一种简易电能质量监测装置设计开题报告.docx

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一种简易电能质量监测装置设计开题报告

毕业设计开题报告

测控技术与仪器

一种简易电能质量监测装置设计

一、选题的背景、意义

改革开放以前，我国工业基础比较薄弱，工业制造水平也比较粗糙，高、精、尖方面的先进制造业在那时更是少之又少，因而那个时候，电能质量的影响与危害并不明显。

人们普遍认为，只要能保证不经常断电以及保证供电电压是在一定范围内可以满足家用电器的需求，那就等于保证了电网的电能质量。

另外从我国的电力系统供需关系来看，80年代之前处于计划和短缺经济时期，有没有电那才是用户使用是主要问题，自然“电能质量”问题就无从谈起了。

而近年来，随着我国国民经济的快速增长,科学技术的发展及生产过程的高度自动化，电网中各种非线性因素不断的增长；各种复杂的、精密的，对电能质量敏感的用电设备也越来越多。

随着计算机技术的日益普及，大量基于计算机系统的电子装置和控制设备不仅对供电电能质量异常敏感，使得电网中的电压凹陷、电压凸起、电压波动、脉冲暂态、频率变化、三相不平衡和谐波等电能质量问题（PowerQuality,PQ）也越来越受到重视了[1]。

因为这不仅仅关系到用电设备运行的可靠性和安全性，而且还关系到供用电市场的规范化。

它的产生可能来源于供电方的输配电系统，也可能来源于用户端的不合理用电，还可能来源于雷电等自然现象。

因次，只有对电能质量进行长期有效地监测，这样才会使我们对电能质量问题的产生和影响有更加清楚的了解与认识，才能为改善电能质量﹑协调供用电双方关系和规范供用电市场提供第一手资料，以便采取更加有效的解决措施。

在这样的环境下，探讨电能质量领域的相关理论及其控制技术，分析国内外电能质量管理和监测控制的发展趋势，具有很大的现实意义。

因而，对于能推广更多的人去关注电能质量监测这问题，研究设计一个能操作方便的简易电能质量监测装置是很有必要的。

二、相关研究的最新成果及动态

近年来,电能质量监测装置发展非常迅速,主要有以下几个发展方向[3]：

（1）电能质量控制的基础理论研究,包括统一的畸变波形下电能质量的含义的研究,电能质量的界定方法、评价体系的研究,各功率成份的定义及物理意义研究。

目前，为适应不同需要，也提出了许多功率成份的定义方法,在其数学表达式、物理意义及实施方面也各有所长,但离理论上和实际上的统一并易于接受的表达式还有一定的距离。

（2）研究不同干扰条件下电能质量指标的科学测量方法及各种电能质量检测仪器和设备。

各种电能质量指标均应有合理的计算分析方法,特别是针对不同干扰源的预测计算方法及其误差估计等,建立电能质量指标计算分析程序和数据库,同时还应建立起电能质量控制装置的系统仿真模型。

（3）积极采用数字化控制技术。

随着高速数字信号处理器（DSP）为基础的实时数字信号处理技术的迅速发展,并得到广泛应用,采用模拟量控制的电能质量控制装置正用数字量控制代替。

这有如下优点:

可以程序控制,改变控制方法或算法不必改变控制电路;提高了系统稳定性、可靠性和灵活性,系统不受温度影响;可重复性好,易调试和批量生产;易实现并联运行和智能化控制。

随着DSP性能的不断改善和价格的下降,用DSP来实现实时信号处理已成为当今和未来技术发展的一个新热点。

[2]

（4）柔性交流输电技术（FACTS）和用户电力技术（CusPow）的融合FACTS和CusPow是快速发展的姊妹型新式电力技术。

采用FACTS的核心是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力;发展CusPow的目的是在配电系统中加强供电的可靠性和提高电能质量。

