畢業(yè)論文電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、 （20122012 屆）屆）畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目： 電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 學(xué)院： 專業(yè)： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 俞曉星 指導(dǎo)教師： 海瑛 教務(wù)處制 2012 年 5 月 18 日誠誠 信信 聲聲 明明我聲明，所呈交的論文是本人在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。我承諾，論文中的所有內(nèi)容均真實(shí)、可信。 論文作者簽名： 簽名日期： 年 月 日I授授 權(quán)權(quán) 聲聲 明明 學(xué)校有權(quán)保留送論文交的原件，允許論文被查閱和借閱，學(xué)?？梢怨?/p>

2、布論文的全部或部分內(nèi)容，可以影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文，學(xué)校必須嚴(yán)格按照授權(quán)對(duì)論文進(jìn)行處理，不得超越授權(quán)對(duì)論文進(jìn)行任意處置。論文作者簽名： 簽名日期： 年 月 日IIIII電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 摘摘 要要電能質(zhì)量的重要性隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展而不斷增強(qiáng)，并且日益受到電力部門和消費(fèi)者的重視。與此同時(shí)當(dāng)今社會(huì)對(duì)電能質(zhì)量，特別是暫態(tài)電能質(zhì)量的要求越來越高，原有的測(cè)量技術(shù)、裝置已不能滿足要求，時(shí)代和社會(huì)的發(fā)展要求我們必須發(fā)展新的監(jiān)測(cè)技術(shù)。在這樣的大背景下，本文根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)新技術(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)和要求首先對(duì)電能質(zhì)量問題和電能質(zhì)量概念全局上做了統(tǒng)述，接著詳細(xì)的介紹了電能質(zhì)量的控制技術(shù)和方

3、法。接著詳細(xì)闡述了電能質(zhì)量的基本理論問題及其分析研究方法，并對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展方向進(jìn)行了初步探討，最后本文站在全局的高度指出電能質(zhì)量控制不能僅僅只靠技術(shù)來解決問題,應(yīng)從管理、規(guī)劃等方面統(tǒng)籌考慮如何合理利用電能,切切實(shí)實(shí)提高電能質(zhì)量。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量，監(jiān)測(cè)，分析方法，控制技術(shù)IVPower quality analysis and monitoring system hardware designAbstractThe importance of power quality With the rapid development of the national economy growing,

4、 and increasingly the attention of the power sector and consumers. At the same time in todays society of power quality, especially the increasingly high demand of transient power quality, original measurement techniques, the device can no longer meet the requirements necessary to develop new monitor

5、ing techniques. Are summarized in this article first concept of power quality and power quality classification based on indicators and requirements of the new technologies of power quality monitoring, power quality control methods and techniques. Then described the basic theory of power quality prob

6、lems and analysis of research methods, and direction of development in the field were discussed, Finally, standing in the overall perspective that the power quality control just technology alone can not effectively solve the problem, but also from the planning, management and other considerations, a

7、nd the rational use of, in order to effectively improve the power quality.Keywords: Power quality，monitoring，Analytical methods，Control technologyV目錄摘 要.IIIAbstract.IV1 緒論.11.1 本文的研究背景和意義.11.2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)國內(nèi)外研究情況.11.2.1 國外現(xiàn)狀.11.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀.21.3 論文研究的主要內(nèi)容.22 電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)原理.42.1 電能質(zhì)量的基本概念及主要指標(biāo).42.2 電能質(zhì)量指標(biāo)的算法和測(cè)量.43

8、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).93.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元采樣頻率、精度的要求.93.2 同步采樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求.93.3 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn).103.4 設(shè)計(jì)說明與方案評(píng)價(jià).113.4.1ATT7022B 芯片介紹簡(jiǎn)介 .123.4.2 數(shù)據(jù)采集模塊.133.4.3ATT7022B 內(nèi)置 7 路 AD 轉(zhuǎn)換電路.143.4.4A/D 轉(zhuǎn)換電路.153.4.5 基于 DSP 的電能計(jì)量芯片 .163.4.6 SPI 接口電路.173.4.7 液晶顯示電路.183.4.8 串行通訊接口.193.4.9 控制模塊電路.193.4.10 存儲(chǔ)器電路.204 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).224

9、.1 數(shù)據(jù)采集模塊.234.2 數(shù)據(jù)處理模塊.374.3 單片機(jī)控制模塊.244.4 顯示模塊.264.5 上傳模塊.27結(jié)論與展望.27參考文獻(xiàn).29VI致謝.31附錄圖 1 硬件總體連接圖.32嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)01 1 緒論緒論1.1 本文研究的背景和意義 電能是現(xiàn)代社會(huì)最為廣泛使用的能源,電能質(zhì)量關(guān)系到各行各業(yè)和人民生活用電,關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)總體效益。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)過程的高度自動(dòng)化,以及大規(guī)模的電源并網(wǎng)使得大量的電力電子轉(zhuǎn)換器引入到電力系統(tǒng)中，從而大量的非線性負(fù)載也摻雜進(jìn)入了供電系統(tǒng)中，由此對(duì)電力系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的污染，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題，與此同時(shí)各種設(shè)計(jì)精密且對(duì)電能

10、質(zhì)量要求較高、較為敏感的用電設(shè)備也隨之越來越多。直接導(dǎo)致兩方面的矛盾日益尖銳，不同用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也就相應(yīng)的水漲船高，在這樣的環(huán)境下，探討電能質(zhì)量領(lǐng)域的相關(guān)問題及其理論控制技術(shù)，分析我國當(dāng)前電能質(zhì)量控制和管理的發(fā)展趨勢(shì)，具有很強(qiáng)的觀實(shí)需要和現(xiàn)實(shí)意義。眾所周知，由于所處立場(chǎng)不同，關(guān)注或表征電能質(zhì)量的角度不同，人們對(duì)電能質(zhì)量的定義還未能達(dá)成完全的共識(shí)，早期的電能質(zhì)量問題主要局限在頻率偏移和電壓偏移兩個(gè)方面，直至二十世紀(jì)八十年代，隨著新興負(fù)荷的出現(xiàn)電能質(zhì)量的問題才重新提上了日程并逐步的引起電力公司和用戶的普遍重視，人們開始將視角轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)諧波污染、三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)和閃變所造成的電網(wǎng)電能質(zhì)

11、量低劣，用戶生產(chǎn)力下降，競(jìng)爭(zhēng)力減弱等一系列與當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)的電能質(zhì)量問題并對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)有了較為一致的認(rèn)識(shí)。目前電能質(zhì)量中許多問題已日益成為電工領(lǐng)域的前沿性課題，吸引了許多科研院所、高等院校和大批電力科技研究人員投入其中從事開發(fā)性或開拓性工作。本文的指導(dǎo)老師海瑛就長期從事于智能電表的研究，并取得了一系列重要成果，本文就是在導(dǎo)師相關(guān)研究基礎(chǔ)上的改進(jìn)。 總之，電能質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益，改善電能質(zhì)量對(duì)于電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障產(chǎn)品質(zhì)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及人民生活和生產(chǎn)的正常等均有重要意義。1.2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)國內(nèi)外研究情況1.2.1 國外現(xiàn)狀 眾所周知電能質(zhì)量直接關(guān)系到工業(yè)

