【正文】 在這樣的環(huán)境下，探討電能質(zhì)量的分析方法，可以為分析我國電能質(zhì)量管理和控制的發(fā)展趨勢提供必要的依據(jù)，具有很強的觀實意義。通過對硬件軟件的調(diào)整，使輸出的結(jié)果達到相應的要求，然后對實際諧波信號分析，對結(jié)果進行進一步數(shù)據(jù)處理，以提高結(jié)果的準確性。上述兩方面的矛盾越來越突出，在這樣的環(huán)境下，探討電能質(zhì)量的分析方法，可以為分析我國電能質(zhì)量管理和控制的發(fā)展趨勢提供必要的依據(jù)，具有很強的現(xiàn)實意義。本設計采用ATMEL公司的ATmega32L單片機完成一個電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)。最后本文簡單介紹了一下提高諧波檢測精度的硬件和軟件措施。設計采用AVR單片機完成一個電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)，性能要求可以測量諧波小于等于21次，將諧波分析結(jié)果通過RS232接口上傳到上位機并顯示存儲?！　?3) 電壓三相不平衡(unbalance)：表現(xiàn)為電壓的最大偏移與三相電壓的平均值超過規(guī)定的標準。(5) 電壓波動和閃變(fluctuation amp。 電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生　　電能質(zhì)量問題是眾多單一類型電力系統(tǒng)干擾問題的總稱，其實質(zhì)是電壓質(zhì)量問題。此外，還有變電站并聯(lián)電容器補償裝置等因素對諧波的影響。居民生活負荷中，熒光燈的伏安特性是嚴重非線性的，也會引起嚴重的諧波電流，其中3次諧波的含量最高。至2000年低已頒布實施的標準共有5個，即GB1232590《供電電壓允許偏差》；GB123262000《電壓波動和閃變》；GB/T 1454993《公用電網(wǎng)諧波》；GB/T 155431995《三相電壓允許不平衡度》；GB/T 159451995《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》。三．設計出以AVR單片機為核心的硬件系統(tǒng)，并考慮實際應用中可能會遇到的干擾問題以及抗干擾的方法。2. 諧波分析基礎 傅立葉分析概要諧波分析的基礎是傅立葉分析，傅立葉分析的實質(zhì)是把信號看成一系列加權(quán)的基本信號的線性組合，用對這些基本信號的分析，疊加起來代替對原來信號的分析。上述變換方法推廣應用至離散系統(tǒng)就出現(xiàn)了離散采樣的傅立葉變換，稱為離散傅立葉變換(DFT)。h取整數(shù)，角頻率為的項稱為中的h次諧波，也可以看作角頻率為零的零次諧波。 采樣信號的傅立葉變換 采樣定理假設一個頻帶有限的信號頻譜的最高頻率為，如果采樣頻率大于信號的兩倍，則可以用采樣信號恢復成原信號，而不產(chǎn)生失真，這就是采樣定理。圖2－1 采樣原理連續(xù)信號經(jīng)采樣序列脈沖作用后產(chǎn)生采樣信號，它是連續(xù)信號與采樣序列脈沖p(t)的乘積，既：其傅立葉變換 (2－7)根據(jù)傅立葉變換的卷積性質(zhì)，可寫為 (2－8) 離散傅立葉變換(DFT)與快速傅立葉變換(FFT) DFT對一個離散信號(或序列)進行傅立葉變換時，得到的是在頻域中的連續(xù)頻譜，這是一個由無限數(shù)據(jù)構(gòu)成的連續(xù)函數(shù)。這是一個一一對應的變換，值得注意的是DFT本身并不存在近似或逼近的概念。對于一個有限時間段內(nèi)的離散信號(或一個序列)，可以用解析延拓地概念將它看為以此時間段為周期的不斷重復的周期函數(shù)而應用DFS將它進行變換，所得就是可以代表該時間段信號的傅立葉頻譜，它依然是一個具有有限個數(shù)數(shù)據(jù)的離散頻譜。樣本間隔Ts=Tp/N,函數(shù)可寫為，其中k取0，1，…，N－1，或是簡化為。DFT的正變換對為 (2－9)從形式上看，式2－9的第二式類似取有限項的傅立葉級數(shù)，其中是第h次諧波的傅立葉系數(shù)。在1996年出現(xiàn)了第一個DFT的快速計算方法，以及相繼出現(xiàn)了多種高效快速算法，使得DFT的計算時間縮短了一到二個數(shù)量級。提高DFT的計算速度目前主要采用一下兩種方法。(2) 利用的周期性和對稱性，在DFT運算中進行歸類，提高運算速度。圖2－3(a)中，不帶系數(shù)的線段表示右端物理量Y＝X，X為左端物理量，如果線段上標以系數(shù)a，則Y＝aX。圖2－3(c)是圖2－3(b)另一種表示方法。前N/2個相當于前述的A(h)。這一過程可向流程左方再次重復，直至最左的量程是樣點函數(shù)時才完成全部流程。例如當N＝2048時，所以FFT算法提高運算速度是十分有效的。在本應用中，程序設計中每次采樣64個點再進行FFT分析，M＝6，因此程序中設計中不用再考慮補足數(shù)據(jù)的要求。