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论文

（　09　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：

　　　　机电工程学院　　　　　　　

专　　业：

　　　　电气工程及其自动化　　　　　

班　　级：

　　　　　电气052　　　　　　　

学　　号：

　　　　　200533495205　　　　　　　

姓　　名：

　　　　　　吴之亮　　　　　　　　　

指导教师：

　　　　　海瑛　　　　　　　　　

教　务　处　制

　　年　　月　　日

诚信声明

我声明，所呈交的论文（设计）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（设计）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（设计）中的所有内容均真实、可信。

设计作者签名：

签名日期：

年月日

授权声明

学校有权保留送论文（设计）交的原件，允许论文（设计）被查阅和借阅，学校可以公布论文（设计）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（设计），学校必须严格按照授权对论文（设计）进行处理，不得超越授权对论文（设计）进行任意处置。

设计作者签名：

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

电能质量监测仪是一种用于监测电网运行状态的的工业仪表。

它能实时提供电压、电流、有功功率、无功功率、频率等电能质量的基本参数，而且能对电力系统的谐波、三相电压不平衡度、电压波动和闪变等电能质量指标进行分析，为电力部门对电能质量的监测提供了强有力的支持。

本文首先概述了电能质量谐波问题产生的原因、危害以及相应的治理措施和电能质量测量的发展现状。

其次，根据电能质量标准对一些适合电能质量实时检测的算法进行仿真比较，从而为实时电能质量检测的设计提供理论依据。

其次讲述了电能质量监测的重要性，对目前的研究现状进行了综述。

分析比较了各种电能质量分析方法的优劣，给出了电能质量监测的原理框图，能够实现对目前绝大多数重要的电能质量问题进行监测和分类。

本文主要研究分析谐波对电力系统的影响，现有谐波或电能质量监测（或检测）方法优缺点，实现电能质量参数快速、准确监测的硬件系统的设计。

主要研究电能质量监测的硬件系统，包括以下几个基本功能模块的设计：

单片机微处理器模块，数据测量与转换电路，计算并送终端设备显示电路，通信转换电路等。

希望通过对电能质量监测的硬件系统的设计，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。

关键词：

电力系统，电能质量监测，谐波，硬件描述

Thehardwareofpowerqualityanalysisandmonitoringsystem

ABSTRACT

ThePowerqualitymonitorisakindofmeasuringinstmmentmonitoringtheoperationstateofeleetriepowerinindustiy，whichcanprovidethebasisparametersofpowerqualitysuchasvoltage，eleetriecurrent，aetivepower，reactivepowerandfrequency，andmoreover，cananalyzetheindexesofpowerqualitysuchaspowerharmonic，three一phasevoltageaasymmetryandgirdharmonicvoltagefluetuationandfliekerforthefakeofprovidingthebettersupportforEleetriePowerdepartmentmonitoringpowerquality.

Thisarticlesummariesthecausesandthehazardsofharmonicpowerqualityissues,thecorrespondingcontrolmeasuresandthedevelopmentofpowerqualitymeasurementofthestatus.Secondly,docomparisontosomesuitablereal-timedetectionofpowerqualitysimulationalgorithminreal-timesimulationinaccordancewithpowerqualitystandards,soprovideatheoreticalbasisofdesignforthereal-timedetectionofpowerquality.Andwetalksbouttheimportanceofpowerqualitymonitoring,summariesthestatusofthecurrentstudy,analyzesandcomparestheadvantagesanddisadvantagesofavarietyofpowerqualityanalysismethods,giventheprincipleofpowerqualitymonitoringdiagram,torealizethemonitoringandclassificationtothevastmajorityoftheimportantissuesofpowerquality.

Inthispaper,wemainforceontheharmonicimpactonthepowersystem,theadvantagesanddisadvantagesofexistingharmonicsorpowerqualitymonitoring（ortesting）method,toachievethehardwaresystemdesignofrapid,accuratemonitoringofpowerqualityparameters.Wemainresearchthehardwaresystemofpowerqualitymonitoring,includingsomedesignsofthebasicfunctionalmodules:

single-chipmicroprocessormodule,datameasurementandconversioncircuits,calculatedandsenttoterminalequipmentdisplaycircuit,CommunicationConverter,etc.wehopethatthroughthedesignofthehardwaresystemofthepowerqualitymonitoring,toachievethefunctionsofthefundamentalandharmonicsofcurrentandvoltageofthethree-phaseharmonics,powerfactor,RMS,activeparameters,reactiveparametersandthedisplay.

