吴道富的论文简易电能质量监测装置的设计

吴道富的论文简易电能质量监测装置的设计 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途学 士 学 位 论 文简易电能质量监测装置的设计作 者 姓 名： 吴道富 学科、专业 ： 电子信息工程06级 学 号 ： 06424056 指 导 教 师： 刘春玲 完 成 日 期： 2010年5月28日 简易电能质量监测装置的设计总计: 毕业论文 50 页表 格 1 表插 图 14 幅指导教师： 刘春玲 评 阅 人： 完成日期：2010年5月28日摘 要电能质量一般是指电压与电流的幅值、频率、波形等参量离规定值的偏差。有时电能质量的不正常会造成严重事故,因此电能质量问题对当前开放型经济体系中的影响日益严重,如何保证优良的电能质量成为一项重要的研究课题.电能质量已是电网可持续发展中一个十分重要的问题。以前的电能质量监测仪的监测方式具有被动的、分散式的、针对特定电能质量问题的特点。现在的电能质量监测仪的检测方式具有主动的、永久持续的、反映系统性能的特点。而且电能质量监测系统正在朝着在线监测、实时分析、网络化和智能化的方向发展.本文首先介绍了课题的实际意义以及电能质量监测的现状;其次对电能质量参数的计算作了详细的描述,包括电压、电流有效值的计算、电源频率的计算、有功功率、无功功率的计算、功率因数的计算等；然后完成了对整个系统的硬件、软件设计，包括数据采集电路和显示电路等;最后通过系统的调试，完成了系统的任务.通过选择电压互感器、电流互感器将电源的电压、电流信号转换成低压信号,设计信号调理电路和测频电路测出电源频率;经低压信号采集到单片机内、通过一定算法计算电源的电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数等参数，实现单路电源电能的质量监测和显示。关键词:电能质量；有功功率;无功功率；功率因数ABSTRACTPower Quality generally refers to the amplitude of voltage and current， frequency， waveform parameters such as the deviation from the specified value。 Sometimes the unusual power quality can cause serious accidents, so power quality issues in the current open economies growing impact, how to guarantee quality of the power quality is an important research topic. Grid power quality is an important sustainable development issues. Previous monitoring of power quality monitors with a passive way, decentralized， issuespecific power quality characteristics. Now the power quality monitor test mode is active, permanence， and reflect the system performance characteristics. And power quality monitoring system is developing in-line monitoring, realtime analysis, networking and intelligent direction。 This paper introduces the topic of practical significance and power quality monitoring of the status ； followed by the calculation of power quality parameters is described in detail， including the voltage and current rms calculation， the calculation of power frequency, active power, reactive power calculation , the calculation of power factor； then completed the whole system of hardware, software design， including data acquisition circuit and display circuit; Finally, system debugging， the system completed the task. By selecting the voltage transformers， current transformers to the power supply voltage and current signals into voltage signals， signal conditioning circuit design and measured the frequency measurement circuit power frequency； lowvoltage signals collected by the microcontroller， through a certain algorithm power supply voltage， current， active power, reactive power and power factor and other parameters to achieve single supply power quality monitoring and display。