单相电能质量参数分析仪的设计

PAGE7PAGE单相电能质量参数分析仪的设计摘要在电力系统中，随着越来越多非线性、波动性和冲击性负载的增加和分布式新能源的并网接入，使得电能质量问题日益受到人们的重视。因此，很有必要建立完善的电能质量分析监测系统，对电力系统中电能质量进行全方位的监测，确保用户可以安全、稳定的使用电能。本文设计的单相电能质量参数分析仪能够实现对电能基本参数进行测量，具有便携性好，灵敏度高，成本低廉的特点。首先，本文对电能质量的背景和电能质量分析监测设备国内外研究现状进行了说明。介绍了电能质量基本参数的国家标准，并阐述了基本参数中电压有效值、电流有效值、有功功率和频率的测量方法。重点介绍了离散傅里叶变换和快速福利叶变换两种谐波分析方法，并在MATLAB软件中利用快速傅里叶变换进行了谐波分析的仿真。然后，介绍了单相电能质量参数分析仪的硬件电路和软件程序的设计，说明了基于STM32微处理器的硬件和软件的总体设计方案。其中硬件电路主要包括采集摸块、数据处理与控制模块和显示模块。软件设计中介绍了系统初始化程序设计、A/D转换程序设计、数据处理程序设计和数据显示程序设计的设计流程，并对其中使用函数的功能进行了详细解释。相关设计完成后，对所设计的单相电能质量参数分析仪进行了实验测试，测试结果表明，设备运行稳定，能够实现对基本参数的测量工作，但也存在一定的误差。论文最后对本次设计做出了总结，并对分析仪需要进一步完善的地方做出了展望。关键词：电能质量；电参数测量；快速傅里叶变换；STM32ABSTRACTInthepowersystem,withtheincreaseofmoreandmorenonlinear,fluctuatingandimpactloadsandthegridconnectionofdistributednewenergy,peoplepaymoreandmoreattentiontothepowerqualityproblem.Therefore,itisnecessarytobuildaexcellentpowerqualitymonitoringandanalysissystemtomonitorthepowerqualityfromalldirectionsinthepowersystem,soastomakesurethatuserscanusepowerstablyandsafely.Thispaperdesignthesingle-phasepowerqualityparameteranalyzercanmeasurethebasicparametersofpowerquality,whichischaracterizedbylowcost,highsensitivityandgoodportability.Firstly,thebackgroundofpowerqualityandtheresearchstatusofpowerqualitymonitoringandanalysisequipmentathomeandabroadaredescribed.Thispaperintroducesthenationalstandardofthebasicparametersofpowerquality,andexpoundsthemeasurementmethodsofvoltageeffectivevalue,currenteffectivevalue,activepowerandfrequencyinthebasicparameters.Twoharmonicanalysismethods,discreteFouriertransformandfastFouriertransform,aremainlyintroduced.Then,thedesignofsoftwareprogramandhardwarecircuitofsingle-phasepowerqualityparameteranalyzerisintroduced,andtheoveralldesignschemeofhardwareandsoftwarebasedonSTM32microprocessorisexplained.Thehardwarecircuitmainlyincludesdataprocessingandcontrolmodule,gathering

moduleanddisplaymodule.Inthesoftwaredesign,thesysteminitializationprogramdesign,A/Dconversionprogramdesign,dataprocessingprogramdesignanddatadisplayprogramdesignareintroduced,andthefunctionsofusingfunctionsareexplainedindetail.Aftertherelevantdesigniscompleted,thesingle-phasepowerqualityparameteranalyzeristestedexperimentally.Thetestresultsshowthattheequipmentrunsstablyandcanmeasurethebasicparameters,buttherearesomeerrors.Intheend,thepapersummarizesthedesignandlooksforwardtothefurtherimprovementoftheanalyzer.Keywords:Powerquality;Measurementofelectricalparameters;ThefastFouriertransform;STM32目录19066摘要 I18547ABSTRACT II11855目录 III18064第1章绪论 194021.1课题背景及研究的意义 1184711.2课题研究现状 1194771.3本文完成的主要工作 415836第2章电能质量参数测量的理论与方法 5223342.1电能质量问题及其测量方法 