（通信与信息系统专业论文）电能质量监测装置的设计与实现.pdf

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r i n gd e v i c e a b s t r a c t f 嗨o p i eh a v eah i g h e ra n dh i g h e l q u a l i 秒s 1 隐n d a r df o re l e c l r i ce n e l 影w h i c h i ss u p p 0 5 e d 埝泌鑫赫埔o f 嘲材彰m e f c 羲a n 巷l s e g r a s p 甥l h es 雠毽so ft 耗p o w e r 懿弹l y r e a l t i 辩el s t h ep r e c o n d i t i o nt oi m p r o v ep o w e rq u a i t y n o w a d a y s ，m o r ea n dm o 心p o w e rq u a li 哆 m o n i t o r i n gp r o d u c t sc o m ei n t om a r k e t ，b u tm o s to f t h e ma r ef e a t u r e db yt h ed i s a d v a n t a g e s o fs i 越p l e 囊n e i o 瓣a n dh i g hc o s a1 8 毽e 印；o 瞧i o no fl h e 弦、张f 瀚n i t d 如热gp 则u e 拯e a n n o ts a t i s 黟谦ep o w e rq u a l i 锣m o n i t o r i n gr e q u i r e m e n t s r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n g m u i t i f u n c t i o ne i e c t r i cp o w e rq u a l 时m o n i t o “n gd e v i c eh a si m p o n a n ts i g n i n c a n c e 髓i sp a p e ri n t i 砧d u c e sl kp o w e rq u a l 时n c e p t 曩r s t l ya n dd i s c u s s e st h ec a u s e sa n d d a m a g eo fp o w e rq u a l t yp f o b l 。m 确i sa i c l ea n a l y s e s 龇m e a s u r em e t h o do f 嘲e m 萄o r 协嫩e ts u c ha sh a r m o n i c ，f l i c k e ri n d e t a i an e wh i g ha c c u 豫c yf l i c k e rm e a s u r e m e n t 8 l g o r i t h ma i m e dt on o n i n t e g e 卜l e r i o ds a m p l i n g i sp 1 o p o s e d n i sa i g o t h mi st h a la w i 瓣d o wl sa p p l i 。纛稔l h es a m p l e 纛a a1 ) e 国繁f f ta 如燃ra m e n d m e l 瞧l s 精器d el q l h e r c s u i ta c c o r d i n gt 0d o u b l e 哪 e c t r a ii i n ei n t e r f l o l a t i o n t h i sa l g o r i t h m c a na v o i dt h e c o m p u t e ro fm a s s i v ed a t ai nn i c k e rm e 硒u r em e t h o dw h i c h w a sp u tf o n v a r db yl e ca n di t 鑫l 瓣e 艄陀d 珏e el 瓤eh a 砖w a f ed e v o l o p 掰e 毽c o 鹱s b a s e do nt h ef l i c k e rm e a s u 他m e t h o dw h i c hi sa b o v e m e n t i o n e d 卸da c c o r d i n gt ot h e r e q u i 糟m e n t0 ft h en e w e s tp o w e rq u a 岫s t a n d a r d ，aq u a i i t ym o n i t o r i n gd e v i c eb a s c do n a r mp 敝e 渤 l sd e s i 印e d 。