电力运行参数测量装置设计本科毕业论文设计

1、( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！)编号：本科毕业设计（论文）题目：（中文） 电力运行参数测量装置设计（英文） The Design of Power ParametersMeasuring Device毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。 尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体， 均已在文中作了明确的说明并表

2、示了谢意。作者签名：指导教师签名：日期：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计 （论文）的印刷本和电子版， 并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体

3、，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要【摘要】 当今，电能作为一种最重要的能源与我们的工作、生活有着密切的联系，因此如何来计量它就具有重要的现实意义。本文主要介绍了一种基于C8051F

4、020单片机的电力运行参数测量装置，该装置采用单片机作为测控核心，能够自动完成电力供电线路的参数测定、运算和显示。本文详细地介绍了电力参数的测量原理，进行了硬件系统的设计和软件系统的设计，并重点介绍了电力参数的测量设计与实现。使用偏差累积增量法对软件同步算法进行改进，采用工程上常用的数值积分算法，将连续函数离散化来计算信号的有效值，完成对变压器副边电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率及系统用电量的测量。本系统采用按键选择、数码管显示，测量精度高，反应速度快，界面清晰直观。【关键词】 单片机；电力参数；有效值；软件同步算法；数值积分The Design of Power Para

5、meters Measuring DeviceAbstract【 ABSTRACT】 Nowadays, the power as one of the most important source of energy with our work and daily life areclosely linked, andapproach based on C8051F020 MCU operating parameters of power measuring device, the devicemonitoring and control the use of single-chip micr

6、ocomputer as the core, can automatically complete the power supplyline parameter determination, calculation and display.This article describes in detail the parameters of the measuring principle of electricity, aand software systemdesign, and focuses on the measurement of power parameters of the des

7、ign and implementation. Incremental methodusing the cumulative deviation of the software synchronization algorithm, the use of engineering numerical integrationcommonly used algorithm, discretization of the continuous function to calculate the RMS signal to complete both sidesof the transformer RMS

8、voltage, RMScurrent, active power, reactive power, apparent power and system powerconsumption measurements. Button to choose this system, digital display, measurement and , fast response, clear andintuitive interface.【 KEYWORDS】Single-Chip; Power Parameters; RMS; Software Synchronization Algorithm;

9、Numerical Integration【目录摘要 .IAbstract .II目录 .III1前言.11.1电力监测装置的现状 .11.1.1感应式机械电能表 .11.1.2电子式电能表 .11.2电力监测装置的发展方向 .21.3本课题的背景和意义 .31.4本论文的主要工作 .32方案论证与选择 .42.1交流采样方法选择 .42.1.1交流采样法 .42.1.2软件同步采样及同步误差分析 .52.1.3改进的软件同步实现方法 .62.2电力参数交流采样算法 .72.2.1最大值法 .72.2.2半周期积分法 .72.2.3数值积分算法 .82.2.4离散傅立叶法 .92.3系统方案选

10、择 .102.4子模块方案选择 .112.4.1电流电压的取样方案 .112.4.2频率测量方案 .122.4.3功率因数测量原理 .132.4.4功率因数测量法选择 .142.4.5电能计算原理 .153系统硬件设计与实现 .163.1单片机最小系统部分 .163.2键盘显示部分 .193.3电压、电流信号采集部分 .203.3.1电压、电流采样电路 .203.3.2电压、电流全波整流电路 .213.3.3电压、电流正弦波过零比较电路.223.4数模转换部分 .224系统软件设计.244.1系统软件设计的指导思想和一般方法.244.1.1单片微机的软件设计 .244.1.2软件结构设计 .2

11、44.1.3软件过程设计 .254.1.4软件设计的主要任务 .254.2系统软件的具体设计 .264.2.1按键扫描及处理显示模块 .264.2.2功率因数测量及计算模块 .274.2.3电压、电流软件同步采样模块 .284.2.4电压、电流计算模块 .314.2.5时钟模块 .325运行与调试 .335.1系统的调试 .335.1.1单片机最小系统部分的调试 .335.1.2采样单元的调试 .335.1.3软件的调试 .345.2测量数据 .355.3结果分析 .356结束语 .37致谢.38参考文献.39附录.401 前言1.1电力监测装置的现状在工业生产和日常生活中，电能的质量越来越受

12、到重视。电网电压、电流的过高或过低，都会影响到电器设备的正常使用和使用寿命。应用于电力系统的电力参数实时监测功能，在变电站一级一般都由远动装置来实现；而在日常生活中，一般只是利用电能表进行电量的计量，其原理是通过将有功功率对时间的积分来计算有功电能。目前，我国主要使用的电能表有两种：一种是感应式机械电能表：另一种是随着电子工业的发展而出现的电子式电能表，它是利用电流和电压作用于固态电子器件产生电能输出量的电能计量仪表。机械式电能表由于其稳定性和精度都不高，随着电力市场改革的不断深入，我国在各级电能计量系统的建立中，大部分已将机械式电能表更新为电子式电能表 1 。感应式机械电能表它是利用三个不同

