电能质量监测

摘要

此电能质量检测装置以数字信号处理技术为核心，能对其频率、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等电能质量参数进行分析，并利用快速傅立叶变换(FFT)分析对数据信号分别进行处理、分析其电压、电流的谐波含有率，并实现数值的LCD显示。通过对各指标的精确计算和分析，能同时显示一个周期内分辨率达1%的输入电压、电流曲线。并利用信号处理仿真软件Matlab实现对软件程序的仿真，减少硬件成本。本系统运行稳定可靠，效果良好。

关键词：电能质量数字信号处理谐波

Abstract

This detection installment of electrical energy quality tests and demonstrates some parameters of energy quality that include voltage, electric current, active power, reactive power, appareat power and so on .take the digital signal processing technology as the core,

carries on the data using the Fourier's analysis processing, the frequency survey, realized the various targets precise computation and the analysis, the discussion the harmonic influence, proposed the survey, the analysis and the computation harmonic content and included in the harmonic situation the voltage, the electric current content demonstration method. It can simultaneously demonstrate curve for one cycle input voltage and input current and nine subharmonics, the resolution reaches 1%. Realizes through the Matlab simulation, and establishes the software routine, reduces the hardware cost stably, the system is stable and reliable, the effect is good.

Keywords：electric energy quality；digital signal processor；harmonics

一，设计任务……………………………………………………………………………………3
（一）任务……………………………………………………………………………………3
（二）要求……………………………………………………………………………………3
１、基本要求 …………………………………………………………………………3

２、发挥部分 …………………………………………………………………………3

二，方案的选择与论证 …………………………………………………………………………4
（一）基本方案论证 ………………………………………………………………………4
１、电路部分方案选择 ………………………………………………………………4
２、最终方案设计思想及框架示意图 ………………………………………………4
（二）总体设计方案…………………………………………………………………………4

三，分析与计算 …………………………………………………………………………………5

四，总电路图及元器件清单 ……………………………………………………………………7（一）总电路图………………………………………………………………………………7（二）元器件清单……………………………………………………………………………8

五，测试 …………………………………………………………………………………………8
（一）测试仪器与设备 ……………………………………………………………………8
（二）测试方法与过程 ……………………………………………………………………8

（三）测试数据技术路处理 ………………………………………………………………9
（四）结果分析 ……………………………………………………………………………10

六，创新与发挥 ………………………………………………………………………………10
七，心得体会 …………………………………………………………………………………10

参考文献……………………………………………………………………………………10
附录

一、设计任务

1、任务

设计并制作一个能同时对一路工频交流电（有失真的正弦波）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，如图1。设定待测的100～500V交流输入电压、10～50A交流输入电流均经由相应的变换器转换为对应的1～5V交流电压。

图1

2、要求

2.1 基本部分

（1）测量交流输入电压有效值，频率：50Hz；测量范围：100～500V；准确度：±0.5％。

（2）测量交流输入电流有效值，频率：50Hz；测量范围：10～50A；准确度：±0.5％。

（3）测量有功功率P（单位为W）、无功功率Q（单位为var）、视在功率S（单位为VA）

及功率因数PF、有功功率、无功功率、视在功率准确度：±2％；双层水晶玻璃杯功率因数显示格式：0.00~0.99。

（4）在交流电压、交流电流、有功功率、无功功率、视在功率的测试过程中，能够记录它们的最大值和最小值。

2.2 发挥部分

（1）测量交流输入电压频率，测量范围：45～55Hz；误差：±0.001 Hz。

（永磁接触器2）采用LCD显示，能够同时显示一个周期的输入电压、输入电流曲线。

（3）测量电压和电流的各次谐波含量，测量至9次谐波，采用列表和百分数形式显示，分辨率1%

（4）各次电流谐波含有率在列表显示方式中除了能够以百分比显示外，还能够显示各次谐波的有效值。

二、方案论证

（一）电路部分方案选择

方案一：

全系统应用AT89S52作全局控制。信号通过运放进行处理后，用TLC2543进行电压采集实施校正输出，以满足电压输出精度。但由于TLC2543是12位串行模数转换器，虽然节约IO口，但转换速度慢，最大转换时间为10μs，而且题目要求测量交流输入电压、电流有效值，而如需用TLC2543必须外加电路，使得硬件更加繁琐，还会增加误差，不足以满足设计要求的指标。

