1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 一种简易电能质量监测装置设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 2 摘 要 随着科学技术和人民的经济快速发展，对电力系统电能质量的各种工业生产的要求越来越高。然而，现代电力电子器件及能源和污染日 益严重，电能质量，电力部门和用户的大量使用造成的非线性负载越来越受到关注。因此，电能质量检测和分析具有重要意义。这种电参数测量的基本情况和目前的测试设备市场，研究现状，问题和趋势的意义做深入的研究，获得了相关文献的检测分析的基础上，国内和外国势力的参数，相比之下，电能质量提出了基于 PIC 单片机的整体电
2、路的设计。 这包括电能质量的国际标准对电能质量，电能质量检测方法，电能质量分析，硬件设计，制造的基本概念的五项指标和具体软件编程调试工作的基本内容。 本设计使用，如通过其他芯片模块电路数量补充核心， dspic33fj32mc204。努力遵循，软件设计采用模块化设计原则。难以实现的系统，该算法的程序作了更详细的说明。并提出硬件和软件抗干扰措施。 最后，系统的调试和分析，与开发板和设备在实验室联合开发的，在 MAPLAB 调试工具和硬件仿真器一起工作，本系统的一些功能进行了测试。 经测试，达到了预期的准确性。 关键词： PIC32FJ33MC204；电能质量检测； FFT；工频 3 Abstra
3、ct As science and technology and rapid economic development for the people, all kinds of industrial production on the power system power quality have become increasingly demanding. However, modern power electronic devices and nonlinear loads caused by heavy use of energy and pollution is worsening,
4、power quality, power sector and its users become a growing concern. Therefore detection and analysis of power quality is significant. Significance of this measurement of electrical parameters and the basic situation and the current test equipment market, research status, problems and trends do in-de
5、pth research, access to domestic and foreign power parameters in the detection of the relevant literature, based on the analysis, comparison, proposed power quality based on PIC microcontroller overall detector design. This includes the basic content of the five indicators of power quality basic con
6、cept of international standards on power quality, power quality detection methods, power quality analysis, hardware design, manufacture and commissioning of specific software programming work. This design uses the dspic33fj32mc204 as the core, supplemented by a number of other chip module circuit. E
7、fforts to follow in the software design modular design principle. Difficult to achieve for the system, the algorithm made a more detailed description of procedures. And proposed hardware and software anti-jamming measures. Finally the system debug and analysis, combined with development boards and d