个人收集整理，勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途 Key words： power quality； active power;reactive power;power factor 目 录摘 要IABSTRACTII1。绪论11.1研究的背景11.2电能质量监测的现状与发展11.3研究的主要内容22。电能质量监测装置的算法研究32。1电能质量监测参数的分析32。2电能质量监测装置的常用算法43. 简易电能质量监测装置的硬件电路设计63.1系统硬件电路的整体功能设计63.2 数据采集模块的设计63.2。1电压和电流信号的采集63.2.2信号频率捕捉电路的设计73.2.3 A/D转换接口电路的设计83。3单片机控制系统及外围电路的设计113。3。1单片机最小系统的设计113.3.2键盘、显示电路的设计114。简易电能质量监测装置的程序设计134。1电能质量监测装置软件主程序设计134。2同步采样的设计144。2.1同步采样的分类144.2.2软件同步采样的流程图144。3电能参数的计算164.3。1电压、电流有效值的计算164。3.2电源频率的计算184.3.3有功功率、无功功率的计算194。3.4功率因数的计算194.3。5电能参数计算的MATLAB仿真结果204.4键盘、显示程序设计224。4.1键盘程序设计224.4.2显示程序设计235。系统的调试265.1硬件调试265.2软件调试265.3整体调试27总结与展望28参考文献29附录1 外文文献译文30附录2 外文文献原文29附录3 部分程序源代码30致谢46大连大学学位论文版权使用授权书47471。绪论1.1研究的背景20世纪60年代开始出现第一代电能质量测试仪，以前的电能质量监测仪的监测方式具有被动的、分散式的、针对特定电能质量问题的特点。从20世纪60年代开始出现第一代电能质量测试仪至今，电能质量监测历经几十年的发展，已经从被动的、分散式的、针对特定电能质量问题的监测方式转变为主动的、永久持续的、反映系统性能的监测方式。现在,各省监测网一般是以省电力公司或电科院作为电能质量监督管理中心，搭建全省的网络平台，各供电分公司分别组建子网络，同时数据能够通过局域网向省电能质量监督管理中心转发,电力监管中心也可通过访问各子站数据服务器查看各监测点的原始数据.对于重点性的监测站点，如电气化铁路典型牵引站、超大型谐波源用户、机场、军事基地等敏感性负荷也可由电力监管中心直接管理1。电能质量一般是指电压与电流的幅值、频率、波形等参量离规定值的偏差。随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业控制及日常生活中的应用也日益广泛。一方面大量的非线性负荷、非对称设备以及冲击性负荷的投运，使公用电网中产生了大量的谐波干扰以及电压畸变、谐波注入、电压波动和三相不平衡等问题，电能质量不断恶化。另一方面基于计算机、微电子控制技术的设备、装置和生产线的不断增加，电网中这些负荷对电能的质量特别敏感，有时电能质量的不正常会造成严重事故.因此电能质量问题对当前开放型经济体系中的影响日益严重,如何保证优良的电能质量成为一项重要的研究课题。1.2电能质量监测的现状与发展现在的电能质量监测仪的检测方式具有主动的、永久持续的、反映系统性能的特点。而且电能质量监测系统正在朝着在线监测、实时分析、网络化和智能化的方向发展。未来趋势，国际上电能质量监测系统发展趋势可概括为四点，即网络化、信息化、标准化和智能化。目前较为合理且流行的网络模式是具有三层体系结构，且集成语音、数据、图像等各类业务为一体的信息化综合性网络。标准化体现在数据设计格式标准化和显示界面标准化，采用PQDIF作为数据转化存储格式，使多数据源具有良好的兼容性，便于实现数据共享。采用统一的数据报表格式和人机交互界面，使显示界面标准化。监测系统利用先进的数学方法和工具对电能质量现象和实测数据进行挖掘、分析和整理。对电能质量扰动做出科学的评估，为电力部门改善电能质量提供决策依据.国内电能质量监测系统的发展趋势主要是在线式电能质量监测产品,电能质量监测采用的主要监测方式有连续监测、定时巡回监测和专项监测.这里连续监测方式所使用的主要仪器就是在线式的电能质量监测产品，由于这种产品多是借助于计算机网络来实现电能质量的远程监测,在国际上在线式的电能质量监测产品又被叫作电能质量远程监测产品。这类产品适用于公共供电点电能质量的连续监测和多点监测组成区域性的电能质量在线监测网，可以连续监测公共点的电压偏差、频率偏差、电压谐波。三相电压不平衡度及用户注入网的谐波电流和负序电流，具有电能质量指标超限报警、数据录取、电能质量故障分析预报和通信等功能2。个人收集整理,勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途1。3研究的主要内容本文首先介绍了课题的实际意义以及电能质量监测的现状；其次对电能质量参数的计算作了详细的描述，包括电压、电流有效值的计算、电源频率的计算、有功功率、无功功率的计算、功率因数的计算等；然后完成了对整个系统的硬件、软件设计，包括数据采集电路和显示电路等；最后通过系统的调试,完成了系统的任务。