5185972.1.1电压偏差和电压有效值的测量方法 5242522.1.2电流有效值的测量方法 6135082.1.3频率偏差和频率的测量方法 692722.1.4有功功率的测量方法 745832.2谐波概述及谐波的分析方法 888722.2.1谐波概述及其危害 8310152.2.2相关谐波公式 8227452.2.3基于快速傅里叶变换的谐波分析方法 9225042.3快速傅里叶变换的MATLAB仿真 11269372.4本章小结 123832第3章单相电能质量参数分析仪的硬件电路设计 13166623.1硬件电路总体设计方案 13285053.2采集模块 13191153.2.1电压互感器 14109013.2.2电流互感器 1622203.2.3整流滤波电路 16149983.3显示模块 16120903.4数据处理与控制模块 18253043.5整体设计原理图说明 19295783.6本章小结 208287第4章单相电能质量参数分析仪的软件程序设计 21262534.1STM32开发环境 21127164.2软件程序设计总体流程 21113354.3系统初始化程序设计 22188834.4A/D转换程序设计 2396904.5数据处理程序设计 2478444.5.1基本参数测量程序设计 24197204.5.2谐波分析程序设计 25306594.6数据显示程序设计 2654484.7本章小结 2725932第5章单相电能质量参数分析仪的测试及实验分析 28139465.1单相电能质量参数分析仪电路实物图及显示界面 2836985.2实验测试结果 28139405.3误差分析 31141755.4本章小结 3228602结论 3325473参考文献 341817致谢 3624379附录 37第1章绪论1.1课题背景及研究的意义自工业社会以来，电能已成为现代社会发展不可或缺的能源。无论是日常生活还是工业生产，用户对电能质量的稳定性和可靠性的要求都在不断的提高[1]。在工业生产中，随着信息技术和工业技术快速发展，很多对电能质量要求较高的工业用户开始更加关注电能质量问题，任何电能质量参数不达标，都会或多或少的影响产品的质量，严重情况下会造成停止生产，给企业带来一定量的损失。在日常生活中，提供稳定、持续、可靠的电能，会极大的提高人们的工作效率，在一定程度上会提高人们的生活品质。如今，随着电力电子设备的应用越来越广泛，各种非线性、冲击性、波动性负载也大量增加，使电力系统所遭受的电能质量污染也日趋严重[2]。因此如何提高电能质量，为生产生活提供更为优质的电能，使电能能够更好地服务于快速发展的信息时代，是当今电力工作者的一个挑战，同时也是一个机遇。一般来说，电能质量根据电网运行方式不同可分为稳态电能质量和暂态电能质量[3]。前者主要问题包含供电电压偏差、频率偏差、电网谐波含量、电网三相不平衡、电压波动闪变等。后者主要问题包含电压短暂升高、供电电压短暂降低、供电电压中断、脉冲暂态等[4]。暂态电能质量问题中供电电压暂降和电压短时中断是现在电网中亟需解决的问题。这类暂态电能质量问题对于抗干扰能力强的机械设备没有明显的影响，但对于一些敏感的电子设备会产生较大的影响。由于电能质量问题直接关系国民经济，因此对电能质量研究具有非常重要的意义[5]。为了解决电能质量对生产和生活的影响，需要建立合格的电能质量分析系统。利用电能质量分析系统，对电网中各个重要环节进行监测并统计一定时间内的数据，实现对电力系统中电能质量的分析与评测。1.2课题研究现状电能质量问题是电力系统中有待解决的重要问题之一。电能质量分析方法和设备的研究已成为测控、电力、计算机等领域的热门课题。目前为止，电能质量分析设备经历了如下三个阶段[6]：第一阶段：指针式仪器阶段，主要有指针式电流表、电压表、功率表和模拟示波器等，这些指针式仪器主要是对模拟量进行测量，这些典型的指针式仪表虽然测量精度不高，但其造价低廉，现如今也占据了一部分市场。第二阶段：数字化仪器阶段，这类设备主要是将被测信号整流滤波成直流信号，再将直流信号通过相应的转换电路转换成数字量，在进行测量。主要仪器有万用表。第三阶段：以微处理器为核心的测量仪器阶段，这类设备主要是将一次侧的大电压、大电流通过电压/电流互感器转换成二次侧的小电压、小电流，再将信号整流滤波并通过AD转换芯片送到微处理器，微处理器通过相应的算法处理数字信息，得到被测参数。这类仪器可根据核心芯片内置算法的不同，实现不同参数的计算，灵活性高，灵敏性好，是目前的主流产品。因电能质量问题对生产和生活具有重要的影响，所以国内外对电能质量测量技术进行了大量研究，目前，国外的电能质量测量技术比较先进[7]。美国福禄克公司是世界电能质量测试工具的领导者，其产品Fluke434-Ⅱ和435-Ⅱ电能质量和能量分析仪已成目前高精度测量主要使用的仪器。Fluke434-Ⅱ和435-Ⅱ电能质量和能量分析仪可同时测量多个参数，一些基本参数的测量精度可达到±0.1%，被测数据可以以简易数值、趋势图、波形、表格或相量的形式呈现，使测量人员能够快速地关联到设施中发生的问题。日本的HIOKI公司的电子测量仪器在国际上也具有重要的地位。其产品PQ3198是公司最新款的电能质量分析设备，PQ3198可按照全球标准IEC61000-4-30标准检查电能质量问题，部分参数的测量精度可达到±0.1%、还可测量高次谐波成分，电压测量高达80kHz的宽频带、同时可使用GPS选件，可保证多台仪器间的数据同步等功能。PQ3198功能强大，能够更简单、更准确的排查相应故障。德国GMC是面向全球用户提供专业的测量测试产品和系统的公司，该公司的MAVOWATT270-400便携式电能质量分析仪，可用于综合电能质量，能源和需求分析。该产品拥有以太网口，蓝牙接口，Wi-Fi，USB接口，同时测量精度高，灵敏性好。除此之外，还有加拿大Nelbake公司生产的电能质量参数分析仪以及瑞典UNIPOWER公司的Unilyzer900F电力测试分析仪等。以上这些产品大都是以DSP作为核心芯片，其灵敏度高，功能齐全，但其附加功能多，价格昂贵，并没有批量使用。