Keywords:

Powersystem,powerqualitydetection,harmonic,HardvvareDeseriptionL

目录

摘要…………………………………………………………………………………………Ⅰ

ABSTRACT……………………………………………………………………………………Ⅱ

1绪论………………………………………………………………………………………1

1.1选题的背景及研究的意义…………………………………………………………2

1.2电力系统谐波分析的发展及历史意义……………………………………………3

1.3电力系统谐波分析的国内外研究动态……………………………………………4

1.4本文的主要工作……………………………………………………………………5

2电力系统谐波……………………………………………………………………………6

2.1电力系统谐波的含义和性质………………………………………………………7

2.2电力系统谐波产生的主要原因……………………………………………………8

2.3谐波源分析…………………………………………………………………………9

2.4电力系统谐波的危害………………………………………………………………4

2.4.1谐振…………………………………………………………………………5

2.4.2对输电系统的影响…………………………………………………………6

2.4.3对变压器的影响……………………………………………………………7

2.4.4对继电保护和自动装置的影响……………………………………………8

2.4.5对测量和计量仪表的影响…………………………………………………9

2.4.6对通信的干扰………………………………………………………………1

2.4.7对其他用电设备的影响……………………………………………………2

3电能质量监测系统概述…………………………………………………………………7

3.1电能质量概念及我国国家标准……………………………………………………8

3.2电能质量监测与分析系统的特点…………………………………………………9

3.3硬件监测平台的特点与要求………………………………………………………1

4.3.1现场监测单元采样频率、精度的要求……………………………………2

4.3.2监测系统同步采样的要求………………………………………………3

4电能质量监测与分析系统的硬件结构实现……………………………………………4

4.1硬件总体结构………………………………………………………………………5

4.2单片机简介…………………………………………………………………………6

5.2.1MSP430系列单片机特点…………………………………………………7

5.2.2MSP430F44X系列封装图………………………………………………8

5.2.3MSP430F44X引脚功能表………………………………………………9

4.3模拟量输入模块…………………………………………………………………1

4.4数据采集模块……………………………………………………………………2

5.4.1采样/保持电路……………………………………………………………3

5.4.2锁相环CD4046的应用……………………………………………………4

5.4.3A/D转换电路………………………………………………………………5

4.5键盘电路…………………………………………………………………………6

4.6液晶显示电路……………………………………………………………………7

4.7串行通讯接口……………………………………………………………………7

4.8其他外接端口……………………………………………………………………7

5抗干扰技术……………………………………………………………………………7

5.1干扰的成因及后果………………………………………………………………7

5.2硬件设计电路中的抗干扰措施…………………………………………………7

5.2.1电源干扰的抑制…………………………………………………………7

5.2.2良好的接地方式…………………………………………………………7

5.2.3采用“看门狗”技术……………………………………………………7

5.2.4滤波技术…………………………………………………………………7

6结论……………………………………………………………………………………7

1.绪论

1.1选题背景及研究意义

现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。

随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。

良好的电能质量无疑对电气设备的运行是有利的，但恶劣的电能质量对电力系统运行的不利影响并没有引起人们的足够重视。

从危害程度来看，某些电能质量问题的危害是破坏性的。

例如，雷电波冲击、电容器和电缆线路投切时因谐波谐振而引起的过电压往往造成电气设备的绝缘和机械损坏，从而影响电力系统的正常运行;继电保护装置因谐波和负序干扰引起误动作造成电网大面积停电会造成巨大的经济损失;短时的供电中断或电压跌落可能导致生产混乱或工业冶炼产品的大量报废甚至危害人身安全。

另一方面，某些电能质量问题主要影响电气设备的性能指标。

例如，不正常的电压和频率偏差会引起异步电机负荷的转速和功率变化，导致传动机械的效率降低，使纺织、造纸等产品的质量受到影响;谐波电流在旋转电机、输电线路、变压器等输配电设备中流通，使这些设备因产生附加损耗而过热，从而降低了这些设备的寿命或容量。

改善电能质量对于电网的安全经济运行，保证工业产品质量和科学实验的正常进行以及降低能耗等均有重要意义。

电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。

为了改善电能质量，要求电力系统首先进行电能质量检测评估和分析工作。

电能质量监测的主要目的包括:

（a）了解电能质量，对各种电能质量问题进行检测和数据采集，并进行电能质量分类。

（b）监测电网的可靠性程度。

（c）不断提高电网的可靠性。

（d）掌握电能质量问题产生的条件，能采取相关措施使有可能造成的损失减到最小。

（e）发现新的电能质量问题。

1.2电力系统谐波分析的发展历史及意义

电力系统谐波问题早在19世纪20年代就引起了人们的注意，但是直到60年代，许多国家才对此开展大量的研究。

内容主要涉及基本理论，即各种谐波源的特性、谐波的危害、谐波测量和谐波抑制等。

如果能够在电力系统运行前后对所有谐波参数进行准确分析，在满足电能质量谐波标准的基础上，就能有效地投运用电设备（包括谐波源）。

因此，电力系统谐波分析作为电力系统谐波研究的一个重要方面，其准确度和运算量对研究电力系统谐波问题尤为重要。

由于电力系统谐波问题比较复杂，通常采用谐波分析作为发现问题、研究问题和解决问题的出发点和主要依据。

电力系统谐波分析的主要作用有:

鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准规定，包括对所有谐波源用户的设备投运时的谐波分析和电气设备调试和投运时的谐波分析。

1.3电力系统谐波分析的国内外研究动态

目前，电力系统谐波分析通常都是通过快速傅立叶变换（FFT）实现的。

然而FFT存在栅栏效应和泄漏现象侧，使算出的信号参数即频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，无法满足准确的电力系统谐波测量要求。

这给谐波抑制带来了很大的困难。

为了提高FFT算法的精度，VK.Jain等提出了一种插值算法，对FFT的计算结果进行修正，可以有效地提高计算精度。

在此基础上，TGrandke又利用汉宁窗（H~g）减少泄漏，进一步提高了计算精度困。

近来，F.s.Zhang等提出了一种基于加窗插值的FFT算法来减少频谱泄漏和栅栏效应，从而进一步提高了计算精度。

从测量仪器方面看，发达国家在研制和使用谐波分析仪方面发展较为迅速，仪器的性能先进，测量功能齐全，适用范围广。

德国生产的NOWA一I型谐波分析仪、莱姆公司研制的AN2060手持式电力谐波分析仪、瑞典uniPowe:

公司成功地研制了unilyzer900F便携式电能质量分析仪仁等，它们具有对电能质量进行监测，记录数据，分析各次谐波含量和畸变率以及功率的流向等功。

与国外相比，我国电力系统谐波分析和测量的研究仍存在较大差距。

国内测量仪器可靠性和精度方面尚未严格考核过，主要适用于谐波测量方面，而在波形分析、采用窗口的选择、数据处理以及结果输出方面差距较大。

而且谐波分析大都采用基-2FFT算法分析电力系统谐波，例如原西德的NOW-1型、国产WFX-1型、PS-2型和GFx-98型等。

据统计，国内谐波测量仪，幅值误差小于士1%~士5%。

总之，各国都把电力系统谐波实时分析作为研究重点，并以此作为认识谐波和抑制谐波的基础。

1.4本文的主要工作

本文首先系统的介绍了谐波的产生和对电力系统的危害。

对各种谐波的含义、性质、产生原因、谐波源和谐波危害做了详细的阐述。

本设计的主要内容分为谐波分析、硬件设计和软件设计三部分内容。

主要功能是准确分析谐波参数（电压、电流、谐波等）。

测量电路进行电压、电流测量电路、锁相频率跟踪电路、数据采集电路板等外围电路设计，构成了整个测量系统。

本文的主要工作是介绍该设计的硬件部分。

设计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。

2.电力系统谐波

长期以来，人们习惯把供电频率和电压有效值的稳定程度，作为衡量电能质量的两个基本参数。

近十几年来，随着电子技术、节能技术和控制技术的极大进步，在化工、冶金、钢铁、煤炭和交通等部门大量使用了各种整流设备、交直流换流设备和电子电压调整设备，这些电力设备和负载以不规则的组合方式，随机地在电网中运行，造成了电力系统中电压、电流波形的严重畸变和三相系统的不平衡。

电源发出的工频正弦电压，也会在远距离输送、分配过程中产生畸变。

因此，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两项指标来鉴定。

电力系统的电压和电流发生波形畸变后，将对发电、输电、供电系统、用电负载以及周围的电磁环境产生危害了，而且当今这种危害发展到了和自然环境污染一样，已成为一种社会公害，称之为“谐波污染”。

2.1电力系统谐波的含义和性质

国际上公认的谐波含义为:

“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。

由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，我们也常称它为高次谐波。

从它的含义上可以明确有关谐波的几个性质:

（a）谐波次数h必须是个正整数。

（b）间谐波、次谐波和分数谐波。

按照工EC有关文件中的定义间谐波（inietharinonics）是指频率不是工频的整数倍的谐波分量，即介于工频谐波之间的傅立叶频谱分量（

）。

其主要来源于静态变频器、换流器、感应电动机、电焊机和电弧炉等，其允许的总畸变系数应小于整数谐波。

次谐波（Subhonics）为频率低于工频基波频率的分量。

分数谐波（fractional-haronics）是频率非基波频率整数倍的分量。

（c）谐波和暂态现象。

根据傅立叶级数基本理论，被变换的波形必须是周期性的和不变的。

虽然实际上很难做到，因为电力系统负荷是变动的，而负荷的变动会影响系统中谐波含量。

但在实际分析中只要被分析的现象或情况持续适当的时间或周期，就可以应用傅立叶级数变换。

因此，需要区分清楚什么是谐波现象和是暂态现象.