FACTS和CusPow的共同基础技术是电力电子技术,各自的控制器在结构和功能上也相同,其差别仅是额定电气值不同,二者的融合是一种趋势。

有人认为CusPow技术就是配电系统中的FACTS技术。

（5）非电力电子技术的电能质量控制器的发展采用非电力电子技术手段,如提出新的拓扑,改进电路结构;采用新材料,开发新器件提高电能质量的发展也非常迅速。

2.1　国外的研究现状

国外有关电能质量的研究远超于我国，现处于高峰时期,从以前的所适用的功率理论的扩展,到电能质量评价指标体系的建立;从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义;各种电能质量问题分析方法的提出,以及用户电力技术等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。

1996年,IEEE将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议更名为电力谐波与电能质量学术会议,把电能质量提高到一个新的高度来认识。

[4]

国外已提出并开发了许多改善和提高电能质量的装置,包括:

有源电力滤波器和无源滤波器、电池贮能系统、配电用静态同步补偿器、配电用串联电容器、动态电压恢复器、功率因数校正电容器、避雷器、超导磁能贮存系统、静态电子分接开关、固态转移开关、固态断路器、静止无功补偿器、晶闸管开关电容器、不间断电源等。

这些装置主要是采用电力电子技术,一些装置已相当成熟,其产品开始进入大量实用化阶段。

如日本的有源电力滤波器使用很普遍,并联型有源电力滤波器最大容量达50MVA,采用的是GTO、SCR器件,用于抑制电弧引起的闪变。

统一电能质量调节器或称电能质量调节器（PQC）。

它可快速补偿供电电压中的突升或突降、波动和闪变、谐波电流和电压、各相电压的不平衡以及故障时的短时电压中断等,是一项具有综合功能的电能质量控制器。

西门子公司已系列生产出PQC装置,它基于IGBT的PWM换流器,是并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的组合,是众多此类研制品中较有代表性的产品。

西门子的PQC与系统联接有三种方式,并联时,主要防止非正常负荷对系统的影响;串联时,则用于防止系统对负荷的影响;而当串并联时,则将具有双向补偿的功能。

2.2　我国的研究现状

为了保证我国的电能质量,自1990年以来,我国相继发布了六项电能质量国家标准，分别是:

1）供电电压允许偏差[7];2）电力系统频率允许偏差[8];3）公用电网谐波[9];4）三相电压允许不平衡度[10];5）电压允许波动和闪变[11];6）暂时过电压和瞬态过电压[12]。

这些国家标准的制定，无疑将促进我国电能质量管理工作的开展，因之，要研制相应的电能质量监测装置，以便对电能质量指标进行测试分析，更好地进行电能质量的治理，保证电网和供用电设备的安全可靠运行。

改善和提高电能质量的主要措施是采用电力电子技术。

目前,国内在电能质量控制方面的研究大多局限在谐波问题的范围内[13],也提出和开发了一些改善和提高电能质量的电能质量补偿装置,包括各种有源电力滤波器、动态无功补偿装置、电能质量综合补偿装置,以及动态电压恢复器等,与国外的差距是非常明显的。

在我国,有源电力滤波器仍处于试验阶段。

有关有源电力滤波器的研究主要集中在并联型、混合型,也开始研究串联型。

研究最成熟的是并联型,而且主要以理论研究和实验研究为主。

理论上涉及到了功率理论的定义、各种谐波电流的检测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等[14]。

采用多重化技术,西安交通大学已研制出120kVA并联型有源电力滤波器的试验样机。

我国虽然在理论上取得了一定的进展,但由于多方面条件的限制,使得至今未有并联型有源电力滤波器正试产品用于实际。

由清华大学和河南电力局联合研制开发的我国最大容量的柔性交流输电装置———20Mvar静止无功发生器（SVG）,已于1999年3月并网成功。

通过控制,该装置可与系统交换无功电流,提高系统暂态稳定性、阻尼系统振荡,SVG的性能大大优于传统的同步调相机和动态无功补偿装置,将成为静止无功补偿技术的新方向。

[13]