国内的电能质量测量设备的研究起步相对较晚，有由安徽大学和宝钢集团合资创建的上海宝钢安大电能质量有限公司，公司产品PQ102电能质量分析仪具有9个电流通道、6个电压通道、4个数字量通道可全面分析系统电网谐波、频率、电压波动与闪变、电压偏差、视在功率、有功功率等。还有华天电力公司生产的SMG7000，该设备具有电参量测试、矢量分析的功能，可显示单相电压、电流波形并可同时显示三相电压、电流波形，测试界面具备屏幕锁定功能，以方便用户读取和分析数据。这些设备都可以实现电能质量参数的测量和波形的显示，但其测量精度相对较低，所提供的分析软件比较简陋。除上述几个技术比较成熟的公司以外，很多高校学者也的对电能质量分析技术进行深入的研究，获得了一定的成果。李瑶瑶，彭晓等人提出了基于LabVIEW的电能质量参数监测系统。该系统在设计过程中通过数据采集卡以及工控机的形式构成所需要的硬件平台，在通过LabVIEW对所采集的数据进行分析处理，来实现对电能质量进行检测的目的。这种设计方案充分利用了计算机便捷的网路通讯功能，以及对于数据快速的处理能力，然而其高精度的数据采集卡成本较高，同时其运行时会浪费计算机内大量的资源[8-10]。西安工程大学的武宗方提出了一种基于DSP和ARM双核的电能质量监测装置。其工作原理是通过采集电路采集被测信号，并将被测信号由模拟信号转换成数字信号传送给DSP芯片，DSP芯片运用其强大的数字信号处理能力处理传送来的数字信号，得到电压/电流有效值，有功功率、谐波分析等。ARM芯片主要作为人机交互、实时显示被测信息，数据通信等作用。其电能质量监测装置运用双核结构，大大提高了运行速度和测量精度，但其算法复杂，开发成本高，开发周期长，现未大量普及[11-12]。综上所述，国外的电能质量分析仪，功能齐全，测量精度高，但其成本高，不适用于成本要求严格用户。国内的产品价格相对较低，但其部分产品算法复杂，开发周期长，一些基于虚拟仪器的测量设备会占用计算机大量资源。针对上述问题，提出一种基于ARM的电能质量分析设备，该设备可实现对电能质量基本参数的测量，并利用傅里叶变换实现对谐波的分析，该设备主要面向于测量指标要求不是特别高，成本要求相对严格的用户。1.3本文完成的主要工作本文所要完成的主要内容包括以下几个方面：（1）了解电能质量的定义、标准和各参数的测量方法；了解谐波的概念，对比几种谐波分析的算法，选取适当的算法进行谐波分析，并对所选的谐波分析算法在MATLAB软件中进行仿真验证其合理性。（2）阐述硬件电路的总体设计方案；对比各芯片的优缺点，选取适当的芯片设计单相电能质量参数分析仪的硬件电路，其中硬件电路包括采集模块，数据处理与控制模块，显示模块等。（3）设计单相电能质量参数分析仪的软件程序，选取适当的算法处理数据得到电压有效值，电流有效值，有功功率，并根据得到的参数分析电源所接负载。同时选择适当的谐波分析算法进行谐波分析。（4）对设计出来的单相电能质量参数分析仪进行实验，分析实验结果，分析产生误差原因。第2章电能质量参数测量的理论与方法电能质量指的并不是电压和电流的乘积，而是表达电能各个参数指标偏离基准技术参数的程度[13]。标准的电网信号为正弦信号，一些情况的发生可能会使正弦信号发生变化，因此人们开始关注电网中的电能质量问题。电能质量问题可粗分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题，因暂态电能质量的复杂性，本章仅介绍了稳态电能质量问题。其中着重介绍了电压偏差、频率偏差和谐波含量分析。2.1电能质量问题及其测量方法2.1.1电压偏差和电压有效值的测量方法电压偏差是指电力系统正常运行情况下，某一节点的测量电压与其标称电压之差占其标称电压的百分比。电压偏差的公式为：(2-1)其中为节点的测量电压，为该节点的标称电压，为电压偏差。根据GB/T15543-2008《电能质量供电电压偏差》中规定：220V单相供电电压偏差为标称电压的+7%，-10%。根据国家现行电能质量监测设备自动监测系统标准GB/T35725-2017要求：对于电能质量监测设备其检测基波电压允许误差为±0.1%。检测谐波电压允许误差如下表2-1。表2-1监测设备检测谐波电压允许误差被测量条件允许误差谐波电压≥1%U±2%<1%U±0.02%注：U为基波电压对于电压有效值的测量方法，某些简易的万用表采用先测量出电压的峰值再利用公式(2-2)算出有效值，这就会导致如果电压信号中含有谐波，测量精度会大大降低[14]。(2-2)式中为电压有效值，为电压最大值。为了适应核心芯片只能处理数字信号的能力，理论上采用电压有效值的离散化公式对其进行测量，公式如下：(2-3)式中，为每个周期的采样点数，（=0,1,2,3,…,）为第次采样的电压值，为电压有效值。2.1.2电流有效值的测量方法根据GB/T35725-2017《电能质量监测设备自动检测系统通用技术要求》规定：电能质量监测设备检测基波电流允许误差为±0.2%（），检测谐波电流允许误差如下表2-2。表2-2监测设备检测谐波电流允许误差被测量条件允许误差谐波电流≥3%I±2%<3%I±0.06%注：I为基波电流对电流的测量理论上亦采用电流离散化公式，公式如下：(2-4)式中，为每个周期的采样点数，（=0,1,2,3,…,）为第次采样的电流值，为电流有效值。2.1.3频率偏差和频率的测量方法频率偏差是指系统实际频率与标称频率之差，用公式表示如下：(2-5)式中为系统实际频率，为系统标称频率，为系统频率偏差。我国系统的标称频率是50Hz，外国有些是60Hz，GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》中说明：电力系统正常运行下，系统允许频率偏差的范围为±0.2Hz，但对于一些容量比较大的系统，允许频率偏差范围扩大到±0.5Hz。对于电能质量监测分析设备，GB/T35725-2017说明：设备测量频率允许误差为±0.002Hz。测量正弦稳态交流的单相电压信号在一定时间内（通常为1秒）的周期数是检测频率一般的方法，也可用高速秒表或计数器来实现[15]。目前对周期的测量大多是采用通过硬件电路检测过零点，但是如果电压信号中含有谐波时，测量精度会大大降低。