1、毕业设计 开题报告 电子信息工程 基于 DSP 的谐波电能计量装置硬件电路的设计 1、 选题的背景、意义 近年来，随着国民经济的发展，电力电子技术的发展，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，对由谐波引起的电能质量敏感度也增加了。作为供电电源与用电设备间的非线性接口电路，在完成（实现）功率控制和处理的同时，所有电力电子装置都不可避免地产生非正弦波形，向电网注入谐波电流，使公共连接点的电压波形严重畸变，产生很强的电磁干扰。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样性等，电力电子装置潜在的负作用会日益突出。
2、理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。非线性负荷从电网中吸收非正弦电流，引起电网电压波形畸变，谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化。 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。 谐波的危害十分严重， 主要表现为对电网安全稳定和经济运行的影响与危害和对与其有牵连的电气信号的干扰与破坏。如下： 1、高次谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，另外相同频率的谐波电压和谐波电流要产生同次谐波的有功功率和无功功率，从而降低电网电压，增加线路损耗，浪费电网容量。 2、影响供电系统的无功补偿设备，谐波注入电网时容易造成变电站高压
3、电容过电流和过负荷，在谐波场合下，电容柜无法正常投切，更严重的请况下，电容柜会将电网谐波进一步放大。 3、 引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱 ,危害到功率处理器自身的正常运行 ,影响设备的稳定性，尤其是对继电保护装置，危害特大。 4、谐波的存在会造成异步电动机效率下降，噪声增大；使低压开关设备产生误动作；对工业企业自动化的正常通讯造成 干扰，影响电力电子计量设备的准确性。 5、谐波的存在会使电力变压器的铜损和铁损增加，直接影响变压器的使用容量和使用效率；还会 造成变压器噪声增加，缩短变压器的使用寿命。 电力系统中的谐波已经逐渐发展为影响电力系统安全的重要因素，成为许多电子设备与
4、系统现场可靠运行的主要障碍之一， 谐波污染的问题还严重阻碍了诸如变频调速等大批高效、节能电力电子技术的推广应用， 它与电磁干扰、功率因数降低并列为电力系统中的三大公害。 因此，解决谐波干扰，保证优质供电已是迫在眉梢的事情了。在对电能质量有一定的认识和了解后， 深入分析 和研究电能质量问题，从控制全局的整体出发，对电能质量进行监督和管理，把电网的电能质量指标控制在允许的范围内，以保证供给用户合格的电能，并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，这已成为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。谐波研究大体可分为 4 个方向： 非正弦条件下功率定义和功率理论研究；
5、谐波源分析及电力系统谐波分析； 谐波抑制和补偿装置研制； 谐波测量与谐波标准制定。 而其中最关键的是建立科学正确的电能质量实时监测系统。 谐波监测是谐波研究和治理的前提条件，是保证 电能质量不可缺少的一个环节。随着电力系统中发展，各种谐波源将会对电力系统安全和稳定造成越来越大影响。在绿色电能的概念提出后，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监测设备将会得到大力发展。谐波检测的方法将会向着智能化、多功能实用化发展，求解方法也会从直观的函数解析过渡到精确的分析和信号处理。改善电能质量对于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均有重要意义。 良好
