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主要講解了如何采集電壓電流信號(hào)，以及對(duì)信號(hào)的處理，最后分析諧波并且將其顯示。
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2017-4-14 04:25 上傳
電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
姓 名 專業(yè) 班級(jí)
學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 題目類型
題 目 電網(wǎng)諧波測(cè)量?jī)x表設(shè)計(jì)
一、選題背景及依據(jù)（簡(jiǎn)述題目的技術(shù)背景和設(shè)計(jì)依據(jù)，說(shuō)明選題目的、意義，列出主要參考文獻(xiàn)）
1、技術(shù)背景：
電力是現(xiàn)代社會(huì)中不可缺少的重要能源，但是隨著科技的發(fā)展，大量的非線性電力電子設(shè)備出現(xiàn)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，使電網(wǎng)中的高次諧波愈來(lái)愈嚴(yán)重；其對(duì)電力系統(tǒng)的影響的直接表現(xiàn)是電流和電壓波形產(chǎn)生周期性畸變，在這些電流和電壓的波形中出現(xiàn)了一系列頻率為基波頻率整倍數(shù)的正弦波分量(高次諧波分量)，高次諧波分量稱為電力諧波。電力諧波對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成了潛在威脅，給周圍電氣環(huán)境也帶來(lái)了極大的影響，同時(shí)還阻礙了電力電子技術(shù)的發(fā)展。諧波作為是電網(wǎng)的一大公害引發(fā)了人們對(duì)電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題的關(guān)注。諧波測(cè)量作為研究諧波問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)和依據(jù)，成為人們研究諧波首要面對(duì)的問(wèn)題。
2、設(shè)計(jì)依據(jù)：
隨著諧波源越來(lái)越多，同時(shí)諧波危害也越大；對(duì)諧波測(cè)量方法和技術(shù)也越來(lái)越成熟。電力諧波的測(cè)量已經(jīng)具有很長(zhǎng)的歷史，最初的諧波測(cè)量完全以諧波波形的記錄數(shù)據(jù)和手工計(jì)算為基礎(chǔ)的，不僅精度很低,而且耗時(shí)多。隨著電子元件質(zhì)量和可用性的進(jìn)一步改善,使得生產(chǎn)穩(wěn)定的、可變頻率的振蕩器成為可能,這本身導(dǎo)致諧波測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,使得精度更高的模擬式頻譜分析儀的研制成為可能。本設(shè)計(jì)主要通過(guò)電壓和電流互感器對(duì)電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行采集，再利用快速傅里葉變換法對(duì)從電網(wǎng)采集來(lái)的諧波進(jìn)行分析，快速傅里葉變換法主要優(yōu)點(diǎn)就是運(yùn)算速度快，不占用很多的系統(tǒng)時(shí)間，適應(yīng)快速跟蹤動(dòng)態(tài)檢測(cè)的要求；且該算法將采集的電壓、電流中的干擾化為高次諧波處理，避免了因采用模擬濾波電路產(chǎn)生參數(shù)不匹配帶來(lái)的誤差，從而極大的提高了測(cè)量精度；對(duì)于多數(shù)場(chǎng)合來(lái)說(shuō)都比較適用，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電網(wǎng)的信號(hào)都是穩(wěn)態(tài)信號(hào)。通過(guò)STM32來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)快速傅里葉變換算法的控制，以及對(duì)相應(yīng)參數(shù)的顯示和PC機(jī)信息的傳遞。STM32主要優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)。
3、選題目的及意義：
