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標(biāo)題: 電網(wǎng)諧波測試儀設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告下載 [打印本頁]
作者: denghuicun    時間: 2017-4-13 19:40
標(biāo)題: 電網(wǎng)諧波測試儀設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告下載
主要講解了如何采集電壓電流信號，以及對信號的處理，最后分析諧波并且將其顯示。


電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
姓 名        專業(yè)                   班級   
學(xué) 號        指導(dǎo)教師        題目類型   
題 目    電網(wǎng)諧波測量儀表設(shè)計
一、選題背景及依據(jù)（簡述題目的技術(shù)背景和設(shè)計依據(jù)，說明選題目的、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)中的高次諧波愈來愈嚴(yán)重；其對電力系統(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)境也帶來了極大的影響，同時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)了人們對電力系統(tǒng)諧波問題的關(guān)注。諧波測量作為研究諧波問題的出發(fā)點(diǎn)和依據(jù)，成為人們研究諧波首要面對的問題。
2、設(shè)計依據(jù)：  
    隨著諧波源越來越多，同時諧波危害也越大；對諧波測量方法和技術(shù)也越來越成熟。電力諧波的測量已經(jīng)具有很長的歷史，最初的諧波測量完全以諧波波形的記錄數(shù)據(jù)和手工計算為基礎(chǔ)的，不僅精度很低,而且耗時多。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)計主要通過電壓和電流互感器對電網(wǎng)信號進(jìn)行采集，再利用快速傅里葉變換法對從電網(wǎng)采集來的諧波進(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)時間，適應(yīng)快速跟蹤動態(tài)檢測的要求；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)不匹配帶來的誤差，從而極大的提高了測量精度；對于多數(shù)場合來說都比較適用，因為大多數(shù)電網(wǎng)的信號都是穩(wěn)態(tài)信號。通過STM32來實現(xiàn)對快速傅里葉變換算法的控制，以及對相應(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：諧波檢測是研究分析諧波問題的出發(fā)點(diǎn)和主要依據(jù)，準(zhǔn)確、快速地檢測系統(tǒng)中的諧波成分，是保證諧波抑制有效性的關(guān)鍵問題。主要有以下幾點(diǎn)：（1）鑒定實際電力系統(tǒng)及諧波源用戶的諧波水平是否符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，包括對所有諧波源用戶的設(shè)備投運(yùn)時的測量。（2）電氣設(shè)備調(diào)試、投運(yùn)時的諧波測量，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)的對策的各種測試和分析。（4）諧波專題測試，如諧波阻抗、諧波潮流、諧波諧振和放大等。
   2）意義：
   第一：是因為諧波的危害比較嚴(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)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，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諧波問題進(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)境的角度來認(rèn)識。對電力系統(tǒng)這
個環(huán)境來說，無諧波就是“綠色”的主要標(biāo)志之一。
綜上所述，諧波檢測是保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要技術(shù)，諧波研究
對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的研究意義。本文希望通過對諧波檢測及其相關(guān)技術(shù)的
研究，來改進(jìn)和完善諧波測量，為諧波測量技術(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
實時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， 中國鐵道出版社
數(shù)字信號處理導(dǎo)論，清華大學(xué)出版社   
二、主要設(shè)計（研究）內(nèi)容、設(shè)計（研究）思想、解決的關(guān)鍵問題、擬采用的技術(shù)方案及工作流程
1、設(shè)計內(nèi)容：
   本設(shè)計主要設(shè)計一個電網(wǎng)諧波測量儀表，對電網(wǎng)電壓和電流信號進(jìn)行采集和處理，分析電網(wǎng)電壓和電流諧波以及電網(wǎng)無功功率，并且將電壓和電流的相關(guān)值計算和顯示，同時將三相電壓和電流波形顯示出來，最后通過通訊模塊將信號傳給計算機(jī)，讓計算機(jī)對相關(guān)濾波器進(jìn)行自動控制。
  1）測試功能：
計算及顯示參數(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、電壓瞬時有效值； 頻率；有功、無功及視在功率（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）； 顯示百分比及絕對幅值；
顯示THD 電壓、電流有效值
2M的存儲容量
  2）主要技術(shù)指標(biāo)及要求：
三相電壓:
測試范圍：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；允許過載：50%
記錄時間間隔：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）；功耗：<10VA；
顯示：160× 116mm LCD 顯示； 記憶容量：2M（失電保存功能）；
通訊：RS232計算機(jī)接口；波特率：2400---57600 ；
通過因特網(wǎng)可以升級；
防護(hù)等級：IP54；
工作溫度：-10----+50℃；
2、設(shè)計思想：
  1）根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，該設(shè)計主要有以下幾個模塊組成：
（一）核心控制器STM32單元模塊：
        本次設(shè)計主要用核心芯片STM32F103ZET6來作為本次設(shè)計的控制單元；
該芯片具有以下功能：該芯片具有 64KB SRAM、512KB  FLASH、2 個基本定時器、4 個通用定時器、2 個高級定時器、3 個 SPI、2 個 IIC、5 個串口、1個 USB、1 個 CAN、3 個 12 位 ADC、1 個 12 位 DAC、1 個 SDIO 接口、1 個 FSMC 接口以及112 個通用 IO 口，這些具有的功能能很好的完成設(shè)計任務(wù)。
（二）電壓和電流信號采集模塊：
        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六路互感器進(jìn)行信號采集，再進(jìn)行相應(yīng)電流和電壓信號的處理，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量儀表、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量儀表、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；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進(jìn)行數(shù)字化處理，處理之后再通過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 個通道，可測量 16 個外部和 2 個內(nèi)部信號源。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)果可以左對齊或右對齊方式存儲在 16 位數(shù)據(jù)寄存器中。我們在本次設(shè)計中主要利用其中的6個通道分別對三相電壓和三相電流轉(zhuǎn)換處理；然后存儲到相應(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)字信號處理系統(tǒng)中扮演者重要的角色。快速傅里葉變換(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，我們就可以對電壓和電流的各次諧波和相關(guān)的一些值進(jìn)行計算，這些數(shù)據(jù)處理都是通過程序來實現(xiàn)的。
（五） 顯示及按鍵模塊：
①　顯示：
由于設(shè)計任務(wù)要求顯示的值和參數(shù)比較多，所以對顯示屏要求比較高，在一個屏幕上顯示不了，必須要利用按鍵，通過程序來控制讓其轉(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)置報警、顯示屏切換，以及復(fù)位等。
（六）通訊模塊：
通過RS232協(xié)議利用軟件使單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行通訊，對相關(guān)的濾波器進(jìn)行相關(guān)的操作。
（七）電源模塊：
主要為各個電路提供所需的電源。  
2）設(shè)計思路：
     硬件部分一個模塊一個模塊著手，首先通過電壓和電流互感器對三相電壓和電流信號進(jìn)行采集，在經(jīng)過相應(yīng)的處理將采集的信號處理成單片機(jī)能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的信號，再A/D 轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的信號直接讓單片機(jī)通過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，計算出任務(wù)要求的電壓電流相關(guān)的參數(shù)，再通過顯示模塊顯示，最后將相關(guān)的信號用RS232協(xié)議傳給PC機(jī)。
     軟件部分通過各個模塊的編程，軟件部分在對芯片的管腳功能和用法以及整個系統(tǒng)有充分的了解后，根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計硬件電路，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、再編寫所需要的程序，然后通過軟件編程，基本實現(xiàn)設(shè)計的任務(wù)要求。
  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下：
  

