毕业论文电能质量分析及其监测系统硬件设计

1、 （20122012 届）届）毕业设计毕业设计题目： 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 学院： 专业： 班级： 学号： 姓名： 俞晓星 指导教师： 海瑛 教务处制 2012 年 5 月 18 日诚诚 信信 声声 明明我声明，所呈交的论文是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。我承诺，论文中的所有内容均真实、可信。 论文作者签名： 签名日期： 年 月 日I授授 权权 声声 明明 学校有权保留送论文交的原件，允许论文被查阅和借阅，学校可以公

2、布论文的全部或部分内容，可以影印、缩印或其他复制手段保存论文，学校必须严格按照授权对论文进行处理，不得超越授权对论文进行任意处置。论文作者签名： 签名日期： 年 月 日IIIII电能质量分析及其监测系统的硬件设计 摘摘 要要电能质量的重要性随着国民经济的快速发展而不断增强，并且日益受到电力部门和消费者的重视。与此同时当今社会对电能质量，特别是暂态电能质量的要求越来越高，原有的测量技术、装置已不能满足要求，时代和社会的发展要求我们必须发展新的监测技术。在这样的大背景下，本文根据电能质量监测新技术的各项指标和要求首先对电能质量问题和电能质量概念全局上做了统述，接着详细的介绍了电能质量的控制技术和方

3、法。接着详细阐述了电能质量的基本理论问题及其分析研究方法，并对该领域的发展方向进行了初步探讨，最后本文站在全局的高度指出电能质量控制不能仅仅只靠技术来解决问题,应从管理、规划等方面统筹考虑如何合理利用电能,切切实实提高电能质量。关键词：关键词：电能质量，监测，分析方法，控制技术IVPower quality analysis and monitoring system hardware designAbstractThe importance of power quality With the rapid development of the national economy growing,

4、 and increasingly the attention of the power sector and consumers. At the same time in todays society of power quality, especially the increasingly high demand of transient power quality, original measurement techniques, the device can no longer meet the requirements necessary to develop new monitor

5、ing techniques. Are summarized in this article first concept of power quality and power quality classification based on indicators and requirements of the new technologies of power quality monitoring, power quality control methods and techniques. Then described the basic theory of power quality prob

6、lems and analysis of research methods, and direction of development in the field were discussed, Finally, standing in the overall perspective that the power quality control just technology alone can not effectively solve the problem, but also from the planning, management and other considerations, a

7、nd the rational use of, in order to effectively improve the power quality.Keywords: Power quality，monitoring，Analytical methods，Control technologyV目录摘 要.IIIAbstract.IV1 绪论.11.1 本文的研究背景和意义.11.2 电能质量监测国内外研究情况.11.2.1 国外现状.11.2.2 国内现状.21.3 论文研究的主要内容.22 电能质量的监测原理.42.1 电能质量的基本概念及主要指标.42.2 电能质量指标的算法和测量.43

8、电能质量监测系统硬件设计.93.1 现场监测单元采样频率、精度的要求.93.2 同步采样监测系统的要求.93.3 电能质量监测与分析系统的硬件结构实现.103.4 设计说明与方案评价.113.4.1ATT7022B 芯片介绍简介 .123.4.2 数据采集模块.133.4.3ATT7022B 内置 7 路 AD 转换电路.143.4.4A/D 转换电路.153.4.5 基于 DSP 的电能计量芯片 .163.4.6 SPI 接口电路.173.4.7 液晶显示电路.183.4.8 串行通讯接口.193.4.9 控制模块电路.193.4.10 存储器电路.204 电能质量监测系统的软件设计.224

9、.1 数据采集模块.234.2 数据处理模块.374.3 单片机控制模块.244.4 显示模块.264.5 上传模块.27结论与展望.27参考文献.29VI致谢.31附录图 1 硬件总体连接图.32嘉兴学院本科生毕业设计01 1 绪论绪论1.1 本文研究的背景和意义 电能是现代社会最为广泛使用的能源,电能质量关系到各行各业和人民生活用电,关系到国民经济总体效益。随着科学技术的进步和生产过程的高度自动化,以及大规模的电源并网使得大量的电力电子转换器引入到电力系统中，从而大量的非线性负载也掺杂进入了供电系统中，由此对电力系统造成了严重的污染，产生较为严重的电能质量问题，与此同时各种设计精密且对电能

10、质量要求较高、较为敏感的用电设备也随之越来越多。直接导致两方面的矛盾日益尖锐，不同用户对电能质量的要求也就相应的水涨船高，在这样的环境下，探讨电能质量领域的相关问题及其理论控制技术，分析我国当前电能质量控制和管理的发展趋势，具有很强的观实需要和现实意义。众所周知，由于所处立场不同，关注或表征电能质量的角度不同，人们对电能质量的定义还未能达成完全的共识，早期的电能质量问题主要局限在频率偏移和电压偏移两个方面，直至二十世纪八十年代，随着新兴负荷的出现电能质量的问题才重新提上了日程并逐步的引起电力公司和用户的普遍重视，人们开始将视角转移到电网谐波污染、三相电压不平衡、电压波动和闪变所造成的电网电能质