方案二：

全系统用AT89S52作全局控制，通过运放741，进行波形的调整，用5V稳压源进行稳压，让采集的电压、电流交流信号的正弦波，转换成方波，在经过穿孔塞焊CD4011进行比较，输出其波形的相位差，从而进行下步采集使用。同时通过调节连端的电阻来校正输入数据的准确程度。在通过ADS774进行电压采集实施校正输出， ADS774是12位并行逐次逼近模数转换芯片，其内置基准源2.5V，还具有双极性偏置控制引脚BOC，当此脚接地时，信号为单极

性输入方式，此脚接参考电压时，输入为双极性电压，根据管脚的接发，分别能输出0~10V，0~20V，-5~+5V，-10V~+10V，转换时间为8.5μs，仅仅应用了一部分必要的数字电子控制整体系统，本系统的优点在于成本低廉，减少硬件，并满足电压输出精度。

综上所述，设计方案二可以满足设计要求，并且可以有一定的提高空间。

（二）总体设计方案

软件流程图部分：

显示流程图部分：

三、分析与计算

根据题目要求，通过电压、电流互感器，实现高低电压、电流的转换后，采取两片ADS774进行数据模拟量的采集，由51单片机进行大量的数据运算，并采用LCD 显示频率、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率等参数，并记录它们的最

大值、最小值。应用取点法，采集波形显示的相应点，画出其波形图。运用因子的周期性和对称性的特点，通过快速傅里叶变换（FFT）计算谐波含有率。采用数学软件MATABL进行先仿真后转换成C语言的形式来实现其功能。

频率f： f=1/T T取50赫兹

功率因数PF： PF=P/S

有功功率P： P=UIcos(△t/T) (W) △t波形相位差

无功功率Q： Q=UIcosα (var)碎花刀刀

视在功率S： S= (P2+Q2) 1/2 (VA)

谐波的含有率： HRUn=Un/U1*100% HRIn=In/I1*100%

谐波的有效值：

傅里叶函数分析谐波公式: u(wt)=a0+∑(ancosnwt+bnsinnwt)

四、总电路图及元器件清单

(一)、总电路图：

信号处理电路图：

（二）部分元器件清单：（东洋元件清单与电路有出入，，以电路为准）

元件名称		数量	作用
AT89S52		1片	单片机
ADS774JP		2片	模数转换
HM6264ALP		1片	8KCS CN×8RAM
HD74LS373P		1片	锁存器
HD74LS74AP		1片	双D型正沿触发器
IC4011BP		1片	2输入4与非门
OP07		4片	运放
LCD(OCMJ4*8C)		1块	液晶显示
开关电源		1个
变压器		1个
电解电容		4个
晶振	1个
电位器	6个
电阻	若干
按键	2个
电容	若干
导线	若干

五、测试

（一）测试仪器与设备：

FLUKE 17B型万用表，GFG-8016G型信号发生器，TDS 3054B型数字存储示波器， FLUKE 43型谐波分析仪，双路跟踪稳压稳流电源

（二）测试方法与过程：

1、人工抽脂模块调试

系统的调试分模块进行，再进行整机调试，以提高调试效率。调试过程如下：

输入信号调试：

本电路图采取OP-04，让采集的电压、电流交流信号，由正弦波变成方波，经与非门进行比较，输出波形的相位差，从而进行下步采集使用。同时通过调节两端的电阻校正输入信号。

ADS774增益调节：

ADS774的10脚用来进行增益的调节。为了防止两个电位器互相影响，先调到零点，再调增益，由于本题选择的是双极性的方式-10V~+10V，所以调零点是在接近-10V调电位器r5，让其在00…00~00…01之间跳动，然后在接近+10V调电位器r6，让其在11…11~11…10之间跳动，增益调好。

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