毕业论文电能质量分析及其监测系统的硬件设计.doc

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（2012届）

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：

专　　业：

班　　级：

学　　号：

姓　　名：

　俞晓星　　　　　　　　　　　　

指导教师：

　　　　　　海瑛　　　　　　　　　　　　

教　务　处　制

　　2012年5月18日

III

诚信声明

我声明，所呈交的论文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，论文中的所有内容均真实、可信。

论文作者签名：

签名日期：

年月日

授权声明

学校有权保留送论文交的原件，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部或部分内容，可以影印、缩印或其他复制手段保存论文，学校必须严格按照授权对论文进行处理，不得超越授权对论文进行任意处置。

论文作者签名：

签名日期：

年月日

电能质量分析及其监测系统的硬件设计

摘要

电能质量的重要性随着国民经济的快速发展而不断增强，并且日益受到电力部门和消费者的重视。

与此同时当今社会对电能质量，特别是暂态电能质量的要求越来越高，原有的测量技术、装置已不能满足要求，时代和社会的发展要求我们必须发展新的监测技术。

在这样的大背景下，本文根据电能质量监测新技术的各项指标和要求首先对电能质量问题和电能质量概念全局上做了统述，接着详细的介绍了电能质量的控制技术和方法。

接着详细阐述了电能质量的基本理论问题及其分析研究方法，并对该领域的发展方向进行了初步探讨，最后本文站在全局的高度指出电能质量控制不能仅仅只靠技术来解决问题,应从管理、规划等方面统筹考虑如何合理利用电能,切切实实提高电能质量。

关键词：

电能质量，监测，分析方法，控制技术

Powerqualityanalysisandmonitoringsystemhardwaredesign

Abstract

TheimportanceofpowerqualityWiththerapiddevelopmentofthenationaleconomygrowing,andincreasinglytheattentionofthepowersectorandconsumers.Atthesametimeintoday'ssocietyofpowerquality,especiallytheincreasinglyhighdemandoftransientpowerquality,originalmeasurementtechniques,thedevicecannolongermeettherequirementsnecessarytodevelopnewmonitoringtechniques.Aresummarizedinthisarticlefirstconceptofpowerqualityandpowerqualityclassificationbasedonindicatorsandrequirementsofthenewtechnologiesofpowerqualitymonitoring,powerqualitycontrolmethodsandtechniques.Thendescribedthebasictheoryofpowerqualityproblemsandanalysisofresearchmethods,anddirectionofdevelopmentinthefieldwerediscussed,Finally,standingintheoverallperspectivethatthepowerqualitycontroljusttechnologyalonecannoteffectivelysolvetheproblem,butalsofromtheplanning,managementandotherconsiderations,andtherationaluseof,inordertoeffectivelyimprovethepowerquality.

Keywords:

Powerquality，monitoring，Analyticalmethods，Controltechnology

目录

摘要 III

Abstract IV

1绪论 1

1.1本文的研究背景和意义 1

1.2电能质量监测国内外研究情况 1

1.2.1国外现状 1

1.2.2国内现状 2

1.3论文研究的主要内容 2

2电能质量的监测原理 4

2.1电能质量的基本概念及主要指标 4

2.2电能质量指标的算法和测量 4

3电能质量监测系统硬件设计 9

3.1现场监测单元采样频率、精度的要求 9

3.2同步采样监测系统的要求 9

3.3电能质量监测与分析系统的硬件结构实现 10

3.4设计说明与方案评价 11

3.4.1ATT7022B芯片介绍简介 12

3.4.2数据采集模块 13

3.4.3ATT7022B内置7路AD转换电路 14

3.4.4A/D转换电路 15

3.4.5基于DSP的电能计量芯片 16

3.4.6SPI接口电路 17

3.4.7液晶显示电路 18

3.4.8串行通讯接口 19

3.4.9控制模块电路 19

3.4.10存储器电路 20

4电能质量监测系统的软件设计 22

4.1数据采集模块 23

4.2数据处理模块 37

4.3单片机控制模块 24

4.4显示模块 26

4.5上传模块 27

结论与展望 27

参考文献 29

致谢 31

附录图1硬件总体连接图 32

31

电能质量分析及其监测系统的硬件设计

1绪论

1.1本文研究的背景和意义

电能是现代社会最为广泛使用的能源,电能质量关系到各行各业和人民生活用电,关系到国民经济总体效益。

随着科学技术的进步和生产过程的高度自动化,以及大规模的电源并网使得大量的电力电子转换器引入到电力系统中，从而大量的非线性负载也掺杂进入了供电系统中，由此对电力系统造成了严重的污染，产生较为严重的电能质量问题，与此同时各种设计精密且对电能质量要求较高、较为敏感的用电设备也随之越来越多。