13、空间和相位的磁通建立起来的交变的移进磁场，在这个磁场的作用下，转盘上产生了感应电流，根据楞次定律，这个感应电流使得转盘总是朝着一个方向旋转。转盘的转动经蜗杆传递到计数器，累计转盘的转数，从而达到计量电能的目的。具有制造简便、可靠性好和价格便宜等特点， 经过近一百年的不断改进与完善，感应式电能表的制作技术已经成熟。通过双重绝缘、加强绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮（磁推）轴承等技术手段，其结构和磁路的稳定性得以提高，电磁振动被削弱，使用寿命大大延长，且过载能力明显增强。因此，至今在包括我国在内的许多发展中国家甚至是一些发达国家里，感应式电能表仍作为主要计量工频电能的仪表被广泛使用。但是电力参

14、数测量仪表通常是按工频正弦波形设计的，当电网存在谐波时，将产生测量误差。仪表的原理和结构不同，所产生的误差也不相同。随着电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，使感应式电能表暴露出准确度低、使用频率范围窄、功能单一等缺点，为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能管理现代化飞速发展的需求，电子式电能表应运而生。电子式电能表它是利用电流和电压作用于固态电子器件而产生电能输出量的电能计量仪表。由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式计量方案的第一步就是确定电功率。因而，使用乘法器是实现测量电功率和电能的电子电路式测量方案的共同特点。近二十年来，大量新型电子元器件的相继出现，为电子式电能表

15、的更新换代奠定了基础。模拟乘法器已发展成晶体管阵列平方乘法器、热偶乘法器、可变跨导型乘法器、双斜积分乘法器、霍尔效应乘法器、时分割乘法器等几种类型且多个品种系列；数字乘法器也已有若干种类。按所依托的乘法器类型的不同，可将电子式电能表分为模拟乘法器型电子电能表和数字乘法器型电子电能表。其中，数字乘法器型是以微处理器为核心，经 PT 、 CT 变换的被测电压和电流由 AD 转换器完成数字化处理之后，微处理器对数字化的被测对象进行各种判断、处理和运算，从而实现多种功能。这种类型的电能表利用位数较多的 AD 转换电路或自动量程转换电路，原理上可达到很高的配置准确度，且它在一定周期内对电压、电流信号进行

16、采样处理的方法，保证了测量准确度可不受高次谐波的影响。微电子技术和计算机技术的高速发展是电子式电能表迅速进步、日益成熟的主要技术支撑。准确度高、可靠性好的元器件以及大规模集成电路等的采用，使电子式电能表的使用寿命、准确度、稳定度等技术指标均显著改善。 微机化令电子式电能表功能的增添变得容易， 尤其是近几年多种单、三相电能计量专用集成电路的成功开发使过去由分立式电子元器件搭接而成的电能表电路改制成专门的集成电路芯片，如常用的 CS5460A 和 ADE7753 等，结果在不减少功能的前提下，使电能表的体积大大减小，功耗和单位功能的成本降低、成品率提高，并可简化电能表的电路设计，降低其工艺调整难度

17、，从而能改进整个电能表电路系统的性能，而更重要的是使电子式电能表可靠性明显提高 2 。1.2电力监测装置的发展方向国内新型多功能电力参数测试仪正朝着以下几个方面发展：1) 体积小型化早期这类测试仪的体积比较大，安装和使用场合受到诸多限制。目前代表电力参数测试仪发展方向的全电子式多功能电能表在体积、重量两方面都远小于机械式或机械电子式电能表，一些测试仪己经按照便携式标准进行设计。2) 功能多样化除了计量电量的基本功能外，又增加了最大需量、脉冲输出的功能。一些先进的多功能电力参数测试仪增加了固定汉字显示、红外线抄表接口、智能接口等功能，还可以同时计量有功电能、无功电能，记录失压，监测负荷等，做到一

18、表多用。3) 功耗减小由于采用低功耗元件，以及具有电源管理模块的芯片，使芯片本身以及整个系统的功耗大大降低。某些多功能测试仪的视在功率能做到2VA 以下，停电维持时电流能做到lmA 以下。后备电源的供给采用高效锂电池。4) 可视化人机接口使用高效发光二极管和低功耗液晶显示器已成为电力参数测试仪的发展趋势。这两种显示器可3。显示的内容更多，逐步取代了传统的继电器、步进电机和机械数码轮显示方式 1.3 本课题的背景和意义电自从其诞生初，就开始改变着我们的生活。时至今日，电作为一种最重要的能源跟我们的工作、生活紧密地联系着，可以这么说，如果没有了电，人类社会就不能正常地运转，整个社会就会混乱。电作为