弧l s & v i c ec 鞠黻麟珏砌a 弼。蕤i e ，羹i e 融，毽曲a l 粼e ，筘戳f f a c t o r ，a c t i v ep o w e r ，r e a c t i v ep o w e fa n d s oo n t h i sp a p e ra n a l y s i st h et c s tr e s u i to f t h ep o w e r q u a “t ym o n i t 0 而n gd e v i c e t h er e s u i t s o fl s e 耄i 薹i c hs l 约w 专h a te o 曩l e s l o n d l n g 细建e l i o n 鑫秘d 毫e e h n l e a li n d e xe 鞠l ，e 泓l i z e d k e y w 硎s ：p o w e rq u a l 咄h 洲o n 圳i c k e r f n d o u b l es p e c 倾l l i n ei n t e 秘l a t i o n w r i t t e nb y ：z h a 0y u e m i n g s u p e i - v i s e db y ：z h o um i n g l a i u 目录 第一章绪论l 1 1 课题研究的背景及意义1 i i 1 电能质量的概念l 1 1 2 电能质量问题产生的原因2 1 1 3 电能质量问题的危害2 l 一国内外研究动态3 1 3 本文主要工作3 第二章电能质量指标测量方法分析5 2 1 电能质量分析方法5 2 2 快速傅里叶变换6 2 2 1 有限长离散傅里叶变换( d f t ) 6 2 2 2 实序列f f t 6 2 3 双谱线插值。7 2 4 谐波8 2 4 1 谐波的产生及危害8 2 4 2 谐波仿真实例9 2 5 电压闪变lo 2 5 1 闪变测量原理l l 2 5 2 闪变模型仿真1 3 2 6 改进的电压闪变算法l6 2 6 1 闪变算法实现步骤1 6 2 6 2 频谱搜索原理l8 2 6 3 闪变算法仿真实例。l9 2 7 三相不平衡。2l 第三章硬件电路设计2 3 3 1 设计方案2 3 3 2 方案整体构架2 3 3 2 1 电压电流变换模块2 4 3 2 2 电源模块2 5 3 2 3 电能计量模块一2 8 3 2 4a d 采样模块2 9 3 2 5 中央处瑾模块一3 3 3 2 6 人机界面模块3 5 第豳章电畿质量盗测系统软件设计3 7 4 1 数据采集3 7 4 2 数据处理4 l 第五章系统调试与性能分析4 3 5 1 系统硬件调试4 3 5 2 系统性能分析4 4 第六章总结与展望4 8 6 1 总结4 8 6 。2 展望4 8 参考文献5 0 攻读学位期阚公开发表的论文5 2 致谢5 3 电能质量监测装置的设计与实现第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 电能是现代生活中应用最为广泛的一种能源形式，有着清洁实用、便于传输变换 的特点。电能作为一种特殊的能源商品，有着一般商品的共性，无疑也讲究质量。一 个理想电力系统应以恒定频率和正弦波形，按照规定的电压水平对用户提供电能。 但是在实际中，由于各种干扰因素的存在，到达用户的电能会偏离正弦波形而发生畸 变。随着各种复杂、精密对供电质量敏感的用电设备的投入使用，人们对电能质量的 可靠性要求越来越高，电能质量的好坏直接关系着国民经济的各个方面，对我国的经 济发展有着不可忽视的现实意义和战略意义。 