電能質(zhì)量分析—硬件設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：電能質(zhì)量分析硬件設(shè)計(jì)院（系） 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 0090415 姓 名 陳凱 學(xué) 號(hào) 090415101 導(dǎo) 師 宋曉茹 2013年 6月 電能質(zhì)量分析硬件設(shè)計(jì)摘 要 現(xiàn)代電力電子設(shè)備和非線性負(fù)載的大量使用又造成電能污染日趨嚴(yán)重，電能質(zhì)量成為電力部門及其用戶日益關(guān)注的問題,因此對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)與分析具有重要的意義。本文在查閱國(guó)內(nèi)外電力參數(shù)檢測(cè)技術(shù)的有關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，提出了基于pic單片機(jī)的電能質(zhì)量檢測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)方案, 設(shè)計(jì)采用以picl8f458為核心，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換模塊、通訊轉(zhuǎn)換電路、人機(jī)交換電路、時(shí)鐘電路，最

2、后的實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)是可行的！ 關(guān)鍵詞：pic單片機(jī)；電能質(zhì)量檢測(cè)；電壓檢測(cè)；頻率轉(zhuǎn)換ithe power quality analysis hardware designabstractmodern power electronic devices and nonlinear loads caused by heavy use of energy and pollution is worsening, power quality, power sector and its users become a growing concern. however, with science an

3、d technology and the rapid development of the national economy, industrial production on the power quality have become increasingly demanding. therefore, power quality testing and analysis has important significance. in the literature on the basis of domestic and international power parameter detect

4、ion technology, the overall design of the pic microcontroller-based power quality detector design uses a pic18f458 as the core, the design of data acquisition and conversion modules, communication conversion circuit, the human-computer exchange circuit, clock circuit. the final experimental debuggin

5、g results show that the design is feasible.key words: pic microcontroller; power quality detector; voltage detection; frequency conversion目錄摘 要iabstractii1緒論11.1電能質(zhì)量問題的提出11.2電能質(zhì)量定義21.3電能質(zhì)量的指標(biāo)31.3.1電壓偏差31.3.2頻率偏差31.3.3電網(wǎng)諧波含量31.3.4電壓波動(dòng)與閃變41.3.5三相不平衡度41.4電能質(zhì)量的改善措施51.5電能質(zhì)量檢測(cè)的研究現(xiàn)狀與展望61.6系統(tǒng)主要研究?jī)?nèi)容62電能質(zhì)量檢測(cè)系

6、統(tǒng)總體設(shè)計(jì)72.1系統(tǒng)功能72.2系統(tǒng)組成73電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)93.1系統(tǒng)硬件框圖93.2單片機(jī)簡(jiǎn)介93.2.1pic18f458系列概述103.2.2pic18f458單片機(jī)整體控制113.3數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換123.3.1電壓和電流的檢測(cè)123.3.2信號(hào)調(diào)理電路143.3.3a/d轉(zhuǎn)換電路143.3.4測(cè)頻電路153.4通信轉(zhuǎn)換電路163.4.1can總線簡(jiǎn)述163.4.2can總線與pic單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)163.5人機(jī)交換部分電路設(shè)計(jì)173.5.1鍵盤接口設(shè)計(jì)173.5.2lcd接口設(shè)計(jì)183.6時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)203.6.1芯片介紹203.6.2時(shí)鐘芯片接口設(shè)計(jì)204電能質(zhì)量檢測(cè)系

7、統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)224.1干擾的成因及危害224.2硬件干擾設(shè)計(jì)225電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)試245.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)特色245.2系統(tǒng)調(diào)試246結(jié)論25致 謝267參考文獻(xiàn)27畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明28畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明29附錄30附錄a 電路原理圖30附錄b pcb布線圖31附錄c 外文翻譯32441 緒論1 緒論電能是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、清潔且容易控制和轉(zhuǎn)換的能源形態(tài)，是電力部門向電力用戶提供由發(fā)、供、用三方共同保證質(zhì)量的一種特殊產(chǎn)品。隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種工業(yè)生產(chǎn)對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的要求越來越高，電能質(zhì)量的高低，已成為影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。然而，現(xiàn)代電力電子設(shè)備

8、和非線性負(fù)載的大量使用又造成電能污染日趨嚴(yán)重，電能質(zhì)量成為電力部門及其用戶日益關(guān)注的問題。因此對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)與分析具有重要的意義。1.1電能質(zhì)量問題的提出 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是電力電子技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)中沖擊性、非線性負(fù)載不斷增加，使得電網(wǎng)出現(xiàn)諧波污染、電壓波動(dòng)、閃變、功率因數(shù)降低、三相不平衡等問題。這些問題嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的信息型社會(huì)，高速計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、數(shù)字存儲(chǔ)器等電子設(shè)備在人們的生活、生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，這些精密設(shè)備對(duì)電能的供應(yīng)提出了更高的要求。 用電需求增加和電力系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大，非線性、沖擊性、不平衡性的負(fù)荷日

9、益增多，所導(dǎo)致的各種電能質(zhì)量問題也越來越嚴(yán)重，造成電網(wǎng)供電質(zhì)量降低，運(yùn)行狀況惡化。電能質(zhì)量引發(fā)的糾紛和電網(wǎng)事故呈上升趨勢(shì)，電能質(zhì)量的檢測(cè)管理和電力污染的治理工作變得越來越重要。電能質(zhì)量問題已引起各國(guó)電力工作者的高度重視豫電能質(zhì)量通常包括電壓質(zhì)量和電流質(zhì)量。電壓質(zhì)量包括電壓偏差、電壓頻率偏差、電壓不平衡、電磁暫態(tài)現(xiàn)象、電壓波動(dòng)與閃變、短時(shí)電壓變動(dòng)、電壓諧波、電壓間諧波、電壓缺口、欠電壓、過電壓等；電流質(zhì)量與電壓質(zhì)量密切相關(guān)。電流質(zhì)量包括電流諧波、間諧波、電流相位超前與滯后、噪聲等。研究電流質(zhì)量有助于電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善，降低線路損耗，但不能概括大多數(shù)因電壓原因造成的質(zhì)量問題，而后者往往并不總是用電

