毕业论文电能质量分析及其监测系统的硬件设计.doc
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（2012届）
毕业设计
题 目：
电能质量分析及其监测系统的硬件设计
学 院：
专 业：
班 级：
学 号：
姓 名：
俞晓星
指导教师：
海瑛
教 务 处 制
2012年5月18日
III
诚信声明
我声明，所呈交的论文是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得＿＿＿＿＿＿或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
我承诺，论文中的所有内容均真实、可信。
论文作者签名：
签名日期：
年月日
授权声明
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论文作者签名：
签名日期：
年月日
电能质量分析及其监测系统的硬件设计
摘要
电能质量的重要性随着国民经济的快速发展而不断增强，并且日益受到电力部门和消费者的重视。
与此同时当今社会对电能质量，特别是暂态电能质量的要求越来越高，原有的测量技术、装置已不能满足要求，时代和社会的发展要求我们必须发展新的监测技术。
在这样的大背景下，本文根据电能质量监测新技术的各项指标和要求首先对电能质量问题和电能质量概念全局上做了统述，接着详细的介绍了电能质量的控制技术和方法。
接着详细阐述了电能质量的基本理论问题及其分析研究方法，并对该领域的发展方向进行了初步探讨，最后本文站在全局的高度指出电能质量控制不能仅仅只靠技术来解决问题,应从管理、规划等方面统筹考虑如何合理利用电能,切切实实提高电能质量。
关键词：
电能质量，监测，分析方法，控制技术
Powerqualityanalysisandmonitoringsystemhardwaredesign
Abstract
TheimportanceofpowerqualityWiththerapiddevelopmentofthenationaleconomygrowing,andincreasinglytheattentionofthepowersectorandconsumers.Atthesametimeintoday'ssocietyofpowerquality,especiallytheincreasinglyhighdemandoftransientpowerquality,originalmeasurementtechniques,thedevicecannolongermeettherequirementsnecessarytodevelopnewmonitoringtechniques.Aresummarizedinthisarticlefirstconceptofpowerqualityandpowerqualityclassificationbasedonindicatorsandrequirementsofthenewtechnologiesofpowerqualitymonitoring,powerqualitycontrolmethodsandtechniques.Thendescribedthebasictheoryofpowerqualityproblemsandanalysisofresearchmethods,anddirectionofdevelopmentinthefieldwerediscussed,Finally,standingintheoverallperspectivethatthepowerqualitycontroljusttechnologyalonecannoteffectivelysolvetheproblem,butalsofromtheplanning,managementandotherconsiderations,andtherationaluseof,inordertoeffectivelyimprovethepowerquality.
Keywords:
Powerquality，monitoring，Analyticalmethods，Controltechnology
目录
摘要 III
Abstract IV
1绪论 1
1.1本文的研究背景和意义 1
1.2电能质量监测国内外研究情况 1
1.2.1国外现状 1
1.2.2国内现状 2
1.3论文研究的主要内容 2
2电能质量的监测原理 4
2.1电能质量的基本概念及主要指标 4
2.2电能质量指标的算法和测量 4
3电能质量监测系统硬件设计 9
3.1现场监测单元采样频率、精度的要求 9
3.2同步采样监测系统的要求 9
3.3电能质量监测与分析系统的硬件结构实现 10
3.4设计说明与方案评价 11
3.4.1ATT7022B芯片介绍简介 12
3.4.2数据采集模块 13
3.4.3ATT7022B内置7路AD转换电路 14
3.4.4A/D转换电路 15
3.4.5基于DSP的电能计量芯片 16
3.4.6SPI接口电路 17
3.4.7液晶显示电路 18
3.4.8串行通讯接口 19
3.4.9控制模块电路 19
3.4.10存储器电路 20
4电能质量监测系统的软件设计 22
4.1数据采集模块 23
4.2数据处理模块 37
4.3单片机控制模块 24
4.4显示模块 26
4.5上传模块 27
结论与展望 27
参考文献 29
致谢 31
附录图1硬件总体连接图 32
31
电能质量分析及其监测系统的硬件设计
1绪论
1.1本文研究的背景和意义
电能是现代社会最为广泛使用的能源,电能质量关系到各行各业和人民生活用电,关系到国民经济总体效益。
随着科学技术的进步和生产过程的高度自动化,以及大规模的电源并网使得大量的电力电子转换器引入到电力系统中，从而大量的非线性负载也掺杂进入了供电系统中，由此对电力系统造成了严重的污染，产生较为严重的电能质量问题，与此同时各种设计精密且对电能质量要求较高、较为敏感的用电设备也随之越来越多。
直接导致两方面的矛盾日益尖锐，不同用户对电能质量的要求也就相应的水涨船高，在这样的环境下，探讨电能质量领域的相关问题及其理论控制技术，分析我国当前电能质量控制和管理的发展趋势，具有很强的观实需要和现实意义。
众所周知，由于所处立场不同，关注或表征电能质量的角度不同，人们对电能质量的定义还未能达成完全的共识，早期的电能质量问题主要局限在频率偏移和电压偏移两个方面，直至二十世纪八十年代，随着新兴负荷的出现电能质量的问题才重新提上了日程并逐步的引起电力公司和用户的普遍重视，人们开始将视角转移到电网谐波污染、三相电压不平衡、电压波动和闪变所造成的电网电能质量低劣，用户生产力下降，竞争力减弱等一系列与当前经济发展息息相关的电能质量问题并对其主要技术指标有了较为一致的认识。
目前电能质量中许多问题已日益成为电工领域的前沿性课题，吸引了许多科研院所、高等院校和大批电力科技研究人员投入其中从事开发性或开拓性工作。
本文的指导老师海瑛就长期从事于智能电表的研究，并取得了一系列重要成果，本文就是在导师相关研究基础上的改进。
总之，电能质量直接关系到国民经济的总体效益，改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。
1.2电能质量监测国内外研究情况
1.2.1国外现状
众所周知电能质量直接关系到工业生产和民生用电，在美国等发达国家很早便对电能质量的监测表示出了相当的重视，在时域仿真、频域变换、小波变换、人工神经网络以及现代通信技术和Intemet技术为核心的电能质量监测技术均走在了时代的前列，进入21世纪以来，电能质量监测和治理技术日臻完善，电能质量终端监测产品不断涌现，并得到了广泛的应用。
国际统一的数据交换标准也逐步的形成，相应的在电能质量监测方面也涌现了一大批著名的研究机构和企业，比如瑞典联合电力公司UniPower、美国电科院EPRI、以色列Elspec公司、美国电能标准实验室PSL、美国电力士公司Dranetz-BMI等。
它们在电能质量监测和治理方面取得了不少成果，代表了当今世界电能质量监测领域的前沿方向。
1.2.2国内现状
