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电能质量分析及其监测系统的硬件设计 i （ （ 09 届）届） 毕业设计毕业设计 题 目： 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气 052 学 号： 姓 名： 指导教师： 教 务 处 制 年 月 日 嘉兴学院毕业设计说明书 ii 诚诚 信信 声声 明明 我声明，所呈交的论文(设计)是本人在老师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。据我查证，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文(设计)中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。我承诺，论文(设计)中的所有 内容均真实、可信。 设计作者签名： 签名日期： 年 月 日 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 iii 授授 权权 声声 明明 学校有权保留送论文（设计）交的原件，允许论文（设计）被查 阅和借阅，学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容，可以影印、 缩印或其他复制手段保存论文（设计） ，学校必须严格按照授权对论文 (设计)进行处理，不得超越授权对论文（设计）进行任意处置。 设计作者签名： 签名日期： 年 月 日 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 i 电能质量分析及其监测系统的硬件设计电能质量分析及其监测系统的硬件设计 摘摘 要要 电能质量监测仪是一种用于监测电网运行状态的的工业仪表。它能实时提供电压、 电流、有功功率、无功功率、频率等电能质量的基本参数，而且能对电力系统的谐波、 三相电压不平衡度、电压波动和闪变等电能质量指标进行分析，为电力部门对电能质 量的监测提供了强有力的支持。 本文首先概述了电能质量谐波问题产生的原因、危害以及相应的治理措施和电能 质量测量的发展现状。其次，根据电能质量标准对一些适合电能质量实时检测的算法 进行仿真比较，从而为实时电能质量检测的设计提供理论依据。其次讲述了电能质量 监测的重要性，对目前的研究现状进行了综述。分析比较了各种电能质量分析方法的 优劣，给出了电能质量监测的原理框图，能够实现对目前绝大多数重要的电能质量问 题进行监测和分类。 本文主要研究分析谐波对电力系统的影响，现有谐波或电能质量监测（或检测） 方法优缺点，实现电能质量参数快速、准确监测的硬件系统的设计。主要研究电能质 量监测的硬件系统，包括以下几个基本功能模块的设计：单片机微处理器模块，数据 测量与转换电路，计算并送终端设备显示电路，通信转换电路等。希望通过对电能质 量监测的硬件系统的设计，以实现对三相谐波电流和电压的基波和各次谐波、功率因 数、有效值、有功、无功参数的计算、显示等功能。 关键词：关键词：电力系统，电能质量监测，谐波，硬件描述 嘉兴学院毕业设计说明书 ii the hardware of power quality analysis and monitoring system abstract the power quality monitor is a kind of measuring instmment monitoring the operation state of eleetrie power inindustiy，which can provide the basis parameters of power quality such as voltage，eleetrie current，aetive power，reactive power and frequency，and moreover，can analyze the indexes of power quality such as power harmonic，three 一 phase voltagea asymmetry and gird harmonic voltage fluetuation and flieker for the fake of providing the better support for eleetrie power department monitoring power quality. this article summaries the causes and the hazards of harmonic power quality issues, the corresponding control measures and the development of power quality measurement of the status. secondly, do comparison to some suitable real-time detection of power