11、量低劣，用户生产力下降，竞争力减弱等一系列与当前经济发展息息相关的电能质量问题并对其主要技术指标有了较为一致的认识。目前电能质量中许多问题已日益成为电工领域的前沿性课题，吸引了许多科研院所、高等院校和大批电力科技研究人员投入其中从事开发性或开拓性工作。本文的指导老师海瑛就长期从事于智能电表的研究，并取得了一系列重要成果，本文就是在导师相关研究基础上的改进。 总之，电能质量直接关系到国民经济的总体效益，改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。1.2 电能质量监测国内外研究情况1.2.1 国外现状 众所周知电能质量直接关系到工业

12、生产和民生用电，在美国等发达国家很早便对电能质量的监测表示出了相当的重视，在时域仿真、频域变换、小波变换、人工神经网络以及现代通信技术和 Intemet 技术为核心的电能质量监测技术均走在了时代的前列，进入 21 世纪以来，电能质量监测和治理技术日臻完善，电能质量终端监测产品不断涌现，并得到了广泛的应用。国际统一的数据交换标准电能质量分析及其监测系统的硬件设计1也逐步的形成，相应的在电能质量监测方面也涌现了一大批著名的研究机构和企业，比如瑞典联合电力公司 UniPower、美国电科院 EPRI、以色列 Elspec 公司、美国电能标准实验室 PSL、美国电力士公司 Dranetz-BMI 等。

13、它们在电能质量监测和治理方面取得了不少成果，代表了当今世界电能质量监测领域的前沿方向。1.2.2 国内现状 相对于发达国家 我国电能质量监测系统起步较晚，不管是在科研领域还是在实际工业应用领域与西方发达国家相比均存在一定差距，目前国内广泛采用统计型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪只能监测电压合格率，需要人工抄表，缺乏统计分析功能。到目前为止国内对电能质量监测系统虽然有了一定的研究但从具体的应用实际来看作为完整的实时监测系统在工程实践中并不多见还存在不少问题，所有的这些方面都需要我们不断的去改进与完善。 而另一方面我国电能质量监测发展迅速，主要表现在我国正在积极采用国际标准和国外先进标准，

14、特别是 IEC 制定的 EMC 标准。并由此涌现出了一批企业和实验室对电能质量进行深入研究并制定相应标准同时开发出了拥有了一定自主知识产权的产品，我国的电能质量正向着网络化、信息化、智能化、标准化的方向迈进。 总的说来，目前我国电能质量监测和分析装置大多采用的是国外产品，价格昂贵，而这恰恰是摆在我们面前的机遇和挑战，开发实用、准确、可靠性高的电能质量监测产品，提高我国电能质量监测的自动化水平，是当前摆在我们面前的一项重要课题。1.3 论文研究的主要内容 本论文紧密结合导师的智能电表研究项目，在借鉴同类研究的基础上，从测量装置的硬件设计、软件设计、算法分析等角度对电能质量开展研究，在侧重点上本文

15、的主要工作是介绍该设计的硬件部分，主要功能是准确分析谐波参数(电压、电流、谐波等)。设计思路上主要通过各个模块单独成型设计，然后在此基础上以单片机做为主要串列点将各个分模块有机的串联起来，从而形成一个完整的硬件程序图。总的程序模块由模拟采样模块、AD 转换模块、显示模块、通讯模块四个部分组成。通过设计该电能质量监测的硬件系统，以实现对三相谐波电流和电压的基波和各次谐波、功率因数、有效值、有功、无功参数的计算、显示等功能。论文主要章节安排如下： 第一章系统的介绍了论文研究的背景和意义以及电能质量监测国内外研究情况，同时初步介绍了本文研究的主要内容。 第二章主要针对电能质量的测量原理，详尽的介绍了

16、电能质量的基本概念及嘉兴学院本科生毕业设计2主要指标，包括电压质量、电流质量、频率质量并进一步介绍了电能质量指标的相关算法和测量。 第三章是本文的核心部分，系统详尽的介绍了电能质量监测系统硬件设计，包括硬件总体结构、本设计核心部分是 ATT7022B 专用电能质量检测芯片，重点介绍了本次设计的硬件总体连接图，并根据连接图进行进一步的分割与说明，这其中包括单片机微处理器模块，数据测量与转换电路，计算并送终端设备显示电路，通信转换电路等的具体说明，详细介绍了各模块的设计方法和电路原理图以及各模块之间信息交换协调工作情况。 第四章简要的介绍了与此课题相对应软件设计方法、所编写的模拟仿真的软件程序。

17、第五章是本次设计的结论与展望。电能质量分析及其监测系统的硬件设计32 电能质量的测量原理 2.1 电能质量的基本概念及主要指标 电能质量只是一个抽象概念，我们知道 Power 本身并不具备质量属性，所以不能认为是电能的质量问题。电力工作者在现实使用过程中考虑到电压、电流间的紧密联系，将业间的大部分扰动统称为电能质量。 从本质上讲，电能质量包括电压质量、电流质量和频率质量等三个方面的内容(1)电压质量一般表示为实际电压与理性电压的偏差，通常包括电压频率偏差、电压偏差、电压陷波、电压不平衡、电压波动与闪变、电压瞬变现象、电压暂降（暂升）与中断、电压谐波、欠电压、过电压等。(2)电流质量则与电压质量

