苏ICP备112451047180号-6
一、选题简介、意义
1、 近年来，随着科学技术快速发展，大量非线性负荷、非对称性及冲击性用电设备如变频调速装置、电弧炉、轧机、感应加热炉等出现，使电网中产生谐波干扰、电压波动与闪变，严重影响电网电能质量。以微处理器为核心的高智能化电子设备、精密仪器等新兴负荷对各种电磁干扰很敏感，从而对电网电能质量要求越来越高，致使电能问题不断深化。为了维护用户和电力部门合法利益，保证电网安全运行，净化电气环境，加强电力系统电能质量监测和管理显得非常必要
2、电能质量监测发展情况及发展趋势 一、国外发展现状
当前随着发达的国家不断加大对电能质量问题研究深度，人们越来越认识到电能质量的本质和特点。国际上对电能质量的研究是从电磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC )学科入手的。所谓电力系统电磁兼容性，指电力电力系统的每一个电器设备应在其所处的电磁环境中能正常工作，并减少对系统的干扰。从本质上来说，电能质量问题就是电磁兼容性问题，因此国内外电力工作者投入了大量时间和精力。
随着全球各国在电能质量方面不断加强研究，得出了一些理论与经验，主要做了两方面的工作：一，为了抑制电能质量的不断恶化，努力减小事故发生率，采取多种可能的技术措施；二，将一些专门的电能质量监测装置装设在电力系统中的特殊节点，使一些电能质量方面存在的问题被及时、准确检测出来。现在有三种电能质量的检测方式被国内外所认同：
(1)专门测量：即针对各类补偿设备或干扰性负荷。根据其对电能质量的影响程度从而决定是否可以投入运行。
(2)定期和不定期检测：即针对一般电能质量干扰源。分别用于电网定期检查和一些特殊用户或设备的电能质量问题。
(3)在线监测：连续监测、全过程监测或日常监测。
电能质量研究方面，国外起步较早，已建立相应的研究方法和体系，但随着电能在更多方面的应用，对电能质量的研究还在不断深化。1996年，电力谐波国际学术会议（IcHPS)被IEEE更名为电力谐波与电能质量学术会议(ICHQP),以便于全球电力工作者更好的研究电能质量问题。
相较国外，国内在电能质量研究还处于起步阶段，电能质量检测系统设计和装置的研制较国外都比较落后，很多技术还需要依赖国外。目前，国内电能质量检测还停留在第二阶段----定期或不定期检测阶段，而要真正的做到提高电能质量，在线监测是必须的手段。实时监测是保证电能质量的必要时条件，只有做到对电网电能质量的实时监测，才能从根本上掌握影响电能质量的根源，从根本上改进供、用电环境，提高供、用电效率。
在现有的国内电能质量检测系统中，有线通讯模式占主导地位，例如：数据釆集模块与数据处理模块通讯；大多数工业自动化设备的通讯模式用现场总线（如总线RS485、CAN等）。传统远距离通信方式包括有线电缆、电力载波、光纤、公网等，有线通讯方式顾名思义即数据传输采用电缆等有线媒介，因此带来的安装、维护等问题也是电力设计人员不愿见到的。无线传感网络的应用有力的弥补了有线网络的不足之处，灵活安装的特点，决定了其良好市场应用价值。本文在研究电能质量的基础上，提出了一种新型电能质量检测系统设计方案，将检测节点的电能质量扰动类型、信号等参数实时地传输至无线传感网络的路由节点，通过路由节点将数据上传送至远程监控中心，从而实现监控中心远程的对检测节点电网电能质量的准确、实时检测，为电力系统的系统管理、维护和检修提供了依据。
二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）
1、课题研究
我国的电能质量检测处于初级阶段，我国的质量检测的研究主要有以下几点：
1.电压波动和闪变
2.2.供电电压允许偏差
3.公用电网谐波
4.三项电压允许的不平衡度
5.电力系统频率允许偏差
6.暂态过电压和瞬态过电压