quality simulation algorithm in real-time simulation in accordance with power quality standards, so provide a theoretical basis of design for the real-time detection of power quality. and we talks bout the importance of power quality monitoring, summaries the status of the current study, analyzes and compares the advantages and disadvantages of a variety of power quality analysis methods, given the principle of power quality monitoring diagram, to realize the monitoring and classification to the vast majority of the important issues of power quality. in this paper, we main force on the harmonic impact on the power system, the advantages and disadvantages of existing harmonics or power quality monitoring (or testing) method, to achieve the hardware system design of rapid, accurate monitoring of power quality parameters. we main research the hardware system of power quality monitoring, including some designs of the basic functional modules: single-chip microprocessor module, data measurement and conversion circuits, calculated and sent to terminal equipment display circuit, communication converter, etc. we hope that through the design of the hardware system of the power quality monitoring, to achieve the functions of the fundamental and harmonics of current and voltage of the three-phase harmonics, power factor, rms, active parameters, reactive parameters and the display. keywords: power system, power quality detection,harmonic,hardvvare deseriptionl 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 iii 目目 录录 摘要 abstract 1绪论 1 1.1选题的背景及研究的意义 2 1.2 电力系统谐波分析的发展及历史意义 3 1.3 电力系统谐波分析的国内外研究动态 4 1.4 本文的主要工作 5 2 电力系统谐波 6 2.1 电力系统谐波的含义和性质 7 2.2 电力系统谐波产生的主要原因 8 2.3 谐波源分析 9 2.4 电力系统谐波的危害 4 2.4.1 谐振 5 2.4.2 对输电系统的影响 6 2.4.3 对变压器的影响 7 2.4.4 对继电保护和自动装置的影响 8 2.4.5 对测量和计量仪表的影响 9 2.4.6 对通信的干扰 1 2.4.7 对其他用电设备的影响 2 3 电能质量监测系统概述7 3.1 电能质量概念及我国国家标准8 3.2 电能质量监测与分析系统的特点9 3.3 硬件监测平台的特点与要求1 4.3.1 现场监测单元采样频率、精度的要 求2 嘉兴学院毕业设计说明书 iv 4.3.2 监测系统同步采样的要求 3 4 电能质量监测与分析系统的硬件结构实现4 4.1 硬件总体结构5 4.2 单片机简介6 5.2.1 msp430 系列单片机特点7 5.2.2 msp430f44x 系列封装图 8 5.2.3 msp430f44x 引脚功能表 9 4.3 模拟量输入模块 1 4.4 数据采集模块 2 5.4.1 采样/保持电路 3 5.4.2 锁相环 cd4046 的应用 4 5.4.3 a/d 转换电路 5 4.5 键盘电路 6 4.6 液晶显示电路 7 4.7 串行通讯接口 7 4.8 其他外接端口 7 5 抗干扰技术 7 5.1 干扰的成因及后果 7 5.2 硬件设计电路中的抗干扰措施 7 5.2.1 电源干扰的抑制 7 5.2.2 良好的接地方式 7 5.2.3 采用“看门狗”技术 7 5.2.4 滤波技术 7 6 结论 7 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 v 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 1 1.1. 