论文题目：基于微注入法监测配电电缆绝缘状态的信号采集装置
摘要：随着城市现代化发展,配电电缆得以广泛应用,但其长期运行可能存在绝缘劣化现象,造成停电事故,严重时引起火灾并威胁人身安全,因此需要对配电电缆进行在线监测。微注入式配电电缆绝缘劣化在线监测方法采用注入超低频低压信号的方式,实现电缆绝缘阻抗检测。采集装置作为监测装置的重要组成部分,需要采集装置实现对微弱信号的高速准确采集,因此采集装置的综合性能对绝缘状态评估有重要的影响。微注入式配电电缆绝缘劣化在线监测装置原先使用NI 9202和Lab View的构架完成数据采集,再将采集的数据送至计算机进行数据处理。这种构架的可扩展性较差,例如量程不能按照用户的需求灵活变换,且在技术大规模推广时,其昂贵的硬件成本限制了整个监测装置的性价比。而本文所研究的基于嵌入式系统的采集装置有低成本、小体积、较强的抗电磁干扰能力等特点,更适合在配电所中监测配电电缆的绝缘状态。微注入式配电电缆绝缘劣化在线监测装置除了对实时采集装置有高精度、高采样率、高稳定性等需求外,还要求能够实现多通道采集来降低成本。在多通道高采样率的前提下,要实现所有数据的连续采集、存储、计算等功能,对实时采集装置的并行控制能力、内存空间大小、计算速度是极大的考验。本文针对以上项目需求,首先进行了采集装置的整体设计方案。选择了通用性能强且有并行处理能力的FPGA作为控制芯片,选择了计算速度快、精度高的DSP作为计算芯片。由于FPGA只能进行定点运算,故若只使用FPGA进行控制和计算就做不到高精度的测量。由于DSP工作方式是顺序执行,故若只使用DSP进行控制和计算,DSP会一直工作在接收模数转换器的数据上,无法进行计算。故本文提出24位模数转换芯片+FPGA+DSP这种硬件架构,充分利用FPGA和DSP的优势,实现数据连续采集与传输:FPGA一直进行数据接收,接收完的数据缓存在内存中,同时设定时间周期,每个周期以极高的速度向DSP发送一次缓存的数据,从FPGA数据开始发送到DSP数据接收完毕所消耗的时间仅占时间周期的一小部分,剩余时间留给高性能的DSP进行高精度的浮点运算。只依靠上述硬件架构并不能实现数据的连续传输,还需要在软件层面设置缓存功能,而缓存区的设置不能一成不变,否则会造成数据未读取完就被强行覆盖。为了解决这一问题,本文提出使用牺牲空间以换取时间上的连续的方法来设置缓存区,确保数据流畅、正常地连续读取。基于以上硬件架构与软件设计,完成了硬件、软件开发与相应的调试工作。并根据大量测试数据修正了由于硬件电路本身以及零漂等原因带来的测量误差,最终实时采集装置能够连续采集所有采样数据并且在DSP中完成FFT以及其他的相关计算。最后,对实时采集装置进行了性能测试,测试结果表明实时采集装置的主要性能达到了设计的指标要求。
关键词：配电电缆绝缘状态;在线监测;采集装置;FPGA;DSP;乒乓操作
学科专业：电气工程
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 绝缘电缆在线监测方法研究现状
1.2.2 应用于电力系统的采集装置及其现状
1.3 本文的主要工作
1.3.1 课题来源及研究内容
1.3.2 章节安排
2 系统整体方案设计
2.1 微注入法介绍与项目需求分析
2.1.1 微注入法介绍
2.1.2 项目需求分析
2.2 实时采集装置整体方案
2.3 本章小结
3 实时采集装置硬件研制
3.1 信号调理电路
3.2 FPGA电路设计
3.2.1 电源电路及复位电路设计
3.2.2 配置电路设计
3.2.3 时钟电路与PLL
3.3 PCB设计
3.4 电磁兼容设计
3.5 本章小结
4 实时采集装置程序开发
4.1 FPGA程序设计
4.1.1 复位程序和PLL程序设计
4.1.2 ADS1278 控制程序设计
4.1.3 数据缓存程序设计
4.1.4 FPGA与 DSP通信程序
4.2 DSP程序设计
4.2.1 数据包接收与解包程序
4.2.2 DSP计算程序
4.2.3 串口输出程序
4.3 本章小结
5 实时采集装置性能测试
5.1 硬件调试
5.2 软件调试
5.2.1 出现的问题
5.2.2 功能验证与装置校准
5.3 性能测试
5.3.1 基波准确度试验
5.3.2 二次谐波准确度试验
5.4 本章小结
6 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 展望
致谢
参考文献