通过选择电压互感器、电流互感器将电源的电压、电流信号转换成低压信号，设计信号调理电路和测频电路测出电源频率;经低压信号采集到单片机内、通过一定算法计算电源的电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数等参数，实现单路电源电能的质量监测和显示。2.电能质量监测装置的算法研究2.1电能质量监测参数的分析电能质量指标是与电力系统安全经济运行相关的、能够对用户正常生产工艺过程及产品质量产生影响的电力供应综合技术指标描述,它涉及电压电流波形形状、幅值及其频率三大基本要素。从实用的分析角度出发,可按照电能质量扰动现象的两个重要表现特征变化的连续性和事件的突发性将电能质量指标分为两类：稳态指标和暂态指标3。稳态指标指那些连续变化的电能质量指标,包括电能质量相关国标规定的电压偏差、频率偏差、电压不平衡度、谐波和闪变等指标，以及国标中暂时没有规定的电压陷波、载波信号干扰等。稳态指标的重要特征表现为电压或者电流的幅值、频率和相位差等在时间轴上的任一时刻总是在发生小的变化,它们与额定值之间总是存在一定范围内的偏差。电能质量监测系统要求针对稳态指标进行连续记录。暂态指标指那些突然出现的电能质量扰动，包括电压暂降、暂升、短时电压中断、欠电压和瞬态过电压等，其重要特征表现为电压或者电流在短时间内严重偏离其额定值或者理想波形.目前电能质量相关国标对于暂态指标的规定甚少。对于暂态指标的监测，通常利用一个事件启动信号来进行触发记录，其记录的数据包括电压和电流波形、事件的持续时间以及最大幅值等特征值。电能质量技术指标的数据分析分为针对单个监测点的分析和系统性分析。针对单个监测点的分析：在大多数情况下，需要对单个监测点的数据进行分析,以了解该点的电能质量分布情况和变化趋势，或者找出暂态电能质量事件的原因。就单个监测点而言，在某一时刻,描述电能质量的各指标之间存在确定的相互关系，但是此时通常仅有一个或少数几个指标是主要的，根据这几个主要的指标就可以比较清晰地分析出该监测点的电能质量信息。但是，对同一时刻的物理现象所表现的指标进行分析,只能看出相关指标的微观联系，通常用于针对暂态电能质量问题的分析,以找出暂态电能质量事件的原因；对于稳态电能质量指标而言， 这种微观的分析方法是不太适用的，因为往往某个时刻的一组稳态电能质量指标没有多大的实用意义。现实中往往结合一段时间内的统计数据进行稳态电能质量指标的统计分析，各指标的统计结果一般不反映诸多现象的时刻特征，但是能够反映其可能包含的物理现象的综合特征模型,便于进一步仿真分析，并提出综合的控制措施。例如各次谐波的95%概率数据集合，通过此数据可以看出负荷的基本频谱特征,判断其属于哪类负荷,同时也便于分析判断所设置滤波器的支路及其容量等4.系统性分析:随着电能质量监测点的增多，监测网络的扩大，管理人员在时间和精力上往往不能够定期对每个监测点都进行详细的、独立的电能质量分析。考虑到电网的特征,电能质量的各个指标实际上在整个电网内有一个传递、相互影响的过程。如谐波在整个电网内的传播，以及某个监测点的电压暂降对其相邻线路的影响等. 因此，针对电能质量指标的分析,必将会发展到一个系统性的层次上，即在整个电网结构的层面上进行全局的、系统的电能质量评估和分析。当电能质量监测网络达到一定规模后,系统所面对的最大问题就是海量数据的问题。海量数据会在系统存储容量、查询性能等方面给电能质量监测系统带来很大考验，甚至可能导致整个系统的崩溃。采用系统性的分析方法，最大的优势在于可以减少直接面对无用的冗余数据,而只需要面对真正需要深入分析的电能质量问题5.这种情况下，可以利用数据挖掘技术来实现系统性电能质量指标分析。采用数据挖掘技术以后，电能质量监测系统呈现给使用者的是经过统计、整理出来的数据，通过这些数据可以很清晰地了解整个电网内各个监测点的电能质量总体情况,然后可以选择对于电能质量问题比较严重的监测点进行深入的分析-此时可以采用针对单个监测点的宏观或者微观的分析方法。本文为互联网收集,请勿用作商业用途个人收集整理，勿做商业用途2.2电能质量监测装置的常用算法电网交流信号的采样：交流信号的采样是各个参数计算的基础，也对参数的计算有着关键的作用。电能质量参数除了瞬态参数以外一般都是以电网的一个周期为单位进行处理的,所以首先要确定电网当前的周期。然后根据电网的周期进行交流信号的离散化和数字化的数据采样，并根据频率的变化调整采样时间。至于一个周期的采样点数,一般为2 的N次方，例如：128 点、256 点等等,这样便于后面一些参数的计算。所采集的一系列离散数字化的数据就代表了当前电网信号的状况，对这些原始数据进行相应处理就可以获得各种参数。当然由于硬件信号处理电路的不同,可能外部的交流信号已经经过了一定的处理，例如波形上移、波形翻转等处理，所以采样得到的一系列离散数字化的数据首先要还原这些处理，这样才能使用下面各种参数的算法6.谐波： 谐波即对周期性的交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为大于1 的整数倍基波频率的分量.随着工业技术的发展,不断有新的电力电子装置和其他非线性负荷接入电网，导致电网谐波水平逐年升高。同时目前大量使用微电子器件的仪表和设备,其对谐波干扰极其敏感。因此,谐波问题一直是主要的电能质量问题。一般电网信号都满足关系式，所以电网中主要存在的是奇次谐波，如3 次、5 次等，而偶次谐波的含量一般都很小,所以在谐波分析中一般只关注奇次谐波，这样对于运算量也会减少很多。电压闪变: 电压闪变是人眼对灯闪的主观感觉.