绪论绪论 1.11.1 选题背景及研究意义选题背景及研究意义 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平 的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时 对电能质量的要求也越来越高。 良好的电能质量无疑对电气设备的运行是有利的，但恶劣的电能质量对电力系统 运行的不利影响并没有引起人们的足够重视。从危害程度来看，某些电能质量问题的 危害是破坏性的。例如，雷电波冲击、电容器和电缆线路投切时因谐波谐振而引起的 过电压往往造成电气设备的绝缘和机械损坏，从而影响电力系统的正常运行;继电保护 装置因谐波和负序干扰引起误动作造成电网大面积停电会造成巨大的经济损失;短时的 供电中断或电压跌落可能导致生产混乱或工业冶炼产品的大量报废甚至危害人身安全。 另一方面，某些电能质量问题主要影响电气设备的性能指标。例如，不正常的电压和 频率偏差会引起异步电机负荷的转速和功率变化，导致传动机械的效率降低，使纺织、 造纸等产品的质量受到影响;谐波电流在旋转电机、输电线路、变压器等输配电设备中 流通，使这些设备因产生附加损耗而过热，从而降低了这些设备的寿命或容量。 改善电能质量对于电网的安全经济运行，保证工业产品质量和科学实验的正常进 行以及降低能耗等均有重要意义。电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。 为了改善电能质量，要求电力系统首先进行电能质量检测评估和分析工作。电能 质量监测的主要目的包括: （a）了解电能质量，对各种电能质量问题进行检测和数据采集，并进行电能质量 分类。 （b）监测电网的可靠性程度。 （c）不断提高电网的可靠性。 （d）掌握电能质量问题产生的条件，能采取相关措施使有可能造成的损失减到最 小。 （e）发现新的电能质量问题。 1.21.2 电力系统谐波分析的发展历史及意义电力系统谐波分析的发展历史及意义 电力系统谐波问题早在 19 世纪 20 年代就引起了人们的注意，但是直到 60 年代， 许多国家才对此开展大量的研究。内容主要涉及基本理论，即各种谐波源的特性、谐 波的危害、谐波测量和谐波抑制等。如果能够在电力系统运行前后对所有谐波参数进 行准确分析，在满足电能质量谐波标准的基础上，就能有效地投运用电设备(包括谐波 嘉兴学院毕业设计说明书 2 源)。因此，电力系统谐波分析作为电力系统谐波研究的一个重要方面，其准确度和运 算量对研究电力系统谐波问题尤为重要。 由于电力系统谐波问题比较复杂，通常采用谐波分析作为发现问题、研究问题和 解决问题的出发点和主要依据。电力系统谐波分析的主要作用有:鉴定实际电力系统及 谐波源用户的谐波水平是否符合标准规定，包括对所有谐波源用户的设备投运时的谐 波分析和电气设备调试和投运时的谐波分析。 1.31.3 电力系统谐波分析的国内外研究动态电力系统谐波分析的国内外研究动态 目前，电力系统谐波分析通常都是通过快速傅立叶变换(fft)实现的。然而 fft 存 在栅栏效应和泄漏现象侧，使算出的信号参数即频率、幅值和相位不准，尤其是相位 误差很大，无法满足准确的电力系统谐波测量要求。这给谐波抑制带来了很大的困难。 为了提高 fft 算法的精度，vk.jain 等提出了一种插值算法，对 fft 的计算结果进行修 正，可以有效地提高计算精度。在此基础上，tgrandke 又利用汉宁窗(hg)减少泄漏， 进一步提高了计算精度困。近来，f.s.zhang 等提出了一种基于加窗插值的 fft 算法来 减少频谱泄漏和栅栏效应，从而进一步提高了计算精度。 从测量仪器方面看，发达国家在研制和使用谐波分析仪方面发展较为迅速，仪器 的性能先进，测量功能齐全，适用范围广。德国生产的 nowa 一 i 型谐波分析仪、莱姆 公司研制的 an2060 手持式电力谐波分析仪、瑞典 unipowe:公司成功地研制了 unilyzer900f 便携式电能质量分析仪仁等，它们具有对电能质量进行监测，记录数据， 分析各次谐波含量和畸变率以及功率的流向等功。 与国外相比，我国电力系统谐波分析和测量的研究仍存在较大差距。国内测量仪 器可靠性和精度方面尚未严格考核过，主要适用于谐波测量方面，而在波形分析、采 用窗口的选择、数据处理以及结果输出方面差距较大。而且谐波分析大都采用基-2fft 算法分析电力系统谐波，例如原西德的 now-1 型、国产 wfx-1 型、ps-2 型和 gfx-98 型 等。据统计，国内谐波测量仪，幅值误差小于士 1%士 5%。 总之，各国都把电力系统谐波实时分析作为研究重点，并以此作为认识谐波和抑 制谐波的基础。 