【正文】 64 個(gè)點(diǎn)，采樣頻率應(yīng)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(nèi)。 ADC12 由 5 大功能模塊構(gòu)成，而且都可以通過(guò)用戶軟件獨(dú)立配置 ，具體配置我們?cè)诔绦蛑袑?shí)現(xiàn)，此處不作詳細(xì)介紹了 。包括芯片的選擇，芯 片各個(gè)主要模塊的介紹，以及外圍設(shè)備的設(shè)計(jì)。 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集單元的功能是通過(guò) MSP430 單片機(jī)內(nèi)部自帶的 AD 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，極大的簡(jiǎn)化了外部硬件電路的設(shè)計(jì) ，進(jìn)而也減少了經(jīng)濟(jì)支出 。從圖中可以看到， 64 點(diǎn) FFT整個(gè) 2( log 6)L L N??級(jí)遞推過(guò)程由三個(gè)嵌套的循環(huán)組成：最外層的一個(gè)循環(huán)控制級(jí) i 的運(yùn)算；內(nèi)層的兩個(gè)循環(huán)控制同一級(jí)各蝶形 (jr和 )的運(yùn)算，其中內(nèi)一層循環(huán) 控制同一種運(yùn)算 蝶 ()r 的運(yùn)算， 而中間一層循環(huán)控制不同種碟群()j 的運(yùn)算。 圖 51 電壓通道調(diào)理后波形 圖 52 電流通道調(diào)理后波形 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 通過(guò)測(cè)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。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 表 53 諧波含量測(cè)試結(jié)果 諧波次數(shù) 組次 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 表 54 GB/T 1454993公用電網(wǎng)諧波電壓 (相電壓 ) 電網(wǎng)標(biāo)稱電壓 KV 電網(wǎng)總諧波畸變 % 各次諧波電壓含有率， % 奇 次 偶 次 6 10 35 66 110 誤差分析 為了減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，必須明確測(cè)量誤差的主要來(lái)源，以便估算測(cè)量誤差，并采取相應(yīng)措施減小測(cè)量誤差。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 結(jié) 論 論 文在對(duì)電能質(zhì)量部分指標(biāo)及其綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基 于 MSP430F449 單片機(jī)的電能質(zhì)量檢測(cè)裝置，并為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于具有較快運(yùn)算速度的 FFT 算法的軟件程序，同時(shí)還對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn) 行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了系統(tǒng)的誤差來(lái)源及改進(jìn)措施。按照數(shù)字信號(hào)處理的理論，任何一個(gè)有限長(zhǎng)序列進(jìn)行 FFT 變換，都相當(dāng)于給無(wú)限長(zhǎng)序列加上一個(gè)矩形窗得到。 表 51 不 帶載情況下基本電參量數(shù)據(jù) 類 型 電 參 量 U(V) I(A) P(W) Q(VAR) S(VA) COS? F(Hz) 實(shí)驗(yàn) 數(shù)值 標(biāo)準(zhǔn)值 50 絕對(duì)偏差 表 52 帶載情況下基本電參量數(shù)據(jù) 類 型 電 參 量 U (V) I(A) P(W) Q(VAR) S(VA) COS? F(Hz) 實(shí)驗(yàn) 數(shù)值 標(biāo)準(zhǔn)值 50 絕對(duì)偏差 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)相對(duì)測(cè)量誤差基本控制在 5%內(nèi)，但是由于采樣的量化誤差的存在，當(dāng)信號(hào)幅值較小時(shí)，會(huì)有較大的誤差 存在，因此當(dāng)不帶負(fù)載的情況下，數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差要比帶載情況下稍大。 硬件電路的調(diào)試 硬件電路板的測(cè)試主要包括電壓、電流互感器的傳輸特性的測(cè)試，信號(hào)調(diào)理部分電路的測(cè)試以及鎖相倍頻電路的測(cè)試。 5 4 3 2 1 0 圖 44 倒序示意圖 倒序后的數(shù)據(jù)存放在圖 44 箭頭所對(duì)應(yīng)的內(nèi)存空間中去。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖 41 所示。 本章小結(jié) 本章 主要介紹了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程，共分為三個(gè)小節(jié)。 (2) SMCLK 為 1MHz， SMCLK 的時(shí)鐘源 選擇 為 XT2CLK?？赏ㄟ^(guò)外接 8MHz 和 32768Hz 兩種晶振配置 ACLK、 MCLK 和 SMCLK 這 3 種時(shí)鐘源，正是由于有 3 種不同頻率的時(shí)鐘輸出給不同的模塊，才使整個(gè)系統(tǒng)超低功耗成 為可能。 85234671U311KR741KR811KR8220KR8720KR901pFC19GNDC23GNDGND+5V5V 圖 35 抗混疊濾波電路 我們采用專用濾波器設(shè)計(jì)軟件 FilterLab 進(jìn)行優(yōu)化分析，基本達(dá)到了我們的目的。 其基本接法分別見(jiàn)圖 32 和圖 33 所示。針對(duì)以往 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案的不足和系統(tǒng)的性能要求，我們選擇 Texas Instruments(TI)公司的 MSP430F449 這款單片機(jī)作為主控制芯片 [21][22]。 