电网谐波测试仪设计毕业设计(论文)开题报告下载

ID:189319 · 发表于 2017-4-13 19:40

主要讲解了如何采集电压电流信号，以及对信号的处理，最后分析谐波并且将其显示。

电信学院毕业设计（论文）开题报告
姓名       专业                班级
学号       指导教师       题目类型
题目电网谐波测量仪表设计
一、选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）
1、技术背景：
电力是现代社会中不可缺少的重要能源，但是随着科技的发展，大量的非线性电力电子设备出现在现代电力系统中，使电网中的高次谐波愈来愈严重；其对电力系统的影响的直接表现是电流和电压波形产生周期性畸变，在这些电流和电压的波形中出现了一系列频率为基波频率整倍数的正弦波分量(高次谐波分量)，高次谐波分量称为电力谐波。电力谐波对电力系统安全、稳定、经济运行构成了潜在威胁，给周围电气环境也带来了极大的影响，同时还阻碍了电力电子技术的发展。谐波作为是电网的一大公害引发了人们对电力系统谐波问题的关注。谐波测量作为研究谐波问题的出发点和依据，成为人们研究谐波首要面对的问题。
2、设计依据：
随着谐波源越来越多，同时谐波危害也越大；对谐波测量方法和技术也越来越成熟。电力谐波的测量已经具有很长的历史，最初的谐波测量完全以谐波波形的记录数据和手工计算为基础的，不仅精度很低,而且耗时多。随着电子元件质量和可用性的进一步改善,使得生产稳定的、可变频率的振荡器成为可能,这本身导致谐波测量技术的发展,使得精度更高的模拟式频谱分析仪的研制成为可能。本设计主要通过电压和电流互感器对电网信号进行采集，再利用快速傅里叶变换法对从电网采集来的谐波进行分析，快速傅里叶变换法主要优点就是运算速度快，不占用很多的系统时间，适应快速跟踪动态检测的要求；且该算法将采集的电压、电流中的干扰化为高次谐波处理，避免了因采用模拟滤波电路产生参数不匹配带来的误差，从而极大的提高了测量精度；对于多数场合来说都比较适用，因为大多数电网的信号都是稳态信号。通过STM32来实现对快速傅里叶变换算法的控制，以及对相应参数的显示和PC机信息的传递。STM32主要优点是稳定性高、可扩展性强。
3、选题目的及意义：
1）目的：谐波检测是研究分析谐波问题的出发点和主要依据，准确、快速地检测系统中的谐波成分，是保证谐波抑制有效性的关键问题。主要有以下几点：（1）鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定，包括对所有谐波源用户的设备投运时的测量。（2）电气设备调试、投运时的谐波测量，以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运行。（3）谐波故障或异常原因的测量。为了分析各种谐波故障或异常原因以及采取相应的对策的各种测试和分析。（4）谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等。
2）意义：
第一：是因为谐波的危害比较严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。如上节所述，谐波引起的危害繁多，严重影响人们正常工作。
第二：还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学技术发
展的重要支柱，但是电力电子装置所产生的谐波污染己经成为电力电子技术的重大障
碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。
第三：还可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这
个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。
综上所述，谐波检测是保证电力系统安全、稳定、经济运行的重要技术，谐波研究
对国民经济的发展具有十分重要的研究意义。本文希望通过对谐波检测及其相关技术的
研究，来改进和完善谐波测量，为谐波测量技术的发展提出一些新的想法。
参考文献：
单片机应用技术选编1—10，  北京航天航空大学出版社
实时控制与智能化仪表多微机系统的通信技术，清华大学出版社
可编程逻辑器件PLD原理与应用，中国铁道出版社
数字信号处理导论，清华大学出版社
二、主要设计（研究）内容、设计（研究）思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案及工作流程
1、设计内容：
本设计主要设计一个电网谐波测量仪表，对电网电压和电流信号进行采集和处理，分析电网电压和电流谐波以及电网无功功率，并且将电压和电流的相关值计算和显示，同时将三相电压和电流波形显示出来，最后通过通讯模块将信号传给计算机，让计算机对相关滤波器进行自动控制。
  1）测试功能：
计算及显示参数:
三相电压、电流波形；三相电压、电流有效、平均和最大值；功率因数；电压、电流总谐波畸变率；频率；电压、电流波形因数；相序
整屏显示参数:
三相电流、电压瞬时有效值；频率；有功、无功及视在功率（相，总量）；功率因数（相，总量）；COSF
谐波频谱:
谐波DC---63次（显示DC---25次）；显示百分比及绝对幅值；
显示THD 电压、电流有效值
2M的存储容量
  2）主要技术指标及要求：
三相电压:
测试范围：10---550V有效值；分辨率：0.1V；精度：+（读数的0.5%+2位）；频率：43---68HZ；波形因数：1
三相电流:
范围：0.02---1V/20A---1000A；分辨率：0.3mV/ 0.3A；精度：+（读数的0.5%+2位）；波形因数：2.5；允许过载：50%
记录时间间隔：1秒---15分（或30分）
  3）其它参数：
电源：220V AC42---63HZ或充电电池（充满可操作5小时）；功耗：<10VA；
显示：160× 116mm LCD 显示；记忆容量：2M（失电保存功能）；
通讯：RS232计算机接口；波特率：2400---57600 ；
通过因特网可以升级；
防护等级：IP54；
工作温度：-10----+50℃；
2、设计思想：
  1）根据设计任务要求，该设计主要有以下几个模块组成：
（一）核心控制器STM32单元模块：
      本次设计主要用核心芯片STM32F103ZET6来作为本次设计的控制单元；
该芯片具有以下功能：该芯片具有 64KB SRAM、512KB  FLASH、2 个基本定时器、4 个通用定时器、2 个高级定时器、3 个 SPI、2 个 IIC、5 个串口、1个 USB、1 个 CAN、3 个 12 位 ADC、1 个 12 位 DAC、1 个 SDIO 接口、1 个 FSMC 接口以及112 个通用 IO 口，这些具有的功能能很好的完成设计任务。
（二）电压和电流信号采集模块：
      主要利用电压互感器和电流互感器将电网三相高电压和大电流处理成低电压和小电流用于电网谐波的分析。首先将三相电压和电流通过六路互感器进行信号采集，再进行相应电流和电压信号的处理，最后A/D处理。
电压互感器：是将一次回路的高电压成正比的变换为二次低电压以供给测量仪表、继电保护及其它类似电器。
电流互感器：是将一次回路的大电流成正比的变换为二次小电流以供给测量仪表、继电保护及其它类似电器。二次电流不能直接A/D转换，必须进行相关的处理将其转换成能被处理的信号；再输入到A/D处理模块。
（三） ADC处理模块：
该模块主要将采集到的模拟信号进行数字化处理，处理之后再通过STM32单片机进行FFT（快速傅里叶变换处理）。
  STM32F103ZET的ADC处理模块：STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有 18 个通道，可测量 16 个外部和 2 个内部信号源。各通道的 A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC 的结果可以左对齐或右对齐方式存储在 16 位数据寄存器中。我们在本次设计中主要利用其中的6个通道分别对三相电压和三相电流转换处理；然后存储到相应的数据寄存器中。
（四）  FFT（快速傅里叶变换算法）数据处理模块：
在数字信号处理中，离散傅里叶变换(DFT)是常用的变换方法，它在各种数字信号处理系统中扮演者重要的角色。快速傅里叶变换(FFT)并不是一种新的算法，而是离散傅里叶变换(DFT)的一种快速计算的算法而已。
将A/D转换后的数据进行FFT算法，我们就可以对电压和电流的各次谐波和相关的一些值进行计算，这些数据处理都是通过程序来实现的。
（五）显示及按键模块：
①　显示：
由于设计任务要求显示的值和参数比较多，所以对显示屏要求比较高，在一个屏幕上显示不了，必须要利用按键，通过程序来控制让其转换显示，
②　按键：
主要用于显示屏的控制，以及一些设置值得操作，比如设置报警、显示屏切换，以及复位等。
（六）通讯模块：
通过RS232协议利用软件使单片机与PC机进行通讯，对相关的滤波器进行相关的操作。
（七）电源模块：
主要为各个电路提供所需的电源。
2）设计思路：
   硬件部分一个模块一个模块着手，首先通过电压和电流互感器对三相电压和电流信号进行采集，在经过相应的处理将采集的信号处理成单片机能进行A/D转换的信号，再A/D 转换，将转换后的信号直接让单片机通过快速傅里叶算法处理，之后将快速傅里叶变换算法处理后的信息用程序进行算术处理，计算出任务要求的电压电流相关的参数，再通过显示模块显示，最后将相关的信号用RS232协议传给PC机。
   软件部分通过各个模块的编程，软件部分在对芯片的管脚功能和用法以及整个系统有充分的了解后，根据设计要求设计硬件电路，包括互感器信息采集电路、按键控制电路、A/D模块连接电路、再编写所需要的程序，然后通过软件编程，基本实现设计的任务要求。
  系统硬件结构图如下：