1.41.4 本文的主要工作本文的主要工作 本文首先系统的介绍了谐波的产生和对电力系统的危害。对各种谐波的含义、性质、 产生原因、谐波源和谐波危害做了详细的阐述。本设计的主要内容分为谐波分析、硬 件设计和软件设计三部分内容。主要功能是准确分析谐波参数(电压、电流、谐波等)。 测量电路进行电压、电流测量电路、锁相频率跟踪电路、数据采集电路板等外围电路 设计，构成了整个测量系统。本文的主要工作是介绍该设计的硬件部分。设计电能质 量监测的硬件系统，以实现对三相谐波电流和电压的基波和各次谐波、功率因数、有 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 3 效值、有功、无功参数的计算、显示等功能。 2.2. 电力系统谐波电力系统谐波 长期以来，人们习惯把供电频率和电压有效值的稳定程度，作为衡量电能质量的 两个基本参数。近十几年来，随着电子技术、节能技术和控制技术的极大进步，在化 工、冶金、钢铁、煤炭和交通等部门大量使用了各种整流设备、交直流换流设备和电 子电压调整设备，这些电力设备和负载以不规则的组合方式，随机地在电网中运行， 造成了电力系统中电压、电流波形的严重畸变和三相系统的不平衡。电源发出的工频 正弦电压，也会在远距离输送、分配过程中产生畸变。因此，对电能质量已经不能仅 用频率和电压这两项指标来鉴定。电力系统的电压和电流发生波形畸变后，将对发电、 输电、供电系统、用电负载以及周围的电磁环境产生危害了，而且当今这种危害发展 到了和自然环境污染一样，已成为一种社会公害，称之为“谐波污染” 。 2.12.1 电力系统谐波的含义和性质电力系统谐波的含义和性质 国际上公认的谐波含义为:“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波 频率的整数倍” 。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，我们也常称它为高次谐波。 从它的含义上可以明确有关谐波的几个性质: (a) 谐波次数 h 必须是个正整数。 (b) 间谐波、次谐波和分数谐波。 按照工 ec 有关文件中的定义间谐波(inietharinonics)是指频率不是工频的整数 倍的谐波分量，即介于工频谐波之间的傅立叶频谱分量()。其主要来源于fhffh 1 静态变频器、换流器、感应电动机、电焊机和电弧炉等，其允许的总畸变系数应小于 整数谐波。次谐波(subhonics)为频率低于工频基波频率的分量。分数谐波 (fractional-haronics)是频率非基波频率整数倍的分量。 (c) 谐波和暂态现象。 根据傅立叶级数基本理论，被变换的波形必须是周期性的和不变的。虽然实际上 很难做到，因为电力系统负荷是变动的，而负荷的变动会影响系统中谐波含量。但在 实际分析中只要被分析的现象或情况持续适当的时间或周期，就可以应用傅立叶级数 变换。因此，需要区分清楚什么是谐波现象和是暂态现象. 谐波现象就是在每一周内电压或电流波形保持不变。而暂态现象是指每周期的波 形都随时间变化而变化。例如，如图 2.1 所示的波形畸变虽然也是周期性的，但不属 于谐波范畴。这种波形畸变仅在正弦波一周期的极小部分上发生陷波(noteh)。这种波 形畸变称为陷波，一般以基波峰值的百分数来表示，其畸变偏差百分值，用下 m u1 u 式计算 %100 1 m u u u (2-1) 嘉兴学院毕业设计说明书 4 式（2-1）中 u 为畸变偏差值。 图 2-1 电压波形畸变图 为了对暂态现象和谐波加以区别，电网会议工作组 36-05 一致同意在计算电压 (或电流)畸变率时，采用谐波电压(或电流)的平均有效值或平均总畸变率，其时间区 段取 3s，即取 3s 中的测量或计算的平均有效值或平均值，以电压为例，t (2-2) m k hkh u m u 1 2 1 (2-3) m k k hk u u m du 1 2 1 % 1 100 式(2-2)和(2-3)中 m 为分成的区间数;为第 h 次谐波电压的 3s 平均有效值; h u 为电压总畸变率的 3s 平均值(%);为第 k 个区间测出的基波电压有效值;为 h d k u1 hk u 第 k 个区间测出的第 h 次谐波电压有效值。 2.22.2 电力系统谐波产生的主要原因电力系统谐波产生的主要原因 在电力工程中，世界各国几乎全都采用正弦方式供电，这不仅给电力系统的设计 与制作带来极大的方便，而且使系统及用电设备获得最佳的运行状态。然而事实并非 如此电力系统中电压、电流的波形不能保持完整的正弦波，造成波形畸变的 原因简要分析如下: (1) 显而易见的是，电力系统本身存在着周期性的非正弦独立电源。如有下面电流 源 （2-4） nm m n s tniti 1 0 sin2 由不同频率的正弦电流分量叠加而成，当它注入线性时不变的电力系统后，产生 的电压、电流将仍然是由这些频率的正弦分量组合而成，输入的畸变是直接造成了输 出的畸变。 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 5 （2）工频电压或电流作用于非线性负载。