针对电网中出现的电能质量问题，国家技术监督局发布了相关的标准：g b t l2 3 2 仁2 0 0 8 电能质量电压波动和闪变【2 】，g b tl5 9 4 5 2 0 0 8 电能质量电力 系统频率偏差1 3 1 g b 厂r1 2 3 2 5 _ 2 0 0 8 电能质量供电电压偏差【4 】，g b 厂r1 5 5 4 3 _ 2 0 0 8 电能质量三相电压不平衡1 5 1 ，g b 厂r1 4 5 4 9 _ _ 2 0 0 8 电能质量公用电网谐波吲 等。各项标准对电能质量相应指标的概念、测量方法、测量精度等都作出了具体的规 定和说明，也为电能质量监测装置的功能模块的设计提供依据。 1 1 1 电能质量的概念 电能质量是公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想中的电网应该以固定的 频率、正弦波形和标准电压对用户供电。三相交流系统中，还要求各相电压、电流的 幅度相等，相位对称且相差1 2 0 。1 7 1 。国内外至今对电能质量确切的定义尚没有形成统 一的共识。大多数专家将电能质量理解为：致使用户电力设备不能够正常工作的电压、 电流、或频率偏差导致用电设备已至发生误动作的任何电力问题都是电能质量问题。 i e c l 0 0 0 2 2 4 将电能质量定义为：供电装备正常工作情况下不中断和干扰用户使用 电力的物理特性。参考文献【8 l 对电能质量的定义是：电能质量一般是指电压或电流的 幅值、频率、波形等参量距规定值的偏差。 一般情况下，电能质量可以用电网谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度等指标 来表示。 第一章绪论 电能质量监测装置的设计与实现 1 1 2 电能质量问题产生的原因 电能质量问题的产生主要有两个方面： ( 1 ) 电力负荷构成的变换。大规模电力电子设备、大功率的电力拖动设备、直 流输出装置、电气化铁道、炼钢电弧炉( 交、直流) 、轧机及其他非线性负荷投入电 力系统，导致电网中出现大量的非线性负荷。另外，大型马达和马达群组、高速电梯、 电焊机、高铁动车、轻轨、地铁等设备导致很多快速变化的冲击性负荷的产生。 ( 2 ) 大量谐波注入电网。具有非线性、冲击性负荷的电力设备在实现功率控制 同时，将会产生非正弦波形电流，致使电网中出现大量谐波电流，使得公共连接点 ( p c c ) 电压波形发生畸变，负荷波动性、冲击性致使电压波动、瞬时脉冲等电能质 量干扰。资料显示，在发达国家中5 0 以上的负荷通过电力装置进行供电，目前我国 3 0 左右的负荷是通过各类功率变换后供用户使用。 随着我国高新技术的发展，越来越多的企业对电能质量的要求也越来越高，为此 电能质量问题造成的生产事故也会越来越突出。 1 1 3 电能质量问题的危害 电能作为一种使用最为广泛的能源形式，电能质量关乎着国内经济的发展乃至人 们的日常生活，因为电能质量问题引发的事故在国内外屡见不鲜。 1 9 8 9 年3 月，加拿大的魁北克系统中由于地磁感应电流引发系统主变饱和，大 量谐波产生，致使s v c 电容器组过载引起s v c 保护动作，导致整个魁北克电力系统 崩溃【9 】。在国内，除了神硕电气化铁道引发周围电厂停机外，白银电网郝变3 5 k v 母 线谐振发生频繁，致使电压互感器高低压保险丝频繁熔断1 1 0 】；可口可乐苏州分公司每 年因为电能质量问题导致生产线骤停事件有好几次，直接经济损失达百万元；2 0 世 纪8 0 年代湖北黄石的大冶钢厂在生产过程中引起附近电厂机组剧烈震动。 我国从2 0 世纪8 0 年代中后期开始电能质量领域的研究，起步相对较晚。随着高 精尖企业在我国的大量涌现，电能质量分析和综合治理已经成为现代电力生产发展的 紧要任务。 2 墩能质量监测装置的设计与实现第一章缝论 l 。2 国内外研究动态 随着国家对电能质量监测的重视，相关的国家标准的出台和智能电网工作的开 展，营走一些企监陵续开始从事奄麓震量髓测装置静研发。誊嚣，国内研发毫能囊璧 监测装备实力比较高的厂家有保定三伊方长电力电子有限公司、南京新联电子股份有 限公司、北京恒高仪讯科技有限公司等，针对不同的需求已有丰富的产品面市。不过， 困内产品普速存在着捡浏指标单一，测量精度较羝难以满足用户酶需求。 国外从事电能质量监测装置的研发较早，在国际比较知名的电能质量监测装置生 产商主要有美图的福禄克公司( f l u k e ) 、加拿大电力测量公司( p o w e rm e a s u r e m l e n t 蒯) 、狱色列豹e l s p e c 公司等，这些公司生产魄电麓质量滥测装置测量精度高、功缝 完善，具有保护与监控，智能逻辑控制，数据、波形记录功能等，但是价格普遍跣较 昂贵，在功能方面部分产品并不符合中国阑情。 