毕业设计（论文）-基于单片机的电网谐波分析仪设计.docx

毕业设计说明书基于单片机的电网谐波分析仪设计学生姓名： 学号： 学 院： 计算机与控制工程 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015 年 06 月页中北大学2015届毕业设计说明书基于单片机的电网谐波分析仪设计摘要随着科技的高速发展，各类型的用电设备应用于社会生活的各个生活方面，鉴于电气设备运行所要求的安全性和精确性，因此对电能的使用和需求产生了更高的要求，但各类型负荷的大量应用给电力系统带来了造成严重影响及其危害的谐波。最大限度的减少谐波的危害，成为电力系统亟待解决的问题，处理这一问题的重点在于可以定量地分析谐波的成分、幅值等等。提高电网谐波检测分析水平，对高次谐波含量抑制具有很大的价值。在谐波分析算法进步的同时，用于谐波分析的各种检测仪器也越来越多。随着国内外在这两个方面大量的研究工作，仍存在一些问题，国内的仪器大多精度比较低，且功能不全。本设计的说明文在原有谐波分析的基础上，说明快速傅里叶变换谐波分析算法。该算法应用于单片机方面，可进行设计单片机硬件方面的电网谐波分析仪，为谐波的检测提供极大的方便。首先研究了快速傅里叶变换谐波分析算法，并用软件对该算法进行大量仿真实验，进而分析该算法的准确度并预测系统的可行性。其次，设计实现了分析仪硬件结构，包括控制部分单片机的选型、控制程序的编制、数据处理部分、算法的研究及运算程序的编制及分析仪相关电路。关键词： 单片机，电力系统，谐波，傅里叶变换 The design of power network harmonic analysis based on MCUAbstractAlong with the rapid development of science and technology, various types of electrical equipment used in the social life of every area of life, due to the high security and accurate required for the operation of the electrical equipment, the use and demand for electrical energy produced higher requirements, but the application of a large number of various types of load to the power system brought serious impact and harm of harmonic. The damage of the maximum of the harmonic is the problem to be solved urgently, but the key to deal with this problem is that it can be used to determine the component and amplitude of the harmonic. The improvement of the harmonic detection and analysis of the power network is of great value for the suppression of higher harmonic content.At the same time of the harmonic analysis, the instruments used in the harmonic analysis are more and more. Along with the two aspects of domestic and foreign, a lot of research work, but there are still some problems, the domestic instrument is mostly low accuracy, and the function is not complete. According to the relevant national standards and the domestic and foreign similar products of the technical indicators and field practical application requirements, in the original harmonic analysis based on developed fast Fourier transform algorithm for