1）目的：諧波檢測(cè)是研究分析諧波問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)和主要依據(jù)，準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)系統(tǒng)中的諧波成分，是保證諧波抑制有效性的關(guān)鍵問(wèn)題。主要有以下幾點(diǎn)：（1）鑒定實(shí)際電力系統(tǒng)及諧波源用戶的諧波水平是否符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，包括對(duì)所有諧波源用戶的設(shè)備投運(yùn)時(shí)的測(cè)量。（2）電氣設(shè)備調(diào)試、投運(yùn)時(shí)的諧波測(cè)量，以確保設(shè)備投運(yùn)后電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。（3）諧波故障或異常原因的測(cè)量。為了分析各種諧波故障或異常原因以及采取相應(yīng)的對(duì)策的各種測(cè)試和分析。（4）諧波專題測(cè)試，如諧波阻抗、諧波潮流、諧波諧振和放大等。
2）意義：
第一：是因?yàn)橹C波的危害比較嚴(yán)重。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(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。如上節(jié)所述，諧波引起的危害繁多，嚴(yán)重影響人們正常工作。
第二：還在于其對(duì)電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。電力電子技術(shù)是未來(lái)科學(xué)技術(shù)發(fā)
展的重要支柱，但是電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染己經(jīng)成為電力電子技術(shù)的重大障
礙，它迫使電力電子領(lǐng)域的研究人員必須對(duì)諧波問(wèn)題進(jìn)行更為有效的研究。
第三：還可以上升到從治理環(huán)境污染、維護(hù)綠色環(huán)境的角度來(lái)認(rèn)識(shí)。對(duì)電力系統(tǒng)這
個(gè)環(huán)境來(lái)說(shuō)，無(wú)諧波就是“綠色”的主要標(biāo)志之一。
綜上所述，諧波檢測(cè)是保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要技術(shù)，諧波研究
對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的研究意義。本文希望通過(guò)對(duì)諧波檢測(cè)及其相關(guān)技術(shù)的
研究，來(lái)改進(jìn)和完善諧波測(cè)量，為諧波測(cè)量技術(shù)的發(fā)展提出一些新的想法。
參考文獻(xiàn)：
單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編1—10， 北京航天航空大學(xué)出版社
實(shí)時(shí)控制與智能化儀表多微機(jī)系統(tǒng)的通信技術(shù)， 清華大學(xué)出版社
可編程邏輯器件PLD原理與應(yīng)用， 中國(guó)鐵道出版社
數(shù)字信號(hào)處理導(dǎo)論，清華大學(xué)出版社
二、主要設(shè)計(jì)（研究）內(nèi)容、設(shè)計(jì)（研究）思想、解決的關(guān)鍵問(wèn)題、擬采用的技術(shù)方案及工作流程
1、設(shè)計(jì)內(nèi)容：
本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)一個(gè)電網(wǎng)諧波測(cè)量?jī)x表，對(duì)電網(wǎng)電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采集和處理，分析電網(wǎng)電壓和電流諧波以及電網(wǎng)無(wú)功功率，并且將電壓和電流的相關(guān)值計(jì)算和顯示，同時(shí)將三相電壓和電流波形顯示出來(lái)，最后通過(guò)通訊模塊將信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)，讓計(jì)算機(jī)對(duì)相關(guān)濾波器進(jìn)行自動(dòng)控制。
1）測(cè)試功能：
計(jì)算及顯示參數(shù):
三相電壓、電流波形； 三相電壓、電流有效、平均和最大值；功率因數(shù)；電壓、電流總諧波畸變率；頻率；電壓、電流波形因數(shù)；相序
整屏顯示參數(shù):
三相電流、電壓瞬時(shí)有效值； 頻率；有功、無(wú)功及視在功率（相，總量）；功率因數(shù)（相，總量）；COSF
諧波頻譜:
諧波DC---63次（顯示DC---25次）； 顯示百分比及絕對(duì)幅值；
顯示THD 電壓、電流有效值
2M的存儲(chǔ)容量
2）主要技術(shù)指標(biāo)及要求：
三相電壓:
測(cè)試范圍：10---550V有效值；分辨率：0.1V；精度：+（讀數(shù)的0.5%+2位）；頻率：43---68HZ；波形因數(shù)：1
三相電流:
范圍：0.02---1V/20A---1000A；分辨率：0.3mV/ 0.3A；精度：+（讀數(shù)的0.5%+2位）； 波形因數(shù)：2.5；允許過(guò)載：50%
記錄時(shí)間間隔：1秒---15分（或30分）
3）其它參數(shù)：
電源：220V AC42---63HZ或充電電池（充滿可操作5小時(shí)）；功耗：<10VA；
顯示：160× 116mm LCD 顯示； 記憶容量：2M（失電保存功能）；
通訊：RS232計(jì)算機(jī)接口；波特率：2400---57600 ；
通過(guò)因特網(wǎng)可以升級(jí)；
防護(hù)等級(jí)：IP54；
工作溫度：-10----+50℃；
2、設(shè)計(jì)思想：
1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，該設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)模塊組成：
（一）核心控制器STM32單元模塊：
本次設(shè)計(jì)主要用核心芯片STM32F103ZET6來(lái)作為本次設(shè)計(jì)的控制單元；
該芯片具有以下功能：該芯片具有 64KB SRAM、512KB FLASH、2 個(gè)基本定時(shí)器、4 個(gè)通用定時(shí)器、2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器、3 個(gè) SPI、2 個(gè) IIC、5 個(gè)串口、1個(gè) USB、1 個(gè) CAN、3 個(gè) 12 位 ADC、1 個(gè) 12 位 DAC、1 個(gè) SDIO 接口、1 個(gè) FSMC 接口以及112 個(gè)通用 IO 口，這些具有的功能能很好的完成設(shè)計(jì)任務(wù)。
（二）電壓和電流信號(hào)采集模塊：
主要利用電壓互感器和電流互感器將電網(wǎng)三相高電壓和大電流處理成低電壓和小電流用于電網(wǎng)諧波的分析。首先將三相電壓和電流通過(guò)六路互感器進(jìn)行信號(hào)采集，再進(jìn)行相應(yīng)電流和電壓信號(hào)的處理，最后A/D處理。
電壓互感器：是將一次回路的高電壓成正比的變換為二次低電壓以供給測(cè)量?jī)x表、繼電保護(hù)及其它類似電器。
電流互感器：是將一次回路的大電流成正比的變換為二次小電流以供給測(cè)量?jī)x表、繼電保護(hù)及其它類似電器。二次電流不能直接A/D轉(zhuǎn)換，必須進(jìn)行相關(guān)的處理將其轉(zhuǎn)換成能被處理的信號(hào)；再輸入到A/D處理模塊。
（三） ADC處理模塊：
該模塊主要將采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，處理之后再通過(guò)STM32單片機(jī)進(jìn)行FFT（快速傅里葉變換處理）。
STM32F103ZET的ADC處理模塊：STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有 18 個(gè)通道，可測(cè)量 16 個(gè)外部和 2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的 A/D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC 的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在 16 位數(shù)據(jù)寄存器中。我們?cè)诒敬卧O(shè)計(jì)中主要利用其中的6個(gè)通道分別對(duì)三相電壓和三相電流轉(zhuǎn)換處理；然后存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中。
（四） FFT（快速傅里葉變換算法）數(shù)據(jù)處理模塊：
在數(shù)字信號(hào)處理中，離散傅里葉變換(DFT)是常用的變換方法，它在各種數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中扮演者重要的角色�？焖俑道锶~變換(FFT)并不是一種新的算法，而是離散傅里葉變換(DFT)的一種快速計(jì)算的算法而已。
將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT算法，我們就可以對(duì)電壓和電流的各次諧波和相關(guān)的一些值進(jìn)行計(jì)算，這些數(shù)據(jù)處理都是通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
（五） 顯示及按鍵模塊：
① 顯示：
由于設(shè)計(jì)任務(wù)要求顯示的值和參數(shù)比較多，所以對(duì)顯示屏要求比較高，在一個(gè)屏幕上顯示不了，必須要利用按鍵，通過(guò)程序來(lái)控制讓其轉(zhuǎn)換顯示，