谐波现象就是在每一周内电压或电流波形保持不变。

而暂态现象是指每周期的波形都随时间变化而变化。

例如，如图2.1所示的波形畸变虽然也是周期性的，但不属于谐波范畴。

这种波形畸变仅在正弦波一周期的极小部分上发生陷波（noteh）。

这种波形畸变称为陷波，一般以基波峰值

的百分数来表示，其畸变偏差百分值

，用下式计算

（2-1）

式（2-1）中△u为畸变偏差值。

图2-1电压波形畸变图

为了对暂态现象和谐波加以区别，电网会议工作组36-05一致同意在计算电压（或电流）畸变率时，采用谐波电压（或电流）的平均有效值或平均总畸变率，其时间区段

取3s，即取3s中的测量或计算的平均有效值或平均值，以电压为例，

（2-2）

（2-3）

式（2-2）和（2-3）中m为分成的区间数;

为第h次谐波电压的3s平均有效值;

为电压总畸变率的3s平均值（%）;

为第k个区间测出的基波电压有效值;

为第k个区间测出的第h次谐波电压有效值。

2.2电力系统谐波产生的主要原因

在电力工程中，世界各国几乎全都采用正弦方式供电，这不仅给电力系统的设计与制作带来极大的方便，而且使系统及用电设备获得最佳的运行状态。

然而事实并非如此电力系统中电压、电流的波形不能保持完整的正弦波，造成波形畸变的

原因简要分析如下:

（1）显而易见的是，电力系统本身存在着周期性的非正弦独立电源。

如有下面电流源

（2-4）

由不同频率的正弦电流分量叠加而成，当它注入线性时不变的电力系统后，产生的电压、电流将仍然是由这些频率的正弦分量组合而成，输入的畸变是直接造成了输出的畸变。

（2）工频电压或电流作用于非线性负载。

如有一工频电压

（2-5）

作用在一个电流—电压特性为

（2-6）

的非线性时不变负载两端时，产生的电流为

（2-7）

可见，输入电压的频率为

，输出电流中则包含有频率

和3

的两种频率的正弦分量。

现在用图2.2来说明正弦电源给线性（直线1）和非线性的负载（曲线2）供电的情况。

对于伏·安特性为线性的负载，产生正弦波形的电流i，不会造成波形的畸变。

然而对于伏·安特性为非线性的负载，产生的电流i护为非正弦波，波形发生畸变。

（3）电力系统中存在时变负载如有一电导其电气特性为:

（2-8）

（2-9）

如果电压仍为工频电压

，则

（2-10）

其结果是:

当

是

的偶数倍时，i（t）中的频率就是

的奇数倍;当

是

的奇数倍时，i（t）中的频率则是

的偶数倍。

如果

与

之比为有理分数，则i（t）中的最低频率可能小于

，大于

的频率也可能出现在

的整数倍频之间，而且输入频率。

、还有可能消失在输出中。

电力系统中具有周期性或非周期性开关功能的各类电子器件，它们的电气特性，都可用一个时变元件来表示。

可见，由于非线性用户的不断增多和容量增大，在电力系统这汇合成为日益升高的谐波水平，成为相当严重的问题。

2.3谐波源分析

在电力系统处于稳态运行的情况下，理想电压波形应为正弦波。

但是，从上述产生谐波的原因可以看出，非线性负载的存在可使电压和电流波形发生畸变。

这种引起电压和电流波形畸变的负载被称为“谐波源”。

目前，随着电力电子技术迅速发展，谐波源的种类也越来越多。

主要有以下四种类型:

（a）铁磁饱和型

各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈非线性。

（b）电子开关型

主要为各种交直流换流装置以及双向晶闸管可控开关设备等，在冶金、矿山、电气铁道等大量工矿企业以及家用电器中广泛使用;在系统内部，则如直流输电中的整流阀和逆变阀等。

其非线性呈现交流波形的开关切合和换向特性。

（c）电弧型

各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，使电流不规则的波动。