harmonic analysis. The algorithm can be used in the design of the hardware of the power network harmonic analyzer, which can provide a great convenience for the detection of the harmonics. In this paper, a fast Fu Liye transform harmonic analysis algorithm is studied, and a large number of simulation experiments are carried out with the software, and then the accuracy of the algorithm and the feasibility of the forecast system are analyzed. Secondly, design and realize the hardware structure of the analyzer, including the selection of SCM control, program control system, data processing, algorithm research and operational procedures of the relevant circuit of the compilation and analysis. The research results of this paper have practical and broad market prospects in the power system.Keywords : SCM，power system，harmonic，Fourier transform中北大学2015届毕业设计说明书目录1 引言11.1 课题研究背景及意义11.2 国内外研究现状21.3 本文研究内容32 谐波分析算法及测量原理42.1 快速傅里叶变换的基本原理42.2 加窗插值的FFT算法42.3 电力系统参数的计算52.4 各次谐波分量的计算52.5 本章小结63 谐波分析仪硬件设计73.1 系统总体硬件设计思想73.2 单片机芯片的选择94 系统软件设计114.1 系统软件的总体概述114.1.1 软件的选择和使用114.1.2 系统软件设计124.2 FFT算法子程序的设计144.3系统仿真结果145 结论总结与展望16附录17参考文献24致谢26第I 页 共 I 页1 引言1.1 课题研究背景及意义随着全球化进程的不断发展和科学技术的进步，电力电子器件的大量普及和电气设备负荷的不断增加，所导致的谐波污染变得愈加严重，危及到生产生活的持续健康发展。如工业中所应用的各类静止换流器、电力机车、电弧炉、电动机、开关电源等在给日常生产和人们生活带来便利的同时，也向电网倾泻着大量的谐波污染。电力谐波不仅仅造成电压波形畸变，而且使电能质量下降、电能损耗变大。谐波污染尽管出现的不多，但一旦出现即可能是灾难性的严重后果，如引起的重要控制和保护装置误动、电力设备的过载破坏、改善功率因数的电容器组被损坏等。和很多其它形式的污染一样，谐波的产生会波及整个电力系统环境，并可能危及到离波源很远的地方。谐波污染没有水资源和大气等污染现象那么直观，人们感觉不出它的存在，波形污染的后果往往是在遭受很大代价的事故损失后才被探测出来。随着国民经济的增长，非线性电力负荷增长趋势不断上升，其对电力系统带来的影响也不断增长。国外的经验表明，非线性用电设备容量的增长率会大大超出电网的发电容量的增长率。这一事实也说明了谐波的监督和治理工作将出现的长期性和艰巨性。因此，分析电力网谐波产生的根源和产生原理、进而采取有效措施抑制其影响、从而保证电网的安全稳定运行是非常重要和有必要的。电力系统的电能质量是用频率和电压来衡量的，因此国家对于频率和电压的允许偏差值做出衡量并加以有关规定。在实际的电力系统运行中，由于负荷的变化引起波形畸变、电压闪变和三相交流电力系统及供电系统中三相电压或电流的平衡，是影响电能质量的重要因素。随着电力电子技术的发展及其在工业和交通部门以及用电设备上的种种应用，半导体器件等非线性负荷在电力系统中的使用也变得频繁起来，将不可避免地使相关的电压和电流波形产生较大的畸变，也即所说的谐波污染，严重影响了电能的质量，对电力系的安全、经济运行造成极大的危害。所以，对电网中的谐波含量进行准确的测量确切掌握电网中谐波的实际状况并进行治理，对于抑制谐波危害，维护电网的安全稳步运行十分必要。1.2 国内外研究现状电力系统谐波是因为波形畸变产生的，从交流电出现、应用发展到现在，如何使波形畸变限制在一定的范围内也一直是电力工程师关心的问题。