8、evices developed in the laboratory, in MAPLAB debugging tools and hardware emulator working together, some of the features of the system was tested. Has been tested and achieved the expected accuracy. Key Words： PIC32FJ33MC204; power quality detection; FFT; frequency 4 目录 1 绪 论 . 4 2 电能质量的各项指标及数学分析方
9、法 . 9 2 1 电能质量的各指标介绍 . 10 2 1 1 电压偏差 . 9 2 1 2 频率偏差 . 10 2 1 3 电网谐波含量 . 10 2 1 4 电压波动和闪变 . 11 2 1 5 三相不平衡度 . 11 2 2 电能质量数学分析方法 . 12 2 2 1 时域仿真方法 . 12 2 2 2 频域仿真方法 . 12 2 2 3 基于变换的方法 . 13 2 3 利用快速傅立叶变换进行频谱分析 . 15 2 3 1 快速傅立叶变换 FFT. 15 2 3 2 FFT 在 DSPIC33F 的实现 . 17 2 3 3 快速傅立叶变换运用中的问题与解决 . 18 2 4 采样信号
10、的理论处理方法 . 21 2 5 本章小结 . 21 3 系统的硬件设计 . 21 3 1 PIC 系列单片机简介 . 错误 !未定义书签。 3 1 1 dsPIC33FJ32MC204 芯片概述 . 错误 !未定义书签。 3 2 系统硬件总体设计 . 错误 !未定义书签。 3 2 1 系统的设计目标 . 错误 !未定义书签。 3 2 2 系统的各部分组成与设计 . 错误 !未定义书签。 3 2 2 1 移位电路和信号衰减电路 . 错误 !未定义书签。 3 2 2 2 移相电路 . 错误 !未定义书签。 错误 !未定义书签。 2 2 3 整形电路 . 错误 !未定义书签。 3 3 3 人机交换
11、部分电路设计 . 错误 !未定义书签。 3 3 3 1 键盘接口设计 . 错误 !未定义书签。 3 3 3 2 LCD 接口设计 . 24 4 系统的软件设计与实现 . 25 4 1 Proteus isis 仿真系统介绍 . 25 4 2 PIC 开发环境 . 25 4 3 系统的软件设计总体介绍 . 26 4 4 系统初始化模块 . 26 4 5 中断服务模块 . 26 4 6 电能参数程序设计 . 27 4 6 1 电压电流信号测量 . 27 4 6 2 频率测量 . 27 4 6 3 有功功率、无功功率、功率因素测量 . 27 4 6 4 快速傅里叶变化 Fft 的程序设计 . 27
12、4 7 人机交换模块程序设计 . 27 5 4 7 1 键盘程序设计 . 27 4 7 2 LCD 程序设计 . 27 4 8 本章小结 . 35 5 系统调试与分析 . 36 5 1 系统设计特色 . 36 5 2 系统的调试 . 36 5 3 系统的数据分析 . 36 5 4 测试结果及误差分析 . 36 6 结束语 . 36 7 参考文献 . 36 致谢 . 36 6 1 绪 论 电能是能量的一种形式，它的产生是由各种其他形式的能量转化过来的，因此它比较实用、清洁、经济而且也是很容易转换和控制的能源形态。电能也是一种特殊产品，是电力部门向 电力用户提供由发电、供电、用电三方共同保证其质量
13、满足要求的一种产品。现今，电能作为一种商品，与其它商品一样，也应讲究其质量问题。电能自第二次工业革命以来，已经成为了人类社会中使用最广泛的能源，其应用程度还是一个国家发展水平高低的主要标志之一。 而近年来，随着我国国民经济的快速增长 , 科学技术的发展及生产过程的高度 自动化 ， ，电能质量问题已越来越严峻，越来越受到重视。 1.1 电能质量问题的背景 随着我国国民经济的快速增长 , 科学技术的发展及生产过程的高度 自动化 ，电网中各种非线性因素不断的增长；各种复杂的、精密的，对电能质量敏感的用电设备也越来越多。随着计算机技术的日益普及，大量基于计算机系统的电子装置和控制设备不仅对供电电能质量
14、异常敏感，使得电网中的电压凹陷、电压凸起、电压波动、脉冲暂态、频率变化、三相不平衡和谐波等电能质量问题也越来越受到各国科学家的重视了。 电能质量的好坏主要由电压和频率来衡量的，在模拟无损失的电力系统中，电能是 以额定的电压（ 220V 或 380V）和频率（ 50Hz）向用电户供电的。而在现实的电网中，因为负载因素的变化，电网中的频率和电压就会发生很大的波动，有时还会出现暂态过程的现象。因此电能质量问题可以说是交流输配电系统与生俱来的。随着科学技术的进步，电网中非线性、冲击性的负载不断增多，使得电网内频繁地出现三相不平衡、功率因数降低、谐波污染、电压波动、闪变等问题。同时，现今社会人们都是在计
15、算机为基础下的数字通信阶段，网络通信设备、高速计算机、数字存储器等电子产品在人们的生产、生活中也得到了广泛的应用，这些电子设备对电 能的要求更高。 关于电能质量问题的研究是开始于上世纪二十年代，当时德国提出了电压波形产生的畸变问题，从此正式揭开了对电能质量问题研究的序幕。到了五十、六十年代期间，那时候因为高压直流输电技术引起的换流器谐波问题成为一个研究热点，各国的科学家们对这问题很重视，还召开过很多学术会议对谐波问题进行了研究。我国的科研单位是在九十年代才开始对谐波问题进行研究。 1.2 电能质量的定义 广义上讲：电能质量是电能的质量，电能是电网给用户的交流电压。而理论7 讲，公用电网是以额定