6、的电能质量无疑对电气设备的运行是有利的。 电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。 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。 2、 相关研究的最新成果及动态 从电力工业发展历史来看，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，并有相应的论著发表。 1945 年有了谐波的经典论文 (付氏分析做为谐波
7、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为始，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（ 86）开始每 2 年召开 一次世界性会议并出版论文集。 1993 1995 年，美国电力研究院 (EPRI)在全国范围内进行了大规模的电能质量普查，获得了大量电能质量数据，与此同时，国外又兴起了研究“用户特定电力” (custom Power)的高潮，提出利用电力电子控制器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
8、也极为重视，国家质量技术监督局早在 93 年就颁布了电能质量 公用电网谐波 GB/T14549-93，促使电力部门和电力用户采取措施，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，以获得良好的经济效益。 由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征，因此难以对谐波进行准确测量，为此许多学者对谐波测量问题进行广泛研究，使用较多的有以下几种： 最早的谐波测量采用模拟滤波器法实现。这种方法基于频域理论，主要有两种，一种是通过滤波器滤 除基波电流分量从而得到谐波电流分量；另一种是用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减后得到谐波电流分量。这两种方法结构
9、简单，能滤除一些固有频率的谐波，造价低，输出阻抗低，结果也易于控制。但误差大，实时性差，滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界影响较大，当参数变化时检测效果明显变差，难以获得理想的幅频和相频特性。 不仅影响检测精度，而且检测出的谐波电流中含有较多的基波分量，要求有源补偿器的容量大，运行损耗也大。 基于傅里叶变换的谐波检测法根据采集到的一个周期的电流值或电压值进行 FTF计算，得到该电流所 包含的谐波次数以及各次谐波的幅值和相位系数，将需要抵消的谐波分量通过傅立叶变换器得出所需要的误差信号，再将该误差进行傅立叶反变换，即可得补偿信号， FFT变换是目前在电力系统谐波检测中应用最广泛的分析方法
10、，此方法精度高、功能多、使用方便，能够实现整数次谐波的精确分析和检测，缺点是： 能够将信号的时域特征和频域特征联系起来观察，但不能将二者有机地结合起来；只适应于确定性的平稳信号，对时变非平稳信号难以充分描述；只适合于分析特征尺度大致相同的过程，不适合分析多尺度过程和突变过程；快速傅立叶变换 (FFT)变换的时间信 息利用不充分，任何信号冲突都会导致整个频带的频谱散布；短时傅立叶变换 (STFT)的离散形式没有正交展开，难以实现高效算法；在不满足前提条件时，会产生“旁瓣”和“频谱泄露”现象；具有一定的延时，检测的结果实际上是较长时间前的谐波和无功电流，其实时性和精度性不高，相位误差大，加上其较为
11、复杂的运算，使这种方法的应用范围受到了很大的限制，通常采用 硬件跟踪输入信号频率的办法来解决精度问题 。 基于瞬时无功率理论的 谐波检测法是在瞬时值的基础上定义的 ,突破了传统功率理论的平均值意义。 1984 年，日本学者 H.Akgai 首先提 出了瞬时无功功率理论。瞬时无功理论中的概念，是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。基本原理是将三相瞬时电压电流经旋转、正交坐标变换，转换到两相坐标中经合成，称为旋转电压矢量和电流矢量，投影得到三相电路瞬时有功电流和无功电流，计算出瞬时有功功率和无功功率，经过高次谐波分离和反变换，得到谐波电流分量。 基于神
