【正文】 我們對(duì)電壓電流兩個(gè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，同時(shí)做頻譜分析，他們的頻譜序列分別為 nU 和 nI ，采用復(fù)序列 FFT 計(jì)算 [13]。 首先我們來(lái)看一下 視在 功率的測(cè)量方法。對(duì)于使用采樣數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行 FFT 運(yùn)算更是如此 ，由于 FFT 隱含著周期性因素，如果沒(méi)有精確地測(cè)頻，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量出現(xiàn)很大的誤差。三相電源電壓畸變不對(duì)稱時(shí)，對(duì)于三相四線制電路，電壓中除含有諧波分量外，還含有正序、負(fù)序、零序分量。國(guó)標(biāo)中給出了基于三相三線制中三相不平衡度的簡(jiǎn)化計(jì)算公式： 1 3 6 100%1 3 6 LL? ?????? (232) 式中： 4 4 42 2 2 ,abcL abc??? ?? ,abc是三個(gè)線電壓的幅值。 本章小結(jié) 本章分為兩個(gè)小節(jié)。 本文設(shè)計(jì)的是用于低壓配電系統(tǒng)中的專用智能 化電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，用于電能質(zhì)量的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)或現(xiàn)場(chǎng)電能質(zhì)量檢測(cè) 。頻率信號(hào)送入單片機(jī)信號(hào)捕獲端。 ZMCT103C 型電流互感器基本參數(shù)如下：額定輸入電流 5A，額定輸出電流 5mA，變比 1000:1000，線性范圍 0~10A，線性度 %。我們采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)這一部的處理。該濾波器采用二階壓控電 源低通濾波電路，由兩節(jié) RC 濾波電路和同相比例放大電路組成，其中同相比例放大電路實(shí)際上就是壓控電壓源，具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點(diǎn)。 數(shù)字部分設(shè)計(jì) MSP430F449 芯片的介紹 MSP430 是 TI 公司近幾年推出的 16 位系列單片機(jī)，是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，其中包括一 系列器件，具有低電壓、超低功耗，強(qiáng)大的處理能力，豐富的片內(nèi)外設(shè)，方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)。 (2)配置 3 種時(shí)鐘源的基本時(shí)鐘模塊。 另外，裝置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘、通訊等功能模塊都需要用到定時(shí)器。 本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘配置如下： (1) MCLK 選擇時(shí)鐘源 XT2CLK，工作頻率 為 8MHz。如圖 38 所示?？紤]到按鍵不多，使用中斷法容易引起中斷沖突，鍵盤采用查詢法設(shè)計(jì)， 作為鍵盤接口。主程序主要協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的運(yùn)行，在系統(tǒng)加電啟動(dòng)后，首先進(jìn)行程序加載和系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，并完成相應(yīng)的計(jì)算和處理。 程序流程圖 主程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的主程序主要完成系統(tǒng)初始化、鍵盤查詢等功能。數(shù)據(jù)采樣流程圖 如圖 42 所示。 倒序的思想如下圖 44 所示。該模塊驅(qū)動(dòng)芯片采用 ST7920，能夠顯示 4 行漢 字 ，每行 16 個(gè)字。主要包括硬件電路的測(cè)試和系統(tǒng)的在線運(yùn)行電能質(zhì)量參數(shù)的測(cè)試。 (2) 鎖相倍頻電路測(cè)試 該部分電路的測(cè)試包括兩部分 :測(cè)頻率整形電路和鎖相倍頻電路。 表格 51 和表格 52 分別為帶載情況下和不帶情況下記錄的基本電參量數(shù)據(jù)。另外，互感器還不可避免的存在著非線性因素 ，這對(duì)測(cè)量結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響。 (5) FFT 算 法存在的誤差 此次設(shè)計(jì)的諧波分析采用的是 64 點(diǎn)的 FFT 算法?？紤]到運(yùn)算級(jí)數(shù)少的特點(diǎn)，算法的倒序部分，直接通過(guò)分離每一位 實(shí)現(xiàn)。 通過(guò)本文，我們得到的結(jié)論如下： 針對(duì)交流采樣過(guò)程難以做到整周期采樣的困難，文章里提出一種行之有效的利用鎖相環(huán)倍頻控制采樣的方法，測(cè)試結(jié)果證明，這種方法比軟件同步法簡(jiǎn)單且更有效。 (4) 數(shù)據(jù)截?cái)?和舍入 誤差 在 數(shù)據(jù)處理 的過(guò)程中， 由于各種因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換帶來(lái)的誤差，也是一個(gè)不可忽視的因素。 