10、造成的。為了提高電能的傳輸效率，除了要求用戶汲取的電流是單一頻率正弦波外，還應(yīng)盡量保持該電流波形與供電電壓相同。目前，諧波、電磁干擾、功率因數(shù)降低己并列為電力系統(tǒng)的三大公害。電能質(zhì)量問題主要由終端負(fù)荷側(cè)引起，如沖擊性無功負(fù)載會(huì)使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，進(jìn)而降低了供電質(zhì)量。隨著電力設(shè)備在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，它既給現(xiàn)代工業(yè)帶來節(jié)能和能量變換積極的一面，同時(shí)又對(duì)電能質(zhì)量帶來了新的更加嚴(yán)重的損害，已成為電網(wǎng)的主要諧波污染源。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波還會(huì)引起電力系統(tǒng)局部發(fā)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量被

11、 放大，致使電容器等設(shè)備燒毀。因而消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對(duì)改善電能質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常積極的意義。1.2電能質(zhì)量定義電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的質(zhì)量。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、標(biāo)準(zhǔn)正弦波和額定電壓對(duì)用戶供電。同時(shí)，在三相交流系統(tǒng)中，各相電壓和電流的幅值大小應(yīng)相等、相位對(duì)稱且相差120度。但由于系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器和線路等設(shè)備非線性或不對(duì)稱、負(fù)荷性質(zhì)多變，加之調(diào)控手段不完善及運(yùn)行操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想狀態(tài)并不存在。因此，產(chǎn)生了電網(wǎng)運(yùn)行電力設(shè)備和供用電環(huán)節(jié)中的各種問題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量的概念。電能質(zhì)量的具體指標(biāo)通常為

12、國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局相繼頒布的涉及電能質(zhì)量五個(gè)方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即：供電電壓允許偏差，供電電壓允許波動(dòng)和閃變，供電三相電壓允許不平衡度，公用電網(wǎng)諧波，以及供電頻率允許偏差等的指標(biāo)限制。圍繞電能質(zhì)量含義，從不同角度理解通常包括：(1) 電壓質(zhì)量。給出實(shí)際電壓與理想電壓間的偏差，以反映供電部門向用戶分配的電力是否合格。電壓質(zhì)量通常包括電壓偏差、電壓頻率偏差、電壓不平衡、電磁暫態(tài)現(xiàn)象、電壓波動(dòng)與閃變、短時(shí)電壓變動(dòng)、電壓諧波、電壓間諧波、電壓缺口、欠電壓、過電壓等。 (2) 電流質(zhì)量。電流質(zhì)量與電壓質(zhì)量密切相關(guān)。為了提高電能的傳輸效率，除了要求用戶汲取的電流是單一頻率正弦波外，還應(yīng)盡量保持該電流波形與供電電壓

13、相同。電流質(zhì)量通常包括電流諧波、間諧波、電流相位超前與滯后、噪聲等。研究電流質(zhì)量有助于電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善，降低線路損耗，但不能概括大多數(shù)因電壓原因造成的質(zhì)量問題，而后者往往并不總是用電造成的。 (3) 供電質(zhì)量。它包括技術(shù)含義和非技術(shù)含義兩部分。技術(shù)含義有電壓質(zhì)量和供電可靠性;非技術(shù)含義是指服務(wù)質(zhì)量，包括技術(shù)供電部門對(duì)用戶投訴與抱怨的反應(yīng)速度和電力價(jià)目的透明度等。(4) 用電質(zhì)量。用電質(zhì)量反映供用電雙方相互作用與影響的責(zé)任和義務(wù)，它包括技術(shù)含義和非技術(shù)含義等。技術(shù)含義包括對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的影響和要求。非技術(shù)含義是指用電責(zé)任和義務(wù)的履行質(zhì)量，如用戶是否按時(shí)、如數(shù)繳納電費(fèi)等。國(guó)內(nèi)外對(duì)電能

14、質(zhì)量確切的定義至今尚沒有形成統(tǒng)一的共識(shí)。ieee標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)委員會(huì)已經(jīng)給出了power quality(電能質(zhì)量)的技術(shù)定義，合格電能質(zhì)量的概念是指，給敏感設(shè)備提供電力和設(shè)置的接地系統(tǒng)均適合于該設(shè)備正常工作。國(guó)際電工委員會(huì)(iec)也給出了定義，電能質(zhì)量定義是指在電力系統(tǒng)中某一指定點(diǎn)上電壓的特性，這些特性可根據(jù)預(yù)定的基準(zhǔn)、技術(shù)參數(shù)來評(píng)價(jià)。根據(jù)這一定義，可以認(rèn)為電能質(zhì)量就是電壓質(zhì)量，合格的電能質(zhì)量應(yīng)當(dāng)是恒定頻率和恒定幅值的正弦波形電壓與連續(xù)供電。但大多數(shù)專家認(rèn)為，對(duì)現(xiàn)代電能質(zhì)量的定義應(yīng)理解為“導(dǎo)致用戶電力設(shè)備不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差，造成用電設(shè)備故障或錯(cuò)誤動(dòng)作的任何電力問題都是電能質(zhì)量問

15、題”，這個(gè)定義概括了電能質(zhì)量問題的成因和后果，當(dāng)然這里的“偏差”應(yīng)作廣義的理解，它還包括供電可靠性的問題。1.3電能質(zhì)量的指標(biāo)理想的三相交流供電系統(tǒng)的三相交流電壓是平衡的，其幅值和頻率都是恒量。電壓和電流的波形為正弦無畸變波形。電能質(zhì)量通常用電網(wǎng)的實(shí)際狀況與理想系統(tǒng)的差距來衡量。主要有五個(gè)指標(biāo)：電壓偏差、頻率偏差、諧波含量、電壓波動(dòng)和閃變、三相電壓不平衡度。1.3.1電壓偏差電壓偏差是指電力系統(tǒng)各處的電壓偏離其額定值的百分比，當(dāng)用電設(shè)備端子上出現(xiàn)電壓偏差時(shí)，其運(yùn)行參數(shù)和壽命將受到影響，影響程度視偏差的大小、持續(xù)的時(shí)間和設(shè)備狀況而異，電壓偏差計(jì)算公式如下：電壓偏差（）（實(shí)際電壓額定電壓）/額定電

