电能质量监测

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1、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AbstractThis detection installment of electrical energy qu

2、ality 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 Fouriers analysis processing, the frequency survey,

3、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 simultaneousl

4、y 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

5、 energy quality； digital signal processor； harmonics一，设计任务3（一）任务3（二）要求31、基本要求32、发挥部分3二，方案的选择与论证 4（一）基本方案论证 41、电路部分方案选择42、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

6、)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100500V交流输入电压、1050A交流输入电流均经由相应的变换器转 换为对应的15V交流电压。100 500V10 50 A图12、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：100500V；准确度：0.5%。(2) 测量交流输入电流有效值，频率：50Hz；测量范围：1050A；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

7、准确度：2%；功率因数显示格式： 0.000.99。(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：4555Hz；误差：0.001 Hz。(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

8、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10卜，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

9、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010V，020V， -5+5V，-10V+10V，转换时间为8.5卜，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：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

10、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。采用数学软件MATABL进行先仿真后转换成应用取点法，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。C语言的形式来实现其功能。频率f：功率因数PF：有功功率P： 无功功率Q： 视在功率S：谐波的含有率： 谐波的有效值：傅里叶函数分析谐波公式:f=1仃PF=P/SP=UIcos(t/T)Q=UIcosS= (P2+Q2) 1/2HRUn=Un/U1*100%T取50赫

11、兹t波形相位差(W)(var)(VA)HRI =I /T *100%n n 1u(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:VR7+1CP入，,以电路为准） IJ 2MAV7+1CPE21 ZxA 10R E2210EEI+U+l+8II 1饵 UIT10EJK元件名称数量1作用AT89S521片单片机ADS774JP2片模数转换HM6264ALP1片8K X 8RAMHD74LS373P1片锁存器HD74LS74AP1片双D型正沿触发器IC4011BP1片2输入4与非门OP074片运放LCD(OCMJ4*8C)1块液晶显示开

12、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（二）部分元器件清单：（东洋元件清单与电路有五、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、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

13、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00000001之间跳动，然后在接近+10V调电位器r6,让其在11111110之间 跳动，增益调好。半刻度校准检查：设模拟输入电压0.0000V，此时数字码应为1000 其校准的具体数值：模拟输入电压+9.9951+9.99020.00490.0000-9.9951-10.0000数码 B11B10B1B01111111010011000000100002、整机系统调试将整机装入箱中，用线连接好，电源

14、模块，重复以上步骤。(三)测试数据：数据处理：交流电压交流电流频率功率因数万用表记录值(fluke17B)4.7404.810示波器显示值：(TDS3054B)49.9700.572 (3.06ms)实测值4.7344.8106显示值：49.9550.574有功功率(W)无功功率(var)视在功率(VA)显示值：227941869713038计算值：227731864513071交流电压交流电流有功功率无功功率视在功率最大值478.747.989129521904722887最小值461.047.239120011803522460电压谐波的有效值电压谐波含有率电流谐波的有效值电流谐波含有率基

15、波373.010036.4941002次谐波004.91.2660.5611.5123次谐波005.51.2270.8542.1504次谐波004.11.0460.7202.0285次谐波007.51.7780.9171.8906次谐波005.41.1520.8022.2047次谐波001.90.4520.5551.2708次谐波004.40.9930.8082.0749次谐波004.91.0180.9102.493给定输入电压、电流都为方波，f=50HZ电压谐波的有效值电压谐波含有率电流谐波的有效值电流谐波含有率基波533.810029.3641002次谐波016.25.2990.6252.

16、2873次谐波182.231.944.0518.1384次谐波021.14.7260.3452.0045次谐波110.918.0533.4774.9186次谐波028.03.7920.3772.2387次谐波065.212.52.9025.5448次谐波011.42.7540.6132.0739次谐波020.93.9151.6875.745波形图:（四）结果分析：测试结果基本与预设数值一致，达到并完成了基本部分和发挥部分要求的指标，实现了 对电能质量检测的功能，整体性能稳定，观察清晰、直观。但由于电位及其硬件会随着温度 的变化而变化，导致存在一定的误差值。六、创新点本设通过采用AD774，直接

17、测量交流脉冲信号，避免了测过零点脉冲信号，增加硬件设 备，使得频率更加准确，虽然理论上有用51单片机实现其功能，但是现实生活中却没有用其 实现，如果加以优化的，会为工业生产节约很大一部分成本。七、心得体会在完成本次任务的同时，除了对电能质量分析有一定的了解，我们还掌握了FFT （快速 傅里叶变换）的应用，及其计算方法，并且通过用C语言编程增强了的逻辑思维的紧密型。， 同时感谢帮我们点播的老师，让我们发现原来路就在前方的拐角，更重要的是通过本次比赛， 让我明白团队具有的非凡意义，在研究与实践中，懂得了理解与尊重，对于今后的路，我们 本着不抛弃、不放弃的原则，会继续努力。参考文献:李华MCS-51

