1、哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）- I -哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）- II -摘 要电能质量监测作为电能质量监控的一个关键环节，在电力系统的运行管理和技术监督中起着很重要的作用，同时也是保证电力系统良好供电质量的必要手段。研发功能强大的电能质量监测系统，使之能详细记录电力系统运行过程中的电能质量指标、监测电能质量污染源，从而为电网电能质量的治理和改善提供了依据，对保证电力系统的安全、经济及稳定运行有着重要的意义。文章在对电能质量指标及其综合评价方法进行分析的基础上，设计了一种电能质量检测装置，并为其设计了软件程序。本文提出了一种基于 MSP430F449 单片机的电
2、能质量检测装置的总体设计方案。系统的硬件设计采用了模块化设计思想，主要包括模拟部分和数字部分。交流信号的同步采样通过锁相倍频电路来实现。系统的软件设计也采用了模块化设计思想，采用具有较高运算速度的 FFT 算法，包括系统的初始化、所测指标的软件实现以及 LCD 液晶屏输出界面的设计等。关键词：电能质量检测；同步采样；FFT ；MSP430F449 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）- III -AbstractPower quality monitoring is a key part for the controlling of power quality. Italso play
3、an important role in supervising and managing of power system, and at the same time it is a necessary means for providing better power quality .It is of great importance to research and develop a powerful functions power quality monitoring system, which can note indexes of power quality and can supe
4、rvise polluting sources during running in detail, then provide evidence for improving and renovating the power quality, and ensure the security, stabilization, economy of the power system.Based on analyzing of the power quality indexes and its synthetical evaluation methods, this article designs a p
5、ower quality monitor and its software. In this paper, a power quality monitoring system based on MSP430F449 was put forward. Blocking method was adopted in designing of the system hardware, which contained analog part and digital part, and synchronous sampling of alternating current signals was real
6、ized by Phase-locked and double frequency circuits. Blocking method employing FFT was also adopted in designing of the system software, which included system initializing, software of the measured indexes and interface of the LCD.Keywords: Survey of Power quality; Synchronous sampling; FFT；MSP430F44
7、9哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）- -IV目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景及意义 .11.2 国内外研究现状及电能质量监测的发展趋势 .11.3 本文结构 .2第 2 章 系统原理设计 .42.1 交流采样原理 .42.2 电能质量参数算法 .52.3 本章小结 .13第 3 章 系统硬件设计 .143.1 系统的整体方案 .143.2 模拟部分设计 .153.3 数字部分设计 .183.4 本章小结 .21第 4 章 软件部分设计 .224.1 设计原则 .224.2 程序流程图 .224.3 本章小结 .26第 5 章 调试及运行