针对这种问题，我们可以先对电压信号进行滤波，将处理后的电压信号通过检测过零点的硬件电路实现对频率的测量。为了排除电压波形检测样本中所含谐波、噪声及系统大扰动时所含暂态高频噪声污染对检测系统频率的影响，美国一所大学的学者提出了一种基于卡尔曼滤波的新技术，从畸变的电压样本中推算出电力系统的频率偏差、频率偏差差平均值及系统大扰动下低频同步振荡时频率偏差的变化率。2.1.4有功功率的测量方法根据定义，瞬时功率为瞬时电压乘以瞬时电流，公式如下：(2-6)式中为信号瞬时电压，为信号瞬时电流，为瞬时功率。而有功功率的定义为：交流信号在一个周期内发出或负载消耗的瞬时功率的积分的平均值，公式如下：(2-7)为了适应核心芯片只能处理数字信号的能力，需要应用有功功率离散化公式对有功功率进行测量，离散化公式如下：(2-8)式中，为每个周期的采样点数，（=0,1,2,3,…,）为第次采样的电流值，（=0,1,2,3,…,）为第次采样的电压值，为有功功率。2.2谐波概述及谐波的分析方法2.2.1谐波概述及其危害谐波是指对非正弦周期量进行傅里叶级数分解，得到的频率为基波频率整数倍的正弦分量。电网谐波主由电源端，输配电设备以及电力系统非线性负载等三个方面引起的[16]。电网谐波对电力系统具有非常大的危害性，主要有以下几个方面：（1）由于电网谐波在发电设备或电动机的一些器件上会发生损耗，这就导致大大降低了发电设备和电动机的效率，严重情况下，会导致发电设备和电动机的损坏。（2）谐波可引起电力系统局部串联谐振或并联谐振，产生过电流或过电压，造成电力设备损坏，严重情况下可能引起安全事故。（3）电网谐波会使电能质量参数分析设备产生误差，达不到正确的数值，影响进一步工作。（4）电网谐波会引起一些电力系统保护装置的误动作以及在通信系统内会产生严重的噪声干扰。2.2.2相关谐波公式（1）三角形式的傅里叶展开式设有周期函数，其周期为，则该信号可展开为下列傅里叶级数形式(2-9)(2-10)(2-11)其中，（=1,2,3,…）为谐波次数，为直流分量，为基波频率（2）复指数形式的傅里叶展开式(2-12)(=0,±1,±2,…)(2-13)（3）谐波电压/电流含有率(2-14)(2-15)式中和为基波电流有效值和基波电压有效值，和为谐波电流有效值和谐波电压有效值，和为谐波电压含有率和谐波电流含有率。2.2.3基于快速傅里叶变换的谐波分析方法首先介绍一下离散傅里叶变换(DFT)，离散傅里叶变化可以将时域信号转换成频域信号，假设有离散信号(=0,1,2,…,)，对其进行采样，采样点数为，采样频率为。根据奈奎斯特采样定理：采样频率要大于等于信号最大频率的2倍，否则会发生频率混叠现象[17]。课题研究10次谐波，即10次谐波的频率为50Hz10=500Hz，所以，离散傅里叶变换公式如下：(=0,1,2,…,)(2-16)利用离散傅里叶变换公式可清晰看出相应频率下信号的幅值和相位，离散傅里叶变化处的频率公式如下：(2-17)对应频率信号下的幅值公式如下：(2-18)其中为求出离散傅里叶变换值的模。由公式(2-16)可知，计算一个离散傅里叶变换值需要进行次复数加法，次复数乘法，计算点离散傅里叶变换需要进行次复数加法，次复数乘法，当采样点数很大时，计算量巨大，对于实时性要求很高的电能质量分析设备来说，要求计算速度快，因此需要改进DFT算法。美国学家J.W.Cooley和J.W.Tukey在1965年提出了快速傅里叶算法（FFT），大大降低了傅里叶变换的计算量[18]。其中基2快速傅里叶变换公式如下： (2-19)所谓基2FFT即将原信号分为两组，一组为奇序列组x(2r+1)，一组为偶序列组x(2r)，其中r=0,1,2,…,；k=0,1,2,…,。采样点N需满足(为正整数)，当采样点不满足这个公式时，需要对采样进行补零操作。公式（2-19）只能计算前一半的值，后一半利用的对称性和周期性可得：(2-20)其中k=0,1,2,…,。设有如下式子：k=0,1,2,…,(2-21)根据公式(2-21)可得，基2快速傅里叶变换公式为：k=0,1,2,…,(2-22)因此，只要求出N/2个点DFT，即N/2个点的和值，就可求出所有的的值，其复数乘法运算量为，复数加法运算量为，运算量大大减少。在进行谐波分析时，如果采样点N包含非整数个周期时，频谱上会发生频率泄露现象，只有对整数个周期的原信号进行谐波分析，才不会发生频率泄露，针对频率泄露现象，现如今的解决办法是对非整数周期的原信号进行加窗处理，加窗处理后在经过一些列的计算，即可求出对应对应频率下的x(k)值。由于加窗FFT比较复杂，这里暂不讨论。2.3快速傅里叶变换的MATLAB仿真设有信号为：该信号的基波频率为50Hz，信号中含有4次，5次，8次谐波，最高频率为400Hz,所以根据奈奎斯特采样定理，采样频率至少为800Hz，这里取采样频率为2000Hz，所以信号y在上有120个采样点，该信号的图像如图2-1所示。图2-1信号y的图像在软件MATLAB中对信号y进行快速傅里叶变换，这里用到MATLAB中fft(y)函数，fft(y)函数可直接对信号y进行快速傅里叶变换，快速傅里叶变换后得到的图像如图2-2所示。图2-2信号y的频谱图由图2-1和图2-2可知，快速傅里叶变换能够很好的将时域信号转换成频域信号，频域信号中能清晰的看出对应频率下的幅值。这里主要研究对应频率下的幅值，对应频率下的相角情况没有给出。2.4本章小结本章详细的介绍了电能质量中电压有效值、电流有效值、频率和有功功率适应于数字芯片的测量方法，同时也相应的介绍了供电时各参数的国家标准和电能质量监测设备自动监测系统的标准。叙述了谐波的概念，并对谐波会对电力系统的危害进行了说明，本章着重介绍了两种谐波分析方法，即离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶变换(FFT)，说明了离散福利叶变化的缺点和快速福利叶变换会出现的问题，并给出了解决方案。最后在MATLAB软件中利用快速傅里叶变换进行了谐波分析的仿真。第3章单相电能质量参数分析仪的硬件电路设计单相电能质量参数分析仪的设计主要包括硬件设计和软件设计，本章详细的介绍了单相电能质量参数分析仪硬件电路设计的原理和芯片选型工作。