相对于发达国家我国电能质量监测系统起步较晚，不管是在科研领域还是在实际工业应用领域与西方发达国家相比均存在一定差距，目前国内广泛采用统计型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪只能监测电压合格率，需要人工抄表，缺乏统计分析功能。
到目前为止国内对电能质量监测系统虽然有了一定的研究但从具体的应用实际来看作为完整的实时监测系统在工程实践中并不多见还存在不少问题，所有的这些方面都需要我们不断的去改进与完善。
而另一方面我国电能质量监测发展迅速，主要表现在我国正在积极采用国际标准和国外先进标准，特别是IEC制定的EMC标准。
并由此涌现出了一批企业和实验室对电能质量进行深入研究并制定相应标准同时开发出了拥有了一定自主知识产权的产品，我国的电能质量正向着网络化、信息化、智能化、标准化的方向迈进。
总的说来，目前我国电能质量监测和分析装置大多采用的是国外产品，价格昂贵，而这恰恰是摆在我们面前的机遇和挑战，开发实用、准确、可靠性高的电能质量监测产品，提高我国电能质量监测的自动化水平，是当前摆在我们面前的一项重要课题。
1.3论文研究的主要内容
本论文紧密结合导师的智能电表研究项目，在借鉴同类研究的基础上，从测量装置的硬件设计、软件设计、算法分析等角度对电能质量开展研究，在侧重点上本文的主要工作是介绍该设计的硬件部分，主要功能是准确分析谐波参数（电压、电流、谐波等）。
设计思路上主要通过各个模块单独成型设计，然后在此基础上以单片机做为主要串列点将各个分模块有机的串联起来，从而形成一个完整的硬件程序图。
总的程序模块由模拟采样模块、AD转换模块、显示模块、通讯模块四个部分组成。
通过设计该电能质量监测的硬件系统，以实现对三相谐波电流和电压的基波和各次谐波、功率因数、有效值、有功、无功参数的计算、显示等功能。
论文主要章节安排如下：
第一章系统的介绍了论文研究的背景和意义以及电能质量监测国内外研究情况，同时初步介绍了本文研究的主要内容。
第二章主要针对电能质量的测量原理，详尽的介绍了电能质量的基本概念及主要指标，包括电压质量、电流质量、频率质量并进一步介绍了电能质量指标的相关算法和测量。
第三章是本文的核心部分，系统详尽的介绍了电能质量监测系统硬件设计，包括硬件总体结构、本设计核心部分是ATT7022B专用电能质量检测芯片，重点介绍了本次设计的硬件总体连接图，并根据连接图进行进一步的分割与说明，这其中包括单片机微处理器模块，数据测量与转换电路，计算并送终端设备显示电路，通信转换电路等的具体说明，详细介绍了各模块的设计方法和电路原理图以及各模块之间信息交换协调工作情况。
第四章简要的介绍了与此课题相对应软件设计方法、所编写的模拟仿真的软件程序。
第五章是本次设计的结论与展望。
2电能质量的测量原理
2.1电能质量的基本概念及主要指标
电能质量只是一个抽象概念，我们知道Power本身并不具备质量属性，所以不能认为是电能的质量问题。
电力工作者在现实使用过程中考虑到电压、电流间的紧密联系，将业间的大部分扰动统称为电能质量。
从本质上讲，电能质量包括电压质量、电流质量和频率质量等三个方面的内容
（1）电压质量一般表示为实际电压与理性电压的偏差，通常包括电压频率偏差、电压偏差、电压陷波、电压不平衡、电压波动与闪变、电压瞬变现象、电压暂降（暂升）与中断、电压谐波、欠电压、过电压等。
（2）电流质量则与电压质量关联度较大，有时甚至不加以区分。
切实提高电网电能的传输效率有效途径之一不仅要求用户获取的电流是正弦波且频率保持单一外，还应尽量保持该供电电压与电流波形相同。
电流质量可以归纳为谐波、电流间谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。
因而研究电流质量有助于改善电网电能质量，降低电能在传输线路上的损耗。
（3）频率质量
频率质量是电能质量第三层含义，主要是指为维持电力系统的安全稳定运行或恢复系统安全，以及为保证电能供应，满足电压等要求所需要的一系列服务。
其的市场模式包括统一型、投标型和双边合同型三种，或者是其中两种的结合。
2.2电能质量指标的算法和测量