送此，提高电能凌量鉴测技术，优化电能凄量测量算法，研发薪的电能囊量监测 装鼍是近年来嗽力系统领域的研究热点。 1 3 本文主要工作 本设计主要通过搭建基乎解m e l 公司矜ls a m 9 2 6 0 芯片的电能璇量蓝测装置 平台，实现电能质量指标如谐波、闪变、不平衡度以及电能计量常见指标的测量工作。 本文通过对传统电压阗交测璧方法进行论述，提出一种非整周期采样赞高精度f f t 魄压闶交算法，并成功痘用于所设计酶电辘质量监测装鬟上。 本文首先简要阐述电能质量的基本概念，电能质量问题产生的原因以及危害。介 缨了常见电能矮量指标分析方法，针对谐波、闪变问题，详细进行了理论分析与钫真， 并提出一种新静电匿闵变算法。随后结合课题鸳景和实际应震，设计开发了一个电戆 质量监测装置，并给出了实验结果，验证了所提出的谐波、闪变测量方法在实际应用 中的可行性。主要工谗包括； ( 1 ) 谐波、阂交算法的研究与仿真。搬据实际电能矮量测量要求，对谐波秘闲 褒测量方法进行深入分析与仿真。从变换域的角度出发，结合高精度傅里叶变换与双 谱线插值算法对谐波和阂变进行分析，进飚验迂算法在实际中的可符性。 ( 2 电能矮羹莲测装鼍的硬箨设计。奄能质量监测装置主要崮焉部分组成，一 3 第一章绪论电能质量监测装置的设计与实现 部分是模拟信号变换板，另一部分是处理器板。模拟信号变换板由电压电流变换模块、 电源模块、电能计量模块、刖d 采样模块组成。处理器板由中央处理模块，人机界面 模块组成。硬件电路包括电源模块、a r m 处理器a t 9 1 s a m 9 2 6 0 、们采样芯片 a d 7 6 5 6 、电能计量芯片a 1 丌7 0 2 2 b 的电路设计。 ( 3 ) 电能质量监测装置的软件设计。根据系统的要求，在模拟信号变换板上实 现电网信号的采集，电能计量参数的测量。采样数据和电能计量结果通过s p i 口传送 到处理器板上进行数据的处理，并将处理后的电能质量各项指标在液晶上实时显示。 4 电能质量监测装置的设计与实现第二章电能质量指标测量方法分析 第二章电能质量指标测量方法分析 2 1 电能质量分析方法 目前电能质量问题的分析方法主要有三种：时域分析法、频域分析法以及变换域 分析法。 在电能质量问题分析中，时域分析法应用比较广泛，主要是通过各种时域仿真软 件来模拟各种电能质量问题。目前使用比较广泛的时域仿真软件主要有两类，一类是 e m t p 【1 1 1 ，【i2 1 、e m t d c 、n e t o m a c 等系统暂态仿真程序，另外一类是s p i c e 、p s p i c e 等电力电子仿真软件。不过，使用时域仿真软件时仿真步长的选取限定了可分析的最 高频率范围，所以事先需要知道待分析系统暂态过程的最高频率。 频域分析法主要用于电能质量问题中谐波问题的分析i l3 j 如频率扫描、谐波潮流计 算。目前，分析谐波分布情况的算法主要有牛顿法、混合谐波潮流计算法，不过需要 矩阵建模，计算量较大，求解复杂。 变换域分析法主要包括傅里叶变换法、短时傅里叶变换法( s t f t ) 、小波变换法i 4 】、 二次侧变换法。傅里叶算法不仅具有正交性的优点，而且还有高效的f f t 算法，在 电能质量问题分析领域有着广泛的应用。在使用傅里叶变换法时需要满足奈奎斯特定 理【1 5 】。短时傅里叶变换法是将不平稳过程看成一系列短时平稳过程的集合，实现了将 傅里叶分析法用于不平稳的过程【1 6 】。但是，短时傅里叶变换法要求各个分析特征尺度 大致相同，所以它不适合多尺度过程，而且它的离散形式没有正交展开，因此难以实 现高效算法。小波变换法通过频率窗口的自适应变化，适合突变信号和不平稳信号的 分析，但是小波变换法难以找出最适合电能质量分析的小波基函数。二次变换法是一 种基于能量角度来考虑的时频变换方法。一般认为，信号的能量分布是关于时间与 频率的双线性函数。文献i 7 l 提出了一种基于二次变换的信号处理方法，通过利用平滑 假维格纳维尔分布( s m 0 0 t h e dp s e u d ow i g n e r v i i i ed i s t r b u t i o n ) 的能量分布将可分离 的汉明时窗与汉明频窗结合在一起分析电能质量问题。