直接导致两方面的矛盾日益尖锐，不同用户对电能质量的要求也就相应的水涨船高，在这样的环境下，探讨电能质量领域的相关问题及其理论控制技术，分析我国当前电能质量控制和管理的发展趋势，具有很强的观实需要和现实意义。

众所周知，由于所处立场不同，关注或表征电能质量的角度不同，人们对电能质量的定义还未能达成完全的共识，早期的电能质量问题主要局限在频率偏移和电压偏移两个方面，直至二十世纪八十年代，随着新兴负荷的出现电能质量的问题才重新提上了日程并逐步的引起电力公司和用户的普遍重视，人们开始将视角转移到电网谐波污染、三相电压不平衡、电压波动和闪变所造成的电网电能质量低劣，用户生产力下降，竞争力减弱等一系列与当前经济发展息息相关的电能质量问题并对其主要技术指标有了较为一致的认识。

目前电能质量中许多问题已日益成为电工领域的前沿性课题，吸引了许多科研院所、高等院校和大批电力科技研究人员投入其中从事开发性或开拓性工作。

本文的指导老师海瑛就长期从事于智能电表的研究，并取得了一系列重要成果，本文就是在导师相关研究基础上的改进。

总之，电能质量直接关系到国民经济的总体效益，改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。

1.2电能质量监测国内外研究情况

1.2.1国外现状

众所周知电能质量直接关系到工业生产和民生用电，在美国等发达国家很早便对电能质量的监测表示出了相当的重视，在时域仿真、频域变换、小波变换、人工神经网络以及现代通信技术和Intemet技术为核心的电能质量监测技术均走在了时代的前列，进入21世纪以来，电能质量监测和治理技术日臻完善，电能质量终端监测产品不断涌现，并得到了广泛的应用。

国际统一的数据交换标准也逐步的形成，相应的在电能质量监测方面也涌现了一大批著名的研究机构和企业，比如瑞典联合电力公司UniPower、美国电科院EPRI、以色列Elspec公司、美国电能标准实验室PSL、美国电力士公司Dranetz-BMI等。

它们在电能质量监测和治理方面取得了不少成果，代表了当今世界电能质量监测领域的前沿方向。

1.2.2国内现状

相对于发达国家我国电能质量监测系统起步较晚，不管是在科研领域还是在实际工业应用领域与西方发达国家相比均存在一定差距，目前国内广泛采用统计型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪只能监测电压合格率，需要人工抄表，缺乏统计分析功能。

到目前为止国内对电能质量监测系统虽然有了一定的研究但从具体的应用实际来看作为完整的实时监测系统在工程实践中并不多见还存在不少问题，所有的这些方面都需要我们不断的去改进与完善。

而另一方面我国电能质量监测发展迅速，主要表现在我国正在积极采用国际标准和国外先进标准，特别是IEC制定的EMC标准。

并由此涌现出了一批企业和实验室对电能质量进行深入研究并制定相应标准同时开发出了拥有了一定自主知识产权的产品，我国的电能质量正向着网络化、信息化、智能化、标准化的方向迈进。

总的说来，目前我国电能质量监测和分析装置大多采用的是国外产品，价格昂贵，而这恰恰是摆在我们面前的机遇和挑战，开发实用、准确、可靠性高的电能质量监测产品，提高我国电能质量监测的自动化水平，是当前摆在我们面前的一项重要课题。

1.3论文研究的主要内容

本论文紧密结合导师的智能电表研究项目，在借鉴同类研究的基础上，从测量装置的硬件设计、软件设计、算法分析等角度对电能质量开展研究，在侧重点上本文的主要工作是介绍该设计的硬件部分，主要功能是准确分析谐波参数（电压、电流、谐波等）。

设计思路上主要通过各个模块单独成型设计，然后在此基础上以单片机做为主要串列点将各个分模块有机的串联起来，从而形成一个完整的硬件程序图。

总的程序模块由模拟采样模块、AD转换模块、显示模块、通讯模块四个部分组成。

通过设计该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、有效值、有功、无功参数的计算、显示等功能。

论文主要章节安排如下：

第一章系统的介绍了论文研究的背景和意义以及电能质量监测国内外研究情况，同时初步介绍了本文研究的主要内容。

第二章主要针对电能质量的测量原理，详尽的介绍了电