单片机的电力质量采集与分析系统信号采集模块
随着负载种类和数量的增加，使得不同性质负载共存于一个电力子网成为常态。多种负载共存将不可避免地造成电力质量下降。同时，相对于传统功耗性负载，单个负载对电力质量的要求有着更高的标准。为有效解决上述问题，基于电网电力质量实时监控、智能补偿的智能电网技术是目前可供选择的有效方案。本设计以解决智能电网要求的基础信息为目的，基于STM32F103ZET6型号单片机应用系统通过电流、电压互感器实时采集基本电力信息；设计相应算法提取可全面反映电力质量的诸参数：电压、电流、相位差、功率因数、谐波等；对上述数据在本地显示后，基于主从式网络系统利用电力载波传输技术，实现各子网数据的汇集，实现为系统级别的电力质量监控与补偿提供基础信息。本设计工作主要包括硬件系统的规划设计和制作调试。本文设计一个用来采集电流电压信号的传感器，该电能质量采集装置是以ADE7880计量芯片为核心。第一节为绪论，第二节为总体方案设计，第三节为芯片及器件的介绍，第四节为系统电路设计，第五节为硬件制作与调试试，第六节为软件设计。关键词 智能电网，ADE7880，电能质量采集目 录
1 引言 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 国内外发展现状 2
1.3 主要研究内容 3
2 总体方案设计 3
2.1 系统总体结构设计和工作原理 3
2.2 系统的关键技术问题和性能指标 4
3 芯片及元器件介绍 5
3.1 电压互感器 5
3.2 电流互感器 6
3.3 放大器 7
3.4 AD计量芯片 8
4 系统电路设计 10
4.1 互感器连接电路 10
4.2 调理电路 10
4.3 模数转换电路 11
5 硬件制作与测试 14
6 软件设计 15
结 论 16
致 谢 17
附 录 20
1 引言
1.1 课题的研究背景及意义
电力质量是衡量传输电网的重要指标。我国的电网应用的是50Hz的三相电，其理想的电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
调理电路 10
4.3 模数转换电路 11
5 硬件制作与测试 14
6 软件设计 15
结 论 16
致 谢 17
附 录 20
1 引言
1.1 课题的研究背景及意义
电力质量是衡量传输电网的重要指标。我国的电网应用的是50Hz的三相电，其理想的电能应该是频率为50Hz的完美的正弦波。电压、频率和波形是电网传输过程中的电能质量测测量指标。电网运行往往存在一些问题，比如频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相传输不平衡、瞬时或短时过压、谐波引起的电压波形畸变、电压暂降、中断、暂升等。当今电网传输过程中主要出现的问题有：电压短时下降、短时上升和短时中断以及能对电网以及用电设备造成伤害的谐波。为了解决这些问题，我们需得对电力系统中各参数实时、准确地测量。为了了解电能质量问题的特征，我们要分析检测电网传输中的电能质量问题，从而采用使当地解决问题的方法，来保证供电质量，以及使电网安全、经济有效的运行。
由于科学技术的进步与人们生活水平的提高，经济社会发展对电能的需求程越来越高。电能是我们生活不可或缺的重要能源，电网的安全运行关系到国民生产的方方面面。普通的电网存在严重的问题，比如说对电网中的能源资源利用率低，对环境污染严重。随着工业生产中大量的使用电力有关的设备以及如今家电的普遍适用，污染了电力系统的环境，使电力系统中含有大量的非线性、波动性、冲击性的负荷，导致电能质量下降。但是，随着科技的发展，比如，含有微电子技术，数字控制技术，电力电子技术等器件设备的广泛的普及应用，科技含量高的设备由于对电磁场的比较敏感，所以它们对电能质量的要求比传统的电气设备要高。为了提供优质的电能质量，和改良电网实时有效地监测，掌握电能质量的状态，智能电网这一概念由此产生，并在世界范围内得到广泛认可，成为世界电力工业的共同发展趋势。
人们广泛认为，智能电网是将当今信息系统加入普通电网行成新的电网系统，因此智能电网拥有良好的控制性和观测性。智能电网解决传统电网一直存在的问题，如对电网中能源资源的利用率低、供电方与用电户的互动性差、安全稳定性能分析困难等。智能电网对传输线路中的电能进行实时调控，方便了分布式的能源发电与储能系统的连接和应用。
智能电网相比与传统电网，它用于如下三点的显著特征。第一个显著特征是电网参数的可观测性。智能电在现代先进的信息网络技术的帮助下，电力系统各节点信息实现实时监测。智能电网的第二个显著特征是发电侧与用电侧两方是动态交互的，实时获得电网发电信息和用户用电信息来对电网传输进行优化调节。智能电网第三个显著特征是可靠性高，它能够从震荡的电网中自行复原，在发现电力系统失稳趋势时提前警报并调控。