綜合分析系統(tǒng)的各個(gè)部分，誤差大體來(lái)自以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果測(cè)試 運(yùn)行結(jié)果主要包括電壓、電流，頻率，有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、諧波參量等參數(shù)。電流通道峰值為 左右，谷值為 180mV 左右，也滿足上述要求。第二小節(jié)詳細(xì)介紹了軟件各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)思路與流程，經(jīng)過(guò) 燒入單片機(jī)實(shí)際運(yùn)行，基本達(dá)到了我們 本次設(shè)計(jì) 的目的。其中： 2log ( )LN? 級(jí) 數(shù)、 11 2 ( )im ?? 運(yùn) 算 蝶 數(shù)， 622im ?? (蝶群數(shù) )、 3 *2* 1m j m? (蝶群地址 )。 本設(shè)計(jì)中，我們采用常用的按時(shí)間抽選的基 2FFT 算法 (DIT)，并使其輸入位倒序，輸出為自然順序。 數(shù)據(jù)采集部分，利用 外部硬件電路，產(chǎn)生與交流信號(hào)同步的方波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)鎖相倍頻電路將此方波 64 倍頻，得到一系列脈沖信號(hào)，利用TimerA 捕獲脈沖信號(hào)的上升沿， 同時(shí) 觸發(fā) AD 采樣。 快速性 :在硬件上要求采樣和計(jì)算芯片的高速性，軟件上要求算法的高效率，從而可以在每 64 點(diǎn)采樣間隔的時(shí)間內(nèi)完成各個(gè)電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以能實(shí)現(xiàn)計(jì) 算和采樣的同步。 在硬件設(shè)計(jì)完成后，我們就可以在此平臺(tái)上依據(jù)我們的需求進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)?？紤]到實(shí)際需要，顯示部分我們采用帶有字庫(kù) 的 TS128643型字符型 LCD，和 4 鍵獨(dú)立式鍵盤。 (3) JTAG 模塊 MSP430F449 在內(nèi)部集成了 JTAG((Joint Test Action Group)模塊， 我們可以通過(guò) JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì) CPU 的仿真和在線編程及調(diào)試和下載程序等功能，外部需要一臺(tái)帶有并行接口的 PC 主機(jī)。 MSP430F449 的超低功耗設(shè)計(jì)，要求有不同 頻率的時(shí)鐘輸出給不同的模塊。 (4)帶有捕獲 /比較模塊的定時(shí)器 TimerA 和 TimerB。內(nèi)存大，滿足裝置多功能測(cè)量的需要。 10KR1021MR103100KR104C28200pFC29GNDGNDGNDVCINVCINAIN14BIN3VCIN9INH5CA6CB7R111R212PCP1PC12PC213VCOUT4SF10ZEN15U374046CLR2CLK1QA3QB4QC5QD6U38ASN74LS393NCLR12CLK13QA11QB10QC9QD8U38BSN74LS393NGNDGND輸出12P1Header 2 圖 37 同步采樣電路原理圖 輸入方波信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖相倍頻電路后，產(chǎn)生 64 倍頻，即輸出信號(hào)是輸入信號(hào)頻率的 64 倍，這個(gè)頻率的信號(hào)可以用來(lái)控制 AD 的采樣，即每個(gè)周期采樣 64 點(diǎn)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 抗混疊濾波電路 考慮到本裝置應(yīng)用的靈活性和實(shí)際情況，所測(cè)模擬信號(hào)較多，包括A、 B、 C 三相電流和電壓。這里使用了一系列的處理電路 [23]。這里 采用北京新創(chuàng)四方電子有限公司的兵字 DVDI001 電壓互感器和 ZMCT103C 型電流互感器。從此部分引出四根線接入單片機(jī)的 I/O 口，分別是：電壓信號(hào)，電流信號(hào)，頻率信號(hào)，地線。 在明確了原理及參數(shù)算法后，我們將進(jìn)入系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)部分。 (6) 電壓波動(dòng) 電壓波動(dòng)是指一系列電壓變動(dòng)或工頻電壓包絡(luò)線的周期性變化。 ( 0 )2( 1)2( 2 )1 1 11131A AABCAF FF a a Faa FF??? ???????????? ?????? ?? ???? (230) ( 0 )2( 1)2( 2 )1 1 111AABAC AFFF a a FaaF F????? ???????? ???????? ???? ?? (231) 式中： 21 3 1 3,2 2 2 2a j a j? ? ? ? ? ? 正序： 2(1 ) (1 ) (1 ) (1 ),B A C AF a F F a F??， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 負(fù)序： 2( 2 ) ( 2 ) ( 2 ) ( 2 ),B A C AF a F F a F??