电能质量分析—硬件(编辑修改稿)

电能质量分析—硬件(编辑修改稿)内容摘要：

四线制电路，电压中除了含有谐波分量外，还含有正序，负序，零序分量。 对于三相三线制电路，没有零序分量，所以，三相电量的不平衡度通常以负序分量与正序分量的有效值的百分比值来表示： %100*/ 12 UU ()式中： U1为三相电压正序分量的有效值； U2为三相电压负序分量的有效值。 三相电压的不平衡主要是因为分配在三相上的负荷不平衡所致。 系统三相阻抗不对称，消弧线圈补偿电网不平衡，电动机车等大容量非对称负荷的接入也会造成三相电压的1 绪论 5 不平衡。 国际中对三相不平衡的规定如下： 电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为 2％ ，短时不得超过 4％ ，电气设备额定工况的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定。 电能质量的改善措施 电能质量的好坏是电力工业水平的重要标志。 改善电能质量， 抓好管理工作是不可忽视的环节，因此我们可以做一些工作： 1） 建立质量管理体系。 2）电气产品的电能质量管理。 3）改善 电能质量还要对电能质量进行研究。 4）随着高性能的电力电子元器件 (例如 GTO、 IGBT、 LTT 等 )的出现，国外专家提出了柔性交流输电 (FACTS)技术。 在此基础上也提出了一些解决电能质量问题的方法。 (1) 调节有载调压变压器的分接头，可保持电压稳定，保证电压质量，但不能改变系统无功需求平衡状态，同时也可能影响变压器运行的可靠性。 (2) 局部并联电容器组的投切，可补偿系统无功功率，解决电压偏低的情况，但 对轻载电压偏高的电能质量问题却无能为力。 (3) 无源滤波器是传统的抑制谐波电流的主要手段，它通过 LC 谐振吸收电网中的谐波电流但只能抑制固定频率的谐波，同时也可能造成系统谐振。 (4) 通过备用发电机组和机械式双电源切换装置（ ＞ 2 S）等方法对重要用户连续供电。 以上方法都能在一定程度上解决电能质量问题，但也都存在着本身无法克服的缺陷，因此必须提出新的解决电能质量问题的方法。 1988 年美国 博士首次提出了 Custom Power 的概念，即将电力电子技术、微处理器技术、控制技术等高新技术运用于中 、低压配、用电系统，以减小谐波畸变，消除电压波动、电压闪变、电压的不平衡和供电的短时中断，从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。 用户电力技术的提出为全面解决供电网电能质量问题提供了一种新的途径。 作为 FACTS 技术在配电系统应用的延伸 — DFACTS 技术（又称 Custom Power 技术）已成为改善电能质量的有力工具，该技术的核心器件 IGBT 比 GTO 具有更快的开关频率，并且关断容量已达 MVA级，因此 DFACTS 装置具有更快的响应特性。 目前主要的 DFACTS装置有：有源滤波器（ APF）、动态电压恢复器（ DVR）、配电系统用静止无功补偿器（ D— STATCOM）、固态切换开关（ SSTS），统一电能质量控制器（ UPQC）等。 其中 APF（属于并联补偿）是补偿谐波的有效工具；而 DVR（属于串联补偿）通过自身的储能单元，能够在 ms 级内向系统注入正常电压与故障电压之差，因此是抑制电压暂降的有效装置 ，UPQC 综合了串联补偿和并联补偿的特点，既能抑制电流谐波，又能补偿电压畸变量，是一种综合的补偿装置。 用户电力技术是基于用户对电能质量越来越高的要求的，提供多级别的电能质量服务将成为未来供电的趋势。 基于现代电力电子和控制技术 的用户电力技术将是解决这一问题1 绪论 6 的有效途径，其中，用于提高供电质量的动态电能质量调节技术，提高电能利用率及利用新能源的电能变换技术，以及用于提高系统反事故能力的固态开关技术，这三种用户电力技术会大大提高供电质量的可靠性，有着广阔的应用前景。 电能质量检测的研究现状与展望 由于电能质量需要检测的量很多而且大多是高度畸变的，传统的方法是采用模拟信号的分析，检测不同的电能质量指标使用不同的仪表。 如传统的测量电压和电流有效值的电压表、电流表，测量功率损耗的有功表、无功表，测量频率的频率表，还有谐波表、三相不平衡 度计、电压波动和闪变仪。 此类仪器的不足之处是可监测的指标少，通用性差、精度较低、自动化程度较低。 