从我国电力系统目前发展水平后和保护供电双方权益的角度看，这些标准时比较现实和易于操作的。但随着国际贸易的发展和各国间技术交流的需要，标准的国际化趋势是不可避免的。技术的发展，新情况的出现，国际标准的变化，使我国电力工作者不仅需要对现有的6项标准进行进一步完善和修改，还要根据实际情况研究制定其他的标准。
2、研究的基本内容，系统总体设计框图
STM32F103是低成本、高性能的32位Cortex-M3架构的ARM单片机，具有良好的市场发展前景，学习应用该款芯片对于以后的工作会有很大的帮助。
在本次课题研究中，我将学习应用其中的部分外设，主要是ADC模块。将处理后的电压电流信号采集转换，处理后输出到外部的12864。
由于不易实现手工焊电路，本次课题将借助开发板，下面介绍这次课题主要模块：
1. 放大电路设计：由于输入的信号电压过大，不能直接接入单片机，必需通过放大电路，调整电压值到单片机支持的范围内。
2. stm32f103上的外设的ADC模块的编程，ADC模块用于采集模拟信号并将其转换为数字信号，供系统直接使用。
3. LCD 12864模块的硬件、软件设计：将12864接入stm32f103，实现12864能显示曲线的功能，同时兼备了显示功能切换的功能。
4.最后，完成stm32f103内所有计算的程序，这是最重要的部分，其中要完成以下指标:
a.实现将采集到的电流、电压的模拟信号转换成数字信号后，精确计算他们的有效值，1．测量交流输入电压有效值。频率：50Hz；测量范围：100～500V；准确度：±1％。
b．测量交流电流有效值。频率：50Hz；测量范围：10～50A；准确度：±1％。
c．测量并显示有功功率P、无功功率Q、视在功率S及功率因数PF。 d．在测试5组交流电压、交流电流有效值过程中，能显示它们的最大值和最小值。
e．测量交流输入电压频率，1精度为±0.5%。
f．采用LCD显示，能同时显示一个周期的输入电压、输入电流曲线。
g．测量电压和电流的各次谐波含量和谐波有效值。
3、设计的目标：
一、在理论上，对于电能质量国家标准规定的六项电能指标计算方法的数字化研究。在进行电能的电压、电流、功率等基本参数和电压变动(包括电压偏差、电压波动、电压扰动)、三相不平衡度的计算时，以均方根值的计算方法为基本依据；在频率的计算中采用了解析法，计算简单，计算量不大；在进行频域谐波量分析中，由于传统的DTF算法机器计算周期长，难以实现实时化，在此引用了FTF算法，使64点的频域分析运算量降为原来的l/2O，可满足实时检测的要求。
二、在硬件上，为实现系统的数据采集、分析处理而进行了电路的设计、连接。在以A/D转化模块ADS8364为核心的数据采集部分，为了避免频谱混叠现象的发生并保证一定的采样精度，设计了模拟量输入前的滤波、放大电路。同时为了防止对非工频电压采样时可能出现的频谱泄露现象，在此巧妙的设计了锁相倍频电路，将其作为A/D转换的控制信号，既实现了同一周期内的均匀离散，又实现六路信号的同步采样。在数据分析处理部分，选用高精度浮点**作为整个系统的核心，设计了其基本的外围电路(时钟电路、复位电路、存储器扩展电路及电源管理电路等)，并灵活的应用了其对于中断信号的处理性能，实现了对于AD/采集信号的接收。在对超差信号的处理上，应用了双端口存储器DIT7O24，由于其拥有2套相互独立的数据、地址和控制总线，分别与两端的处理器相连，因此很好的解决了高速数据采集和处理系统中，由于数据采集量大以及DSP处理芯片计算速度高所产生的瓶颈问题，实现了高速处理芯片与低速外设的连接。
4、设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）：
（1）本文核心控制器选择TI公司**，使得系统不仅具有强大的数据处理能力和速度，而且具有良好的控制能力；。
（2）数据采集模块选用6通道、16位高精度、高速度A/D芯片ADS8364，其各个通道独立，并且各个通道同步采样，确保了电压和电流之间的应有的相位关系，且每个通道相互独立，互补影响其转换电路。
