石家庄铁道大学电气专业毕业设计定稿 - 图文(3)

石家庄铁道大学毕业设计

国外有关电能质量监测的研究正掀起高潮，从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。

①理论方面积极开展电能质量指标的评价体系研究。如何评价电能质量的好坏，通常使用的几种定量评价电能质量的指标如总谐波畸变率，功率因数等，但当波形为非周期信号、频率为分数次谐波频率时，上述评价指标就有不协调的问题。这涉及到如何处理畸变、不平衡现象的功率定义问题，这方面国外已经作了大量研究，并给出了一些建议，但至今尚未取得一致意见。

②针对上述的电能质量问题，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。

③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，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。

④用户电力技术。它是将电力电子技术、微处理机技术、自动控制技术等高新技术运用于中、低压配电系统和用电系统中，以减小谐波畸变。消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断，从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。用户电力技术概念的提出，有助于供电部门提供高可靠性和高质量的电力，也有助于满足各种新工艺用户对电力供应的更高要求。用户电力技术控制器包括上面介绍的动态电压恢复器、固态断路器、统一电能质量调节器等。

1.2.2 我国的研究现状

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监测和改善电能质量的主要措施是采用电力电子技术。目前，国内在电能质量监测方面的研究大多局限在谐波问题的范围内，也提出和开发了一些监测和改善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。

电能质量监测的基础理论研究，包括统一的畸变波形下电能质量的含义，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等。目前为适应不同需要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各有所长，但距离理论上和实际上的统一的并易于接受的表达式尚有一定的差距。

1.3 本设计的主要工作

本文基于MSP430F149单片机，其最大采样频率为25600 Hz，RS-232串行通信波特率为9 600 bps结合由四双向模拟开关CD4066与RC带通滤波电路等构成。分为单片机主控制模块，电源模块、信号采集模块和液晶显示模块。待测的模拟信号是电网中的交流高电压和交流大电流，为了隔离高电压和大电流需要进行幅值转换变成低电压和小电流，然而，这里不仅仅幅值是最重要的，为了不产生附加的畸变，变换过程中的频率响应也应具有适当的带宽。设计选取了DVDI-001卧式穿芯小型精密电压互感器(Potential Transformer，PT)和TA1419-4卧式穿芯小型精密交流电流互感器(Current Transformer，CT)来满足以上要求。220V的高压电和大电流经过互感器可转化为幅值为－0.5~+0.5 V的微信号。信号调理电路使－0.5~+0.5 V的输入信号进行约3倍的放大和1.6 V的抬升。而输出数据由1602液晶显示出来。

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第2章 系统原理设计

2.1 交流采样原理

一般来说，对电力系统参数采样和计算的方法主要有两种：直流采样法和交流采样法。直流采样法是采样经过整流后的直流量，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，过程设

法存在一些问题：测量精

度直接受整流电路的精度和稳定性的影响；整流电路参数调整困难且受波形因素影响较大；此外，用直流采样法测量工频电压、电流是通过测量平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同时，平均值与有效值之间的关系也将发生变化，给计算结果带来了误差。因此，要获得高精度、高稳定性的测量结果，须采用交流采样技术。

交流采样技术是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值处理，从而获得被测量的测量方法。该方法的理论基础是采样定理，即要求采样频率为被测信号频谱中最高频率的2倍以上，这就要求硬件处理电路能提供高的采样速度和数据处理速度。目前，DSP、高速MCU及高速A/D转换器的大量涌现，为交流采样技术提供了强有力的硬件支持。交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非同步采样法等种，我们重点介绍同步采样法。

同步采样法就是整周期等间隔均匀采样，要求被测信号周期T与采样时间间隔?t及一周内采样点数N之间满足关系式T = N×?t，即：采样频率为被测信号频率的N倍。根据提供采样信号方式不同，同步采样法又分为软件同步采样法和硬件同步采样法两种。本文主要涉及硬件同步法。

(1)硬件同步法

硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。一种利用过零中断理实现同步等间隔采样的电路如图2-1 所示。

图2-1 过零中断电路

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此电路原理为过零比较器，其阀值电压等于零。比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号是数字量1和0，因此可以为采样电路提供硬件中断。处于开环状态的集成运放是一种简单的过零比较器，如上图。上图中集成运放TL062工作在非线性状态，因此当u1?0时，u0??Uopp；当u1?0时，u0??Uopp。其中Uopp是集成运放的最大输出电压。

2.2 电能质量参数算法

针对电能质量的六项国家衡量标准，可以将其归类为以下几个方面来计算，其基本思路是将连续信号的计算公式离散化并近似转变成采样信号的计算公式。

2.2.1 快速傅里叶变换算法原理

傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是电信和信号处理等领域中的一种重要工具。离散傅立叶变换(DFT)是连续傅立叶在离散系统中的表现形式，但由于DFT运算量太大，即使采用计算机也很难对问题进行实时分析，所以并没得到真正的应用。而快速傅立叶变换 (FFT)是快速计算(DFT)的一种高效方法，在实际应用中成为稳态谐波测量的最好方法。在本系统中，对电压和电流两个信号同时进行采样，同时作频谱分析，以便快速给出它们的频谱序列和各次谐波的幅值和相角。

将N?2L的序列x(n)先按n的奇偶分为以下两组：

x(2r)?x1(r)?N?,r?0,1,.......?1 (2-1)

x(2r?1)?x2(r)?2则可以将DFT化为：

X(k)?DFT[x(n)]??x(n)WNnkn?0N2?1N2?1N?1??x(2r)WN2rk??x(2r?1)WN(2r?1)k (2-2)

n?02n?0N?1N2?1??x1(r)(WN2)rk?WNk?x2(r)(WN2)rkn?0n?0利用系数WNnk的可约性和对称性，上式可以表示成两个部分： 前半部分X(k)(k?0,1,.....N/2?1)：

X(k)?X1(k)?WNkX2(k),k?0,1....... 6

N2?1 (2-3)

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后半部分X(k)(k?N2,.....N?1)：

X(k?N2)?X1(k)?WNkX2(k),k?0,1.......N2?1 (2-4)

本设计中，我们对电压电流两个信号同时进行采样，同时做频谱分析，他们的频谱序列分别为Un和In，采用复序列FFT计算。

设：

fk?uk?jik (k?0,1,2.........,N?1) (2-5)

频谱算式为：

Fn??fkWNnk (k?0,1,2.........,N?1) (2-6)

k?0N?1根据式(2-1)~(2-4)，我们可以得到：

Fn?Un?jIn??? (2-7)

FN?n?UN?n?jIN?n?Un?jIn由(2-7)从而得到电压电流的频谱序列为：

?1?Un?(Fn?FN?n)?2? (2-8) ??1?In?(Fn?FN?n)2j??上面式子中FN?n为FN?n的共轭复数。下面我们来推导信号经过FFT变换后的幅值和相位表达式。

假设有周期信号：

x(t)?A1sin(?1t??1) (2-9)

?其中：?1t=

2?T1，T1是信号的周期。

采样后得到的离散序列表达式为：

x(n)?A1sin(2?nN??1) (2-10)

N为一个周期采样的点数。

对x(n)进行DFT变换得到：

[n(?)?]xnW(Nnk) X(k)?DFTxn?0N?1 7

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