【文章內(nèi)容簡介】 四線制電路，電壓中除了含有諧波分量外，還含有正序，負(fù)序，零序分量。對于三相三線制電路，沒有零序分量，所以，三相電量的不平衡度通常以負(fù)序分量與正序分量的有效值的百分比值來表示： %100*/ 12 UU?? ()式中： U1為三相電壓正序分量的有效值； U2為三相電壓負(fù)序分量的有效值。 三相電壓的不平衡主要是因?yàn)榉峙湓谌嗌系呢?fù)荷不平衡所致。系統(tǒng)三相阻抗不對稱，消弧線圈補(bǔ)償電網(wǎng)不平衡，電動機(jī)車等大容量非對稱負(fù)荷的接入也會造成三相電壓的1 緒論 5 不平衡。 國際中對三相不平衡的規(guī)定如下： 電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為 2％ ，短時不得超過 4％ ，電氣設(shè)備額定工況的電壓允許不平衡度和負(fù)序電流允許值仍由各自標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 電能質(zhì)量的改善措施 電能質(zhì)量的好壞是電力工業(yè)水平的重要標(biāo)志。改善電能質(zhì)量， 抓好管理工作是不可忽視的環(huán)節(jié)，因此我們可以做一些工作： 1） 建立質(zhì)量管理體系。 2）電氣產(chǎn)品的電能質(zhì)量管理。 3）改善 電能質(zhì)量還要對電能質(zhì)量進(jìn)行研究。 4）隨著高性能的電力電子元器件 (例如 GTO、 IGBT、 LTT 等 )的出現(xiàn)，國外專家提出了柔性交流輸電 (FACTS)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上也提出了一些解決電能質(zhì)量問題的方法。 (1) 調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的分接頭，可保持電壓穩(wěn)定，保證電壓質(zhì)量，但不能改變系統(tǒng)無功需求平衡狀態(tài)，同時也可能影響變壓器運(yùn)行的可靠性。 (2) 局部并聯(lián)電容器組的投切，可補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率，解決電壓偏低的情況，但 對輕載電壓偏高的電能質(zhì)量問題卻無能為力。 (3) 無源濾波器是傳統(tǒng)的抑制諧波電流的主要手段，它通過 LC 諧振吸收電網(wǎng)中的諧波電流但只能抑制固定頻率的諧波，同時也可能造成系統(tǒng)諧振。 (4) 通過備用發(fā)電機(jī)組和機(jī)械式雙電源切換裝置（ ＞ 2 S）等方法對重要用戶連續(xù)供電。 以上方法都能在一定程度上解決電能質(zhì)量問題，但也都存在著本身無法克服的缺陷，因此必須提出新的解決電能質(zhì)量問題的方法。 1988 年美國 博士首次提出了 Custom Power 的概念，即將電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)、控制技術(shù)等高新技術(shù)運(yùn)用于中 、低壓配、用電系統(tǒng)，以減小諧波畸變，消除電壓波動、電壓閃變、電壓的不平衡和供電的短時中斷，從而提高供電可靠性和電能質(zhì)量的新型綜合技術(shù)。用戶電力技術(shù)的提出為全面解決供電網(wǎng)電能質(zhì)量問題提供了一種新的途徑。 作為 FACTS 技術(shù)在配電系統(tǒng)應(yīng)用的延伸 — DFACTS 技術(shù)（又稱 Custom Power 技術(shù)）已成為改善電能質(zhì)量的有力工具，該技術(shù)的核心器件 IGBT 比 GTO 具有更快的開關(guān)頻率，并且關(guān)斷容量已達(dá) MVA級，因此 DFACTS 裝置具有更快的響應(yīng)特性。目前主要的 DFACTS裝置有：有源濾波器（ APF）、動態(tài)電壓恢復(fù)器（ DVR）、配電系統(tǒng)用靜止無功補(bǔ)償器（ D— STATCOM）、固態(tài)切換開關(guān)（ SSTS），統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（ UPQC）等。其中 APF（屬于并聯(lián)補(bǔ)償）是補(bǔ)償諧波的有效工具；而 DVR（屬于串聯(lián)補(bǔ)償）通過自身的儲能單元，能夠在 ms 級內(nèi)向系統(tǒng)注入正常電壓與故障電壓之差，因此是抑制電壓暫降的有效裝置 ，UPQC 綜合了串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，既能抑制電流諧波，又能補(bǔ)償電壓畸變量，是一種綜合的補(bǔ)償裝置。 用戶電力技術(shù)是基于用戶對電能質(zhì)量越來越高的要求的，提供多級別的電能質(zhì)量服務(wù)將成為未來供電的趨勢。