【正文】 慮周期信號的諧波分析中常用的采樣方法，同步采樣法分析簡單易于操作但是難于實(shí)現(xiàn)；準(zhǔn)同步采樣法計算諧波參數(shù)簡單但實(shí)時性差；非整周期采樣法雖然實(shí)時性好，但需要對其誤差深入討論。結(jié)構(gòu)圖如圖39所示。與內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比具有可靠性高、成本低、易擴(kuò)展、支持熱插拔、使用方便和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 按照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機(jī)的通信方式可以將采集系統(tǒng)分為兩大類，即內(nèi)置式和外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備，通常稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Data Acquisition System，DAS)。高效、穩(wěn)定和安全的軟件設(shè)計也直接影響著采集系統(tǒng)的性能。諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面。(3)形成懸浮地或是懸浮電源，在復(fù)雜的系統(tǒng)中完成各部分地線或是電源的協(xié)調(diào)匹配。退耦有三個目的：(1)將電源中的高頻紋波去除，將多級放大器的高頻信號通過電源相互串?dāng)_的通路切斷。退耦是指對電源采取進(jìn)一步的濾波措施，去除兩級間信號通過電源互相干擾的影響。這些電容均起到退耦作用稱之為退耦電容。在這些電路中的這一大一小的電容均稱之為退耦電容。原因很簡單，因?yàn)樵诟哳l情況下工作的電解電容與小容量電容相比，無論在介質(zhì)損耗還是寄生電感等方面都有顯著的差別（由于電解電容的接觸電阻和等效電感的影響，當(dāng)工作頻率高于諧振頻率時，電解電容相當(dāng)于一個電感線圈，不再起電容作用。 如圖37為典型的RC退耦電路，R起到降壓作用。退耦濾波電容的取值通常為47~200μF，退耦壓差越大時，電容的取值應(yīng)越大。5V直流圖36 退耦電路所謂退耦，既防止前后電路網(wǎng)絡(luò)電流大小變化時，在供電電路中所形成的電流沖動對網(wǎng)絡(luò)的正常工作產(chǎn)生影響。各轉(zhuǎn)換模塊如圖3336所示。12V直流電壓,后經(jīng)過TPS73801得到177。 電源模塊 交直轉(zhuǎn)換模塊電源模塊為整個諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供必不可少的能量，是系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)，電源電路的設(shè)計直接影響著系統(tǒng)的性能，所以電源的穩(wěn)定性和正確性十分關(guān)鍵。 圖33 系統(tǒng)時鐘發(fā)生器的控制位 終上所述MSP430F149單片機(jī)既滿足本設(shè)計響應(yīng)快速，高精度的設(shè)計要求，又做到了低電壓低功耗。它們是：SCGSCG0、Oscff、和CPUOFF。(3)采用外部時鐘信號。具體有：(1)使用內(nèi)部時鐘發(fā)生器(DOC)無需任何器件。通過軟件對內(nèi)部時鐘的不同設(shè)置，可以控制芯片處于不同工作方式。(5)低功耗方式3(LPM3)：CPU停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作，ACLK有效，ACLK和SMCLK 的環(huán)路控制無效，并且數(shù)子控制振蕩器(DCO)的DC發(fā)生器被關(guān)閉。(3)低功耗方式1(LPM1)：CPU停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作，ACLK和SMCLK有效，MCLK 的環(huán)路控制無效。下面是芯片支持的6種工作方式：(1)活動方式(AM)：CPU和不同組合的外圍模塊被激活，處于活動狀態(tài)。系統(tǒng)使用的時鐘信號有ACLK和MCLK。 MSP430F149引腳分布及工作方式(1)MSP430F149引腳分布見附錄A(2)(2)MSP430F149工作方式(硬件控制和軟件控制)通過對不同模塊操作模式和CPU狀態(tài)的智能管理，MSP430F149芯片的工作方式可以滿足多種超低電壓和超低功耗的需求，即使在中斷處理期間也一樣。