基于msp430f449单片机的电能质量检测装置的总体设计(编辑修改稿)

基于msp430f449单片机的电能质量检测装置的总体设计(编辑修改稿)内容摘要：

222 ( ) ( )()a r c ta n[ ]()k I RIkRA X k X kNXkXk (218) 通过以上过程的分析可以用一次 FFT 变换同时计算出电压和电流的 各次谐波的幅值和相位，为下面对各指标的计算提供了理论基础。 基本交流电参数计算原理 (1) 电压电流有效值 [14] 由电工学理论 ，交流电电压，电流的定义式为： 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） 9 21U u dtT  ( 21I i dtT  ) (219) 将连续的时间信号 ()ut ( ()it )离散化，每个周期取 N 点采样，则有： 1 201 N kkUuN   ( 1 201 N kkIiN   ) (220) 按照 (219)计算出电压（电流）有效值后，就可以按照以下计算电压偏差公式 [15]计算出所要的电压偏差率 %dU ： %dU = 100%rUUUr  (221) 其中： U 为实际有效值， Ur 是额定值。 (2) 功率的计算 [16] 功率的测量主要有有功功率，无功功率，视在功率三个方面的参数测量。 首先我们来看一下 视在 功率的测量方法。 视在功率的定义式为： S U I (222) 式中： U —— 电压有效值， V I —— 电流有效值， A 下面我们分析有功功率的计算方法。 由电工学给出有功功率的计算式为： cosP UI  (223) 式中： P —— 有功功率， W U —— 电压有效值， V I —— 电流有效值， A  —— 电压电流之间的相位角， Rad 式中的 U ， I 前面我们已经得到了，关键是  的计算。 实际中，由于谐波等因素的影响，我们很难得到  的准确值，因而利用 (223)式很难进行有功功率的测量。 那我们选择另一种方法。 我们可以从有功功率的另一个定义式： 01 ( ) ( )TP U t I t dtT  (224) 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） 10 来进行分析，即用电压电流的瞬时值的乘积在 一个周期内的积分来计算。 将 (224)式离散化处理得到有功功率的计算公式 [17] 101 *N iiiP U IN  (225) 知道了视在功率和有功功率，我们利用公式： 22Q S P (226) 式中： Q —— 无功功率， VAR P—— 有功功率， W 计算得到。 从而功率因数我们可以根据式 (223)和式 (226)得到： cos = cos(arctan )QP (227) (3) 频率的计算 众所周知，由于系统采用整周期的均方根算法计算被测量的有效值，如果用于计算的采样数据不是整周期采样得到的，或者不是整周期的倍数时，那么测量值便会产生很大的误差。 对于使用采样数据来进行 FFT 运算更是如此 ，由于 FFT 隐含着周期性因素，如果没有精确地测频，也会导致测量出现很大的误差。 因此，该系统设计的一个很关键的部分便是如何得到待测信号的实时频率。 根据我们使用的单片机的硬件资源，本设计中，我们采用定时器捕获的方式来实时得到频率的数值。 MSP430F449 单片机 集成了具有脉冲捕获 /比较功能的定时器，通过设置定时器的相关寄存器，我们可以让单片机工作在上升沿捕获状态。 每当外部倍频后的方波信号的上升沿过来时，都会触发定时器中断，在定时器中断中，我们记下捕获时计数器的计数值，当下一次捕获时，记下新一次的捕获值，两次值 相减便可以得到脉冲的周期长度。 如此循环 64 次， 64 次得差值都保存在一个数组 diff_array[64]中。 考虑到计数器刚开始计数时信号不一定从零点开始，我们舍弃前 16 次的值，从第 17 次开始，这样就能计算出 48 个脉冲周期，接着计算出平均脉冲周期，该平均周期便是所测交流信号的周期，进而可以得出其频率 [18]。 用公式表示为： 6416_ [ ]6448sciffd i f f a r r a y i (228) 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） 11 式中：sf—— 系统时钟频率 cf —— 待测电网频率 (4) 三相不平衡度 电力系统的三相不平衡是由于三相负载不平衡以及系统元件参数的不对称所致。 三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电压中除含有谐波分量外，还含有正序、负序、零序分量。 对于三相三线制电路，只含有正、负序分量。 三相电量的不平衡度通常以负序分量与正序分量均方根值的百分比来表示 [20]。 21100%UU  (229) 式中： 1U —— 三相电压正序分量的均方根值 2U —— 三相电压负序分量的均方根值 三相不平衡度的测量建立在各序分量的计算上。 电力系统三相不对称时，三相电路的电压和电流的基频分量都呈现为不对称的向量。 根据对称分量法可以将一组不对称的分量唯一的分解为三组对称的分量，即正序分量、负序分量和零序分量。 ( 0 )2( 1)2( 2 )1 1 11131A AABCAF FF a a Faa FF     (230) ( 0 )2( 1)2( 2 )1 1 111AABAC AFFF a a FaaF F     (231) 式中： 21 3 1 3,2 2 2 2a j a j      正序： 2(1 ) (1 ) (1 ) (1 ),B A C AF a F F a F， 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） 12 负序： 2( 2 ) ( 2 ) ( 2 ) ( 2 ),B A C AF a F F a F， 零序：( 0 ) ( 0 ) ( 0 ) ( 0 ),B A C AF F F F 即一个不对称的三相系统 ( , , )A B CFFF 可以分解为三个对称的三相系统：零序系统( 0 ) ( 0 ) ( 0 )( , , )A B CFFF、 正 序 系 统(1) (1) (1)( , , )A B CFFF、负序系统( 2 ) ( 2 ) ( 2 )( , , )A B CFFF。 