（3）为了防止频率“泄漏”，系统采用锁相环技术，可以有效降低在电力系统频率变化时对各监测指标的影响程度。
（4）采用了快速傅里叶变换FFT算法，提高了检测谐波的精度。
（5）配合无线传感网络（zigbee通讯协议），合理设计多个检测节点(采集节点）和本地监控中心(汇聚节点)检测节点，及本地监控中心通过ZigBee技术构建的局部WSNs，使得.电能质量信号数据能同步的又本地监控中心和远程监控中心的GPRS实现数据远程无线传输
三、设计（论文）体系、结构（大纲）
一、项目研究概况
电能，作为现代社会中最为重要的二次能源,它的应用程度已经成为一个国家发展水平的主要标志之一 。与此同时, 各行各业对电力系统供电质量的要求也越来越高。电能质量对电力系统电网和电气设备的安全、经济高效运行、产品质量保证以及维护人们日常生产和生活的正常秩序都有着重要意义。对电能质量进行检测和分析从而提高和改善电能质量具有重要的现实意义。
2. 国内外的发展状况： 2.1国外的发展现状
在西方发达国家，电能质量问题早已被当作电力系统面临的重要问题，各国均在加强电能质量问题的研究。已得到不少的理论成果，并提出一系列的综合的监测控制和管理的方法。国际上对电能质量的研究，可以追溯到上世纪的80年代电磁兼容学科EMC的兴起。出于这种长期对电能质量的重视和科技水平的整体优势，他们在电能质量监测装置的研制上水平较高，市场占有率也很高。
目前，国外电能质量的研究主要集中以下几点：
1.暂态电能质量问题
2.短持续时间电能质量问题
3.长持续时间电能质量问题
4.三项电压不平衡
5.波形畸变
6.电压波动和闪动
7.频率变化 2.2 国内的发展现状
长期以来的电力紧张，我国的电力供应一直比较紧张，人们的关注的焦点主要集中在电力供应量上，对电能质量的关心不多，通常只对电压及频率两个指标进行监测。进行大规模的电网改造之前，我国的网架十分的薄弱，电力系统的自动化水平十分低。随着电力供应紧张状态的缓解，电能质量的日益恶化和用户对电能质量要求的不断提高，这个问题也引发了各级电力部门的重视。国家也颁布了国家标准，主要依靠供电企业的来保证，但是，目前的的控制的方法主要依靠对供电电压的调整。
我国的电能质量检测还处于初级阶段，我国的质量检测的研究方向主要有以下几点：
1.电压波动和闪变
2.供电电压允许偏差
3.公用电网谐波
4.三项电压允许的不平衡度
5.电力系统频率允许偏差
6.暂态过电压和瞬态过电压
从我国电力系统目前的发展水平后和保护供电双方权益的角度看，这些标准时比较现实和易于操作的。但随着国际贸易的发展和各国间技术交流的需要，标准的国际化趋势是不可避免的。技术的发展，新情况的出现，国际标准的变化，使得我国电力工作者不仅需要对现有的6项标准进行进一步的完善和修改，还要根据实际情况研究制定制定其他的标准。
二、方案论证
由于本设计成果将是直接可被使用的成品，要求具备在市场的生存能力，因此在初期，必须清楚各个设计标准和电能质量监测的对象。在对课题有所了解后，完成外文翻译、文献综述、开题报告等基本内容并开题。之后，查看基本硬件的基本资料，尤其是stm32f103，在清楚基本的性能后，还要适当的复习固件库的开发方法。之后开始硬件设计、软件设计，最后完成设计报告并结题
三、硬件设计
近年来,由于DSP芯片与ARM微控制器(简称ARM)芯片的高性能,在各个领域都得到了广泛的应
用.我们研制的新型电能质量检测与管理装置,采用高速的浮点DSP芯片与高速的ARM芯片作为核心器件,整体构成如图2所示,ARM系统通过16位并口数据总线与DSP系统相连.DSP系统拥有12个模拟输入端口,可以同步输入6个独立的模拟信号,模拟信号可以是3个电压信号和3个电流信号,或者是6个电流信号.DSP系统包括A/D转换单元、锁相同
步单元、数据处理单元DSP、程序存储单元FLASH、数据存储单元SDRAM、逻辑控制单元CPLD等