圖32 MSP430F149引腳分布圖MSP430F149內(nèi)部的ADC12單元共有12個轉(zhuǎn)換通道(其中8路外部通道與4路內(nèi)部通道)，通過A0～A7實(shí)現(xiàn)外部8路模擬信號的輸入，設(shè)有16個轉(zhuǎn)換存儲器ADC12MEM 用于存儲和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。ADC12的特點(diǎn)決定其完全能達(dá)到系統(tǒng)的快速性和可靠性的要求，同時它也簡化了電路。 (3)內(nèi)置采樣與保持電路。本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換采用的是MSP430F149內(nèi)嵌的ADC12，其主要特點(diǎn)有：(1)采樣速度高達(dá)200 kbit/s。開發(fā)時僅需PC機(jī)和JTAG調(diào)試器，專門的軟件開發(fā)工具 IAR Workbench和可選的開發(fā)語言匯編語言或C語言方便了系統(tǒng)的軟件開發(fā)。SP430F149有自帶采樣保持功能的高速12位ADC12模塊，為數(shù)據(jù)采集提供了可靠保障；集成的看門狗定時器可以讓單片機(jī)在出現(xiàn)死機(jī)的情況下能夠自動重啟，提高了系統(tǒng)工作穩(wěn)定性；通用串行通信模塊的支持同步模式和異步模式，方便了與PC機(jī)得通信。當(dāng)MSP430單片機(jī)工作在8 MHz晶振時，指令速度可達(dá)8 MIPS，此外，MSP430F149還具有16位硬件乘法器，大大增加了數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力。 MSP430F149單片機(jī)簡介MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗單片機(jī)，它是由MSP430單片機(jī)的CPU和針對不同應(yīng)用而提供的外圍模塊組成的。而采用DSP的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算，但DSP的價格相對比較昂貴，開發(fā)技術(shù)難度也大。電流傳感器信號輸入電壓傳感器信號輸入顯示模塊主控制器模塊信號采集處理模塊信號采集處理模塊電源模塊按鍵模塊 圖31 系統(tǒng)整體框圖 單片機(jī)主控制模塊目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計中CPU(Central Proeessing unit)的選擇一般采用單片機(jī)或數(shù)字信號處理器(Digital Signal Proeessor，DSP)來控制A/D采樣電路、存儲電路以及各種傳輸接口電路。本裝置硬件設(shè)計主要有單片機(jī)主控制模塊，電源模塊、信號采集模塊和液晶顯示模塊等部分組成。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)需要具備良好的中斷異步響應(yīng)能力。電壓波動值為電壓均方根值的兩個極值和之差，通常以其額定電壓的百分?jǐn)?shù)來表示其相對百分值，即： (235)第3章 裝置硬件設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計是系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，它直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和采集到的數(shù)據(jù)的可靠性等問題。電壓諧波總畸變量定義為： (234)式中：——諧波電壓總量，利用上式，可以方便實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)諧波參量的計算。它們是由各次諧波含量及諧波總量大小決定的?？紤]到計數(shù)器剛開始計數(shù)時信號不一定從零點(diǎn)開始，我們舍棄前16次的值，從第17次開始，這樣就能計算出112個脈沖周期，接著計算出平均脈沖周期，該平均周期便是所測交流信號的周期，進(jìn)而可以得出其頻率。每當(dāng)外部倍頻后的方波信號的上升沿過來時，都會觸發(fā)定時器中斷，在定時器中斷中，我們記下捕獲時計數(shù)器的計數(shù)值，當(dāng)下一次捕獲時，記下新一次的捕獲值，兩次值相減便可以得到脈沖的周期長度。根據(jù)我們使用的單片機(jī)的硬件資源，本設(shè)計中，我們采用定時器捕獲的方式來實(shí)時得到頻率的數(shù)值。對于使用采樣數(shù)據(jù)來進(jìn)行FFT運(yùn)算更是如此，由于FFT隱含著周期性因素，如果沒有精確地測頻，也會導(dǎo)致測量出現(xiàn)很大的誤差。將(224)式離散化處理得到有功功率的計算公式： (225)知道了視在功率和有功功率，我們利用公式： (226)式中：——無功功率，VAR ——有功功率，W計算得到。