基于現(xiàn)代電力電子和控制技術(shù) 的用戶電力技術(shù)將是解決這一問題1 緒論 6 的有效途徑，其中，用于提高供電質(zhì)量的動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)，提高電能利用率及利用新能源的電能變換技術(shù)，以及用于提高系統(tǒng)反事故能力的固態(tài)開關(guān)技術(shù)，這三種用戶電力技術(shù)會大大提高供電質(zhì)量的可靠性，有著廣闊的應(yīng)用前景。 電能質(zhì)量檢測的研究現(xiàn)狀與展望 由于電能質(zhì)量需要檢測的量很多而且大多是高度畸變的，傳統(tǒng)的方法是采用模擬信號的分析，檢測不同的電能質(zhì)量指標(biāo)使用不同的儀表。如傳統(tǒng)的測量電壓和電流有效值的電壓表、電流表，測量功率損耗的有功表、無功表，測量頻率的頻率表，還有諧波表、三相不平衡 度計、電壓波動和閃變儀。此類儀器的不足之處是可監(jiān)測的指標(biāo)少，通用性差、精度較低、自動化程度較低。 目前電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的發(fā)展趨勢傾向于采用永久性的固定設(shè)備對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測，對于固定電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備而言，需要綜合考慮成本和性能進(jìn)行專門的研制?；谖⑻幚砥鞯闹悄芑娔苜|(zhì)量在線監(jiān)測設(shè)備采用嵌入式系統(tǒng)和數(shù)字信號處理技術(shù)在設(shè)計上具有在線監(jiān)測、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時性好和成本低的特點(diǎn)。它具有在線監(jiān)測、精度高、升級潛力大、實(shí)時性好、體積小、成本低的特點(diǎn)，既適用于現(xiàn)場的測量分析，也適用于長期的在線監(jiān)測。 電能質(zhì)量的分析 和監(jiān)測是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它設(shè)計到電力系統(tǒng)、自動控制、現(xiàn)代通信等多個方面。目前乃至今后一段時間內(nèi)，它在發(fā)展中要解決以下幾方面的問題： 1）基礎(chǔ)理論的研究。 2）新型算法的開發(fā)。 3）電能質(zhì)量監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化、智能化。電能質(zhì)量分析及及其監(jiān)測是一個較復(fù)雜的問題，如何合理、全面地分析處理各種干擾源，充分將計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為電能質(zhì)量分析與監(jiān)測所用，都是應(yīng)注意的問題。同時電能質(zhì)量監(jiān)測的發(fā)展趨勢對監(jiān)測系統(tǒng)在功能上提出了更高的要求，也表明這一應(yīng)用領(lǐng)域的研究需要多種技術(shù)的相互融合和各個領(lǐng)域的密切合作。 系統(tǒng)主要研究內(nèi)容 本系統(tǒng)主要是通過對三相電流和電壓進(jìn)行檢測，設(shè)計一套電能質(zhì)量檢測裝置，該裝置前臺進(jìn)行電流、電壓值的采集，后臺軟件系統(tǒng)通過各種算法對采樣進(jìn)行分析，從而實(shí)時得到電、電壓、頻率及電壓波動的值，并通過 LCD 顯示相關(guān)數(shù)值。 2 電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)總體設(shè)計 7 2 電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)總體設(shè)計 本設(shè)計用 單片機(jī) PICl8F458 作為核心微處理器，結(jié)合電流、電壓傳感器進(jìn)行對電網(wǎng)電能質(zhì)量參數(shù)的實(shí)時檢測，并通過 CAN 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到高速實(shí)時，充分利用PICl8F458 單片機(jī)的多功能集成而簡化了硬件設(shè)計中的外圍電路。 系統(tǒng)功能 (1) 使用方便。便攜式結(jié)構(gòu)，尺 寸小、重量輕、一個人即可攜帶儀器到現(xiàn)場測試；內(nèi)置高性能鋰電池，在無外接電源的情況下可連續(xù)工作；設(shè)計具有時鐘，可以準(zhǔn)確記錄參數(shù)發(fā)生變化的時間。 (2) 開發(fā)方便。 