目前电能质量监测设备的发展趋势倾向于采用永久性的固定设备对现场数据进行在线监测，对于固定电能质量监测设备而言，需要综合考虑成本和性能进行专门的研制。 基于微处理器的智能化电能质量在线监测设备采用嵌入式系统和数字信号处理技术在设计上具有在线监测、智能化、网络化、实时性好和成本低的特点。 它具有在线监测、精度高、升级潜力大、实时性好、体积小、成本低的特点，既适用于现场的测量分析，也适用于长期的在线监测。 电能质量的分析 和监测是一个复杂的系统工程。 它设计到电力系统、自动控制、现代通信等多个方面。 目前乃至今后一段时间内，它在发展中要解决以下几方面的问题： 1）基础理论的研究。 2）新型算法的开发。 3）电能质量监测的网络化、智能化。 电能质量分析及及其监测是一个较复杂的问题，如何合理、全面地分析处理各种干扰源，充分将计算机技术和网络技术为电能质量分析与监测所用，都是应注意的问题。 同时电能质量监测的发展趋势对监测系统在功能上提出了更高的要求，也表明这一应用领域的研究需要多种技术的相互融合和各个领域的密切合作。 系统主要研究内容 本系统主要是通过对三相电流和电压进行检测，设计一套电能质量检测装置，该装置前台进行电流、电压值的采集，后台软件系统通过各种算法对采样进行分析，从而实时得到电、电压、频率及电压波动的值，并通过 LCD 显示相关数值。 2 电能质量检测系统总体设计 7 2 电能质量检测系统总体设计 本设计用 单片机 PICl8F458 作为核心微处理器，结合电流、电压传感器进行对电网电能质量参数的实时检测，并通过 CAN 模块进行数据传输，以达到高速实时，充分利用PICl8F458 单片机的多功能集成而简化了硬件设计中的外围电路。 系统功能 (1) 使用方便。 便携式结构，尺 寸小、重量轻、一个人即可携带仪器到现场测试；内置高性能锂电池，在无外接电源的情况下可连续工作；设计具有时钟，可以准确记录参数发生变化的时间。 (2) 开发方便。 Microchip 公司为用户的应用开发提供了丰富的硬件和软件支持，其中有各种档次的硬件仿真器和编程器。 对于 PIC 系列中任一款单片机的开发，都可以借助于一套免费的软件综合开发环境，实现程序编写和模拟仿真。 (3) 实时监测。 检测仪检测出电能参数异常，检测仪可以报警并把检测数据上传，方便了对事故的处理，减少更大的经济损失，对今后相同时段、地段的电能变化也有了数据支持。 系统组成 基于 PIC 单片机的电能质量检测仪结构图如图 所示。 系统设计的最基本要求是有能够满足电能质量检测任务计算要求的足够的处理能力。 系统必须是易于实现、灵活、高效的。 整个系统电路有以下几个部分：数据采集模块、微处理器单元、最小系统、人机接口、串口通信模块。 (1) 数据采集模块 本系统选择的是基于霍尔效应开环原理的电压传感器和电流传感器系列，这类传感器的副边能够精确的反应原边待测信号，具有线性好、精度高、工作范围高、电路简单可靠等优点，可以得到适合 CPU 的电压值。 由比较器构成一个过零比较电路，将电压信 号转换成与电压信号频率相同的方波信号以采集频率信息。 (2) 微处理器单元 本系统使用的是由 Microchip 公司所生产开发的 PIC 芯片，具有 Flash program 程序记忆体功能，可以重复烧写程序，该芯片带有 FLASH 程序存储器和 EEPROM，其内有 A/D转换器（或称 ADC）模块，用来将外部的各种模拟物理量变换为便于单片机内部处理的数字量。 它有很多的优点：精简指令集，易学易用；八级硬件堆栈；具有同步串行口 I2C/SPI总线操作，可用于控制外部实时时钟、 EEPROM。 PIC 在一个芯片内集成了众多的功能模块并具备优 秀微处理器特性和 CMOS 工艺特点 ,因此它可以减少外部器件 ,提高产品可靠性和降低成本 ,另外它具有低功耗及宽工作电平 ,宽工作温度的特点。 西安工业大学毕业设计（论文） 8 (3) 最小系统 电源电路， PIC 芯片的工作电压为 5V连接电源管脚 ,接地管脚与地线相接；重置电路连接复位管脚 ,按下 Reset 后，内部指令重头开始执行，系统重新运作；单片机振荡电路与整体系统工作速度有直接的关系，例如同步 ∕异步串行传输、定时器等，都与振荡频率有关 ,PIC 芯片外接振荡电路接于管脚 OSC1 与 OSC2。 (4) 人机接口 键盘及 LCD 显示屏是人机交换的接口，通过键盘操作进行实时显示 电能质量信息。 