19、这么重要的能源，如何来计量它就具有了重要的意义。单相交流电之电力运行参数测量装置拥有电度表（电能表）的功能，可以显示当前电流、电压值，测量并显示功率因数、有功功率、无功功率、视在功率及系统消耗的电能。在传统的电力参数测量系统中，多采用8051、 80C196 等普通单片机作为微控制器。由于其指令周期长、在高速采样和实时性方面受到一定的限制。随着微电子技术的不断进步，C8051F020 单片机技术体现了单片机集多种器件(包括看门狗， FLASH 程序存储器，同、异步串行口，AD 转换器，定时器，计数器等)和多种功能 (增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入

20、捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器、计数器 )于一身， 从“片自为战”向片上系统过渡的发展方向。本文将详细介绍高速微控制器C8051F020 在电力参数测量系统中的应用和实现4 。1.4本论文的主要工作论文的主要内容如下：完成装置的设计和各部分功能软硬件调试，在论文中以原理图、流程图、程序等形式详细介绍了装置电压电流采样、数据采集计算、键盘显示处理单元的功能实现过程，并总结了每个单元调试过程中发现的问题， 使 C8051F020 单片机的诸多特点得到更好的应用，通过实际调试总结了装置中误差存在的硬件和软件原因，并提出了减小误差的方案。2 方案论证与选择2.1交流采样方法选择交流采样法，即直

21、接对连续的模拟信号进行等间隔采样，再用特定的数值算法进行处理。但由于存在栅栏效应和频谱泄漏，采样前常需要采取同步措施校准。根据校准措施不同，交流采样法可分为同步采样法和准同步采样法5。交流采样法1) 同步采样法同步采样法是指采样时间间隔Ts、被测交流信号周期T 0 和一个周期采样点数N 之间满足关系式 T0NTS 。但实际采样中NTS 不一定是一个整周期，故同步采样法需要保证采样截断区间等于被测连续信号整周期的整数倍。同步采样法的实现方法有两种：硬件同步采样法和软件同步采样法。软件同步采样法一般实现方法是：首先测出被测信号的周期T ，用该周期除以一周期内采样点数 N ，得到采样间隔，进而确定定

22、时器的计数值，利用定时中断方式实现同步采样。硬件同步采样法是：由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。硬件同步采样一般是利用锁相频率跟踪原理实现同步等间隔采样的，电路如图2-1 所示：fiLPfoPDVCOfo/NN 分频器图 2-1 倍频锁相同步电路在相位比较器 PD 、低通滤波器LP 、压控振荡器VCO 构成的锁相环内加入 N 分频器，输入被测信号的频率 fi，作为锁相环的基准频率，输出fo 为采样频率。 fo 经 N 分频后与 fi 相比较，根据锁相环工作原理，锁定时f0 / N f i，即 f0Nf i 。由于锁相环的实时跟踪性，当被测信号频率fi变化时，电路能自动快速跟踪并锁定

23、，始终满足f 0Nf i 的关系，即采样频率为被测信号频率的整数 N 倍，从而实现一周期内等间隔采样N 点。2) 准同步采样法实际采样测量中，采样周期经常不能与被测信号周期实现严格同步，即N 次采样不是落在2区间上，而是落在2 +区间上（称为同步偏差或周期偏差），产生了同步误差。为解决该项误差，在八十年代初，清华大学戴先中教授提出了准同步采样法6，即在 |不太大的情况下，当满足N>(2 +)M2 （ M 为最高谐波次数）时，通过增加采样数据量和增加迭代次数来提高测量准确度。它不要求采样周期与信号周期严格同步，不要求同步环节，对第一次采样的起点无任何要求。准同步采样降低了对信号频率、采样时

24、间间隔和振荡器频率的要求，因此可以用要求低的振荡器代替同步采样中要求高的同步环节，使测量装置简单，简化电路。准同步采样采样周期不要求与信号周期同步，不需要同步环节，但它需要通过增加采样周期和每周期的采样点数并采用迭代运算的方法来消除同步误差，所需数据较多，计算量较大，运算时间长，不适合多回路、多参量、实时性要求高的交流测量系统，而且受短暂突发性干扰的影响可能性比同步采样法大。同步采样可以用硬件实现，也可以用软件实现。用软件实现可以省掉硬件同步环节，简化装置结构，降低成本，所以本系统采样软件同步采样方法。然而目前常规的软件同步实现方法中，存在的同步误差限制了软件同步采样系统测量精度的进一步提高，