② 按鍵：
主要用于顯示屏的控制，以及一些設(shè)置值得操作，比如設(shè)置報(bào)警、顯示屏切換，以及復(fù)位等。
（六）通訊模塊：
通過(guò)RS232協(xié)議利用軟件使單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行通訊，對(duì)相關(guān)的濾波器進(jìn)行相關(guān)的操作。
（七）電源模塊：
主要為各個(gè)電路提供所需的電源。
2）設(shè)計(jì)思路：
硬件部分一個(gè)模塊一個(gè)模塊著手，首先通過(guò)電壓和電流互感器對(duì)三相電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采集，在經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理將采集的信號(hào)處理成單片機(jī)能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的信號(hào)，再A/D 轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)直接讓單片機(jī)通過(guò)快速傅里葉算法處理，之后將快速傅里葉變換算法處理后的信息用程序進(jìn)行算術(shù)處理，計(jì)算出任務(wù)要求的電壓電流相關(guān)的參數(shù)，再通過(guò)顯示模塊顯示，最后將相關(guān)的信號(hào)用RS232協(xié)議傳給PC機(jī)。
軟件部分通過(guò)各個(gè)模塊的編程，軟件部分在對(duì)芯片的管腳功能和用法以及整個(gè)系統(tǒng)有充分的了解后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)硬件電路，包括互感器信息采集電路、按鍵控制電路、A/D模塊連接電路、再編寫(xiě)所需要的程序，然后通過(guò)軟件編程，基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的任務(wù)要求。
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下：
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2017-4-14 04:27 上傳
圖1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
3、解決的關(guān)鍵問(wèn)題：
本次設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)方面著手解決相關(guān)問(wèn)題，即硬件和軟件兩個(gè)方面來(lái)考慮。
1) 硬件方面關(guān)鍵問(wèn)題：
① 該系統(tǒng)用于測(cè)量電網(wǎng)諧波并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，所以必須要考慮電網(wǎng)信號(hào)的采集電路和處理電路。
② 信號(hào)采集模塊電流和電壓互感器的原理以及采集來(lái)的信號(hào)簡(jiǎn)單處理電路的設(shè)計(jì)。
③ 被采集來(lái)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)算法分析之后，如何顯示和如何通過(guò)PC機(jī)通訊等需要考慮。
④ 各個(gè)模塊與單片機(jī)硬件的調(diào)試。
2) 軟件方面關(guān)鍵問(wèn)題：
① 各個(gè)模塊程序的設(shè)計(jì)和編寫(xiě)。
② FFT算法以及諧波相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算。
③ 顯示模塊軟件、按鍵、時(shí)鐘、FFT算法等程序編寫(xiě)，以及各個(gè)程序模塊的組合，和調(diào)試。
④ 軟件程序在硬件上面的調(diào)試以及仿真。
4. 擬采用的技術(shù)方案及工作流程：
1) 擬采用的技術(shù)方案：
本設(shè)計(jì)采用的是STM32F103ZET6處理器。該芯片具有 64KB SRAM、512KB
FLASH、2 個(gè)基本定時(shí)器、4 個(gè)通用定時(shí)器、2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器、3 個(gè) SPI、2 個(gè) IIC、5 個(gè)串口、1個(gè) USB、1 個(gè) CAN、3 個(gè) 12 位 ADC、1 個(gè) 12 位 DAC、1 個(gè) SDIO 接口、1 個(gè) FSMC 接口以及112 個(gè)通用 IO 口。它的功能相對(duì)于51單片機(jī)強(qiáng)很多，所以采用STM32作為主控制芯片。
