【正文】 其它電能質量參數的計算 由上述公式 ()、 ()、 ()可以推算出各次諧波的復功率、有功功率和無功 功率為 )()(2212 kIkUNIUjQPS kkkkk ??????? （ ） ? ?)()()()(1 2 kXkNXkNXKXNP IRIRk ???? () ? ?)()()()(2 1 22222 kNXkNXkXkXNQ IRIRk ?????? （ ） 根據以上的計算結果，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。 本章小結 本章介紹諧波監(jiān)測的分析方法，重點講述了目前針對諧波檢測，技術先進或技術成安徽理工大學畢業(yè)設計 18 熟的四種分析方法，即瞬時無功功率理論、小波變換、神經網絡和傅里葉變換，分析了它們的優(yōu)點、缺點和適用范圍。鑒于快速傅里葉變換 (FFT)諧波檢測方法技術成熟、應用廣泛，功能多，精度高，且在數字信號處理器 (DSP)中易于實現，本系統采用 FFT 法作為諧波檢測方法，并針對傳統 FFT法存在頻譜泄露、柵欄效應及計算量大等缺陷，對其進行了技術 改進，然后以此作為本系統諧波檢測分析的算法。 安徽理工大學畢業(yè)設計 19 4 配電網電能質量在線監(jiān)測系統的研究 系統硬件設計 硬件系統 主要有四個模塊構成：數據采集模塊， DSP核心處理模塊，串口通信模塊，鍵盤及液晶顯示模塊。根據實際需要，設計系統硬件連接框圖如 圖 。 電 壓 電 流 傳感 器信 號 調 理 電路過 零 檢 測電 路T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 數 據 處理 模 塊R S 4 8 5 通 信鍵 盤液 晶 顯 示電 源 電 網 信 號 圖 系統硬件框圖 各模塊功能及工作流程為： （ 1） 在數據釆集模塊中，將待測交流信號經 互 感器隔離、轉換。其中，電壓 互 感器將電網中 一次的電壓互感器的 100V交流電壓信號 和 轉換 成為峰值為 1V電壓信號，電流互 感器將電網中的 一次電流互感器的 5A（ 1A）交流電流信號 轉換成為峰值為 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，為保證系統具有較高精度，因此還需要用信號調理電路對信號進行偏置、調制成 DSP 能夠接受的信號，以滿足 AD 轉換的要求。 （ 2） 將釆集到的信號送入 DSP進行實時處理，計算出各電能質量參數，通 過 RS485通信模塊將數據傳送 上位機，實現電能質量的遠程檢測 。電源 模塊 給系統提供可靠、穩(wěn)定的電源 ， 確保系統多電平電路正常工作 等 。 （ 3） 鍵盤及液晶屏是人機交互的接口，實時顯 示電能質量信息。鍵盤用于控制顯示各種界面，通過菜單功能，方便進行顯示界面的切換。液晶屏與 DSP進行通信，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、負序電壓有效值、零序電壓有效值、頻率等參數。 數據采集模塊 數據采集的精確度直接影響到系統的性能，其設計關鍵是要實現數字 /模擬混合電路與 DSP 的無縫連接，以保證數據的吞吐量。數據采集模塊又可分為以下四個部分組安徽理工大學畢業(yè)設計 20 成： 互 感器電路、信號調理電路、過零檢測電路、 AD數模轉換。 （ 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變換，本系統選擇的是基于霍爾效應開環(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 反應原邊待測信號。本設計需要測量 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。本設計所選用的互 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，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的交流電壓轉換成為 1V 的交流電壓， VSM025基本電氣參數如表 。 表 VSM025 基本電氣參數 指標名稱 指標參數 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應串聯在 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 ? 的電阻串聯得到，原邊線圈內阻為 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 /數轉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換成電壓，電路設計簡單可靠等優(yōu)點。 CS040G 型電流 互 感器在本文中的功能是將交流 5A的電流轉換成為交流 1V的電壓 ，其參數如表 。 安徽理工大學畢業(yè)設計 21 表 CSO4OG 基本電氣參數 指標名稱 指標參數 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，通過感應原邊的電流產生副邊電壓。