当然在具体衡量电网质量的时候不能用主观感觉描述,需要采用某个具体的参数描述.在电压闪变方面，一般利用电压调幅波的频率、波形和幅值相关的参数进行描述。三相不平衡度: 三相不平衡度指三相电力系统中三相电压或电流不平衡的程度。理想的三相电力系统是三相对称系统，即三相电压应有相同的幅值，且相位角互差120。但实际由于各相负荷等各种因素，电力系统并不是完全平衡的。三相不平衡会带来各种危害，例如引起电机发热和振动，影响其正常运行,使一些设备的效率下降，也会导致其使用寿命缩短。不平衡达到一定程度还会产生各种电力事故7。3。 简易电能质量监测装置的硬件电路设计3.1系统硬件电路的整体功能设计电压互感器电流互感器频率捕捉电路A/D转换接口电路单片机计算电路键盘显示图3.1 系统整体框图其中电压互感器和电流互感器的作用是把高压电源信号转变成低压信号接入电路，频率捕捉电路的功能是测出电源频率的波动范围，通过数据采样和A/D转换送到单片机计算电路分析数据，通过键盘控制显示的内容.3。2 数据采集模块的设计3.2。1电压和电流信号的采集通过电压互感器和电流互感器把电源的电压和电流接入电路中，电磁感应式电压互感器其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组.特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态.电压互感器本身的阻抗很小，一旦副边发生短路,电流将急剧增长而烧毁线圈。为此,电压互感器的原边接有熔断器,副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事故.测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构,其原边电压为被测电压（如电力系统的线电压）,可以单相使用，也可以用两台接成V-V形作三相使用。实验室用的电压互感器往往是原边多抽头的，以适应测量不同电压的需要。供保护接地用电压互感器还带有一个第三线圈,称三线圈电压互感器。三相的第三线圈接成开口三角形，开口三角形的两引出端与接地保护继电器的电压线圈联接.正常运行时,电力系统的三相电压对称，第三线圈上的三相感应电动势之和为零。一旦发生单相接地时,中性点出现位移，开口三角的端子间就会出现零序电压使继电器动作，从而对电力系统起保护作用。线圈出现零序电压则相应的铁心会出现零序磁通.这种三相电压互感器采用旁轭式铁心（10KV及以下时)或采用三台单相电压互感器.对于这种互感器，第三线圈的准确度要求不高,但要求有一定的过励磁特性（即当原边电压增加时，铁心中的磁通密度也增加相应倍数而不会损坏）.本文为互联网收集,请勿用作商业用途个人收集整理,勿做商业用途在供电用电的线路中电流大大小小相差悬殊从几安到几万安都有。为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的.电流互感器就起到变流和电气隔离作用8.目前显示仪表大部分是指针式的电流表,所以电流互感器的二次电流大多数是安培级的。现在的电量测量大多数字化，而计算机的采样的信号一般为毫安级（0-5V、4-20mA等）。微型电流互感器二次电流为毫安级，主要起大互感器与采样之间的桥梁作用.3。2.2信号频率捕捉电路的设计(1)LM339芯片介绍：LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是:失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽,单电源为236V，双电源电压为1V-18V；对比较信号源的内阻限制较宽;共模范围很大,为0（Ucc-1。5V）Vo；差动输入电压范围较大,大到可以等于电源电压;输出端电位可灵活方便地选用. LM339集成块采用C14型封装，由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致,可互换使用.LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端,用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示.用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压(也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点）,另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“”端时，输出管截止，相当于输出端开路.当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态,因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的.LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值9。另外,各比较器的输出端允许连接在一起使用。(2)SS16二极管介绍SS16是一种低功耗、快恢复的肖特基二极管，具有反向恢复时间极短的特点,在电路中起保护作用(3）信号频率捕捉电路原理图图 3.2 信号频率捕捉电路原理图3。2。3 A/D转换接口电路的设计（1)ADC0809芯片简介ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据10。ADC0809各脚功能如下：D7D0：8位数字量输出引脚。