18、关联度较大，有时甚至不加以区分。切实提高电网电能的传输效率有效途径之一不仅要求用户获取的电流是正弦波且频率保持单一外，还应尽量保持该供电电压与电流波形相同。电流质量可以归纳为谐波、电流间谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。因而研究电流质量有助于改善电网电能质量，降低电能在传输线路上的损耗。(3)频率质量频率质量是电能质量第三层含义，主要是指为维持电力系统的安全稳定运行或恢复系统安全，以及为保证电能供应，满足电压等要求所需要的一系列服务。其的市场模式包括统一型、投标型和双边合同型三种，或者是其中两种的结合。2.2电能质量指标的算法和测量 电能质量各项指标的计算建立在数据采集的基础上，根据所采样的数

19、据再分别的计算出电能质量的各项指标如电压偏差、谐波、频率偏差、三相电不平衡度、电压波动与闪变、暂时过电压和瞬态过电压等。本装置通过高速率采样达到高精度要求，以128点作为一个工频周期内每个通道的采样点。下面详细介绍相关的算法。(1) 供电频率的测量供电频率的测量主要有周期法、解析法、和傅里叶变换算法(FFT、CZT)等。周期法、解析法求取频率的精度与系统采样频率有关,傅里叶变换算法与其运算点数有关。结合本文实际这里重点介绍周期法结合小波去噪的方法。其原理如下：高斯白噪声是最常见的一种噪声，其往往具有叠加性，受其污染的观测信号可以表示为： z=1,.n (2-1) zfy嘉兴学院本科生毕业设计4

20、其中y为含噪信号， f为理想信号，z为独立同分布的高斯白噪声，为噪声水平，n 为信号长度。根据信号和干扰在小波变换下的不同特性，辅助小波分解系数可以达到两者分离的目的。总结起来周期法结合小波去噪的方法总共分为三步1）对观测到的数据做小波分解变换 (2-2) zofoyowww其中 y 表示观测数据向量，f 是真实信号向量，Z 是高yyy.21fff.21斯随机向量。zzz.212）对小波系数wo 做门限阀值处理，这里用到了著名的阀值形式： (2-3) ntnlog2由此公式我们不难发现当 n 取无限大时，我们几乎可以完全忽视杂波的干扰3）对处理过的小波系数作1w的逆变换重构信号处理 (2-4)

21、dwtwfon1此时我们得到的信号已经是去除污染的纯净信号 。(2) 电压合格率的检测电压是电能质量的一项重要衡量指标，电压质量的好坏，将直接影响到用电设备的安全及相应产品质量的优劣，而检测电压的合格率首要任务便是电压有效值的计算,根据电压有效值定义： (2-5) TTmsdttVV021)(我们可以对被测电压先进行平方，然后在时间上取平均值，再求平方根，tV从而得到其有效值的模拟过程。具体展开如下：在这里平方、开方我们用模拟乘法器实现，积分则由运算放大器组成的积分器实现。在乘法器的两端同时加入被测信号，根据相乘运算功能，在输出端我tV电能质量分析及其监测系统的硬件设计5们可以得到进而可得tV

22、KXYKVa211TTTaTabdttVTKKdttVKTKdtVTRCTdtVRCV02210212001111(2-6) 根据虚地原理，我们很快便可得到,由此我们可得，引入RVRVcbcbVV变量，则可得，从而最终的为：3K203VKVc0V (2-7) TTbcdttVTKdttVTKKKVKVKV02023213301111(3) 电压波动和闪变的测量由于规则或不规则的合闸和跳闸所产生的非线性交变负荷所导致的电流在与频率有依赖关系的电网阻抗上所造成的相应电网电压的波动与闪变，这就是所谓的电压的波动和闪变，其相当于在50Hz 的基波电压上迭加一系列的调幅波，我们可以表示成如下公式： (2

23、-8) 001coscos1ttmAUniiiit式中 A 一电压幅值;一 调幅波的幅度值;im一电网上基波电压的角频率值;0一调幅波 i 的角频率值;ii 一调幅波序号值; 一基波电压初相角;0一调幅波初相角;i一般的电压波动的频率变化范围在0.01HZ-30HZ 之间，电网电压有效值变化速度与额定电压相比得到的变化率的最低要求为每秒0.2%，一般的我们把相邻两个极值电压有效值之差定义为电压波动值，则供电电压的额定值可以用百分tV值表示： (2-9) %100minmaxNtUUUV嘉兴学院本科生毕业设计6(4) 三相不平衡的测量三相不平衡是电能质量测量中较为关键的一环，三相电压的不平衡度一

24、般以负序分量的均方根值与正序分量的均方根值的比值来表示，我们假定为三相电1U压正序分量的均方根值；为三相电压负序分量的均方根值，则三相不平衡度2U可以表示为。现实生活中的三相不平衡度往往又分为两种，含%10012UU有零序分量的的三相系统和没有零序分量的三相系统，在使用过程中我们需详细的加以区分1）没有零序分量的三相系统当三相电量中不含零序分量时，根据已知的三相量，我们可以把三相cbaUUU不平衡度表示为： (2-10) %100631631式中 (2-11) 2222444/cbacbaUUUUUU当把电压符号换成电流符号时即可得到相应的三相电流不平衡度。2）含有零序分量的的三相系统此时应用

25、对称分量法，这时的三相不平衡度可以表示为： (2-12) cbaUUUaaaaUUU111113122321式中为 a 相基波电压；为 b 相基波电压；为 c 相基波电压；为正序aUbUcU1U分量；为负序分量；为零序分量。其中 a 为旋转因子，2U3U (2-13) 2/321,2/3212402120jeajeajj(5) 谐波含量情况的测量 谐波的定义为一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，这是谐波较为宽泛的定义，严格意义上讲谐波专指电流中含有的频率为基波的整数倍的电量。在电力系统中谐波总是无可避免而存在的，不管是发电设备还是用电设备，与此同时谐波的危害十分严重，其的存