16、壓*100 (1.1)目前，gb12325-1990供電電壓允許偏差中規(guī)定：電壓偏差是在正常運(yùn)行條件下應(yīng)保持電網(wǎng)各點(diǎn)電壓在額定的水平上。其中：35kv 及以上供電電壓和對(duì)電壓質(zhì)量有特殊要求的用戶為55；10kv 及以下高壓供電和低電壓用戶為額定電壓的77；低壓照明用戶為額定電壓的510為了保證用電設(shè)備的正常運(yùn)行，在綜合考慮了設(shè)備制造和電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)合理性后，對(duì)各類用戶設(shè)備規(guī)定了如上允許偏差值，此值為工業(yè)企業(yè)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。1.3.2頻率偏差我國(guó)的電力系統(tǒng)額定頻率為 50hz，頻率偏差是指電力系統(tǒng)頻率的實(shí)際值和額定值之差，用下式表示： (1.2)式中f為頻率偏差，f為系統(tǒng)的實(shí)際頻率，f

17、n為系統(tǒng)的額定頻率，即50hz。頻率偏差對(duì)電力系統(tǒng)極其設(shè)備的影響，取決于偏離值的大小和偏移持續(xù)時(shí)間。概括地說正負(fù) 0.5hz之內(nèi)主要是經(jīng)濟(jì)問題，即引起設(shè)備的效率降低。偏離值超過了正負(fù)0.5hz不僅使設(shè)備效率降低，還有可能危及設(shè)備的安全，輕則引起不可逆的累積性損傷，重則立即損壞設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解甚至崩潰。1.3.3電網(wǎng)諧波含量諧波即對(duì)周期性的變流量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解得到頻率大于1的整數(shù)倍基波頻率的分量。電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的根本原因是由于系統(tǒng)中某些設(shè)備和負(fù)荷的非線性特性，即所加的電壓與電流不成線性關(guān)系而造成的波形畸變。波形畸變后，會(huì)產(chǎn)生高次諧波。這是因?yàn)閷?duì)一個(gè)周期性非正弦量（如電壓、電流、磁通等）進(jìn)行傅

18、立葉級(jí)數(shù)分解，即可得到一個(gè)同頻率的和很多整數(shù)倍頻率的正弦波之和，即基波和各次諧波。對(duì)諧波的測(cè)量一般包括：各次諧波分量幅值和相位，各次諧波含有率（hr）、總諧波畸變率（thd）、諧波功率（ph）。為了定量表示電力系統(tǒng)正弦波形的畸變程度，采用以各次諧波含量及諧波總量大小表示的下列波形畸變指標(biāo)：(1) 諧波含有率（hr）：h次諧波分量的有效值（或幅值）與基波分量的有效值（或幅值）之比。(2) 總諧波畸變（thd）：諧波總量的有效值與基波分量的有效值之比。理論上，諧波測(cè)量通常是利用諧波分析的方法求出信號(hào)的各次諧波（電壓或電流）的幅值和相角，然后由相應(yīng)公式可以方便的求出總諧波畸變率（thd）、諧波功率（

19、ph）。電網(wǎng)諧波的增加，將導(dǎo)致電器設(shè)備壽命縮短，網(wǎng)損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加，同時(shí)可能引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)，儀器指示和電度計(jì)量不準(zhǔn)以及通信受干擾等一系列問題。由于諧波引起的損耗以及電氣設(shè)備絕緣壽命的縮短所造成的等值損失量也很可觀。如果電網(wǎng)中諧波嚴(yán)重超標(biāo)或發(fā)生諧波諧振，則損耗將大大增加。提高電能質(zhì)量，防止諧波的危害，限制電力系統(tǒng)的諧波，就是要把上列指標(biāo)限制到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。1.3.4電壓波動(dòng)和閃變電壓波動(dòng)是指一系列電壓變動(dòng)或工頻電壓包絡(luò)線的周期性變化。電壓波動(dòng)值為電壓均方根值的兩個(gè)極值umax和umin之差u，通常以其額定電壓un的百分?jǐn)?shù)表示其相對(duì)百分值，即： (1

20、.3)電壓的快速變動(dòng)是指供電電壓在兩個(gè)相鄰的，持續(xù)一定時(shí)間的電壓均方根值u1和u2之間的差值，稱為電壓變動(dòng)。通常以額定電壓的百分?jǐn)?shù)來表示電壓的相對(duì)百分值。即： (1.4)在不超過30ms的期間內(nèi)，同方向的二次或二次以上的電壓均方根值的變動(dòng)，只算作一次變動(dòng)。也就是說，同方向小于30ms的快速變化不計(jì)入電壓變動(dòng)。在單位時(shí)間內(nèi)電壓變動(dòng)的次數(shù)稱為電壓變動(dòng)的頻度。一般以1/min或1/s為單位。供電系統(tǒng)中電壓的波動(dòng)和閃變多是由用戶的波動(dòng)性負(fù)荷引起的，波動(dòng)性負(fù)荷可分為周期性波動(dòng)負(fù)荷和非周期性波動(dòng)負(fù)荷兩類。周期性或近似周期性的波動(dòng)負(fù)荷對(duì)閃變的影響更為嚴(yán)重。波動(dòng)性負(fù)荷在系統(tǒng)阻抗上將引起電壓降上的波動(dòng)。當(dāng)負(fù)荷波

21、動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)功率和系統(tǒng)阻抗越大，則導(dǎo)致的電壓波動(dòng)越大，這取決于供電系統(tǒng)的容量，供電電壓，用戶負(fù)荷大小，類型，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻度和功率等。1.3.5三相不平衡度電力系統(tǒng)的三相不平衡是由于三相負(fù)載不平衡以及系統(tǒng)元件參數(shù)的不對(duì)稱所致。當(dāng)三相電源電壓畸變不對(duì)稱時(shí)，對(duì)于三相四線制電路，電壓中除了含有諧波分量外，還含有正序，負(fù)序，零序分量。對(duì)于三相三線制電路，沒有零序分量，所以，三相電量的不平衡度通常以負(fù)序分量與正序分量的有效值的百分比值來表示： (1.5)式中：u1為三相電壓正序分量的有效值；u2為三相電壓負(fù)序分量的有效值。三相電壓的不平衡主要是因?yàn)榉峙湓谌嗌系呢?fù)荷不平衡所致。系統(tǒng)三相阻抗不對(duì)稱，消弧線圈補(bǔ)