                           图1.系统结构框图
3、解决的关键问题：
本次设计主要从两个方面着手解决相关问题，即硬件和软件两个方面来考虑。
1) 硬件方面关键问题：
①　该系统用于测量电网谐波并对其进行简单的分析，所以必须要考虑电网信号的采集电路和处理电路。
②　信号采集模块电流和电压互感器的原理以及采集来的信号简单处理电路的设计。
③　被采集来数据经过算法分析之后，如何显示和如何通过PC机通讯等需要考虑。
④　各个模块与单片机硬件的调试。
2)  软件方面关键问题：
①　各个模块程序的设计和编写。
②　FFT算法以及谐波相关数据的计算。
③　显示模块软件、按键、时钟、FFT算法等程序编写，以及各个程序模块的组合，和调试。
④　软件程序在硬件上面的调试以及仿真。
4.  拟采用的技术方案及工作流程：
1)    拟采用的技术方案：
   本设计采用的是STM32F103ZET6处理器。该芯片具有 64KB SRAM、512KB
FLASH、2 个基本定时器、4 个通用定时器、2 个高级定时器、3 个 SPI、2 个 IIC、5 个串口、1个 USB、1 个 CAN、3 个 12 位 ADC、1 个 12 位 DAC、1 个 SDIO 接口、1 个 FSMC 接口以及112 个通用 IO 口。它的功能相对于51单片机强很多，所以采用STM32作为主控制芯片。
   信号采集模块采用相应变比的互感器，电压信号采用600/1变比的互感器，而电流互感器采用1500/1变比的互感器。由于单片机A/D转换的限制，必须对电流和电压信号做处理，电压信号由于存在负值不能直接A/D，必须增加一个信号提高电路，将电压值同倍的增加使其成为满足STM32芯片A/D能处理的0~3.3V 范围内的值。电流信号被电流互感器采集之后要将其先转换成线性对应的电压信号，再进行电压信号的同倍提升使其同样满足A/D处理能力。
   谐波分析采用快速傅里叶变换算法，该算法对采集来的信号进行处理，最后能得到某次谐波的幅值、相角等参数，再经过相关电参数的公式计算出其他参数，比如有效值等。FFT是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个信号变换到频域。有些信号在时域上是很难看出什么特征的，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特征了。这就是很多信号分析采用FFT变换的原因。另外，FFT可以将一个信号的频谱提取出来，这在频谱分析方面也是经常用的。
   显示模块由于显示要求比较高，实时显示模块由一块2.8寸TFTLCD模块，该模块支持 65K 色显示，显示分辨率为 320×240，接口为 16 位的 80 并口，自带触摸屏。其驱动芯片采用ILI9320来驱动。TFTLCD 显示需要的相关设置步骤如下：设置 STM32 与与 TFTLCD  模块相连接的 IO（先将我们与 TFTLCD 模块相连的 IO 口进行初始化，以便驱动 LCD）、初始化 TFTLCD  模块、通过函数将字符和数字显示到 TFTLCD  模块上。同时由于要显示波形，所以在显示时还要用到D/A模块进行数模转换。
   按键用来报警设置和屏幕显示功能达不到任务要求时，采用按键切换来显示。本设计大致用到三个按键，KEY0、KEY1、KEY2，分别用来控制上下限，和屏幕切换。
   通讯模块采用RS232协议将信号传给PC机。
   存储模块采用SD卡存储，它不仅容量可以做到很大（32Gb 以上），而且支持 SPI 接口，方便移动，并且有几种体积的尺寸可供选择（标准的 SD 卡尺寸，以及 TF 卡尺寸等），能满足不同应用的要求。
综合以上分析STM32F103ZET6能满足要求，完成基本功能，所以本设计采用STM32F103ZET6处理器和相关的外部接口电路。
2) 工作流程：
①　查阅相关资料，确定初步思路，确定系统总体方案：
②　各模块选型，包括控制器、采集模块、显示模块等的选型；
③　设计各个模块的硬件电路，画出软件主程序流程图以及各个软件子程序流程图；
④　各个模块子程序设计与调试以及仿真；
三、毕业设计（论文）工作进度安排
第1周          查阅相关资料
      第2周          总体方案论证与设计
第3周          各元器件选型
第4周          各组织模块
第5周          硬件部分电路初步设计
第6周          硬件部分电路设计
第7周          设计软件流程总体框图
第8周          主程序设计
第9周          数据采集部分软件设计
第10周          程序控制部分软件设计
第11周          软件调试
      第12周          书写毕业设计说明书

完整的开题报告下载（word格式可编辑）：

谐波测量.doc (54 KB, 下载次数: 26)

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