IN0-IN7：8位模拟量输入引脚.VCC：+5V工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端.START：A/D转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。EOC：转换结束信号输出引脚,开始转换时为低电平，转换结束时为高电平.OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器.CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。A、B、C：地址输入线。地址输入和控制线：4条ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入.通道选择表如下表所示。表3。1 ADC0809的通道选择表CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间,ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换.OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据.OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线.CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHz,VREF（），VREF（）为参考电压输入。ADC0809应用说明:ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连.初始化时，使ST和OE信号全为低电平.送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上.在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。是否转换完毕,我们根据EOC信号来判断。当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平,转换的数据就输出给单片机了。(2）A/D转换电路原理图图3.3 A/D转换电路原理图由于ADC0809片内无时钟，可利用89C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器2分频后获得,ALE引脚的频率是89C51单片机时钟频率的六分之一。单片机时钟频率采用6MHz，则ALE引脚的输出频率为1MHz，再2分频后为500KHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求.由于ADC0809具有输出三态锁存器，其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连.地址译码引脚C、B、A分别与地址总线低3位A2、A1、A0、相连，以选通IN0-IN7中的一个通路。将P2。7（地址总线A15）作为片选信号端,在启动A/D转换时由单片机的写信号和P2。7引脚信号控制ADC的地址锁存和转换启动,由于ALE和START连在一起,因此ADC0809在锁存地址的同时,启动并进行转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号和P2。7引脚经1级或非门后,产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。3。3单片机控制系统及外围电路的设计3。3.1单片机最小系统的设计在智能化仪器仪表中，控制核心均为微处理器，而单片机以高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用，是设计智能化仪器仪表的首选微控制器,单片机结合简单的接口电路即可构成单片机最小系统，它是智能化仪器仪表的基础，也是测控、监控的重要组成部分11。单片机最小系统是在以MCS51单片机为基础上扩展,使其能更方便地运用于测试系统中，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被测试的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点,称为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件,在工业生产中称为必不可少的器件,尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。3。3.2键盘、显示电路的设计键盘显示电路中，键盘采用独立键盘。按键直接与89C51的I/O口线相连，通过读I/O口判断各I/O口线的电平状态,即可识别出按下的键.4个数码管直接与89C51的P0口相连,每个数码管用一条选通线。图 3。4 键盘显示电路原理图4。简易电能质量监测装置的程序设计4.1电能质量监测装置软件主程序设计电能质量监测装置软件的主程序流程图如图4.1所示 图4.1 电能质量监测装置主程序流程图4。2同步采样的设计4.2。1同步采样的分类目前,大多都是通过同步采样方法建立理论和算法后来采样、分析周期电气信号。由于实际工程中的采样很难达到理想的同步，存在同步误差,使数据分析的准确性和测量的精确度受到影响。因此,选择合适的采样方法、减小同步误差是提高测量精度的关键12.