Microchip 公司為用戶的應(yīng)用開發(fā)提供了豐富的硬件和軟件支持，其中有各種檔次的硬件仿真器和編程器。對于 PIC 系列中任一款單片機(jī)的開發(fā)，都可以借助于一套免費(fèi)的軟件綜合開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)程序編寫和模擬仿真。 (3) 實(shí)時監(jiān)測。檢測儀檢測出電能參數(shù)異常，檢測儀可以報警并把檢測數(shù)據(jù)上傳，方便了對事故的處理，減少更大的經(jīng)濟(jì)損失，對今后相同時段、地段的電能變化也有了數(shù)據(jù)支持。 系統(tǒng)組成 基于 PIC 單片機(jī)的電能質(zhì)量檢測儀結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。系統(tǒng)設(shè)計的最基本要求是有能夠滿足電能質(zhì)量檢測任務(wù)計算要求的足夠的處理能力。系統(tǒng)必須是易于實(shí)現(xiàn)、靈活、高效的。整個系統(tǒng)電路有以下幾個部分：數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器單元、最小系統(tǒng)、人機(jī)接口、串口通信模塊。 (1) 數(shù)據(jù)采集模塊 本系統(tǒng)選擇的是基于霍爾效應(yīng)開環(huán)原理的電壓傳感器和電流傳感器系列，這類傳感器的副邊能夠精確的反應(yīng)原邊待測信號，具有線性好、精度高、工作范圍高、電路簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以得到適合 CPU 的電壓值。由比較器構(gòu)成一個過零比較電路，將電壓信 號轉(zhuǎn)換成與電壓信號頻率相同的方波信號以采集頻率信息。 (2) 微處理器單元 本系統(tǒng)使用的是由 Microchip 公司所生產(chǎn)開發(fā)的 PIC 芯片，具有 Flash program 程序記憶體功能，可以重復(fù)燒寫程序，該芯片帶有 FLASH 程序存儲器和 EEPROM，其內(nèi)有 A/D轉(zhuǎn)換器（或稱 ADC）模塊，用來將外部的各種模擬物理量變換為便于單片機(jī)內(nèi)部處理的數(shù)字量。它有很多的優(yōu)點(diǎn)：精簡指令集，易學(xué)易用；八級硬件堆棧；具有同步串行口 I2C/SPI總線操作，可用于控制外部實(shí)時時鐘、 EEPROM。 PIC 在一個芯片內(nèi)集成了眾多的功能模塊并具備優(yōu) 秀微處理器特性和 CMOS 工藝特點(diǎn) ,因此它可以減少外部器件 ,提高產(chǎn)品可靠性和降低成本 ,另外它具有低功耗及寬工作電平 ,寬工作溫度的特點(diǎn)。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 (3) 最小系統(tǒng) 電源電路， PIC 芯片的工作電壓為 5V連接電源管腳 ,接地管腳與地線相接；重置電路連接復(fù)位管腳 ,按下 Reset 后，內(nèi)部指令重頭開始執(zhí)行，系統(tǒng)重新運(yùn)作；單片機(jī)振蕩電路與整體系統(tǒng)工作速度有直接的關(guān)系，例如同步 ∕異步串行傳輸、定時器等，都與振蕩頻率有關(guān) ,PIC 芯片外接振蕩電路接于管腳 OSC1 與 OSC2。 (4) 人機(jī)接口 鍵盤及 LCD 顯示屏是人機(jī)交換的接口，通過鍵盤操作進(jìn)行實(shí)時顯示 電能質(zhì)量信息。鍵盤：用于控制顯示各種界面，通過菜單功能，方便進(jìn)行顯示界面的切換。 LCD：實(shí)時得到電壓、電流、頻率、有功、無功功率、三相不平衡度及電壓波動值，并通過 LCD 顯示相關(guān)數(shù)值。報警電路由發(fā)光二極管、三極管、蜂鳴器構(gòu)成，當(dāng)檢測到異常信號時報警。 (5) 時鐘電路 實(shí)時時鐘（ RTC）具有年、月、日、時、分、秒以及星期等日歷及時鐘，保持跟蹤時間和日期等信息，可以記錄故障的時間。 (6) 通信模塊 CANBUS 是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，具有極高的可靠性，可用點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播幾種方式傳遞和接 收數(shù)據(jù)。它的通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá) 5KBps/10KM，通訊速率最高可達(dá) 1MBps/40M。 