26、在对电网安全稳定和经济运行产生了较大的影响并严重干扰与破坏与其有牵连的电气信号 目前为止测量电力系统谐波的主要方法有采用带阻滤波器或采用模拟带通两种方法，具体划分为基于傅立叶变换原理的谐波测量，基于瞬时无功功率的谐电能质量分析及其监测系统的硬件设计7波测量，建立在神经网络基础上的谐波测量，利用小波分析方法进行谐波测量五大模块，由于本专业知识限制，本文主要探讨基于虚拟仪器的谐波测量，程序设计如下：假设有一个周期为非正弦电压，此时满足狄里赫利条件从/2T tU而分解为如下的傅立叶级数： (2-14) 10sincosnnntnbtnaatU式中 (2-15) tdtua20021 (2-16) ,

27、.3 , 2 , 1sin1cos12020nttdntubttdntuann此项公式只对谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比时适用，当电网中出现非正弦电流时则需把式中的转换成。 tu ti嘉兴学院本科生毕业设计83 电能质量监测系统硬件设计 新的监测技术对电能质量监测系统的设计提出了新的要求，分布式电能质量监测系统主要由现场监测单元和后台主站组成，下面我们详细分析现场监测单元的特点和设计要求。3.1 现场监测单元采样频率、精度的要求 采样速率和采样精度是决定交流采样系统性能的重要技术指标,从某个意义上说为了节约系统成本，提高监测系统的实时性，我们需要找到一个采样频率和采样精度的最佳匹配点。一

28、般的应先确定采样精度，再选择采样速率。当采样速率与采样精度达到最佳匹配时，系统将发挥最佳效能且成本最低，一般的在确定系统参数时我们可以根据： (3-1)1232sinnmfmVNx（为被测信号的峰值）的匹配关系进行选择，此时系统处于最佳工作状态。mx 在实际电网中，谐波分析一般取 230 次，实际测量系统中的采样频率至少为每周期波 64 次，一般采用 128 次以上。如果每周波采样 128 次，那么每个采样点之间的时间间隔仅有 156us，传统的单片机的指令周期最快能达到 160ns，在多个通道同时采样的情况下，很难满足实时测量的要求，因此传统的谐波分析仪仅仅能达到 19 次，对暂态指标则根本

29、没法分析。相对于基波分量而言电力系统中高次谐波的含有量是非常低的，谐波次数越高其含量越低。我们假设采用 12 位分辨率的 A/D 转换芯片，很明显此时的A/D 转换精度是不够的，以 15 次谐波为例其所引起的误差至少为 1.67%，而在实际谐波测量中我们一般需要测量谐波的最少次数为 30 次，显而易见这样将产生更大的误差，所以高次谐波测量所得的数据可信度往往较低，因此在实际现场监测单元中我们使用的 A/D 转换器的分辨率至少应在 14 位以上以保证监测数据的精确性。3.2 同步采样监测系统的要求 国家电能质量的相关标准规定：谐波测量需测量谐波次数范围为从第 263次。即每个电网谐波采样 128

30、 点即可满足测量要求。因此,设计思路上我们可采用锁相倍频电路将输出信号进行 128 倍分频,并严格与输入信号同步,压控振荡器产生 128 倍频同步触发信号,控制采样及保持电路进行 A/D 转换，从而快速的电能质量分析及其监测系统的硬件设计9检测出谐波分量并满足计算的精度和实时性的要求。 图 3-2 同步采样硬件原理图 以上为此部分设计的硬件原理图，我们可以清晰的看到其硬件电路由锁相环路、AD 采集器、FPGA 存储电路组成。电压信号从电压互感器出来,通过电压比较器整形为方波,经过光电耦合器隔离后送入 FPGA 内置触发器进行二分频,分频后的信号经高速光耦把数字部分和模拟部分电路相隔离,并进一步

31、隔离了强弱电之间的电气连接，从而起到了同步采样的目的。3.3 电能质量监测与分析系统的硬件结构实现电能质量监测系统的设计不仅需要能测量基本的稳态电能质量参数，如平稳谐波、电压偏差、三相不平衡，还要提供电能质量参数瞬时采样数据和暂态情况，如电压凹陷、由于非线性冲击负荷所引起的电压波动和谐波等。目前现有的电能质量监测仪在线分析多项电能指标时一般采用采样分析和串行处理等技术，而一旦在处理过程中采样被人为的停止，本次采样的大量数据将丢失，其所反映的电能质量真实情况也就极其片面的了，这是我们所不愿意看到的也是我们该极力想办法避免的。在电力谐波测量系统中，为了得到电力系统谐波最真实的情况，使其具有较强的测

32、量功能、高速率、并且准确度高和抗干扰性能力强，同时尽可能降低成本，必须在第一时间准确的测量得到电力系统谐波参数并采用性价比较高的器件。同步采样最大的优点是能够反映交流信号的变化本质，并保持被测信号与采样信号严格同步，因此其被广泛应用于电力谐波参数测量系统中。同步采样中的难点和要点是如何保证信号频率与采样频率严格同步，这是本文硬件设计的重点研究的一个方面。同时，由于本测量单元有大量的数据需要处理，采用普通的串口进行数据传输己经满足不了电力系统谐波实时测量与分析的要求。为此本文设计以下硬件电路来解决快速传输采样数据和同步采样两者的问题。综合以上各个方面本次硬件设计的组成模块包括单片机微处理器模块，