12、生產(chǎn)和民生用電，在美國等發(fā)達(dá)國家很早便對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)表示出了相當(dāng)?shù)闹匾?，在時(shí)域仿真、頻域變換、小波變換、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)代通信技術(shù)和 Intemet 技術(shù)為核心的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)均走在了時(shí)代的前列，進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和治理技術(shù)日臻完善，電能質(zhì)量終端監(jiān)測(cè)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，并得到了廣泛的應(yīng)用。國際統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)1也逐步的形成，相應(yīng)的在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面也涌現(xiàn)了一大批著名的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)，比如瑞典聯(lián)合電力公司 UniPower、美國電科院 EPRI、以色列 Elspec 公司、美國電能標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室 PSL、美國電力士公司 Dranetz-BMI 等。

13、它們?cè)陔娔苜|(zhì)量監(jiān)測(cè)和治理方面取得了不少成果，代表了當(dāng)今世界電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的前沿方向。1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀 相對(duì)于發(fā)達(dá)國家 我國電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)起步較晚，不管是在科研領(lǐng)域還是在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域與西方發(fā)達(dá)國家相比均存在一定差距，目前國內(nèi)廣泛采用統(tǒng)計(jì)型電壓表監(jiān)測(cè)電壓質(zhì)量水平，這些電壓監(jiān)測(cè)儀只能監(jiān)測(cè)電壓合格率，需要人工抄表，缺乏統(tǒng)計(jì)分析功能。到目前為止國內(nèi)對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然有了一定的研究但從具體的應(yīng)用實(shí)際來看作為完整的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程實(shí)踐中并不多見還存在不少問題，所有的這些方面都需要我們不斷的去改進(jìn)與完善。 而另一方面我國電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)發(fā)展迅速，主要表現(xiàn)在我國正在積極采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，

14、特別是 IEC 制定的 EMC 標(biāo)準(zhǔn)。并由此涌現(xiàn)出了一批企業(yè)和實(shí)驗(yàn)室對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行深入研究并制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)開發(fā)出了擁有了一定自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，我國的電能質(zhì)量正向著網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向邁進(jìn)。 總的說來，目前我國電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和分析裝置大多采用的是國外產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，而這恰恰是擺在我們面前的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，開發(fā)實(shí)用、準(zhǔn)確、可靠性高的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，提高我國電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化水平，是當(dāng)前擺在我們面前的一項(xiàng)重要課題。1.3 論文研究的主要內(nèi)容 本論文緊密結(jié)合導(dǎo)師的智能電表研究項(xiàng)目，在借鑒同類研究的基礎(chǔ)上，從測(cè)量裝置的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、算法分析等角度對(duì)電能質(zhì)量開展研究，在側(cè)重點(diǎn)上本文

15、的主要工作是介紹該設(shè)計(jì)的硬件部分，主要功能是準(zhǔn)確分析諧波參數(shù)(電壓、電流、諧波等)。設(shè)計(jì)思路上主要通過各個(gè)模塊單獨(dú)成型設(shè)計(jì)，然后在此基礎(chǔ)上以單片機(jī)做為主要串列點(diǎn)將各個(gè)分模塊有機(jī)的串聯(lián)起來，從而形成一個(gè)完整的硬件程序圖?？偟某绦蚰K由模擬采樣模塊、AD 轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、通訊模塊四個(gè)部分組成。通過設(shè)計(jì)該電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的硬件系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相諧波電流和電壓的基波和各次諧波、功率因數(shù)、有效值、有功、無功參數(shù)的計(jì)算、顯示等功能。論文主要章節(jié)安排如下： 第一章系統(tǒng)的介紹了論文研究的背景和意義以及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)國內(nèi)外研究情況，同時(shí)初步介紹了本文研究的主要內(nèi)容。 第二章主要針對(duì)電能質(zhì)量的測(cè)量原理，詳盡的介紹了

16、電能質(zhì)量的基本概念及嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)2主要指標(biāo)，包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、頻率質(zhì)量并進(jìn)一步介紹了電能質(zhì)量指標(biāo)的相關(guān)算法和測(cè)量。 第三章是本文的核心部分，系統(tǒng)詳盡的介紹了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括硬件總體結(jié)構(gòu)、本設(shè)計(jì)核心部分是 ATT7022B 專用電能質(zhì)量檢測(cè)芯片，重點(diǎn)介紹了本次設(shè)計(jì)的硬件總體連接圖，并根據(jù)連接圖進(jìn)行進(jìn)一步的分割與說明，這其中包括單片機(jī)微處理器模塊，數(shù)據(jù)測(cè)量與轉(zhuǎn)換電路，計(jì)算并送終端設(shè)備顯示電路，通信轉(zhuǎn)換電路等的具體說明，詳細(xì)介紹了各模塊的設(shè)計(jì)方法和電路原理圖以及各模塊之間信息交換協(xié)調(diào)工作情況。 第四章簡(jiǎn)要的介紹了與此課題相對(duì)應(yīng)軟件設(shè)計(jì)方法、所編寫的模擬仿真的軟件程序。

17、第五章是本次設(shè)計(jì)的結(jié)論與展望。電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)32 電能質(zhì)量的測(cè)量原理 2.1 電能質(zhì)量的基本概念及主要指標(biāo) 電能質(zhì)量只是一個(gè)抽象概念，我們知道 Power 本身并不具備質(zhì)量屬性，所以不能認(rèn)為是電能的質(zhì)量問題。電力工作者在現(xiàn)實(shí)使用過程中考慮到電壓、電流間的緊密聯(lián)系，將業(yè)間的大部分?jǐn)_動(dòng)統(tǒng)稱為電能質(zhì)量。 從本質(zhì)上講，電能質(zhì)量包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量和頻率質(zhì)量等三個(gè)方面的內(nèi)容(1)電壓質(zhì)量一般表示為實(shí)際電壓與理性電壓的偏差，通常包括電壓頻率偏差、電壓偏差、電壓陷波、電壓不平衡、電壓波動(dòng)與閃變、電壓瞬變現(xiàn)象、電壓暫降（暫升）與中斷、電壓諧波、欠電壓、過電壓等。(2)電流質(zhì)量則與電壓質(zhì)量

