【正文】 其它電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算 由上述公式 ()、 ()、 ()可以推算出各次諧波的復(fù)功率、有功功率和無功 功率為 )()(2212 kIkUNIUjQPS kkkkk ??????? （ ） ? ?)()()()(1 2 kXkNXkNXKXNP IRIRk ???? () ? ?)()()()(2 1 22222 kNXkNXkXkXNQ IRIRk ?????? （ ） 根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，可得電壓有效值、電流有效值、諧波電壓總畸變率、諧波電流總畸變率、有功功率、無功功率及功率因數(shù)為 ??? Ln nUU 1 2 ???Ln nII 12 %100)(12 2 ?? ?? UUT H DLn nu （ ） %100)(12 2 ?? ?? IIT H DLn ni ???Ln nPP 1 ???Ln n 1 22co s QPP ??? 式中 L為已知諧波的最高次數(shù)。 本章小結(jié) 本章介紹諧波監(jiān)測的分析方法，重點(diǎn)講述了目前針對諧波檢測，技術(shù)先進(jìn)或技術(shù)成安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 熟的四種分析方法，即瞬時無功功率理論、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傅里葉變換，分析了它們的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和適用范圍。鑒于快速傅里葉變換 (FFT)諧波檢測方法技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，功能多，精度高，且在數(shù)字信號處理器 (DSP)中易于實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)采用 FFT 法作為諧波檢測方法，并針對傳統(tǒng) FFT法存在頻譜泄露、柵欄效應(yīng)及計(jì)算量大等缺陷，對其進(jìn)行了技術(shù) 改進(jìn)，然后以此作為本系統(tǒng)諧波檢測分析的算法。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 4 配電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng) 主要有四個模塊構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集模塊， DSP核心處理模塊，串口通信模塊，鍵盤及液晶顯示模塊。根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件連接框圖如 圖 。 電 壓 電 流 傳感 器信 號 調(diào) 理 電路過 零 檢 測電 路T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 數(shù) 據(jù) 處理 模 塊R S 4 8 5 通 信鍵 盤液 晶 顯 示電 源 電 網(wǎng) 信 號 圖 系統(tǒng)硬件框圖 各模塊功能及工作流程為： （ 1） 在數(shù)據(jù)釆集模塊中，將待測交流信號經(jīng) 互 感器隔離、轉(zhuǎn)換。其中，電壓 互 感器將電網(wǎng)中 一次的電壓互感器的 100V交流電壓信號 和 轉(zhuǎn)換 成為峰值為 1V電壓信號，電流互 感器將電網(wǎng)中的 一次電流互感器的 5A（ 1A）交流電流信號 轉(zhuǎn)換成為峰值為 1V電壓信號。由于這種從傳感器出來的低壓信號中混雜了噪聲，為保證系統(tǒng)具有較高精度，因此還需要用信號調(diào)理電路對信號進(jìn)行偏置、調(diào)制成 DSP 能夠接受的信號，以滿足 AD 轉(zhuǎn)換的要求。 （ 2） 將釆集到的信號送入 DSP進(jìn)行實(shí)時處理，計(jì)算出各電能質(zhì)量參數(shù)，通 過 RS485通信模塊將數(shù)據(jù)傳送 上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程檢測 。電源 模塊 給系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的電源 ， 確保系統(tǒng)多電平電路正常工作 等 。 （ 3） 鍵盤及液晶屏是人機(jī)交互的接口，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。液晶屏與 DSP進(jìn)行通信，用于顯示三相相電壓有效值、線電壓有效值、正序電壓有效值、負(fù)序電壓有效值、零序電壓有效值、頻率等參數(shù)。 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集的精確度直接影響到系統(tǒng)的性能，其設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)數(shù)字 /模擬混合電路與 DSP 的無縫連接，以保證數(shù)據(jù)的吞吐量。數(shù)據(jù)采集模塊又可分為以下四個部分組安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 成： 互 感器電路、信號調(diào)理電路、過零檢測電路、 AD數(shù)模轉(zhuǎn)換。 （ 1） 互 感器 電壓 互 感器與電流傳感器的作用主要有：對電壓和電流進(jìn)行變換， 使儀表與主回路隔離，以保證操作的安全。