在二十世纪20年代和30年代的德国，研究者由静止变流器引起的波形畸变提出了电力系统谐波的概念。当时最具有影响力的是Rissik H.所著的The Mercury Arc Current Converter1，另一篇有关静止变流器产生谐波的经典论文是Read J. C.在1945年发表的 The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics2，至今仍被研究者广泛引用和采纳。二十世纪50年代和60年代在高压直流输电方面推进了变流器谐波的研究发展。在这一时期发表了大量的论文。Kimbark E. W.在其著作Direct Current Transmission3中对此进行了大量总结，该书包括了电力系统谐波方面60篇以上的参考文献。在上世纪70年代以后，国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，从1984年开始，每两年召开一次的电力系统谐波国际会议（ICHPS）很大程度地推动了谐波领域的交流和研究，不少国家和国际学术组织制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标淮和规定，同时对谐波治理问题的研究也蓬勃发展起来。 我国对电力系统谐波问题的研究起步比较晚。吴竞昌等1988年出版的电力系统谐波4一书是我国有关谐波问题早期较有影响的著作。随后，许克明等也于1991年出版了电力系统高次谐波5，夏道止等1994年出版了高压直流输电系统的谐波分析及滤波6，林海雪等1998年出版了电力网中的谐波7，这些著作都对人们认识和研究谐波也都作出了很大的贡献。此外，唐统一等和容健纲分别于1991年和1994年独立翻译了Arrilaga J.等的电力系统谐波8，在国内有较大的影响。1998年，王兆安等出版的谐波抑制和无功功率补偿9是国内迄今为止较为全面的介绍谐波分析和治理方法的著作，特别是其中关于有源滤波器的分析和阐述，被国内许多研究者广泛引用和参考10-11。近些年来，国内有关期刊和相关会议上发表的谐波相关问题的研究论文也非常之多12-16，谐波问题已经渐渐成为研究热点。因此可以说，我国对谐波问题的研究起步于二十世纪80年代，在整个上世纪90年代也有长足的发展，与国外研究水平的差距正在渐渐减小。另外，谐波标准作为电力系统谐波的一个分支也在蓬勃的发展起来。美国海军早在20世纪70年代就发现谐波影响并第一个制订了谐波限制标准MIL-STD-461，至今也仍然被美国军方广泛使用17。1982年国际电工委员会第一次指定了通用电器设备产生谐波的限制标准，即IEC-55，在其后的执行过程中修订完善，目前已经被世界许多国家承认和接受，在欧、美等发达国家已经成为强行执行的标准。1993年美国电气与工程协会（IEEE）进一步完善了IEC-55标准，并在其基础上补充了对高压、大功率用电负荷产生谐波的限制标准，也即是IEEE/ANSI Standard 519谐波限制标准。我国原水利电力部于1984年根据原国家经济委员会批转的全国供电用电规则的规定，制定并发布了SD126-84电力系统谐波管理暂行规定18。国家技术监督局于1993年又发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549-93 电能质量 公用电网谐波19，从1994年3月1日开始实施。此标准对50Hz、110kV及以下的公用电网的各次谐波电压和供电的电力用户注入谐波电流作了明确的规定。对220kV以上的电网及其供电用户，以110kV电网的规定作为参考标准，或者以保证220kV下一级电网符合标准的要求为依据。标准规定了谐波测量和测量数据处理以及确定谐波水平的方法。1998年，为了进一步限制电网谐波产生的危害，我国颁发了GB17625.1-1998低压电气及电子设备发出的谐波电流限制（设备每相电流小于16A）20，即IEC 6100-3-2标准，对低压电气和电子设备发出的谐波电流进行了很大程度的限制。1.3 本文研究内容 设计是在掌握谐波污染产生的原因及危害和在熟悉单片机开发过程的基础上，所进行的基于51单片机的基础和外部电路的相关设计，以实现对谐波电压和电流的基波分量、谐波的功率因数、有效值和无功功率的测量分析，为谐波的抑制提供数据支持。设计主要进行硬件电路的设计和仿真。电路的设计和构建是在protues的环境下进行的。对输入的波形进行处理后，观察相关的幅频特性曲线，进一步了解学习基波和谐波的区别联系。硬件电路包括信号的预处理、A/D转换模块、控制电路和显示功能在protues软件环境下的实现。2 谐波分析算法及测量原理2.1 快速傅里叶变换的基本原理非周期连续时间信号x(t)的傅立叶变换表示为： 上式计算出来的是信号的连续频谱，但是在实际系统中得到的是信号的离散采样值，习惯将其记为。