基于DSP和嵌入式系统的电能质量监测系统的研究与设计开题报告Word格式.docx

基于DSP和嵌入式系统的电能质量监测系统的研究与设计开题报告Word格式.docx

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陈庆伟

2007年7月28日填

一、拟选定学位论文的题目名称

基于DSP和嵌入式系统的电能质量监测系统的研究与设计

二、选题的科学意义和应用前景

电能质量直接关系到国民经济的总体效益，电能的应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要标志之一。

电能质量问题在许多国家已经引起电力部门和用户的广泛关注。

供电质量不高将引起产品质量下降，发电、输变电和用电带来不同程度的危害，甚至导致某些重要的生产过程中断，从而造成严重的经济损失。

为适应市场发展的需要，对电能质量指标进行监测、统计和分析，实现对电能质量的全面控制是十分必要的，为此各种电能质量检测装置应运而生。

然而随着时代的进步、科技的发展，现代电网与负荷结构已经发生了很大变化，传统的一些监测技术已经不能完整、准确地描述实际发生的动态电能质量。

问题，另外，电子技术和计算机技术的飞速发展使得网络化成为全球各行业的发展趋势，所以需要开发出界面友好、功能强大且具有很强通信功能的新型电能质量检测仪。

而且，这种电能质量监测、分析装置是电能质量分析仪的发展趋势，也是目前国内外研究的热点。

这种仪器在满足对各项电能指标，诸如：

电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、电压波动与闪变、电网谐波等测量与分析的同时必须具有友好的界面、强大的通信功能。

本课题的目标就是研制这样的电能质量分析仪，相信课题的研究成果在电力系统测量及控制领域会有一定的意义和价值。

三、背景科研项目情况简介

电能质量的检测与分析是提高电能质量的先决条件，部分发达国家早就已经逐渐展开了全面的研究，并已经有了比较成熟的电能质量检测分析仪器。

例如：

美国福禄克公司的F430系列三相质量分析仪、西门子公司的SIMEASP电能质量分析仪、莱姆公司的LEM3PQII（新型便携式质量分析仪）等。

这些仪器大都采用智能式，具有高精确度、高集成度及高可靠性的特点。

既有可对电能质量参数在线实时测量的便携式仪器，也有可对这些参数按天、按月进行累计分析的固定仪器，而且还具备谐波分析功能，但价格却是不菲。

相比国外而言，我国电能质量理论的全面研究比较薄弱，虽然已经有20多年的历史，而且一些厂家如上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽省振兴科技股份有限公司、保定三伊方长电力电子有限公司、深圳领步科技有限公司等生产的电能质量检测仪器能基本满足用户的要求，但总体上我国的电能质量检测产品还存在不少问题如:

检测指标不全面；

不少产品没有经过权威部门的全面认证，质量不高；

检测不方便，效率低；

实时监测系统尚处于试点阶段，离成熟推广还有相当距离；

产品缺乏相应的国家标准或工业标准。

如前所述，当前电能质量检测仪器需要的是高精度、多功能、友好的界面及良好的网络通信功能。

只有具有这些功能的产品在当今社会才会有强大的生命力。

国外一些发达国家早已开始了关于电能质量监测系统的设计实例，并具有了很好的性能，国内也开始了类似的工作的研究并且得一定的成就。

四、学位论文主要研究内容

系统总体构成：

系统由三个模块构成，系统数据采集模块、系统数据处理模块、系统控制模块。

首先通过传感器转换被测的电网上三相电压、三相电流信号，得到需要的模拟信号后；

对信号进行滤波等处理后，通过A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号；

同时将模拟信号送入CPLD，进行缺相判断。

将A/D转换后的数字信号送入DSP后，在DSP中进行运算处理；

将运算处理后的数据传输到ARM端，在ARM实现界面显示，并向上位机通信等功能；

同时通过人机交口，比如键盘，实现ARM的控制功能。

在这其中，系统内部各个部分的通信的逻辑控制都是通过CPLD来完成的。

1：

系统的数据采集电路：

通过霍尔传感器采集电网中电压电流信号并转换，经过信号处理电路送入A/D转换为数字信号，并在CPLD中完成缺相判断。

包括电网信号的采集，系统的通信。

系统通信包括系统内部通信和外部通信。

内部通信则是通过CPLD进行逻辑控制，DSP与ARM之间的通信功能的完善。

2：

电能质量分析方法：

主要研究小波变换在电能质量检测的应用，目前尚没有完善的用小波变换分析电能质量的软件，所以如何设计出关于小波变换的程序，并能在DSP中运行，实现对信号处理，是论文研究的核心内容之一。