由于檢測的是電網(wǎng)電壓，通常在 220V 左右，為了使得互感器的電壓輸入在較大范圍內(nèi)變換，本系統(tǒng)選擇的是基于霍爾效應(yīng)開環(huán)原理的電壓 互感器系列 VSM025A 型和電 流互 感器系列 CS040G 型，這類 互 感器的副邊能夠精確的 反應(yīng)原邊待測信號。本設(shè)計(jì)需要測量 32 次諧波，需要測得信號的最髙頻率為 ,因此要保證其測量精度，選用的互感器必須在信號最高諧波頻率范 圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)所選用的互 感器信號頻率范圍為 DC20KHz，可以保證所有的精度，完全適合于本系統(tǒng)的要求。 1） 電壓 互 感器 在隔 離條件下， VSM025A 型電壓傳感器 是霍爾效應(yīng)閉環(huán)原理的電壓傳感器。 具有線性好、精度 高 、工作范圍高、電路簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠測量直流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電壓，適合測量 10500V 的電壓 。 本文中的 VSM025A 型電壓傳感器將 220V的交流電壓轉(zhuǎn)換成為 1V 的交流電壓， VSM025基本電氣參數(shù)如表 。 表 VSM025 基本電氣參數(shù) 指標(biāo)名稱 指標(biāo)參數(shù) 額定輸入電壓 250V 額定輸入電流 10mA 額定輸出電壓 R44的大小決定 額定輸出電流 25mA 變比 2500:10 輸入端：測量電壓時，電阻 R43應(yīng)串聯(lián)在 互 感器原邊回路上，輸入電流精度受限流電阻 R43的影響，選擇 R43大小的原則是盡量使得輸入電流為 10mA， 這樣才能使 互 感器達(dá)到最佳精度。為保證測量電阻的穩(wěn)定性和可靠性， R43 的功率通常情況下應(yīng)為額定功率的 4倍以上，即 10W 以上。本文中 ???? kR ，采用 4個 ? 的電阻串聯(lián)得到，原邊線圈內(nèi)阻為 190? ， R43的功率為 WkmAP R )10( 243 ???? 。 輸出端：電壓傳感器輸出的是電流，但是模 /數(shù)轉(zhuǎn)換模塊要求輸入的信號一般為電壓信號，因此需要通過 R44將電流轉(zhuǎn)化成電壓信號，本文中 R44取值為 ?40 ，原理圖如圖 。 2） 電流 互 感器 在隔離條件下 CS040G 型電流 互 感器具有測量電流電壓一次變換到位，直接將被測電流隔離轉(zhuǎn)換成電壓，電路設(shè)計(jì)簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)。 CS040G 型電流 互 感器在本文中的功能是將交流 5A的電流轉(zhuǎn)換成為交流 1V的電壓 ，其參數(shù)如表 。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 表 CSO4OG 基本電氣參數(shù) 指標(biāo)名稱 指標(biāo)參數(shù) 額定輸入電流 40A 額定輸出電壓 1V 變比 500:1 該互感器是電流電壓轉(zhuǎn)換器，能夠測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流，通過感應(yīng)原邊的電流產(chǎn)生副邊電壓。使用該 互 感器的時候，首先接通副邊電源，再接通原邊。值得注意的是，錯誤的接線將會導(dǎo)致 互 感器損壞，次級回路嚴(yán)禁開路，否則將 損壞儀器，同時輸入端不能短路，否則會增加電流誤差。其原理圖如圖 。 圖 電壓 互 感器 原理 圖 電流 互 感器 原理 圖 信號調(diào)理電路 互 感器電路出來的信號是雙極 性交流信號，而 TMS320F2812內(nèi)置的 A/D轉(zhuǎn)換要求其模擬輸入為 03V 的單極性信號，因此，還需要在互感器和 A/D 轉(zhuǎn)換器之間添加信號調(diào)理電路，將電壓轉(zhuǎn)化為 03V的單極性信號。采用圖 12V到 +12V供電。對圖 中的各元器件進(jìn)行介紹說明： D31 D316起防反接的作用； C31C315 是電解電容，起支撐直流電壓的作用，并可濾除紋波； C31 C316 是交流濾波電容，可濾除交流高次諧波。 D 3 1 5I N 4 0 0 7D 3 1 6I N 4 0 0 7123C Z 3 2C 3 1 4C 3 1 6C 3 1 3C 3 1 5R 3 1 2R 3 1 3 1 2 V+ 1 2 V 圖 比例放大供電電 路圖 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 電壓和電流 互 感器輸 出 的信號較小，而 TMS320F2812 的 A/D轉(zhuǎn)換模塊可接收的電壓信號為 03V。為充分利用 AD轉(zhuǎn)換模塊，需對輸入信號進(jìn)行處理。信號調(diào)理電路如圖 所示， R1 R18是可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)兩個可調(diào)電阻的阻值能改變電路的放大倍數(shù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出信號的電壓范圍； D D8是起輸入保護(hù)作用，使運(yùn)放與外設(shè)連接時，有電纜等注入高電壓脈沖噪聲，若這種噪聲超過運(yùn)放的據(jù)對最大額定值，則內(nèi)部寄生二極管導(dǎo)通，運(yùn)算放大器會被破壞，這時添加 D D8 這種二極管期望選用正向電壓降比寄生二極管低的肖特基 二極管。 