12、经网络的谐波检测与分析，利用神经网络实现谐波的检测对周期性及非周期性电流都具有良好的快速跟踪能力。这种方法涉及到模型的构建，样本的确定和算法的选择。神经网络理论 是巨量信息并行处理和大规模平行计算的基础，它既是高度非线性动力学系统，又是自适应组织系统，可用来描述认知、决策及控制的智能行为。使用神经网络法的优点是可处理多输入多输出系统，具有自学习、自适应等特点；不必建立精确的数学模型，只需考虑输入输出的关系，对数据长度的敏感性低，检测精度高；可以同时实时检测任意整数次谐波，抗干扰性好。但也存在局部极小问题，会出现局部收敛，影响系统的控制精度，还有便是网络结构不易优化。 利用小波分析的方法，对含谐
13、波的电流信号计算出某一特定时间的频率分布，将各种不同频率组成的频谱信号进 行分解，用软件构成谐波检测环节，能快速跟踪谐波的变化。 将小波分析作为调和分析已不是一种新概念了。 当前小波分析在谐波检测中的应用研究成果有基于小波频率变换的多分辨分析，将小波变换和最小二乘法相结合来代替基于卡尔曼滤波的时变谐波跟踪方法，以及对含有谐波信号进行正交小波分解等等。 它克服了傅立叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，在频域和时域都具有局部性， 特别适合突变信号和不平稳信号分析 。利用小波变换能将电力系统中产生的高次谐波变换投影到不同的尺度上会明显地表现出高频、奇异高次谐波信号的特性，从而为谐波 分
14、析提供了可靠依据。 小波变换有“边缘效应”，边界数据处理会占用较多时间，并带来一定误差。 3、 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 在电力系统谐波测量系统中，为了有效地了解电力系统谐波的实际情况，使其具有较强的测量功能、准确度高、速度快和高抗干扰性，同时尽可能降低成本，必须及时测量电力系统谐波参数和采用“物美价廉”的器件 。 本课题的主要内容分为谐波分析、硬件设计两部分内容，主要为硬件设计，功能是实现对谐波电流和电压的基波和各次谐波有效值、有功参数的计算、显示等功能。硬件系统， 包括以下几个基本功能模块的设计：单片机微处理器模块，数据测量与转换电路，计算并送
15、终端设备显示电路，通信转换电路等。 硬件结构框图和程序流程如图 1和图 2所示： 模拟（电压、电流）信号采样 数据预处理 A/D转换电路 基于DSP的电能计量电路 51单片机 通 信 转 换电路 显示电路 串行EEPROM 温度传感器 ATT7022B SPI接口 图 1 谐波计量装置硬件结构框图 图 2 程序流程图 硬件电路 我们可以选用芯片 ATT7022B 和单片机来构建硬件电路，该芯片内部电路图如图 3，在工作时先在 EnLineFreq 寄存器中填写数据 0x007812，然后再往EnHarmonnic 寄存器填写数据 0x0055AA，将芯片设置成 谐波计量状态。 DSP16 位并
16、行装载程序 系统初始化 开中断 A/D 数据采集 FFT 运算及数据处理 显示 往上位机传数据 图 3 ATT7022B 芯片内部框图 1）模拟电压 /电流信号的获取 本文采用双端差分信号输入，采样电压的输入采用电压互感器方式，采样电流的输入采用电流互感器方式，将芯片与电网进行了隔离，从而可以获得良好的抗干扰性能。如图 4 和图 5。 图 4 电流采用电流互感器输入 时钟控制电路 电流ADC 电压ADC 模拟信号采样 ATT7022B 谐波电能计量（数字信号处理DSP） SPI接口 电源管理 温度传感器 参考电压 脉冲生成器 V1P V1N V3P V3N V5P V5N V2P V2N V4
17、P V4N V6P V6N V7P V7N OSCO OSCI SEL SIG RESET CF1 CF2 CF3 CF4 DOUT DIN SCLK CS Revp VCC AVCC VDD REFOUT REFCAP AGND GNA 图 5 电压采用电压互感器输入 2） A/D 转换电路 为了提高采样数据的精度，要求选择 A/D 转换芯片的位数尽量高；同时，由于系统需要分析电压和电流基波和各次谐波的相位，因而需要 同时对电压和电流信号进行采样。 3） 计量电路 采用 ATT7022B 电能专用计量芯片。该芯片集成了参考电压电路以及所有包括基波、谐波和全波的各项电参数测量的数字信号处理（