22、償電網(wǎng)不平衡，電動(dòng)機(jī)車等大容量非對(duì)稱負(fù)荷的接入也會(huì)造成三相電壓的不平衡。國(guó)際中對(duì)三相不平衡的規(guī)定如下：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為2，短時(shí)不得超過4，電氣設(shè)備額定工況的電壓允許不平衡度和負(fù)序電流允許值仍由各自標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。1.4電能質(zhì)量的改善措施電能質(zhì)量的好壞是電力工業(yè)水平的重要標(biāo)志。改善電能質(zhì)量，抓好管理工作是不可忽視的環(huán)節(jié)，因此我們可以做一些工作：1） 建立質(zhì)量管理體系。2）電氣產(chǎn)品的電能質(zhì)量管理。3）改善 電能質(zhì)量還要對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行研究。4）隨著高性能的電力電子元器件(例如 gto、igbt、ltt等)的出現(xiàn)，國(guó)外專家提出了柔性交流輸電 (facts)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上也提出了一

23、些解決電能質(zhì)量問題的方法。(1) 調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的分接頭，可保持電壓穩(wěn)定，保證電壓質(zhì)量，但不能改變系統(tǒng)無功需求平衡狀態(tài)，同時(shí)也可能影響變壓器運(yùn)行的可靠性。(2) 局部并聯(lián)電容器組的投切，可補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率，解決電壓偏低的情況，但對(duì)輕載電壓偏高的電能質(zhì)量問題卻無能為力。(3) 無源濾波器是傳統(tǒng)的抑制諧波電流的主要手段，它通過lc諧振吸收電網(wǎng)中的諧波電流但只能抑制固定頻率的諧波，同時(shí)也可能造成系統(tǒng)諧振。(4) 通過備用發(fā)電機(jī)組和機(jī)械式雙電源切換裝置（2 s）等方法對(duì)重要用戶連續(xù)供電。以上方法都能在一定程度上解決電能質(zhì)量問題，但也都存在著本身無法克服的缺陷，因此必須提出新的解決電能質(zhì)量問題的方法

24、。1988 年美國(guó) n.g.hingorani博士首次提出了custom power的概念，即將電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)、控制技術(shù)等高新技術(shù)運(yùn)用于中、低壓配、用電系統(tǒng)，以減小諧波畸變，消除電壓波動(dòng)、電壓閃變、電壓的不平衡和供電的短時(shí)中斷，從而提高供電可靠性和電能質(zhì)量的新型綜合技術(shù)。用戶電力技術(shù)的提出為全面解決供電網(wǎng)電能質(zhì)量問題提供了一種新的途徑。作為facts 技術(shù)在配電系統(tǒng)應(yīng)用的延伸dfacts技術(shù)（又稱custom power技術(shù)）已成為改善電能質(zhì)量的有力工具，該技術(shù)的核心器件igbt比gto具有更快的開關(guān)頻率，并且關(guān)斷容量已達(dá)mva級(jí)，因此dfacts裝置具有更快的響應(yīng)特性。目前主要的

25、dfacts裝置有：有源濾波器（apf）、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（dvr）、配電系統(tǒng)用靜止無功補(bǔ)償器（dstatcom）、固態(tài)切換開關(guān)（ssts），統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（upqc）等。其中apf（屬于并聯(lián)補(bǔ)償）是補(bǔ)償諧波的有效工具；而dvr（屬于串聯(lián)補(bǔ)償）通過自身的儲(chǔ)能單元，能夠在ms級(jí)內(nèi)向系統(tǒng)注入正常電壓與故障電壓之差，因此是抑制電壓暫降的有效裝置，upqc綜合了串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，既能抑制電流諧波，又能補(bǔ)償電壓畸變量，是一種綜合的補(bǔ)償裝置。用戶電力技術(shù)是基于用戶對(duì)電能質(zhì)量越來越高的要求的，提供多級(jí)別的電能質(zhì)量服務(wù)將成為未來供電的趨勢(shì)?；诂F(xiàn)代電力電子和控制技術(shù)的用戶電力技術(shù)將是解決這一問題的有

26、效途徑，其中，用于提高供電質(zhì)量的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)，提高電能利用率及利用新能源的電能變換技術(shù)，以及用于提高系統(tǒng)反事故能力的固態(tài)開關(guān)技術(shù)，這三種用戶電力技術(shù)會(huì)大大提高供電質(zhì)量的可靠性，有著廣闊的應(yīng)用前景。1.5電能質(zhì)量檢測(cè)的研究現(xiàn)狀與展望由于電能質(zhì)量需要檢測(cè)的量很多而且大多是高度畸變的，傳統(tǒng)的方法是采用模擬信號(hào)的分析，檢測(cè)不同的電能質(zhì)量指標(biāo)使用不同的儀表。如傳統(tǒng)的測(cè)量電壓和電流有效值的電壓表、電流表，測(cè)量功率損耗的有功表、無功表，測(cè)量頻率的頻率表，還有諧波表、三相不平衡度計(jì)、電壓波動(dòng)和閃變儀。此類儀器的不足之處是可監(jiān)測(cè)的指標(biāo)少，通用性差、精度較低、自動(dòng)化程度較低。目前電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

27、傾向于采用永久性的固定設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)于固定電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備而言，需要綜合考慮成本和性能進(jìn)行專門的研制?；谖⑻幚砥鞯闹悄芑娔苜|(zhì)量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備采用嵌入式系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在設(shè)計(jì)上具有在線監(jiān)測(cè)、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)性好和成本低的特點(diǎn)。它具有在線監(jiān)測(cè)、精度高、升級(jí)潛力大、實(shí)時(shí)性好、體積小、成本低的特點(diǎn)，既適用于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量分析，也適用于長(zhǎng)期的在線監(jiān)測(cè)。電能質(zhì)量的分析和監(jiān)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它設(shè)計(jì)到電力系統(tǒng)、自動(dòng)控制、現(xiàn)代通信等多個(gè)方面。目前乃至今后一段時(shí)間內(nèi)，它在發(fā)展中要解決以下幾方面的問題：1）基礎(chǔ)理論的研究。2）新型算法的開發(fā)。3）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化。電能質(zhì)量分

28、析及及其監(jiān)測(cè)是一個(gè)較復(fù)雜的問題，如何合理、全面地分析處理各種干擾源，充分將計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為電能質(zhì)量分析與監(jiān)測(cè)所用，都是應(yīng)注意的問題。同時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在功能上提出了更高的要求，也表明這一應(yīng)用領(lǐng)域的研究需要多種技術(shù)的相互融合和各個(gè)領(lǐng)域的密切合作。1.6系統(tǒng)主要研究?jī)?nèi)容本系統(tǒng)主要是通過對(duì)三相電流和電壓進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)一套電能質(zhì)量檢測(cè)裝置，該裝置前臺(tái)進(jìn)行電流、電壓值的采集，后臺(tái)軟件系統(tǒng)通過各種算法對(duì)采樣進(jìn)行分析，從而實(shí)時(shí)得到電、電壓、頻率及電壓波動(dòng)的值，并通過lcd顯示相關(guān)數(shù)值。2 電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2 電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)用單片機(jī) picl8f458作為核心微