电网交流电气信号参数的采样方法主要有直流采样方法和交流采样方法。直流采样法是采集经变送器的直流量，软件设计简单，计算方便.但直流采样法测量精度直接受整流电路的精度和稳定性影响，同时直流采样一般只能反映被测量的单一信息(如有效值) ,无法实现实时信号的采集，从而造成测量装置产生误差.为了满足高精度、高稳定性测量的要求,现在普遍采用交流采样技术。交流采样技术是按一定要求对被测信号的瞬时值进行采样，然后对采样值进行分析处理,并获取被测量的信息.交流采样对A /D转换速度和CPU处理速度要求较高，算法复杂，但交流采样包含信息量大，实时性好，相位失真小,成为目前数据采集系统中主要的采样方式13。目前工程上使用的同步采样技术有硬件同步采样和软件同步采样.（1）硬件同步采样硬件同步采样通过专门设计的硬件电路来实现对被测信号采样脉冲的同步。由于电网的频率并非固定在某一个值，而是存在一定的偏差,因此需使采样频率实时跟踪电网信号频率变化来减少采样误差。(2)软件同步采样软件同步采样是通过在定时中断服务程序中对定时器重置定时值来实现的.首先，通过测量电网信号周期T， 然后根据周期T以及每周期内采样点数N 来确定定时器时间(= T /N ） 。当定时时间到时， 产生中断请求实现同步采样。软件同步采样不需要专门的硬件电路,成本低,只需在程序中设置中断程序即可实现14。4。2.2软件同步采样的流程图在软件设计中,主要是两个中断时间的实现。AD的采样触发信号源为F2812 的通用定时器1的溢出信号,在定时器中断中启动AD采样，通过修改F2812的计数寄存器可以设置相应的采样频率，从而可以设置AD 的采样率。利用AD 转换完成信号触发DSP芯片的外部中断INT1信号,在外部中断程序中依次读取6 通道的采集数据.其流程图如图4。2所示:图 4.2 定时器中断流程图图 4.3 外部中断INT1程序流程图4.3电能参数的计算4。3.1电压、电流有效值的计算在单片机中实现开根号原理： 假如和都是二进制序列,取值0或1。N的最高位可以根据M的最高位直接求得。设m已知，因为，所以如果m是奇数，设，那么，如果m是偶数，设，那么，所以完全有决定。余数N的次高位可以采用试探法来确定。因为，假设，则然后比较余数是否大于等于。这种比较只须根据、.、便可作出判断，其余低位不做比较。若，则假设有效，；余数;若，则假设无效，余数。同理，可以从高位到低位逐次求出M的平方根N的各位使用这种算法计算32位数的平方根时最多只须比较16次，而且每次比较时不必把M的各位逐一比较，尤其是开始时比较的位数很少,所以消耗的时间远低于牛顿迭代法.根据相电压的有效值定义，若为相邻两次采样的时间间隔，为第k个时间间隔的电压采样的瞬时值，有 （41）若相邻两次采样的时间间隔相等及为时间常数，则有 （42）同理可得电流的有效值公式: （4-3）4.3。2电源频率的计算结合实际情况,采用硬件测频的方法。输入电压经变换、隔离后通过50 Hz带通滤波器获得平滑的正弦波信号，消除经方波形成器后整形为上升沿陡峭的方波,然后接入到测量CPU的可编程计数阵列(PCA）模块,利用其上升沿捕获功能得到PCA计数器在每个方波周期内的计数值N ,于是输入电压的频率f为 （44）其中为PCA的计数频率。4.3.3有功功率、无功功率的计算(1)有功功率的计算用单片机实现cos计算：利用高级语言自动生成查表程序。利用高级语言自动生成查表程序的实质就是利用高级语言的计算功能,把原本复杂的计算转换为简单的查表结果，以文本文件的形式输出查表程序，在单片机编程中将该段程序插入相应的程序中去。在应用中需要注意的是：查表结果没有小数,故在计算输出时要四舍五入；查表结果只能在0255之间，超出此范围要加以处理.有一点要注意的是，在插入查表程序时特别要注意查表程序不能跨过0255的页面。有功功率电能用于做功被消耗，它们转化为热能、光能、机械能或化学能等，称为有功功率；又叫平均功率15。交流电的瞬时功率不是一个恒定值,功率在一个周期内的平均值叫做有功功率，它是指在电路中电阻部分所消耗的功率,以字母P表示,单位瓦特。 （4-5)其中N为一个电网周期的采样点数,和分别为对应点的电压瞬时值和电流瞬时值。(2)无功功率的计算无功功率本身并不做功,但会降低传输线路的效率并增加其线损，同时对一些设备也会产生影响。所以无功功率是一般电网中非常关注的一个参数。采用公式： （46）进行计算，其中N为一个电网周期的采样点数，和分别为电流和电压的瞬时值。由此求得的无功功率带有符号,负号表示容性，正号表示感性。4.3。4功率因数的计算在交流电路中，电压与电流之间的相位差的余弦叫做功率因数，用符号表示。在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值,即 （47)在具有阻抗的交流电路中，电压有效值与电流有效值的乘积，称为视在功率，视在功率的平方= 有功功率的平方+ 无功功率的平方。即： （48)4。3。5电能参数计算的MATLAB仿真结果（1）当电压与电流相位一致时：有功功率P1 = 4。7220e+004；无功功率V1 =1。7746e-013。仿真图像如图4.4所示：图 4。4 电压与电流相位一至时的仿真图像(2)当电压滞后电流90度时：有功功率P2 =5.3239e-012;无功功率V2 =-4。7220e+004.仿真图像如图4.5所示：图 4。5 电压滞后电流90度的仿真图像当电压滞后电流60度时：有功功率P3 =2.3610e+004；无功功率V3 =-4.0893e+004。仿真图像如图4。6所示:图 4。6 电压滞后电流60度的仿真结果图像4.4键盘、显示程序设计4。