【正文】 測量誤差的主要來源，以便估算測量誤差，并采取相應措施減小測量誤差。 圖 54 鎖相倍頻輸出波形 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 30 由圖可以看到，電路輸出為一個標準的方波，頻率為 左右，說明該電路實現(xiàn)了 50Hz 交流信號的 64 倍頻，此波形可以直接接到單片機 口作為被捕獲的信號，去觸發(fā)定時器中斷。 圖 51 電壓通道調理后波形 圖 52 電流通道調理后波形 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 29 通過測量得到電壓通道峰值電壓是 左右，谷值為 200mV 左右，滿足 的 AD 輸入電壓范圍要求。第一小節(jié)主要從整體 介紹了軟件的設計原則，為軟件的設計提供理論指導。從圖中可以看到， 64 點 FFT整個 2( log 6)L L N??級遞推過程由三個嵌套的循環(huán)組成：最外層的一個循環(huán)控制級 i 的運算；內層的兩個循環(huán)控制同一級各蝶形 (jr和 )的運算，其中內一層循環(huán) 控制同一種運算 蝶 ()r 的運算， 而中間一層循環(huán)控制不同種碟群()j 的運算。 MSP430F449 內部集成一個 16 位的硬件乘法器，大大加強了芯片的運算能力，為在該芯片上進行 FFT 運算提供了可行性。 數(shù)據(jù)采集程序設計 數(shù)據(jù)采集單元的功能是通過 MSP430 單片機內部自帶的 AD 來實現(xiàn)的，極大的簡化了外部硬件電路的設計 ，進而也減少了經濟支出 。 設計原則 本系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計方法，針對本系統(tǒng)要實現(xiàn)的是對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時采集、分析計算，在軟件設計上有以下原則 : 實時性 :電能質量監(jiān)測裝置要實現(xiàn)的是對電網數(shù)據(jù)實時采集、分析和計算，既要不間斷的采集數(shù)據(jù)，還要在運行期間實現(xiàn)同步計算。包括芯片的選擇，芯 片各個主要模塊的介紹，以及外圍設備的設計。 RST 對應管腳 94，是 MSP430F449 復位重啟信號的接入管腳 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 21 TDO/TDITDITMSTCK/RST/NMIJ11 23 45 67 89 1011 1213 14CZ1Header 7X2R20 105GNDTESTXOUTVCCVCC 圖 38 JTAG接線原理圖 (4) 顯示及按鍵模塊設計 由于系統(tǒng)需要通過按鍵選擇顯示各個電參量，因此需要設計顯示按鍵與顯示模塊。 ADC12 由 5 大功能模塊構成，而且都可以通過用戶軟件獨立配置 ，具體配置我們在程序中實現(xiàn)，此處不作詳細介紹了 。 對于總體硬件設計中所使用的工作電壓有 + 數(shù)字 電 壓 ,由 電源管理芯片將開關電源的 5V 電壓轉換 而來 ； +5V 數(shù)字電壓； + 模擬電壓 , 由 電源管理芯片 得到； +5V 模擬電壓 ,由 7805哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 20 得到； 5V 模擬電壓 由 芯片 ICL7660 得到 ，該芯片可將 +5V 的模擬電壓轉換為 5V 的模擬電壓 。由于本裝置需要測量到 31 次諧波，所以采樣頻率應達到 3200Hz 以上，而考慮到內部 RAM 容量以及實際計算量的大小，我們每工頻周期采樣64 個點，采樣頻率應為 3200Hz，這樣滿足了上述采樣定理的要求，而且完全在 AD 的采樣速率范圍內。 對于本系統(tǒng)，在硬件設計上主要結合了其如下特點 [24][25]： (1)6OKB 的 FLASH 存儲器可擦寫 10 萬多次。 本設計中整周期同步采樣信號獲取電路的核心是 1 片 CMOS 集成鎖相鎖相環(huán)芯片 (CD4046)和二進制計數(shù)器 (74LS393)構成，其原理圖如圖 37 所哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 18 示。 根據(jù)運放虛短虛斷的概念， pNVV? ，在上圖中， pV 為第二個運放的正輸入端電壓， NV 為第二個運放的負輸入端，由于 pV 接地， 故有 pNVV? =0，由此可得： 2 .52 0 2 0 1 0i N N N OV V V V V? ? ? ??? (31) 解上面方程： 2iO VVV?? (32) 其中 iV 為第一級運放的輸出電壓， OV 為第二級運放的輸出電壓，有 iV在 ~ 范圍內， OV 則在 0~ 范圍內。 信號調理部分 由于互感器副邊輸出是交流信號，存在正負特性，而 MSP430 內部的AD 模塊參 考電壓為 ，因此它只能轉化 0~ 范圍內的電壓，故交流哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 16 模擬量信號在經過采樣前，還要進行信號的調理，使其波形處于 0~ 范圍內。此處，我們選擇電壓互感器和電流互感器來實現(xiàn)。交流電壓電流經過互感器后進入前端得調理濾波電路。在本節(jié)第二小點中，我們 著重介紹了 6 種交流電參數(shù)的計算方法，考慮到選用單片機的資源，我們此處略去電能質量標準中的閃變及暫時過電壓和瞬時過電壓的計算。 電壓諧波總畸變量定義為： 1100%HUTHD U?? (234) 式中： HU —— 諧 波電壓總量， 2 2 2 223 2. . . . . . . . .NH k kkU U U U U?? ? ? ? ? ? ? 