如有一工频电压 （2-5）tutu t1 sin2 作用在一个电流电压特性为 （2-6）tkuti 3 的非线性时不变负载两端时，产生的电流为 （2-7）tkututi 1 3 11 3 1 3sin2 2 1 sin2 2 3 可见，输入电压的频率为，输出电流中则包含有频率和 3的两种频率的正弦分 1 1 1 量。 现在用图 2.2 来说明正弦电源给线性(直线 1)和非线性的负载(曲线 2)供电的情 况。对于伏安特性为线性的负载，产生正弦波形的电流 i，不会造成波形的畸变。然 而对于伏安特性为非线性的负载，产生的电流 i 护为非正弦波，波形发生畸变。 (3) 电力系统中存在时变负载如有一电导其电气特性为: （2-8）tgtg g sin 0 （2-9） tutgti 如果电压仍为工频电压，则tutu t1 sin2 （2-10）ttguti gg 1101 coscos 2 2 其结果是:当是的偶数倍时，i(t)中的频率就是的奇数倍;当是的奇数倍 g 1 1 g 1 时，i(t)中的频率则是的偶数倍。如果与之比为有理分数，则 i(t)中的最低 1 g 1 频率可能小于，大于的频率也可能出现在的整数倍频之间，而且输入频率。 、 1 1 1 还有可能消失在输出中。电力系统中具有周期性或非周期性开关功能的各类电子器件， 它们的电气特性，都可用一个时变元件来表示。 可见，由于非线性用户的不断增多和容量增大，在电力系统这汇合成为日益升高 的谐波水平，成为相当严重的问题。 2.32.3 谐波源分析谐波源分析 在电力系统处于稳态运行的情况下，理想电压波形应为正弦波。但是，从上述产 生谐波的原因可以看出，非线性负载的存在可使电压和电流波形发生畸变。这种引起 电压和电流波形畸变的负载被称为“谐波源” 。目前，随着电力电子技术迅速发展，谐 嘉兴学院毕业设计说明书 6 波源的种类也越来越多。主要有以下四种类型: (a)铁磁饱和型 各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈非线性。 (b)电子开关型 主要为各种交直流换流装置以及双向晶闸管可控开关设备等，在冶金、矿山、电 气铁道等大量工矿企业以及家用电器中广泛使用;在系统内部，则如直流输电中的整流 阀和逆变阀等。其非线性呈现交流波形的开关切合和换向特性。 (c)电弧型 各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间，其电弧的点燃和剧烈 变动形成的高度非线性，使电流不规则的波动。其非线性呈现电弧电压与电弧电流之 间不规则、随机变化的伏安特性。 (d)三相平衡和三相不平衡谐波源 对于电力系统三相供电来说，有三相平衡和三相不平衡的非线性特性。后者，如 电气铁道、电弧炉以及由低压供电的单相家用电器等，而电气铁道是当前中压供电系 统中典型的三相不平衡谐波源。 2.42.4 电力系统谐波的危害电力系统谐波的危害 非线性电力设备的种类、数量和比重日益增加，它们产生的谐波对电力系统的污 染日益严重。下面分别介绍它们的主要危害。 2.4.12.4.1 谐振谐振 电力系统中广泛使用补偿功率因数的电容器，同时存在分布电容，它们与系统的 感性部分组合，在一定的频率下，可能存在串联或并联的谐振条件。当系统中该次频 率的谐波足够大时，就会造成危险的过电压或过电流。 最常见的谐波谐振是在接有谐波源的用户母线上，因为母线上除谐波源外还有电 力电容器、电缆、供电变压器及电动机等负载，而且这些设备处于经常变动，容易构 成谐振条件。例如发生了 3 次谐波谐振，则并联谐振正好对 3 次谐波形成一个高阻抗。 所以母线上将产生很高的 3 次谐波电压，其相应并联支路电容器和电网均流过很大 的 3 次谐波电流。该次谐波叠加在基波上就可能导致设备损坏。 电力系统中也可能存在某次谐波的串联谐振回路。例如从电源看，用户的供电变 压器和二次侧的补偿电容器是串联关系。若此回路对某次谐波呈现很低的阻抗(即串联 谐振)，则将吸收大量的该次谐波电流，同样会造成该回路设备的谐波过负荷。 总之，在发生谐振情况下，即使很小的谐波电压(或谐波电流)就可引起很大的谐 波电流(或谐波电压)，使电容器成倍地过负荷，导致电容器因过电流而损坏。 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 7 2.4.22.4.2 对输电系统的影响对输电系统的影响 谐波电流一方面在输电线路上产生谐波电压降，另一方面，增加了输电线路(或电 缆)上的电流有效值从而引起附加输电损耗。附加损耗可以用下面式子表示: （2-12） h h hl rip 2 2 式(212)中:为 h 次谐波频率下的线路电阻。其中为随频率升高而增加，谐 h r h r 波产生的附加损耗也增大。 此外，谐波电压引起的电压波形畸变会影响线路电晕电压，当谐波电压与基波电 压波峰重合时，可能使线路的电晕问题严重起来。在电缆输电的情况下，谐波电压以 正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度，这影响了电缆的使用寿命，据有关 资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约 60%。 