33、数据测电压互感器 AD 电路 锁相环现场可编程门阵列 DSP嘉兴学院本科生毕业设计10量与转换电路，计算并送终端设备显示电路，通信转换电路等。同时为了满足自动化发展的要求，本系统采用 DSP+MCU 的设计方案，采用电能计量芯片ATT7022B 完成电能计量工作，AT89C51 单片机作为系统的 MCU 实现控制功能。硬件的总体框图如下图所示：图 3-3 硬件的总体框图 由图 3-3 我们可以清晰的得到本次设计的思路即三相电流和三相电压经过采样电路，送入电能计量芯片 ATT7022B，经过 A/D 采样转化，进行 DSP 处理，得到所需功率值，再通过 SPI 接口，送入单片机，单片机读取数据后

34、，存储到外接的存储器中，并将结果显示出来。并且可以通过通信转换电路，使用单片机串行口将数据传到上机位，便于研究人员查询。在这里我们采用 ATT7022B 来完成其中的 A/D 转换部分和计量部分。使用 SPI 接口实现单片机和 DSP 之间的数据通信。3.4 设计说明与方案评价 前面已经说明在此次设计中我们的核心是 ATT7022B 专用电能质量检测芯片。其内置有 7 路 AD 转换器。我们想要采样的电压和电流信号首先经过互感器感应后传到 7 路 AD 转换器。在温度传感器的作用下进行数据转换，转换完成后自动送入 ATT7022B 中自带的基于 DSP 的电能计量芯片，进行参数测量。下一环节便

35、是把数据送给控制模块 51 单片机，在这里控制模块的主要作用是把测得的数据进行显示存储和上传。由此一次数据的采集、分析、汇总的工作便全部完成，接下来便是根据第二章所罗列的相关算法进行数据上的分析与处理并进一步的细化，最终得到我们想要的结论。根据电力系统中数据采集处理的实际情况和特点，本系统选择采用高性能单片机 AT89C51+ATT7022BZ 专用电能计量芯片相结合的方案，即前端采用我国电能质量分析及其监测系统的硬件设计11自主研发的电能计量芯片 ATT7022B 完成系统 DSP，采样所得到的基本参数均可以由 ATT7022B 直接计算得出，从而大大缓解了系统 MCU 的负担，使之工作重心

36、放在数据的后期处理工作上；同时采用 AT89C51 芯片作为 MCU，大大提高了该装置的实时处理能力，并进一步的提升系统的整体性能。这样设计出来的电能计量装置的硬件部分具备带 DSP 的 ADC+高速 MCU 的结构，使得系统整体设计具有一定的性价比。3.4.1 ATT7022B 芯片介绍简介 ATT7022B 是一款三相多功能电能计量芯片，能精密的测量多种电力参数，其已经被广泛应用于三相电度表或其他三相电能计量仪表中。ATT7022B 以高精度、强功能的防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片著称，它集成了六路二阶sigmadelta ADC，能同时进行三路三相电能电压采样和三路电流采样，额外预置

37、的一路则用于其它防窃电参数和零线电流的采样，采样结束后自动的输出采样数据并计算出有效值，使用起来简洁明了。该芯片不仅适用于三相三线的应用，也同时适用于三相四线的情况。 在此基础上该芯片还同时集成了参考电压电路以及所有包括谐波、基波和全波(基波+谐波)的各项电能参数测量的数字信号处理电路。谐波、基波和全波的有功功率、有功能量、视在功率、无功功率以及无功能量均可以用 ATT7022B 测量，同时其还能测量电压有效值、各路电流、频率、功率因数相角等参数，极好的满足了三相复费率多功能电能表的需求。ATT7022B 支持单一软件校表即全数字域的相位校正和增益校正。标准表可以直接连接无功、有功电能脉冲输出

38、 CF2、CF1，从而对瞬时无功、有功功率信息进行误差校正。并对基波无功、有功功率直接进行测量，其上的脉冲提供输出单元 CF3和 CF4能对瞬时基波的无功功率以及基波的有功功率信息进行系统的校正。ATT7022B 提供两个类别的视在能量输出，PQS 视在能量和 RMS 视在能量，上面提到的 CF3和 CF4也可被配置归纳到视在能量脉冲输出单元中。ATT7022B 内部还配备了电压检测电路从而可以保证加电和断电时芯片都能正常工作。ATT7022B 提供一个 SPI 接口，方便与外部 MCU 之间进行计量参数以及校表参数的传递，所有计量参数都可以通过 SPI 接口读出。嘉兴学院本科生毕业设计12图

39、3-4-1 ATT7022B 外部引脚图图 3-4-2 ATT7022B 内部电路框图3.4.2 数据采集模块 数据采集模块顾名思义其主要作用是从电网采集电压信号和电流信号，经过 A/D 转换电路，转换成与计量芯片工作电压相一致的低压信号，再经过数据采集电路，采集各相电压和电流信号的离散序列。为了将电网和芯片进行隔电能质量分析及其监测系统的硬件设计13离，增加其抗干扰性能力。采样过程中我们直接把三相电压和电流送入电压和电流互感器，在此模块的设计中海瑛老师着重强调了互感器的规格，她指出由于采集后的信号要被 ATT7022B 处理，而 ATT7022B 的电流通道有效值在 2mV 至1V 的范围内

