1、 本科 毕业 设计 (论文 ) (二零 届) 基于 DSP 的谐波电能计量装置硬件电路的设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 近几十年来,电力系统中非线性负载得到广泛使用,各种电力电子装置也迅速发展,公用电网的谐波污染 日趋严重,为了有效地了解电力系统谐波的实际情况,电能质量检测成为保证电能良好供应的关键。在电力系统谐波测量系统中,要尽量使检测装置具有较强的测量功能,高准确度和高抗干扰性,同时尽可能降低成本。 本文对此提出一种基于 DSP 的谐波电能计量装置的设计,以单片机 89C51作为主控制器,含有数字信号处理的电能计量芯片
2、ATT7022B 作为从 CPU 的主从系统设计构想,来设计硬件电路。该装置结构简单,造价低廉,运算速度快,而且易于操作。本论文集中讨论基于 DSP 该装置的硬件电路的设计方法,包括以下几个功能模块的设计: 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。 关键词:谐波,电能质量, ATT7022B,硬件电路 II The Design of Hardware Solution of Harmonic Energy Metering Device Based on DSP Abstract In recent decades, nonlinear loads
3、in power system are widely used ,Various power electronic devices are also developing rapidly,Utility grid harmonic pollution is worsening.In order to understand the actual situation effectively in power system harmonics, power quality measure as the key to ensuring a good supply of electrical energ
4、y. As far as possible the measurement detection device has a strong functions, high accuracy and high noise immunity, while minimizing costs in the harmonic measurement system of the power system. This paper presents a harmonic energy metering devices of DSP-based design. We will use master-slave sy
5、stem design concept which the 89C51 microcontroller as the main controller and the energy metering chip ATT7022B with digital signal processing as slave CPU to design the hardware circuit.This device structure is simple, low cost, high operation speed, and easy to operate.This paper focuses on the d
6、esign approaches of the hardware circuit of the device based on DSP , including the following function modules:Single Chip Microprocessor Modules,Data measurement and conversion circuit, Calculated and sent to the terminal equipment display circuit, Communication converter ,and so on. Keywords: harm
7、onic, Power Quality, ATT7022B, hardware III 目录 摘 要 . I Abstract. II 1 绪论 . 1 1.1课题的背景 . 1 1.2课题的意义 . 1 1.3国内外研究发展动态 . 2 1.4课题研究的主要内容 . 3 2电力系统谐波 . 4 2.1谐波概念 . 4 2.2谐波源分析 . 4 2.3谐波的危害 . 6 2.4 谐波检测的方法 . 6 3系统的总体设计 . 9 3.1系统的硬件设计 . 9 3.1系统的软件设计 . 9 4电力谐波检测装置的硬件设计 . 11 4.1 电压、电流采样电路 . 11 4.1.1 原理分析 . 11
8、 4.1.2 设计电路图 . 11 4.2 A/D转换和计量电路 . 12 4.2.1 ATT7022B 芯片介绍 . 12 4.2.2 A/D 转换电路 . 15 4.2.3基于 DSP的计量电路 . 16 4.3 ATT7022B与单片机的接口电路 . 19 4.3.2单片机控制模块 . 21 4.4存 储器电路 . 21 4.5数码管显示电路 . 22 4.6通信转换电路 . 23 5研究难点 . 25 5.1电能质量检测 . 25 5.2电流、电压的同步采样 . 25 5.3抗干扰措施 . 25 结论 . 26 参考文献 . 27 IV 附录 . 28 附录图 1 硬件连接图 . 28