18、關(guān)聯(lián)度較大，有時(shí)甚至不加以區(qū)分。切實(shí)提高電網(wǎng)電能的傳輸效率有效途徑之一不僅要求用戶獲取的電流是正弦波且頻率保持單一外，還應(yīng)盡量保持該供電電壓與電流波形相同。電流質(zhì)量可以歸納為諧波、電流間諧波、電流相位超前與滯后、噪聲等。因而研究電流質(zhì)量有助于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，降低電能在傳輸線路上的損耗。(3)頻率質(zhì)量頻率質(zhì)量是電能質(zhì)量第三層含義，主要是指為維持電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行或恢復(fù)系統(tǒng)安全，以及為保證電能供應(yīng)，滿足電壓等要求所需要的一系列服務(wù)。其的市場(chǎng)模式包括統(tǒng)一型、投標(biāo)型和雙邊合同型三種，或者是其中兩種的結(jié)合。2.2電能質(zhì)量指標(biāo)的算法和測(cè)量 電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算建立在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，根據(jù)所采樣的數(shù)

19、據(jù)再分別的計(jì)算出電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)如電壓偏差、諧波、頻率偏差、三相電不平衡度、電壓波動(dòng)與閃變、暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓等。本裝置通過高速率采樣達(dá)到高精度要求，以128點(diǎn)作為一個(gè)工頻周期內(nèi)每個(gè)通道的采樣點(diǎn)。下面詳細(xì)介紹相關(guān)的算法。(1) 供電頻率的測(cè)量供電頻率的測(cè)量主要有周期法、解析法、和傅里葉變換算法(FFT、CZT)等。周期法、解析法求取頻率的精度與系統(tǒng)采樣頻率有關(guān),傅里葉變換算法與其運(yùn)算點(diǎn)數(shù)有關(guān)。結(jié)合本文實(shí)際這里重點(diǎn)介紹周期法結(jié)合小波去噪的方法。其原理如下：高斯白噪聲是最常見的一種噪聲，其往往具有疊加性，受其污染的觀測(cè)信號(hào)可以表示為： z=1,.n (2-1) zfy嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)4

20、其中y為含噪信號(hào)， f為理想信號(hào)，z為獨(dú)立同分布的高斯白噪聲，為噪聲水平，n 為信號(hào)長度。根據(jù)信號(hào)和干擾在小波變換下的不同特性，輔助小波分解系數(shù)可以達(dá)到兩者分離的目的?？偨Y(jié)起來周期法結(jié)合小波去噪的方法總共分為三步1）對(duì)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)做小波分解變換 (2-2) zofoyowww其中 y 表示觀測(cè)數(shù)據(jù)向量，f 是真實(shí)信號(hào)向量，Z 是高yyy.21fff.21斯隨機(jī)向量。zzz.212）對(duì)小波系數(shù)wo 做門限閥值處理，這里用到了著名的閥值形式： (2-3) ntnlog2由此公式我們不難發(fā)現(xiàn)當(dāng) n 取無限大時(shí)，我們幾乎可以完全忽視雜波的干擾3）對(duì)處理過的小波系數(shù)作1w的逆變換重構(gòu)信號(hào)處理 (2-4)

21、dwtwfon1此時(shí)我們得到的信號(hào)已經(jīng)是去除污染的純凈信號(hào) 。(2) 電壓合格率的檢測(cè)電壓是電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要衡量指標(biāo)，電壓質(zhì)量的好壞，將直接影響到用電設(shè)備的安全及相應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，而檢測(cè)電壓的合格率首要任務(wù)便是電壓有效值的計(jì)算,根據(jù)電壓有效值定義： (2-5) TTmsdttVV021)(我們可以對(duì)被測(cè)電壓先進(jìn)行平方，然后在時(shí)間上取平均值，再求平方根，tV從而得到其有效值的模擬過程。具體展開如下：在這里平方、開方我們用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)，積分則由運(yùn)算放大器組成的積分器實(shí)現(xiàn)。在乘法器的兩端同時(shí)加入被測(cè)信號(hào)，根據(jù)相乘運(yùn)算功能，在輸出端我tV電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)5們可以得到進(jìn)而可得tV

22、KXYKVa211TTTaTabdttVTKKdttVKTKdtVTRCTdtVRCV02210212001111(2-6) 根據(jù)虛地原理，我們很快便可得到,由此我們可得，引入RVRVcbcbVV變量，則可得，從而最終的為：3K203VKVc0V (2-7) TTbcdttVTKdttVTKKKVKVKV02023213301111(3) 電壓波動(dòng)和閃變的測(cè)量由于規(guī)則或不規(guī)則的合閘和跳閘所產(chǎn)生的非線性交變負(fù)荷所導(dǎo)致的電流在與頻率有依賴關(guān)系的電網(wǎng)阻抗上所造成的相應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)與閃變，這就是所謂的電壓的波動(dòng)和閃變，其相當(dāng)于在50Hz 的基波電壓上迭加一系列的調(diào)幅波，我們可以表示成如下公式： (2

23、-8) 001coscos1ttmAUniiiit式中 A 一電壓幅值;一 調(diào)幅波的幅度值;im一電網(wǎng)上基波電壓的角頻率值;0一調(diào)幅波 i 的角頻率值;ii 一調(diào)幅波序號(hào)值; 一基波電壓初相角;0一調(diào)幅波初相角;i一般的電壓波動(dòng)的頻率變化范圍在0.01HZ-30HZ 之間，電網(wǎng)電壓有效值變化速度與額定電壓相比得到的變化率的最低要求為每秒0.2%，一般的我們把相鄰兩個(gè)極值電壓有效值之差定義為電壓波動(dòng)值，則供電電壓的額定值可以用百分tV值表示： (2-9) %100minmaxNtUUUV嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)6(4) 三相不平衡的測(cè)量三相不平衡是電能質(zhì)量測(cè)量中較為關(guān)鍵的一環(huán)，三相電壓的不平衡度一

24、般以負(fù)序分量的均方根值與正序分量的均方根值的比值來表示，我們假定為三相電1U壓正序分量的均方根值；為三相電壓負(fù)序分量的均方根值，則三相不平衡度2U可以表示為。現(xiàn)實(shí)生活中的三相不平衡度往往又分為兩種，含%10012UU有零序分量的的三相系統(tǒng)和沒有零序分量的三相系統(tǒng)，在使用過程中我們需詳細(xì)的加以區(qū)分1）沒有零序分量的三相系統(tǒng)當(dāng)三相電量中不含零序分量時(shí)，根據(jù)已知的三相量，我們可以把三相cbaUUU不平衡度表示為： (2-10) %100631631式中 (2-11) 2222444/cbacbaUUUUUU當(dāng)把電壓符號(hào)換成電流符號(hào)時(shí)即可得到相應(yīng)的三相電流不平衡度。2）含有零序分量的的三相系統(tǒng)此時(shí)應(yīng)用

25、對(duì)稱分量法，這時(shí)的三相不平衡度可以表示為： (2-12) cbaUUUaaaaUUU111113122321式中為 a 相基波電壓；為 b 相基波電壓；為 c 相基波電壓；為正序aUbUcU1U分量；為負(fù)序分量；為零序分量。其中 a 為旋轉(zhuǎn)因子，2U3U (2-13) 2/321,2/3212402120jeajeajj(5) 諧波含量情況的測(cè)量 諧波的定義為一個(gè)周期性電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，這是諧波較為寬泛的定義，嚴(yán)格意義上講諧波專指電流中含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量。在電力系統(tǒng)中諧波總是無可避免而存在的，不管是發(fā)電設(shè)備還是用電設(shè)備，與此同時(shí)諧波的危害十分嚴(yán)重，其的存

