【正文】 k N? ? ? ? ? ? ? 利用傅里葉反變換將 ()xn 表示為 ()Xk的表達式： 101 1 2 2( ) ( ) [ ( 1 ) ( 1 ) ] [ c o s sin ]1 2 2[ ( 1 ) ( 1 ) ] [ c o s sin ]2 2 2 2( 1 ) c o s ( 1 ) sinNnkN R InRIRRx n X k W X jX n j nN N N NX jX n j nN N NX n X nN N N N?????????? ? ? ?? ? ???? (215) 同時，我們將 (210)式展開為： 1 1 1 122( ) s in ( ) c o s c o s ( ) s inx n A n A nNN?????? (216) 比較 (215)和 (216)，我們得到： 11112co s (1)2sin (1)IRAXNAXN???????????? (217) 從而得到各次諧波信號的幅值和相位： 222 ( ) ( )()a r c ta n[ ]()k I RIkRA X k X kNXkXk??????????? (218) 通過以上過程的分析可以用一次 FFT 變換同時計算出電壓和電流的 各次諧波的幅值和相位，為下面對各指標的計算提供了理論基礎。 設： k k kf u ji?? ( 0,1, 2........., 1kN??) (25) 頻譜算式為： 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 7 10N nkn k NkF f W???? ( 0,1, 2........., 1kN??) (26) 根據(jù)式 (21)~(24)，我們可以得到： n n nN n N nNn nnF U j IF U j I U j I?????? ? ? ? (27) 由 (27)從而得到電壓電流的頻譜序列為： 1 ()21 ()2NnnnNnnnU F FI F Fj????????????? (28) 上面式 子 中 NnF? 為 NnF? 的共軛復數(shù)。離散傅立葉變換 (DFT)是連續(xù)傅立葉在哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 6 離散系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式，但由于 DFT 運算量太大，即使采用計算機也很難對問題進行實時 分析，所以并沒得到真正的應用。利用鎖相環(huán)實現(xiàn)倍頻，可以有效減小諧波分析中的由于采樣頻率與電網不同步而產生的譜泄漏。一種利用鎖相環(huán)頻率跟蹤原理實現(xiàn)同步等間隔采樣的電路如圖 21 所示。 (1) 軟件同步法 軟件同步采樣法 [6]是由 MCU 或 DSP 提供同步采樣脈沖 ， 具體方法是 ： 先由 MCU 測出被測信號的周期 T ， 則采樣間隔 t? = T / N， ( N 為一周內的采樣點數(shù) ) ， 由此確定定時器的計數(shù)值 ， 用定時中斷方式實現(xiàn)同步采樣。目前 ， DSP、 高速MCU 及高速 A/D 轉換器的大量涌現(xiàn) ， 為交流采樣技術提供了強有力的硬件支持。但直流采樣法存在一些問題 ： 測量精度直接受整流電路的精度和穩(wěn)定性的影響 ； 整流電路參數(shù)調整困難且受波形因素影響較大 ； 此外 ，用直流采樣法測量工頻電壓、 電流是通過測量平均值來求出有效值的 ， 當電路中諧波含 量不同時 ， 平均值與有效值之間的關系也將發(fā)生變化 ， 給計算結果帶來了誤差。 第 5 章中， 給出了系統(tǒng)設計完畢后調試及運行的結果，并對結果可能產生的誤差進行了分析。一個 電能質量 主要包括 信號采集 模塊、 信號處調理 模塊和 微控芯片 模塊 。 (3)嵌入式系統(tǒng) (Embedded Systems)的飛速發(fā)展 ，使得操作系統(tǒng)的設計思想被引入到電能質量監(jiān)測領域。采樣得到的數(shù)據(jù)，經過快速傅 里葉 變換 （ FFT）計算電能質量如 上各個 電能質量技術指標。 隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展及電網中各類非線性負荷的不斷增加，電能質量的監(jiān)測、管理和控制已經越來 越受到各方面的關注。其中代表性公司是美 國的 FULKE 公司和以色列的Elspec 公司。另一方面，隨著電力電子技術的發(fā)展，電力負荷的結構發(fā)生 了很大的變化，變頻裝置、電弧爐等波動性、沖擊性、非線性負荷大量增加，不僅向電網中注入的諧波、間諧波更加嚴重，產生的暫態(tài)電能質量擾動也急 劇增加，對電網的安全、可靠、經濟運行帶來了嚴重的危害，給其他電力用戶也造成了巨大的經濟損失。 FFT； MSP430F449 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） III 目 錄 摘 要 .................................................................................................................. I Abstract .................................................................................................................. II 第 1 章 緒論 ......................................................................................................... 1 課題背景及意義 ....................................................................................... 1 國內外研究現(xiàn)狀及電能質量監(jiān)測的發(fā)展趨勢 ...................................... 1 本文結構 .................................................................................................... 2 第 2 章 系統(tǒng)原理設計 ......................................................................................... 4 交流采樣原理 ............................................................................................ 