40、，线性误差小于 0.5%，电压通道有效值在 10mV 至 1V 的范围内，线性误差小于 0.5%。也就是电压、电流通道的输入范围是 1V，即输入最大正弦信号的有效值为 1V，所以我们选取电压互感器的规格应该是 220V/0.5V，电流互感器的规格是 1.5mA/5mA，精度是 0.1 级。如此，额定电压、电流输入时，电压、电流通道差动输入电压有效值分别在 0.5V、0.1V 左右。其电路图如 3-4-3所示：图 3-4-3 数据采集电路 此次设计的采样电路主要包括以下几个部分：电压、电流互感器、抗混叠滤波器、参考电压。信号的采样过程是：采集到的电压、电流信号从从互感器出来，经由 1.2k 的电

41、阻和 0.01uF 的电容构成的滤波器滤波后，把干扰信号消除掉，叠加一个参考电压信号，再经 VxP 和 VxN 输入端送入 ATT7022B 的 A/D 转换器中进行 A/D 转换。为了防止由于采样可能引起的混叠失真，在 VxP 和 VxN 输入电路中，1.2k 的电阻和 0.01uF 的电容构成了抗混叠滤波器，其结构和参数讲究对称，并采用了温度性能较好的元器件，从而保证了整个系统获得良好的温度特性3.4.3 ATT7022 内置 7 路 AD 转换电路 ATT7022 芯片集成了 7 路 AD 转换电路。差分信号输入方式是其主要采用的输入方式。将相应的转换后的数据保存到缓存中的时间间隔为一个

42、周期，同时 ATT7022 内有一个长度为 1024*16bit 的缓存存储空间。当缓存为满时。如果没有特定指令则里面的数据保持不变。为了较好的读取数据，我们增加设置了一个等待时间，让所读取的内容在这个等待时间中完成。嘉兴学院本科生毕业设计14 图 3-4-4 AD 转换电路3.4.4 A/D 转换电路本次设计在 MSP430 单片机内部集成一 16 位分辨率的 A/D 转换器 ADC16，它属于逐次比较式 A/D 转换器，工作电压为 5V。其中，三相电压采样和三相电流采样都分别为三路，设计上采用双端差分信号输入。并留有一路用于其它防窃电参数或零线电流的采样，并输出采样信号和有效值。ADC16

43、 系统框图如图3-4-8 所示。图 3-4-5 ADC16 内部电路框图 ADC 16 共有 4 种不同的工作模式，其可以在单向通道上实现单次和多次转换，在序列通道上完成单次和重复转换。对于序列通道转换，用户可以自由定义采样顺序，同时在每个通道里用户可以独立配置并使用转换所需的所有参考电平，前端机采用单一通道、单次转换的方式。ADC 内核完成将模拟信号转换电能质量分析及其监测系统的硬件设计15成 16 位数据并直接存入转换存储寄存器，转换公式为: (3-2) RRRinVVVVADC65536图 3-4-6 ADC 前端接线图一次采样过程的完成总共分为两步:第一步把 ENC 置位，把 ADC1

44、6SC 从 0 改为 1 并开始启动转换操作，使其不间断的去查询中断标志 ADC16IEGx,当转换完成时结果自动的写入选定的转换存储寄存器，相应的中断标志 ADCI2IFGx 置位。第二步软件把 ENC 复位，将采样结果从 ADC16MEMx 中取出，一次 AlD 采样结束。ADC16 的最大采样速率是 200ksps，足够满足采样点数的要求。3.4.5 基于 DSP 的电能计量芯片 计量芯片是 ATT7022 芯片的核心部分，这也是我们选择使用 ATT7022 芯片的主要原因，ATT7022 芯片可以测量功率、能量、品质因数等等参数，此外，它可以把电压和电流抽取出来，从而测得谐波的功率和能

45、量。 图 3-4-7 AD 转换电路要使芯片正常工作，芯片的外围电路连接很关键，如图 3-4-6 所示。通电嘉兴学院本科生毕业设计16后 AVCC、VCC 接 5V 电压，芯片内部自己可以产生 VDD，而不需人为的外灌电压，正常时其电压为 3V。内部电路产生参考电压 REFCAP 和参考电压输出 REFOUT，两者正常工作电压一般为 2.3V-2.7V。ATT7022B 的计量部分借用了数字滤波器结构，为了保证测量精度，我们选用 24.576MHz 的晶振。在第一个引脚上设置复位信号并规定正常工作时为高电平。SIG 信号复位后处于低电平，当在正确接收任意一次单片机写操作约 5us 后，SIG

46、又重新变成高电平。当所有以上信号检查正常，芯片开始正常的工作。3.4.6 SPI 接口电路ATT7022B 芯片通过 6 条连线和单片机相连，如图 3-4-8 所示，其中 SPI 接口线有 4 条，分别为 CS、SCLK、DIN 和 DOUT，RESET1 是 ATT7022B 的复位控制线，ATT7022B 还有 1 条握手信号线 SIG。单片机控制 ATT7022B 的 RESET 信号，当 ATT7022B 芯片在上电和单片机复位后，其将和单片机进行同步工作。SPI 的接口电路如图 3-4-9 所示： 图 3-4-8 SPI 接口电路示意图 图 3-4-9 SPI 接口电路 ATT702