26、在對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生了較大的影響并嚴(yán)重干擾與破壞與其有牽連的電氣信號(hào) 目前為止測(cè)量電力系統(tǒng)諧波的主要方法有采用帶阻濾波器或采用模擬帶通兩種方法，具體劃分為基于傅立葉變換原理的諧波測(cè)量，基于瞬時(shí)無功功率的諧電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)7波測(cè)量，建立在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的諧波測(cè)量，利用小波分析方法進(jìn)行諧波測(cè)量五大模塊，由于本專業(yè)知識(shí)限制，本文主要探討基于虛擬儀器的諧波測(cè)量，程序設(shè)計(jì)如下：假設(shè)有一個(gè)周期為非正弦電壓，此時(shí)滿足狄里赫利條件從/2T tU而分解為如下的傅立葉級(jí)數(shù)： (2-14) 10sincosnnntnbtnaatU式中 (2-15) tdtua20021 (2-16) ,

27、.3 , 2 , 1sin1cos12020nttdntubttdntuann此項(xiàng)公式只對(duì)諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比時(shí)適用，當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)非正弦電流時(shí)則需把式中的轉(zhuǎn)換成。 tu ti嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)83 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 新的監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的要求，分布式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元和后臺(tái)主站組成，下面我們?cè)敿?xì)分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求。3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元采樣頻率、精度的要求 采樣速率和采樣精度是決定交流采樣系統(tǒng)性能的重要技術(shù)指標(biāo),從某個(gè)意義上說為了節(jié)約系統(tǒng)成本，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，我們需要找到一個(gè)采樣頻率和采樣精度的最佳匹配點(diǎn)。一

28、般的應(yīng)先確定采樣精度，再選擇采樣速率。當(dāng)采樣速率與采樣精度達(dá)到最佳匹配時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)揮最佳效能且成本最低，一般的在確定系統(tǒng)參數(shù)時(shí)我們可以根據(jù)： (3-1)1232sinnmfmVNx（為被測(cè)信號(hào)的峰值）的匹配關(guān)系進(jìn)行選擇，此時(shí)系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。mx 在實(shí)際電網(wǎng)中，諧波分析一般取 230 次，實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中的采樣頻率至少為每周期波 64 次，一般采用 128 次以上。如果每周波采樣 128 次，那么每個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔僅有 156us，傳統(tǒng)的單片機(jī)的指令周期最快能達(dá)到 160ns，在多個(gè)通道同時(shí)采樣的情況下，很難滿足實(shí)時(shí)測(cè)量的要求，因此傳統(tǒng)的諧波分析儀僅僅能達(dá)到 19 次，對(duì)暫態(tài)指標(biāo)則根本

29、沒法分析。相對(duì)于基波分量而言電力系統(tǒng)中高次諧波的含有量是非常低的，諧波次數(shù)越高其含量越低。我們假設(shè)采用 12 位分辨率的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，很明顯此時(shí)的A/D 轉(zhuǎn)換精度是不夠的，以 15 次諧波為例其所引起的誤差至少為 1.67%，而在實(shí)際諧波測(cè)量中我們一般需要測(cè)量諧波的最少次數(shù)為 30 次，顯而易見這樣將產(chǎn)生更大的誤差，所以高次諧波測(cè)量所得的數(shù)據(jù)可信度往往較低，因此在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元中我們使用的 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率至少應(yīng)在 14 位以上以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確性。3.2 同步采樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求 國家電能質(zhì)量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：諧波測(cè)量需測(cè)量諧波次數(shù)范圍為從第 263次。即每個(gè)電網(wǎng)諧波采樣 128

30、 點(diǎn)即可滿足測(cè)量要求。因此,設(shè)計(jì)思路上我們可采用鎖相倍頻電路將輸出信號(hào)進(jìn)行 128 倍分頻,并嚴(yán)格與輸入信號(hào)同步,壓控振蕩器產(chǎn)生 128 倍頻同步觸發(fā)信號(hào),控制采樣及保持電路進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，從而快速的電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)9檢測(cè)出諧波分量并滿足計(jì)算的精度和實(shí)時(shí)性的要求。 圖 3-2 同步采樣硬件原理圖 以上為此部分設(shè)計(jì)的硬件原理圖，我們可以清晰的看到其硬件電路由鎖相環(huán)路、AD 采集器、FPGA 存儲(chǔ)電路組成。電壓信號(hào)從電壓互感器出來,通過電壓比較器整形為方波,經(jīng)過光電耦合器隔離后送入 FPGA 內(nèi)置觸發(fā)器進(jìn)行二分頻,分頻后的信號(hào)經(jīng)高速光耦把數(shù)字部分和模擬部分電路相隔離,并進(jìn)一步

31、隔離了強(qiáng)弱電之間的電氣連接，從而起到了同步采樣的目的。3.3 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅需要能測(cè)量基本的穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量參數(shù)，如平穩(wěn)諧波、電壓偏差、三相不平衡，還要提供電能質(zhì)量參數(shù)瞬時(shí)采樣數(shù)據(jù)和暫態(tài)情況，如電壓凹陷、由于非線性沖擊負(fù)荷所引起的電壓波動(dòng)和諧波等。目前現(xiàn)有的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀在線分析多項(xiàng)電能指標(biāo)時(shí)一般采用采樣分析和串行處理等技術(shù)，而一旦在處理過程中采樣被人為的停止，本次采樣的大量數(shù)據(jù)將丟失，其所反映的電能質(zhì)量真實(shí)情況也就極其片面的了，這是我們所不愿意看到的也是我們?cè)摌O力想辦法避免的。在電力諧波測(cè)量系統(tǒng)中，為了得到電力系統(tǒng)諧波最真實(shí)的情況，使其具有較強(qiáng)的測(cè)

32、量功能、高速率、并且準(zhǔn)確度高和抗干擾性能力強(qiáng)，同時(shí)盡可能降低成本，必須在第一時(shí)間準(zhǔn)確的測(cè)量得到電力系統(tǒng)諧波參數(shù)并采用性價(jià)比較高的器件。同步采樣最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠反映交流信號(hào)的變化本質(zhì)，并保持被測(cè)信號(hào)與采樣信號(hào)嚴(yán)格同步，因此其被廣泛應(yīng)用于電力諧波參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中。同步采樣中的難點(diǎn)和要點(diǎn)是如何保證信號(hào)頻率與采樣頻率嚴(yán)格同步，這是本文硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究的一個(gè)方面。同時(shí)，由于本測(cè)量單元有大量的數(shù)據(jù)需要處理，采用普通的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸己經(jīng)滿足不了電力系統(tǒng)諧波實(shí)時(shí)測(cè)量與分析的要求。為此本文設(shè)計(jì)以下硬件電路來解決快速傳輸采樣數(shù)據(jù)和同步采樣兩者的問題。綜合以上各個(gè)方面本次硬件設(shè)計(jì)的組成模塊包括單片機(jī)微處理器模塊，