那我們選擇另一種方法。由電工學(xué)給出有功功率的計算式為： (223)式中： ——有功功率，W ——電壓有效值，V ——電流有效值，A ——電壓電流之間的相位角，Rad 式中的 ，前面我們已經(jīng)得到了，關(guān)鍵是的計算。首先我們來看一下視在功率的測量方法。 基本交流電參數(shù)計算原理(1)電壓電流有效值由電工學(xué)理論，交流電電壓，電流的定義式為： () (219)將連續(xù)的時間信號()離散化，每個周期取N點(diǎn)采樣，則有： () (220)按照(219)計算出電壓（電流）有效值后，就可以按照以下計算電壓偏差公式[15]計算出所要的電壓偏差率：= (221)式中：U為實(shí)際有效值，Ur是額定值。采樣后得到的離散序列表達(dá)式為： (210)N為一個周期采樣的點(diǎn)數(shù)。下面我們來推導(dǎo)信號經(jīng)過FFT變換后的幅值和相位表達(dá)式。將的序列先按的奇偶分為以下兩組： (21)則可以將DFT化為： (22)利用系數(shù)的可約性和對稱性，上式可以表示成兩個部分：前半部分： (23)后半部分： (24)本設(shè)計中，我們對電壓電流兩個信號同時進(jìn)行采樣，同時做頻譜分析，他們的頻譜序列分別為和，采用復(fù)序列FFT計算。而快速傅立葉變換 (FFT)是快速計算(DFT)的一種高效方法，在實(shí)際應(yīng)用中成為穩(wěn)態(tài)諧波測量的最好方法。 快速傅里葉變換算法原理傅立葉變換是一種將信號從時域變換到頻域的變換形式，是電信和信號處理等領(lǐng)域中的一種重要工具。其中是集成運(yùn)放的最大輸出電壓。處于開環(huán)狀態(tài)的集成運(yùn)放是一種簡單的過零比較器，如上圖。圖21 過零中斷電路此電路原理為過零比較器，其閥值電壓等于零。(1)硬件同步法 硬件同步采樣法是由專門的硬件電路產(chǎn)生同步于被測信號的采樣脈沖。根據(jù)提供采樣信號方式不同，同步采樣法又分為軟件同步采樣法和硬件同步采樣法兩種。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。該方法的理論基礎(chǔ)是采樣定理，即要求采樣頻率為被測信號頻譜中最高頻率的2倍以上，這就要求硬件處理電路能提供高的采樣速度和數(shù)據(jù)處理速度。因此，要獲得高精度、高穩(wěn)定性的測量結(jié)果，須采用交流采樣技術(shù)。直流采樣法是采樣經(jīng)過整流后的直流量，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數(shù)值，過程設(shè)計簡單，計算方便。而輸出數(shù)據(jù)由1602液晶顯示出來。220V的高壓電和大電流經(jīng)過互感器可轉(zhuǎn)化為幅值為－~+ V的微信號。待測的模擬信號是電網(wǎng)中的交流高電壓和交流大電流，為了隔離高電壓和大電流需要進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)換變成低電壓和小電流，然而，這里不僅僅幅值是最重要的，為了不產(chǎn)生附加的畸變，變換過程中的頻率響應(yīng)也應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膸挕? 本設(shè)計的主要工作本文基于MSP430F149單片機(jī)，其最大采樣頻率為25600 Hz，RS232串行通信波特率為9 600 bps結(jié)合由四雙向模擬開關(guān)CD4066與RC帶通濾波電路等構(gòu)成。電能質(zhì)量監(jiān)測的基礎(chǔ)理論研究，包括統(tǒng)一的畸變波形下電能質(zhì)量的含義，電能質(zhì)量的界定方法、評價體系的研究，各功率成份的定義及物理意義研究等。 我國的研究現(xiàn)狀監(jiān)測和改善電能質(zhì)量的主要措施是采用電力電子技術(shù)。用戶電力技術(shù)概念的提出，有助于供電部門提供高可靠性和高質(zhì)量的電力，也有助于滿足各種新工藝用戶對電力供應(yīng)的更高要求。它是將電力電子技術(shù)、微處理機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)等高新技術(shù)運(yùn)用于中、低壓配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)中，以減小諧波畸變。西門子的PQC與系統(tǒng)聯(lián)接有三種方式，并聯(lián)時，主要防止非正常負(fù)荷對系統(tǒng)的影響；串聯(lián)時，則用于防止系統(tǒng)對負(fù)荷的影響；而當(dāng)串并聯(lián)時，則將具有雙向補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｋ煽焖傺a(bǔ)償供電電壓中的突升或突降、波動和閃變、諧波電流和電壓、各相電壓的不平衡以及故障時的短時電壓中斷等，是一項(xiàng)具有綜合功能的電能質(zhì)量控制器。