8、结果 .285.1 硬件电路的调试 .285.2 系统运行结果测试 .305.3 误差分析 .31结 论 .33致 谢 .34参考文献 .35附 录 信号采集调理电路原理图 .37哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）- -1第 1 章 绪论1.1 课题背景及意义电能既是一种清洁方便、经济实用且容易传输、控制和转换的能量形式，又是一种由电力部门向电力用户提供的一种特殊产品。与其他商品一样，电能也要讲求质量，其特殊性就在于电能质量有多方面共同保证的。电能质量不仅对电网的安全、经济运行有着重要的意义，而且其质量的好坏直接影响着用户侧设备能否正常工作。一方面，以微处理器为核心的高自动化与高智能化
9、电子设备、精密仪器等对电能质量的优劣十分敏感，不仅会受到谐波、闪变等稳态电能质量扰动的影响，甚至也会受到电压骤升、骤降、暂时中断、暂态脉冲、暂态震荡等暂态电能质量扰动的严重影响。另一方面，随着电力电子技术的发展，电力负荷的结构发生了很大的变化，变频装置、电弧炉等波动性、冲击性、非线性负荷大量增加，不仅向电网中注入的谐波、间谐波更加严重，产生的暂态电能质量扰动也急剧增加，对电网的安全、可靠、经济运行带来了严重的危害，给其他电力用户也造成了巨大的经济损失。因而，及时准确的获取电网电能质量信息己成为现代电力系统高质量运行的必要条件，是进行电能质量评价的重要基础 12。本设计重点研究上述主要评价指标的
10、检测分析方法，实现对多项电能质量评价指标的综合监测与分析，为提高电网电能质量，保障其高质量运行提供有实际价值的理论与技术支持。1.2 国内外研究现状及电能质量监测的发展趋势国外对电能质量监测问题研究较早，已有一些较为成熟的产品，占据着中国的高端应用市场。其中代表性公司是美国的 FULKE 公司和以色列的Elspec 公司。其中 Elspec 公司的 Elspec G4400 最具代表性，它采用数据压哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）- -2缩技术，连续记录长时间的监测数据。国内对电能质量在线监测装置的研究时间不长，比较典型的产品有长沙威胜电子有限公司和浙江大学博士点合作研发的 WPQ1
11、000A 型电能质量监测仪和南自机电的 PDS-782 电能质量在线监测装置。它们在采样频率、分析精度和数据存储等方面和 Elspec 公司的产品存在一定的差距 3。随着电力系统的不断发展及电网中各类非线性负荷的不断增加，电能质量的监测、管理和控制已经越来越受到各方面的关注。计算机、电力电子和信息技术等高新技术产业的发展和普及，对电能质量提出了越来越高的要求，电能质量问题成为投资商对投资大型项目时的一个主要是考核标准。中国技术监督局从 1990 年到 2003 年相继颁布了涉及电能质量的 6 个国家标准 45，这些标准分别规定了对电压偏差、公用电网谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡、频率偏差
12、、暂时过电压和瞬态过电压的监测标准、监测方法和监测设备的要求。依据我国制定的电能质量国家标准，电力系统电能质量包括电压，电流和频率等几个方面的指标。采样得到的数据，经过快速傅里叶变换（FFT ）计算电能质量如上各个电能质量技术指标。随着集成电路技术和计算机技术的发展，网络技术和嵌入式实时系统技术的日益成熟和完善，电能质量监测技术正在朝着在线监测、实时分析、自动化、网络化和智能化的方向发展。其具体表现在以下几个方面：(1)硬件上高性价比的 DSP 芯片作为 CPU 被广泛应用，为复杂分析算法的实现提供了平台，提高了监测仪器的实时性。(2)各种通信技术被应用到电能质量监测仪中，为电能质量监测仪的网
13、络化提供了必要的技术支持。(3)嵌入式系统(Embedded Systems)的飞速发展，使得操作系统的设计思想被引入到电能质量监测领域。例如：基于 的 Micro-cLinuxwindows，MINI-GUI，基于 的 等等。这些方法的引入提/2cOS/GUI高了系统的可靠性和稳定性，使开发难度大大降低。1.3 本文结构本文将围绕设计电能质量监测系统的过程展开。一个电能质量主要包括信号采集模块、信号处调理模块和微控芯片模块。哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）- -3本文主要内容如下：第 2 章中，对整个系统的关键部分原理给予了介绍，并给出了各个电能质量参数的计算公式。 第 3 章中，
14、介绍了系统硬件设计过程，主要包括整体设计、模拟部分设计以及数字部分设计，然后对这几方面进行了详细的阐述。第 4 章中，首先详细介绍了系统软件的设计规则，然后重点介绍了系统软件涉及中比较重要的几个子模块。第 5 章中，给出了系统设计完毕后调试及运行的结果，并对结果可能产生的误差进行了分析。 最后对毕业设计工作进行了总结。哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）- -4第 2 章 系统原理设计2.1 交流采样原理一般来说，对电力系统参数采样和计算的方法主要有两种：直流采样法和交流采样法。直流采样法是采样经过整流后的直流量，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，软件设计简单，计算方便。但