仿真结果表明，二次变换方法 可以准确地测量到基波和谐波分量的幅值，同时也能够准确地检测出信号发生尖锐变 换的时刻。 本文主要采用傅里叶变换法深入分析电能质量问题。 第二章电能质量指标测量方法分析 电能质量监测装置的设计与实现 2 2 快速傅里叶变换 快速傅里叶变换( f f t ) 并不是一种新的变换，而是离散傅里叶变换( d f t ) 的 一种快速算法。f f t 的出现使得d f t 运算大为简化，运算时间可缩短l 2 个数量级， 从而使得d f t 运算在实际中得到了广泛的应用，这对数字信号处理学科的发展具有 划时代的意义1 1 8 l 。 2 2 1 有限长离散傅里叶变换( d f t ) 设x ( 刀) 为有限长序列，长度为，即x ( 刀) 只在0 一l 有值，其他刀时，x ( 刀) = o 。 我们可以把它看成周期为的周期序列舅( 刀) 的一个周期，而把譬( ，) 看成x ( 刀) 的以 为周期的周期延拓，即表示成 砌，= p 鬈 协， z ( ) = x 伽+ 州) ( 2 2 ) 从而可以获得，x ( 刀) 的傅里叶变换为 v i x ( 七) = 胛7 1 x ( 刀) 】= x ( 刀) 咐，k = o ，l ，- l ( 2 3 ) 月l o 其中= p 一。 d f t 的运算量与2 成正比，当序列长度比较大时运算量会特别大，即使使用计 算机也难以实现实时处理。1 9 6 5 年，库利( j w c 0 0 l e y ) 和图基( j w t u k e y ) 在 5 0 0 人) ，得 到闪变觉察率尺) 的统计公式为 f = 二蔫l o o ( 2 1 8 ) a + b + c + d 式中，彳为没有觉察的人数，b 为略有察觉的人数，c 为有明显察觉的人数，d 为不 能忍受的人数。 由于电压波动导致照度发生波动的主观视觉感受称为瞬时闪变视感度双，) ( i n s t a n t a n e o u sf l i c k e rs e n s a t i o nl e v e l ) 。通常将闪变觉察度只) 等于5 0 作为瞬时闪 变视感度的衡量单位，称之为觉察单位( u n i to f p e r c e p t i b i l i t y ) 。与瞬时闪变视感度肛l 觉察单位相对应的不同频率厂与电压波动值d 如表2 1 所示。 表2 1 单位瞬时闪变值( 肛1 ) 对应正弦电压波动值表 2 5 1 闪变测量原理 我国根据i e c6 l 0 0 0 4 15 1 2 2 】给出了闪变测量方法，其简化原理框图如图2 3 所示。 第二章电能质量指标测量方法分析 电能质量监测装置的设计与实现 框l框2框3 框4 框5 “，) 双，) l 输入适配平方检波带通和视感度 平方一阶在线统计 自检信号滤波器加权滤波器 低通滤波器 评定 灯眼脑环节的模拟 图2 3l e c 闪变测量原理图 电压闪变主要对调幅波造成的电压波动进行分析，为了分析简便且不失一般性， 我们可以分析单一频率的调幅波对工频电压信号的调制，因此我们设调制波解析式为 甜( f ) = 彳( 1 + 聊c o s q ) c o s 耐 ( 2 - 1 9 ) 式中彳工频电压信号的幅值 国工频电压信号的角频率 坍调幅波的幅值 q 调幅波的角频率 i e c6 1 0 0 0 4 1 5 ：1 9 9 6 给出了闪变测量方法就是在电压波动中调解出电压波动的 调幅波。将式( 2 1 9 ) 平方，可以得到式( 2 2 0 ) 以，= 等( + 芋_ + 州2 c 。s m + 竿c o s 2 q + 等c t + 芋，c o s 2 科+ 竿c o s 2 细+ 卿 + 堑笙c o s 2 ( 国一q ) ， ( 2 2 0 ) 由( 2 2 0 ) 可以看出，调制波经过平方器检波器之后除了直流分量外，还有如下 频率分量：q 2 q 2 ( 国q ) ，2 国q 。 当平方后的调制波通过带通加权滤波器时，直流分量和工频及以上的频率分量都 可以被滤除。实际中闪变信号的波动值很小，即有所 2 ( 五+ ) ，可以完全提取出阗变信息。 在运算中，首先对电压通道以采样频率z = 2 5 6 h z 采样4 s 获得1 0 2 4 个采样值， 对电压采样序列掰( 一) 加布莱克曼窗进行实序列f f t 运算，运算结果如图2 1 2 所示。 1 9 之 趔 馨 0 4 2 9 0 5 5 0 5 4 9 o 挚9 o 孑5 5 0 4 0 3 0 o o 学鬈洲： 乱。