表2－1 N＝8時的兩種排列順序規(guī)律自然順序二進制表示倒位二進制數(shù)倒位序0000000010011004201001023011110641000011510110156110011371111117 即位運算即位運算是指當把數(shù)據(jù)存入輸入存儲器中后，每一級運算的結(jié)果都存在相應的輸入存儲器中，直到計算出最后計算結(jié)果。變量定義如下，作用由注釋標明：float dataR[64],dataI[64]。 //碼位倒置int xx。然后逆序轉(zhuǎn)換成十進制的倒位序xx，再用虛部的數(shù)組dataI臨時存儲倒位序列，逆序過程結(jié)束后，再將dataI數(shù)組的值按自然順序賦值給dataR,同時將dataI清空。x0=iamp。 x2=(i/4)amp。x4=(i/16)amp。 xx=x0*32+x1*16+x2*8+x3*4+x4*2+x5。i++){ dataR[i]=dataI[i]。第一層循環(huán)：由于N=2M需要M級計算,第一層循環(huán)對運算的級數(shù)進行控制。實質(zhì)是：第二、第三層循環(huán)完成了第L級的計算。這個是本程序采取查表法計算FFT的關(guān)鍵部分之一。 i=L1。j=b1。 */{p=p*2。k64。 temp=dataR[k+b]。dataI[k+b]=TI+temp*sin_tab[p]dataI[k+b]*cos_tab[p]。這些MCU的性能都非常的好，雖然與DSP相比外圍功能很強大，但同它一樣，這些類型的CPU引腳數(shù)比較多，手工焊接不易，必須使用專門的開發(fā)工具才能進行學習開發(fā)。內(nèi)部集成了EEPROM用以保存數(shù)據(jù)，ISP功能提高了單片機開發(fā)的靈活性，也省去了購買并行編程器的費用，降低開發(fā)成本。本設計選用MEGA系列的ATmega32L單片機，ATmega32有如下特點：32K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，1024 字節(jié) EEPROM， 2K 字節(jié) SRAM，32 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C), 片內(nèi)/ 外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口， 8 路10 位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。在更新應用Flash存儲區(qū)時引導Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了RWW 操作。5V的穩(wěn)壓電壓。圖3－3 單片機最小系統(tǒng)電路圖 復位電路ATmega32L單片機已經(jīng)內(nèi)置了上電復位設計。當AVR在工作時，按下S0開關(guān)時，復位腳變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復位。 時鐘信號電路ATmega32L單片機內(nèi)置RC振蕩線路，可以產(chǎn)生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。Mega系列實際使用時，這兩只小電容不接也能正常工作。保證模擬信號線位于模擬地之上，并使它們與高速切換的數(shù)字信號線分開。實際應用時，為了簡化線路，可以將AVCC直接接到VCC，AREF懸空。使用雙排25插座。根據(jù)ATmega32L手冊中給出的關(guān)于時鐘源選擇的設置如表3－1；時鐘及啟動時間的相關(guān)配置位在熔絲位的低字節(jié)，熔絲位低字節(jié)的功能如表3－2。以雙龍公司的SLISP()MCU在線編程軟件為例，說明熔絲位的設置。圖3－4 熔絲位配置界面 信號預處理電路電壓信號經(jīng)過隔離以后，可以再經(jīng)電阻分壓調(diào)整到單片機可以接受的范圍以內(nèi)。ADC能測量的電壓范圍是0～，留出來的10％左右的裕量是因為供電系統(tǒng)的電壓也可能會有10％的波動，留出來的裕量不夠，采樣出來的波形會削掉波峰和波谷，會為諧波分析帶來嚴重的影響。MAX232內(nèi)部有兩組電平轉(zhuǎn)換電路，這里僅用到一對，接線電路按照美信公司提供的技術(shù)手冊接線，如圖3－7。諧波分析的主體程序流程如圖4－1左，定時器中斷程序流程如圖4－1右。但存儲在Flash ROM中的字符串不能直接調(diào)用，因此需要用庫中的char *strcpyf(char *dest,char flash *src)等函數(shù)將其復制到SRAM中的dest字符串數(shù)組中使用。定義float dataR[65]={0}存放采集得到的數(shù)據(jù)，因為采集的第一個電壓數(shù)據(jù)是上次FFT計算前就已經(jīng)量化出來的了，所以程序中采用一個變通的辦法，多采集一個數(shù)據(jù)，在FFT計算前將其舍去。此外，程序中定義兩個bit F_done=0表示采集完成；unsigned char P_real=0表示采集數(shù)據(jù)的數(shù)組指針和char I_average=0采集完成次數(shù)作為程序分支的控制。