29、處理器，結(jié)合電流、電壓傳感器進(jìn)行對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并通過can模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到高速實(shí)時(shí)，充分利用picl8f458單片機(jī)的多功能集成而簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)中的外圍電路。2.1系統(tǒng)功能(1) 使用方便。便攜式結(jié)構(gòu)，尺寸小、重量輕、一個(gè)人即可攜帶儀器到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；內(nèi)置高性能鋰電池，在無外接電源的情況下可連續(xù)工作；設(shè)計(jì)具有時(shí)鐘，可以準(zhǔn)確記錄參數(shù)發(fā)生變化的時(shí)間。 (2) 開發(fā)方便。microchip公司為用戶的應(yīng)用開發(fā)提供了豐富的硬件和軟件支持，其中有各種檔次的硬件仿真器和編程器。對(duì)于pic系列中任一款單片機(jī)的開發(fā)，都可以借助于一套免費(fèi)的軟件綜合開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)程序編寫和模擬仿真。(3) 實(shí)

30、時(shí)監(jiān)測(cè)。檢測(cè)儀檢測(cè)出電能參數(shù)異常，檢測(cè)儀可以報(bào)警并把檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳，方便了對(duì)事故的處理，減少更大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)今后相同時(shí)段、地段的電能變化也有了數(shù)據(jù)支持。2.2系統(tǒng)組成基于pic單片機(jī)的電能質(zhì)量檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最基本要求是有能夠滿足電能質(zhì)量檢測(cè)任務(wù)計(jì)算要求的足夠的處理能力。系統(tǒng)必須是易于實(shí)現(xiàn)、靈活、高效的。整個(gè)系統(tǒng)電路有以下幾個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器單元、最小系統(tǒng)、人機(jī)接口、串口通信模塊。(1) 數(shù)據(jù)采集模塊本系統(tǒng)選擇的是基于霍爾效應(yīng)開環(huán)原理的電壓傳感器和電流傳感器系列，這類傳感器的副邊能夠精確的反應(yīng)原邊待測(cè)信號(hào)，具有線性好、精度高、工作范圍高、電路簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)，可

31、以得到適合cpu的電壓值。由比較器構(gòu)成一個(gè)過零比較電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與電壓信號(hào)頻率相同的方波信號(hào)以采集頻率信息。(2) 微處理器單元本系統(tǒng)使用的是由microchip公司所生產(chǎn)開發(fā)的pic芯片，具有flash program程序記憶體功能，可以重復(fù)燒寫程序，該芯片帶有flash程序存儲(chǔ)器和eeprom，其內(nèi)有a/d轉(zhuǎn)換器（或稱adc）模塊，用來將外部的各種模擬物理量變換為便于單片機(jī)內(nèi)部處理的數(shù)字量。它有很多的優(yōu)點(diǎn)：精簡(jiǎn)指令集，易學(xué)易用；八級(jí)硬件堆棧；具有同步串行口i2c/spi總線操作，可用于控制外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘、eeprom。pic在一個(gè)芯片內(nèi)集成了眾多的功能模塊并具備優(yōu)秀微處理器特性和cm

32、os工藝特點(diǎn),因此它可以減少外部器件,提高產(chǎn)品可靠性和降低成本,另外它具有低功耗及寬工作電平,寬工作溫度的特點(diǎn)。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）(3) 最小系統(tǒng)電源電路，pic芯片的工作電壓為5v連接電源管腳,接地管腳與地線相接；重置電路連接復(fù)位管腳,按下reset后，內(nèi)部指令重頭開始執(zhí)行，系統(tǒng)重新運(yùn)作；單片機(jī)振蕩電路與整體系統(tǒng)工作速度有直接的關(guān)系，例如同步異步串行傳輸、定時(shí)器等，都與振蕩頻率有關(guān),pic芯片外接振蕩電路接于管腳osc1與osc2。(4) 人機(jī)接口 鍵盤及l(fā)cd顯示屏是人機(jī)交換的接口，通過鍵盤操作進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示電能質(zhì)量信息。鍵盤：用于控制顯示各種界面，通過菜單功能，方便進(jìn)行顯示界面的

33、切換。lcd：實(shí)時(shí)得到電壓、電流、頻率、有功、無功功率、三相不平衡度及電壓波動(dòng)值，并通過lcd顯示相關(guān)數(shù)值。報(bào)警電路由發(fā)光二極管、三極管、蜂鳴器構(gòu)成，當(dāng)檢測(cè)到異常信號(hào)時(shí)報(bào)警。(5) 時(shí)鐘電路實(shí)時(shí)時(shí)鐘（rtc）具有年、月、日、時(shí)、分、秒以及星期等日歷及時(shí)鐘，保持跟蹤時(shí)間和日期等信息，可以記錄故障的時(shí)間。(6) 通信模塊canbus是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，具有極高的可靠性，可用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播幾種方式傳遞和接收數(shù)據(jù)。它的通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)5kbps/10km，通訊速率最高可達(dá)1mbps/40m。微處理單元 人機(jī)交換模塊 數(shù)據(jù)采集模塊 最小系統(tǒng) 串口通信模塊 圖2

34、.1 電能質(zhì)量檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)圖3 電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3 電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3.1所示。本系統(tǒng)以單片機(jī) picl8f458為核心，數(shù)據(jù)采集、處理以及通信至主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理都要通過單片機(jī)。數(shù)據(jù)采集通過電壓傳感器chv100和電流傳感器chb300s 經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的a/d進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換完成。圖3.1電能質(zhì)量檢測(cè)儀硬件圖3.2單片機(jī)簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)采用的 picl8f458單片機(jī)是美國(guó)microchip公司的高檔產(chǎn)品，采用了risc結(jié)構(gòu)的嵌入式微控制器，其高速度、低電壓、低功耗，大電流lcd驅(qū)動(dòng)能力和低價(jià)位otp技術(shù)等都體現(xiàn)出單片機(jī)產(chǎn)業(yè)的新趨勢(shì)。其采用16位的

