dsp+arm的电能质量监测仪的设计与实现总体设计(附件)【字数：21278】
摘 要摘 要近年来，随着工业水平的飞速发展，变频器、换流器、整流装置等电力电子设备和其他波动负荷、非线性负荷的大量使用，导致电网的供电质量严重下降，而半导体、精密仪器等行业的生产制造对于电能质量的要求格外严格，不合格的电能将给各行各业带来巨大的损失。电能质量监测是了解电能质量指标参数与电力系统分析的基础，因此对电能质量做监测从而有针对性的改善供电质量意义重大。本文首先对电能质量的概念与分类做细致介绍，对于当前国内外市场上应用范围最广的监测设备和电能质量分析技术进行比较，为后面的设计工作提供了经验积累。接着对相关电能质量参数指标做了详细的介绍，根据国标要求给出了各个参数的详细计算公式和便于实现的离散化公式，为编程实现奠定理论基础。然后，根据监测装置的实际应用场合以及国家标准委员会制定的标准详细划分了预期要达成的功能和技术指标，通过比较典型监测装置系统的设计方案，提出DSP+ARM结构的设计框架，并从整体框架设计出发完善对于各个模块的任务和要求。最后，从重点解决谐波分析出发，由FFT算法原理出发，得出FFT算法的实现过程，通过Matlab软件实现对电网波形的谐波分析仿真，同时针对非同步采样下出现的频谱泄漏的情况，选用了加汉宁窗的插值FFT算法进行分析，利用仿真平台完成对信号频率成分的精确检测，为下一步在装置中实现对电力系统中谐波的精确检测提供了理论先行的依据。关键词电能质量，DSP，ARM，快速傅立叶变换，汉宁窗
目 录
第一章 绪论 1
1.1电能质量概述 1
1.2电能质量问题的一般分类 2
1.3课题研究背景和意义 3
1.4电能质量监测装置与分析技术的研究现状 4
1.5 主要任务与论文结构 7
1.5.1 主要任务 7
1.5.2 论文结构 7
第二章 电能质量参数的概念和计算 8
2.1基本量的测量 8
2.1.1电压、电流等有效值的测量 8
2.1.2各种功率以及功率因数的测量 8
2.1.3频率的测量 10
2.2供电电压偏差 10
2.2.1供电电压偏差的概念 10
2.2.2供电电压偏差的计算 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.3电力系统频率偏差 11
2.3.1频率偏差的概念 11
2.3.2频率偏差的计算 11
2.4三相电压不平衡度 11
2.4.1三相不平衡度的概念 11
2.4.2三相不平衡度的计算 12
2.5公用电网谐波 13
2.5.1公用电网谐波的概念 13
2.5.2公用电网谐波的计算 14
2.6电压波动和闪变 16
2.6.1电压波动和闪变的概念 16
2.6.2电压波动和闪变的计算 16
2.7本章小结 18
第三章 监测装置总体方案的设计 19
3.1监测装置设计目标与要求 19
3.1.1 设计目标 19
3.1.2 设计要求 20
3.2硬件方案的选择与比较 21
3.2.1 A/D采样+MCU结构 21
3.2.2 电能计量芯片型+ARM结构 21
3.2.3 A/D+DSP结构 22
3.2.4 DSP+ARM结构 22
3.3设计方案的任务分解 23
3.3.1 DSP模块 24
3.3.2 ARM模块 26
3.3.3 LabVIEW模块 27
3.4本章小结 27
第四章 谐波算法设计与仿真分析 28
4.1 概述 28
4.2 谐波分析中的FFT算法 28
4.2.1 FFT算法原理 28
4.2.2 算法仿真与结果分析 31
4.3 加窗傅里叶变换的谐波分析 34
4.3.1 常见窗函数及其特性 34
4.3.2 Hanning窗下的FFT算法实现 36
4.3.3 算法仿真与结果分析 38
4.4 本章小结 41
总结与展望 42
致谢 44
参考文献 45
第一章 绪论
1.1电能质量概述
电能质量（Power Quality，简称PQ）描述的是通过公用电网供给用户端的交流电能的品质，通俗来讲，指的是发电厂发出的电能，可以看作一种商品，从而对它的各种技术指标作出规定，以判断是否合格[12]。对于电能质量的概念可以通过以下几个角度理解：
（1）电压质量 电压质量反映的是实测电压值与额定电压值之间的偏差关系，它反映着供电方对用户所提供的电力合格程度[1]。电压质量的定义包含了电压暂降、突升，过电压，欠电压，电压切痕，波动与闪变，三相不平衡等电能质量问题，但不含频率所致的电能质量问题与用电方对电能质量的影响和污染。
（2）电流质量 电流质量定义提出的目的是进一步提高电能传输的速率，同时满足有些用户对电流相位和供电电压相位保持一致以保证高功率因数工作而来。电流质量的定义包含了电流谐波、间谐波，相位的滞后与超前问题，噪声等。电流质量的定义有助于改善电网质量与降低线损[2]，不过不包含电压原因导致的电能质量问题。
（3）供电质量 供电质量定义提出的目的是明确用电、供电双方之间相互关联与影响中供电方的责任。从技术含义上讲是指供电电压的质量与供电的可靠性。非技术层次指服务质量，包含了供电方对于用电方疑问解决，投诉的反应及反应速度，用电费用的合理性和透明性等。
（4）用电质量 用电质量的定义是指供电向用户输配电中用电方的权利、责任和义务等，如用户是否按时缴纳费用，减少无必要的电能污染等。用电质量是对供电服务质量的补充[3]。