利用上式，可以方便實現(xiàn)電網諧波參量的計算。根據(jù)對稱分量法可以將一組不對稱的分量唯一的分解為三組對稱的分量，即正序分量、負序分量和零序分量。如此循環(huán) 64 次， 64 次得差值都保存在一個數(shù)組 diff_array[64]中。 我們可以從有功功率的另一個定義式： 01 ( ) ( )TP U t I t dtT? ? (224) 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 10 來進行分析，即用電壓電流的瞬時值的乘積在 一個周期內的積分來計算。 對 ()xn 進行 DFT 變換得到： 10( ) [ ( ) ] ( )N nkNnX k D F T x n x n W???? ? = 1110 2 2 2s i n ( ) [ c o s s i n ]Nn A n n j n kN N N? ? ???? ? ? ?? (211) 由于： 1100 , 1 , 122s i n ( ) s i n ( ) 0 , 1 , 1NnknA n k n knNN????? ? ??? ? ? ????? (212) 令 1k? 和 1kN??帶入 (211),得到： 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 8 111 1 1 1002 2 2 2( 1 ) s in ( ) [ c o s ] s in ( ) [ s in ]( 1 ) ( 1 )NNnnRIx A n n j A n nN N N NX jX? ? ? ???????? ? ? ????? (213) 111 1 1 1002 2 2 2( 1 ) s in ( ) [ c o s ] s in ( ) [ s in ]( 1 ) ( 1 )NNnnRIx N A n n j A n nN N N NX jX? ? ? ???????? ? ? ? ????? (214) ( ) 0 , 1 1 , 1 , 1X k k N k 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。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。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。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。 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。 (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。 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。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。交流信號的同步采樣通過鎖相倍頻電路來實現(xiàn)。 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。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。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)。 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、網絡化和智能化的方向發(fā)展。 本文主要內容如下： 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 3 第 2 章中， 對 整個系統(tǒng)的關 鍵部分原理給予了介紹 ，并給出了 各個電能質量參數(shù)的計算公式。因此 ， 要獲得高精度、高穩(wěn)定性的測量結果 ， 須采用交流采樣技術。該方法的優(yōu)點是無需硬件同步電路 ， 結構簡單。同時，倍頻后 的信號送入單片機進行捕獲，可以精確得到脈沖寬度，從而得到電網實際的頻率，有關此部分，將在第三章中進行詳細介紹。 下面我們來推導信號經過 FFT 變換后的幅值和相位表達式。由電工學給出有功功率的計算式為： cosP UI ?? (223) 式中： P —— 有功功率， W U —— 電壓有效值， V I —— 電流有效值， A ? —— 電壓電流之間的相位角， Rad 式中的 U ， I 前面我們已經得到了，關鍵是 ? 的計算。 根據(jù)我們使用的單片機的硬件資源，本設計中，我們采用定時器捕獲的方式來實時得到頻率的數(shù)值。三相電量的不平衡度通常以負序分量與正序分量均方根值的百分比來表示 [20]。 (5) 公用電網諧波 為了定量表示電力系統(tǒng)正弦波形的畸變程度， GBT 145491993 中定義了一些波形畸變的指標。第二小節(jié)中，我們著重介紹了基本的電能質量參數(shù)的算法。 本設計系統(tǒng)硬件框圖如圖 31 所示。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 15 模擬部分設計 系統(tǒng)硬件模擬部分主要分為 信號采集部分，信號調理兩大部分 。 D V D I 0 0 1RR i 圖 32 電壓互感器接法圖 Z M C T 1 0 3 CR輸 入輸 出 圖 33 電流互感器接法圖 上面兩圖中 R 為采樣電阻，由于兩種互感器都是電流型互感器，所以互感器的輸出端不允許開路。