18、DSP）电路，能够测量各相及合相包括基波、谐波、全波的有功功率、无功功率等参数的测量。该芯片集成了 7 路 16 位的 ADC，采用双端差分信号输入。其中三路用于电流采样， 3 路用于电压采样，还有一路用于输出。 4） LED 显示电路 本课题根据最终的输出情况，设计 6 位 8 段数码管显示，用晶体管来控制每位数码管的位选，由程序控制单片机控制相 关管脚输出是高电平还是低 电平来导通三极管使数码管被位选。 5） 远程通信 图 7 远程通信电路 在计量芯片在进行完处理后要将所得的结果传 给 PC 机，供工作人员查询。我们利用单片机串口和 PC 机的串行接口进行串行通信。接口电路如图 7 所示。
19、 6）串行 EEPROM 串行 EEPROM 可以用来存放电压、电流的定值，也可用来存放计算结果。 研究难点 1） 电能质量检测 谐波监测是谐波研究和治理的前提条件，是保证电能质量不可缺少的一个环节。随着电力系统中发展，各种谐波源将会对电力系统安全和稳定造成越来越大影响。现有谐波检测主要是基于从频域和时域 角度给出的、在非正弦条件下的功率、电压、电流等的各种定义 , 因此在实际工程应用中 , 一般作分相单独处理 , 而且只对稳态谐波现象进行分析 , 电力系统中各种扰动持续时间短、随机性强，无法满足许多场合的需要。所选取的各种方法都因实际情况的需要而存在不可避免的缺限，对此， 我们可以根据不同情
20、况合理选择谐波检测方法，为谐波分析提供详细、准确、实时的数据和信号，将他们相互结合使其优点得到更好的发挥。针对信号扰动的随机性，保证对电网信号进行全过程实时监测， 能捕捉快速瞬时扰动的暂态波形。 上述提到的傅里叶变换 检测精度高、实现简 单、功能多且使用方便 ， 在谐波检测中得到广泛应用，但其具有局限性，需进行一些改进。 2）电流、电压的同步采样 该课题所设计的硬件需对采集的信号的功率进行计算，在现场监测单元中必须增加同步采样模块来保证采样时钟的同步性。为保证信号的采样精度 ,要对信号进行等时间间隔采样 . 而实际上工频信号频率经常会发生变动 ,假设信号频率偏离原频率时 ,若仍以原频率时的理论
21、采样间隔对信号采样 ,会引起采样失真 ,从而影响测量精度 . 为了不失真 ,必须保持采样间隔随信号频率的变化而变化 ,即把一个周期等时间间隔采样变为等相位采样 .通常的操作不 可避免的存在或多或少的延时，解决的办法是采取同步采样技术，例如在操作电压、电流的采集或是在进行 ADC 转换时采取时钟控制电路或锁相环电路，对其过程进行控制，达到信号的同步采集或同时到达计量电路进行 DSP 处理。实现不同监测点采集数据的同步性，以便于对随机扰动和故障信息进行离线分析。除此以外，还需要有足够高采样率，以便能测得相当高次谐波的信息。 3）抗干扰措施 电源干扰对单片机系统来说是一个较为严重的干扰源，单片机的抗
22、干扰能力有限，尤其是处于工业现场的仪器仪表，常由于电压不稳、电弧干扰等造成死机。在引起干扰的信号 输入输出端口添加滤波器，滤除不稳定信号。 预期达到目标 设计谐波情况下电能检测的硬件系统，以实现对谐波电流和电压的基波和各次谐波各参数的计算、显示等功能。所设计的系统应具备： （ 1）对电压、电流高精度的数据采集功能。 （ 2）对瞬时信号尽量好的实时响应能力。 （ 3)带有 RS232 接口 ,可与 PC 机实现 通信 ,以便服务于更高层的企业信息分析和管理系统。 4、 研究工作详细进度和安排 1.第 1-3 周 完成文献检索报告和开题报告； 2.第 4-5 周 毕业实习 到某些具体生产现场和相关实验室； 3.第 6-13 周 完成毕业设计； 4.第 13-15 周 完成毕业说明书（毕业论文）撰写 ,上交指导教师评阅； 5.第 15 周 毕业论文答辩。 5、 参考文献 1 王兆安，杨君，刘进军 .谐波抑制和无功率补偿 M.北京 :机械工业出版社 ,