另外，电能使用方对电能质量定义是让设备正常运转的供电特性，供电方则将其定义为供电的稳定性。除此之外，一些研究领域或是文献报告中也有不同的电能质量定义。因此，国内外对于电能质量的确切定义始终未形成一致的共识，但大多数的专家认为电能质量的定义可以理解为：导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或是频率偏差，造成用电设备发生故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题[4]。
1.2电能质量问题的一般分类
IEEE根据电压扰动的频谱特性、持续时间、幅值时间等电力系统典型的干扰现象进行了特征分类[5]，如表11所示。
表11 IEEE的电力系统电磁扰动现象的特性及分类
类别
目 录
第一章 绪论 1
1.1电能质量概述 1
1.2电能质量问题的一般分类 2
1.3课题研究背景和意义 3
1.4电能质量监测装置与分析技术的研究现状 4
1.5 主要任务与论文结构 7
1.5.1 主要任务 7
1.5.2 论文结构 7
第二章 电能质量参数的概念和计算 8
2.1基本量的测量 8
2.1.1电压、电流等有效值的测量 8
2.1.2各种功率以及功率因数的测量 8
2.1.3频率的测量 10
2.2供电电压偏差 10
2.2.1供电电压偏差的概念 10
2.2.2供电电压偏差的计算 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.3电力系统频率偏差 11
2.3.1频率偏差的概念 11
2.3.2频率偏差的计算 11
2.4三相电压不平衡度 11
2.4.1三相不平衡度的概念 11
2.4.2三相不平衡度的计算 12
2.5公用电网谐波 13
2.5.1公用电网谐波的概念 13
2.5.2公用电网谐波的计算 14
2.6电压波动和闪变 16
2.6.1电压波动和闪变的概念 16
2.6.2电压波动和闪变的计算 16
2.7本章小结 18
第三章 监测装置总体方案的设计 19
3.1监测装置设计目标与要求 19
3.1.1 设计目标 19
3.1.2 设计要求 20
3.2硬件方案的选择与比较 21
3.2.1 A/D采样+MCU结构 21
3.2.2 电能计量芯片型+ARM结构 21
3.2.3 A/D+DSP结构 22
3.2.4 DSP+ARM结构 22
3.3设计方案的任务分解 23
3.3.1 DSP模块 24
3.3.2 ARM模块 26
3.3.3 LabVIEW模块 27
3.4本章小结 27
第四章 谐波算法设计与仿真分析 28
4.1 概述 28
4.2 谐波分析中的FFT算法 28
4.2.1 FFT算法原理 28
4.2.2 算法仿真与结果分析 31
4.3 加窗傅里叶变换的谐波分析 34
4.3.1 常见窗函数及其特性 34
4.3.2 Hanning窗下的FFT算法实现 36
4.3.3 算法仿真与结果分析 38
4.4 本章小结 41
总结与展望 42
致谢 44
参考文献 45
第一章 绪论
1.1电能质量概述
电能质量（Power Quality，简称PQ）描述的是通过公用电网供给用户端的交流电能的品质，通俗来讲，指的是发电厂发出的电能，可以看作一种商品，从而对它的各种技术指标作出规定，以判断是否合格[12]。对于电能质量的概念可以通过以下几个角度理解：
（1）电压质量 电压质量反映的是实测电压值与额定电压值之间的偏差关系，它反映着供电方对用户所提供的电力合格程度[1]。电压质量的定义包含了电压暂降、突升，过电压，欠电压，电压切痕，波动与闪变，三相不平衡等电能质量问题，但不含频率所致的电能质量问题与用电方对电能质量的影响和污染。
（2）电流质量 电流质量定义提出的目的是进一步提高电能传输的速率，同时满足有些用户对电流相位和供电电压相位保持一致以保证高功率因数工作而来。电流质量的定义包含了电流谐波、间谐波，相位的滞后与超前问题，噪声等。电流质量的定义有助于改善电网质量与降低线损[2]，不过不包含电压原因导致的电能质量问题。
（3）供电质量 供电质量定义提出的目的是明确用电、供电双方之间相互关联与影响中供电方的责任。从技术含义上讲是指供电电压的质量与供电的可靠性。非技术层次指服务质量，包含了供电方对于用电方疑问解决，投诉的反应及反应速度，用电费用的合理性和透明性等。
（4）用电质量 用电质量的定义是指供电向用户输配电中用电方的权利、责任和义务等，如用户是否按时缴纳费用，减少无必要的电能污染等。用电质量是对供电服务质量的补充[3]。
另外，电能使用方对电能质量定义是让设备正常运转的供电特性，供电方则将其定义为供电的稳定性。除此之外，一些研究领域或是文献报告中也有不同的电能质量定义。因此，国内外对于电能质量的确切定义始终未形成一致的共识，但大多数的专家认为电能质量的定义可以理解为：导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或是频率偏差，造成用电设备发生故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题[4]。
1.2电能质量问题的一般分类
IEEE根据电压扰动的频谱特性、持续时间、幅值时间等电力系统典型的干扰现象进行了特征分类[5]，如表11所示。
表11 IEEE的电力系统电磁扰动现象的特性及分类
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