16、电压、标准正弦波和恒定的频率对用电户进行供 电。在三相交流系统中，各相的电流和电压幅值相位对称且相差 120 度、大小应相等。但由于电网线路设备的不是线性、负载性质多样化、干扰性，加之调节方法不完善及操作也有可能存在误差等原因，这种完美的状态并不存在。因此，就会产生了关于电能质量的各种问题 1。 然而电能质量还包括 4个方面的相关术语：电压质量 (voltage quality )、电流质量 (current quality)、供电质量 (quality of supply)、用电质量 (quality of consumption)。从这方面讲，电能质量也可 以定义为：导致用户设备故障或不能
17、正常工作的电压、电流或频率偏差。这个定义简单明晰，概括了电能质量问题的成因和后果 2。 1.3 电能质量检测的研究现状 及动态 近年来 ,电能质量监测装置发展非常迅速 ,主要有以下几个发展方向 3： (1)电能质量控制的基础理论研究 ,包括统一的畸变波形下电能质量的含义的研究 ,电能质量的界定方法、评价体系的研究 ,各功率成份的定义及物理意义研究。目前，为适应不同需要，也提出了许多功率成份的定义方法 ,在其数学表达式、物理意义及实施方面也各有所长 ,但离理论上和实际上的统一并易于接受的表达式还有一定的距离。 (2)研究不同干扰条件下电能质量指标的科学测量方法及各种电能质量检测仪器和设备。各种电
18、能质量指标均应有合理的计算分析方法 ,特别是针对不同干扰源的预测计算方法及其误差估计等 ,建立电能质量指标计算分析程序和数据库 ,同时还应建立起电能质量控制装置的系统仿真模型。 (3)积极采用数字化控制技术。随着高速数字信号处理器 (DSP)为基础的实时数字信号处理技术的迅速发展 ,并得到广泛应用 ,采用模拟量控制的电能质量控制装置正用数字量控制代替。这有如下优点 :可以程序控制 ,改变控制方法或算法 不必改变控制电路 ;提高了系统稳定性、可靠性和灵活性 ,系统不受温度影响 ;可重复性好 ,易调试和批量生产 ;易实现并联运行和智能化控制。随着 DSP 性能的不断改善和价格的下降 ,用 DSP
19、来实现实时信号处理已成为当今和未来技术发展的一个新热点。 3 (4)柔性交流输电技术 ( FACTS)和用户电力技术 (CusPow)的融合 FACTS 和 CusPow 是快速发展的姊妹型新式电力技术。采用 FACTS 的核心是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力 ;发展 CusPow 的目的是在配电系统中加强供电的可靠性 和提高电能质量。 FACTS 和 CusPow 的共同基础技术是电力电子技术 ,各自的控制器在结构和功能上也相同 ,其差别仅是额定电气值不同 ,二者8 的融合是一种趋势。有人认为 CusPow 技术就是配电系统中的 FACTS 技术。 (5) 非电力电子技术的电能
20、质量控制器的发展采用非电力电子技术手段 ,如提出新的拓扑 ,改进电路结构 ;采用新材料 ,开发新器件提高电能质量的发展也非常迅速。 1 3 1 国外的研究现状 国外有关电能质量的研究远超于我国，现处于高峰时期 ,从以前的所适用的功率理论的扩展 ,到电能质量评价指 标体系的建立 ;从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义 ;各种电能质量问题分析方法的提出 ,以及用户电力技术等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。 1996 年 , IEEE 将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议更名为电力谐波与电能质量学术会议 ,把电能质量提高到一个新的高度来认识。 4 国外已提出并开发了许
21、多改善和提高电能质量的装置 ,包括 :有源电力滤波器和无源滤波器、电池贮能系统、配电用静态同步补偿器、配电用串联电容器、动态电压恢复器、功率因数校正电容器、避雷器、超导磁能贮存系统、静 态电子分接开关、固态转移开关、固态断路器、静止无功补偿器、晶闸管开关电容器、不间断电源等。这些装置主要是采用电力电子技术 ,一些装置已相当成熟 ,其产品开始进入大量实用化阶段。如日本的有源电力滤波器使用很普遍 ,并联型有源电力滤波器最大容量达 50MVA ,采用的是 GTO、 SCR 器件 ,用于抑制电弧引起的闪变。 统一电能质量调节器或称电能质量调节器 (PQC) 。它可快速补偿供电电压中的突升或突降、波动和
22、闪变、谐波电流和电压、各相电压的不平衡以及故障时的短时电压中断等 ,是一项具有综合功能的电能质量控制器 。西门子公司已系列生产出 PQC 装置 ,它基于 IGBT 的 PWM 换流器 ,是并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的组合 ,是众多此类研制品中较有代表性的产品。西门子的PQC 与系统联接有三种方式 ,并联时 ,主要防止非正常负荷对系统的影响 ;串联时 ,则用于防止系统对负荷的影响 ;而当串并联时 ,则将具有双向补偿的功能。 1 3 2 我国的研究现状 为了保证我国的电能质量 ,自 1990 年以来 ,我国相继发布了六项电能质量国家标准， 分别是 :1) 供电电压允许偏差 ;2)