硬件电路主要是满足对电网信号进行采集，处理和显示的功能，还要相应的考虑各个芯片的供电需求。本设计的核心芯片选用STM32芯片，使得处理数据能力大大增强。3.1硬件电路总体设计方案单相电能质量参数分析仪的硬件电路主要包括了三大模块，分别是采集模块，数据处理与控制模块和显示模块。采集模块主要完成的工作是对电网信号的采集，采用电压/电流互感器来实现，信号通过电压/电流互感器后，再经过整流滤波电路变为直流，然后通过核心芯片的AD转换，实现对信号的采集工作。数据处理与控制模块即为核心芯片STM32，主要实现的功能是对采集电路采集到的数据进行处理，得到电压有效值、电流有效值、有功功率、频率等，并且能够控制显示芯片将各个参数显示出来。显示模块的主要功能是显示各个待测参数，实现对待测信号各参数的记录和分析。硬件整体设计原理框图如图3-1所示。图3-1硬件整体设计原理框图3.2采集模块采集模块主要由电压/电流互感器和整流滤波电路组成。220V单相电经互感器后转换成微弱的交流电，再经过整流滤波电路后变成直流并滤除相关谐波，采集电路原理图如图3-2所示。图3-2交流电压采集模块3.2.1电压互感器电压互感器的原理与变压器类似，变压器主要用于电力系统中变换电压输送电能，因此容量很大。而电压互感器主要用于测量仪器上，用来测量相关参数，因此容量较小[19]。电压互感器的类型如下：电阻串联分压方式互感器：电阻串联分压器是最古老和最可靠的方法之一。它们的特点通常是易于使用和良好的准确性。另一方面，它们的一个主要缺点是不能保证一次和二次电路之间的隔离。因此，应通过引入附加装置（如隔离放大器）或实施替代解决方案来确保测量或保护系统的安全。电阻串联分压方式互感器原理如图3-3所示。图3-3电阻分压方式互感器原理图电流型电压互感器：电流型电压互感器二次侧不允许开路，其优点是实现了一次侧与二次侧的隔离，保护了使用设备人员的安全。电流型电压互感器的原理如图3-4所示。图3-4电流型电压互感器原理图标准电压互感器：标准电压互感器二次侧不允许短路，同样地也实现了一次侧与二次侧的隔离。标准电压互感器原理图如图3-5所示。图3-5标准电压互感器原理图本设计使用采用电流型电压互感器TV1005-1m，TV1005-1m性能参数见下表3-1。表3-1TV1005-1m相关性能参数表输入电压输出电压相移非线性度线性范围额定电流耐压(kv)≤1000Vac≤0.75Vac≤15。≤0.2%1.5倍额定2mA/2mA≥2根据TV1005-1m的特性对图3-4电流型电压互感器原理说明如下：一次侧中220V市电串联一个电阻R1，即可算出一次侧的电流，互感器等比输出电流，即一次侧电流与二次侧电流相等。二次侧中并联采样电阻R2，二次电流通过R2时产生电压，即实现电压的转换。3.2.2电流互感器本设计中电流互感器采用TA1005-1m，TA1005-1m性能参数见下表3-2。表3-2TA1005-1m相关性能参数表额定输入电流额定输出电流额定采样电阻额定采样电压5A5mA150Ω0.75V相移非线性度线性范围耐压≤15。≤0.2%≥1.5倍额定≥2TA1005-1m电流互感器实现了一次侧电流与二次侧电流比为1000:1的转换。3.2.3整流滤波电路电网信号通过互感器后，转换成微弱的交流电，因STM32的AD转换输入引脚必须输入直流，所以还必须通过整流滤波电路才能发送给STM32的AD转换引脚。整流电路使用的是1N4007二极管，利用二极管的单相导电性，使互感器输出信号整流成直流信号。采用滤波电容实现对信号的滤波工作，滤波电容是指安装在整流电路两端用以提高高效平滑直流输出的一种储能器件。在图3-2交流电压采集模块原理图中滤波电容并联瓷片电容，提高了滤波电容的工作效果。3.3显示模块显示模块采用LCD1602芯片，显示模块由数据处理与控制模块控制，以实现对电能质量参数的显示工作。LCD1602是应用较为广泛的字符型显示芯片，与传统的LED数码管显示器件相比，LCD1602液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路。LCD1602每一行有40个字节地址，但只能显示前16个字节，后面的地址主要为显示移动字幕设置。LCD1602的RAM地址映射图如图3-6所示。图3-6LCD1602的RAM地址映射图LCD1602相关引脚说明如下表3-3所示。表3-3LCD1602引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VO液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端(H/L)5R/W读/写选择端(H/L)6E使能信号7D0-D7数据I/O口8BLA背光源正极9BLK背光源负极LCD1602大多时候是处于被写状态的，写数据时RS为高电平，R/W为低电平，D0-D7为8位数据输入端口，当使能信号端E有上升沿时，8位数据写入相应的地址中，实现写数据功能。写指令时RS为低电平，R/W为低电平，D0-D7为8位指令码，当使能信号端E有上升沿时，8位指令码写入显示屏中，实现相关模式设置。所设计的单相电能质量分析仪的显示芯片LCD1602原理图如图3-7所示。其中滑动变阻器可调整液晶屏的对比度。图3-7分析仪中LCD1602原理图3.4数据处理与控制模块数据处理与控制模块主要是对采集模块处理后的信号进行多次的A/D转换，并将A/D转换的结果转化成相应的实际值，其最重要的工作是对数据进行处理得到电能质量基本参数，并控制显示芯片将参数显示出来。数据处理与控制模块使用STM32F103C8T6芯片，此款芯片具有满足本设计需要的功能和接口。其拥有48个引脚（其中37个GPIO），7个定时器（其中3个16位计时器），2个I2C，3个USART，2个SPI，2个12位的AD转换器（转换范围为0到3.3V），片上还集成一个温度传感器等。STM32最小系统主要包括电源电路、复位电路、外部晶振电路，程序下载电路等。其中因为STM32需要3.3V供电，而直接供电电源为5V，这时就需要使用AMS1117-3.3稳压芯片，AMS1117-3.3稳压芯片有3个管脚，输入为5V，输出为稳定的3.3V电压，可为STM32芯片提供稳定的3.3V电源。