文獻(xiàn) [18]中 還提到了一種基于圖解法的三相不平衡度的簡(jiǎn)化公式，在此我們不多做介紹了。因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)很關(guān)鍵的部分便是如何得到待測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)頻率。 設(shè)： k k kf u ji?? ( 0,1, 2........., 1kN??) (25) 頻譜算式為： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(fù)數(shù)。 (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(cè)出被測(cè)信號(hào)的周期 T ， 則采樣間隔 t? = T / N， ( N 為一周內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù) ) ， 由此確定定時(shí)器的計(jì)數(shù)值 ， 用定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)同步采樣。一個(gè) 電能質(zhì)量 主要包括 信號(hào)采集 模塊、 信號(hào)處調(diào)理 模塊和 微控芯片 模塊 。其中代表性公司是美 國(guó)的 FULKE 公司和以色列的Elspec 公司。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。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]。例如：基于 cLinux? 的 Microwindows，MINIGUI，基于 /2c OS? ? 的 /c GUI? 等等。 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。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。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。 ( 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。 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。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。 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。內(nèi)存大，滿足裝置多功能測(cè)量的需要。 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?？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。 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。 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。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。 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)。 (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?？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)。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。 (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。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。數(shù)據(jù)采樣流程圖 如圖 42 所示。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。如圖 38 所示。 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。 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)。我們采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)這一部的處理。頻率信號(hào)送入單片機(jī)信號(hào)捕獲端。 本章小結(jié) 本章分為兩個(gè)小節(jié)。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。 首先我們來(lái)看一下 視在 功率的測(cè)量方法。由于鎖相環(huán)的實(shí)時(shí)跟蹤性 , 當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率 IN1 變化時(shí)，電路能自動(dòng)快速跟蹤并鎖定，始終滿足 fo=64*IN1 的關(guān)系，即采樣頻率為被測(cè)信號(hào)頻率的整數(shù) ( 64) 倍，從而實(shí)現(xiàn)一周內(nèi)等間隔采樣 64 點(diǎn)，從根本上克服了軟件同步采樣法存在的上述問(wèn)題。直流采樣法是采 樣經(jīng)過(guò)整流后的直流量 ， 對(duì)采樣值只需作一次比例變換即可得到被測(cè)量的數(shù)值 ， 軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 ， 計(jì)算方便。依據(jù)我國(guó)制定的電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電力系統(tǒng)電能質(zhì)量包括電壓，電流和頻率等幾個(gè)方面的指標(biāo)。 Synchronous sampling。 關(guān)鍵詞 ： 電能質(zhì)量檢測(cè) ； 同步采樣； FFT ； MSP430F449 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II Abstract Power quality monitoring is a key part for the controlling of power quality. It also play an important role in supervising and managing of power system, and at the s