23、电力系统频率允许偏差 ;3) 公用电网 谐波 ;4) 三相电压允许不平衡度 ;5) 电压允许波动和闪变 ;6）暂时过电压和瞬态过电压。这些国家标准的制定，无疑将促进我国电能质量管理工作的开展，因之，要研制相应的电能质量监测装置，以便对电能质量指标进行测试分析，更好地进行电能质量的治理，保证电网和供用电设备的安全可靠运行。 9 改善和提高电能质量的主要措施是采用电力电子技术。目前 ,国内在电能质量控制方面的研究大多局限在谐波问题的范围内 ,也提出和开发了一些改善和提高电能质量的电能质量补偿装置 ,包括各种有源电力滤波器、动态无功补偿装置、电能质量综合补偿装置 ,以及动态电压恢复器等 ,与国外的差
24、距是非常明显的。 在我国 ,有源电力滤波器仍处于试验阶段。有关有源电力滤波器的研究主要集中在并联型、混合型 ,也开始研究串联型。研究最成熟的是并联型 ,而且主要以理论研究和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、各种谐波电流的检测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。采用多重化技术 ,西安交通大学已研制出 120kVA 并联型有源电力滤波器的试验样机。我国虽然在理论上取得了一定的进展 ,但由于多方面条件的限制 ,使得至今未有并联型有源电力滤波器正试产品 用于实际。 由清华大学和河南电力局联合研制开发的我国最大容量的柔性交流输电装置 20Mvar 静止无功发生器 (SV G) ,已于
25、1999 年 3 月并网成功。通过控制 ,该装置可与系统交换无功电流 ,提高系统暂态稳定性、阻尼系统振荡 ,SV G 的性能大大优于传统的同步调相机和动态无功补偿装置 ,将成为静止无功补偿技术的新方向。 1.4 本研制完成的主要研究内容 本设计通过对电能质量的三项电压不平衡度、电压波动和闪变、频率偏差、谐波含量、电压偏差的这五项基本特征的分析，再结合 IEEE 和我国对电能质量的标准，寻 求一种简易的电能质量检测装置。该装置可以实现的功能是先对模拟的电网中电压、电流量的 ADC 采集，再通过软件对采样后的电压电流量进行分析，再得到电压有效值、电流有效值、频率及 FFT 谐波量，并通过 1286
26、4 液晶屏显示相关数值。 2 电能质量的各指标的数学分析方法 2 1 电能质量的各指标介绍 从电能质量的定义上可以得知，电能质量主要有五个指标：电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压波动和闪变、三相电压不平衡度 4。 2 1 1 电压偏差 电压偏差是 指供配电系统改变运行方式和负荷缓慢地变化使供配电系统各点的电压也随之变化， 各点的实际电压与系统的额定电压之差 ，电压偏差计算公式如下： %1 0 0% 额定电压 额定电压）（实际电压）电压偏差（ (2 1) 10 目前，国家标准中的供电电压允许偏差规定： 35KV 及以上供电电压的正负偏差的绝对值之和不超过标称电压的 10%， 10KV 及以下三相
27、供电电压允许偏差为标称电压的 7%， 220V 单相供电电压允许偏差为标称电压的 7%、 10%【 5】 。 2 1 2 频率偏差 我国的电网中电压的额定频率为 50Hz，频率偏差是 电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差 ，用下式表示： nfff (2 2) 式中 f 为频率偏差， f 为系统的实际频率， nf 为系统的额定频率，即 50Hz。我国电力系统的正常频率偏差允许值为 0.2HZ，当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到 0.5HZ；系统 有功功率 不平衡是产生频率偏差的根本原因 。 2 1 3 电 网谐波含量 谐波即 从非正弦周期交流量中减去基波分量后所得到的量 。
28、 谐波产生的根本原因是一些设备和非线性特性的原因，这是电压和电流波形之间所造成的失真线性关系的。波形失真，它会产生高次谐波的。这是因为非正弦周期（如电压，电流，流量等），用傅立叶级数来展开，可以得到一个相同的频率和多频正弦，也就是基波和二次谐波。谐波测量一般包括：谐波的振幅和相位，谐波含量比（ HR），总谐波失真（ THD），谐波功率（ pH）。 为了定量表达电力系统中的正弦波的失真水平，采用总谐波含量和一些指标表示以下个失真指标： 谐波含有率 harmonic ratio (HR)： 周期性交流量中含有的 h 次谐波的有效值(或幅值 )与基波有效值 (或幅值 )之比。 第 h 次谐波电压含有率 %1001 VVHRU hh (2-3) 第 h 次谐波电流含有率 %1001 IIHRI hh(2-4) (2) 总谐波畸变 total harmonic distortion (THD)：周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比 (用百分数表示 )。 2 222322 h hhH UUUUU 谐波电压总量： (2-5) 2 222322 h hhH IIIII 谐波电流总量： (2-6)