电能质量各项指标的计算建立在数据采集的基础上，根据所采样的数据再分别的计算出电能质量的各项指标如电压偏差、谐波、频率偏差、三相电不平衡度、电压波动与闪变、暂时过电压和瞬态过电压等。
本装置通过高速率采样达到高精度要求，以128点作为一个工频周期内每个通道的采样点。
下面详细介绍相关的算法。
（1）供电频率的测量
供电频率的测量主要有周期法、解析法、和傅里叶变换算法（FFT、CZT）[等。
周期法、解析法求取频率的精度与系统采样频率有关,傅里叶变换算法与其运算点数有关。
结合本文实际这里重点介绍周期法结合小波去噪的方法。
其原理如下：
高斯白噪声是最常见的一种噪声，其往往具有叠加性，受其污染的观测信号可以表示为：
z=1,.....n（2-1）
其中为含噪信号，为理想信号，为独立同分布的高斯白噪声，为噪声水平，n为信号长度。
根据信号和干扰在小波变换下的不同特性，辅助小波分解系数可以达到两者分离的目的。
总结起来周期法结合小波去噪的方法总共分为三步
1）对观测到的数据做小波分解变换
（2-2）
其中y表示观测数据向量，f是真实信号向量，，Z是高斯随机向量。
2）对小波系数o做门限阀值处理，这里用到了著名的阀值形式：
（2-3）
由此公式我们不难发现当n取无限大时，我们几乎可以完全忽视杂波的干扰
3）对处理过的小波系数作的逆变换重构信号处理
（2-4）
此时我们得到的信号已经是去除污染的‘纯净信号’。
（2）电压合格率的检测
电压是电能质量的一项重要衡量指标，电压质量的好坏，将直接影响到用电设备的安全及相应产品质量的优劣，而检测电压的合格率首要任务便是电压有效值的计算,根据电压有效值定义：
（2-5）
我们可以对被测电压先进行平方，然后在时间上取平均值，再求平方根，从而得到其有效值的模拟过程。
具体展开如下：
在这里平方、开方我们用模拟乘法器实现，积分则由运算放大器组成的积分器实现。
在乘法器的两端同时加入被测信号，根据相乘运算功能，在输出端我们可以得到进而可得
（2-6）
根据虚地原理，我们很快便可得到,由此我们可得，引入变量，则可得，从而最终的为：
（2-7）
（3）电压波动和闪变的测量
由于规则或不规则的合闸和跳闸所产生的非线性交变负荷所导致的电流在与频率有依赖关系的电网阻抗上所造成的相应电网电压的波动与闪变，这就是所谓的电压的波动和闪变，其相当于在50Hz的基波电压上迭加一系列的调幅波，我们可以表示成如下公式：
（2-8）
式中A一电压幅值;
一调幅波的幅度值;
一电网上基波电压的角频率值;
一调幅波i的角频率值;
i一调幅波序号值;
一基波电压初相角;
一调幅波初相角;
一般的电压波动的频率变化范围在0.01HZ-30HZ之间，电网电压有效值变化速度与额定电压相比得到的变化率的最低要求为每秒0.2%，一般的我们把相邻两个极值电压有效值之差定义为电压波动值，则供电电压的额定值可以用百分值表示：
（2-9）
（4）三相不平衡的测量
三相不平衡是电能质量测量中较为关键的一环，三相电压的不平衡度一般以负序分量的均方根值与正序分量的均方根值的比值来表示，我们假定为三相电压正序分量的均方根值；为三相电压负序分量的均方根值，则三相不平衡度可以表示为。
现实生活中的三相不平衡度往往又分为两种，含有零序分量的的三相系统和没有零序分量的三相系统，在使用过程中我们需详细的加以区分
1）没有零序分量的三相系统
当三相电量中不含零序分量时，根据已知的三相量，我们可以把三相不平衡度表示为：
（2-10）
式中（2-11）
当把电压符号换成电流符号时即可得到相应的三相电流不平衡度。
2）含有零序分量的的三相系统
此时应用对称分量法，这时的三相不平衡度可以表示为：
（2-12）
式中为a相基波电压；为b相基波电压；为c相基波电压；为正序分量；为负序分量；为零序分量。
其中a为旋转因子，（2-13）
（5）谐波含量情况的测量
谐波的定义为一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，这是谐波较为宽泛的定义，严格意义上讲谐波专指电流中含有的频率为基波的整数倍的电量。
在电力系统中谐波总是无可避免而存在的，不管是发电设备还是用电设备，与此同时谐波的危害十分严重，其的存在对电网安全稳定和经济运行产生了较大的影响并严重干扰与破坏与其有牵连的电气信号
