法研究  28-43
  3.1 傅里叶变换在谐波分析中的应用  28-37
    3.1.1 离散傅里叶变换(DFT)  29
    3.1.2 快速傅里叶变换(FFT)  29-33
    3.1.3 组合实数的FFT变换  33-34
    3.1.4 三种方法计算量的比较  34-35
    3.1.5 FFT变换后的物理意义  35-37
  3.2 小波变换在谐波分析中的应用  37-41
    3.2.1 几种小波变换的原理  37-40
    3.2.2 小波分解层数的确定  40-41
  3.3 FFT与小波变换的比较  41-42
  3.4 本章小结  42-43
第4章电能质量监测系统硬件电路设计  43-54
  4.1 系统的总体框架设计  43-44
  4.2 自动转换电路设计  44-48
    4.2.1 电源转换电路  44-46
    4.2.2 量程自动选择电路  46-48
  4.3 模拟信号采集电路  48-50
    4.3.1 电压、电流信号的采集  48-49
    4.3.2 信号的A/D转换  49-50
  4.4 数字信号处理部分电路  50-53
    4.4.1 DSP与A/D的连接电路  50-51
    4.4.2 DSP与单片机的接口电路  51-53
  4.5 外围接口电路  53
  4.6 本章小结  53-54
第5章系统软件实现及测试结果分析  54-68
  5.1 软件实现环境  54-55
  5.2 基本电能参数量的测量结果分析  55-60
    5.2.1 频率测量和频率偏差计算  55-56
    5.2.2 电压、电流有效值和偏差值的计算  56-58
    5.2.3 功率相关值的计算  58-60
  5.3 不平衡度的计算  60-62
  5.4 谐波分析  62-67
    5.4.1 原始复杂信号的构建  62-63
    5.4.2 复杂信号的去噪  63-65
    5.4.3 去噪后信号的FFT和小波分析  65-67
  5.5 本章小结  67-68
第6章总结与展望  68-69
  6.1 总结  68
  6.2 进一步的工作  68-69
致谢  69-70
参考文献  70-72
附录  72-76
  附录A:数字电路PCB实物图  72-73
  附录B:模拟电路PCB实物图  73-74
  附录C:FFT变换源程序  74-76
攻读学位期间的研究成果  76

基于DSP的电能质量监测系统及算法设计

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