18、系列单片机使用接口技术楼然苗51系列单片机设计实例王兆安谐波抑制和无功功率补偿（第二版）闻伍春运算放大器在电测技术中的应用北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社机械工业出版社机械工业出版社国防出版社附件：(程序)附件1：#pragma SMALL#include #include #include #include #define TURE 1 /FLASH 判断忙标志#define FALSE 0#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longFloat xdataf,phra

19、se,v,c,p,q,s,vb=0,vs=500,cb=0,cs=50,pb=0,ps=25000,qb=0,qs=25000,sb=0,ss=25000;float xdata vxbf9,cxbf9,vxbfp8,cxbfp8;int xdata vx220,cx220;float v1,v1p,c1,c1p;sbitrs=P3A0;sbitrw=P3A1;sbite=P3A2;#define lcd_bus P1 / LCD 数据口sbitrst=P3A4;sbitfscanin=P2A7; /频率测量端口定义sbitpscanin=P2A6; 功率因数sbitkeyin=P2A5;sb

20、itkeyout=P3A3;#definead_buslP0#definead_bushP2sbitcs1=P3A5;sbitrc1=P3A4;sbitcs2=P3A0;sbitrc2=P3A1;void inidelay( ) unsigned int j;for (j=1260;j0;j-); void lcddelay()( uchar j;for (j=100;j0;j-); void addelay()( uchar j;for (j=132;j0;j-); void enable_lcd()/ lcd 写指令子程序 rs=0;写指令时序rw=0;e=1;_nop_();_nop_(

21、);付丽琴等数字信号处理原理及实现 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编（第一届第五届） 北京理工大学出版社e=0;wr_data(0xD1);lcddelay();void data_lcd()/ led 与数据wr_data(0xB9);/第一行“电压：”wr_command(0x90); rs=1;/与数据时序wr_data(0xB5);rw=0;e=1;_nop_();_nop_();e=0;lcddelay(); void wr_data(uchar da)向 led 与数据wr_data(0xE7);wr_command(0x93);wr_data(0xC1);wr_data(0xF

22、7);/第二行“电流：”wr_command(0x88);wr_data(0xC6);wr_data(0xB5); lcd_bus=da;data_lcd(); void wr_command(uchar comm) 向 lcd 与指令wr_command(0x8B);wr_data(0xC2);wr_data(0xCA);/第三行“频率：” lcd_bus=comm;enable_lcd(); void init_lcd()/ lcd 初始化wr_command(0x98);wr_data(0xB9);wr_data(0xA6); lcd_bus=0x01;rs=0;rw=0;e=1;_no

23、p_();_nop_();e=0;inidelay();wr_command(0x0c);/整体显示开wr_data(0xC2);wr_data(0xCA);wr_data(0xD2);wr_data(0xF2);wr_data(0xCA);wr_data(0xFD); /第四行“功率因数：”void init1()定时器1初始化子程序 TMOD=0x91;TH1=0x00;void clrword()/ /清除汉字子程序TL1=0x00; uchar ask_q(float bcs,int zs) / /求权子程序uchar i;init_lcd();/LCD初始化子程序 uchar fru

24、it;bcs=100;wr_command(0x30);开启基本指令zs=10;wr_command(0x80);for(i=0;i32;i+)wr_data(0x20);wr_command(0x90);for(i=0;i=10*zs)fruit=(fmod(bcs,10*zs)/zs;elsefruit=bcs/zs;return(fruit); void countf(uchar th,tl) /计算频率子程序 float period;period=th;clrword();wr_command(0x80);wr_data(0xB5);wr_data(0xE7);wr_command(

25、0x83);period=period*256;period=period+tl;f=1000000/period;void showfc(float fc,uchar addrfc) / 显示频率电流( uchar shi,ge,d_1,d_11,d_111;tl=TL1;shi=ask_q(fc,10);countf(th,tl); ge=ask_q(fc,1);elsed_1=ask_q(fc,0.1);f=0;d_11=ask_q(fc,0.01);TH1=0x00;d_111=ask_q(fc,0.001);TL1=0x00;shi=shi+48;ge=ge+48;void show

26、ph()/显示功率因数子程序d_1=d_1+48; uchar d_1,d_11,d_111;d_11=d_11+48;if(phrase !=0)d_111=d_111+48;wr_command(addrfc);d_1=ask_q(phrase,0.1);wr_data(0x3A);d_11=ask_q(phrase,0.01);wr_data(shi);d_111=ask_q(phrase,0.001);wr_data(ge);d_1=d_1+48;wr_data(0x2E);d_11=d_11+48;wr_data(d_1);d_111=d_111+48;wr_data(d_11);w