25、使它不能满足诸如电能计量、电压电流高次谐波分析等高精度测量场合的需要。因此，有必要对目前的软件同步实现方法产生同步误差的原因进行分析，并找到抑制误差的措施7。软件同步采样及同步误差分析对周期为T 的被测信号在一个周期内于t 0 、 t1 、, 、 ti 、, 、 t N 1 时刻采样 N 个点，令 t 00 ，如果有：TNTST0(2-1)tit iiTS0(2-2)i0,1, N1同时成立，则称采样为理想同步采样，Ts 为采样周期。这时第i 次采样点的采样时刻tii T / N(2-3)然而同步总是相对的，绝对同步只是理想的情况。在实际同步采样系统中，要严格满足式(2-3)是很困难的。为此，

26、定义同步采样时间误差i 来表示第i 次采样点的实际采样时刻与其理想同步采样时刻的偏差：i t i i T / N(2-4)目前，利用采样值进行工频电参量测量的理论和方法大多建立在理想同步采样基础上的。当存在同步采样时间误差时，测量精度必定会受到影响。软件同步采样时间误差的产生与软件同步的实现方法密切相关。目前软件同步的一般实现方法是：首先测取被硝电信号的周期T ，然后计算采样周期并确定定时器的计数值，用定时中断方式实现同步采样。由于定时器的计数周期受定时器最大计数频率的限制不可能无限小，而微机的采样周期T S 必须以定时器计数周期的倍数来表示，从而微机实际采样周期T S 与理想计算值T/N之间

27、会出现误差，这一由量化原因引起的误差，使式(2-1) 得不到满足。一些文献称T 为周期误差。这时同步采样时间误差：iiTSiT / NiT / N(2-5)可见在存在周期误差时，同步采样时问误差i 值随i 增大而增大。在高精度测量场合，i 通常须取得比较大，这时同步误差可能达到一个比较大的值。同步采样时间误差的另一产生原因是，在软件采样时，CPU对定时中断的响应时间有一定的随机性，从而即使T=0 ，式 (2-2) 也得不到完全满足。CPU的中断响应时间与定时器发出中断请求信号时刻CPU是否在执行其它中断服务程序；正在执行的当前指令是否允许CPU立即响应中断；当前执行指令的指令周期长短及当前指令

28、已经执行到哪一个机器周期等因素有关。一般来说，应保证定时中断采样时对其它中断源的中断不予响应。在这一前提下，经过合理安排，微机中断响应的最长时间和最短时间的差值通常可限制几个微秒内，t i 一般只会有几个微秒。若不存在周期误差T ，则it i ，这一原因引起的同步采样时间误差较小。可见在软件同步测量系统中，周期误差是影响测量精度的主要原因。可通过一种软件同步实现方法减小误差，它通过在采样过程中修改定时器的计数值，动态确定采样周期来减小周期误差。该方法不须对测量数学模型进行任何修改8。改进的软件同步实现方法设定时器的计数周期为T 0，则与采样周期Ts 对应的定时器计数值为T / NT0 ，它一般

29、不为整数，对它截掉小数取整，得正整数H ，截掉的小数部分为L 。以 H 为定时器的计数值，则会产生T N L T0 的周期误差 （若以 H+1 作为计数值， 则T NT0N L T0）显然， T是由采样周期 Ts 的实际值与理想计算值之间的偏差引起的。在采样过程中， 偏差随 i 值增大而不断增大，使采样点偏离同步采样点的程度不断加剧。要减小周期误差，必须消除偏差L 的累积效应。为此，须对在采样过程中定时器计数值取常数的常规作法进行改进，偏差累积增量法就是这样一种算法。设置一单元SUM对偏差L 进行累加，对于第0 次采样，SUM的初值为0。第i 次采样时， SUM的值为第i-1次采样时的SUM值

30、与L 的和。在每次采样前考察SUM的值，若SUM<1 ，则这次采样的定时器计数值取H ；若SUM>1 ，则计数值取H+1 ，并对SUM减 1。继续上述过程直至一个工频周期的采样完成。这种作法可使偏差L 不产生累积， 从而保证在一个工频周期内L 引起的周期误差TT0。采用这种方法，可能会使某些次采样时的|ti|值增大一个T0 ，但由于一般很小，由相对周期误910差引起的测量误差亦很小。电力参数的准确、快速测量对于实现电网调度自动化、保证电网安全与经济运行具有十分重要的意义。电网频率并不是固定不变的，而是在 50Hz 附近波动。传统的直流采样算法不能及时反映被测量的突变，精度与稳定度受变送器的影响很大，己逐渐不能满足系统的需要。随着人们对测量精度、性