甲0 v 3o 尹2o 工 频率h z 图2 12 实序列f f t 运算效果图 由图2 1 2 可以看出，由于频谱泄漏，电网频率5 0 5 h z 处幅值为9 2 4 v ，闪变产生白 上下边频4 1 7 h z 和5 9 3 h z 附近幅值为o 1 1 3 v ，无法获得正确的频率分量和幅度。又 实序列f f t 运算的结果进行双谱线插值后，插值结果如图2 1 3 所示。 厶 0 1 2 7 5 ， ? 1 r ， ：i 频奉h z 图2 13 双谱线插值效果图 图2 13 中虚线为进行实序列f f t 计算得到的谱线，实线为双谱线插值修正后彭 2 0 电能矮量监测装鳖的设计与实现第二章电能质量指标测量方法分析 谱线。由图2 1 3 可以看出，在5 0 5 h z 处有一个幅值为2 2 0 v 的频率分量，在4 1 7 h z 和5 9 3 处各有一个幅值为o 2 7 5 v 频谱分量，可以获得正确的频率分量和幅度。 5 次谐波频率六z 2 ，出于采样频率z 较低将发生频谱混叠，由图2 一1 3 可见， 在z 一石= 2 5 6 2 5 2 5 = 3 。5h z 处产生一个新的频率分量。由于闵变调幅波上下边频 相对于电网中心频率镜像对称，4 l 。7 h z 和5 9 。3 h z 处的频谱关于5 0 5 h z 镜像对称，所 以经过频谱搜索，可以识别出4 1 7 h z 和5 9 3 h z 为闪变调幅波的上下边频，剔除3 5 h z 处的虚假频率。 提取出电压闪变频率和波动值后，可以计算对应的瞬时闪变视感度舅重复上述 操作即可获得s 序列。十分钟可以获得l5 0 个s 值，对s 序列进行升序排序，找出s 序列中的9 9 9 、9 9 、9 7 、9 0 、5 0 概率大值，最藤可求得短时间闪变值，。 可以计算出短时间闪变值只的理论值为 警瓶面磊百而矮丽而丽万币菘丽i 丽= o 。7 1 3 8 6( 2 2 8 ) 表2 2 给出了电网电压中叠加不同频率下瞬时闪变视感度s l 的电鹾波动时， 仿真测得闪变频率、电压波动测量值以及短时间闪变值。 表2 2 短时间闪变测量值 结果表明，本方法可以准确获得闲变测量结果。 2 7 三相不平衡 理想的互相平衡系统中的兰相电压应该是幅值和频率相等，且相位差甄为1 2 0 0 。 但是当三相系统中负蘅不对称或者某一楣发生断路、接地故障，就会发生不平，衡现象。 2 l 第叠章电能矮爨指标测量方法分析电能质羹箍测装置附设计与实现 当系统发生不平衡时，可以通过对称分量法分解为三组对称的三相相序：正序分量、 负序分量、零序分量。令三相相量为_ ，台，e ，分解后的正序分量、负序分量、零 序分量分别为 正序分量： 负序分量： 零序分量： 移一= 三宰( + 口台+ 睇2e ) 移：= 宰( _ + 口2 台+ 掰e ) 出。= 三搴( 么+ 刍+ 。) 其中，口= e ，眦。不平衡度为负序分量与正序分量的百分比f 2 外，即为 氏= 寄毗 协2 奶 式( 2 2 9 ) 适用于三檩电噩、电流不平衡度的计算。 在不含零序分量的三相系统中，三相不平衡度的计算公式1 2 4 】可以简化为 其中，三= 疗4 + 6 4 + c 4 l o o 口，6 ，c 分别代表三相电压值或三相电流值。 对于离毅采样的测量仪器可以按照式( 2 3 1 ) 进行计算三相不平衡度1 5 l 一晤 ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 其中，q 为在3 s 内第七次测得的不平衡度，朋为在3 s 内均匀间隔取值次数( 朋 = 6 ) 。 电能质量监测装置的设计与实现第三章硬件电路设计 第三章硬件电路设计 在电能质量监测装置的应用背景基础上，根据电网信号特点，本章从系统模块供 电、信号采集、信号处理、处理器芯片选型、液晶显示几方面着手，设计了一套基于 a r m 平台的电能质量监测装置。 3 1 设计方案 根据电能质量监测要求的不同，各种电能质量监测装置采取的设计方案也不尽相 同。本文设计的电能质量监测装置是基于a r m 平台，a r m 微处理器有着处理速度 快、功耗低、性能高、外围接口丰富的特点，一般的a r m 芯片也仅有几十元钱，在 一定程度上大大降低了开发成本。 3 2 方案整体构架 该电能监测装置由电压电流变换模块、电源模块、电能计量模块、a d 采样模块、 中央处理模块、人机界面模块、通信模块7 部分组成，系统整体构架如图3 1 所示。 