35、類risc指令系統(tǒng)，由于pic18f458單片機(jī)的指令系統(tǒng)采用risc技術(shù)，與一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)通常有上百條指令相比要少得多。此外，pic18f458單片機(jī)全部采用單字節(jié)指令，而且除4條條件跳轉(zhuǎn)指令外均為單周期指令，執(zhí)行速度較高。它的尋址方式簡(jiǎn)單：寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址。它的代碼壓縮率高，例如1kb程序存儲(chǔ)器空間，對(duì)于像51系列單片機(jī)，大約只能存放500多條指令；而對(duì)于pic系列單片機(jī)，則能有效利用存儲(chǔ)器的空間，存放多達(dá)1024條指令。pic18f458單片機(jī)采用cmos結(jié)構(gòu)，使其功率消耗極低，是目前世界上最低功耗的單片機(jī)之一。它的i/o端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè)輸出

36、引腳可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)2025 ma的負(fù)載，既能夠用高電平也可以用低電平來直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管led、光電耦合器和小型繼電器等，這樣可大大簡(jiǎn)化控制電路。3.2.1 pic18f458系列概述picl8f458單片機(jī)在保持低價(jià)格的前提下含有a/d轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部e2prom存儲(chǔ)器、比較輸出、捕捉輸入、pwm輸出、12c總線和spi總線接口電路、異步串行通信(usart)接口電路、can總線接口電路、模擬電壓比較器、可讀寫flash程序存儲(chǔ)器等許多功能。具體特點(diǎn)如下：高性能的risc cpul 高達(dá)2mb的程序存儲(chǔ)器；l 高達(dá)4kb的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；l 高達(dá)l0mips的執(zhí)行速度；l dc40mhz時(shí)鐘輸入；l

37、410mhz帶pll鎖相環(huán)有源晶振時(shí)鐘輸入l 16位寬指令,8位寬數(shù)據(jù)通道；l 帶優(yōu)先級(jí)的中斷；l 8*8單周期硬件乘法器。外圍功能模塊特性l 最大拉電流/灌電流可達(dá)25ma； l 3個(gè)外部中斷引腳；l 定時(shí)器tmr0：帶有8位可編程前分頻器的8位或16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；l 定時(shí)器tmr1：16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； l 定時(shí)器tmr2：帶有8位周期寄存器的8位或16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器; l 定時(shí)器tmr3：16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；l 捕捉/比較/脈寬調(diào)制(pwm)(ccp)模塊；l 有2種工作方式的主同步串行通信(mssp)：3線spi主控方式(支持所有4種spi工作模式)；i2c主控/從動(dòng)方式；l

38、 可尋址的usart模塊：支持中斷地址位。高級(jí)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換特性l 10位，高達(dá)8個(gè)通道的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(a/d)：休眠時(shí)可以轉(zhuǎn)換；8個(gè)輸入通道可用；l 模擬比較模塊：可編程多路輸入/輸出技術(shù)；l 比較器參考電壓模塊；l 可編程的低電壓探測(cè)模塊(lvd)：支持低電壓檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生中斷；l 可編程的鎖定復(fù)位(bor)。特殊的單片機(jī)特性l 上電復(fù)位電路(por)、上電延時(shí)定時(shí)器(pwrt)和振蕩器起振定時(shí)器(ost)；l 帶有片內(nèi)rc振蕩器的監(jiān)視定時(shí)器(wdt)；l 可編程代碼保護(hù)；l 休眠(sleep)省電方式；l 可選擇不同的振蕩器工作方式，包括：4鎖相環(huán)(主振蕩器)；2路振蕩器(32khz)時(shí)鐘輸

39、入；l 通過2個(gè)引腳可進(jìn)行在線串行編程(icsp)。3.2.2pic18f458單片機(jī)整體控制本系統(tǒng)采用的picl8f458單片機(jī)采用了risc結(jié)構(gòu)的嵌入式微控制器，其高速度、低電壓、低功耗，大電流lcd驅(qū)動(dòng)能力和低價(jià)位otp技術(shù)等都體現(xiàn)出單片機(jī)產(chǎn)業(yè)的新趨勢(shì)。它的i/o端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè)輸出引腳可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)2025 ma的負(fù)載，既能夠用高電平也可以用低電平來直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管led、光電耦合器和小型繼電器等，這樣可大大簡(jiǎn)化控制電路。圖3.2所示為 pic18f458單片機(jī)的控制圖。單片機(jī)管腳1接復(fù)位電路，低電平時(shí)復(fù)位，管腳2、3屬于a/d轉(zhuǎn)換通道的兩路，接的是電壓、電流傳感器經(jīng)信號(hào)調(diào)

40、理電路后的信號(hào)，管腳6、9、10接的是時(shí)鐘芯片的三個(gè)管腳，vcc接的是經(jīng)h7805電壓轉(zhuǎn)換后的5v電源，13、14管腳接晶振電路，管腳15、16、17、18、23、24、25、26是c口，其接的是lcd顯示的數(shù)據(jù)線，38、39、40管腳接lcd顯示的d/i（指令/數(shù)據(jù)通道）、r/w（讀/寫選擇）、e（使能信號(hào)），33、34管腳接lcd的片選信號(hào)，管腳19、20、21、22接鍵盤，27管腳接測(cè)頻電路，28管腳接報(bào)警電路，35、36管腳接can總線的 pca82c250t的串口接收和發(fā)送端（rxd、txd）。圖2所示系統(tǒng)由電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、報(bào)警電路構(gòu)成。(1) 電源電路h7805為3端

41、正穩(wěn)壓電路，在芯片管腳1端輸入8到12v左右的直流電源，經(jīng)過芯片轉(zhuǎn)換輸出5v電壓。(2) 復(fù)位電路這是一個(gè)典型的低電平復(fù)位電路，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，電容兩端電壓不能發(fā)生突變，復(fù)位電路接芯片1腳復(fù)位，隨著電容的充電過程，電容兩端電壓逐漸升高，電容相當(dāng)于斷路，此時(shí)1腳達(dá)到正常工作的電壓時(shí)，芯片進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。芯片工作時(shí)如果s1按下，此時(shí)芯片的1腳變?yōu)榈碗娖?，芯片?fù)位，當(dāng)s1釋放時(shí)，芯片繼續(xù)正常工作。(3) 晶振電路pic單片機(jī)用的晶振電路是由無源晶振接兩個(gè)電容構(gòu)成，再結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的震蕩電路構(gòu)成完整振蕩電路，產(chǎn)生時(shí)鐘周期時(shí)系統(tǒng)正常工作。(4) 報(bào)警電路報(bào)警電路接單片機(jī)28管腳，當(dāng)監(jiān)測(cè)的某一個(gè)電能參數(shù)異