设采样N个点得到采样值，n=0，1，N-1，频谱取样的谱间距，这样就可以得到离散傅立叶变换： 式(2-2)是时间序列的频谱，称为蝶形因子。对于N点时域采样值，经过式(2-2)的计算，可以得到N个频谱条，也即离散傅立叶变换。从中可得出DFT的计算N2次复数乘法和N(N-1)次复数加法。在承受范围内利用蝶形因子的周期性：和对称性：，将2m点的DFT分解成2个2m-1点，使DFT计算总量为原来的一半，重复继续这样的分解过程，一直到最后是两点序列的DFT。由于每次分解均将序列从时域上按偶数奇数提取，所以称之为时间抽取，每次一分为二，N为2的整数幂的FFT算法也叫做为基-2FFT算法。如果不满足N=2m这个条件，可以添加若干个零点来实现算法要求。2.2 加窗插值的FFT算法以往的谐波测量方法通常是将离散化的被测信号用最常用的快速傅里叶变换(FFT)做处理，得到信号各次谐波的幅值、频率和相位。假定测量时间是信号周期严格的整数倍，且采样频率大于Nyquist频率，该方法是可以获得较高的测量精度的。但因为电网频率是不断变化波动的，被测信号中除含有基波和整数次谐波之外很有可能含有非整数次的谐波，故而即使采用了跟踪技术，也很难实现标准的同步采样，使一般的FFT在频谱分析时产生泄漏误差，进而很难获得高精度的谐波测量结果。2.3 电力系统参数的计算采样取得离散信号样点从计算有效值、功率以及功率因子参量。假设在一个完整周期内采样点数为N个，电压样点为，电流样点为，其中i=1、.、N-1，则电压的有效值为： 电流有效值为： 有功功率的定义为： 功率因子定义为有功功率与视在功率的比值： 2.4 各次谐波分量的计算应用FFT进行谐波分析，就是对采样信号经过FFT变换得到的信号频谱用来计算各次谐波分量。时域中的采样序列x(n)，n=0，1，N-1经FFT变换后成为频域中的复序列21。 其中为实部，为虚部。 输入的为实序列（虚部为0），输出的复数序列是共轭对称的；N点采样值经过FFT变换后只能得到N/2个相互独立的结果，如果128点的FFT，最高只能计算出64次谐波分量。根据式（2-8）就可以求出k次谐波电压、电流的幅值。单相的谐波电压含量： 单相的谐波电流含量： 2.5 本章小结 本章是谐波检测分析的理论基础和分析对象的简单介绍，主要分为两部分内容：1)快速傅里叶变换算法的介绍以便于处理采样频率，改进计算信号参数准确性，以满 足对谐波的检测要求。2)电网各电力系统参量的计算和各次谐波分量的计算，列出算法公式，为软件设计编程提供依据。3 谐波分析仪硬件设计根据设计任务书所要求，该设计以51单片机为核心，硬件基本的框架由信号预处理、数据采集电路处理以及显示单元。3.1 系统总体硬件设计思想 图3.1 系统的总体设计框图系统的总体硬件框图如图3.1所示1)单片机是硬件设计的核心部件，是数据处理参数计算，和其他电路的控制中心。单片机采用51的8位单片机，接口简单，容易扩展，开发成本较低，适合实验室的设备使用。2)信号的预处理模块是对模拟信号进行滤波处理，滤除高频噪声和高次谐波。3)AD模块选择ADC0808，采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件，进行数据采集。内部有一个8通道多路开关，可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟信号中的一路可进行A/D转换。硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换。当通道选择地址有效时，ALE信号出现，地址马上被锁存，这时转换信号紧随ALE之后（或与ALE同时）出现。Start上升沿将逐次逼近寄存器SAR复位后，在该上升沿之后，eoc信号将变低电平，以指示转换操作正在进行，直到转换完成后eoc再变高电平。微处理器收到变为高电平的eoc信号后，随即送出OE信号，打开三态门，读取转换结果。图3.2 数据采样A/D转换模块电路4) 在显示模块因选用了TL082运算放大器，将转换后的微小电压放大；输出设有短路保护；输入级设有阻值较高的电阻；内部设有频率补偿电路；工作电压范围是：=18V；图3.3 显示电路 系统的总体硬件仿真图如下： 图3.4 系统的总体硬件仿真电路图3.2 单片机芯片的选择选用的芯片是ATMEL公司的51系列的芯片AT89C51。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含20k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准51指令系统，引脚兼容工业标准89C51和89C52芯片，采用通用编程方式，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微处理器的AT89C51可提供许多高性价比的解决方案，适用于多数嵌入式应用系统。