9、 基于 DSP 的谐波电能计量装置硬件电路的设计 1 1 绪论 1.1 课题的背景 近年来,随着国民经济的发展,电力电子技术的飞跃,科学技术的进步和生产过程的高度自动化,电网中各种非线性负载的使用,各种复杂精密的用电设备越来越多,这些都使对由谐波引起的电能质量敏感度也增加了。由谐波引起的各种故障和事故也不断发生,谐波危害的严重性才引起人们 高度的关注。并且,随着功率变换装置容量的不断增大、使用数量的迅速上升和控制方式的多种多样等,电力电子装置潜在的负作用会日益突出。 众所周知,理想的公用电网所提供的电能应该是单一而固定的频率、一定的波形以及若干电压等级的电能形态。由系统电路中元件的线性特性所决
10、定,以单一波形,即期望的正弦函数形式为最优。研究认为,当电压、电流为同样波形、同频同相位时是能量传输的最高效率模式,这同样也是电力产品生产、输送、转换所追求的最佳电能形态。而非线性负荷会从电网中吸收非正弦电流,从而引起电网电压波形畸变。谐波电流和谐波电压 的出现,对公用电网无疑是一种污染,它使用电设备所处的环境恶化。 据报道,我国发电量的 10%左右尚未得到利用, 我国 电网中出现的高次谐波的含量已大大超过了国际上公认的标准。 1.2 课题的意义 电力系统中的谐波已经逐渐发展成为影响电力系统安全的重要因素,是许多电子设备与系统现场可靠运行的主要障碍之一, 谐波对电力系统的污染还严重阻碍了诸如变
11、频调速等一大批高效、节能电力电子技术的推广和应用, 它与电磁干扰、功率因数降低并列成为电力系统中的三大公害。 解决谐波干扰,保证优质供电已迫在眉梢。因此,了解谐波产生的原理,及其对电 能质量的影响,做好电能质量检测有着非常积极的意义。在对电能质量有一定的认识和了解后,开始 深入分析和研究电能质量问题,从控制全局的整体的角度出发,对电网中的电能质量进行监督和管理,把电能质量指标控制在允许的范围内,以保证用户合格电能的供给,并采取措施有效限制用户干扰源对电能质量的影响,使其不超过规定标准,这已是电力工业适应市场竞争和实施可持续发展必须解决的重要课题,也是保证供电系统安全经济运行及保证设备和人身安全
12、的迫切需要。 谐波 检测 是谐波研究和治理的前提条件,是保证电能质 量不可 或缺 的一个重要 环节。随着电力系 统 的 发展,各种谐波源将会对电力系统安全和稳定 造成基于 DSP 的谐波电能计量装置硬件电路的设计 2 越来越大 的 影响。在绿色电能的概念 被 提出后,谐波研究和治理的迫切性越来越大,符合电力系统要求的各种谐波 检测 设备将会得到大力发展。谐波 检测 的方法 也 将会向着智能化、多功能实用化发展,求解 的 方法也会从直观的函数解析过渡到精确的信号分析和处理。改善电能质 量对于 确定 电网的安全经济运行,保证工业产品质量和科学实验的正常进行以及 降低能耗等 等 均有重要意义。良好的
13、电能质量无疑对电气设备的运行是有利的 。电能质量的好坏 将会 直接关系到国民经济的总体效益。 同时也可以 从治理环境污染的角度 来认识。这里的环境当然是指电力系统这个环境, “ 绿色电力电子 ” 的说法 早 已经有了一定的呼声。谐波干扰就是一种污染, “ 无谐波 ” 是 “ 绿色 ” 的主要标志之一。对电力谐波污染的抑制已成 为电工科学技术界所必须 要 解决的问题。在电力工业中,能源的节约、合 理开发和有效使用表现的极为突出和具体。 1.3 国内外研究发展动态 从电力工业的发展历史来看,电力系统波形畸变问题早在 1935 年就已被一些德国专家 (Rissik.H 等 )所关注,并有相应的论著发
14、表。 1945 年有了谐波的经典论文 傅氏分析做为谐波计算的基础。但是其影响与推动远 未与实际需求相吻合。 70 年代初,美国的 Kimbark 教授从 HVDC 的研究出发,理论性、权威性地分析了电力系统谐波问题。 IEEE也从电力系统谐波工作组报告开始,正式将其列为专门学术问题,有组织地加以研究,并且于八十年代开始每 2 年召开一次世界性会议并出版论文集。 1985年,国际上第一本由新西兰著名教授J.Arrilaga等人合写的专著电力系统谐波出版,较详细、系统地阐述了这方面的知识。 1992年 7月,欧洲电工标准化委员会正式颁布文件公用配电系统供电特性,作为欧洲共同体市场对电能质量的统一标
15、准,并被国际电 工委员会采用。 1993 1995 年,美国电力研究院在全国范围内进行大规模的电能质量普查,获得了大量电能质量数据。在此同时,国外又兴起了研究“用户特定电力” (custom Power)的高潮,提出了利用电力电子控制器来提高配电网供电的可靠性和电能质量。 我国对电能质量问题也极为重视, 1988 年,我国电力专家和教授吴竞昌、孙树勤等人合作编著了电力系统谐波,至今还是普遍被人参考学习的读本。之后,先后有东电、天大、重大等单位也编写了不同程度的类似书籍。我国国家质量技术监督局早在 93 年颁布了电能质量 -公用电网谐 波 GB/T14549-93国家标准,促使电力部门和电力用户