2.4.32.4.3 对变压器的影响对变压器的影响 谐波电压可使变压器的磁滞及涡流增加，使绝缘材料承受的电气应力增大，而变 压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗， 同时也使铁耗相应增加，其附加损耗可用下式表示: （2-13） 1 2 3 h htthr krip 式(2 一 13)中儿为通过变压器药认次谐波电流;为变压器工频等值电阻;为由 h i t r ht k 于谐波的集肤效应和邻近效应使电阻增加的系数，当 h 为 5、7、11 和 13 时，可 ht k 分别取 2.1、2.5、3.2 和 3.7。 2.4.42.4.4 对继电保护自动装置的影响对继电保护自动装置的影响 谐波能够改变保护继电器的动作特性，这与继电器的设计特点和原理有关。当有 谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。高次谐波对发电 机的负序电流保护、主变压器的复合电压起动过电流保护、母线的差动保护、线路的 各型距离保护和高频保护、故障录波器、自动准同期装置以及音频负荷控制装置、欠 电压、距离、周波等继电器均会起拒动和误动的影响，使保护装置失灵和动作不稳定 2.4.52.4.5 对测量和计量仪表的影响对测量和计量仪表的影响 测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果供电电压波形发生畸变，仪表很 容易产生误差;如果存在谐波源，那么测量仪表也存在一定误差。现在就感应式电能表 为例说明谐波对测量的影响。感应式电能表是目前最为广泛使用的电能计量仪表。国 内外研究表明，这种表对谐波频率有负的频率误差特性。 嘉兴学院毕业设计说明书 8 (l)非线性负荷是谐波源，当以正弦电压供电给非线性负荷时，其所消耗的功率为。 （2-14） h h h rppp l 1 2 1 (2)当畸变电压供电给线性负荷时，线性负荷消耗的功率为 （2-15） h h h rppp l 1 2 1 从式(2 一 15)中可以看出，尽管是负值，即电能表对谐波消耗的功率计量不足 h r 的，但在谐波源的情况下，电能表记录是基波电能扣除一小部分谐波电能，因此谐波 源虽然污染了电网，反倒少交电费;在畸变电源供线性负荷时，电能表记录的是基波电 能及部分谐波电能，后者将使用电设备性能变坏，因此用户不但多交电费，而且受到 损害。 (3)当畸变电压供电给非线性负荷时，情况比较复杂，除基波电能流入负荷外，不 同谐波源产生的谐波电流，可能有流入负荷的，也有倒流回电网的。 2.4.62.4.6 对通信的干扰对通信的干扰 电力输电线路和通信线路之间发生静电感应和电磁感应，将在通信系统内产生声 频干扰，其对电话通信干扰的程度取决于通过电力线路高次谐波的频率、幅值、两条 线路之间的平行距离和共处的长度。电力线路与通信线路之间的电场祸合将在通信系 统内产生干扰电压，影响通信质量。 同时，供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化，该换相电流 会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉冲电压所包含的谐波频率较高，甚至达 到 1mhz，因而会引起电磁干扰。它对通信线路、通信设备会产生很大的影响。 2.4.72.4.7 对其它用电设备的影响对其它用电设备的影响 高次谐波除了对上述设备产生影响之外，还会对下列用户设备产生影响: (1)电压波形中含有谐波时可能会使电视机的图象畸变，画面及亮度发生变化，同 时引起机内变压器、电抗器及电容器过热; (2)影响电子显微镜的画面清晰度; (3)使日光灯的镇流器及补偿电容器过热和损坏; (4)计算机的电源中谐波电压含量过大会导致电子计算机计算错误或程序出格; (5)影响仪用互感器的测量精度; (6)使熔断器在没有超过整定值时就熔断; (7)对于变流装置，在整流换相过程中暂态时间内将交流供电网络短路，从而造成 电压波形的陷波畸变。陷波畸变可能影响其它换流设备或其它任何由电压过零所控制 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 9 设备的同步，还可能在控制系统中产生自发振荡，导致变流装置电流很大的波动，被 迫故障切除。 (8)对于晶闸管控制的变速装置，电压陷波可能导致晶闸管误动作;谐波电压可能 使控制回路误触发;不同装置的谐振可能造成过电压及振荡。 3 3 电能质量监测与分析系统的概述电能质量监测与分析系统的概述 3.1 电能质量的概念及我国的国家标准电能质量的概念及我国的国家标准 从总体上讲，使电能指标越接近额定值就是电能高质量的标志。然而，电能从生 产到消耗是一个整体，电力系统的发、输、配、变、用始终处于动态平衡之中，其中 任何一个环节都会对电能质量产生影响。电能质量标准的制定，就是确定适当的电能 质量指标偏差的允许值。电能质量标准应满足以下三点:(l)基本上能保证电力系统的 安全、连续供电和经济运行;(2)总体上能保证用户电气设备的正常供电;(3)电力部门 (包括干扰用户)，在当前技术水平基础上，作一定的努力后应能达标。 