如图3-2所示，AT89C51有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，片内时钟电路，AT89C51采用两种软件控制其进入省电睡眠模式的静态逻辑工作闲置方式设计，可以用RAM、定时/计数器、串行口和外部中断唤醒睡H民状态而继续工作，在睡眠模式下，RAM被冻结，其他功能全部停止，直至下个外中断触发或硬件复位方可开始运行。尤其是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。 图3.5 AT89c51的引脚分布图4 系统软件设计装置的研制是一个复杂的过程，要设计出符合本谐波测量装置的系统软件，必须按照软件工程学进行设计。软件设计是我们装置研制中的一个重点和主要内容，在整个系统的运行中，软件设计的好坏直接关系到系统的功能特点，并且我们需要在设计出良好的软件来减少硬件的电路情况下，很方便的改变系统的功能。系统采用的模块设计方法，即按整个装置的功能把软件分解为几个模块，然后按系统中的各个功能模块进行程序设计和调试，最后将各个模块连接起来进行总体的调试。这样不仅结构简单明了，而且有利于功能扩展和程序的移植修改。4.1 系统软件的总体概述为了提高单片机的程序编写效率，在编写系统软件时采用C语言编写，由于用C语言开发具有兼容性、可移植性和可读性的优点，有利于缩短开发周期和减少开发难度。所以主程序是C语言编写，在主程序里面以子程序形式调用各功能模块。4.1.1 软件的选择和使用软件开发使用的编译器是keil c51，kei l C51是一种专为C51系列单片机设计的高效率C语言编译器，符合ANSI标准，生成的程序代码运行速度极高，所需要的存储空问极小，完全可以与汇编语言相媲美。高版本的keil C51编译器，尤其keil可以用来编译C语言代码、汇编语言程序、创建HEX文件、调试目标程序等。“Vision2的仿真功能有两种模式：软件模拟方式和硬件系统板仿真，其中软件模拟方式不需要任何8051单片机硬件就可以调试用户的程序，开发效率极大提高，开发经费大为节省。keil C51以软件包的形式向用户提供主要包括C51交义编译器、A51宏汇编器、BL连接定位器等一系列工具。和Vision4、软件仿真器、dScope51等开发平台。C51具有丰富的函数库，包含100多种功能函数，为用户编程提供了极大的方便。在编译器路径设置中设定的keil执行文件，包含文件和库文件的路径。整个软件设计的开发环境也就搭建好了。虽然用仿真器调试程序方便，可是由于实验的电路板功能模块有限，在整体软件调试时还需将程序烧录到单片机的芯片中，在分析仪的电路板中进行多次调试。所以除了编译器和仿真器外还需要烧录软件。这就是5l单片机的完整开发系统。4.1.2 系统软件设计谐波检测分析装置的软件设计主要包括以下的个方面的内容：软件总体构架设计、各功能模块的设计，以及谐波检测装置所采用的信号采集流程、数据处理方法、计算方法。系统软件流程图如图4-1所示。 准备 启动ADC0808 是否转换结束NN 打开OE单片机从中读取数据继续等待判断EOC Y Y 在单片机中进行FFT变换输出到DAC0832 结束图4.1 系统软件流程图开始初始化之后，由于ADC0808的启动，在次设计系统中，因只选择了一路外部模拟信号作为输入，所以在选路端，ABC同时接地，已经达到选择的第一路信号。所以从单片机引出来的控制线，主要是控制START、EOC以及OE。在程序运行前，首先必须应对其定义。Sbit OE=P37;Sbit EOC=P36;Sbit START=P35;OE=0; /初始化START=0; /初始化START=1; /启动_nop_();_nop_();START=0;_nop_();_nop_();While(!EOC); /等待判断是否转换结束OE=1; /从中读取数据把从ADC0808中读取的数据，存放到一个数组里，为接下来的傅里叶变换做好准备；4.2 FFT算法子程序的设计 开始 初始化变量 调入系数表倒序排列 FFT蝶型运算 NOM=0 YESNO 归一化处理 图4.2 FFT算法子程序流程图4.3系统仿真结果在完成了大量的资料的收集和比对之后，在显示部分选择了用图表进行仿真，选择的分析仪是FOURIER（傅里叶分析）。傅里叶分析方法一般只用于分析一个时域信号的直流分量、基波分量和谐波分量，即把被测结点处的时域变换信号进行离散傅里叶变换，求出它的频域变换规律，将被测结点的频谱显示在分析窗口中，在进行傅里叶分析时，必须先选择被分析的结点，一般将电路中的交流激励源的频率的最小公因数上。Protues ISIS系统作为模拟电路频域分析提供了傅里叶分析图表，使用该图表可以显示电路的频域分析。 谐波有效值计算按照上式编程计算，程序执行过程中，对系统操作和发生的各项事件如各种故障信息和操作事件进行记录，为系统维护提供依据。