现有电力网络面临的四个主要问题：
（1）电力系统重要参数具有随机性、随时变化、不可观测性，造成对电力系统运行中预测和调节的困难；
（2）传输线路的真实输电极限无法了解，由于依靠大保守度换取可靠性，导致线路的利用率低；
（3）由于没法获取远距离输电中出现故障的故障信息，例如故障地点和故障的严重程度，通常采用试探方法去处理故障，导致设备大量冗余；
（4）电网中有功功率不可存储性，无功功率不可动态平衡性，负荷不能互动，致使热备用浪费。
上述的四个是传统电网运行时存在的一些问题，如果要处理这些问题，则需要在电网中增加大量的传感设备，然而增加传感设备使实时传输的数据量将大增，利用先进的通信、网络和计算技术处理大数据量下的电能数据实时传输和处理，是智能电网需要处处理的难题。
实现智能电网的基础是建立一个用电信息采集的系统，这一系统应用了高级传感、通信、自动控制等技术，用来实现数据采集与管理、电能质量数据的统计、线路损耗分析。及时地采集掌握用户的用电信息，发现其中用电异常状况，对该用电户的用电信息进行监测和控制，使阶梯电价的实施，智能控制费用的营销方案拥有了技术方面的支持。用电信息采集系统由三部分，分别为主站、信道和采集设备。
1.2 国内外发展现状
电能质量监测装置按其测量的对象主要分为三类，其一是集中式的电能质量监测装置，这些装置主要固定安装在公共场所，比如重要的工厂，变电站等场所，它们需要用大型的，稳定性高的设备对其进行长期监测记录。第二类则是便携式的电能质量监测设备，这一类的装置功能强大，价格昂贵。第三类是手持式的电能质量监测装置，这一类型的设备功能比较简单。
电能质量测量技术的发展是由早期对模拟量的监测，之后发展到数字量的监测，随着对电流电压间隔采样技术的出现与发展，数大。随着数字电子技术的迅猛发展，数字监测技术的作用越来越重要了。国外的电能质量监测技术发展的比较早，并且对这一技术比较重视，他们设计了类类型繁多的电能质量监测设备，这些设备的性能大多是性能优秀的。比如说瑞士的LEM公司生产的PQPT1000电能质量监测设备，美国福禄克公司生产的F43、F43B电能质量监测装置。我国电能质量监测技术起步比较晚，是在上世纪80年代开始研究电能谐波的特性。到目前，我国公司所设计的电能质量监测装置比国外总体来讲要差上一些。
图1系统框图
2.2 系统的关键技术问题和性能指标
1）、技术关键问题：
（1）互感器连接的设计问题；
（2）调理电路的设计问题；
（3）电能质量采集芯片周围电路以及其与主控芯片接口问题；
2）、主要技术参数及性能指标：
（1）瞬时电压测量范围10～400V
（2）电流测量范围：0.06～6A<
1 引言 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 国内外发展现状 2
1.3 主要研究内容 3
2 总体方案设计 3
2.1 系统总体结构设计和工作原理 3
2.2 系统的关键技术问题和性能指标 4
3 芯片及元器件介绍 5
3.1 电压互感器 5
3.2 电流互感器 6
3.3 放大器 7
3.4 AD计量芯片 8
4 系统电路设计 10
4.1 互感器连接电路 10
4.2 调理电路 10
4.3 模数转换电路 11
5 硬件制作与测试 14
6 软件设计 15
结 论 16
致 谢 17
附 录 20
1 引言
1.1 课题的研究背景及意义
电力质量是衡量传输电网的重要指标。我国的电网应用的是50Hz的三相电，其理想的电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
调理电路 10
4.3 模数转换电路 11
5 硬件制作与测试 14
6 软件设计 15
结 论 16
致 谢 17
附 录 20
1 引言
1.1 课题的研究背景及意义
电力质量是衡量传输电网的重要指标。我国的电网应用的是50Hz的三相电，其理想的电能应该是频率为50Hz的完美的正弦波。电压、频率和波形是电网传输过程中的电能质量测测量指标。电网运行往往存在一些问题，比如频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相传输不平衡、瞬时或短时过压、谐波引起的电压波形畸变、电压暂降、中断、暂升等。当今电网传输过程中主要出现的问题有：电压短时下降、短时上升和短时中断以及能对电网以及用电设备造成伤害的谐波。为了解决这些问题，我们需得对电力系统中各参数实时、准确地测量。为了了解电能质量问题的特征，我们要分析检测电网传输中的电能质量问题，从而采用使当地解决问题的方法，来保证供电质量，以及使电网安全、经济有效的运行。