圖 電能質(zhì)量檢測儀 結(jié)構(gòu)圖 微 處 理 單 元 數(shù)據(jù)采集模塊 最小系統(tǒng) 人機(jī)交換模塊 串口通信模塊 3 電能 質(zhì)量檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 9 3 電能質(zhì)量檢測 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng) 硬件框圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖 所示。本系統(tǒng)以單片機(jī) PICl8F458 為核心，數(shù)據(jù)采集、處理以及通信至主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理都要通過單片機(jī)。數(shù)據(jù)采集通過電壓傳感器 CHV— 100 和電流傳感器 CHB— 300S 經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的 A/D 進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換完成。 圖 單片機(jī)簡介 本系統(tǒng)采用的 PICl8F458 單片機(jī)是美國 Microchip 公司的高檔產(chǎn)品，采用了 RISC 結(jié)構(gòu)的嵌入式微控制器，其高速度、低電壓、低功耗，大電流 LCD 驅(qū)動能力和低價位 OTP技術(shù)等都體現(xiàn)出單片機(jī)產(chǎn)業(yè)的新趨勢。其采用 16 位的類 RISC 指令系統(tǒng)，由于 PIC18F458單片機(jī)的指令系統(tǒng)采用 RISC 技術(shù)，與 一 般單片機(jī)的指令系統(tǒng)通常有上百條指令相比要少得多。此外， PIC18F458 單片機(jī)全部采用單字節(jié)指令，而且除 4 條條件跳 轉(zhuǎn)指令外均為單周期指令，執(zhí)行速度較高。它的尋址方式簡單：寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址。它的代碼壓縮率高，例如 1KB 程序存儲器空間，對于像 51 系列單片機(jī)，大約只能存放 500 多條指令；而對于 PIC 系列單片機(jī)，則能有效利用存儲器的空間，存放多達(dá)1024 條指令。 PIC18F458 單片機(jī)采用 CMOS 結(jié)構(gòu)，使其功率消耗極低，是目前世界上最低功耗的單片機(jī)之一。它的 I/O 端口驅(qū)動負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個輸出引腳可以驅(qū)動多達(dá)20~25 mA 的負(fù)載，既能夠用高電平也可以用低電平來直接驅(qū)動發(fā)光二極管 LED、光電耦3 電能 質(zhì)量檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 10 合器 和小型繼電器等，這樣可大大簡化控制電路。 PIC18F458 系列概述 PICl8F458 單片機(jī) 在保持低價格的前提下含有 A/D 轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部 E2PROM 存儲器、比較輸出、捕捉輸入、 PWM 輸出、 12C 總線和 SPI 總線接口電路、異步串行通信 (USART)接口電路、 CAN 總線接口電路、模擬電壓比較器、可讀寫 FLASH 程序存儲器等許多功能。具體特點(diǎn)如下： 高性能的 RISC CPU ? 高達(dá) 2MB 的程序存儲器； ? 高達(dá) 4KB 的數(shù)據(jù)存儲器； ? 高達(dá) l0MIPS 的執(zhí)行速度； ? DC~40MHz 時鐘輸入； ? 4~10MHz 帶 PLL 鎖相環(huán)有源晶振／時鐘輸入 ? 16 位寬指令 ,8 位寬數(shù)據(jù)通道； ? 帶優(yōu)先級的中斷； ? 8*8 單周期硬件乘法器。 外圍功能模塊特性 ? 最大拉電流 /灌電流可達(dá) 25mA； ? 3 個外部中斷引腳； ? 定時器 TMR0：帶有 8 位可編程前分頻器的 8 位或 16 位定時器 /計數(shù)器； ? 定時器 TMR1： 16 位定時器 /計數(shù)器； ? 定時器 TMR2：帶有 8 位周期寄存器的 8 位或 16 位定時器 /計數(shù)器 。 ? 定時器 TMR3： 16 位定時器 /計數(shù)器； ? 捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 (PWM)(CCP)模塊； ? 有 2 種工作方式的主同步串行通 信 (MSSP)： — 3 線 SPI 主控方式 (支持所有 4 種 SPI 工作模式 )； — I2C 主控 /從動方式； ? 可尋址的 USART 模塊：支持中斷地址位。 高級的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換特性