33、數(shù)據(jù)測(cè)電壓互感器 AD 電路 鎖相環(huán)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 DSP嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)10量與轉(zhuǎn)換電路，計(jì)算并送終端設(shè)備顯示電路，通信轉(zhuǎn)換電路等。同時(shí)為了滿足自動(dòng)化發(fā)展的要求，本系統(tǒng)采用 DSP+MCU 的設(shè)計(jì)方案，采用電能計(jì)量芯片ATT7022B 完成電能計(jì)量工作，AT89C51 單片機(jī)作為系統(tǒng)的 MCU 實(shí)現(xiàn)控制功能。硬件的總體框圖如下圖所示：圖 3-3 硬件的總體框圖 由圖 3-3 我們可以清晰的得到本次設(shè)計(jì)的思路即三相電流和三相電壓經(jīng)過采樣電路，送入電能計(jì)量芯片 ATT7022B，經(jīng)過 A/D 采樣轉(zhuǎn)化，進(jìn)行 DSP 處理，得到所需功率值，再通過 SPI 接口，送入單片機(jī)，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)后

34、，存儲(chǔ)到外接的存儲(chǔ)器中，并將結(jié)果顯示出來。并且可以通過通信轉(zhuǎn)換電路，使用單片機(jī)串行口將數(shù)據(jù)傳到上機(jī)位，便于研究人員查詢。在這里我們采用 ATT7022B 來完成其中的 A/D 轉(zhuǎn)換部分和計(jì)量部分。使用 SPI 接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和 DSP 之間的數(shù)據(jù)通信。3.4 設(shè)計(jì)說明與方案評(píng)價(jià) 前面已經(jīng)說明在此次設(shè)計(jì)中我們的核心是 ATT7022B 專用電能質(zhì)量檢測(cè)芯片。其內(nèi)置有 7 路 AD 轉(zhuǎn)換器。我們想要采樣的電壓和電流信號(hào)首先經(jīng)過互感器感應(yīng)后傳到 7 路 AD 轉(zhuǎn)換器。在溫度傳感器的作用下進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后自動(dòng)送入 ATT7022B 中自帶的基于 DSP 的電能計(jì)量芯片，進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。下一環(huán)節(jié)便

35、是把數(shù)據(jù)送給控制模塊 51 單片機(jī)，在這里控制模塊的主要作用是把測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示存儲(chǔ)和上傳。由此一次數(shù)據(jù)的采集、分析、匯總的工作便全部完成，接下來便是根據(jù)第二章所羅列的相關(guān)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)上的分析與處理并進(jìn)一步的細(xì)化，最終得到我們想要的結(jié)論。根據(jù)電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集處理的實(shí)際情況和特點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇采用高性能單片機(jī) AT89C51+ATT7022BZ 專用電能計(jì)量芯片相結(jié)合的方案，即前端采用我國電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)11自主研發(fā)的電能計(jì)量芯片 ATT7022B 完成系統(tǒng) DSP，采樣所得到的基本參數(shù)均可以由 ATT7022B 直接計(jì)算得出，從而大大緩解了系統(tǒng) MCU 的負(fù)擔(dān)，使之工作重心

36、放在數(shù)據(jù)的后期處理工作上；同時(shí)采用 AT89C51 芯片作為 MCU，大大提高了該裝置的實(shí)時(shí)處理能力，并進(jìn)一步的提升系統(tǒng)的整體性能。這樣設(shè)計(jì)出來的電能計(jì)量裝置的硬件部分具備帶 DSP 的 ADC+高速 MCU 的結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)具有一定的性價(jià)比。3.4.1 ATT7022B 芯片介紹簡(jiǎn)介 ATT7022B 是一款三相多功能電能計(jì)量芯片，能精密的測(cè)量多種電力參數(shù)，其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于三相電度表或其他三相電能計(jì)量儀表中。ATT7022B 以高精度、強(qiáng)功能的防竊電基波諧波三相電能專用計(jì)量芯片著稱，它集成了六路二階sigmadelta ADC，能同時(shí)進(jìn)行三路三相電能電壓采樣和三路電流采樣，額外預(yù)置

37、的一路則用于其它防竊電參數(shù)和零線電流的采樣，采樣結(jié)束后自動(dòng)的輸出采樣數(shù)據(jù)并計(jì)算出有效值，使用起來簡(jiǎn)潔明了。該芯片不僅適用于三相三線的應(yīng)用，也同時(shí)適用于三相四線的情況。 在此基礎(chǔ)上該芯片還同時(shí)集成了參考電壓電路以及所有包括諧波、基波和全波(基波+諧波)的各項(xiàng)電能參數(shù)測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理電路。諧波、基波和全波的有功功率、有功能量、視在功率、無功功率以及無功能量均可以用 ATT7022B 測(cè)量，同時(shí)其還能測(cè)量電壓有效值、各路電流、頻率、功率因數(shù)相角等參數(shù)，極好的滿足了三相復(fù)費(fèi)率多功能電能表的需求。ATT7022B 支持單一軟件校表即全數(shù)字域的相位校正和增益校正。標(biāo)準(zhǔn)表可以直接連接無功、有功電能脈沖輸出

38、 CF2、CF1，從而對(duì)瞬時(shí)無功、有功功率信息進(jìn)行誤差校正。并對(duì)基波無功、有功功率直接進(jìn)行測(cè)量，其上的脈沖提供輸出單元 CF3和 CF4能對(duì)瞬時(shí)基波的無功功率以及基波的有功功率信息進(jìn)行系統(tǒng)的校正。ATT7022B 提供兩個(gè)類別的視在能量輸出，PQS 視在能量和 RMS 視在能量，上面提到的 CF3和 CF4也可被配置歸納到視在能量脈沖輸出單元中。ATT7022B 內(nèi)部還配備了電壓檢測(cè)電路從而可以保證加電和斷電時(shí)芯片都能正常工作。ATT7022B 提供一個(gè) SPI 接口，方便與外部 MCU 之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞，所有計(jì)量參數(shù)都可以通過 SPI 接口讀出。嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)12圖

39、3-4-1 ATT7022B 外部引腳圖圖 3-4-2 ATT7022B 內(nèi)部電路框圖3.4.2 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊顧名思義其主要作用是從電網(wǎng)采集電壓信號(hào)和電流信號(hào)，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成與計(jì)量芯片工作電壓相一致的低壓信號(hào)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集電路，采集各相電壓和電流信號(hào)的離散序列。為了將電網(wǎng)和芯片進(jìn)行隔電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)13離，增加其抗干擾性能力。采樣過程中我們直接把三相電壓和電流送入電壓和電流互感器，在此模塊的設(shè)計(jì)中海瑛老師著重強(qiáng)調(diào)了互感器的規(guī)格，她指出由于采集后的信號(hào)要被 ATT7022B 處理，而 ATT7022B 的電流通道有效值在 2mV 至1V 的范圍內(nèi)