由于科学技术的进步与人们生活水平的提高，经济社会发展对电能的需求程越来越高。电能是我们生活不可或缺的重要能源，电网的安全运行关系到国民生产的方方面面。普通的电网存在严重的问题，比如说对电网中的能源资源利用率低，对环境污染严重。随着工业生产中大量的使用电力有关的设备以及如今家电的普遍适用，污染了电力系统的环境，使电力系统中含有大量的非线性、波动性、冲击性的负荷，导致电能质量下降。但是，随着科技的发展，比如，含有微电子技术，数字控制技术，电力电子技术等器件设备的广泛的普及应用，科技含量高的设备由于对电磁场的比较敏感，所以它们对电能质量的要求比传统的电气设备要高。为了提供优质的电能质量，和改良电网实时有效地监测，掌握电能质量的状态，智能电网这一概念由此产生，并在世界范围内得到广泛认可，成为世界电力工业的共同发展趋势。
人们广泛认为，智能电网是将当今信息系统加入普通电网行成新的电网系统，因此智能电网拥有良好的控制性和观测性。智能电网解决传统电网一直存在的问题，如对电网中能源资源的利用率低、供电方与用电户的互动性差、安全稳定性能分析困难等。智能电网对传输线路中的电能进行实时调控，方便了分布式的能源发电与储能系统的连接和应用。
智能电网相比与传统电网，它用于如下三点的显著特征。第一个显著特征是电网参数的可观测性。智能电在现代先进的信息网络技术的帮助下，电力系统各节点信息实现实时监测。智能电网的第二个显著特征是发电侧与用电侧两方是动态交互的，实时获得电网发电信息和用户用电信息来对电网传输进行优化调节。智能电网第三个显著特征是可靠性高，它能够从震荡的电网中自行复原，在发现电力系统失稳趋势时提前警报并调控。
现有电力网络面临的四个主要问题：
（1）电力系统重要参数具有随机性、随时变化、不可观测性，造成对电力系统运行中预测和调节的困难；
（2）传输线路的真实输电极限无法了解，由于依靠大保守度换取可靠性，导致线路的利用率低；
（3）由于没法获取远距离输电中出现故障的故障信息，例如故障地点和故障的严重程度，通常采用试探方法去处理故障，导致设备大量冗余；
（4）电网中有功功率不可存储性，无功功率不可动态平衡性，负荷不能互动，致使热备用浪费。
上述的四个是传统电网运行时存在的一些问题，如果要处理这些问题，则需要在电网中增加大量的传感设备，然而增加传感设备使实时传输的数据量将大增，利用先进的通信、网络和计算技术处理大数据量下的电能数据实时传输和处理，是智能电网需要处处理的难题。
实现智能电网的基础是建立一个用电信息采集的系统，这一系统应用了高级传感、通信、自动控制等技术，用来实现数据采集与管理、电能质量数据的统计、线路损耗分析。及时地采集掌握用户的用电信息，发现其中用电异常状况，对该用电户的用电信息进行监测和控制，使阶梯电价的实施，智能控制费用的营销方案拥有了技术方面的支持。用电信息采集系统由三部分，分别为主站、信道和采集设备。
1.2 国内外发展现状
电能质量监测装置按其测量的对象主要分为三类，其一是集中式的电能质量监测装置，这些装置主要固定安装在公共场所，比如重要的工厂，变电站等场所，它们需要用大型的，稳定性高的设备对其进行长期监测记录。第二类则是便携式的电能质量监测设备，这一类的装置功能强大，价格昂贵。第三类是手持式的电能质量监测装置，这一类型的设备功能比较简单。
电能质量测量技术的发展是由早期对模拟量的监测，之后发展到数字量的监测，随着对电流电压间隔采样技术的出现与发展，数大。随着数字电子技术的迅猛发展，数字监测技术的作用越来越重要了。国外的电能质量监测技术发展的比较早，并且对这一技术比较重视，他们设计了类类型繁多的电能质量监测设备，这些设备的性能大多是性能优秀的。比如说瑞士的LEM公司生产的PQPT1000电能质量监测设备，美国福禄克公司生产的F43、F43B电能质量监测装置。我国电能质量监测技术起步比较晚，是在上世纪80年代开始研究电能谐波的特性。到目前，我国公司所设计的电能质量监测装置比国外总体来讲要差上一些。
图1系统框图
2.2 系统的关键技术问题和性能指标
1）、技术关键问题：
（1）互感器连接的设计问题；
（2）调理电路的设计问题；
（3）电能质量采集芯片周围电路以及其与主控芯片接口问题；
2）、主要技术参数及性能指标：
（1）瞬时电压测量范围10～400V
（2）电流测量范围：0.06～6A<
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