信號(hào)采集模塊采用相應(yīng)變比的互感器，電壓信號(hào)采用600/1變比的互感器，而電流互感器采用1500/1變比的互感器。由于單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的限制，必須對(duì)電流和電壓信號(hào)做處理，電壓信號(hào)由于存在負(fù)值不能直接A/D，必須增加一個(gè)信號(hào)提高電路，將電壓值同倍的增加使其成為滿足STM32芯片A/D能處理的0~3.3V 范圍內(nèi)的值。電流信號(hào)被電流互感器采集之后要將其先轉(zhuǎn)換成線性對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，再進(jìn)行電壓信號(hào)的同倍提升使其同樣滿足A/D處理能力。
諧波分析采用快速傅里葉變換算法，該算法對(duì)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，最后能得到某次諧波的幅值、相角等參數(shù)，再經(jīng)過(guò)相關(guān)電參數(shù)的公式計(jì)算出其他參數(shù)，比如有效值等。FFT是離散傅立葉變換的快速算法，可以將一個(gè)信號(hào)變換到頻域。有些信號(hào)在時(shí)域上是很難看出什么特征的，但是如果變換到頻域之后，就很容易看出特征了。這就是很多信號(hào)分析采用FFT變換的原因。另外，F(xiàn)FT可以將一個(gè)信號(hào)的頻譜提取出來(lái)，這在頻譜分析方面也是經(jīng)常用的。
顯示模塊由于顯示要求比較高，實(shí)時(shí)顯示模塊由一塊2.8寸TFTLCD模塊，該模塊支持 65K 色顯示，顯示分辨率為 320×240，接口為 16 位的 80 并口，自帶觸摸屏。其驅(qū)動(dòng)芯片采用ILI9320來(lái)驅(qū)動(dòng)。TFTLCD 顯示需要的相關(guān)設(shè)置步驟如下： 設(shè)置 STM32 與 與 TFTLCD 模塊相連接的 IO（先將我們與 TFTLCD 模塊相連的 IO 口進(jìn)行初始化，以便驅(qū)動(dòng) LCD）、 初始化 TFTLCD 模塊、通過(guò)函數(shù)將字符和數(shù)字顯示到 TFTLCD 模塊上。同時(shí)由于要顯示波形，所以在顯示時(shí)還要用到D/A模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
按鍵用來(lái)報(bào)警設(shè)置和屏幕顯示功能達(dá)不到任務(wù)要求時(shí)，采用按鍵切換來(lái)顯示。本設(shè)計(jì)大致用到三個(gè)按鍵，KEY0、KEY1、KEY2，分別用來(lái)控制上下限，和屏幕切換。
通訊模塊采用RS232協(xié)議將信號(hào)傳給PC機(jī)。
存儲(chǔ)模塊采用SD卡存儲(chǔ)，它不僅容量可以做到很大（32Gb 以上），而且支持 SPI 接口，方便移動(dòng)，并且有幾種體積的尺寸可供選擇（標(biāo)準(zhǔn)的 SD 卡尺寸，以及 TF 卡尺寸等），能滿足不同應(yīng)用的要求。
綜合以上分析STM32F103ZET6能滿足要求，完成基本功能，所以本設(shè)計(jì)采用STM32F103ZET6處理器和相關(guān)的外部接口電路。
2) 工作流程：
① 查閱相關(guān)資料，確定初步思路，確定系統(tǒng)總體方案：
② 各模塊選型，包括控制器、采集模塊、顯示模塊等的選型；
③ 設(shè)計(jì)各個(gè)模塊的硬件電路，畫(huà)出軟件主程序流程圖以及各個(gè)軟件子程序流程圖；
④ 各個(gè)模塊子程序設(shè)計(jì)與調(diào)試以及仿真；
三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作進(jìn)度安排
第1周 查閱相關(guān)資料
第2周 總體方案論證與設(shè)計(jì)
第3周 各元器件選型
第4周 各組織模塊
第5周 硬件部分電路初步設(shè)計(jì)
第6周 硬件部分電路設(shè)計(jì)
第7周 設(shè)計(jì)軟件流程總體框圖
第8周 主程序設(shè)計(jì)
第9周 數(shù)據(jù)采集部分軟件設(shè)計(jì)
第10周 程序控制部分軟件設(shè)計(jì)
第11周 軟件調(diào)試
第12周 書(shū)寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
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諧波測(cè)量.doc
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2017-4-13 19:40 上傳
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