16、采取措施,把电网的谐波水平控制在允许范围内,防止谐波危害,保证供电质量,使谐波管理工作逐渐规范化、科学化,进而法规化,以获得良好的经济效益。 基于 DSP 的谐波电能计量装置硬件电路的设计 3 1.4 课题研究的主要内容 为了能够准确实时地检测电力谐波, 有效地了解电力系统中谐波的实际情况,使其具有较强的测量功能、准确度高、速度快和高抗干扰性, 本文主要针对我国电力系统供用电的现状,以谐波的分析 和测量为主,研制一种实用、低成本的电力系统谐波测量装置,适应配电网的 发展。 本课题的主要内容有以下几个方面: 1) 简要回顾和了解当前电力系统的谐波问题; 2)讨论谐波测量原理的方法及其存在的问题;
17、 3)学习了解本文用到的电能计量芯片 ATT7022B; 4)完成装置的硬件系统设计。 基于 DSP 的谐波电能计量装置硬件电路的设计 4 2 电力系统谐波 2.1 谐波概念 国际上公认的谐波定义为:“谐波是一个周期 性电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍。”从严格的意义来讲 ,谐波是指电流中含有的频率为基波的整数倍的电量,从广义上来讲,由于交流 电网有效分量为工频单一频率,因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为 谐波,也可以从 以下 几个方面来理解: 1、谐波次数必须为正整数 如我国电力系统的标称频率 F(工频,即工业频率)为 50HZ,则基波的频率是 50HZ,二次谐波的频率是
18、100HZ,三次谐波的频率是 150HZ等。 2、间谐波和次谐波 在某些特定的供电系统条件下,会出现一些用 电负荷发生非整数倍周期性电流波动的情况,把该电流周期进行傅里叶级 数的分解,可能得出不是基波整数倍频率的分数谐波 (FRACTIONAL-HARMONICS)或称间谐波 (INTER-HARMONICS),傅立叶频谱分量 ( fhffh 1 )介 于工频谐波之间,主要来源于变频器、换流器、电弧炉和电焊机等。 次谐波( SUB-HARMONICS)是指频率低于工频基波频率的分量。 3、谐波和暂态现象 暂态现象在很多时候会被误认为是谐波畸变。 实际上谐波现象是在每一周内电压或电流的波形保持不
19、变。而暂态现象是 指每周期的波形都随时间的变化而变化。暂态过程的实测波形带有明显高频分 量,已发生畸变。虽然如此,暂态和谐波还是完全不相同的,自然分析方法也 不一样。电力系统的暂态波形在受到突然扰动之后会出现高频特性,但这些频 率与系统的基波频率没有关系。 4、短时间谐波、 冲击 电流通常时间很短,将其按周期函数进行分解 后,得到快速变化谐波电流,不属于准稳态谐波。 5、陷波 换流装置在换相时,电压波形出现缺口,也称 陷波,是一种周期性的突然变化,但不是谐波。 2.2 谐波源分析 电力系统中的谐波来自电气设备,也就是说来 自发电设备和用电设备。这基于 DSP 的谐波电能计量装置硬件电路的设计
20、5 些向公用电网注入谐波电流或在公用电网产生 谐波电压的电气设备称为谐波源。它具有如下特性: 1、当非线性负荷的电源电压波形为正弦波时, 会产生最大程度的谐波。 2、谐波电流会在线路阻抗上产生阻抗电压,这 个阻抗电压使非线性负荷的电源电压波形发生畸变,并且总是 向着谐波电流减小的形式畸变。 3、因为线路阻抗的影响而使非线性负荷的电源 电压发生的畸变越严重,产生的谐波电流就越小。 4、当非线性负荷的电源电压畸变为某一形状时 ,产生的谐波为零。 根据上面的分析,我们会发现,当施加在非线 性负荷上的电压为某一特定形状的非正弦波形时,非线性负荷的电流变成 正弦波。我们将这时的电压波形称作非线性负荷的“
21、最适电压波形”。我们可 将谐波源分为几类: 1、发电机、变压器等 发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦 波,因此发电机发出的电压波形不可能是完全不失真的正弦波。 2、变频器 变频 器是工业电力系统中应用较为广泛的设备之一 。它利用电力半导体器件的通断作用把工频( 50HZ)变成各种频率的交流电源,使电机实现变速 运行。变频器电路一般由整流、中间直流环节、逆变 和控制 4 个部分组成。整流部分完成将交流电转换成直流电;中间直流部分对 整流电路的输出进行平滑滤波;逆变部分又将直流电逆变成交流电,输出为 PWM 波形;控制电路对主电路进行控制。在逆变电路中,对于电压型电路来说, 输出电压是矩形波
22、。对电流型电路来说,输出电流是矩形波。矩形波中含有较 多的谐波。所以,变频器逆变电路的开关特性对其供电电源形成了一个典 型的非线性负载。因此,以变频器为代表的电力电子装置是供用电网中最主要的谐 波源之一。 3、交流电弧炉和交流电焊机 电弧炉的运行周期有三个阶段:熔化期、氧化 期和还原期。电弧炉的电气行为有如下特征:消耗的功率强烈而快速,会 出现随机变化。在熔化期会发生最大程度的电能质量下降和最强的时变特征。 电弧炉负荷每一运行阶段的随机性和运行的不 稳定性,尤其是电弧炉的非线性的电弧变化特性难以准确描述,使得其谐 波分布十分复杂。 4、 家用电器 低压电网供给电源的各种电器设备,在生活和 工业应用都十分广泛,在这些家用电器中,有不少含有 非线性元件,会产生谐波电流,比如电视机、 各种节能灯、微波炉、计算机、激光打印机、各种 医疗和科研用的仪器空调用压缩机、高层建筑用的大型电梯等,它们大含有用 晶体管、小功率的整流装置等电