40、，線性誤差小于 0.5%，電壓通道有效值在 10mV 至 1V 的范圍內(nèi)，線性誤差小于 0.5%。也就是電壓、電流通道的輸入范圍是 1V，即輸入最大正弦信號(hào)的有效值為 1V，所以我們選取電壓互感器的規(guī)格應(yīng)該是 220V/0.5V，電流互感器的規(guī)格是 1.5mA/5mA，精度是 0.1 級(jí)。如此，額定電壓、電流輸入時(shí)，電壓、電流通道差動(dòng)輸入電壓有效值分別在 0.5V、0.1V 左右。其電路圖如 3-4-3所示：圖 3-4-3 數(shù)據(jù)采集電路 此次設(shè)計(jì)的采樣電路主要包括以下幾個(gè)部分：電壓、電流互感器、抗混疊濾波器、參考電壓。信號(hào)的采樣過程是：采集到的電壓、電流信號(hào)從從互感器出來，經(jīng)由 1.2k 的電

41、阻和 0.01uF 的電容構(gòu)成的濾波器濾波后，把干擾信號(hào)消除掉，疊加一個(gè)參考電壓信號(hào)，再經(jīng) VxP 和 VxN 輸入端送入 ATT7022B 的 A/D 轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。為了防止由于采樣可能引起的混疊失真，在 VxP 和 VxN 輸入電路中，1.2k 的電阻和 0.01uF 的電容構(gòu)成了抗混疊濾波器，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)講究對(duì)稱，并采用了溫度性能較好的元器件，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)獲得良好的溫度特性3.4.3 ATT7022 內(nèi)置 7 路 AD 轉(zhuǎn)換電路 ATT7022 芯片集成了 7 路 AD 轉(zhuǎn)換電路。差分信號(hào)輸入方式是其主要采用的輸入方式。將相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)保存到緩存中的時(shí)間間隔為一個(gè)

42、周期，同時(shí) ATT7022 內(nèi)有一個(gè)長度為 1024*16bit 的緩存存儲(chǔ)空間。當(dāng)緩存為滿時(shí)。如果沒有特定指令則里面的數(shù)據(jù)保持不變。為了較好的讀取數(shù)據(jù)，我們?cè)黾釉O(shè)置了一個(gè)等待時(shí)間，讓所讀取的內(nèi)容在這個(gè)等待時(shí)間中完成。嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)14 圖 3-4-4 AD 轉(zhuǎn)換電路3.4.4 A/D 轉(zhuǎn)換電路本次設(shè)計(jì)在 MSP430 單片機(jī)內(nèi)部集成一 16 位分辨率的 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC16，它屬于逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器，工作電壓為 5V。其中，三相電壓采樣和三相電流采樣都分別為三路，設(shè)計(jì)上采用雙端差分信號(hào)輸入。并留有一路用于其它防竊電參數(shù)或零線電流的采樣，并輸出采樣信號(hào)和有效值。ADC16

43、 系統(tǒng)框圖如圖3-4-8 所示。圖 3-4-5 ADC16 內(nèi)部電路框圖 ADC 16 共有 4 種不同的工作模式，其可以在單向通道上實(shí)現(xiàn)單次和多次轉(zhuǎn)換，在序列通道上完成單次和重復(fù)轉(zhuǎn)換。對(duì)于序列通道轉(zhuǎn)換，用戶可以自由定義采樣順序，同時(shí)在每個(gè)通道里用戶可以獨(dú)立配置并使用轉(zhuǎn)換所需的所有參考電平，前端機(jī)采用單一通道、單次轉(zhuǎn)換的方式。ADC 內(nèi)核完成將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)15成 16 位數(shù)據(jù)并直接存入轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)寄存器，轉(zhuǎn)換公式為: (3-2) RRRinVVVVADC65536圖 3-4-6 ADC 前端接線圖一次采樣過程的完成總共分為兩步:第一步把 ENC 置位，把 ADC1

44、6SC 從 0 改為 1 并開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換操作，使其不間斷的去查詢中斷標(biāo)志 ADC16IEGx,當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)結(jié)果自動(dòng)的寫入選定的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)寄存器，相應(yīng)的中斷標(biāo)志 ADCI2IFGx 置位。第二步軟件把 ENC 復(fù)位，將采樣結(jié)果從 ADC16MEMx 中取出，一次 AlD 采樣結(jié)束。ADC16 的最大采樣速率是 200ksps，足夠滿足采樣點(diǎn)數(shù)的要求。3.4.5 基于 DSP 的電能計(jì)量芯片 計(jì)量芯片是 ATT7022 芯片的核心部分，這也是我們選擇使用 ATT7022 芯片的主要原因，ATT7022 芯片可以測(cè)量功率、能量、品質(zhì)因數(shù)等等參數(shù)，此外，它可以把電壓和電流抽取出來，從而測(cè)得諧波的功率和能

45、量。 圖 3-4-7 AD 轉(zhuǎn)換電路要使芯片正常工作，芯片的外圍電路連接很關(guān)鍵，如圖 3-4-6 所示。通電嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)16后 AVCC、VCC 接 5V 電壓，芯片內(nèi)部自己可以產(chǎn)生 VDD，而不需人為的外灌電壓，正常時(shí)其電壓為 3V。內(nèi)部電路產(chǎn)生參考電壓 REFCAP 和參考電壓輸出 REFOUT，兩者正常工作電壓一般為 2.3V-2.7V。ATT7022B 的計(jì)量部分借用了數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)，為了保證測(cè)量精度，我們選用 24.576MHz 的晶振。在第一個(gè)引腳上設(shè)置復(fù)位信號(hào)并規(guī)定正常工作時(shí)為高電平。SIG 信號(hào)復(fù)位后處于低電平，當(dāng)在正確接收任意一次單片機(jī)寫操作約 5us 后，SIG

46、又重新變成高電平。當(dāng)所有以上信號(hào)檢查正常，芯片開始正常的工作。3.4.6 SPI 接口電路ATT7022B 芯片通過 6 條連線和單片機(jī)相連，如圖 3-4-8 所示，其中 SPI 接口線有 4 條，分別為 CS、SCLK、DIN 和 DOUT，RESET1 是 ATT7022B 的復(fù)位控制線，ATT7022B 還有 1 條握手信號(hào)線 SIG。單片機(jī)控制 ATT7022B 的 RESET 信號(hào)，當(dāng) ATT7022B 芯片在上電和單片機(jī)復(fù)位后，其將和單片機(jī)進(jìn)行同步工作。SPI 的接口電路如圖 3-4-9 所示： 圖 3-4-8 SPI 接口電路示意圖 圖 3-4-9 SPI 接口電路 ATT702