42、常時(shí)則報(bào)警，此時(shí)發(fā)光二極管燈亮且蜂鳴器報(bào)警。圖3.2 單片機(jī) pic18f458控制圖3.3數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集是一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送往計(jì)算機(jī)并進(jìn)一步予以分析處理、傳輸、顯示與記錄的過程。其中，采樣就是盡可能的獲取反映模擬量的實(shí)時(shí)信息，轉(zhuǎn)換則是將該模擬信息轉(zhuǎn)化為可供微處理器處理的數(shù)字信息。根據(jù)采集信號(hào)的不同，可分為直流采樣和交流采樣兩種。隨前微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，交流采樣必將以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，逐步取代傳統(tǒng)的直流采樣方法。3.3.1電壓和電流的檢測(cè)本設(shè)計(jì)采用霍爾電流傳感器chb300s 和電壓傳感器chv100?；魻栯娏麟妷簜鞲衅髂K有優(yōu)越的電性能，是一種先進(jìn)的能隔離主電流回

43、路與電子控制電路的電檢測(cè)元件，它綜合了互感器和分流器的所有優(yōu)點(diǎn)，克服了互感器和分流器的不足（如：互感器只適用于50hz工頻測(cè)量；分流器無法進(jìn)行隔離檢測(cè)。）同一只檢測(cè)元件即可以檢測(cè)交流也可以檢測(cè)直流甚至檢測(cè)瞬態(tài)峰值，是替代互感器和分流器的新一代產(chǎn)品。(1) 電流傳感器chb300s電流傳感器chb300s是磁補(bǔ)償式電流傳感器，輸出信號(hào)為電流方式，若需要取電壓輸出方式，用戶需在在m 端與電源地之間根據(jù)所取電壓大小外接取樣電阻。磁補(bǔ)償式的工作原理是磁場(chǎng)平衡，即主回路電流ip在聚磁環(huán)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過一個(gè)次級(jí)線圈的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)，具體工作過程為：當(dāng)主回路有一

44、電流通過時(shí)，在導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集，感應(yīng)霍爾器件使之有一個(gè)信號(hào)輸出，這一信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流is。這一電流通過多匝繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出逐漸減小，當(dāng)ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與is與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，is不再增加，霍爾器件起到指示零磁通的作用。此時(shí)可以通過is來測(cè)試ip，當(dāng)有變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件就有信號(hào)輸出，即重復(fù)上述過程重新達(dá)到平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡，一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出，經(jīng)放大后，立即有相應(yīng)的電流流過次級(jí)繞組，對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從宏觀上看，

45、次級(jí)的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時(shí)間都與初級(jí)被測(cè)電流的安匝數(shù)相等即：npipnsis0。其中，np為原邊匝數(shù)，ip為原邊電流，is為次級(jí)補(bǔ)償電流。np、ns可從使用手冊(cè)中查到，測(cè)得is的大小即可得知被測(cè)電流的大小。接線方法如圖3.3。圖3.3 磁補(bǔ)償型電流傳感器chb300s接線方法(2) 電壓傳感器chv100電壓傳感器 chv100有五只接線端子。其中兩只為原邊端子：被測(cè)電壓輸入端；被測(cè)電壓輸入端。另外三只為副邊端子：端：電源+15v；端：電源15v；m 端：信號(hào)輸出端。根據(jù)用戶所測(cè)電壓的大小，須將被測(cè)電壓串接一只電阻r后再接到傳感器原邊端子。電壓傳感器的輸出端應(yīng)用與磁補(bǔ)償型電流傳感器相同，見圖

46、3.4。電壓傳感器 chv100的工作原理與電流傳感器相似，也是磁平衡方式工作。圖3.4 電壓傳感器 chv100接線方法3.3.2信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵是：利用足夠高的采樣頻率，以期在采樣后真實(shí)的保留原始模擬信號(hào)所含信息，采樣既要保證所采樣本的真實(shí)性，還要防止信號(hào)的混疊。產(chǎn)生頻率混疊是因?yàn)椴蓸宇l率不滿足采樣定理。抑制頻率混疊的另一種方法是用抗混疊濾波器濾除信號(hào)中nyquist曲線以上的頻率成分，使之滿足采樣定理。根據(jù)電網(wǎng)質(zhì)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：“測(cè)量的諧波一般為2到19次”，“a級(jí)儀器頻率測(cè)量范圍為02500hz”。如果設(shè)計(jì)的諧波測(cè)試希望達(dá)到a級(jí)儀器的頻率范圍，則應(yīng)能分析到50次諧波

47、。電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)頻率為50hz，那么要求系統(tǒng)的信號(hào)頻率范圍是02500hz，則采樣頻率應(yīng)該大于5000hz，所需模擬抗混疊濾波器為02500hz的低通濾波器。picl8f458單片機(jī)的片內(nèi)a/d為單極性，因此要將交流信號(hào)經(jīng)過放大、濾波，再提升電位后才能送入單片機(jī)。調(diào)理電路見圖3.5。實(shí)際測(cè)出運(yùn)放輸出的信號(hào)2在輸入信號(hào)vin0的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)直流分量，調(diào)節(jié)mcp604的3腳(+1v)的值，該直流分量大小可以改變。如果適當(dāng)調(diào)整+1v處引腳輸入的電壓，則使直流分量為2v；如果輸入2v的交流正弦信號(hào)，則輸出范圍為+0v+4v的正弦形單極性信號(hào)，從而達(dá)到了提升的效果，使一般的雙極性交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)處理的

48、單極性信號(hào)。同時(shí)，運(yùn)放mcp604還是一個(gè)二階低通濾波器，濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為1.6khz，可以濾除高頻干擾信號(hào)，防止交流信號(hào)采樣時(shí)的混疊效應(yīng)。圖3.5信號(hào)調(diào)理電路3.3.3a/d轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)采集的功能是通過pic18f458單片機(jī)內(nèi)部自帶a/d來實(shí)現(xiàn)的，極大簡(jiǎn)化了外部硬件電路設(shè)計(jì)。它有8路10位a/d轉(zhuǎn)換通道，本設(shè)計(jì)用了6路，分別用于采集三相電壓和三相電流。模塊有adcon0與adconi寄存器保存數(shù)據(jù)，這種模塊精度與微芯公司的中等轉(zhuǎn)換位數(shù)的a/d模塊相同。pic18f458的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊adc具有以下特性：1) 它是一個(gè)10位的adc。2) 引腳porta的ra0ra7是用作8位模擬通道的。