复位电路使用按键的复位方式，该复位电路可以实现手动按键复位和上电自动复位功能。晶振电路主要用于向芯片提供工作时钟，以满足芯片的正常工作。其中外部晶振为一个8MHz的无源晶振，低速外部时钟接频率为32.768kHz的石英晶体振荡器。STM32最小系统原理图如图3-8所示。图3-8STM32F103C8T6最小系统原理图3.5整体设计原理图说明整体设计原理图如图3-9所示。其中交流电压电流采集模块包括电压/电流互感器、整流滤波电路，其实现了将被测信号转化为微弱的交流电，再将微弱的交流电转换成平滑的直流电的工作，采集模块出来的直流电直接送到了核心芯片STM32的A/D转换接口，STM32芯片中A/D转换模块实现了将模拟量转换成数字量的工作，同时STM32芯片处理A/D转换结果得到电能质量基本参数。最后STM32控制LCD1602液晶显示测量结果。其中，设置预留串口为将多个A/D转换结果通过串口通信发送到电脑上进行谐波分析做准备。图3-9整体设计原理图3.6本章小结本章主要介绍了单相电能质量参数分析仪的硬件电路设计。叙述了硬件电路设计的总体方案，介绍了电压互感器的各种类型和所选择的电压互感器和电流互感器的特性，并对整流滤波电路的设计进行了说明。同时也相应的介绍了显示模块LCD1602芯片工作原理。本章简单地介绍了STM32芯片和其所搭建的最小系统，并对最小系统中电源电路、晶振电路和复位电路进行了相关说明。最后介绍了整体设计原理图，说明了整体设计工作原理。第4章单相电能质量参数分析仪的软件程序设计本章主要介绍单相电能质量参数分析仪的软件程序设计。软件程序主要包括：（1）系统初始化程序设计；（2）A/D转换程序设计；（3）数据处理程序设计；（4）数据显示程序设计，本章将对以上四点进行详细说明。4.1STM32开发环境为了帮助开发人员更好地使用适应于c语言开发的嵌入式系统，德国的KeilSoftware公司开发出了Keil软件，Keil软件有很多版本，本设计使用的是KeiluVision5软件，KeiluVision5软件开发程序主要有以下几个步骤：（1）创建一个工程，选择一块目标芯片，并做一些必要的工程配置；（2）编写C语言程序或汇编程序；（3）编译应用程序；（4）修改程序中的错误并再次编译直到没有错误提示；（5）下载调试程序。KeiluVision5软件开发环境如图4-1所示。图4-1KeiluVision5开发环境4.2软件程序设计总体流程软件设计中首先要进行系统的初始化，之后进行A/D转换将模拟量转化为数字量，核心芯片STM32再对转换后的数据进行数据处理，最后将数据处理得到的参数在显示芯片上显示出来。软件程序设计总体流程图如图4-2所示。图4-2软件设计总体流程图4.3系统初始化程序设计系统初始化程序主要包括：系统时钟初始化；与电脑相连的串口初始化；与LED灯连接的接口初始化；A/D转换器初始化；初始化LCD1602接口；初始化LCD1602。系统时钟在system_stm32f10x.c文件中设置为72MHz，相关初始化函数与其功能如表4-1所示。表4-1初始化函数名与其相应的功能函数名函数功能uart_init()串口初始化LED_Init()与LED灯连接的接口初始化Adc_Init()A/D转换器初始化Lcd_GPIO_init()初始LCD1602接口Lcd_Init()初始化LCD1602uart_init()是进行串口初始化函数，其形参为波特率。函数主要进行的工作是使能USART1（USART是一个全双工通用同步/异步收发模块）；初始化PA9引脚并设置引脚为推挽输出方式，作为发送端口；初始化PA10引脚并设置引脚为浮空输入方式，作为接受端口；设置优先级为3、设置传输波特率、设置8位数据格式、一个停止位、无奇偶校验位方式传输；最后初始化串口、开启中断、使能串口。LED_Init()主要功能是点亮LED灯，用于测试使用。其主要进行的工作是使能PA7端口，设置PA7端口为推挽输出模式，设置PA7端口速度为50MHz，最后根据设定参数初始化PA7，令其PA7端口输出为高电平点亮LED灯。Adc_Init()主要功能是初始化STM32中ADC，其主要进行的工作是使能ADC通道时钟；设置ADC分频因子为6（系统时钟为72MHz，ADC的时钟不能超过14MHz，所以进行6分频为12MHz）；设置PA1和PA2为模拟输入引脚，其中PA1为测量电压信号的输入引脚，PA2为测量电流信号（已转成电压信号）的输入引脚；设置ADC相关寄存器，其中设置ADC1和ADC2工作模式为独立单次转换模式，数据对齐方式为右对齐；最后使能并校准ADC。Lcd_GPIO_init()主要功能是初始化连接LCD1602的接口PB5-PB15，其中PB8-PB15为数据输入端口，PB7是使能端口，PB6是读/写端口，PB5是指令/数据端口。函数主要工作是使能端口，打开端口时钟，设置时钟频率为50MHz并设置其为标准输出模式。Lcd_Init()主要功能是初始化LCD1602，主要进行的工作依次是进行初始化连接LCD的连接端口；写指令38H即显示模式设置为显示，8位数据接口；写指令08H即显示关闭；写指令01H即显示清屏；写指令06H即当写或读一个字符后地址指针加一，且光标加一；写指令0CH即开启显示，且光标不显示。以上写指令之前均需要检测忙信号。4.4A/D转换程序设计在ADC初始化函数Adc_Init()中已经设置好了ADC的时钟为12MHz。A/D转换相关函数及其功能如表4-2所示，这些函数都在adc.c文件中。表4-2A/D转换函数名与其相应的功能函数名函数功能Get_Adc()获取AD转换的值Get_Adc_Average()几次AD转换的平均值Get_Adc()函数主要功能是获得AD转换的值，其形参为AD转换通道，返回值为无符号短整型值。主要进行的工作依次是设置采样时间为239.5周期，使能指定的ADC的软件启动转换功能，等待转换结束，最后返回最近一次ADC规则组的转换结果。这里采样时间为239.5个周期，而总转换时间需要在采样时间的基础上再加上1.5个周期，所以总转换时间为252个周期，即us。