47、2B 芯片開始傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)志是電平由高變?yōu)榈?，而?dāng)電平由低變?yōu)楦邥r(shí)表示數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。ATT7022B 芯片控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾实墓ぷ鲃t由串行時(shí)鐘 SCLK 來完成，下降沿時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?ATT7022 中，上升沿時(shí)數(shù)據(jù)由 ATT7022電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)17中傳出。通過 DIN 和 DOUT 這兩個(gè)引腳完成最終的數(shù)據(jù)傳輸工作。信號(hào) SIG 在ATT7022B 芯片中起到了至關(guān)重要的作用，單片機(jī)通過對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并不斷的更新校表中的數(shù)據(jù)從而保證了計(jì)量的準(zhǔn)確性。而 RESERT 引腳的作用是保證單片機(jī)和 ATT7022 芯片能夠保持同步性。 需要特別強(qiáng)調(diào)的是 SPI 傳輸信號(hào)時(shí)可

48、能會(huì)受到干擾并出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，這時(shí)我們可以在 SPI 信號(hào)線上串聯(lián)一個(gè)電阻，阻值一般為 10-100。其與 IC 輸入端的寄生電容一起構(gòu)成了低通濾波器，通過低通濾波器的相應(yīng)功能消除 SPI 接口上信號(hào)的振蕩。在此基礎(chǔ)上若數(shù)字輸入端的內(nèi)部電容不夠大，我們還可以在這個(gè)輸入端加一個(gè) 10PF 左右的電容。從電阻的另一端接出至單片機(jī)的 P13-P16引腳。3.4.7 液晶顯示電路 本設(shè)計(jì)的顯示部分采用 6 位 8 段數(shù)碼管顯示，用 74LS245 來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，用晶體管來控制每位數(shù)碼管的位選，單片機(jī) P22P27 口的輸出是高電平還是低電平來導(dǎo)通三極管使數(shù)碼管被位選則由程序來控制。顯示電路如圖 3-4-

49、10 所示：圖 3-4-10 液晶顯示電路圖嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)18圖 3-4-11 外部接口信號(hào)硬件連接圖3.4.8 串行通訊接口相關(guān)資料表明標(biāo)準(zhǔn)總線是 RS-232C 在異步串行通信中應(yīng)用較為廣泛，一般的其以邏輯“1”表示-3V-15V 之間的任意電平，+3V+15V 之間的任意電平則用邏輯“0”表示，此時(shí)其顯示的是負(fù)邏輯，這點(diǎn)與 CMOS 電平不同。在接口通信時(shí)，由于為了與 RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)電平匹配，大多數(shù) CMOS 電平或 TTL 電平必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本次設(shè)計(jì)我們選擇了 MAX232 芯片來完成這項(xiàng)工作。通過圖 3-4-12 我們可以清晰的發(fā)現(xiàn) MAX232 外接四個(gè)電解電容

50、C26、C27、C28、C29，其全部為內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，電容選擇時(shí)我們應(yīng)盡量使其靠近芯片并選用鉭電容。圖中 C30 是去耦電容，其值為 0.1UF。 計(jì)量芯片在處理完后，自動(dòng)的將所得的結(jié)果傳給 PC 機(jī)，以便查詢。根據(jù)這一特點(diǎn)我們利用單片機(jī)串口與 PC 機(jī)的串行接口進(jìn)行串行通信。通信模塊在系統(tǒng)中作為上位機(jī)使用，實(shí)時(shí)讀取各種電力參數(shù)值及預(yù)置監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部寄存器的值。接口電路如圖 3-4-12 所示：圖 3-4-12 串行口通信電路3.4.9 控制模塊電路此次設(shè)計(jì)我們采用的控制芯片是 AT89C51，其內(nèi)置 P0 口是雙向三態(tài) I/O 口，我們將其到連接 LED 以顯示輸出，其中 P2.2-P

51、2.7 用于連接顯示電路的位控，P1.0 與 P1.1 外接存儲(chǔ)器，P1.3-P1.7 口與 SPI 接口相連，RXD 與 TXD 用來實(shí)現(xiàn)串行通訊連接即作為單片機(jī)和外接 PC 機(jī)的數(shù)據(jù)讀取通道。P12 為蜂鳴器接口，當(dāng) P12 輸出高電平時(shí)，晶體導(dǎo)通，蜂鳴器開始鳴叫同時(shí)兩端獲得 5V 電壓，當(dāng)P12 輸出低電平時(shí)，晶體管截止，蜂鳴器立刻停止鳴叫。XTAL1 和 XTAL2 接石英電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)19晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成自激振蕩器，單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)的提供全由其產(chǎn)生。 3-4-13 控制電路3.4.10 存儲(chǔ)器電路EEPROM 也叫電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器，其最大的特點(diǎn)是可以

52、在掉電的情況下保存數(shù)據(jù)，它有特定的引腳來施加特定電壓或使用特定的總線擦寫命令，簡(jiǎn)而言之其就是能在在線的情況下很方便的完成數(shù)據(jù)的寫入和擦除。本課題使用24C64 來作為外接存儲(chǔ)器，我們知道其是一種串行非易失性記憶體，可以得知它的引腳圖：其中圖上顯示的A0-A2 用來設(shè)置芯片的器件地址，當(dāng)遇到同一條總線上包含多個(gè)器件時(shí)，我們一般通過設(shè)置 A0-A2 引腳的值來確定器件地址。其中 SDA 為串行數(shù)據(jù)引腳，其主要作用為在芯片讀寫時(shí)承擔(dān)輸入工作、輸出數(shù)據(jù)或地址等，這個(gè)引腳是雙向的，由于它是漏極開路的，故我們?cè)谑褂脮r(shí)需要人為的加一個(gè)上拉電阻。SCL 引腳用來儀器的同步串行時(shí)鐘信號(hào)的輸入，當(dāng)儀器在單片機(jī)系統(tǒng)

53、中使用時(shí)，其 SCL 引腳便由單片機(jī)控制，根據(jù)單片機(jī)所編寫的程序要求生成同步串行時(shí)鐘信號(hào)來控制總線的存取。WP 引腳是寫保護(hù)腳，當(dāng)其接入高電平時(shí)，嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)20芯片上所有數(shù)據(jù)均禁止寫入，當(dāng) WP 引腳接地時(shí)，芯片開始正常的讀寫。當(dāng)一個(gè)電路在正常使用過程中是禁止程序修改存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)的，只有在設(shè)置維護(hù)時(shí)我們才可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)修改工作，這時(shí)可以用微處理器對(duì) WP 進(jìn)行控制或在電路上設(shè)置 WP 跳線，這樣只有在特定的電路狀態(tài)下才可以更改到數(shù)據(jù)。最后VDD 接到電壓值為 5V 的電源中。 在使用過程中我們一般將 24C64 的 SCL 和 SDA 引腳分別加上拉電阻后接到單片機(jī)的 P10