总体来说，合格电能质量(powerquality)的概念是指，给敏感设备提供的电力和 设置的接地系统均能适合于该设备正常工作(在许多情况下，接地系统对电能质量有很 大的影响，以往对其认识不足)。 电能质量包括六项指标: (a)电力系统频率允许偏差(permissibledeviation of fequeney for powersystem) (b)供电电压允许偏差(admissibledeviationofsupplyvoltage); (c)电压波动和闪变(voltagenuetuationandflieker); (d)三相电压允许不平衡度(admissible three-phase voltage unalanceraetor); (e)公用电网谐波(harmoniesinpulicsupplynetwork); (f)暂时过电压和瞬态过电压(介 mporaryandtransientoveryoxtages)。 其中，电压和频率偏差基本上取决于供求平衡关系，而后几项则不仅与电力系统 嘉兴学院毕业设计说明书 10 有关，而且受用户负荷性质的影响。因此，电能质量监测装置不仅应在电力系统的枢 纽变电站中安装，还应对重要用户和特殊用户(产生波形畸变的用户)进行监测。 3.2 电能质量监测与分析系统的特点电能质量监测与分析系统的特点 电能质量监测是电力部门为其本身及其关键用户提供的重用服务，也 是获得电能质量信息的直接途径。现在电力系统中，电能质量问题可以分 为稳态和暂态电能质量两部分。稳态电能质量问题是以波形畸变为特征， 主要包括谐波、间谐波以及噪声等；暂态电能质量通常是以频谱和暂态持 续时间为特征，分为脉冲暂态和振荡暂态两大类。 电能质量各项指标中既包含了统计性指标，如电压波动、谐波分析等； 又强调了对实时性的要求，保证对暂态指标的精确分析。因此电能质量监 测系统应当包括强大的数据采集、处理、保存功能，明白易懂的报告系统， 以及通用的信息共享技术，采用分布式机构，分布与各个变电站的现场采 集分析单元通过通信网络连接成一个有机的整体，共同完成整个区域的电 能质量分析和统计。 随着电力工业的快速发展，稳态电能质量问题如电压波动、频率波动、 谐波等，已经引起了足够的重视。与此同时暂态电能质量问题越来越突出， 如电压跌落、骤升、短时断电等现象经常发生，给用户带来了很大的损失。 传统的基于有效值理论的监测技术由于时间窗口太长，仅测有效值已不能 精确描述实际的电能质量问题，因此必须发展满足以下要求的新监测技术： (a)针对信号扰动的随机性，必须保证对电网信号进行全过程实时监测； (b)能捕捉快速瞬时（ms 级、us 级）扰动的暂态波形； (c)需要有足够高采样率，以便能测得相当高次谐波的信息； (d)实现不同监测点采集数据的同步性，以便于对随机扰动和故障信息进行离线分 析 (e)建立有效的分析和自动辩识系统，使之能实现故障或扰动信号的自动识别； (f)实现网络数据传输功能，保证数据实时通讯和信息共享。 3.3 硬件监测平台的特点与要求硬件监测平台的特点与要求 433.3.13.3.1 现场监测单元采样频率、精度的要求现场监测单元采样频率、精度的要求 电力系统中各种扰动持续时间短、随机性强，如雷击、系统故障、一些非线性负荷 的投切等引起的电压跌落、骤升，电弧炉生产周期的变化引起的电压波动等等。根据 采样定律，为了精确测量电网中高次谐波值以及对暂态电能质量指标进行实时测量， 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 11 必须保证较高的采样频率。在实际电网中，谐波分析一般取 230 次，实际测量系统中 的采样频率至少为每周期波 64 次，一般采用 128 次以上。如果每周波采样 128 次，那 么每个采样点之间的时间间隔仅有 156us，传统的 mcs51、mcs96 单片机的指令周期最 快能达到 160ns，在多个通道同时采样的情况下，很难满足实时测量的要求，因此传统 的谐波分析仪仅仅能达到 19 次，对暂态指标则根本没法分析。 由于电力系统中高次谐波的含有量相对于基波分量而言是非常低的，谐波次数越 高其含量越低。根据数据，如果采用 12 位分辨率的 a/d 转换芯片，仅仅因为 a/d 转换 精度不够，对 15 次谐波而言至少会引起 1.67%的误差，而且在实际谐波测量中我们一 般测到 30 次谐波，这样产生的误差影响会更大，高次谐波测量数据将没有可信性，因 此现场监测单元中 a/d 转换器的分辨率至少应保证问 14 位以上。 3.3.23.3.2 监测系统同步采样的要求监测系统同步采样的要求 电能质量监测的交流信号主要有：4 中电压信号 ua、ub、uc、uo 和五种电流信号 ia、ib、ic、3io、in。目前电力系统各种监测仪器中采用的采样方式一般为：“多路 开关+采样保持+a/d 转换”模式，这种模式硬件设计简单，成本低。在同步性要求不高 的系统中可以得到很好的结果。但是在谐波分析中如果采用这种方式，即使在每周波 采样 128 点的情况下，对于 19 次谐波，起相位最少也会带来 6 度的误差，这对于提取 基波分量进行信号分析的系统而言，误差可以忽略，而对于高次谐波的测量，将使测 量数据没有可信度。