4 電能質量參數(shù)算法 ................................................................................... 5 本章小結 .................................................................................................. 13 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 ....................................................................................... 14 系統(tǒng)的整體方案 ..................................................................................... 14 模擬部分設計 .......................................................................................... 15 數(shù)字部分設計 .......................................................................................... 18 本章小結 .................................................................................................. 21 第 4 章 軟件部分設計 ....................................................................................... 22 設計原則 .................................................................................................. 22 程序流程圖 .............................................................................................. 22 本章小結 .................................................................................................. 27 第 5 章 調試及運行結果 .................................................................................. 28 硬件電路的調試 ..................................................................................... 28 系統(tǒng)運行結果測試 ................................................................................. 30 誤差分析 .................................................................................................. 31 結 論 .................................................................................................................. 33 致 謝 .................................................................................................................. 34 參考文獻 ............................................................................................................. 35 附 錄 信號采集調理電路原理圖 .................................................................. 37 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 1 第 1章 緒論 課題 背景 及意義 電能既是一種 清潔方便 、 經濟實用且容易傳輸、控制和轉換的能量形式，又是一種由電力部門向電力用戶提供的一種特殊產品。交流信號的同步采樣通過鎖相倍頻電路來實現(xiàn)。研發(fā)功能強大的電能質量監(jiān)測系統(tǒng)，使之能詳細記錄電力系統(tǒng)運行過程中的電能質量指標、監(jiān)測電能質量污染源，從而為電網電能質量的治理和改善提供 了 依據(jù)，對保證電力系統(tǒng)的安全、經濟及穩(wěn)定運行有 著 重要的意義。 文 章 在對電能質量指標及其綜合評價方法進行分析的基礎上，設計了一種電能質量檢測裝置，并為 其 設計了軟件程序。系統(tǒng)的軟件設計也采用了模塊化設計思想，采用具有較高運算速度的 FFT 算法，包括系統(tǒng)的初始化、所測指標的軟件實現(xiàn)以及 LCD 液晶屏輸出界面的設計等。與其他商品一樣，電能也要講求質量，其特殊性就在于電能質量有多方面共同保證的。因而，及時準確的獲取電網電能質量信息己成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)高質量運行的必要條件，是進行電能質量評價的重要基礎 [1][2]。其中 Elspec 公司的 Elspec G4400 最具代表性，它采用數(shù)據(jù)壓哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 2 縮技術，連續(xù)記錄長時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)。計算機、電力電子和信息技術等高新技術產業(yè)的發(fā)展和普及，對電能質量提出了越來越高的要求，電能質量問題成為投資商對投資大型項目時的一個主要是考核標準。 隨著集成電路技術和計算機技術的發(fā)展，網絡技術和嵌入式實時系統(tǒng)技術的日益成熟和完善，電能質量監(jiān)測技術正在朝著在線監(jiān)測、實時分析、自動化、