54、 和 P11，由程序控制其讀寫。圖 3-4-13 存儲(chǔ)器電路電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)214 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是對(duì)硬件設(shè)計(jì)很好的補(bǔ)充，本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和上位機(jī)進(jìn)行通訊的功能，該部分主要由以下三個(gè)部分組成：（1）數(shù)據(jù)采集與處理模塊:此模塊主要的作用是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字抗混疊濾波處理，然后按第二章中羅列的相關(guān)算法計(jì)算有效值、功率、各次諧波幅值等參數(shù)。（2）人機(jī)接口模塊:此模塊主要完成顯示器顯示各種電力參數(shù)信息的功能和顯示模塊軟件程序的編寫。（3）通信部分模塊：具體為通訊規(guī)約和上位機(jī)通訊，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)讀取各種電力參數(shù)值及預(yù)置監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)值

55、。圖 4-1 為系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖。 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)處理模塊MCU 控制模塊顯示模塊通信模塊圖 4-1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖主程序流程圖為：嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)22圖 4-2 主流程圖4.1 數(shù)據(jù)采集模塊 介紹完校表，接下來本文將著重的對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。首先是數(shù)據(jù)采集模塊，我們知道當(dāng)校表結(jié)束后，測(cè)試也就開始了。ATT7022 內(nèi)中建有一個(gè)數(shù)據(jù)緩存存儲(chǔ)區(qū)。在采樣過程中會(huì)把相應(yīng)的 ADC 轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)保存到緩存區(qū)域中。為了方便讀取數(shù)據(jù)我們一般采用設(shè)置一個(gè)延時(shí)時(shí)間在這段等待時(shí)間中讀取里面的數(shù)據(jù)的方法。電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)23 圖 4-3 數(shù)據(jù)采集流程圖4.2 數(shù)據(jù)處理模塊ATT7022

56、 計(jì)量芯片強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力有效的使本次設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。ATT7022 計(jì)量芯片能夠同時(shí)測(cè)量有功功率、有功能量、無功功率、無功能量等等。ATT7022 計(jì)量芯片最重要的特點(diǎn)是通過兩個(gè)寄存器（基波測(cè)量使能控制寄存器與基波測(cè)量與諧波測(cè)量切換選擇寄存器）檢測(cè)基波和諧波的能力，在測(cè)量各種數(shù)據(jù)時(shí)我們只需通過指令把參數(shù)輸出寄存器的數(shù)據(jù)調(diào)出來使用就可以了。諧波的的檢測(cè)方法快速傅里葉算法同小組的成員程劍在其論文中將進(jìn)行系統(tǒng)的介紹，這里直接引用其的相關(guān)成果：嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)24 圖 4-4 DFT 流程圖 在諧波檢測(cè)的基礎(chǔ)上本次設(shè)計(jì)還關(guān)注了有功功率測(cè)量，有功能量測(cè)量等。 圖 4-5 有功功率和能量結(jié)構(gòu)圖無功

57、功率測(cè)量，無功能量測(cè)量與有功功率和能量的計(jì)算原理是一樣的。測(cè)量過程中我們只需把電壓采樣信號(hào)移相 90 度。而視在功率的計(jì)算方法就是有功功率電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)25與無功功率的平方之和然后開方。得到視在功率后我們只需對(duì)其進(jìn)行時(shí)間積分就可以得到視在能量。相應(yīng)的軟件流程圖如下所示： 圖 4-6 數(shù)據(jù)處理流程圖說明如下：其中 DFT 計(jì)算模塊和電能質(zhì)量其他指標(biāo)計(jì)算式并列的，這樣畫只是為了簡(jiǎn)化其說明。4.3 單片機(jī)控制模塊 本次設(shè)計(jì)中單片機(jī)控制模塊主要起到三個(gè)作用，作用一與 ATT7022 芯片進(jìn)行通話，作用二則是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，作用三為上傳上位機(jī)。與ATT7022 之間進(jìn)行通話是最能

58、體現(xiàn)單片機(jī)控制作用的一個(gè)環(huán)節(jié)，在硬件部分我們已經(jīng)說明他們之間進(jìn)行通話主要通過 SPI 接口開展，這里不在累述。我們可以通過片選有效開始數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后結(jié)束。 圖 4-7 單片機(jī)與 ATT7022 芯片數(shù)據(jù)傳輸流程圖嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)264.4 顯示模塊這里我們的顯示部分采用了六位八段的 LED。正常狀態(tài)下由 P1 口相連驅(qū)動(dòng)，但因?yàn)?51 單片機(jī)的地址、數(shù)據(jù)、控制總線都有一定的負(fù)載能力，當(dāng)負(fù)載超過單片機(jī)負(fù)載能力時(shí)我們必須加入一些驅(qū)動(dòng)器，否則各個(gè)部分模塊將不能正常工作。在這里我們使用 74ls245 來驅(qū)動(dòng) L-E-D，使用 P22-P27 來負(fù)責(zé)位控。 圖 4-8 顯示模塊流程圖

59、從上圖可知 LED 管為共陰極。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，只要當(dāng)位控處于高電平時(shí)就能進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。4.5 上傳模塊RS232 是本次軟件設(shè)計(jì)的串口通信標(biāo)準(zhǔn)。在向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，主要有查詢方法和中斷兩種傳輸模式，因?yàn)橐恢碧幱诓樵儬顟B(tài)所以系統(tǒng)的效率極其低下。而對(duì)于另外一種傳輸模式中斷而言，當(dāng)需要上傳時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷隨之?dāng)?shù)據(jù)開始上傳，通過這樣設(shè)計(jì)有效的提升了效率值。電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)27 圖 4-9 通訊模塊流程圖 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)285 結(jié)論與展望 如何提高和保證電能質(zhì)量己經(jīng)成為當(dāng)前我國電力系統(tǒng)面臨的重要問題，開展相關(guān)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析，為電能質(zhì)量的改善提供統(tǒng)計(jì)上的參考依據(jù)，具有十分

60、重要的意義。本文正是在這樣的研究背景下完成的。 本課題是在導(dǎo)師海瑛智能電表相關(guān)研究的基礎(chǔ)上的改進(jìn)和完善，在設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的確立上很好的借鑒了其它同類裝置的優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合了實(shí)際電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集和處理的特點(diǎn)，最終完成了電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 在電能質(zhì)量檢測(cè)儀器硬件設(shè)計(jì)中，采用了 TI 公司的 MSP430F449 單片機(jī)，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)、高性能價(jià)格比與低功耗的特點(diǎn)，采用的外圍器件在滿足性能要求的基礎(chǔ)上也力求低功耗。將單片機(jī)技術(shù)用于電能質(zhì)量的檢測(cè)，具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件開發(fā)周期短，功能擴(kuò)展靈活等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該硬件可監(jiān)測(cè)多項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)，功能強(qiáng)大且結(jié)合了自身的特點(diǎn)：利用其模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模