键盘：用于控制显示各种界面，通过菜单功能，方便进行显示界面的切换。 LCD：实时得到电压、电流、频率、有功、无功功率、三相不平衡度及电压波动值，并通过 LCD 显示相关数值。 报警电路由发光二极管、三极管、蜂鸣器构成，当检测到异常信号时报警。 (5) 时钟电路 实时时钟（ RTC）具有年、月、日、时、分、秒以及星期等日历及时钟，保持跟踪时间和日期等信息，可以记录故障的时间。 (6) 通信模块 CANBUS 是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，具有极高的可靠性，可用点对点、一点对多点及全局广播几种方式传递和接 收数据。 它的通讯距离最远可达 5KBps/10KM，通讯速率最高可达 1MBps/40M。 图 电能质量检测仪 结构图 微 处 理 单 元 数据采集模块 最小系统 人机交换模块 串口通信模块 3 电能 质量检测系统的硬件设计 9 3 电能质量检测 系统的硬件设计 系统 硬件框图 系统硬件设计如图 所示。 本系统以单片机 PICl8F458 为核心，数据采集、处理以及通信至主机进行数据处理都要通过单片机。 数据采集通过电压传感器 CHV— 100 和电流传感器 CHB— 300S 经过单片机内部的 A/D 进行 AD 转换完成。 图 单片机简介 本系统采用的 PICl8F458 单片机是美国 Microchip 公司的高档产品，采用了 RISC 结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗，大电流 LCD 驱动能力和低价位 OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。 其采用 16 位的类 RISC 指令系统，由于 PIC18F458单片机的指令系统采用 RISC 技术，与 一 般单片机的指令系统通常有上百条指令相比要少得多。 此外， PIC18F458 单片机全部采用单字节指令，而且除 4 条条件跳 转指令外均为单周期指令，执行速度较高。 它的寻址方式简单：寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址。 它的代码压缩率高，例如 1KB 程序存储器空间，对于像 51 系列单片机，大约只能存放 500 多条指令；而对于 PIC 系列单片机，则能有效利用存储器的空间，存放多达1024 条指令。 PIC18F458 单片机采用 CMOS 结构，使其功率消耗极低，是目前世界上最低功耗的单片机之一。 它的 I/O 端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动多达20~25 mA 的负载，既能够用高电平也可以用低电平来直接驱动发光二极管 LED、光电耦3 电能 质量检测系统的硬件设计 10 合器 和小型继电器等，这样可大大简化控制电路。 PIC18F458 系列概述 PICl8F458 单片机 在保持低价格的前提下含有 A/D 转换器、内部 E2PROM 存储器、比较输出、捕捉输入、 PWM 输出、 12C 总线和 SPI 总线接口电路、异步串行通信 (USART)接口电路、 CAN 总线接口电路、模拟电压比较器、可读写 FLASH 程序存储器等许多功能。 具体特点如下： 高性能的 RISC CPU  高达 2MB 的程序存储器；  高达 4KB 的数据存储器；  高达 l0MIPS 的执行速度；  DC~40MHz 时钟输入；  4~10MHz 带 PLL 锁相环有源晶振／时钟输入  16 位宽指令 ,8 位宽数据通道；  带优先级的中断；  8*8 单周期硬件乘法器。 外围功能模块特性  最大拉电流 /灌电流可达 25mA；  3 个外部中断引脚；  定时器 TMR0：带有 8 位可编程前分频器的 8 位或 16 位定时器 /计数器；  定时器 TMR1： 16 位定时器 /计数器；  定时器 TMR2：带有 8 位周期寄存器的 8 位或 16 位定时器 /计数器。  定时器 TMR3： 16 位定时器 /计数器；  捕捉 /比较 /脉宽调制 (PWM)(CCP)模块；  有 2 种工作方式的主同步串行通 信 (MSSP)： — 3 线 SPI 主控方式 (支持所有 4 种 SPI 工作模式 )； — I2C 主控 /从动方式；  可寻址的 USART 模块：支持中断地址位。 高级的模 /数转换特性。