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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。
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2017-4-14 04:25 上傳
電信學院畢業設計（論文）開題報告
姓 名 專業 班級
學 號 指導教師 題目類型
題 目 電網諧波測量儀表設計
一、選題背景及依據（簡述題目的技術背景和設計依據，說明選題目的、意義，列出主要參考文獻）
1、技術背景：
電力是現代社會中不可缺少的重要能源，但是隨著科技的發展，大量的非線性電力電子設備出現在現代電力系統中，使電網中的高次諧波愈來愈嚴重；其對電力系統的影響的直接表現是電流和電壓波形產生周期性畸變，在這些電流和電壓的波形中出現了一系列頻率為基波頻率整倍數的正弦波分量(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安全、穩定、經濟運行構成了潛在威脅，給周圍電氣環境也帶來了極大的影響，同時還阻礙了電力電子技術的發展。諧波作為是電網的一大公害引發了人們對電力系統諧波問題的關注。諧波測量作為研究諧波問題的出發點和依據，成為人們研究諧波首要面對的問題。
2、設計依據：
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也越來越成熟。電力諧波的測量已經具有很長的歷史，最初的諧波測量完全以諧波波形的記錄數據和手工計算為基礎的，不僅精度很低,而且耗時多。隨著電子元件質量和可用性的進一步改善,使得生產穩定的、可變頻率的振蕩器成為可能,這本身導致諧波測量技術的發展,使得精度更高的模擬式頻譜分析儀的研制成為可能。本設計主要通過電壓和電流互感器對電網信號進行采集，再利用快速傅里葉變換法對從電網采集來的諧波進行分析，快速傅里葉變換法主要優點就是運算速度快，不占用很多的系統時間，適應快速跟蹤動態檢測的要求；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生參數不匹配帶來的誤差，從而極大的提高了測量精度；對于多數場合來說都比較適用，因為大多數電網的信號都是穩態信號。通過STM32來實現對快速傅里葉變換算法的控制，以及對相應參數的顯示和PC機信息的傳遞。STM32主要優點是穩定性高、可擴展性強。
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點和主要依據，準確、快速地檢測系統中的諧波成分，是保證諧波抑制有效性的關鍵問題。主要有以下幾點：（1）鑒定實際電力系統及諧波源用戶的諧波水平是否符合標準的規定，包括對所有諧波源用戶的設備投運時的測量。（2）電氣設備調試、投運時的諧波測量，以確保設備投運后電力系統和設備的安全及經濟運行。（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重。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。如上節所述，諧波引起的危害繁多，嚴重影響人們正常工作。
第二：還在于其對電力電子技術自身發展的影響。電力電子技術是未來科學技術發
展的重要支柱，但是電力電子裝置所產生的諧波污染己經成為電力電子技術的重大障
礙，它迫使電力電子領域的研究人員必須對諧波問題進行更為有效的研究。
第三：還可以上升到從治理環境污染、維護綠色環境的角度來認識。對電力系統這
個環境來說，無諧波就是“綠色”的主要標志之一。
綜上所述，諧波檢測是保證電力系統安全、穩定、經濟運行的重要技術，諧波研究
對國民經濟的發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技術的
研究，來改進和完善諧波測量，為諧波測量技術的發展提出一些新的想法。
參考文獻：
單片機應用技術選編1—10， 北京航天航空大學出版社
實時控制與智能化儀表多微機系統的通信技術， 清華大學出版社
可編程邏輯器件PLD原理與應用， 中國鐵道出版社
數字信號處理導論，清華大學出版社
二、主要設計（研究）內容、設計（研究）思想、解決的關鍵問題、擬采用的技術方案及工作流程
1、設計內容：
本設計主要設計一個電網諧波測量儀表，對電網電壓和電流信號進行采集和處理，分析電網電壓和電流諧波以及電網無功功率，并且將電壓和電流的相關值計算和顯示，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，讓計算機對相關濾波器進行自動控制。
1）測試功能：
計算及顯示參數:
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；電壓、電流總諧波畸變率；頻率；電壓、電流波形因數；相序
整屏顯示參數:
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（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）主要技術指標及要求：
三相電壓:
測試范圍：10---550V有效值；分辨率：0.1V；精度：+（讀數的0.5%+2位）；頻率：43---68HZ；波形因數：1
三相電流:
范圍：0.02---1V/20A---1000A；分辨率：0.3mV/ 0.3A；精度：+（讀數的0.5%+2位）； 波形因數：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：
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計算機接口；波特率：2400---57600 ；
通過因特網可以升級；
防護等級：IP54；
工作溫度：-10----+50℃；
2、設計思想：
1）根據設計任務要求，該設計主要有以下幾個模塊組成：
（一）核心控制器STM32單元模塊：
本次設計主要用核心芯片STM32F103ZET6來作為本次設計的控制單元；
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計任務。