电信号经传感器隔离变换,并经过滤波、放大环节后,进入A/D采样通道.A/D转换芯片为6通道同步采样的16位的高速度、高精度模数转换芯片.锁相同步单元在A相有电压时用A相频率作为同步信号,闭锁B,C相;若A相掉电,以B相作为同步信号,闭锁C相;若A,B相同时掉电,以C相作为同步信号;若三相均掉电,则硬件电路产生一个中断信号通知DSP,DSP假定电网频率为额定的50Hz发出软件同步信号.DSP芯片选用浮点型高速DSP芯片,负责从A/D接受采样数据,根据程序存储单元FLASH中固化的程序,进行各种计算,并把计算结
果保存在数据存储单元SDRAM中以及输出到16位数据总线上
[8]
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ARM系统包括CF卡存储器单元、串口(标准RS232接口)单元、USB(主)单元、以太网接口、VGA
接口、LCD、PS2接口以及通用I/O接口,其结构如图1右所示.ARM芯片采用内核为ARM920T的AT91RM9200芯片,它提供了丰富的接口
四、软件设计
采用分子系统、分层、分模块设计思路以及基于构件、面向对象开发方法进行软件开发,整个软件系统分为DSP系统软件部分和RAM系统软件部分,RAM系统软件部分又分为初始化和参数设置子系统、DSP数据读写系统、应用业务处理子系统、显示子系统4个主要系统,软件系统整体架构如图3所示.DSP系统软件和RAM系统软件分别固化DSP系统及RAM系统的Flash存储器中
DSP系统中的软件程序采用C语言与汇编语
言混合编程
,其中主程序和一部分子程序用C语
言编写,而一些运算量比较大的算法子程序使用汇编语言编写,这样可以提高软件的执行效率,最佳利
用DSP芯片的软硬件资源.程序使用模块化设计,主要包括采集程序、计算程序和通讯程序.
RAM系统的软件分为操作系统与应用程序,RAM系统的操作系统采用嵌入式Linux,主要负责管理文件、内存,启动系统运行程序,负责从网络上接收和发送数据包,我们采用的经裁减的嵌入式Linux系统.有了嵌入式Linux系统,采用高级程序语言在其基础上进行应用程序开发,摆脱了复杂低层程序编写.RAM系统的应用程序执行从DSP读写数据,数据统计分析、数据保存、显示以及
通讯等操作,实现通讯控制、数据接收、数据检测、数据管理等功能.我们开发的应用程序固化在ARM
的Flash中,是典型的嵌入式应用程序.由于嵌入式应用程序开发没有固定的开发和架构模式,根据系统自身的特点,采用三层构架模式,即用户层、应用服务层、数据层,应用程序代码用C++编写
采用上述算法和硬件、软件实现技术研制新型电能质量检测及管理装置,不仅能高精度实时检测电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时与瞬态过电压、电压短时变动、冲击暂态与振荡暂态等各种电能质量参数,且能进行数据统计分析、录波、保护、事件、故障分析与预报、显示、报表、打印、数据远传、数据下载等。
五、结论
电能质量全面实时检测管理是电能质量检测的一个发展方向,研制高性能电能质量检测管理装置受到国内电力工作者的高度重视.本文介绍的一种基于DSP及ARM微控制器的新型电能质量检测装置,采用先进电能质量算法和高速浮点DSP技术,确保了电能质量检测高精度,采用ARM技术作为管理系统硬件平台,以及采用嵌入Linux系统作为应用软件开发平台,确保了电能质量管理管理系统开发的方便性,降低管理开发难度.本文充分利用了现代微电子技术发展最新成果,从而使研制的新型电能质量检测装置具有高精度、先进性、智能性、集成性的特点,功能齐全,检测精度高,性能优越,具有很好实用性,为全面实时检测与管理电能质量提供了很好的物质基础。
六、参考文献
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