目前为止测量电力系统谐波的主要方法有采用带阻滤波器或采用模拟带通两种方法，具体划分为基于傅立叶变换原理的谐波测量，基于瞬时无功功率的谐波测量，建立在神经网络基础上的谐波测量，利用小波分析方法进行谐波测量五大模块，由于本专业知识限制，本文主要探讨基于虚拟仪器的谐波测量，程序设计如下：
假设有一个周期为非正弦电压，此时满足狄里赫利条件从而分解为如下的傅立叶级数：
（2-14）
式中（2-15）
（2-16）
此项公式只对谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比时适用，当电网中出现非正弦电流时则需把式中的转换成。
3电能质量监测系统硬件设计
新的监测技术对电能质量监测系统的设计提出了新的要求，分布式电能质量监测系统主要由现场监测单元和后台主站组成，下面我们详细分析现场监测单元的特点和设计要求。
3.1现场监测单元采样频率、精度的要求
采样速率和采样精度是决定交流采样系统性能的重要技术指标,从某个意义上说为了节约系统成本，提高监测系统的实时性，我们需要找到一个采样频率和采样精度的最佳匹配点。
一般的应先确定采样精度，再选择采样速率。
当采样速率与采样精度达到最佳匹配时，系统将发挥最佳效能且成本最低，一般的在确定系统参数时我们可以根据：
（3-1）
（为被测信号的峰值）的匹配关系进行选择，此时系统处于最佳工作状态。
在实际电网中，谐波分析一般取2~30次，实际测量系统中的采样频率至少为每周期波64次，一般采用128次以上。
如果每周波采样128次，那么每个采样点之间的时间间隔仅有156us，传统的单片机的指令周期最快能达到160ns，在多个通道同时采样的情况下，很难满足实时测量的要求，因此传统的谐波分析仪仅仅能达到19次，对暂态指标则根本没法分析。
相对于基波分量而言电力系统中高次谐波的含有量是非常低的，谐波次数越高其含量越低。
我们假设采用12位分辨率的A/D转换芯片，很明显此时的A/D转换精度是不够的，以15次谐波为例其所引起的误差至少为1.67%，而在实际谐波测量中我们一般需要测量谐波的最少次数为30次，显而易见这样将产生更大的误差，所以高次谐波测量所得的数据可信度往往较低，因此在实际现场监测单元中我们使用的A/D转换器的分辨率至少应在14位以上以保证监测数据的精确性。
3.2同步采样监测系统的要求
国家电能质量的相关标准规定：
谐波测量需测量谐波次数范围为从第2～63次。
即每个电网谐波采样128点即可满足测量要求。
因此,设计思路上我们可采用锁相倍频电路将输出信号进行128倍分频,并严格与输入信号同步,压控振荡器产生128倍频同步触发信号,控制采样及保持电路进行A/D转换，从而快速的检测出谐波分量并满足计算的精度和实时性的要求。
DSP
现场可编程门阵列
AD电路
电压互感器
锁相环
图3-2同步采样硬件原理图
以上为此部分设计的硬件原理图，我们可以清晰的看到其硬件电路由锁相环路、AD采集器、FPGA存储电路组成。
电压信号从电压互感器出来,通过电压比较器整形为方波,经过光电耦合器隔离后送入FPGA内置触发器进行二分频,分频后的信号经高速光耦把数字部分和模拟部分电路相隔离,并进一步隔离了强弱电之间的电气连接，从而起到了同步采样的目的。
3.3电能质量监测与分析系统的硬件结构实现
电能质量监测系统的设计不仅需要能测量基本的稳态电能质量参数，如平稳谐波、电压偏差、三相不平衡，还要提供电能质量参数瞬时采样数据和暂态情况，如电压凹陷、由于非线性冲击负荷所引起的电压波动和谐波等。
目前现有的电能质量监测仪在线分析多项电能指标时一般采用采样分析和串行处理等技术，而一旦在处理过程中采样被人为的停止，本次采样的大量数据将丢失，其所反映的电能质量真实情况也就极其片面的了，这是我们所不愿意看到的也是我们该极力想办法避免的。
在电力谐波测量系统中，为了得到电力系统谐波最真实的情况，使其具有较强的测量功能、高速率、并且准确度高和抗干扰性能力强，同时尽可能降
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