15、直流采样法存在一些问题：测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响；整流电路参数调整困难且受波形因素影响较大；此外，用直流采样法测量工频电压、电流是通过测量平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同时，平均值与有效值之间的关系也将发生变化，给计算结果带来了误差。因此，要获得高精度、高稳定性的测量结果，须采用交流采样技术。交流采样技术是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值处理，从而获得被测量的测量方法。该方法的理论基础是采样定理，即要求采样频率为被测信号频谱中最高频率的 2 倍以上，这就要求硬件处理电路能提供高的采样速度和数据处理速度。目前，DSP、高速MCU 及高速 A/
16、D 转换器的大量涌现，为交流采样技术提供了强有力的硬件支持。交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非同步采样法等种，我们重点介绍同步采样法。同步采样法就是整周期等间隔均匀采样，要求被测信号周期 T 与采样时间间隔 及一周内采样点数 N 之间满足关系式 T = N* ，即：采样频t t率为被测信号频率的 N 倍。根据提供采样信号方式不同，同步采样法又分为软件同步采样法和硬件同步采样法两种。(1) 软件同步法软件同步采样法 6是由 MCU 或 DSP 提供同步采样脉冲，具体方法是：先由 MCU 测出被测信号的周期 T ，则采样间隔 = T / N，( N 为一周内t的采样点数) ，由此确定定时器
17、的计数值，用定时中断方式实现同步采样。该方法的优点是无需硬件同步电路，结构简单。缺点是：T / N 不一定为整数,从而带来截断误差；该方法需专门的测频硬件电路,且必须保证对被测信号周期的准确测量；当被测信号的频率波动频繁或谐波成分较多时也会带来测量上的误差。哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）- -5(2) 硬件同步法硬件同步采样法 789是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。一种利用锁相环频率跟踪原理实现同步等间隔采样的电路如图 2-1 所示。相位比较器P D低通滤波器L P F压控振荡器V C OI N 1I N 26 4 倍分频器（ 7 4 L S 3 9 3 ）f o图
18、 2-1 倍频锁相同步电路在相位比较器 PD、低通滤波器 LPF、压控振荡器 VCO 构成的锁相环内加入 64 倍分频器（74LS393 构成） ，输入 IN1 为被测信号的频率，作为锁相环的基准频率，输出 fo 为采样频率。fo 经过经 64 分频后的信号 IN2 与 IN1比较，根据锁相环工作原理, 锁定时 fo/ 64= IN1，即 fo= 64*IN1。由于锁相环的实时跟踪性, 当被测信号频率 IN1 变化时，电路能自动快速跟踪并锁定，始终满足 fo=64*IN1 的关系，即采样频率为被测信号频率的整数( 64) 倍，从而实现一周内等间隔采样 64 点，从根本上克服了软件同步采样法存在
19、的上述问题。利用锁相环实现倍频，可以有效减小谐波分析中的由于采样频率与电网不同步而产生的谱泄漏。同时，倍频后的信号送入单片机进行捕获，可以精确得到脉冲宽度，从而得到电网实际的频率，有关此部分，将在第三章中进行详细介绍。2.2 电能质量参数算法针对电能质量的六项国家衡量标准，可以将其归类为以下几个方面来计算，其基本思路是将连续信号的计算公式离散化并近似转变成采样信号的计算公式。2.2.1 快速傅里叶变换（FFT）算法原理傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是电信和信号处理等领域中的一种重要工具。离散傅立叶变换 (DFT)是连续傅立叶在哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）- -
20、6离散系统中的表现形式，但由于 DFT 运算量太大，即使采用计算机也很难对问题进行实时分析，所以并没得到真正的应用。而快速傅立叶变换 (FFT)10是快速计算 (DFT)的一种高效方法，在实际应用中成为稳态谐波测量的最好方法。在本系统中，对电压和电流两个信号同时进行采样，同时作频谱分析，以便快速给出它们的频谱序列和各次谐波的幅值和相角。将 的序列 先按 的奇偶分为以下两组 1112： 2LN()xn(2-1)12,01,.()(2rNrxx则可以将 DFT 化为：(2-2)101122(21)0011222200()()()()()NnknNrkrkNNnnNrk rkNNnnXDFTxWxx利用系数 的可约性和对称性，上式可以表示成两个部分：kNW前半部分 ：(),1./2)X(2-3)(,01.2kNNkX后半部分 ：(),.1)2(2-4)12(),01.2kNXkWX本设计中，我们对电压电流两个信号同时进行采样，同时做频谱分析，他们的频谱序列分别为 和 ，采用复序列 FFT 计算 13。nUI设：( ) (2-5)kkfuji0,12.,1N频谱算式为：