在这里建议采用：“采样保持+多路开关+a/d 转换”的转换模式， 这种模式对 a/d 转换器的同步性的要求大大降低。市场上可以找到“多通道同时采样、 依次转换”的模数转换芯片，如 max125/126、ad7865 等，他们的分辨率 14 位，在检 测的通道比较多的情况下，可满足要求。 在电能质量监测数据离线分析中，系统相角测量、谐波干扰源的辩识、暂态电压扰 动信号分析等都需要对相邻监测点的测量数据进行分析。为了保证不同监测点的监测 数据的同步性，提高数据的横向可比性，在现场监测单元中必须增加同步采样模块来 保证采样时钟的同步性。 嘉兴学院毕业设计说明书 12 4 4 电能质量监测与分析系统的硬件结构实现电能质量监测与分析系统的硬件结构实现 电能质量监测系统不仅提供稳态电能质量参数，如电压偏差、平稳谐波、三相不 平衡，还要提供暂态和瞬时电能质量参数，如电压凹陷、非线性冲击负荷引起的谐波 和电压波动等。现有的电能质量监测仪在线分析多项电能指标是采用采样和分析串行 处理技术，在处理过程中停止采样，丢失大量的实时数据，不能全面反映电能质量真 实情况。 4.14.1 硬件总体结构硬件总体结构 在电力系统谐波测量系统中，为了有效地了解电力系统谐波的实际情况，使其具 有较强的测量功能、准确度高、速度快和高抗干扰性，同时尽可能降低成本，必须及 时测量电力系统谐波参数和采用“物美价廉”的器件。 同步采样由于能够反映交流信号的变化本质，并保持采样信号与被侧信号严格同 步，因此在电力谐波参数测量系统中被广泛使用。同步采样中最关键的是如何保证采 样频率与信号频率严格同步，这是本文硬件设计的重点之一。同时，由于本测量单元 需要处理大量数据，用一般串口进行数据传输己经不能满足电力系统谐波实时分析的 要求。为此设计以下硬件电路来满足同步采样和快速传输采样数据。硬件设计的组成 模块包括模拟量输入模块、数据采集模块、同步锁相模块以及相关的输入输出控制电 路等。为了满足自动化发展的要求，本系统提供了液晶显示界面、键盘控制等，同时 提供了通讯接口，以实现与其它系统的信息共享。 硬件的总体框图如图 5.1 所示 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 13 图 4-1 硬件总体框图 4.24.2 单片机简介单片机简介 4.2.14.2.1 msp430msp430 系列单片机特点系列单片机特点 msp 430 是 ti 公司近儿年推出的 16 位系列单片机，其最早是面向于驱动 led 显示 的应用设计，由于极好的应用效果和很大的市场潜力，ti 很快将其发展为通用单片机。 现已有 x1xx, x3xx, x4xx 儿个系列，并且还在不断的发展。msp430 作为一种新型的单 片机，采用了 ti 公司最新的低功耗技术，使其在众多的单片机中独树一帜。它的主要 特点有: (1) 工作在 1. 8v3. 6v 电压下，有正常工作模式(cam)和 4 种低功耗工作模式 (lpml, lpm2, lpm3, lpm4)，在电源电压为 3v 时，各种模式的工作电流分别为 am: 340ua, lpmi: 70ua, lpm2: 17ua, lpm3: 2ua, i,pm4: o.lua。单片机可以方便的在 各种工作模式之间切换; (2) msp430 的超低功耗使其在电池供电、便携式设备的应用中表现出非常优良的 特性; (3) msp430 具有非常高的集成度:单片集成了多信道 12bit 的斜边 a/d 转换、片内 精密比较器、多个具有 pwm 功能的定时器、片内 usart、看门狗定时器、片内数控振荡 器(dco)、大量的 i/o 端口以及大容量的片内存储器，单片可以满足绝大多数的应用需 要。msp430 的这种高集成度使应用人员不必在接口、外接 i/0 及内存上花太多的精力， 而可以方便的设计真正意义上的单片系统; (4) msp430 的片内存储器有 rom(c 型), 0tp(p 型)、eprom ( e 型), flash (f 型)4 种型号; (5) 采用“冯.诺伊曼”结构，因此，ram, rom 和全部的外围模块都位于同一地址 空间内; (6) msp430 单片机有三种时钟源可以选择提供给 aclk, smclk, mclk，其中 lfxtl 提供给外围设备 32768hz 的时钟，xt2 可以提供高达 8mhz 的时钟供单片机运行使用， dco 为单片机提供一个内部时钟源，当 xtalt2 没有提供时，系统依靠 dco 运行整个时 嘉兴学院毕业设计说明书 14 钟配置，可以通过 dcoctl, bcsctli, bcsctl2 和 sr 等控制寄存器中相应的位来选择 和控制，以满足用户对系统的要求; (7) 强大的处理能力，msp430 具有丰富的寻址方式(7 种源操作数 4 种目的操作数)但 只需要简洁的 27 条指令;片内寄存器数量多，可实现多种运算有高效的查表处理方法， 这些都保证了可以编出高效的程序; （8) 方便高效的开发方式，支持在线仿真和编程所配编译器，功能强大具有 flash内存，利用单片机本身具有的 jtag 接