仿真结果如下；图4.3 傅里叶分析图表5 结论总结与展望 该设计经过大量的查询相关资料、经过多次的仿真设计出来的。在课题进行的过程中，随着各种错误的出现和不断的改正，改变甚至取消原定的方法。设计框架的目的、基础理论依据、完成的功能始终是明确的，但在具体实现上还是出现了很多问题。由于时间上的限制，设计中还有些许没有完成的工作需要进一步研究。由于单片机的性价比高，因此在数据采集以及频谱分析系统中往往取代DSP芯片而被广泛使用。在数字信号处理中，离散型傅里叶变换是常用的变换方法，它在各种数字信号处理系统中扮演着重要的角色。快速傅里叶变换并不是与离散傅里叶变换不同的另一种变换，而是为了减少DFT计算次数的一种快速有效的算法，且它们都是为了将信号变换到频域并进行相应的频谱分析。另一个重要的必须解决的是开方在单片机中运行的问题。在keil下进行过尝试，直接写的开方，单片机是不能运行的，算法需要改进，或者自己编写开发函数。要在单片机中实现开根号的操作。目前开平方的方法大部分是用牛顿迭代法。查阅相关的资料后发现有比牛顿迭代法更加快速的方法。附录#include#include#include#include#define PI 3.1415926#define N 8void sine_out();void chushihua();void dac0832();void mefft(float pr,float pi,int n,float fr,float fi);void meifft(float fr,float fi,int n,float pr,float pi);void delay_us(unsigned int time);void delay_ms(unsigned int time);sbit oe=P37;sbit eoc=P36;sbit star=P35;sbit key=P32;sbit DI=P20;sbit CS=P27;sbit XFER=P26;sbit DAdata=P0;sbit W_R=P34;float code frN,fiN;piN;float prN;unsigned int AN;unsigned int getdata;void main() unsigned int i,j,m,n; EA=1; IT0=1; EX0=1; chushihua() while(1) unsigned int i; unsigned char WaveCount=0; eoc=0; _nop_(); _nop_(); for(j=0,i=0;i8;i+) eoc=1; oe=1; getdata=P1; delay_ms(8); Ai=(float)getdata; prj=Ai; j+;if(getdata!=1);D1=0;mefft(pr,pi,8,fr,fi);meifft(fr,fi,8,pr,pi);dac0832();getdata=P1;for(n=0;n8;n+) frn=squrt(prn*prn+pin*pin);CS=0;P0=frn;delay_us(100);XFER=0;CS=1;_nop_();_nop_();oe=0;star=1;_nop_();_nop_();star=0;_nop_();_nop_();void mefft(float pr,float pi,int n,float fr, float fi) int i,k;for(k=0;kn;k+) frk=0; fik=0;for(k=0;kn;k+) for(i=0;in;i+) frk=frk+pri*cos(-2*PI*i*k/n)-pii*sin(-2*PI*i*k/n); fik=fik+pii*cos(-2*PI*i*k/n)+pri*sin(-2*PI*i*k/n);for(i=0;i=n-1;i+) pri=sqrt(fri*fri+fii*fii);if(fabs(fri)0) pii=90.0;else pii=-90.0;else pii=atan(fii/fri)*360.0/6.283185306;return;void meifft(float fr,fioat fi,int n,float pr,float pi) int i,j,k; for(i=0;in;i+) pri=0; pii=0;for(i=0;in;i+) for(k=0;k1);void delay_ms(unsignedint time) while(time!=0) delay_us(1000); time-;参考文献1 Rissik H .The Mercury Arc Current ConverterC.Proceedings of the International Conference on Pa