（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三相高電壓和大電流處理成低電壓和小電流用于電網諧波的分析。首先將三相電壓和電流通過六路互感器進行信號采集，再進行相應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、繼電保護及其它類似電器。二次電流不能直接A/D轉換，必須進行相關的處理將其轉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行數字化處理，處理之后再通過STM32單片機進行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字轉換器。它有 18 個通道，可測量 16 個外部和 2 個內部信號源。各通道的 A/D 轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。ADC 的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在 16 位數據寄存器中。我們在本次設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換處理；然后存儲到相應的數據寄存器中。
（四） FFT（快速傅里葉變換算法）數據處理模塊：
在數字信號處理中，離散傅里葉變換(DFT)是常用的變換方法，它在各種數字信號處理系統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轉換后的數據進行FFT算法，我們就可以對電壓和電流的各次諧波和相關的一些值進行計算，這些數據處理都是通過程序來實現的。
（五） 顯示及按鍵模塊：
① 顯示：
由于設計任務要求顯示的值和參數比較多，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換顯示，
② 按鍵：
主要用于顯示屏的控制，以及一些設置值得操作，比如設置報警、顯示屏切換，以及復位等。
（六）通訊模塊：
通過RS232協議利用軟件使單片機與PC機進行通訊，對相關的濾波器進行相關的操作。
（七）電源模塊：
主要為各個電路提供所需的電源。
2）設計思路：
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行采集，在經過相應的處理將采集的信號處理成單片機能進行A/D轉換的信號，再A/D 轉換，將轉換后的信號直接讓單片機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行算術處理，計算出任務要求的電壓電流相關的參數，再通過顯示模塊顯示，最后將相關的信號用RS232協議傳給PC機。
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有充分的了解后，根據設計要求設計硬件電路，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，基本實現設計的任務要求。
系統硬件結構圖如下：
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2017-4-14 04:27 上傳
圖1.系統結構框圖
3、解決的關鍵問題：
本次設計主要從兩個方面著手解決相關問題，即硬件和軟件兩個方面來考慮。
1) 硬件方面關鍵問題：
① 該系統用于測量電網諧波并對其進行簡單的分析，所以必須要考慮電網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計。
③ 被采集來數據經過算法分析之后，如何顯示和如何通過PC機通訊等需要考慮。
④ 各個模塊與單片機硬件的調試。
2) 軟件方面關鍵問題：
① 各個模塊程序的設計和編寫。
② FFT算法以及諧波相關數據的計算。
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，和調試。
④ 軟件程序在硬件上面的調試以及仿真。
4. 擬采用的技術方案及工作流程：
1) 擬采用的技術方案：
本設計采用的是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單片機強很多，所以采用STM32作為主控制芯片。
信號采集模塊采用相應變比的互感器，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A/D轉換的限制，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 范圍內的值。電流信號被電流互感器采集之后要將其先轉換成線性對應的電壓信號，再進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行處理，最后能得到某次諧波的幅值、相角等參數，再經過相關電參數的公式計算出其他參數，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，FFT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。其驅動芯片采用ILI9320來驅動。TFTLCD 顯示需要的相關設置步驟如下： 設置 STM32 與 與 TFTLCD 模塊相連接的 IO（先將我們與 TFTLCD 模塊相連的 IO 口進行初始化，以便驅動 LCD）、 初始化 TFTLCD 模塊、通過函數將字符和數字顯示到 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模塊進行數模轉換。
按鍵用來報警設置和屏幕顯示功能達不到任務要求時，采用按鍵切換來顯示。本設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協議將信號傳給PC機。
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（標準的 SD 卡尺寸，以及 TF 卡尺寸等），能滿足不同應用的要求。
綜合以上分析STM32F103ZET6能滿足要求，完成基本功能，所以本設計采用STM32F103ZET6處理器和相關的外部接口電路。
2) 工作流程：
① 查閱相關資料，確定初步思路，確定系統總體方案：
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 各個模塊子程序設計與調試以及仿真；
三、畢業設計（論文）工作進度安排
第1周 查閱相關資料
第2周 總體方案論證與設計
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計
第6周 硬件部分電路設計
第7周 設計軟件流程總體框圖
第8周 主程序設計
第9周 數據采集部分軟件設計
第10周 程序控制部分軟件設計
第11周 軟件調試
第12周 書寫畢業設計說明書
完整的開題報告下載（word格式可編輯）：
諧波測量.doc
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2017-4-13 19:40 上傳
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