Get_Adc_Average()函数主要功能是获得几次AD转换结果的平均值，其形参为通道和采样次数，返回值为16位无符号短整型。主要进行的工作是多次调用Get_Adc()函数获得AD转换结果，再对获得的结果累加除以采样次数，以求取平均值。4.5数据处理程序设计数据处理程序是对AD转换结果进行处理，得到电能质量各个参数。数据处理程序主要包括：（1）对AD转换的结果进行处理，得到电压有效值、电流有效值、有功功率等参数；（2）将AD转换的结果发送到电脑上进行谐波分析。4.5.1基本参数测量程序设计数据处理程序设计中得到基本参数的两种方法流程图如图4-3和图4-4所示。其中方法一中是将每个AD转换结果都转换成实际值，再利用第二章中参数离散化公式(2-3)、(2-4)和(2-8)来计算电压有效值，电流有效值和有功功率。方法二是先求出10次AD转换的平均值，再将平均值转换成实际值，将平均值先显示在LCD1602上，再根据平均值利用电能质量参数分析设备校准，即将平均值乘以一个系数，使他为真实的参数值。由于方法二的测量方法精度更高，开发时间更短，效率更高，本设计采用方法二进行基本参数的测量。图4-3基本参数程序设计方法一流程图图4-4基本参数程序设计方法二流程图两种方法中将AD转换的结果转化成实际值的公式如下：(4-1)其中AD转换结果的数据类型为无符号短整型。4.5.2谐波分析程序设计将多个AD转换结果发送到电脑上进行谐波分析，谐波分析算法采用第二章提出的快速傅里叶变换算法。利用福利叶变换算法结合第二章公式(2-17)和公式(2-18)可以计算出各次谐波下的幅值，再利用公式(2-14)和公式(2-15)可计算出谐波电压/电流含有率。谐波分析设计流程如图4-5所示。图4-5谐波分析设计流程图4.6数据显示程序设计数据显示程序主要包括：向液晶屏内写指令；向液晶屏内写数据，字符初始位置设定，向LCD1602写一个字符串等。相关函数及其功能如表4-3所示，这些函数都在LCD1602.c文件中。表4-3数据显示函数名与其相应的功能函数名函数功能Lcd_En_Toggle()发使能脉冲Gpio_data()端口置入数据Lcd_Write_Command()向液晶屏写指令Lcd_Write_Data()向液晶屏写数据Lcd_SetXY()字符初始位置设定Lcd_Puts()向LCD1602写一个字符串Lcd_En_Toggle()函数主要功能是发送使能脉冲，当进行写指令和写数据时都需要向液晶显示屏发送使能脉冲。Gpio_data()函数主要功能是向D0-D7数据端口置入数据，其形参是要向液晶屏置入的8位数据。Lcd_Write_Command()函数主要功能是向液晶屏写指令，其主要工作流程依次是：设置RS和RW为低电平，向端口置入8位指令码，发送使能脉冲，最后进行测忙工作。Lcd_Write_Data()函数主要功能是向液晶屏写数据，其主要工作流程依次是：设置RS为高电平，设置RW为低电平，向端口置入8位数据，发送使能脉冲，最后进行测忙工作。Lcd_SetXY()函数为字符初始位置设定函数，其中形参为列x和行y。其主要工作流程是：如果y=0，则写入地址为x+0x80，即向第一行x列写入；如果y=1，则写入地址为x+0xC0，即向第二行x列写入。Lcd_Puts()函数功能是向液晶屏写一个字符串，其形参为列x、行y和字符串。其主要工作流程为：调用Lcd_SetXY()函数设置要写入的字符初始位置，调用Lcd_Write_Data()函数向液晶屏写入数据。4.7本章小结本章主要介绍了单相电能质量参数分析仪的软件程序设计。首先简要说明了STM32的开发环境，并对在KeiluVision5软件中开发程序的主要步骤进行了说明。叙述了软件程序设计的总体流程，在总体设计流程的基础上，本章详细的介绍了系统初始化程序设计流程、A/D转换程序设计流程、数据处理程序设计流程和数据显示程序设计流程，并对以上程序设计中的函数进行了详细说明。第5章单相电能质量参数分析仪的测试及实验分析开发分析仪最后也最重要的步骤就是对整个系统进行测试实验验证其性能，本次采用家用220V电对其进行测试。测试的指标包括电压有效值、电流有效值、有功功率、电量和谐波含量。下面对测试过程及部分结果进行说明。5.1单相电能质量参数分析仪电路实物图及显示界面基本参数将通过液晶屏LCD1602显示出来，液晶屏可以显示测量的电压有效值、电流有效值、有功功率和电量。谐波分析将在电脑上完成，以图表的方式呈现出来。单相电能质量参数分析仪实物图及显示界面如图5-1所示。图5-1单相电能质量参数分析仪实物图5.2实验测试结果本实验对家用220V电压进行测试，当设备只连接家用220V电没接入负载时，其实验结果如图5-2所示。当设备连接负载时，实验结果如图5-3所示。图5-2只接入家用电压没接入负载实验结果图图5-3既接入家用电压又接入负载实验结果图对电能质量分析系统来说，评价电压、电流的指标主要有电压/电流峰值、电压/电流偏差、电压波动、电压/电流有效值等参数，这里使用具有代表性的电压/电流有效值进行测试；评价功率的指标有有功功率、无功功率、功率因数等，这里对有功功率进行测试。本次实验采用350W吹风机、800W吹风机、500W电钻和880W电钻进行测试。电压有效值的测试结果如表5-1所示，电流有效值的测试结果如表5-2所示，有功功率测试结果如表5-3所示。表5-1电压有效值测试结果测量组次标准值(V)测量值(V)相对误差12282290.44%22282290.44%32302310.43%42302310.43%52332340.42%62332340.42%表5-2电流有效值测试结果测量组次负载标准值(A)测量值(A)相对误差1350W吹风机1.411.40.72%2800W吹风机3.323.30.61%3500W电钻2.112.10.47%4880W电钻3.523.50.57%表5-3有功功率测试结果测量组次负载标准值(W)测量值(W)相对误差1350W吹风机325.2328.81.11%2800W吹风机756.5765.31.16%3500W电钻476.8482.21.13%4880W电钻804.6815.21.32%谐波分析工作在电脑中完成，这里只分析到10次谐波，谐波次数与谐波含量关系如图5-4所示。