對UART的設置為9600kbps, 8 Data, 1 Stop, No Parity, Asynchronous,相應的寄存器設置為UCSRA=0x00；UCSRB=0xD8；UCSRC=0x86；UBRRH=0x00；UBRRL=0x2F。相應的寄存器設置為：TCCR0=0x0B。 A/D采集與存儲交流電壓信號量的采集結(jié)果由定時器中斷控制，每次定時中斷讀取一次ADC結(jié)果，存入dataR數(shù)組中并啟動下一次A/D轉(zhuǎn)換，這樣帶來的問題是每組第一個數(shù)據(jù)與第二個數(shù)據(jù)的采集時間間隔要遠遠大于1/3200秒，因此需要多采集一個數(shù)據(jù)并舍去第一個數(shù)據(jù)。 ADCSRA|=(14)。本設計中，只考慮電壓有效值和各次諧波含量及THDU的計算問題。i++) dataR[64]=dataR[64]+dataR[i]*dataR[i]。因此對諧波含量可以通過模值的比值來求解。i++) { temph=(mode[i]/mode[1])*100。 itoa(i,tempstr)。 } strcpyf(tempstr,str_THDU)。//打印總諧波畸變率 strcat(tempstr,s2)。在使用AVR時，應根據(jù)芯片本身的特點(片內(nèi)大容量數(shù)據(jù)存儲器RAM，更適合采用高級語言編寫系統(tǒng)程序)，編寫高效可靠的UART收發(fā)接口(低層)程序。 UDR=tx_buffer[tx_rd_index]。asm(cli)if (tx_counter || ((UCSRA amp。 }else UDR=c。三．用編譯控制命令pragma savereg和pragma savereg+，使得由CVAVR在生成的中斷服務程序中不進行中斷保護(CVAVR生成中斷保護會將比較多的寄存器壓入堆棧中)，而在中斷中嵌入?yún)R編，只將5個在本中斷中必須要保護的寄存器壓棧。()、strcpy()、strcpyf()()、ftoa()等字符串操作函數(shù)完成數(shù)字向字符串的轉(zhuǎn)換，通過puts()函數(shù)調(diào)用putchar()函數(shù)完成發(fā)送。如果程序執(zhí)行時沒有及時復位定時器，一旦時間超過復位周期， ATmega32 就會復位，并執(zhí)行復位向量指向的程序。5. 提高分析精度方法的研究 計算結(jié)果的處理在初步設計軟件的過程中，并未考慮對計算結(jié)果取平均值，而是是采樣64點后馬上進行計算并顯示。本試驗中采取對8次計算結(jié)果求平均值。此外因傳感器件的傳感特性問題，還需要對采集得到的信號做擬合處理。采用軟件同步采樣技術(shù)，可使檢測結(jié)果達到很高的精度和準確度。圖中，被測工頻信號經(jīng)過中心頻率50Hz、帶寬不超過25Hz的帶通濾波器選頻后，由整形電路處理成方波信號，然后輸入到由鎖相環(huán)和計數(shù)器組成的鎖相倍頻電路。基本思想是：利用數(shù)字存儲示波器以固定采樣率分別采集標準工頻信號和有頻率漂移的工頻信號，用諧波分析程序?qū)山M采樣數(shù)據(jù)分別進行譜分析，通過比較分析結(jié)果，獲得同步誤差的定量信息。一．神經(jīng)網(wǎng)絡法神經(jīng)網(wǎng)絡理論是巨量信息并行處理和大規(guī)模平行計算的基礎，它既是高度非線性動力學系統(tǒng)，又是自適應組織系統(tǒng)，可用來描述認知、決策及控制的智能行為。二．二次變換法二次變換是一種基于能量角度來考慮的新的時域變換方法。三．小波分析法小波變換是新的多尺度分析數(shù)字技術(shù)，它通過對時間序列過程從低分辨率到高分辨率的分析，顯示過程變化的整體特征和局部變化行為。缺點是：(1)在實時系統(tǒng)中運算量較大，需要如DSP等高價格的高速芯片。圖x－1 第三次測量結(jié)果表示的電壓圖形由此可以看出，本設計對諧波含量的分析基本正確，達到了設計的基本要求。表x－1 6月19日AM01時的兩次次諧波分析結(jié)果測量值第一次結(jié)果第二次結(jié)果RMSHRU 1%%HRU 2%%HRU 3%%HRU 4%%HRU 5%%HRU 6%%HRU 7%%凌晨1時左右微機用戶開始關(guān)機，表x－1中數(shù)據(jù)同表5－2相比，可以看到三次諧波含有率大幅度減小，表x－1中第二組數(shù)據(jù)比第一組數(shù)據(jù)晚兩分鐘測得，因此第二組數(shù)據(jù)測量時，微機用電量更少，同時，第三次諧波含量更少。致 謝本學位論文是在石新春老師和謝志遠老師的精心選題和悉心指導下完成的，課題的每一部分工作都凝結(jié)著他們的關(guān)懷和鼓勵。在此，謹向他致以崇高的敬意和衷心的感謝！最后，向各位辛勤培育我們的老師們致以崇高的感謝！參考文獻1 (Austrian)George Systems Harmonics Fundamentals,Analysis and Filter :Springer,20012 Peter . C for electronics and pu