， 零序：( 0 ) ( 0 ) ( 0 ) ( 0 ),B A C AF F F F?? 即一個(gè)不對(duì)稱的三相系統(tǒng) ( , , )A B CFFF 可以分解為三個(gè)對(duì)稱的三相系統(tǒng)：零序系統(tǒng)( 0 ) ( 0 ) ( 0 )( , , )A B CFFF、 正 序 系 統(tǒng)(1) (1) (1)( , , )A B CFFF、負(fù)序系統(tǒng)( 2 ) ( 2 ) ( 2 )( , , )A B CFFF?？紤]到計(jì)數(shù)器剛開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)信號(hào)不一定從零點(diǎn)開(kāi)始，我們舍棄前 16 次的值，從第 17 次開(kāi)始，這樣就能計(jì)算出 48 個(gè)脈沖周期，接著計(jì)算出平均脈沖周期，該平均周期便是所測(cè)交流信號(hào)的周期，進(jìn)而可以得出其頻率 [18]。將 (224)式離散化處理得到有功功率的計(jì)算公式 [17] 101 *N iiiP U IN??? ? (225) 知道了視在功率和有功功率，我們利用公式： 22Q S P?? (226) 式中： Q —— 無(wú)功功率， VAR P—— 有功功率， W 計(jì)算得到。 基本交流電參數(shù)計(jì)算原理 (1) 電壓電流有效值 [14] 由電工學(xué)理論 ，交流電電壓，電流的定義式為： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 21U u dtT?? ? ( 21I i dtT?? ? ) (219) 將連續(xù)的時(shí)間信號(hào) ()ut ( ()it )離散化，每個(gè)周期取 N 點(diǎn)采樣，則有： 1 201 N kkUuN ??? ? ( 1 201 N kkIiN ??? ? ) (220) 按照 (219)計(jì)算出電壓（電流）有效值后，就可以按照以下計(jì)算電壓偏差公式 [15]計(jì)算出所要的電壓偏差率 %dU? ： %dU? = 100%rUUUr? ? (221) 其中： U 為實(shí)際有效值， Ur 是額定值。而快速傅立葉變換 (FFT)[10]是快速計(jì)算 (DFT)的一種高效方法，在實(shí)際應(yīng)用中成為穩(wěn)態(tài)諧波測(cè)量的最好方法。相 位 比 較 器P D低 通 濾 波 器L P F壓 控 振 蕩 器V C OI N 1I N 26 4 倍 分 頻 器（ 7 4 L S 3 9 3 ）f o 圖 21 倍頻鎖相同步電路 在相位比較器 PD、低通濾波器 LPF、壓控振蕩器 VCO 構(gòu)成的鎖相環(huán)內(nèi)加入 64 倍分頻器（ 74LS393 構(gòu)成），輸入 IN1 為被 測(cè)信號(hào)的頻率，作為鎖相環(huán)的基準(zhǔn)頻率，輸出 fo 為采樣頻率。 交流采樣法包括同步采樣法、準(zhǔn)同步采樣法、 非同 步采樣法等 種 ，我們 重點(diǎn)介紹同步采樣法。 最后對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了總結(jié)。例如：基于 cLinux? 的 Microwindows，MINIGUI，基于 /2c OS? ? 的 /c GUI? 等等。計(jì)算機(jī)、電力電子和信息技術(shù)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和普及，對(duì)電能質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求，電能質(zhì)量問(wèn)題成為投資商對(duì)投資大型項(xiàng)目時(shí)的一個(gè)主要是考核標(biāo)準(zhǔn)。因而，及時(shí)準(zhǔn)確的獲取電網(wǎng)電能質(zhì)量信息己成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)高質(zhì)量運(yùn)行的必要條件，是進(jìn)行電能質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ) [1][2]。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)也采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，采用具有較高運(yùn)算速度的 FFT 算法，包括系統(tǒng)的初始化、所測(cè)指標(biāo)的軟件實(shí)現(xiàn)以及 LCD 液晶屏輸出界面的設(shè)計(jì)等。研發(fā)功能強(qiáng)大的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使之能詳細(xì)記錄電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的電能質(zhì)量指標(biāo)、監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量污染源，從而為電網(wǎng)電能質(zhì)量的治理和改善提供 了 依據(jù)，對(duì)保證電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)及穩(wěn)定運(yùn)行有 著 重要的意義。 FFT； MSP430F449 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì) ...