27、r_command(0x9C);wr_data(d_111); wr_data(0x3A);void showf(float fc,uchar addrfc)/显示频率wr_data(0x30); if(f!=0)wr_data(0x2E);( showfc(fc,addrfc);wr_data(d_1);elsewr_data(d_11); wr_command(addrfc);wr_data(d_111);wr_data(0x3A);wr_data(0x2D);elsewr_data(0x2D); wr_command(0x9C);wr_data(0x3A);void measfpuls(

28、)/测频率脉宽wr_data(0x2D); uchar th,tl;wr_data(0x2D); uint i=0;dovoid countp(uchar th,tl) /计算功率因数子程序i+; float puls;while(fscanin=1 & i40000);puls=th;dopuls=puls*256; i+; puls=puls+tl;while(fscanin=0 & i40000);phrase=puls*6.28/40000;TR1=1;phrase=cos(phrase);do i+; void measppuls()/测相位脉宽子程序while(fscanin=1

29、& i40000); uchar th,tl;if(i40000)uint i; TR1=0;doth=TH1; i+;while(fscanin=1 & i20000);_nop_();doadl=ad_busl; i+; adh=ad_bush;while(fscanin=0 & i20000);adh=adh & 0x0f;TR1=1;cs2=1;dovolt=countad(adh,adl); i+; return(volt);while(pscanin=0 & i20000);if(i20000)int ad2ch()/电流转换子程序TR1=0; uchar adh,adl;th=T

30、H1;int curr;tl=TL1;cs1=0;countp(th,tl);rc1=0;_nop_();else_nop_();phrase=0;_nop_();TH1=0x00;_nop_();TL1=0x00;_nop_();_nop_();int countad(uchar th,tl) / 计算 AD 数据子程序_nop_();_nop_();int amad;_nop_();amad=th;_nop_();amad=amad*256;rc1=1;amad=amad+tl;_nop_();return(amad);_nop_();adl=ad_busl;int ad1ch()/电压转

31、换子程序adh=ad_bush; uchar adh,adl;adh=adh & 0x0f;int volt;cs1=1;cs2=0;curr=countad(adh,adl);rc2=0;return(curr);_nop_();_nop_();/电压电流储存子程序_nop_();_nop_();uchar i;_nop_();for(i=0;i220;i+)_nop_(); vxi=ad1ch(); 储存电压 31.5us_nop_();cxi=ad2ch(); 储存电流 31.5us_nop_();addelay();/延时 132us_nop_();_nop_();rc2=1;void

32、 countv()/电压计算子程序_nop_();uchar j;v=0;for(j=60;j110;j+)v=v+(vxj-2047)/2.896)*(vxj-2047)/2.896);v=v/50;/求平均值v=sqrt(v)*1.25;/求电压void showv(float vzj,uchar addrv)/ 显示电压uchar bai,shi,ge,pot01;bai=ask_q(vzj,100);shi=ask_q(vzj,10);ge=ask_q(vzj,1);pot01=ask_q(vzj,0.1);bai=bai+48;shi=shi+48;ge=ge+48;pot01=po

33、t01+48;wr_command(addrv);wr_data(0x3A);wr_data(bai);wr_data(shi);wr_data(ge);wr_data(0x2E);wr_data(pot01);void countc() /电流计算子程序uchar j;c=0;for(j=60;j110;j+)c=c+(cxj-2047)/28.96)*(cxj-2047)/28.96);c=c/50;c=sqrt(c)*1.25;void measurevc()/测电压电流子程序 savevc();电压电流存储countv();/电压计算countc();/电流计算void countpq

34、s() p=v*c*phrase;/计算pqss=v*c;q=sqrt(s*s-p*p);void show2()/显示界面2子程序 clrword();wr_command(0x80);wr_data(0xCA);wr_data(0xD3);wr_data(0xD4);wr_data(0xDA);wr_data(0xB9);wr_data(0xA6);wr_data(0xC2);wr_data(0xCA);/第一行“视在功率：”wr_command(0x90);wr_data(0xD3);wr_data(0xD0);wr_data(0xB9);wr_data(0xA6);wr_data(0x

35、B9);wr_data(0xA6);wr_data(0xC2);wr_data(0xCA);/第二行“有功功率：”wr_command(0x88);wr_data(0xCE);wr_data(0xDE);wr_data(0xB9);wr_data(0xA6);wr_data(0xB9);wr_data(0xA6);wr_data(0xC2);wr_data(0xCA);/第三行“无功功率：” void showpqs(float pqs,uchar addrpqs) 显示 pqs uchar wan,qian,bai,shi,ge;wan=ask_q(pqs,10000);qian=ask_q