图5-4谐波次数与谐波含量关系5.3误差分析测试实验结束后，需要对误差进行分析才能更好的改善测量设备。实验误差主要有以下几个方面。互感器带来的误差互感器中由于激磁电动势的存在，电压互感器和电流互感器原边电流和副边电流在矢量上不在成正比，互感器的实际输出和理想输出之间出现了误差，在硬件调试过程中，当输入电压或者电流过大时，会出现波形失真的情况，这种情况就是互感器磁饱和所致。另外，互感器还不可避免的存在着非线性因素，这对测量结果也会产生影响[20-21]。滤波电路带来的误差由于本次设计的分析仪采用滤波电容对信号进行滤波，很大程度上降低了测量精度，带来的另一方面的影响就是谐波分析不够准确，为了改善这方面的影响，需要搭建各位完善的滤波电路，实现对高频次的滤波工作。快速福利叶变换算法存在的误差谐波分析时采用快速傅里叶变化需要对一个周期内完整波形采样，当采样的不是一个完整周期时，将会发生频率泄露现象。改善办法是对原信号进行加窗处理，加窗处理后再进行运算即可避免发生频率泄露现象。数据精度误差本次测试实验数据精度较低，为了便于在LCD1602液晶屏上显示，电压有效值显示整数，电流有效值显示到小数点后一位，有功功率显示小数点后一位，这就会导致误差相对较高，实验结果精度不高。在数据处理的过程中，由于各种因素导致的数据类型强制转换带来的误差，也是一个不可忽视的因素。5.4本章小结本章详细地介绍了单相电能质量参数分析仪的测试实验。给出了分析仪的实物图和显示界面，对实验结果进行了统计分析，分析了实验误差。实验结果表明，系统运行稳定，可以满足对电能质量基本参数测量的基本要求。结论本设计根据电能质量分析的技术指标和功能需求，设计了基于STM32的单相电能质量参数分析系统，其硬件电路主要包括采集模块、数据处理与控制模块和显示模块。该系统能够对电压有效值、电流有效值、有功功率和电量进行测量，谐波分析工作将由STM32通过串口发送到电脑上再利用软件进行分析。本文在参考学习国内外相关文献的基础上，对设计单相电能质量参数分析仪方面做了大量的工作，主要有以下几个方面：研究了适应于数字芯片的电能质量基本参数的测量方法，重点研究了离散傅里叶变换(DFT)和快速福利叶(FFT)变换两种谐波分析方法，通过研究发现FFT相对于DFT大大的减少了计算量，但FFT也存在频率泄露等问题需要在仿真分析时加以注意。通过对电能质量分析系统设计目标的分析，搭建了基于STM32的单相电能质量参数分析仪的硬件电路。其中硬件电路主要有三大模块，即采集模块、数据处理与控制模块和显示模块，根据各个模块的功能不同，完成了各个模块的芯片的选型和设计工作。根据电能质量参数分析仪的设计要求，分模块设计了软件程序总体流程，在KeiluVision5软件中编写了系统初始化程序、A/D转换程序、数据处理程序和数据显示程序。对所设计的单相电能质量参数分析仪完成了整体实验测试工作，实验结果表明，该分析仪能够对电能质量基本参数进行测量，稳定性好。由于本人知识深度有限以及时间、条件等方面的原因，本设计还有些不足之处，还需进一步完善，主要有以下几个方面：本次实验设计的分析仪测量精度不高，电压有效值只能保留到整数，此方面有待进一步研究。当前使用的快速傅里叶变换算法只能对完整的周期信号进行谐波分析，否则将会出现频率泄露等问题，这里使用的谐波分析算法需要进一步完善。电能质量分析监测设备已向智能化和网络化方向发展，未来可对这方面进行研究，优化此次设计。参考文献[1]唐洲．电能质量监测方法及负荷控制系统研究[D]．湖北工业大学，2016．[2]慕小斌，陈国良，孙丽兵等．微网电能质量新特性及其治理方案综述[J]．电源技术，2015(09)：265-268．[3]张明浩，何娟，李堃．电能质量综合评估研究[J]．新型工业化，2018，8(10)：29-34．[4]李亚琼，王同勋．《电能质量监测技术规范第2部分：电能质量监测装置》标准解读[J]．智能电网，2017，005(009)：940-944．[5]姜巍．水电厂电能质量测试与评估分析[J]．中国战略新兴产业，2018(40)：179-180．[6]陈杰．基于AD7606的电能质量监测终端研究与实现[D]．山东大学，2014．[7]OzalYildirim，BekisEristi，HuseyinEristi，etal．FPGA-basedonlinepowerqualitymonitoringsystemforelectricaldistributionnetwork[J]．Measurement，2018，121．[8]李瑶瑶，彭晓，许志伟．基于LabVIEW的电能质量参数监测系统的研究[J]．科学与信息化，2017，(21)：31-33．[9]逯玉兰．基于LabVIEW的电能质量分析与监测系统[J]．计算机应用与软件，2019，36(07)：55-58．[10]张逸，林焱，吴丹岳．电能质量监测系统研究现状及发展趋势[J]．电力系统保护与控制，2015(2)：138-147．[11]佟为明，佟春天，陈培友等．基于DSP+ARM双核系统的电能质量检测装置设计[J]．电测与仪表，2018，56(18)．[12]武宗方．基于DSP+ARM电能质量检测装置的研究与开发[D]．西安工程大学，2019．[13]林海雪．电能质量指标的完善化及其展望[J]．中国电机工程学报，2014，34(29)：5073-5079．[14]单文松．基于STM32的单相电能质量监测仪的设计与实现[D]．山东大学，2018．[15]朱涛．基于虚拟仪器的单相电能质量监测系统的研究[D]．哈尔滨工程大学，2012．[16]谷佳琪，李欣，李超，王黎明．电力系统电能质量分析与谐波治理[J]．节能，2019，38(12)：51-52．[17]周秀珍，肖雷．基于快速傅里叶变换的实时频谱分析方法研究[J]．信息通信，2018(08)：21-22．[18]昝贵龙，苗向鹏，朱熙文，赵琳．基于FFT的电能质量参数的检测方法研究[J]．电子设计工程，2014，22(03)：7-10．[19]杨国华，李建春，李先锋．电能质量参数采