三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标

3.1主要任务与目标：

设计并制作一个能同时对一路工频交流电的频率、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等进行测量的数字式电能质量监测装置。

主要内容与基本要求：

3.2主要内容:

设计并制作一个能同时对一路工频交流电的频率、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等进行测量的数字式电能质量监测装置，具有应用价值。

3.3基本要求:

以PIC32MX795F572L单片机作为核心控制单元，设计包括以下：

a）.硬件电路的设计。

包括PIC32MX795F572L最小系统的设计，测量电路，调理电路，AD采样电路，控制单元电路、输出电路，电源模块等。

b）.通过对单片机编程，在LCD液晶上实现测量信号的动态实时显示，显示相关参数和波形。

c）.整合程序，编程实现简易电能质量监测装置的基本功能。

d）.完善程序，增加系统稳定性。

3.4研究方法

通过上述分析，拟定的本电能质量监测装置主要有主控制器模块、显示模块、按键模块和信号变换与处理模块等组成，系统整体框图如下图1所示。

图1系统整体框图

其工作过程为：

主控制器模块将数模转换器输入的数据处理后，通过显示模块进行显示，按键模块可通过主控制器模块，来间接控制显示模块显示内容的切换。

3.4.1单元电路设计

1PIC32MX795F572L最小系统的设计

根据自己所学及Microchip公司介绍的关于pic32的知识，用AltiumDesigner设计并自主开发一块pic32的最小系统，原理图如下：

图2pic32最小系统原理图（部分）

2移位电路和信号衰减电路

因为模数转换器ADC不能采集二维数轴负半轴的信号，所以要在电压和电流两个数模转换通道前各加一个波形移位电路，其原理图如下图3所示，使输入波形不失真的全部移到二维数轴的正半轴以上。

由集成运放“虚短”和“虚断”的特性得：

Vout=5Vp/4-Vin/4=15Vref/48.8-Vin/4，当Vref取+5V、Vin端输入0~5V的交流电压信号时，输出电压Vout为0.28V-2.78V的直流电压信号，这个范围的信号值即能满足模数转换器采样输入的要求，且模数转换器转换后的输出也能满足单片机I/O口对输入数值的要求。

另外，由Vout的表达式可得，输入电压Vin的幅值衰减到原来的1/4倍，输出信号频率不变。

图3移位电路和信号衰减电路原理图

3移相电路

在交流电路中，电阻电路是线性的，电容的相位超前90度，电感的相位滞后90度。

选择不同的RC数值，能使RC组成电路的输出相对输入产生不同的相移，理论上一级RC最大相移可达90度，通常可以2级、3级串联使用（在振荡器中），这样最大相移可达2700。

适当改变R和C的值，则可满足不同的相移要求。

本系统移相电路原理图如下图4所示，通过调节电位器RW1，可使输出Vout相对输入Vin的相位差为00~1800。

此电路的作用是在系统调试时，将输入的电压信号移位后代表同一路的电流信号，便于系统的调试。

图4移相电路原理图

4采样保持电路

LF398是一种反馈型采样保持放大器，也是目前较为流行的通用型采样保持放大器，它具有采样速度高，保持电压下降慢和精度高等优点，它主要有输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。

采样保持电路工作原理图如下图5所示，当8脚为高电平时，采样信号；当8脚为低电平时，保持信号。

图5采样保持电路原理图

5整形电路

通过分析得：

输入的失真工频信号的频率可能是变化的，为了保证输入信号任一周期内都能等间隔采样64个点，要求系统能够实时采样，即必须对信号的频率进行64倍频，然后以倍频器输出的频率作为数模转换器的采样频率。

由于被测信号波是有失真的正弦波，为便于准确测量其频率，可先将此正弦波变换为同频率的方波，然后将此方波送单片机外部中断1测频，波形转换电路如下图6所示，其中，集成运放为高增益、低噪声、低温漂运放OP37，D2和D3是限幅二极管，使输出方波的正