3：

嵌入式Linux的系统开发：

主要研究如何进一步发展完善嵌入式系统的功能，充分利用ARM丰富的外设，比如用做出优秀的人机交互界面，如何与上位机通信等。

4：

系统的调试和优化：

包括采集电路板硬件和应用系统软件调试，实现预期参数的测量工作。

系统结构图初步设计如图1所示：

图1系统结构图

五、预期解决的主要问题

通常，现代电能质量监测系统的硬件设备都采用模块结构设计，嵌入式部分是系统的控制模块，该部分以高性能的MCU为核心，实现系统的任务调度、数据转存、人机交互以及对外通信等功能。

本课题以高性能ARM9嵌入式处理器为核心，构成系统的控制模块；

以高速数字信号处理器DSP为核心，构成系统的数据处理模块，并配以大容量的程序和数据存储器，以及各种类型的通信接口电路。

问题1：

电能质量检测的分析方法

电能质量分析的对象是各种系统监测器采集的电压电流信号。

由于各种因素影响，很难从时域波形中观察出各种扰动的特性，因此需要通过变换将时域信息映射到频域并将两者结合起来进行分析，而傅立叶变换就是最行之有效的工具。

自1965年离散傅立叶变换的快速算法（FFT）公布以来，随着计算机的广泛普及和计算机技术的飞速发展，快速傅立叶变换展示了其巨大的优势，广泛应用在许多科研领域和实际工程中。

但是傅立叶变换存着不克服的缺陷，即使是加窗傅立叶变换，其窗口的大小和形状也是固定不变的。

而小波变换在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，于是，本课题初步决定采用小波分析作为分析方法。

小波变换是80年代后期发展起来的应用数学的一个新分支，在利用小波变换进行电能质量扰动的分析时，一是应该确定小波的类型以及分解的尺度。

这是因为选用不同的小波进行分析的结果会明显不同，选取不同的小波基对电能质量扰动检测与识别的结果影响很大。

选取小波基时主要考虑计算速度、信号的重构精度、小波基的衰减性、相位特性、时频分辨率、去噪能力、正交性等。

二是如何选择小波变换尺度很关键，根据不同小波基来选择合适的尺度来区分不同类型的扰动。

三是如何把小波分析更好地与其他分析方法结合以提高抗噪能力和实时数据压缩。

四是如何构造出性能更优的小波基函数，或者提出更好的其他方法来提高电能质量扰动信号的检测识别和分类的效率，是一个具有理论和实用价值的研究方向。

小波的选择标准主要有:

紧支撑性、对称性、正交性、正则性、是否存在快速变换等。

通过对电能质量扰动信号分析，根据电能质量波形的特点，需要采用时域和频域同时具有良好的局部性，且对不规则性较为敏感的小波。

就电能质量信号而言。

运用小波或小波包变换进行时频域分析时，要求能够提取非平稳信号的瞬时、奇异与突变成分，即提取有限频带上的信息，也就是在特定尺度上进行小波变换。

因此，选择小波基时，考虑时频两域的紧支撑性尤为重要。

电能质量中短期变化包含短时失电、电压骤降、电压骤升以及时变谐波等。

对这些短期变化的情况，可以利用信号小波变换模极大值来定位其起止时刻。

考虑到要处理大量的数据，因此可选择阶数较低、对突变信号较为敏感的Daubechies4小波滤波器，使得对信号的筛选更为精确、高效。

DSP应用系统软件的设计程序流程图如下：

预期能选择合适的小波函数和分解层数对电能质量进行检测，编出小波分析的程序且能在DSP中运行，并指出来小波变换为何比FFT（傅立叶变换）能更好的分析电能质量。

问题2：

嵌入式Linux系统的开发

嵌入式系统主要是系统中的控制模块，主要原因实现系统中的任务调度、实现数据的转存，利用嵌入式的高性能开发出友好的人机界面，并实现数据向上位机数据通信。

图形用户界面的广泛流行是当今计算机技术的重大成就之一，它极大地方便了非专业用户的使用，人们不再需要死记硬背大量的命令，而可以通过窗口、菜单方便地操作。

通常所见的GUI都是位于PC机上的，而嵌入式系统由于其自身的硬件资源十分紧张，因此就出现了适合在嵌入式系统上运行的嵌入式GUI。

GUI开发工具的我选择了QT/Embedded，因为它有良好的可移植性和稳定性，配套的工具也比较多，用户可以在较短时间内开发出高品质的图形用户系统。

对用户图形界面编程要求：

简单、直观、可靠、占用资源小且反应快速，以适应系统硬件资源有限的条件。

本课题中，除了电能质量指标分析功能外，网络通信也是课题重点研究的方面。

为使研制的仪器具有竞争力，必须选用一种经济适用、切实可行且有广阔发展前景的通信方案。

从电力通信的发展趋势来看，由于载波通信（这里指的是过去的窄带载波不同于现今的低压宽带PLC）速度低、高频抗扰技术有待突破，除了在继电保护领域继续得到应用外，在其他业务的应用逐渐取消；

微波通信由于容易受干扰、误码率较高，应用也越来越少；

光线通信由于其高性能、大容量、高速度而得到迅速普及，目前大量的应用都建立在光纤通信基础之上，但其投资较大，不是所有应用场合都适用，如配电网抄表系统、各种监控系统等。

在查阅一些资料之后，本人初步设计了三种通信方案。

利用网线向上位机传输数据，不过网线传输的距离有限，所以这种方式适合在距离较近时使用，而且成本较低；

2:

利用GPRS，即通用分组无线业务，具有实时在线，高速传输等特别，可以作为远程通信的方式；

利用现场总线技术，一些现场总线，比如longworks支持设备间的点对点通信，能保证现场设备间通信的速率和可靠性。

本文预期能充分利用Linux操作系统软件平台的多任务多进程特点，完善并增强嵌入式系统的功能，比如开发出优秀的人机交互界面，并希望能根据现有条件，在考虑可行性和经济性的基础上，选择正确的通信方案，并能成功实现与上位机的通信，并能较好的处理传输的数据。

问题3：

数据采集模块的控制

在电能质量监测系统中，采集电路板主要用来完成对电网数据的采集任务，一般的电网信号采集电路都包括传感器（或互感器）、滤波器和A/D转换器，电网（模拟）信号经过传感器（或互感器）调整到系统可以接受的范围，经过滤波器滤除高次谐波，再经过A/D转换器就可以得需要的数字信号。

在此基础之上，为了使系统采集电路板具有更好的灵活性，同时简化电路设计、节约成本，充分利用CPLD的逻辑时序控制作用，实现系统内部的通信，设计以下主要方案：

①采集板上不设置专门的处理器芯片，而是由高性能的CPLD来完成各种逻辑和时序控制。

②通过基于CPLD的多通道缓冲串口（McBSP接口）将采集到的数据发送给DSP处理器，并接受来自处理器的控制信息。

③用于连接DSP处理器和ARM处理器的HPI接口电路也在CPLD内实现，与McBSP接口电路相互独立、互不干扰。

④同步采样电路所需的分频模块同样也是由CPLD来实现，可以任意调整分频次数。

预期实现目标，准确快速的采集并处理信号，能准确实现同步采样，完善DSP与ARM之间的数据传输交换。

六、开题条件

学术条件，目前国内外关于电能质量检测仪器的研究已经比较成熟，能基本满足用户的需求。

设备条件，DSP板和ARM板，大量关于电能质量检测的文献资料。

经费概算及其落实情况，经费概算大约3000—3500元，已基本落实。

七、文献综述

1．引言[1][2]

电能是一种由电力部门向用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品。

随着我国国民经济的蓬勃发展，当代电力系统的负荷结构发生了很大的变化。

许多新设