4.1键盘程序设计键盘是由若干按钮组成的开关矩阵,它是单片机系统中最常用的输入设备,用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据.一般单片机系统中采和非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统。按钮开关的抖动问题组成键盘的按钮有触点式和非触点式两种，单片机中应用的一般是由机械触点组成的16。图 4.7 键盘的结构图图 4.8输入端的波形图图4.5是键盘的结构图,当开 关S未被按下时，P2。6输入为高电平，S闭合后，P2.6输入为低电平。由于按钮是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会有抖动动，P2.6输入端的波形如图4.6所示。这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对计算机来说，则是完全能感应到的，因为计算机处理的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级，对计算机而言，这已是一个“漫长的时间了。中断时曾有个问题，就是说按钮有时灵，有时不灵，其实就是这个原因,你只按了一次按钮，可是计算机却已执行了多次中断的过程，如果执行的次数正好是奇数次，结果正确，如果执行的次数是偶数次，那就不对了。为使CPU能正确地读出P2口的状态,对每一次按钮只作一次响应，就必须考虑如何去除抖动，常用的去抖动的办法有两种：硬件办法和软件办法。单片机中常用软件法,软件法其实很简单，就是在单片机获得P2。6口为低的信息后，不是立即认定S1已被按下，而是延时10毫秒或更长一些时间后再次检测P2.6口,如果仍为低,说明S1的确按下了，这实际上是避开了按钮按下时的抖动时间。而在检测到按钮释放后（P2。6为高）再延时510个毫秒，消除后沿的抖动,然后再对键值处理.不过一般情况下，我们常常不对按钮释放的后沿进行处理，实践证明，也能满足一定的要求。当然，实际应用中，对按钮的要求也是千差万别，要根据不一样的需要来编制处理程序，但以上是消除键抖动。键盘程序的流程图如图4.9所示：个人收集整理,勿做商业用途本文为互联网收集,请勿用作商业用途图 4.9 键盘程序流程图4.4.2显示程序设计(1）LED显示器常用的LED显示器为8段.每一个段对应1个发光二极管。这种显示器有共阳极和共阴极2种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。由N各LED显示块可拼接成N位的LED显示器.LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极(或共阳极）连接在一起并接地（+5V）；每位的段码线分别与一个8位的锁存器输出相连。静态显示器的亮度较高。显示位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。而动态显示是实质是以牺牲CPU的时间来换取器件的减少。(2)显示程序流程图图4.10 显示程序流程图5。系统的调试5.1硬件调试硬件电路设计完成后，需要测试电路能否正常工作。用单片机WAVE仿真器对系统硬件进行诊断与检查;程序的输入与修改；硬件电路、程序的运行与在线仿真调试；程序的固化。用万用表测量硬件电路的通断、两点间阻值、测试点处稳定电流或电压值以及其它静态工作状态。用示波器测量模拟或数字信号电平,观察模拟信号波形及测量模拟信号频率，还可以同时观察多个信号的波形及它们之间的相位差。重点分析系统中频率捕捉电路的性能。硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器(万用表、示波器等），通过执行开发系统有关命令或运行适当的测试程序检查用户系统硬件中存在的故障。在对系统进行动态调试时，首先对各功能模块如频率捕捉电路、A/D转换电路、显示电路等进行单独调试，且调试某模块时,将整个电路板中与该模块无关的芯片拔除，这样基本上可以将故障范围限定在某个局部的电路上。依此类推，先把各个模块的故障排除,到整体调试的时候就会好办得多。5。2软件调试软件调试是通过对用户程序的汇编、连接和执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误，并加以排除纠正的过程。软件调试的一般方法是先独立后联机、先分块后组合、先单步后连续。调试时，以子程序为单位，逐步调试，使用Wave软件进行仿真。软件调试过程包括单元调试、集成调试、确认调试和系统调试4个步骤。（1)开始是单元调试，集中对用源代码实现的每一个程序单元进行测试，检查各个程序模块是否正确地实现了规定的功能。(2）集成调试把已测试过的模块组装起来，主要对与设计相关的软件体系结构的构造进行测试.（3）确认调试则是要检查已实现的软件是否满足了设计的各种需求，以及软件配置是否完全、正确。（4)系统调试是把已经经过确认的软件与其它系统成份组合在一起进行测试.5。3整体调试整条调试是指设计的软件在其硬件上实际运行，进行软、硬件联合调试,从中发现硬件故障或软、硬件之间不相匹配的地方，反复修改和调试。整体调试时，首先采取单步、断点、连续运行方式调试与硬件相关的各程序段,即可检验程序的正确性，又可在各功能独立的情况下,检验软、硬件的配合情况。然后，将软、硬件按系统工作要求进行综合运行，采用全速断点、连续运行方式进行总调试，以解决在系统总体运行情况下软、硬件的协调，从而提高系统的动态性能.总结与展望本设计中对比分析了同步采样过程中硬件同步采样与软件同步采样，设计了前端数据采集模块，探讨了电能质量监测装置前端数据采集模块的组成部分。