上 电 - 电能计量 c， j l 通信模块 e 流 一 模块 1 r 中央 1r 电处理 压 a d 采样 模块 1人机界面l c， 调 模块 b 1r 模块 1-7 理 j j lj l 模 块 ：i由湄 ：l 一一 模块 i a i b i cu a u b u c 图3 1 系统整体构架图 第三章硬件电路设计电能质量监测装置的设计与赛现 电力母线上的电压电流信号经过电压电流变换模块屡，变化力弱信号送到电能计 量模块和a d 采样模块进行处理。电源模块将交流信号变换为直流信号为电能计量模 块、a d 采样模块、中央处理模块、人机界面模块、通信模块供电。a d 采样之后的 数据送入到中央处理模块进行谐波、闪变的计算。电戆计量模块可以进行电压电流频 率、有功无功功率、功率因数等电能参数的计算，然后通过串行数据传输( s p l ) 模 式将计算结果送入到中央处理模块进行显示、存储。用户可以通过人机界面直观地进 行用电信患及电熊质量状况的查看。 3 2 1 电压电流变换模块 电压电流变换模块分电压变换和电流变换两部分，由电漉互感器、低通滤波器等 组成。电压电流变换模块实现了外部高压、大电流信号与系统的电气隔离，保证系统 的安全性。电压变换电路如图3 2 所示，本装置采用的方案是将电力母线的电压串联 按入1 1 0 坯基l 精密电阻将相电压转换为电流，然后送翔电流互感器。电流互感器采 用2 m 能m a 的互感器，其非线性度小于o 1 ，保证了后续测量的准确性。通过电流 互感器之后，电阻r 6 将次级电流转化为电压输出，二次侧的差分电压信号为 主2 瓣a r 6 = 拉掰a 2 0 q 慧0 1 v( 3 1 ) 电流变换电路如图3 3 所示，本电能质量监测装置采用的方案是将电力母线的电 流通过5 a 2 5 从电流互感器，将大电流转换为弱电流，然后将弱电流通过电阻r 3 、 姒转换为电压，输蠢电压信号为 2 5 m a ( r 3 + r 4 ) = 2 5 m a 2 0 q = o 1 v ( 3 2 ) 其中，1 2 k q 的电阻0 o l f 的电容r 7 c 5 、r 8 c 6 、r l c l 、i 冽c 2 构成了抗混叠 滤波器，应用中簧保证结构和参数对称，采用温度性能较好的元器件，从而保证后续 的测量获得良好的温度特性。r e f o 为+ 2 4 v 直流偏鬻分量，可由电能计量芯片 a 1 阿7 0 2 2 产生。电压变换电路和电流变换电路的输出v 2 p 、v 2 n 和v l p 、v l n 送入 电能计量模块，进行稳态电能质量指标的计算。 2 4 电能质量监测装置的设计与实现 第三章硬件电路设 3 2 2 电源模块 厂墨一v 婴 坠? 一甲 c 5 1 r 一、 ，r 一- 一- ；| ! 1 r 6 f ” ，、 1 _ 7i v 一一，+ 一 一 c 6 l 邸扭 j r 9 1r e f 0 图3 2 电压变换电路 l a + t l 5 舭5 m a j 一蚋o ： + 9 v c 5 4 图3 4+ 9 v 电源 三相电压信号同时经过2 2 0 v 转7 5 v 电压互感器，是为了防止其中某一相发生 断路，引起系统掉电，只要有一相电压信号存在即可保证系统正常工作。 该系统需要+ 1 8 v 、+ 2 5 v 、+ 3 3 v 、+ 5 v 、5 v 电源，+ 1 8 v 为a r m 内核电源， + 3 3 v 为a r m 及外设电源，+ 2 5 v 为a d 芯片基准源，5 v 为a d 芯片电源。名 项电源的产生通过开关电源芯片m c 3 3 0 6 3 实现。m c 3 3 0 6 3 输入电压范围为5 4 0 v ， 输出电压范围为1 2 5 4 0 v ，通过少量的外部器件就可以搭建升压电路、降压电路圳 及反向器电路。m c 3 3 0 6 3 的最大输出电流为1 5 a ，可以很好的满足各种需求，在 d c d c 电压变换电路中得到广泛的应用。 + 5 v 由电源芯片m c 3 3 0 6 3 构成的降压变换电路产生，如图3 5 所示，其输出电 压为 。= 1 2 5 ( 1 + w 2 r 6 3 ) = 1 2 5 ( 1 + 3 1 ) = 5 v ( 3 3 ： 2 6 厂一 慧 电能质量监测装置的设计与实现第三章硬件电路设 + 9 v 黏l - r 一l 一一 一 c 5 3 图3 5+ 5