49、3) 轉(zhuǎn)換后的輸出二進(jìn)制數(shù)存放在兩個(gè)特殊寄存器adresl(a/d結(jié)果的低位)和adresh(a/d結(jié)果的高位)中。4) adresl寄存器提供的是16位的數(shù)據(jù)寬度，而adc輸出數(shù)據(jù)只有10位，因此其中的六位是未使用的?？筛鶕?jù)需要選擇該六位的未使用位是在高6位還是低6位。5) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間有osc引腳的晶振頻率決定。當(dāng)晶振的最高頻率為40mhz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)不小于1.6ms。6) 使用vref+和vref-，根據(jù)vref=vref+ vref-，就可以得到不同的差動(dòng)vref電壓。本系統(tǒng)引出8路模擬輸入通道，但只用到其中6路，具體分配情況見表1。表1 a/d轉(zhuǎn)換模擬輸入通道分配情況a/d模擬輸

50、入通道采樣模擬信號(hào)ano電網(wǎng)三相電壓信號(hào)an2an3an1電網(wǎng)三相電流信號(hào)an4an53.3.4測(cè)頻電路在周期性電參量的測(cè)量中，進(jìn)行同步采樣是準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)時(shí)信號(hào)的關(guān)鍵。所謂同步采樣，也稱整周期采樣，即使信號(hào)截?cái)鄷r(shí)間為被測(cè)信號(hào)周期t的整數(shù)倍；也就是要使采樣次數(shù)n與采樣周期ts的乘積等于被測(cè)信號(hào)周期t的整數(shù)倍，即nts=mt。在交流采樣系統(tǒng)中，通常是一個(gè)周期采樣n點(diǎn)的電量值，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如果電網(wǎng)頻率恒定，則采樣間隔t=t/n，而電網(wǎng)的頻率通常有一定的波動(dòng)，所以要不斷調(diào)整采樣間隔。在使用picl8f458開發(fā)交流采樣系統(tǒng)時(shí)，巧妙利用pic的定時(shí)器、捕獲器實(shí)現(xiàn)跟蹤頻率的交流采樣。過零觸發(fā)器的

51、輸出接picl8f458的捕獲器的輸入端eccpl,上升沿觸發(fā)eccpl捕獲中斷，確保中斷的實(shí)時(shí)響應(yīng)，t3定時(shí)器為捕獲器的時(shí)基。具體電路如圖3.6。op07構(gòu)成的電壓跟隨器,起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，由lm393a構(gòu)成一個(gè)過零比較電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與電壓信號(hào)頻率相同的方波信號(hào)以采集頻率信息，d1、d2兩個(gè)反向穩(wěn)壓二極管起限定電平幅度的作用。圖3.6 測(cè)頻電路接線圖3.4通信轉(zhuǎn)換電路為了更好的對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存測(cè)量結(jié)果，我們?cè)O(shè)計(jì)了通信接口，以便對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)做后續(xù)處理。3.4.1can總線簡(jiǎn)述can(controller area network)即控制器區(qū)域網(wǎng)，是一種主要用于各種設(shè)

52、備監(jiān)測(cè)及控制的網(wǎng)絡(luò)。can 具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想，良好的功能特征和極高的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)。其在國(guó)內(nèi)外工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，成為最有發(fā)展前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。美國(guó)微芯公司的pic18f458單片機(jī)集成了can通信接口，執(zhí)行bosch公司的can2.0a/b協(xié)議。它能支持can1.2、can2.0a、can2.0b協(xié)議的舊版本和can2.0b現(xiàn)行版本。使用pic18f458單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，可以很方便的利用can 總線與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。它的優(yōu)點(diǎn)是電路接口比較簡(jiǎn)單，只需很少的外圍電路就可實(shí)現(xiàn)can通信，受硬件限制比較少。3.4.2can總線與pic單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)通信方式是can

53、bus總線，pic18f458與can驅(qū)動(dòng)芯片pca82c250t的接口電路如圖3.7所示。can收發(fā)器即總線驅(qū)動(dòng)器是can控制器與物理總線之間的接口，可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接受功能，pca82c250t是驅(qū)動(dòng)can控制器和物理總線間的接口，提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。為實(shí)現(xiàn)總線上節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離can驅(qū)動(dòng)器通過高速光藕6n137與 pic18f458進(jìn)行相連。在can總線兩端的can接頭上接入120歐匹配電阻，以消除阻抗不連續(xù)時(shí)的反射現(xiàn)象，在can接頭與地間接電感l(wèi)起濾波作用。圖3.7 picl8f458與can驅(qū)動(dòng)接口電路3.5人機(jī)交換部分電路設(shè)計(jì)3.5.1鍵盤接口設(shè)計(jì)在許多應(yīng)用

54、中，一般都需要用鍵盤來輸入數(shù)據(jù)或?qū)Τ绦虻倪M(jìn)程進(jìn)行管理，因此在單片機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試實(shí)驗(yàn)中，鍵盤是一個(gè)不可缺少的部分。微機(jī)所用的鍵盤可分為編碼和非編碼兩種。編碼鍵盤采用硬件線路來實(shí)現(xiàn)鍵盤編碼，鍵數(shù)較多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，pc機(jī)所使用的鍵盤就是這種；非編碼鍵盤僅提供按鍵開關(guān)工作狀態(tài)，其他工作由軟件完成，這種鍵盤鍵數(shù)較少，硬件簡(jiǎn)單，一般在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用。非編碼式鍵盤可分獨(dú)立式鍵盤和行列式鍵盤兩種。獨(dú)立式鍵盤中，每個(gè)鍵占用一根i/o線，適用于按鍵數(shù)量較少的場(chǎng)合；行列式鍵盤又稱矩陣式鍵盤，設(shè)計(jì)m行n列16個(gè)鍵，只占用m+n根i、o口線，故鍵數(shù)目較多時(shí)，可節(jié)省i/o口線。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的rd0、rd1、rd2、rd3l等4個(gè)i/o引腳構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的矩陣式鍵盤，見圖3.8。管腳20、19輸出0，管腳22、21置為輸入，當(dāng)無鍵按下時(shí)，管腳22、21被上拉電阻拉高輸入值為11，若s2按下，則管腳21為0，管腳22為1。把管腳22、21的值10記錄在