根据实际情况，本设计中的采样方式采用软件同步采样的方法，省去了用硬件同步采样需要的各种要求较高的硬件。而且软件同步采样编程方便，容易实现,但是有同步性不如硬件同步采样的缺点.针对信号频率捕捉电路、单片机计算电路以及A /D转换接口电路等各个部分，设计了具体的电路，同时根据实际应用的需要,对接口的电气参数、芯片的选择等进行了说明。在信号频率捕捉电路中,采用了LM339芯片和SS16肖特基二极管。LM339为超低功耗四电压比较器,失调电压小,电源电压范围宽，输出端电位可灵活选择.当电网某相电压信号缺失时,系统仍能正常采样.在单片机最小系统中，主要需要实现用单片机实现开平方的算法，从而能计算电能质量的某些参数.A/D转换电路和键盘、显示电路主要是参考单片机课本中的一些设计实例，都是比较容易实现的设计。本文的硬件电路设计对实现电网信号同步采样、实现了简易的电能质量监测。参考文献1 陈国磊,舒双宝,季振山.电能质量监测高速数据采集系统的设计和实现J。电力系统保护与控制，2009，(3）。2 姚建刚，李继光，李唐兵，肖辉耀。新型电能质量评估系统设计及应用J。电力系统及其自动化学报，2009，（2）.3 韩绍甫，杜树新。电能质量监测系统设计及实现J.电力自动化设备。2006,（4).4 周碧红，赵春宇。电能质量监测中同步采样时钟发生器的设计J.电子测量技术.2008，(6).5 麦洪,刘晓华.电能质量监测数据分析思路探索J.电气应用.2009,(13）. 6 谢朋海，张艳玲，杨黄华，邵玉槐.基于DSP的电能质量监测装置的设计与实现J.太原理工大学学报.2009,（4)。7 王建，李威，纪延超。电能质量监测算法研究及实现J.继电器。2001，(2）.8 周丽兰，江岳春,王优优.基于DSP/BIOS的电能质量监测系统研究J.计算机信息.2009，（11)。9 张凯，姜静.基于网络的电能质量监测系统设计J。国外电子测量技术。2009,（10）.10袁帅，李中伟，佟为明.双口RAM在双口CPU电能质量监测装置中的应用J.低电压器。2008，(7)。11邹正华，刘永强，王强。电能质量监测装置中数据采集模块的设计与实现J。低压电器.2009,（18).12袁俊杰.电能质量监测中一些算法的研究J.电工电气。2009,（8)。13李唐兵，姚建刚，李继光.基于MCU的电能质量在线监测仪J.仪表技术与传感器。2009,(1）.14师魁，林宇，张伟，余金霞,李忠.国内在线式电能质量监测产品的发展现状和方向J.江苏电机工程。2009，(3)。15邱关源.电路M。北京.高等教育出版社,2006.16张毅刚.单片机原理及应用M。北京.高等教育出版社，2008。17M。Di Penta,G.mercurio。 A Distributed Measurement System For PowerQuality Monitoring.CP。Daponte,IEEE senior member.2008。18bulent,mehmet.A power quality monitoring system based on MATLAB server pages.CTurk J Elec Eng&Comp Sci,Vol。18,No.2，2010.附录1 外文文献译文土耳其人J Elec工程及科学比赛，第18卷第2号,2010年基于MATLAB服务器页面的电能质量监测系统克泽尔阿里，穆罕默德电机工程学系，Yildiz科技大学，34349信箱，伊斯坦布尔,土耳其电子邮件：bvuralyildiz.edu。tr，akizilyildiz.edu.tr，uzunogluyildiz.edu。tr摘 要电源质量是客户的要求和电力公司的最重要问题之一。远程连续监测电能质量和分发中心将有助于改善电能质量.在这项研究中,一个远程的电能质量监测低压分布网络系统的开发利用MATLAB的服务器页面。MATLAB的服务器页面，这是一个开放的网络编程技术语言，结合MATLAB的完整J2EE规范.该电能质量监测系统使用MATLAB的HTML标记库，由数据采集硬件捕获的数据来评估电能质量参数.该系统可作为技术和评价方法的改善措施。关键词：分析仪；数据采集；谐波；单片机；电能质量监测；MATLAB的服务器页面;电能质量。1 引言近年来，由于供应的日益关切和对消费者提供的清洁电能中存在非正弦波，由于现代电系统在很大程度上以微控制器控制单元为基础，电能质量的干扰变得更加重要.由于这些干扰对安全运行的影响1-3,电能质量问题吸引了客户的关注。凡是不利于（例如电力电子和非线性负荷在电力系统)电力系统的影响可以被定义为电能质量干扰35。电力公司的目的是提供解决方案，以提高他们的电能质量,具体上如供应的连续性和电压质量6，7。电能质量正确的理解可以帮助公司确定一个合适的方法，以提高电能质量8。电能质量监测是一个基于数据采集，电压和电流的传输和实时分析电源信息的过程.电能质量的连续测量和监测系统的电能质量分析，可以用很多功能，如通信与互联网网络，统计分析，通过不间断的测量，采用Web的部署。一般来说,电能质量的监测系统分为三代,根据功能分类。在第一代，功能是显示电参数（电压,电流和功率等)和评估电能质量。在第二代,功能是事件检测，电能质量的参数计算,串行通信和显示功能。终于，在第三代的功能是电能质量的参数计算，通信和网络浏览功能。已经有一些文献中有关于第三代电能质量的监测系统的研究。柳等人11提出了一个利用一个用户友好接口的数据库管理系统来存储电能质量数据。活动服务器网页(ASP）是用于实现网络到应用程序和数据库使用户能够通过浏览器监控系统的电能质量。陈等人12研