36、(pqs,1000);bai=ask_q(pqs,100);shi=ask_q(pqs,10);ge=ask_q(pqs,1);wan=wan+48;qian=qian+48;bai=bai+48;shi=shi+48;ge=ge+48;wr_command(addrpqs);wr_data(0x3A);wr_data(wan);wr_data(qian);wr_data(bai);wr_data(shi);wr_data(ge);void clr_lcd()/清除显示存储器子程序( uchar y=0x80,x=0x80,k,k1,k2;for(k2=0;k22;k2+)for(k1=0;k

37、132;k1+) wr_command(0x34);/,绘图显示关wr_command(y);设定 Y 地址wr_command(x);设定 X 地址wr_command(0x30);开启基本指令for(k=0;k2047 & m110) m+; while(vxm2047 & m110) m=0; x1=0x80; y=0x80; l=m;for(k=0;k8;k+) zz=0x8000;for(i=0;i16;i+) if(k4) wi=vxl+2*i/64;elsewi=cxl+2*i/64; if(wi32) x=x1+8;y=y+31-wi;elsex=x1;y=y+63-wi; f

38、z=0x8000; z=zz;for(j=0;j1; z1=z; z2=z8; show_wave(x,y,z1,z2); zz=zz1; y=0x80;x1=x1+1;l=l+32;if(k=3) x1=0x84;l=m; x=0x80;y=0x9F;vvl=(vvl-2047)/2048;z1=0xff;vxbc=vxbc+vvl*co;z2=0xff;vxbs=vxbs+vvl*si;for(i=0;ivb)vb=v;vxbfi=sqrt(vxbc*vxbc+vxbs*vxbs);if(vcb)v1=vxbf0;cb=c;c1=cxbf0;if(cpb) uchar i;pb=p;for

39、(i=1;i9;i+)if(pqb)qb=q;v1p=100;if(qsb)void main(void)主函数sb=s; uchar xdata cou,key=0;if(sss)inidelay();ss=s;init_lcd();init1();void xbfx()谐波分析子程序do float vvl,ccl,vxbc,vxbs,cxbc,cxbs,co,si;measurevc();uchar i,j;measfpuls();测频率脉宽子程序float sita;measppuls();测相位脉宽子程序for(i=0;i9;i+)countpqs(); vxbc=0;maxmin(

40、);vxbs=0;for(cou=0;cou200;cou+)cxbc=0;inidelay();cxbs=0;if(keyin=0)sita=(i+1)*0.0628;for(j=1;j=8) key=0; if(key=0) show1();showv(v,0x84);showfc(c,0x94); showf(f,0x8C);showph();else if(key=1)show2();showpqs(s,0x84);showpqs(p,0x94);showpqs(q,0x8C);showpqs(sb,0x98);showpqs(ss,0x9C);else if(key=2)clrwor

41、d();wr_command(0x80);showv(vb,0x80);showv(vs,0x84);showfc(cb,0x90);showfc(cs,0x94);showpqs(pb,0x88);showpqs(ps,0x8C);showpqs(qb,0x98);showpqs(qs,0x9C);else if(key=3) savevc();xbfx();xbpec();for(cou=0;cou20;cou+) inidelay();clrword();showv(v1,0x80);showv(vxbf1,0x84);showv(vxbf2,0x90);showv(vxbf3,0x94

42、);showv(vxbf4,0x88);showv(vxbf5,0x8C);showv(vxbf6,0x98);showv(vxbf7,0x9C);else if(key=4) savevc();xbfx();xbpec();for(cou=0;cou20;cou+) inidelay();clrword();showv(v1p,0x80);showfc(vxbfp1,0x84);showfc(vxbfp 2 ,0x90);showfc(vxbfp3,0x94);showfc(vxbfp4,0x88);showfc(vxbfp5,0x8C);showfc(vxbfp6,0x98);showfc

43、(vxbfp7,0x9C);else if(key=5) savevc();xbfx();xbpec();for(cou=0;cou20;cou+) inidelay();clrword();showfc(c1,0x80);showfc(cxbf1,0x84);showfc(cxbf2,0x90);showfc(cxbf3,0x94);showfc(cxbf4,0x88);showfc(cxbf5,0x8C);showfc(cxbf6,0x98);showfc(cxbf7,0x9C);else if(key=6) savevc();xbfx();xbpec();for(cou=0;cou20;cou+) inidelay();clrword();showv(c1p,0x80);