47、2B 芯片开始传输数据的标志是电平由高变为低，而当电平由低变为高时表示数据传输结束。ATT7022B 芯片控制数据传输的速率的工作则由串行时钟 SCLK 来完成，下降沿时将数据传输到 ATT7022 中，上升沿时数据由 ATT7022电能质量分析及其监测系统的硬件设计17中传出。通过 DIN 和 DOUT 这两个引脚完成最终的数据传输工作。信号 SIG 在ATT7022B 芯片中起到了至关重要的作用，单片机通过对其进行实时检测，并不断的更新校表中的数据从而保证了计量的准确性。而 RESERT 引脚的作用是保证单片机和 ATT7022 芯片能够保持同步性。 需要特别强调的是 SPI 传输信号时可

48、能会受到干扰并出现抖动现象，这时我们可以在 SPI 信号线上串联一个电阻，阻值一般为 10-100。其与 IC 输入端的寄生电容一起构成了低通滤波器，通过低通滤波器的相应功能消除 SPI 接口上信号的振荡。在此基础上若数字输入端的内部电容不够大，我们还可以在这个输入端加一个 10PF 左右的电容。从电阻的另一端接出至单片机的 P13-P16引脚。3.4.7 液晶显示电路 本设计的显示部分采用 6 位 8 段数码管显示，用 74LS245 来驱动数码管，用晶体管来控制每位数码管的位选，单片机 P22P27 口的输出是高电平还是低电平来导通三极管使数码管被位选则由程序来控制。显示电路如图 3-4-

49、10 所示：图 3-4-10 液晶显示电路图嘉兴学院本科生毕业设计18图 3-4-11 外部接口信号硬件连接图3.4.8 串行通讯接口相关资料表明标准总线是 RS-232C 在异步串行通信中应用较为广泛，一般的其以逻辑“1”表示-3V-15V 之间的任意电平，+3V+15V 之间的任意电平则用逻辑“0”表示，此时其显示的是负逻辑，这点与 CMOS 电平不同。在接口通信时，由于为了与 RS-232C 标准电平匹配，大多数 CMOS 电平或 TTL 电平必须进行电平转换，本次设计我们选择了 MAX232 芯片来完成这项工作。通过图 3-4-12 我们可以清晰的发现 MAX232 外接四个电解电容

50、C26、C27、C28、C29，其全部为内部电源转换所需电容，电容选择时我们应尽量使其靠近芯片并选用钽电容。图中 C30 是去耦电容，其值为 0.1UF。 计量芯片在处理完后，自动的将所得的结果传给 PC 机，以便查询。根据这一特点我们利用单片机串口与 PC 机的串行接口进行串行通信。通信模块在系统中作为上位机使用，实时读取各种电力参数值及预置监测装置内部寄存器的值。接口电路如图 3-4-12 所示：图 3-4-12 串行口通信电路3.4.9 控制模块电路此次设计我们采用的控制芯片是 AT89C51，其内置 P0 口是双向三态 I/O 口，我们将其到连接 LED 以显示输出，其中 P2.2-P

51、2.7 用于连接显示电路的位控，P1.0 与 P1.1 外接存储器，P1.3-P1.7 口与 SPI 接口相连，RXD 与 TXD 用来实现串行通讯连接即作为单片机和外接 PC 机的数据读取通道。P12 为蜂鸣器接口，当 P12 输出高电平时，晶体导通，蜂鸣器开始鸣叫同时两端获得 5V 电压，当P12 输出低电平时，晶体管截止，蜂鸣器立刻停止鸣叫。XTAL1 和 XTAL2 接石英电能质量分析及其监测系统的硬件设计19晶体振荡器和微调电容，构成自激振荡器，单片机时钟信号的提供全由其产生。 3-4-13 控制电路3.4.10 存储器电路EEPROM 也叫电可擦可编程只读存储器，其最大的特点是可以

52、在掉电的情况下保存数据，它有特定的引脚来施加特定电压或使用特定的总线擦写命令，简而言之其就是能在在线的情况下很方便的完成数据的写入和擦除。本课题使用24C64 来作为外接存储器，我们知道其是一种串行非易失性记忆体，可以得知它的引脚图：其中图上显示的A0-A2 用来设置芯片的器件地址，当遇到同一条总线上包含多个器件时，我们一般通过设置 A0-A2 引脚的值来确定器件地址。其中 SDA 为串行数据引脚，其主要作用为在芯片读写时承担输入工作、输出数据或地址等，这个引脚是双向的，由于它是漏极开路的，故我们在使用时需要人为的加一个上拉电阻。SCL 引脚用来仪器的同步串行时钟信号的输入，当仪器在单片机系统

53、中使用时，其 SCL 引脚便由单片机控制，根据单片机所编写的程序要求生成同步串行时钟信号来控制总线的存取。WP 引脚是写保护脚，当其接入高电平时，嘉兴学院本科生毕业设计20芯片上所有数据均禁止写入，当 WP 引脚接地时，芯片开始正常的读写。当一个电路在正常使用过程中是禁止程序修改存储器中的数据的，只有在设置维护时我们才可以进行适当的数据修改工作，这时可以用微处理器对 WP 进行控制或在电路上设置 WP 跳线，这样只有在特定的电路状态下才可以更改到数据。最后VDD 接到电压值为 5V 的电源中。 在使用过程中我们一般将 24C64 的 SCL 和 SDA 引脚分别加上拉电阻后接到单片机的 P10