如日本的有源電力濾波器使用很普遍，并聯(lián)型有源電力濾波器最大容量達(dá)50MVA，采用的是GTO、SCR器件，用于抑制電弧引起的閃變。②針對上述的電能質(zhì)量問題，國外已提出并開發(fā)了許多改善和提高電能質(zhì)量的裝置，包括：有源電力濾波器和無源濾波器、電池貯能系統(tǒng)、配電用靜態(tài)同步補(bǔ)償器、配電用串聯(lián)電容器、動態(tài)電壓恢復(fù)器、功率因數(shù)校正電容器、避雷器、超導(dǎo)磁能貯存系統(tǒng)、靜態(tài)電子分接開關(guān)、固態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)、固態(tài)斷路器、靜止無功補(bǔ)償器、晶閘管開關(guān)電容器、不間斷電源等。如何評價電能質(zhì)量的好壞，通常使用的幾種定量評價電能質(zhì)量的指標(biāo)如總諧波畸變率，功率因數(shù)等，但當(dāng)波形為非周期信號、頻率為分?jǐn)?shù)次諧波頻率時，上述評價指標(biāo)就有不協(xié)調(diào)的問題。1996年，IEEE將每兩年召開一次的電力諧波國際學(xué)術(shù)會議更名為電力諧波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會議，把電能質(zhì)量提高到一個新的高度來認(rèn)識。本設(shè)計重點(diǎn)研究電能質(zhì)量分析儀的硬件方法，實(shí)現(xiàn)對多項(xiàng)電能質(zhì)量評價指標(biāo)的綜合監(jiān)測與分析，為提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，保障其高質(zhì)量運(yùn)行提供有實(shí)際價值的理論與技術(shù)支持。隨著電力行業(yè)的發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，供電公司要提高自身的競爭力，其中一個最重要的部分就是提供高質(zhì)量的電能。電能質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。特別是隨著計算機(jī)、電力電子和信息技術(shù)等高新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和普及，對電能質(zhì)量提出了越來越高的要求。電網(wǎng)電壓和頻率的偏差、諧波、三相電壓不平衡以及電壓波動和閃變等，均會直接影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速、力矩和發(fā)熱，從而影響生產(chǎn)工效和產(chǎn)品質(zhì)量。只有對電網(wǎng)中的諧波源分布和諧波狀態(tài)有了清楚的認(rèn)識才能有效地治理諧波。尤其在近年來，電網(wǎng)中諸如煉鋼電弧爐、半導(dǎo)體變流裝置和電氣化鐵路等大型負(fù)荷及大量現(xiàn)代日常電氣設(shè)備不斷增加，電網(wǎng)中的電壓、電流波形受到諸如沖擊性、非線性及不平衡用電特性的影響，發(fā)生不同程度的畸變；三相不平衡以及電壓波動和閃變等一系列電能質(zhì)量問題不斷復(fù)雜化，電網(wǎng)遭到嚴(yán)重污染。各種電氣參數(shù)則通過輸出顯示模塊1602顯示出來。電源模塊通過對交流市電進(jìn)行變壓整流及穩(wěn)壓輸出為系統(tǒng)提供電源。本文著重介紹了該設(shè)計系統(tǒng)的硬件部分。電能質(zhì)量監(jiān)測作為電能質(zhì)量監(jiān)控的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在電力系統(tǒng)的運(yùn)行管理和技術(shù)監(jiān)督中起著很重要的作用，同時也是保證電力系統(tǒng)良好供電質(zhì)量的必要手段。并可以通過LCD1602將檢測數(shù)據(jù)顯示出來。而輸出數(shù)據(jù)由1602液晶顯示出來。待測的模擬信號是電網(wǎng)中的交流高電壓和交流大電流，為了隔離高電壓和大電流需要進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)換變成低電壓和小電流，然而，這里不僅僅幅值是最重要的，為了不產(chǎn)生附加的畸變，變換過程中的頻率響應(yīng)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膸挕Ｈ?、課題進(jìn)行的主要工作及采用的方法