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，錯誤的接線將會導致 互 感器損壞，次級回路嚴禁開路，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 信號調理電路 互 感器電路出來的信號是雙極 性交流信號，而 TMS320F2812內置的 A/D轉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 轉換器之間添加信號調理電路，將電壓轉化為 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 安徽理工大學畢業(yè)設計 22 電壓和電流 互 感器輸 出 的信號較小，而 TMS320F2812 的 A/D轉換模塊可接收的電壓信號為 03V。為充分利用 AD轉換模塊，需對輸入信號進行處理。信號調理電路如圖 所示， R1 R18是可調電阻，通過調節(jié)兩個可調電阻的阻值能改變電路的放大倍數，進而調節(jié)輸出信號的電壓范圍； D D8是起輸入保護作用，使運放與外設連接時，有電纜等注入高電壓脈沖噪聲，若這種噪聲超過運放的據對最大額定值，則內部寄生二極管導通，運算放大器會被破壞，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 ，起保護作用。當 aoU 大 于 0 時，輸出高電平；當 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，設第一次捕獲技術值為CONT1，第二次捕獲計數值為 CONT2，捕獲單元時鐘基準為 CLK，則頻率的計算公式為 : CL KCO NTCO NTf ??? )12 1（ () 圖 過零檢測電路圖 安徽理工大學畢業(yè)設計 23 DSP 處理模塊 DSP 芯片選型 及其詳細介紹 本設計的核心芯片采用 TI公司的 TMS320F2812芯片。 TMS320F281x系列處理器是美國德州儀器公 司 （ Texas Instruments) 推出的高性能數字信號處理器 ， 該系列處理器是基于 TMS320C2xx 內核的定點數字信號處理器 ， 集成了多種先進的外設 ， 為控制領域提供了良好的平臺。芯片采用 32 位中央處理器，大大提高了系統的運算處理能力，可在 150MHz (時鐘周期 )下工作 ， 其性能遠優(yōu)于 2022系列的其他 DSP。 F2812數字信號處理器是在 F24x的基礎上開發(fā)的 32位高性能定點芯片，兼容 24x指令系統，能夠直接運行在 24xDSP 上開發(fā)的程序。其主要特點 : （ 1） 采用高性能的靜態(tài) CMOS技術，主頻可 達 150MHz(時鐘周期 )， 低功耗 設計， FLASH編程電壓為 。 （ 2） 高性能的 32 位 CPU， 采用哈佛總線結構，可以進行 16x16位和 32x32 位的乘累加運算；快速中斷響應和處理能力，統一尋址模式，高效的代碼轉換功能（支持C/C++和匯編編程 )； 同時與 TMS320F24x/F240x 系列數字信號處理器代碼兼容。 （ 3） 片內集成大容量存儲器 ， 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） 外部存儲器擴展接口 ， 最大可擴展 lMxl6bit的存儲空間；可編程等待周期、讀寫時序； 3個獨立的片選信號，擴展方便。 （ 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位的脈寬調制 （ PWM)通道，可以實現三相反相器控制、 PWM的中心或邊緣校正及當外部引腳 PDPINTx出現低電平時快速關閉 PWM 通道；防止擊穿故障的可編程 PWM死區(qū)控制；對外部事件進行定時捕獲的 3 個捕獲單元；片內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、無刷 直流電動機、開關磁阻電動機、步進電動機、多級電動機和逆變器。 （ 6） 12bit的 ADC流水線模 /數轉換模塊， 2個采樣保持電路， 2x8通道復用輸入接口，轉換周期最小 60ns， 單通道轉換周期為 200ns。 （ 7） 增強型 接口模塊及 UART， SPI， McBSP串行通訊接口。 多達 56個可配置通用 I/O引腳。 本系統所用的 DSP 芯片如圖 。 安徽理工大學畢業(yè)設計 24 圖 TMS320F2812DSP 芯片 TMS320F2812DSP的功能方塊圖如圖 。 安徽理工大學畢業(yè)設計 25 圖 DSP 功能方塊圖 模擬數字轉換 (AnalogtoDigitalConverter,ADC)模塊圖 ADC模塊。 它能夠提供 DSP控制器與現實世界的鏈接通道，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 ： 模數轉換模塊有模擬電路和數字電路兩個部分。模擬電路主要包括模擬多路復用開關（ MUX）、采樣 /保持（ S/H）電路、 AD 轉換內核、電壓參考以及其他輔助模擬電