DW DW R21起輸出限幅保護(hù)作用，即輸入端電壓 bU 超過 1V到 +1V時。輸出電壓 bU dsp的幅值將被限制在 0V到 。 圖 信號調(diào)理電路圖 過零檢測電路 加入過零檢測電路即方波電路，將電壓信號變成同頻率的方波信號， DSP 通過捕捉上升沿來跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，以保證同步采樣。具體檢測電路如圖 所示， D19 是穩(wěn)壓管，為 ，起保護(hù)作用。當(dāng) aoU 大 于 0 時，輸出高電平；當(dāng) aoU 小于 0 時，輸出低電平。通過 TMS320F2812 的引腳 CAP1 捕獲方波的上升沿，設(shè)第一次捕獲技術(shù)值為CONT1，第二次捕獲計(jì)數(shù)值為 CONT2，捕獲單元時鐘基準(zhǔn)為 CLK，則頻率的計(jì)算公式為 : CL KCO NTCO NTf ??? )12 1（ () 圖 過零檢測電路圖 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 DSP 處理模塊 DSP 芯片選型 及其詳細(xì)介紹 本設(shè)計(jì)的核心芯片采用 TI公司的 TMS320F2812芯片。 TMS320F281x系列處理器是美國德州儀器公 司 （ Texas Instruments) 推出的高性能數(shù)字信號處理器 ， 該系列處理器是基于 TMS320C2xx 內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器 ， 集成了多種先進(jìn)的外設(shè) ， 為控制領(lǐng)域提供了良好的平臺。芯片采用 32 位中央處理器，大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)算處理能力，可在 150MHz (時鐘周期 )下工作 ， 其性能遠(yuǎn)優(yōu)于 2022系列的其他 DSP。 F2812數(shù)字信號處理器是在 F24x的基礎(chǔ)上開發(fā)的 32位高性能定點(diǎn)芯片，兼容 24x指令系統(tǒng)，能夠直接運(yùn)行在 24xDSP 上開發(fā)的程序。其主要特點(diǎn) : （ 1） 采用高性能的靜態(tài) CMOS技術(shù)，主頻可 達(dá) 150MHz(時鐘周期 )， 低功耗 設(shè)計(jì)， FLASH編程電壓為 。 （ 2） 高性能的 32 位 CPU， 采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行 16x16位和 32x32 位的乘累加運(yùn)算；快速中斷響應(yīng)和處理能力，統(tǒng)一尋址模式，高效的代碼轉(zhuǎn)換功能（支持C/C++和匯編編程 )； 同時與 TMS320F24x/F240x 系列數(shù)字信號處理器代碼兼容。 （ 3） 片內(nèi)集成大容量存儲器 ， 128Kxl6bit 的 Flash， 兩塊 4Kxl6bit 的單周期訪問SARAML0 和 L1； 一塊 8Kxl6bit 的單周期訪問 SARAMH0 ； 兩塊 lKxl6bit 的單周期訪問SARAMM0和 Ml。 （ 4） 外部存儲器擴(kuò)展接口 ， 最大可擴(kuò)展 lMxl6bit的存儲空間；可編程等待周期、讀寫時序； 3個獨(dú)立的片選信號，擴(kuò)展方便。 （ 5） 兩個事件管理器模塊 EVA 和 EVB， 每個均包括如下資源：兩個 16 位通用定時器； 8個 16位的脈寬調(diào)制 （ PWM)通道，可以實(shí)現(xiàn)三相反相器控制、 PWM的中心或邊緣校正及當(dāng)外部引腳 PDPINTx出現(xiàn)低電平時快速關(guān)閉 PWM 通道；防止擊穿故障的可編程 PWM死區(qū)控制；對外部事件進(jìn)行定時捕獲的 3 個捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；事件管理器模塊適用于控制交流異步電動機(jī)、無刷 直流電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)、多級電動機(jī)和逆變器。 （ 6） 12bit的 ADC流水線模 /數(shù)轉(zhuǎn)換模塊， 2個采樣保持電路， 2x8通道復(fù)用輸入接口，轉(zhuǎn)換周期最小 60ns， 單通道轉(zhuǎn)換周期為 200ns。 （ 7） 增強(qiáng)型 接口模塊及 UART， SPI， McBSP串行通訊接口。 多達(dá) 56個可配置通用 I/O引腳。 本系統(tǒng)所用的 DSP 芯片如圖 。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 圖 TMS320F2812DSP 芯片 TMS320F2812DSP的功能方塊圖如圖 。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 DSP 功能方塊圖 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換 (AnalogtoDigitalConverter,ADC)模塊圖 ADC模塊。 它能夠提供 DSP控制器與現(xiàn)實(shí)世界的鏈接通道，通過 ADC單元可以測量如電壓、電流、溫度、速度等模擬量。具體介紹如下 ： 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊有模擬電路和數(shù)字電路兩個部分。模擬電路主要包括模擬多路復(fù)用開關(guān)（ MUX）、采樣 /保持（ S/H）電路、 AD 轉(zhuǎn)換內(nèi)核、電壓參考以及其他輔助模擬電