                               圖1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
3、解決的關(guān)鍵問題：
本次設(shè)計主要從兩個方面著手解決相關(guān)問題，即硬件和軟件兩個方面來考慮。
1)    硬件方面關(guān)鍵問題：
①　該系統(tǒng)用于測量電網(wǎng)諧波并對其進(jìn)行簡單的分析，所以必須要考慮電網(wǎng)信號的采集電路和處理電路。
②　信號采集模塊電流和電壓互感器的原理以及采集來的信號簡單處理電路的設(shè)計。
③　被采集來數(shù)據(jù)經(jīng)過算法分析之后，如何顯示和如何通過PC機(jī)通訊等需要考慮。
④　各個模塊與單片機(jī)硬件的調(diào)試。
2)  軟件方面關(guān)鍵問題：
①　各個模塊程序的設(shè)計和編寫。
②　FFT算法以及諧波相關(guān)數(shù)據(jù)的計算。
③　顯示模塊軟件、按鍵、時鐘、FFT算法等程序編寫，以及各個程序模塊的組合，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)計采用的是STM32F103ZET6處理器。該芯片具有 64KB SRAM、512KB
FLASH、2 個基本定時器、4 個通用定時器、2 個高級定時器、3 個 SPI、2 個 IIC、5 個串口、1個 USB、1 個 CAN、3 個 12 位 ADC、1 個 12 位 DAC、1 個 SDIO 接口、1 個 FSMC 接口以及112 個通用 IO 口。它的功能相對于51單片機(jī)強(qiáng)很多，所以采用STM32作為主控制芯片。
     信號采集模塊采用相應(yīng)變比的互感器，電壓信號采用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，必須對電流和電壓信號做處理，電壓信號由于存在負(fù)值不能直接A/D，必須增加一個信號提高電路，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。電流信號被電流互感器采集之后要將其先轉(zhuǎn)換成線性對應(yīng)的電壓信號，再進(jìn)行電壓信號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，該算法對采集來的信號進(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)過相關(guān)電參數(shù)的公式計算出其他參數(shù)，比如有效值等。FFT是離散傅立葉變換的快速算法，可以將一個信號變換到頻域。有些信號在時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。這就是很多信號分析采用FFT變換的原因。另外，F(xiàn)FT可以將一個信號的頻譜提取出來，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，實時顯示模塊由一塊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)動芯片采用ILI9320來驅(qū)動。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 LCD）、 初始化 TFTLCD  模塊、通過函數(shù)將字符和數(shù)字顯示到 TFTLCD  模塊上。同時由于要顯示波形，所以在顯示時還要用到D/A模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
     按鍵用來報警設(shè)置和屏幕顯示功能達(dá)不到任務(wù)要求時，采用按鍵切換來顯示。本設(shè)計大致用到三個按鍵，KEY0、KEY1、KEY2，分別用來控制上下限，和屏幕切換。
     通訊模塊采用RS232協(xié)議將信號傳給PC機(jī)。
     存儲模塊采用SD卡存儲，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，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)計各個模塊的硬件電路，畫出軟件主程序流程圖以及各個軟件子程序流程圖；
④　各個模塊子程序設(shè)計與調(diào)試以及仿真；
三、畢業(yè)設(shè)計（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
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                       
第6周            硬件部分電路設(shè)計                                   
第7周            設(shè)計軟件流程總體框圖                                      
第8周            主程序設(shè)計                                 
第9周            數(shù)據(jù)采集部分軟件設(shè)計                             
第10周           程序控制部分軟件設(shè)計                                
第11周           軟件調(diào)試                                       
          第12周           書寫畢業(yè)設(shè)計說明書

完整的開題報告下載（word格式可編輯）：
諧波測量.doc (54 KB, 下載次數(shù): 27)





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