54、 和 P11，由程序控制其读写。图 3-4-13 存储器电路电能质量分析及其监测系统的硬件设计214 电能质量监测系统软件设计软件设计是对硬件设计很好的补充，本设计的主要任务是在线监测、数据分析和上位机进行通讯的功能，该部分主要由以下三个部分组成：（1）数据采集与处理模块:此模块主要的作用是对采集到的数据进行数字抗混叠滤波处理，然后按第二章中罗列的相关算法计算有效值、功率、各次谐波幅值等参数。（2）人机接口模块:此模块主要完成显示器显示各种电力参数信息的功能和显示模块软件程序的编写。（3）通信部分模块：具体为通讯规约和上位机通讯，上位机可以实时读取各种电力参数值及预置监测装置内部寄存器的数据值

55、。图 4-1 为系统的软件结构图。 数据采集模块数据处理模块MCU 控制模块显示模块通信模块图 4-1 系统软件结构图主程序流程图为：嘉兴学院本科生毕业设计22图 4-2 主流程图4.1 数据采集模块 介绍完校表，接下来本文将着重的对各个模块进行详细介绍。首先是数据采集模块，我们知道当校表结束后，测试也就开始了。ATT7022 内中建有一个数据缓存存储区。在采样过程中会把相应的 ADC 转换到数据保存到缓存区域中。为了方便读取数据我们一般采用设置一个延时时间在这段等待时间中读取里面的数据的方法。电能质量分析及其监测系统的硬件设计23 图 4-3 数据采集流程图4.2 数据处理模块ATT7022

56、 计量芯片强大的数据处理能力有效的使本次设计大大简化。ATT7022 计量芯片能够同时测量有功功率、有功能量、无功功率、无功能量等等。ATT7022 计量芯片最重要的特点是通过两个寄存器（基波测量使能控制寄存器与基波测量与谐波测量切换选择寄存器）检测基波和谐波的能力，在测量各种数据时我们只需通过指令把参数输出寄存器的数据调出来使用就可以了。谐波的的检测方法快速傅里叶算法同小组的成员程剑在其论文中将进行系统的介绍，这里直接引用其的相关成果：嘉兴学院本科生毕业设计24 图 4-4 DFT 流程图 在谐波检测的基础上本次设计还关注了有功功率测量，有功能量测量等。 图 4-5 有功功率和能量结构图无功

57、功率测量，无功能量测量与有功功率和能量的计算原理是一样的。测量过程中我们只需把电压采样信号移相 90 度。而视在功率的计算方法就是有功功率电能质量分析及其监测系统的硬件设计25与无功功率的平方之和然后开方。得到视在功率后我们只需对其进行时间积分就可以得到视在能量。相应的软件流程图如下所示： 图 4-6 数据处理流程图说明如下：其中 DFT 计算模块和电能质量其他指标计算式并列的，这样画只是为了简化其说明。4.3 单片机控制模块 本次设计中单片机控制模块主要起到三个作用，作用一与 ATT7022 芯片进行通话，作用二则是对数据进行实时显示，作用三为上传上位机。与ATT7022 之间进行通话是最能

58、体现单片机控制作用的一个环节，在硬件部分我们已经说明他们之间进行通话主要通过 SPI 接口开展，这里不在累述。我们可以通过片选有效开始数据传输，当数据传输完毕后结束。 图 4-7 单片机与 ATT7022 芯片数据传输流程图嘉兴学院本科生毕业设计264.4 显示模块这里我们的显示部分采用了六位八段的 LED。正常状态下由 P1 口相连驱动，但因为 51 单片机的地址、数据、控制总线都有一定的负载能力，当负载超过单片机负载能力时我们必须加入一些驱动器，否则各个部分模块将不能正常工作。在这里我们使用 74ls245 来驱动 L-E-D，使用 P22-P27 来负责位控。 图 4-8 显示模块流程图

59、从上图可知 LED 管为共阴极。当数据发送时，只要当位控处于高电平时就能进行数据显示。4.5 上传模块RS232 是本次软件设计的串口通信标准。在向上位机传输数据时，主要有查询方法和中断两种传输模式，因为一直处于查询状态所以系统的效率极其低下。而对于另外一种传输模式中断而言，当需要上传时就会产生一个中断随之数据开始上传，通过这样设计有效的提升了效率值。电能质量分析及其监测系统的硬件设计27 图 4-9 通讯模块流程图 嘉兴学院本科生毕业设计285 结论与展望 如何提高和保证电能质量己经成为当前我国电力系统面临的重要问题，开展相关电能质量监测与分析，为电能质量的改善提供统计上的参考依据，具有十分

60、重要的意义。本文正是在这样的研究背景下完成的。 本课题是在导师海瑛智能电表相关研究的基础上的改进和完善，在设计技术指标的确立上很好的借鉴了其它同类装置的优点并结合了实际电力系统中数据采集和处理的特点，最终完成了电能质量分析及其监测系统的硬件设计。 在电能质量检测仪器硬件设计中，采用了 TI 公司的 MSP430F449 单片机，具有丰富的片内外设、高性能价格比与低功耗的特点，采用的外围器件在满足性能要求的基础上也力求低功耗。将单片机技术用于电能质量的检测，具有硬件结构简单，软件开发周期短，功能扩展灵活等优点。同时该硬件可监测多项电能质量指标，功能强大且结合了自身的特点：利用其模数转换模块进行模