通过以上各式，可以计算基波的正序分量、负序分量和零序分量，但计算较为繁琐。 国标中给出了基于三相三线制中三相不平衡度的简化计算公式： 1 3 6 100%1 3 6 LL  (232) 式中： 4 4 42 2 2 ,abcL abc  ,abc是三个线电压的幅值。 文献 [18]中 还提到了一种基于图解法的三相不平衡度的简化公式，在此我们不多做介绍了。 (5) 公用电网谐波 为了定量表示电力系统正弦波形的畸变程度， GBT 145491993 中定义了一些波形畸变的指标。 它们是由各次谐波含量及谐波总量大小决定的[19]。 (1) 谐波含有率 (HR):k 次谐波分量的有效值或幅值与基波分量的有效值或幅值之比，用百分数表示，第 k 次谐波电压含有率表示为： 1100%kk UHRU U (233) 式中： kU —— 除基波外的各次谐波幅值 1U —— 基波幅值 (2) 总的谐波畸变率 (THD): 谐波总量的有效值与基波分量的有效值之哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） 13 比，用 百分数表示。 电压谐波总畸变量定义为： 1100%HUTHD U (234) 式中： HU —— 谐 波电压总量， 2 2 2 223 2. . . . . . . . .NH k kkU U U U U       利用上式，可以方便实现电网谐波参量的计算。 (6) 电压波动 电压波动是指一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。 电压波动值为电压均方根值的两个极值 maxU 和 minU 之差 U ，通常以其额定电压NU 的百分数来表示其相对百分值，即： m a x m i n1 0 0 % 1 0 0 %NNUUUd UU     (235) 本章通过对 系统原理设计，明确了本设计所要实现的目标，即所要得到的电能质量的各个参数。 本章小结 本章分为两个小节。 第一小节中，我们介绍了交流采样的原理以及常用的两种采样方法 —— 软件同步法和硬件同步法，通过对比两种方法的优劣，我们在本设计中，采用硬件同步法实现，即采用 CD4046+74LS393 来实现。 第二小节中，我们着重介绍了基本的电能质量参数的算法。 其中包括FFT 算法和基本交流电参数计算方法。 本设计由于要得到各次谐波幅值分量，故我们 推导了谐波幅值的计算公式，并说明了算法的基本原理。 在本节第二小点中，我们 着重介绍了 6 种交流电参数的计算方法，考虑到选用单片机的资源，我们此处略去电能质量标准中的闪变及暂时过电压和瞬时过电压的计算。 在明确了原理及参数算法后，我们将进入系统实际设计部分。 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） 14 第 3章 系统硬件设计 系统 的 整体方案 电能质量监测系统是一种广泛用于电力系统，并可在系统发生故障或扰动时对电网参数 (三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、谐波含量及频率等变化 )进行精确记录，以实现实时监测与精确计算的装置。 本文设计的是用于低压配电系统中的专用智能 化电能质量监测仪，用于电能质量的长期在线监测或现场电能质量检测。 针对以往 电能质量监测装置的设计方案的不足和系统的性能要求，我们选择 Texas Instruments(TI)公司的 MSP430F449 这款单片机作为主控制芯片 [21][22]。 本设计系统硬件框图如图 31 所示。 其原理图见附录。 交 流电 压交 流电 流电 压 互 感 器电 流 互 感 器调 理滤 波电 路1 2 位A D 转换 器M S P 4 3 0 F 4 4 9处 理 器L C D显 示J T A G键 盘电 源 时 钟锁 相 环电 路 图 31 系统硬件框图 由图 31 所示，由于三路信号处理完全一样，在此我们只就其一路说明。 交流电压电流经过互感器后进入前端得调理滤波电路。 从此部分引出四根线接入单片机的 I/O 口，分别是：电压信号，电流信号，频率信号，地线。 电压电流信号与地线分别送到单片机的 AD 采样输入端和采样参考地端。 频率信号送入单片机信号捕获端。 信号经过单片机处理后，送入 LCD显示。 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） 15 模拟部分设计 系统硬件模拟部分主要分为 信号采集部分，信号调理两大部分。 下面我们就这部分分别予以介绍。 信号采集部分 信号采集部分作用是将 220V， 50Hz 的交流信号经过 适当的传感器采集，以便于后续调理电路处理。 此处，我们选择电压互感器和电流互感器来实现。 这里 采用北京新创四方电子有限公司的兵字 DVDI001 电压互感器和 ZMCT103C 型电流互感器。 DVDI001 型互感器基本参数为：输入电压≤1000Vac，输出电压 ≤，相移 ≤30’，非线性度 ≤%，额定电流：6mA/6mA。 ZMCT103C 型电流互感器基本参数如下：额定输入电流 5A，额定输出电流 5mA，变比 1000:1000，线性范围 0~10A，线性度 %。 其基本接法分别见图 32 和图 33 所示。 D V D I 0 0 1RR i 图 32 电压互感器接法图 Z M C T 1 0 3 CR。