基于ARM的综合电力网络监控仪表的研制

摘要

随着国家经济的发展和智能电网的大力建设，各种电力设备被大量使用，由此而带来的电能质量问题，已经成为智能电网建设中急需解决的重要课题。电能质量监控作为解决该问题的前提条件，受到越来越高的重视。
　　 目前国内根据相关的国际标准已经提出了一系列关于电能质量的标准，国内的各种电力监控仪表也应运而生，但产品质量参差不齐。因此，本课题通过研究相关国家标准，结合当前大量使用的ARM内核的微控制器，融合时下大多数产品的特色功能，设计出了一款安装方便，性能可靠，智能化，网络化的电力网络监控仪表。
　　 本课题严格遵循国家标准，根据合作单位的要求，提出了仪表的功能和设计指标。该监控仪表能够对用电现场的各相电流、各相电压、功率因数、有功功率、电能、谐波等参数进行测量。除此之外，根据用户的设定可以进行报警和保护性操作，并对故障、报警等状态信息进行记录和查询，为提高故障信息的准确性，仪表设计了GPS时钟同步电路。仪表通过RS485总线组成一个实时的监控网络，对故障及报警点迅速定位，实时查询监控线路的运行状态，并扩展了1个GPRS接口，可以通过无线网络进行远距离数据传输。
　　 根据仪表的功能要求和设计指标，硬件设计采用了双CPU方案。主芯片选用32位高性能嵌入式微控制器LPC1764FBD100，利用其高性能的GPIO口、SPI接口、UART接口、定时器等丰富的硬件资源搭建系统平台，A/D采样选用专用的16位A/D转换器ADS8556。从机芯片选用8位微控制器P89LPC930在RS485总线上实现了Modbus协议和GPRS远程通信。系统的软硬件设计按照模块化进行，主要包括信号处理、数据存储管理、GPS同步定时、人机交互、报警保护、通信等模块。硬件设计主要围绕系统核心嵌入式微控制器进行，根据系统功能要求，选取相关芯片，设计各部分功能电路。软件设计利用微控制器强大的中断管理机制进行多任务处理，实现了对各功能模块软件任务的有序调度。
　　 GPS模块的引入，提高了仪表对于SOE事件的记录准确性。本文简要阐述了GPS定时原理，分析了电力系统不同行为对时间同步精度的需求，以及传统时间同步方法存在较大的误差，很难达到电力系统的要求，并且还容易受到电站内的电磁干扰影响等。利用GPS提供的时间信息和脉冲信号，提出了GPS同步定时的实现方法。
　　 论文最后介绍了对仪表功能的测试结果、误差分析和抗干扰设计，提出了改进抗干扰的设计方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 课题的研究现状

1．2．1 电力参数测量方法的研究现状

1．2．2 电力参数监测装置的研究现状

1．3 本论文的主要研究内容

1．4 创新点

第2章 系统总体设计及原理

2．1 电能质量定义

2．2 仪表的主要功能

2．3 仪表设计指标要求

2．4 测量算法

2．4．1 基本电参数算法

2．4．2 快速傅里叶变换(FFT)

2．4．3 谐波参数算法

2．5 GPS同步定时原理

2．5．1 GPS授时原理

2．5．2 GPS同步方法

2．5．3 GPS在SOE事件记录中的应用

2．6 SOE时间标注原理

2．6．1 信号抖动原因

2．6．2 时间标注方法

2．7 GPRS技术

第3章 硬件设计及实现

3．1 硬件的总体设计

3．2 功能电路分析

3．2．1 主控制器电路设计

3．2．2 A／D采样电路设计

3．2．3 时钟同步电路设计

3．2．4 数据存储电路设计

3．2．5 遥信和遥控电路设计

3．2．6 通信模块电路设计

3．2．7 人机交互电路设计

第4章 软件设计及实现

4．1 软件总体设计思想

4．2 软件总体设计流程

4．2．1 主程序总体设计

4．2．2 中断程序总体设计

4．3 各模块软件设计

4．3．1 数据采集与计算

4．3．2 报警保护

4．3．3 系统同步定时

4．3．4 通信设计

4．3．5 数据存储管理设计

4．3．6 人机交互

第5章 调试及抗干扰设计

5．1 误差分析

5．1．1 硬件电路误差分析

5．1．2 软件计算误差

5．2 抗干扰设计

5．2．1 硬件抗干扰设计

5．2．2 软件抗干扰设计

5．3 系统测试

5．3．1 人机交互功能测试

5．3．2 被测参数测试

5．3．3 系统时间同步测试

5．3．4 报警功能测试

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

学位论文评阅及答辩情况表